Ca2+和抗坏血酸对水分胁迫下杉木无性系生理特性的影响

李树斌+丁国昌+郭泽军等

摘 要：为研究水分胁迫对杉木造成的伤害及外源物质对杉木抗旱性能的影响，采用人工模拟干旱胁迫下添加外源Ca2+和AsA的方法，研究渗透胁迫下不同浓度Ca2+和AsA对杉木幼苗质膜透性、MDA含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量的影响。结果表明：水分胁迫严重影响叶片质膜系统的稳定和渗透调节物质的含量，造成杉木叶片质膜透性和MDA含量上升，可溶性糖含量先上升后下降，可溶性蛋白含量先上升再下降后又上升，均与对照达到极显著差异（P<0.01）；适宜浓度的外源Ca2+和AsA可保护质膜系统，抑制质膜透性增加，降低电导率和MDA含量，提高可溶性糖和可溶性蛋白含量，提高杉木幼苗的抗逆境能力，有效增强杉木的抗旱性。

关键词：杉木；水分胁迫；Ca2+；抗坏血酸；抗旱性

中图分类号 S79 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）21-17-04

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国特有的速生优良商品材树种之一，在林业生产中占有重要的地位[1]。杉木在我国长江流域、秦岭以南的地区广泛栽培，虽然该地区降水量较为丰富，但是也常受到降水的不均匀性和季节性造成的干旱的影响。长期以来，国内外学者对杉木的生长习性及良种繁育等方面开展了大量研究，但对杉木抗旱性及抗旱性提高途径的研究则相对较少。研究表明，杉木根系属浅性根，没有明显的主根，侧根和须根虽发达，但穿透力弱，易造成杉木不耐旱[2]，干旱造成杉木叶片水势、蒸腾速率、叶绿素含量降低[3]，膜脂过氧化加重，MDA含量明显增加[4]，降低净光合速率和光饱和点，提高光补偿点及CO2补偿点[5]，制约着杉木的正常生长。此外，有研究表明，一定的外源钙离子[6]、ABA[7]、甜菜碱[8]及抗坏血酸[9]可在一定程度上提高植物的抗旱能力，但是针对外源物质对杉木抗旱性能影响的研究还较少。有鉴于此，本文以杉木优良无性系FS43为试验材料，通过人工模拟干旱胁迫的方法施加不同浓度的Ca2+和抗坏血酸（AsA），探讨干旱胁迫下不同浓度外源Ca2+和AsA对杉木无性系质膜透性、MDA含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量的影响，以期为提高杉木的抗旱性研究提供科学依据，为杉木人工林的可持续经营提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料 供试材料为1年生杉木优良无性系FS43，由国家林业局杉木工程技术研究中心提供，苗高25cm。采用高度25cm，直径20cm的塑料桶作为水培容器，塑料桶外壁涂黑，用厚度1cm泡沫板打孔后放于桶内上半部用于遮光和固定苗木。试验所用PEG-6000由日本进口分装。

1.2 试验方法

1.2.1 干旱胁迫浓度和外源物质浓度 本试验采用PEG+1/2Hoagland营养液根际水分胁迫法对杉木无性系进行胁迫处理，胁迫溶液水势设定为-1.2MPa。共设定1个对照和5个胁迫处理，处理1：-1.2MPa（记为A），处理2：-1.2MPa+8mmol/L Ca2+（记为B），处理3：-1.2MPa+12mmol/L Ca2+（记为C），处理4：-1.2MPa+8mmol/L AsA（记为D），处理5：-1.2MPa+12mmol/L AsA（记为E），并以未进行胁迫且无Ca2+和AsA的处理作为对照ck。每个处理设3个重复。分别在处理持续24、48、72和96h时采集各处理相同位置叶片，测定各项生理指标。每天上午、下午各通气30min。

1.2.2 测定指标 脂膜透性采用电导率仪法，MDA含量采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法，可溶性糖含量采用蒽酮比色法，可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250染色法。

1.3 统计分析 运用DPS软件进行单因素方差分析及LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 Ca2+和AsA对渗透胁迫下杉木无性系质膜透性的影响 渗透胁迫之后，各处理的电导率均出现不同程度的升高，其中处理A电导率显著增加，且随着胁迫时间的延长而不断升高，24h后急剧上升，到48、72、96h分别比ck增加164%、227%、204%，与ck达到极显著差异（P<0.01）。经Ca2+处理之后，膜脂过氧化作用得到一定程度的缓解，电导率增加的幅度变小。8mmol/LCa2+处理的幼苗电导率48h内与处理A差异较小，48h后电导率增加趋于平缓，72、96h分别比处理A升高70.98%和65.9%；12mmol/L Ca2+处理的幼苗电导率始终低于处理A，胁迫48h时电导率比处理A低44.24%，二者差异达到最大，48h后电导率迅速上升，并维持在较高的水平，可能是Ca2+浓度高，随着胁迫的进行对植物造成伤害。AsA处理的杉木苗的电导率始终低于处理A，自胁迫开始，二者就表现出一定缓解作用。48h内处理D和处理E的苗木电导率增长程度相似，24h、48h分别比处理A低17.71%、33.43%和20.86%、32.81%，48h后处理D的脂膜透性逐渐超过处理E，二者在72h、96h分别比处理A低8.44%、14.29%和19.07%、20.23%，说明8mmol/L AsA的缓解作用相比于12mmol/L AsA缓解作用逐渐减弱。

2.2 Ca2+和AsA对水分胁迫下杉木无性系MDA含量的影响 水分胁迫后杉木幼苗的MDA含量均明显上升。处理24h后MDA的含量比ck上升150%；胁迫48～96h，MDA的含量仍在上升，但上升的幅度变小，48、72、96h分别比ck上升122%、148%和175%，与ck差异显著，且达到极显著水平（P<0.01）。Ca2+处理下MDA含量与处理A差异达极显著水平（P<0.01）。处理B的MDA含量始终高于处理C，说明8mmol/LCa2+的抑制作用弱于12mmol/LCa2+，随着时间的延长，二者的MDA含量均趋于稳定，96h时分别比ck上升79.49%和28.86%，远低于处理A的175%。外源AsA可使MDA含量的增加趋于平缓，24h内AsA的处理与处理A相比，MDA含量差异达极显著水平（P<0.01）。处理D与处理A相比，MDA含量在24、48、72、96h分别低46.39%、44.38%、51.23%、47.67%，处理E与处理A相比，MDA含量在24、48、72、96h分别低42.42%、40.62%、49.04%、48.41%，说明8mmol/LAsA的抑制作用要强于12mmol/L AsA。endprint

2.3 Ca2+和AsA对水分胁迫下杉木无性系可溶性糖含量的影响 PEG胁迫可以显著提高杉木幼苗叶片的可溶性糖含量（图3）。24h可溶性糖含量有所上升，比ck高出61.52%，二者差异达显著水平（P<0.05），48h可溶性糖含量急剧升高，与ck差异达极显著水平（P<0.01），48h后可溶性糖含量增加趋于平缓，72h后开始下降，最终比ck高出51.25%。24h后加Ca2+的处理与处理A差异不显著（P>0.05），处理B和处理C的可溶性糖含量在48h时显著增加，分别比处理A高出27.20%和13.09%，处理B与处理A差异达显著水平（P<0.05）。48h后二者的可溶性糖含量开始下降，72h后二者分别比处理A高出9.89%和2.93%，之后处理B可溶性糖含量趋于平稳，处理C的可溶性糖含量出现急剧下降。AsA可以增加水分胁迫时植物的可溶性糖含量，24h时处理E比处理A高出35.12%，达到显著水平（P<0.05），处理D比处理A高出11.02%，48h AsA处理和处理A均达到峰值，处理D和处理E分别比处理A高出5.41%和11.70%。72h、96h处理D可溶性糖含量急剧下降，分别比处理A低12.8%、高9.29%，72h处理E可溶性糖含量趋于平稳，96h略有下降，但仍高于处理A，分别高出9.29%和53.97%。

2.4 Ca2+和AsA对水分胁迫下杉木无性系可溶性蛋白含量的影响 PEG胁迫时可溶性蛋白含量随胁迫时间延长呈先下降再上升后下降的变化趋势。处理A在48h时可溶性蛋白含量最低，比ck减少32.46%；72h时可溶性蛋白含量迅速上升，比ck高出16.42%；96h时可溶性蛋白含量又呈下降趋势，最终比对照低16.98%。其中处理A与ck间差异显著（P<0.05）。外源Ca2+可减缓可溶性蛋白含量的急剧下降，并促进可溶性蛋白含量升高。24h处理B和处理C的可溶性蛋白含量均高于处理A；24～72h处理B和处理C可溶性蛋白含量呈上升趋势，与处理A差异最大处为48h，分别比处理A高63.41%和33.85%；72h后处理B略微有所增长，处理C开始下降。处理B和处理C均与处理A差异显著（P<0.05）。外源AsA可以缓解渗透胁迫下杉木可溶性蛋白的大范围波动，可通过提高可溶性蛋白含量来降低水势，增强抗旱性，24h处理D和处理E的可溶性蛋白含量呈略微下降，分别比处理A高21.4%和7.11%。24～72h处理B和处理C蛋白含量缓慢上升，72h均高于对照，分别比对照高28.98%和9.16%，分别比处理A高10.79%、低6.23%；到96h，处理B和处理C可溶性蛋白含量均趋于稳定，不再增长，分别比C高28.6%和6.28%，分别比处理A高54.9%、低28.01%。处理D和处理A差异显著（P<0.05）。

3 结论与讨论

水分胁迫下，植物细胞水势降低，脂膜相对透性增加，细胞内含物外渗，造成植物体内活性氧自由基含量迅速增加，膜系统受到攻击，膜脂脂肪酸中的不饱和键被过氧化，最终形成MDA[10]，MDA可以作为植物非生物胁迫下自由基和发生膜损伤的指示器[11]。本研究中，PEG水分胁迫引起杉木幼苗MDA含量持续高于对照，与对照成极显著差异，这与佟永兴[12]、李洁[13]等大量研究结果一致，说明渗透胁迫可以引起大多数植物膜系统造成伤害。外源Ca2+和AsA可以显著抑制MDA含量的增加，且较高浓度的Ca2+抑制作用强于低浓度Ca2+，Ca2+可以与磷脂分子的极性端结合而引起磷脂分子间距离的变化，同时还可以桥接蛋白分子的羧基，增加膜脂的亲脂性而稳定膜结构，减轻渗透胁迫造成的膜伤害和减少电解质外渗[14]。

在植物经受渗透胁迫时，会积累一些可溶性物质进行渗透调节，如可溶性糖、游离氨基酸、脯氨酸、可溶性蛋白等，这些物质对增强植物抗逆性具有重要意义。可溶性糖的增加能降低细胞原生质的渗透势，增强保水能力，稳定生物大分子结构[15]。高含量的可溶性蛋白可使细胞维持较低的渗透势，抵抗胁迫带来的伤害，延缓胁迫下植物叶片衰老进程[16]。本研究表明，渗透胁迫前期导致可溶性糖积累，但后期有所下降，与对照相比差异显著（P>0.05）。刘亚丽等[17]在脂松的渗透胁迫中发现，随着土壤含水量的降低，可溶性糖含量也呈先上升后下降的趋势，与对照成显著差异（P>0.05）。胁迫后期可溶性糖含量下降，与有些报道不一致，可能是因为材料不一致的原因。可溶性蛋白含量表现出上升再下降后上升的趋势，说明胁迫首先影响到蛋白质的合成或加速其分解，随着胁迫的进行植物诱导产生更多的可溶性蛋白，来适应逆境带来的伤害。外源Ca2+和AsA可以显著提高可溶性糖和可溶性蛋白的含量，12mmol/LCa2+和12mmol/LAsA可以提高可溶性糖的含量，并最终维持在较高的水平，8mmol/LCa2+和8mmol/LAsA维持可溶性蛋白含量在较高水平，说明适宜浓度的Ca2+和AsA可以维持细胞渗透势在较低水平，增强细胞吸水能力，增强植物的抗旱能力。

综上，渗透胁迫严重影响到植物的脂膜系统稳定和各渗透调节物质的含量，从而对植物造成伤害。适宜的Ca2+和AsA能提高苗木对渗透胁迫的抵御能力，促进苗木的生长，表现出较好的抗膜脂过氧化和维护系统完整性的能力。

参考文献

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