干旱脅迫對無花果葉片生理特性的影響

姜露露，于 坤，劉冬冬，王軍武，包興成，鄭 重

（1石河子大學農學院/新疆兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子832000；2新疆石大國利農業科技股份有限公司，新疆阿拉爾843300）

0 引言

新疆南疆地區干旱少雨，大部分地區被沙漠包裹，很多城市有著不同程度的干旱脅迫。目前，由于環境問題的加重，果樹干旱缺水的情況愈加嚴重，極大地影響了果樹的生長發育和水果的品質。植物在面對干旱脅迫時首先表現出器官的收縮或生長停止，而且變化趨勢明顯，當植物遭受干旱脅迫時將會出現負增長[1-2]；其次果樹的生長發育長期處于高溫天氣和水源缺乏會導致果樹樹體發育受到威脅[3]，無論是休眠時期還是生長季節，都會對樹體各環節起到抑制作用。但是在一定干旱脅迫程度內，果樹植物可以通過合成調節物質平衡代謝，從而適應環境所帶來的負面影響[4-5]。

無花果(Ficus carica)為桑科榕屬植物，雌雄異花，花隱于囊狀總花托內，只能看見果實而無法看到其開花，所以稱其為無花果，是最早馴化的樹種之一[6-8]，在國內已有2000多年的種植歷史。無花果是經濟價值較高的果樹，富含18種氨基酸，是氨基酸含量最多的果實[9-12]。無花果生長發育能在一定程度上適應多種惡劣環境，其抗逆性研究仍需理論支撐，目前研究大多集中在提高產量、品質、抗逆性等方面，抗逆性研究主要集中于耐鹽堿[13]和抗寒性[14]等，其他鮮有報道。前人對果樹的干旱脅迫方做了很多研究，劉競擇等[15]找到了適合西北干旱地區的葡萄砧木；里程輝等[16]通過分析水分虧缺對蘋果葉片生理特性的影響，得出‘岳冠’蘋果綜合抗旱性較好；朱京民等[17]分析了植株地上部與地下部的關系，提出加大根冠比，可以減少水分虧缺對果樹細胞膜的傷害程度，以抵御干旱脅迫。筆者以多年生無花果果樹為研究對象，將土壤含水量設置成不同梯度，對無花果進行干旱脅迫處理，分析測定無花果產量及各項指標[18-19]，研究無花果的抗旱生理生化機制，旨在為無花果生產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

試驗于2020年5—9月在產學研聯合培養研究生示范基地開展。試驗地位于塔克拉瑪干大沙漠北緣，東經 80°87′、北緯 40°59′，平均海拔1100 m，溫室大棚日平均溫度12～44℃，相對濕度40%～94%。

1.2 試驗材料

所用材料為本基地引進的多年生無花果品種‘布蘭瑞克’。2020年5月初將無花果進行干旱脅迫梯度劃區，并進行小區隔離，各試驗小區長7 m、寬0.8 m、深1.2 m，土質為沙壤土，其理化性質見表1。

表1 試驗地土壤理化性質

1.3 試驗設計

對試驗地各小區無花果進行隔離之后，每個小區安裝一套土壤墑情儀器、一套農業氣象站，外部安裝主管道及滴灌帶，處理前各小區澆透水，當土壤含水量達到灌溉下限時，根據儀器水分反饋情況進行人工補水。2020年6月中旬開始干旱脅迫處理，設置4個水脅迫梯度，分別為正常供水（CK，田間持水量的65%～75%）、輕度干旱（LD，田間持水量的50%～55%）、重度干旱（MD，田間持水量的40%～45%）、極度干旱（ED，田間持水量的30%～35%）。每個小區7棵無花果果樹，總計28棵。

1.4 指標測定及方法

1.4.1 無花果產量、葉綠素相對含量及葉片含水量的測定 9月1日起每隔15天9:00—11:00，選取3株標記植株測定單株結果數，各取3果測定單果重，計算平均單果重及小區產量；從植株新梢頂端向下數第3片成熟葉測葉綠素相對含量（便攜式葉綠素儀）后求平均值。9月28日各處理隨機選取3片功能葉迅速帶回實驗室，將表面擦拭干凈測定其鮮重W1，待烘箱(75℃)48 h烘至質量不變稱其干重W2，計算葉片相對含水量(RWC)，如式(1)。

1.4.2 生理生化指標的測定 9月28日各處理隨機選取3片功能葉（圖1）帶回實驗室測定葉片蛋白含量、可溶性總糖含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、游離脯氨酸(Pro)的含量。葉片蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定，可溶性總糖含量采用蒽酮比色法測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TAB)法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定，過氧化氫酶(CAT)活性采用磷酸緩沖液法測定，游離脯氨酸(Pro)含量采用磺基水楊酸法測定[19]。

圖1 無花果葉片測定部位示意圖

1.5 數據統計

數據統計及處理在WPS 2019中完成，采用Excel 2019進行繪圖制圖，采用SPSS 17.0軟件進行方差顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下無花果葉片相對含水量及葉綠素相對含量的變化

葉片相對含水量(RWC)直接反映出植物在干旱環境中水分虧缺的程度。由圖2A可知，隨著干旱脅迫強度的增加無花果葉片相對含水量呈下降趨勢，ED處理下達到最低為54.1%，較CK處理顯著(P<0.05)下降了26.37%；MD較CK處理顯著(P<0.05)下降了18.66%。由圖2B可知，隨著脅迫程度的增加，無花果葉片葉綠素相對含量逐漸降低，處理間差異顯著(P<0.05)，在ED處理下達最小值(36.1)，較CK處理降低了44.40%。同時可以看到，有些葉片在ED處理下出現變黃的情況，表明水分虧缺使得無花果葉片葉綠素合成受阻，隨著干旱脅迫強度的增加葉片葉綠素的分解也開始加快。

圖2 干旱脅迫下無花果葉片相對含水量及葉綠素相對含量的變化

2.2 干旱脅迫下無花果葉片可溶性糖含量及蛋白含量的變化

由圖3A可知，隨著干旱脅迫程度的增加，無花果葉片的可溶性糖含量明顯增加。ED處理下的無花果葉片可溶性糖含量最大，達到了3.713%，比CK處理增加了120%；MD處理下的無花果葉片的可溶性糖含量為2.673%，較CK處理增加了60%。由圖3B可知，在干旱脅迫下無花果葉片蛋白隨著脅迫強度的增加而增加，在ED處理下達到最大，較CK處理提高了260%；MD處理次之，較CK處理提高了230%。說明植株在受到脅迫時會誘導合成大量蛋白質，通過合成調節物質來抵御惡劣的環境因素，保護組織免受干旱脅迫帶來的傷害。

圖3 干旱脅迫下無花果葉片可溶性糖含量及蛋白含量的變化

2.3 干旱脅迫下無花果葉片滲透物質及酶活性的變化

Pro作為植物體內滲透調節的細胞溶質，其含量的變化直接反映無花果葉片在干旱脅迫下的抗性。由表2可知，隨著水分虧缺程度的增加，無花果葉片內的脯氨酸含量呈現出緩慢增加的趨勢，ED和MD處理相較于CK分別提高了33%和19%，隨著水分虧缺程度的增加，無花果葉片通過合成游離脯氨酸來調節細胞內微環境，以抵抗環境帶來的威脅。

MDA是具有毒性的膜脂過氧化產物，會導致植物細胞內環境失調，它的含量也直接反映了植物細胞受脅迫的程度。隨著干旱脅迫的加劇，各處理下的無花果葉片MDA含量表現為上升趨勢；ED處理顯著升高，說明該處理葉片細胞受脅迫程度最為嚴重；ED及MD相較于CK處理分別增加了473%和114%，LD與CK處理差異不明顯，表明受干旱脅迫的程度不大。

SOD、CAT及POD活性是反映植物受脅迫程度的重要指標，它們的含量在一定范圍內可以表明植物細胞在水分虧缺下受脅迫的相應強度。SOD的含量大小表明植物葉片清除自由基的能力；CAT能夠清除植物細胞內由生理過程形成而積累的H2O2，它和POD共同為細胞消除H2O2，以達到解毒的效果，防止葉片內細胞形成大量的自由基。從表2中可以看出，隨著干旱強度的增加，無花果葉片內的POD、SOD和CAT的活性均呈現出上升趨勢；POD活性上升幅度較小，其ED、MD、LD較CK處理分別增加了6.2%、5.1%、2.3%。SOD活性上升趨勢顯著，ED處理下的SOD活性達到了最大，較CK處理增加了360%；在MD、LD處理下較CK處理分別增加了280%、150%。CAT活性在ED處理下達到最大，較CK增加了240%，在MD、LD處理下分別增加了90%、40%。表明在干旱脅迫下無花果葉片SOD、CAT及POD的活性顯著增強。

表2 干旱脅迫下無花果葉片滲透物質及酶活性的變化

2.4 干旱脅迫對無花果單果重及小區產量的影響

隨著時間的推移各處理間無花果單果重均逐漸增加，直至成熟。由圖4A可知，果實平均單果重在MD處理下達到最大值為62.11 g，較CK增加了26.15%；LD處理次之，較CK增加了13.94%；ED處理最小，較CK處理增加了6.09%。由圖4B可知，小區產量隨著時間的推移呈逐漸增加趨勢；隨著水分處理程度的增加，表現為ED處理下的小區產量最大(13.90 kg)，較CK處理增加了41%；LD處理次之，較CK增加了40.27%。ED處理下的單果重相對較小，表明該處理下的無花果座果率較高。

圖4 干旱脅迫對無花果單果重及小區產量的影響

3 結論

干旱脅迫下無花果可以合成大量的可溶性糖、蛋白質，通過增加滲透調節物質和提高抗氧化酶的活性等方式來降低干旱脅迫帶來的危害。無花果葉片的葉綠素含量及相對含水量等指標在LD處理下就開始出現下降，表明干旱脅迫會影響無花果體內水分利用率和葉綠素的含量，降低葉片的光合作用，導致無花果產量降低；隨著干旱強度的增加，處理中有無花果葉片變黃的現象；葉片內的膜質過氧化物大量存在，說明干旱脅迫對無花果葉片內細胞膜有很大影響。同時，干旱脅迫下無花果各項指標表現不同，說明單一指標不能夠對花果的抗旱性進行綜合評價，應分析多項指標來對其進行評價。本研究結果表明，在干旱脅迫下，‘布蘭瑞克’無花果比較耐旱的生理機制是積累了大量的可溶性糖和蛋白，葉片內的抗氧化酶活性高。

4 討論

在干旱環境脅迫下，植物的生物量有明顯變化。干旱脅迫會造成植物葉片水分和養分供應不足，嚴重時直接導致植株缺水萎蔫甚至是死亡，最終導致產量降低。本研究表明，MD處理下無花果平均果重表現為最大(62.11 g)，小區產量在ED處理下表現為最大(13.90 kg)；說明隨著時間的推移，ED處理下的無花果結果量較其他處理多。葉綠素作為光合作用過程中最重要的光合色素之一，可以直接反映植株受干旱脅迫的程度[21]。本研究表明，隨著干旱脅迫強度的增加，無花果葉片葉綠素含量逐漸降低，葉綠素被逐漸分解，光合產能降低。由于無花果葉片的含水量下降導致葉片質量降低，造成葉綠素處于相對濃縮的狀態。干旱脅迫下無花果葉片積累了大量的可溶性糖和蛋白質，誘導了某些調控蛋白的表達，導致蛋白質濃度的增加[22-23]。無花果葉片在正常條件下可溶性糖含量維持在一定范圍內，遭遇干旱逆境時會大量積累，使得無花果葉片細胞液濃度升高，降低了無花果葉片的細胞水勢，增強了持水力，從而提高無花果應對干旱的能力。葉片相對含水量作為植株抗旱能力的重要指標，直接反映植物組織水分虧缺程度[24]。本研究結果表明，無花果葉片相對含水量隨著干旱脅迫強度的增加呈現出下降趨勢，說明干旱環境導致葉片組織水分大量虧損。

在干旱脅迫下植株體內細胞膜選擇透過性功能會降低或者喪失，細胞內離子平衡發生紊亂，使得組織浸出液的相對電導率上升[25-26]；細胞體內會產生大量的MDA等膜脂過氧化物，從而破壞植株體內細胞膜的結構和功能[27-28]。本研究表明，隨著干旱脅迫強度的增加，植株體內MDA的含量呈上升趨勢，LD、MD處理下的MDA含量較CK處理上升不明顯，表明細胞膜脂受傷害的程度輕微，ED處理下的MDA含量顯著上升，表明膜脂受傷害嚴重而發生過氧化；隨著干旱脅迫程度的增加無花果葉片脯氨酸含量呈上升趨勢，這與前人[29-31]的研究結果一致。無花果通過合成滲透調節物質Pro的含量來維持較高的細胞滲透壓，在極度干旱脅迫中，無花果合成高于CK處理1.33倍的脯氨酸維持細胞膨壓，從而緩解干旱帶來的威脅。

SOD首先參與抗氧化損傷，它可以通過反應消除植物體內多余的超氧陰離子，協同POD和CAT分解H2O2，從而消除活性氧物質來降低膜脂過氧化造成的傷害，維持細胞代謝平衡[32-34]。本研究結果表明，隨著干旱脅迫強度的增加，無花果葉片體內的SOD、POD、CAT活性均出現上升趨勢，其中POD活性變化相對平緩，說明干旱脅迫下POD始終在發揮作用，但是POD的變化對無花果抗旱性影響相對較小；而SOD與CAT活性在干旱脅迫處理之后均顯著增加，ED處理下的SOD、CAT活性均達到了最大，較CK高360%和240%，說明在干旱脅迫時SOD與CAT對無花果的抗旱性起著最主要的作用。無花果在干旱脅迫下通過誘導增強SOD、POD、CAT的活性共同抵御活性氧帶來的損傷。

人們對無花果的認知程度不斷提高，無花果在鮮食市場所占份額也是逐年增大。新疆無花果大多是經驗栽培，產量低、品質差限制了無花果的高效發展。筆者主要針對‘布蘭瑞克’無花果的抗旱性做了部分研究，旨在探究其面對水分脅迫帶來的危害時做出的反應，從而掌握無花果適宜的需水狀況。由于儀器限制，本研究測定的無花果葉片生理指標還不夠全面，不能對無花果抗旱性進行系統分析，例如無花果葉片的熒光參數、光合特性指標[凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)]等未進行測定，后續的試驗中還需進一步補充完善。