海岸黑松和紫穗槐對間歇強凈風和風沙流吹襲的生理響應機制

周瑞蓮,逄金強,宋 玉

魯東大學生命科學學院, 煙臺 264025

陸、海、風三種介質相互作用形成了海岸風沙環境,其大風及強海風常常使植株遭受機械損傷,尤其是攜帶高能沙粒的風沙流氣流[1],其對植物的損害程度要比凈風強數倍到數十倍[2]。風沙流吹襲在引發植物機械損傷和磨蝕危害外,還可引發組織脫水并迅速導致那些耐受力較弱植物的生長衰退直至死亡[1—3]。因此,風沙環境與干旱、鹽堿、高溫環境一樣,都屬于極端環境,風沙流吹襲也是一種環境脅迫[1]。然而在海岸風沙環境卻生活著一些可抵御海風和風沙流脅迫的防風固沙樹種。關于防風樹種是如何忍受風沙流吹襲而生存、其生存對策及抗風生長生理機制、風沙流吹襲后恢復生長的自愈修復生理調節,目前尚不清楚。

關于植物對逆境脅迫的生理適應機制研究發現,低溫[4]、干旱[5—7]、鹽堿[8—9]、沙埋[10—11]等環境脅迫均引發植物葉片細胞失水而導致滲透脅迫。一方面,滲透脅迫引發活性氧自由基積累并破壞氧自由基代謝平衡,引起細胞膜脂過氧化,但同時積累的活性氧自由基可激活體內抗氧化防御系統,增強抗氧化酶活力(SOD、CAT、POD等)、抑制氧自由基積累、防止膜脂過氧化并及時修復受損細胞[4—5]。另一方面,滲透脅迫會使植物快速積累一些小分子滲透調節物質(可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿)降低水勢,維護膨壓,進行滲透調節[12—14]。 因此,低溫、干旱、鹽堿和沙埋脅迫下,植物滲透調節功能和抗氧化酶防御功能在植物抗逆生理中起重要作用。另外,植物不僅對逆境脅迫具有較強的生理適應調控作用, 而且在脅迫解除后還具有較強的生理調控可塑性。研究發現,在反復干旱復水處理中,差巴嘎蒿[14—15]、節節麥[16]、小冠花[17]葉片含水量在干旱脅迫時下降,恢復供水后上升,同時其葉片MDA和脯氨酸含量及SOD、POD、CAT活力在干旱脅迫中增加,在復水后下降并恢復到對照。研究認為,植物對缺水有很強的補償性,對干旱脅迫造成的損傷具有較高的自愈修復能力[10,16]和抗逆生理可塑性。但目前尚不清楚防風固沙植物是如何面對自然強陣風吹襲, 其抗氧化酶保護系統和滲透調節物是否參與其強風吹襲后細胞的自愈修復。

目前關于植物對風和風沙流吹襲的響應機制已有一些報道。人們研究發現,風沙吹襲不僅影響地上部枝系構型、枝葉形態與組織[18—19],而且還通過影響大氣溫濕度和空氣流動,影響植物氣孔調節作用[20—21],以及抗逆生理代謝[22—23]。研究發現,強風沙流吹襲造成霸王[22]、樟子松[23]、玉米[24]葉片RWC下降、膜脂過氧化加劇和細胞膜受損。同時風吹襲還引發植物POD活力和可溶性糖、脯氨酸含量的增加以減輕細胞膜傷害,維持細胞正常膨壓[22—24]。而目前就風和風沙流的研究內容,則主要集中在對植物的傷害結果及單次風和風沙流吹襲過程中引發的生理變化及適應機制,而對多次風沙流吹襲對植物抗逆生理的影響、及風后植物修復機制尚未研究。就研究方法,人們利用野外調查法獲得風沙流吹襲對植物形態和植被物種豐富度、植被蓋度影響的結果[9,25]；或通過風扇和鼓風機吹襲處理獲得風傷害結果[19,26]；或通過風沙洞法定量研究風速大小與植物生理代謝變化的關系[20—24]。由于風沙洞法能定量控制風速可真實模擬自然風環境而被應用[20—24]。但目前用風沙洞法對植物的研究僅限于揭示不同風速風和風沙流吹襲過程中植物生理變化與其抗風力關系,而尚不了解風沙流處理后植物恢復生長的修復機制。

紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.豆科落葉灌木)和黑松(PinusthunbergiiParl.常綠喬木)為兩個不同科屬樹種。但均抗海風、耐干旱、抗風沙流是海岸防風林帶建設的重要首選樹種[27]。對兩防風樹種抗逆生理機制研究發現,黑松幼苗在一定海水濃度范圍和脅迫時間內MDA含量、SOD和POD活力增高[28—29]。紫穗槐在干旱脅迫下,隨干旱脅迫強度的增加,其葉片脯氨酸、 MDA含量和相對電導率增大[30—31]。可見滲透調節作用和抗氧化酶保護系統參與了兩樹種抗鹽、抗旱生理調控作用。由于不同脅迫環境作用于植物時都會發生滲透脅迫[32], 而風沙流脅迫常引發葉片大量失水[23—24,32],目前尚不清楚在風吹襲中抗氧化酶保護系統和滲透調節是否參與了防風固沙植物抗脫水和抗風生長的生理調節,以及風后恢復生長的自愈修復生理調節。

本研究以黑松和紫穗槐為材料,利用野外便攜式沙風洞用間歇風吹模擬自然陣風,通過測定在強風(18m/s)凈風吹襲和風沙流吹襲過程中及吹襲后24h恢復期兩樹種葉片RWC、膜脂過氧化產物含量(MDA)、滲透調節物含量(脯氨酸、可溶性糖)、抗氧化保護酶(CAT、POD、SOD)活力等指標的變化,以探討兩樹種對自然強陣風吹襲的生理響應規律,探討生理可塑性在自愈修復和適應自然陣風吹襲中作用。通過對比兩不同科屬植物形態、生物學特性、抗逆生理指標變化的差異揭示植株形態與生理變化在抗風中作用。該研究不僅可以拓展極端環境植物逆境生理生態學研究領域,而且研究成果可極大地豐富沙漠生態學和沙漠化防治學的理論,而且對于抗風和耐風沙流植物的篩選和培育具有一定理論指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況：

煙臺市地處山東半島中部,位于東經119°34′—121°57′,北緯36°16′—38°23′。該地區屬于溫帶季風氣候,空氣濕潤,氣候溫和。年平均降水量為651.9mm,主要集中在7—8月；年平均氣溫11.8℃,最熱月為8月(24.6℃)；年平均相對濕度68%；年平均風速內陸地區3—4m/s,沿海地區4—6m/s。煙臺沿海防護林自然保護區是我國第一個以沿海基干林帶為主要森林生態系統,黑松和紫穗槐是煙臺地區沙質海岸基干林帶的主要造林樹種。

1.2 材料培養：

黑松苗購置于山東乳山市桑行埠村黑松苗圃。紫穗槐苗購置于煙臺苗圃。所需試驗材料在試驗前一年秋季(2017年11月)從苗圃公司購買。購買的株高40cm黑松(主莖粗2cm)和紫穗槐(主莖粗1.5cm)幼苗用盆栽法培養在魯東大學生命科學學院生物園中越冬以排除移栽帶來的傷害并獲得生長健壯的幼苗。

具體操作為,將幼苗分別移栽在30cm×30cm×25cm(直徑×直徑×高)的花盆中?；ㄅ柚型寥∽陨飯@土壤表土和西泊子海岸沙地的沙子,并按2∶1比例混勻成沙土裝入各盆中,以保證各盆中土質一致和接近黑松和紫穗槐原生長地的沙質土壤。在生物園試驗地平行挖四行寬30cm深度25cm的溝,將花盆擺放在深溝中,用周圍的土填充盆間隙,并拍實盆周圍的土。移栽后馬上給花盆注滿水,在冬季和春季定時給花盆澆水,并清除盆內外雜草。

1.3 風吹試驗設計

為了適應70cm 高風沙洞風吹裝置,在風吹處理前一晚,從試驗地中挑選生長勢,株高基本一致(約50cm)的盆栽黑松和紫穗槐幼苗,將其從試驗地各挖出12盆(對照、凈風處理組、風沙流處理組各4盆)搬到實驗室,各盆澆等量水。同時對花盆做標記,以利于同盆植物進行連續間歇風吹試驗。另外,對植株做標記,在植株莖稈4/5和2/5處進行標記作為取樣區域。

風吹處理分為凈風吹襲和風沙流吹襲,凈風吹即風吹襲中沒有沙粒,風沙流吹襲即在風吹襲中加入了沙粒。 風吹強度設為大風(18 m/s)相當于8 級風,18m/s風沙流強度為172.93g cm-1min-1。風吹設備為野外便攜式沙風洞(專利號:ZL 2008 10182207X)。間歇風吹襲處理,由于植物對脅迫的生理響應較快,同時日間不同時間植物生理代謝不同,故間歇風吹襲采用在每天同一時間進行以排除植物生理影響。風吹襲時將標記的花盆放入風沙洞中,在第一天早8：00用凈風或風沙流(18m/s)吹襲20min后,將花盆從風沙洞中取出、澆水、置生物園自然環境下恢復24h,在第二天、第三天早8：00重復該過程。每個處理4個重復,每個重復為一盆幼株,每盆含2株幼樹。

1.4 試驗取材及試驗方法

取樣時間和順序, 第一天早7:00從不同處理組植株上取樣記為處理前,在8：00進行凈風和風沙流吹襲20min后取樣記為第一次風吹；在隨后的第二天、第三天、第四天早7：00點取樣分別記為恢復期1、恢復期2、恢復期3；在早8：00進行凈風和風沙流吹襲20min后取樣分別記為第二次風吹和第三次風吹。試驗取材均在風吹襲處理前(7:00)、處理后(8:20),在植株采集樣品區域用剪刀剪取葉片。一部分葉片快速包裹放到液氮中固定,帶回實驗室保存在超低溫冰箱中,用于抗氧化酶活力、滲透調節物含量、丙二醛含量的測定；另一部分立刻測定葉片RWC。各生理指標的測定重復5次以上。

酶液提取是在4 ℃條件下進行的,準確稱取1.5 g液氮固定的葉片于預冷研缽中,加入酶提取液(pH值=7.8磷酸緩沖液),冰浴上研磨成勻漿,在15000 r/min 4 ℃條件下離心15 min,上清液用于抗氧化酶活力和脯氨酸、可溶性糖和MDA含量的測定。

采用愈創木酚法測定POD活性[33]；采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定SOD活性[34]；采用過氧化氫-碘量法測定CAT活力[35]。采用茚三酮比色法測定游離脯氨酸含量[33]、采用蒽酮法測定可溶性糖含量[33]、采用硫代巴比妥酸法測定MDA含量[33]、采用稱重法測定相對含水量[33]。

1.5 數據處理

實驗數據采用3個以上重復的平均值±標準差(mean±SD)。應用SPSS 20 軟件進行數據的統計分析。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 間歇風吹對黑松和紫穗槐葉片RWC的影響

自然狀態下,紫穗槐和黑松葉片RWC差異不顯著,但在間歇風吹襲處理中,葉片RWC差異顯著(P<0.05),尤其在第三次風沙流吹襲后,黑松葉片RWC較紫穗槐高63.8%。

兩樹種在間歇風吹襲處理中葉片RWC變化不同(圖1)。黑松葉片RWC隨著凈風吹襲次數的增多變化較小,隨風沙流吹襲次數增多呈小幅下降趨勢,并且風吹襲和恢復期葉片RWC差異不明顯,但風沙流吹襲組葉片RWC與對照差異顯著(P<0.05)(圖1)。隨著凈風和風沙流吹襲次數的增多,紫穗槐葉片RWC顯著下降,并均與對照差異顯著(P<0.05),其中風沙流吹襲葉片RWC下降幅度顯著大于凈風吹襲,而且葉片RWC在風吹襲時下降,在恢復期上升,且兩者葉片RWC差異顯著(P<0.05)(圖1)。如,在第二、第三次凈風吹襲中葉片RWC較之前處理分別降低9.1%和16.5%、恢復期增加9.6%和15.3%；在第二、第三次風沙流吹襲中葉片RWC較之前處理降低30.5%和38.2%、恢復期增加41.6%和57.2%。

圖1 間歇風吹處理中黑松和紫穗槐葉片RWC變化Fig.1 Changes of the relative water content in the leaves of A.fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing 不同小寫字母表示同一種風吹襲下,間歇風吹處理間之間差異顯著(P<0.05)

2.2 間歇風吹對黑松和紫穗槐葉片膜脂過氧化的影響

自然狀態和間歇風吹襲后,紫穗槐葉片MDA含量均高于黑松,且兩者差異顯著(P<0.05)(圖2)。自然狀況下,紫穗槐葉片MDA含量較黑松高93.3%,在間歇風吹襲后紫穗槐葉片MDA含量較黑松高78.43%。

兩樹種在間歇風吹襲中葉片 MDA含量變化趨勢相同,均表現為在第一次風吹襲時增高,并與對照差異顯著(P<0.05),在隨后風吹襲中趨于下降。在間歇凈風和風沙流吹襲中,葉片MDA含量在風吹襲時上升,在恢復期下降(圖2)。如,在第二、第三次間歇風沙流處理時,黑松葉片MDA含量在風吹襲中分別增加15.1%、36.1%,在恢復期分別下降37.7%、26.9%；紫穗槐葉片MDA含量在風吹襲中分別增加16.7%、13.9%,在恢復期分別下降28.2%、22.4%。而且,風吹襲和恢復期葉片MDA差異顯著(P<0.05)。所不同的是,黑松風沙流吹襲組葉片MDA含量高于凈風吹襲,而紫穗槐風沙流吹襲組葉片MDA含量低于凈風吹襲組。該結果與對玉米[24]和霸王[22]的研究一致,研究發現,隨著風沙流吹襲強度的增大,葉片MDA含量趨于下降[12,15]。

圖2 間歇風吹處理中黑松和紫穗槐葉片MDA含量的變化Fig. 2 Changes of the MDA content in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

2.3 間歇風吹對黑松和紫穗槐葉片滲透調節物含量的影響

自然狀態和間歇風吹襲后,黑松葉片可溶性糖含量均高于紫穗槐,且兩者差異顯著(P<0.05)。自然狀態下黑松葉片可溶性糖含量較紫穗槐高111.5%,凈風吹襲下黑松葉片平均可溶性糖含量較紫穗槐高76.1%,風沙流吹襲下高94.8%(圖3)。

兩樹種在間歇風吹襲中葉片可溶性糖含量變化趨勢略相似。隨凈風和風沙流吹襲次數增多,黑松葉片可溶性糖含量呈波動式變化,并在風吹襲時上升,在恢復期下降,但可溶性糖含量一直維持較高(圖3)。而紫穗槐葉片可溶性糖含量隨凈風和風沙流吹襲次數增多呈小幅增加,并在風吹襲時上升,在恢復期下降,但可溶性糖含量一直較低。如，第二、第三次間歇凈風吹襲中,黑松葉片可溶性糖在風吹襲中分別增加3.9%、8.2%,在恢復期分別下降3.2%、14.2%；紫穗槐葉片可溶性糖在風吹襲中分別增加28.9%、32.2%,在恢復期分別下降20.3%、24.6%。而且凈風處理組和風沙流處理組葉片可溶性糖含量差異明顯(P<0.05)。

圖3 間歇風吹處理中黑松和紫穗槐葉片可溶性糖含量的變化Fig.3 Changes of soluble sugar content in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

在自然狀態和間歇吹襲后,紫穗槐和黑松葉片脯氨酸含量差異顯著(P<0.05)。自然狀況下,紫穗槐葉片脯氨酸含量較黑松高78.6%,在間歇風吹襲中,紫穗槐葉片平均脯氨酸含量在凈風吹襲后較黑松高249.3%,在風沙流吹襲后較黑松高189.5%(圖4)。

兩樹種在間歇風吹襲中葉片脯氨酸含量變化趨勢明顯不同。隨凈風和風沙流吹襲次數增多,黑松葉片脯氨酸含量先小幅降低而后平穩,其中凈風和風沙流吹襲導致葉片平均脯氨酸含量較對照分別下降40.5%、28.6%,并與對照差異顯著(P<0.05),其葉片脯氨酸含量僅在凈風吹襲時上升,在恢復期略下降(圖4)。而紫穗槐葉片脯氨酸含量隨凈風和風沙流吹襲次數增多呈增加趨勢,并與對照差異顯著(P<0.05),葉片脯氨酸含量在風吹襲中增加,在恢復期下降,且兩者間差異顯著(P<0.05)。如,在第二次間隙凈風吹襲中,黑松葉片脯氨酸在風吹襲中增加16.0%,在恢復期下降33.6%；紫穗槐葉片脯氨酸在風吹襲中增加49.9%,在恢復期下降28.5%。但值得注意,在第三次凈風和風沙流處理后的恢復期黑松和紫穗槐葉片脯氨酸均增高。

圖4 間歇風吹下黑松和紫穗槐葉片脯氨酸含量的變化Fig.4 Changes of proline content in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

2.4 間歇風吹對黑松和紫穗槐葉片抗氧化酶活力的影響

自然狀態下,紫穗槐和黑松葉片POD活力差異顯著,紫穗槐葉片POD活力較黑松高6.5倍(P<0.05)(圖5)。間歇風吹后兩樹種葉片平均POD活力差異加大,如,在凈風和風沙流吹襲后紫穗槐葉片平均POD活力較黑松高20倍、11倍(圖5)。

兩樹種在間歇風吹襲中葉片POD活力變化趨勢明顯不同。隨凈風和風沙流吹襲次數增多,黑松葉片POD活力呈現出波動式變化,且低于對照(凈風吹襲),其POD活力在風吹襲中下降,在恢復期升高。而紫穗槐隨凈風和風沙流吹襲次數增多,其葉片POD活力呈增加趨勢(尤其是凈風吹襲),高于對照,且與對照差異顯著(P<0.05),葉片POD活力在風吹襲和恢復期均增高(圖5)。如,在第二、第三次間隙凈風吹襲中,黑松葉片POD活力在風吹襲中下降4.5%和20.3%,在恢復期增加11.1%和6.9%；紫穗槐葉片POD活力在風吹襲中增加3.9%和23.9%,在恢復期增加13.1%和22.2%。

圖5 間歇風吹處理中黑松和紫穗槐葉片過氧化物酶活力的變化Fig.5 Changes of peroxidase activity in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

自然狀態下,紫穗槐葉片CAT活力較黑松高118.8%,間歇風吹襲中,兩樹種葉片CAT活力差異加大,兩者差異顯著(P<0.05)(圖6)。經間歇凈風和風沙流吹襲的紫穗槐葉片平均CAT活力較黑松高580.7% 和346.4%。

圖6 間歇風吹處理中黑松和紫穗槐葉片過氧化氫酶活力的變化Fig.6 Changes of catalase activity in the leaves of A. fruticosa. and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

兩樹種在間歇風吹襲中葉片CAT活力變化趨勢明顯不同。隨凈風和風沙流吹襲次數增多,黑松葉片CAT活力呈現先大幅增高(107.7%, 193.76%),隨后趨于下降,且在第一、第二風吹襲中葉片CAT活力與對照差異顯著(P<0.05),而且黑松葉片CAT活力在風吹襲時增加,在恢復期下降,風處理與恢復期葉片CAT活力差異顯著(P<0.05)(圖6)。隨凈風和風沙流吹襲次數增多,紫穗槐葉片CAT活力呈持續大幅增高趨勢,且高于對照,并與對照差異顯著(P<0.05)(圖6),并且,葉片CAT活力在風吹襲和恢復期均增高。如,在第二、第三次凈風吹襲中,黑松葉片CAT活力在風吹襲中增高42.2%和33.8%,在恢復期下降230.9%和74.1%；紫穗槐葉片CAT活力在風吹襲中增加13.8%和10.6%,在恢復期增加18.9%和10.3%。紫穗槐在間歇凈風吹襲處理中葉片CAT活力較風沙流處理高。

自然狀態下,紫穗槐和黑松葉片SOD活力差異顯著(P<0.05)(圖7),黑松葉片SOD活力較紫穗槐高28.2%,差異顯著,但在間歇凈風和風沙流處理后兩者差異減小,SOD活力差異不顯著。

兩樹種在間歇風吹襲中葉片SOD活力變化趨勢明顯不同。隨凈風和風沙流吹襲次數增多,黑松葉片SOD活力雖有波動,但風吹襲和恢復期葉片SOD活力(除第三次風吹襲)變化不明顯,而且在凈風和風沙流吹襲下的黑松葉片SOD活力差異不顯著(圖7)。隨凈風和風沙流吹襲次數增多,紫穗槐葉片SOD活力呈先下降后大幅增高趨勢,并與對照差異顯著(P<0.05),并SOD活力在風吹襲中下降,在恢復期增加(圖7)。如，在第二、第三次間歇凈風吹襲中,紫穗槐葉片SOD活力在風吹襲中下降7.5% 、14.6%,在恢復期增高16.6%、9.3%,且兩者間葉片SOD活力差異顯著(P<0.05)。另外,間歇凈風吹襲的葉片SOD活力高于間歇風沙流吹襲的。

圖7 間歇風吹處理中黑松和紫穗槐葉片過氧化物歧化酶活力的變化Fig.7 Changes of superoxide dismutase activity in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

3 討論與結論

自然狀況下,海岸帶植物常受季節性強海風及風沙流吹襲的影響,忍受間斷性和季節性強海風及風沙流吹襲,以及風吹襲后快速恢復生長可能是其在海岸帶生存的關鍵。然而關于它們如何抵御強海風吹襲及風后恢復生長的生理調控機理目前尚不清晰。

3.1 持水力在植物抗風生長中作用

Levitt曾指出,不同脅迫環境作用于植物時都會發生水脅迫(滲透脅迫),滲透脅迫導致細胞失水、膨壓喪失,最終造成細胞死亡[32]。本研究結果表明,兩科屬不同的樹種在自然狀況下葉片RWC差異不顯著,但在間歇凈風和風沙流處理中,兩樹種葉片RWC不僅在風吹襲時差異較大, 而且在恢復期變化也不同(圖1)。在風吹襲中,黑松葉片RWC下降幅度較小而RWC較高,紫穗槐葉片RWC下降幅度大而RWC較低；在恢復期,黑松葉片RWC無明顯回升,而紫穗槐葉片RWC回升明顯。一些研究也發現,風不僅對植物外部直接造成機械損傷,還間接通過改變植物周圍的空氣環境,導致植物內部葉片失水形成生理干旱[24]。沙生植物在中強度風沙流吹襲下,葉片凈光合速率和日均蒸騰速率增加,并指出風吹襲引發蒸騰速率加大是葉片水分丟失和水分脅迫產生的原因[20—21, 26]。本研究一方面說明,強風吹襲引發空氣流動加大和空氣蒸氣壓增加,而使葉內外蒸氣壓差增大導致葉片蒸騰速率增高而引發葉片失水,同時風沙流吹襲對葉片的磨蝕造成葉片表皮受損引發角質層蒸騰更加劇了葉片水分丟失[36]。而風沙流吹襲引發的植株劇烈搖擺阻礙水分運輸,這可能是造成葉片失水和水分虧缺的另一原因。另一方面說明,兩樹種葉片持水力和維護水分平衡策略不同，這可能與其葉片特性差異相關。黑松披針形葉,不僅葉面積小,日間葉片受光輻射少,葉片升溫慢,而且疏風也會降低葉溫,從而降低葉片蒸騰速率,減少葉片水分丟失。加之黑松針葉表面附有油脂層可防蒸發,使其持水力較強。相比之下,紫穗槐葉片大而薄,但由于植株枝葉茂密且層層疊加交互遮陰,降低了葉片水分丟失而使其葉片持水力較高,但在風吹襲時,較大的葉片不僅易形成空氣阻力加大風對植物的機械損害,而且較大的葉面積也易引發葉片蒸騰速率增高和水分流失,而降低其持水力[20—21,26]。有研究發現,差巴嘎蒿在反復干旱復水處理中葉片含水量會在干旱脅迫中下降,在復水時上升[14—15]。紫穗槐在干旱脅迫下葉片水分下降,在復水時上升[31]。并認為植物對干旱脅迫造成的損傷具有較高的修復能力,植物對缺水有很強的補償性[14—16]。因此,盡管紫穗槐葉片較大,易受風吹影響而導致蒸騰失水和細胞生理干旱,但較大的葉片生理代謝活動也強,在風后恢復供水時細胞能快速啟動對缺水的補償作用,使其葉片RWC增高?？梢?紫穗槐風后對缺水的補償性可能是一種自我修復機制,它在維護葉片水分平衡上起重要生理調控作用,也是紫穗槐能成為防風固沙植物的關鍵。研究表明,黑松葉片較強的持水力和紫穗槐葉片對缺水的補償力可能是其適應強海風吹襲而生存的關鍵。盡管不同科屬樹種維護葉片水分平衡策略不同,但防止細胞水分虧缺在植物抗風生長和生存中起重要作用。

3.2 滲透調節物在植物缺水補償中作用及與抗風生長關系

本研究結果表明,在自然狀況下,黑松葉片中可溶性糖含量較紫穗槐高111.5%(圖3),而紫穗槐脯氨酸含量則較黑松高78.6%(圖4)。在間歇凈風和風沙流處理中,黑松在風吹襲中伴隨葉片RWC下降,可溶性糖含量的上升,在恢復期伴隨葉片RWC穩定而可溶性糖的下降；而紫穗槐在風吹襲中伴隨葉片RWC大幅度下降,脯氨酸和可溶性糖含量上升,在恢復期伴隨著葉片RWC回升,而脯氨酸和可溶性糖含量下降。大量研究發現,植物對于環境水分狀況的敏感性很高,在生理和細胞及分子水平上都有很快的響應變化[7—8]。差巴嘎蒿[14]、節節麥[16]在干旱脅迫中,不僅葉片水分下降,而且脯氨酸含量呈持續增加；在復水后,葉片含水量上升、脯氨酸下降回到正常水平。植物可通過滲透調節可塑性變化適應干旱生境[16]。本研究結果表明,(1)自然狀況下和間歇風吹襲處理中參與維護兩樹種水分平衡的滲透調節物種類是不同的,黑松依賴可溶性糖,而紫穗槐依賴脯氨酸。對沙生植物的研究發現,自然狀況下,扁蓿豆葉片日均脯氨酸含量最高,較黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜高1—7倍。黃柳葉片日均可溶性糖含量最高,較差巴嘎蒿、豬毛菜、扁蓿豆高2—5倍。差巴嘎蒿和豬毛菜葉片脯氨酸和可溶性糖含量均最低[37—38]。并指出不同科屬沙生植物滲透調節物種類的差異可能與其科屬間植物基礎代謝不同有關。豆科植物主要將光合產物用于蛋白質合成,日間光照和氣溫變化引發葉片蛋白質代謝受阻導致脯氨酸氧化受抑而積累[37]。相反,黃柳和冰草主要將光合產物用于淀粉合成,日間光照和氣溫增高引發葉片缺水導致代謝受阻使可溶性糖積累[37—38]。因此,盡管基礎代謝的差異導致兩樹種具有不同的滲透調節物種類維護細胞水分平衡,但這也表明維護細胞水分平衡在植物適應風吹襲和抗風生長中是至關重要的。(2)間歇風吹處理中,兩樹種葉片滲透調節物含量的變化與其水分變化相關。如,在間歇風沙流處理中,黑松葉片平均RWC下降14.5%,可溶糖含量增加15.9%；而紫穗槐葉片平均RWC下降45.9%,可溶性糖含量增加25.9%,脯氨酸含量增加32.4%?？梢?風吹襲引發葉片失水促進了葉片滲透調節物的積累,而葉中積累的可溶性糖和脯氨酸在維護黑松和紫穗槐葉片水分平衡中起重要作用。(3)在恢復期,紫穗槐葉片水分對虧缺的補償作用與風吹襲中脯氨酸和可溶性糖的積累密切相關。如,在第三次間歇凈風和風沙流吹襲中,黑松可溶性糖提高8.9%和11.7%,在恢復期葉片RWC穩定。在第二和三次間歇凈風吹襲中,紫穗槐可溶性糖含量提高了28.9%、32.3%；脯氨酸含量提高49.8%、47.0%；風后相應恢復期葉片RWC分別較風吹襲增加9.6% 和15.3%。由于這些有機滲透調節物可通過提高細胞液濃度、降低滲透勢而增加細胞吸水力,使其在風后恢復期葉片RWC增高和水分平衡得以修復?？梢?滲透調節物是植物對缺水補償性作用的物質基礎。盡管科屬不同的兩樹種具有不同的滲透調節物種類,但它們在間歇風吹襲中隨水分多寡的變化顯示了兩樹種具有較強的滲透調節可塑性。滲透調節可塑性通過維護水分平衡而在兩樹種抗風生長中起重要生理保護作用。

3.3 抗氧化酶在植物缺水補償中作用及與抗風生長關系

對黑松和紫穗槐在自然狀況下和間歇凈風和風沙流處理中葉片膜脂過氧化程度和抗氧化酶活力變化對比研究發現,首先,自然狀況下紫穗槐葉片MDA含量,CAT、POD活力分別較黑松高93.3%、118.8%、6.5倍,而黑松葉片SOD活力較紫穗槐高28.2% 。MDA是膜脂過氧化作用的最終產物,它的水平表征了膜脂過氧化的程度[4—5]。逆境條件下,細胞內 MDA 含量與植物存活和抗逆性成負相關[4—7]。該結果表明,在自然風沙環境中,黑松依賴SOD抑制膜脂過氧化作用,維護較低膜脂過氧化水平而適應風沙環境，而紫穗槐主要依賴CAT和POD清除氧自由基、抑制膜脂過氧化、維護氧自由基代謝平衡而適應風沙環境。有研究發現,生活在呼倫貝爾沙漠的7種不同科屬沙生植物日間膜脂過氧化程度和抗氧化酶活力差異顯著,其中日間MDA含量最高的豆科植物(扁蓄豆、小葉錦雞兒),葉片POD和CAT 活力也最高；日間MDA含量較低的差巴嘎蒿和豬毛菜,其POD、CAT、和SOD活力也較低?？梢?盡管不同科屬樹種參與抗風的抗氧化酶種類不同, 但抑制膜脂過氧化、維護氧自由基代謝平衡和維護膜的完整性可能在黑松和紫穗槐適應風沙環境起重要生理保護作用。而同一環境下不同科屬植物參與抗逆的抗氧化酶種類不同,可能與其控制膜脂過氧化機理發生分異有關[37—38]。

其次,風吹襲中,兩樹種葉片RWC與抗氧化酶活力變化與呈負相關,與膜脂過氧化程度呈正相關。紫穗槐隨凈風吹襲次數增多葉片RWC下降(23.3%),POD和CAT活力大幅增高(圖5、6、7),而MDA含量下降；隨風沙流吹襲次數增多,RWC下降幅度增大(45.5%),POD、CAT、SOD活力小幅增高,而MDA含量下降。而黑松在間歇凈風處理中,葉片RWC穩定,MDA含量、POD、CAT、SOD活力無明顯變化,在間歇風沙流處理中,RWC下降,MDA含量、POD、CAT、SOD活力略有增高。研究表明,風吹襲引發葉片失水導致的細胞水分虧缺是細胞抗氧化防御系統激活的誘因。因為植物細胞在水分虧缺時會產生活性氧自由基[8—9]。積累的活性氧自由基會破壞活性氧自由代謝平衡,引起細胞膜脂過氧化。但同時積累的氧自由基又激活抗氧化保護酶系統,提高抗氧化酶活力、清除氧自由基、抑制膜脂過氧化、保護細胞膜。因此,在風吹襲過程中,抗氧化酶通過抑制膜脂過氧化、維護氧自由基代謝平衡而在黑松和紫穗槐適應風和風沙流吹襲中起重要生理保護作用。另外,強風沙流吹襲引發沙粒對葉片擊打磨蝕使葉組織結構破壞,導致葉片過度失水和細胞代謝紊亂而破壞了抗氧化酶保護系統,這可能是紫穗槐在風沙流處理中葉片抗氧化酶活增幅下降的誘因。

此外,在恢復期,兩樹種葉片MDA含量降低和葉片RWC的恢復均與葉片維護較高抗氧化酶活力相關。在第二和第三次凈風吹襲后的恢復期,伴隨著紫穗槐葉片RWC增高9.6%和15.3%(圖1),葉片MDA含量下降28.2% 和22.4%(圖2), 而POD活力增高13.1%和22.2%(圖5)、CAT活力增高18.9%和10.3%(圖6)、SOD活力增高16.6% 和9.3%(圖7)。黑松在恢復期中,伴隨著葉片RWC增加,POD和SOD活力增高。研究表明,恢復期細胞抗氧化酶活力的增高和膜脂過氧化產物的降低成負相關。盡管恢復期葉片RWC增加,細胞水分虧缺度下降,但恢復期葉片維持較高的抗氧化酶活力可抑制氧自由基積累、防止膜脂過氧化、維護膜的彈性和完整性,這不僅在維護細胞吸水和體積增大上起生理保護作用,而且在缺水補償和自愈修復過程中起重要生理保護作用。

綜上所述,在漫長的風沙環境中,黑松依賴疏風的針葉及葉片油脂物質維護持水力,而且通過維護較高可溶性糖和SOD活力維持水分平衡和較低的膜脂過氧化水平,而紫穗槐大而薄的葉片持水力差,但葉片通過維護較高脯氨酸和CAT、POD活力抑制膜脂過氧化適應風吹襲。在間歇凈風和風沙流處理中,風吹襲引發葉片水分虧缺而激活植物對缺水的補償機制(自愈修復),通過提高滲透調節物含量增高細胞吸水力為風后的自愈修復提供物質基礎,同時通過提高抗氧化酶活力抑制膜脂過氧化、維護膜的完整性和彈性為自愈修復提供生理保護。因此,自愈修復是兩樹種適應海岸強海風吹襲的關鍵和生理適應機制,而滲透調節和抗氧化酶通過維護水分平衡和氧自由基代謝平衡而在自愈修復和抗風生長中起重要生理保護作用。