沙棘耐干旱胁迫的生理生化响应研究

吴芹，牟淑梅，李雪蕾，李传荣*，郭天佑，刘功生

（1.山东农业大学 林学院，山东泰安 271018；2.山东栖霞园林管理处，山东 栖霞 265300；3.山东建筑大学学报编辑部，山东 济南 250101；4.山东建筑大学 艺术学院，山东济南 250101）

沙棘耐干旱胁迫的生理生化响应研究

吴芹1，牟淑梅2，李雪蕾3，李传荣1*，郭天佑4，刘功生4

（1.山东农业大学 林学院，山东泰安 271018；2.山东栖霞园林管理处，山东 栖霞 265300；3.山东建筑大学学报编辑部，山东 济南 250101；4.山东建筑大学 艺术学院，山东济南 250101）

沙棘是我国干旱半干旱地区植被修复和生态重建中常用的生态与经济树种，研究其在干旱胁迫条件下的叶片生理生化指标的变化，深入了解沙棘对对干旱胁迫的响应特征和规律，可为干旱区生态树种的造林绿化与生态修复研究提供试验依据。文章采用盆栽控水试验，研究了沙棘苗木叶片在7个土壤水分梯度下的叶绿素含量、保护酶活性等生理生化指标的变化，分析了各生理指标的相关性。结果表明：随着土壤相对含水量（RWC）的降低，叶片含水量（LRWC）及叶绿素（Chl）含量逐渐降低，细胞膜透性逐渐增大，MDA含量逐渐增加；超氧化物歧化酶（SOD）与过氧化物酶（POD）两种抗氧化酶活性先升高后降低，可溶性糖（Ss）含量与脯氨酸（Pro）含量增加；叶片相对含水量与细胞膜相对透性之间、细胞膜相对透性与叶绿素含量、细胞膜相对透性与渗透调节物质之间均存在极显著的正相关关系。

沙棘；干旱胁迫；生理生化响应；相关性分析

0 引言

植物在进化过程中，为了适应或抵抗不良环境，体内会产生一系列生理和生化变化来适应逆境胁迫，以减轻或避免逆境对细胞的伤害［1-2］。这些变化在树木的形态结构、光合机制、保护酶体系和渗透调节等方面均有体现［3-4］。

沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）为非豆科固氮 植 物，属 胡 颓 子 科 （Elaeagnaceae）沙 棘属（Hippophae L.），落叶灌木，喜光；根系发达，根蘖性强，生长迅速，抗风沙，是固沙保土、涵养水源、改善生态环境的优良树种，并且有较高的经济价值［7-9］。

近年来，对沙棘在水分胁迫条件下的生长和水分利用特性、光合作用等方面的研究均有报道［10-12］。有关沙棘在水分胁迫下保护酶活性和渗透调节物质等方面的抗旱生理生化机理的研究较多，但这些研究报道在土壤水分处理上多限于 3～4个固定水分梯度［13-14］。裴斌等对多水分梯度下沙棘保护酶活性和光合作用的变化规律进行了研究［10］，尚缺乏对干旱胁迫条件下各生理指标之间的相关性的研究。文章采用自然干旱处理的方法，研究土壤干旱逐渐加剧过程中，沙棘苗木叶片多个生理生化指标的变化，如叶片含水量、叶绿素含量、保护酶活性和叶片渗透调节物质等生理指标，并对干旱胁迫条件下各生理指标的相关性进行分析，探讨沙棘对干旱胁迫的响应特征和规律，为充分发挥其在造林绿化与生态修复中的作用和优势提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地点

试验材料为 3年生沙棘苗木，平均株高为85 cm、基径为 2.3 cm。试验地点在山东农业大学新校区林学试验站。室内生理生化试验在山东农业大学作物生物学国家重点实验室进行。

1.2 试验设计

选择6株生长健壮、无病虫害的沙棘苗木，定植于直径为40 cm、高为 30 cm的花盆中，每盆 1株，4 ～6月进行适应性生长培育管理。土壤干旱处理采用人工浇水使土壤水分达到饱和，通过自然干旱处理的方法获得不同程度的土壤水分梯度。首先，给盆栽苗木充分浇水，土壤水分饱和后即停止浇水，第2天开始取叶片，采样时间为上午8：00，取样方式为混合取样。剪取苗木中部、生长健壮的叶片，临时存放于密封袋，将样叶置于冰壶中带回实验室，测定叶片的各项生理生化指标。对每一个土壤水分梯度下的各生理指标的均重复测定 3次，取其平均值。以后每3 d取一次叶片测定测定各项生理生化指标，同时取土壤，用烘干法称质量测定土壤相对含水量（RWC）。试验共测得7个土壤水分梯度系列，RWC分别为91.8%、79.7%、65.4%、54.3%、41.1%、33.9%、和22.6%。

1.3 测定指标及方法

主要测定指标有叶片相对含水量（LRWC）、叶绿素（Chl）含量、细胞膜透性、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性、可溶性糖（Ss）含量、脯氨酸（Pro）含量。其中：采用烘干法测定 LRWC，以鲜重为基数表示［15］；采用无水乙醇提取法测定 Chl含量［16］；采用电导仪法测定细胞膜透性［17］；采用双组分光光度法测定 MDA含量［15］；采用氮蓝四唑（NBT）法测定 SOD活性［18］；采用愈创木酚法测定 POD活性［15］；采用苯酚法测定 Ss含量［17］；采用磺基水杨酸提取法测定 Pro含量［17］。

试验数据处理及作图采用 Microsoft Excel 2003进行，对所测定的叶片各生理指标数据采用SPSS18.0软件进行双变量的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤水分条件下各生理指标的测定结果

不同土壤水分条件下生理指标的测定值见表1。

表1 不同土壤水分条件下各生理指标的测定平均值

2.2 土壤干旱对沙棘叶片相对含水量（LRWC）与叶绿素（Chl）含量的影响

沙棘叶片相对含水量和绿素含量对土壤水分的响应如图1所示。由图1可以看出，沙棘叶片相对含水量（LRWC）与叶绿素（Chl）含量随着土壤水分含量的降低，均表现为下降的变化趋势。当土壤相对含水量（RWC）由91.8%下降至65.4%时，LRWC较处理初期下降了15.09%；当RWC降低至54.3%时，Chl较处理初期下降了 19.37%；至干旱处理末期，当RWC为22.6%时，LRWC较干旱处理初期下降了44.02%，Chl较干旱处理初期下降了43.53%。

图1 沙棘叶片相对含水量和绿素含量对土壤水分的响应图

2.3 土壤干旱对沙棘叶片细胞膜透性和丙二醛（MDA）含量的影响

沙棘叶片细胞膜透性与丙二醛含量（MDA）含量随着土壤水分含量的降低，总体表现为上升的变化趋势（如图2所示）。干旱对细胞膜透性的影响较大，当土壤相对含水量（RWC）由91.8%下降至65.4%时，细胞膜透性增加幅度较 大，增加了25.06%，当RWC下降至54.3%时，MDA含量较处理初期增加了29.56%，；至干旱处理末期，当 RWC为22.6%时，细胞膜透性较干旱处理开始增加了112.29%；当 RWC为 33.9%时，MDA含量较干旱处理开始增加了63.76%，至干旱处理末期，MDA含量有所下降，可能与保护酶活性的增强和自身物质的降解有关。

图2 沙棘叶片细胞膜透性和 MDA含量对土壤水分的响应图

2.4 土壤干旱对沙棘叶片 SOD活性和 POD活性的影响

随着土壤水分含量降低，沙棘叶片 SOD活性与POD活性均表现为先上升后下降的变化趋势（如图3所示）。当 RWC下降至79.7%时，SOD活性与POD活性均增加，SOD活性在RWC为65.4%时达到最高，较干旱处理初期升高了27.42%，POD活性在 RWC为 41.1%时达到最高，较干旱处理初期升高了44.65%，POD活性峰值较SOD活性峰值出现晚。干旱胁迫加剧时 SOD活性与POD活性均增加，并维持在一个比较高的水平上，有利于降低膜脂过氧化程度，清除活性氧，减轻质膜损伤。当 RWC低于41.1%时，沙棘 SOD活性与POD活性均快速下降，说明干旱胁迫已超出了沙棘所能承受的最大限度，缺水已对其细胞生理造成了不可逆转的伤害。

图3 沙棘叶片 SOD活性和 POD活性对土壤水分的响应图

2.5 土壤干旱对沙棘叶片可溶性糖（Ss）含量和脯氨酸（Pro）含量的影响

沙棘叶片可溶性糖（Ss）含量与脯氨酸（Pro）含量随着土壤水分含量的降低，均表现为增加的变化趋势，且整个处理过程中脯氨酸含量的增加幅度高于可溶性糖含量的增加（如图4所示）。至干旱处理末期，当RWC为22.6%时，脯氨酸含量较干旱处理开始增加了193.1%，可溶性糖含量较干旱处理开始增加了71.08%。脯氨酸含量增加幅度高于可溶性糖含量的增加幅度，表明干旱胁迫时 Pro对维持沙棘叶片细胞膜的稳定性发挥着更重要的渗透调节作用。在自然干旱处理过程中，沙棘叶片细胞内溶质大量积累，主要是积累可溶性糖和脯氨酸等物质来调节渗透压，降低渗透势，维持细胞膨压，有利于沙棘抵御干旱胁迫，提高其抗逆性。

图4 沙棘叶片可溶性糖含量和脯氨酸含量对土壤水分的响应图

2.6 沙棘叶片各生理生化指标的相关性分析

沙棘叶片各生理指标的相关性分析结果见表2。相关性分析结果表明，叶片相对含水量与细胞膜相对透性之间、细胞膜透性与叶绿素含量、细胞膜透性与渗透调节物质之间存在极显著的正相关关系（相关性系数≥0.850），可溶性糖含量与脯氨酸含量之间存在显著的正相关关系（相关性系数为0.736）。表明干旱胁迫加剧时，沙棘叶片细胞膜遭受干旱伤害，发生膜脂过氧化，透性增大导致其防御和保护功能降低，影响了细胞内其它器官的正常生理功能，叶绿体结构遭破坏，叶绿素合成受到抑制；沙棘叶片可通过自身的生理调节对干旱胁迫做出及时的响应，在细胞内积累大量的可溶性糖、脯氨酸等溶质，两种渗透调节物质具有功能上的协同性（相关性系数为0.736），可快速调节细胞渗透压，维持细胞膨压，抵御或降低干旱伤害，提高自身抗逆性。

表2 各测定指标的相关性分析

3 结论

通过上述研究可知：

（1）沙棘叶片相对含水量（LRWC）与叶绿素（Chl）含量随土壤水分含量的降低均逐渐下降，叶片细胞膜透性增大，MDA含量增加。

（2）随着土壤水分含量的减少，SOD活性与POD活性均表现为先上升后下降的变化趋势，叶片可溶性糖含量与脯氨酸含量逐渐增加，且整个处理过程中脯氨酸含量的增加幅度高于可溶性糖含量的增加。

（3）相关性系数较高的前 3组生理指标为：叶片相对含水量与细胞膜相对透性，相关性系数为0.850；叶绿素含量与细胞膜相对透性，相关性系数为0.897；细胞膜透性与渗透调节物质，相关性系数≥0.860；可溶性糖含量与脯氨酸含量之间存在显著的正相关关系，二者在功能上具有协同作用。

［1］ Farooq M.，Wahid A.，Kobayashi N.，et al..Plant drought stress：effects，mechanisms and management［J］.Agronomy for Sustainable Develepmont，2009，29（1）：185-212.

［2］ Anjum S.A.，Xie X.Y.，Wang L.C.，et al..Morphological，physiological and biochemical responses of plants to drought stress ［J］.African Journal of Agricultural Research，2011，6（9）：2026-2032.

［3］ Sofo A.，Dichio B.，Xiloyannis C..Effects of different irradiance levels on some antioxidant enzymes and on malondialdehyde content during rewatering in olive tree［J］.Plant Science，2004，166：293-302.

［4］ Evandro N.S.，Sérgio L.F.S.，Ricardo A.V.，et al..The role of organic and inorganic solutes in the osmotic adjustment of drought-stressed Jatropha curcas plants［J］.Environmental and Experimental Botany，2010，69（3）：279-285.

［5］ Wainer G.G.，Alan C.C.，Deucimar P.L.，et al..Membrane permeability and relative water content in nuts plants submitted to fast water deficit［J］.Global Science and Technology，2011，4 （1）：131-139.

［6］ Evandro N.S.，Sérgio L.F.，Ricardo A.V.，et al..The role of organic and inorganic solutes in the osmotic adjustment of drought-stressed Jatropha curcas plants［J］.Environmental and Experimental Botany，2010，69（3）：279-285.

［7］ 陈云明，刘国彬，徐炳成.黄土丘陵区人工沙棘林水土保持作用机理及效益［J］.应用生态学报，2005，16（4）：595-599.

［8］ Zhang J.T.，Chen T.G..Effects of mixed Hippophae rhamnoides on community and soil in planted forests in the Eastern Loess Plateau，China［J］.Ecological Engineering，2007，31（2）：115-121.

［9］ 刘勇，廉永善，颖莉，等.沙棘的研究开发评述及其重要意义［J］.中国中药杂志，2014，39（9）：1547-1552.

［10］裴斌，张光灿，张淑勇，等.土壤干旱胁迫对沙棘叶片光合作用和抗氧化酶活性的影响［J］.生态学报，2013，33（5）：1386-1396.

［11］张益源，贺康宁，董梅，等.水分胁迫对银水牛果和沙棘叶水势日过程及水分利用效率的影响［J］.中国水土保持，2011 （6）：22-25.

［12］裴斌.土壤水分胁迫对沙棘光合生理生化特性的影响［D］.泰安：山东农业大学，2013.

［13］蔡海霞，吴福忠，杨万勤［J］.干旱胁迫对高山柳和沙棘幼苗光合生理特征的影响.生态学报，2011，31（9）：2430-2436.

［14］韩蕊莲，李丽霞，梁宗锁.干旱胁迫下沙棘叶片细胞膜透性与渗透调节物质研究［J］.西北植物学报，2003，23（1）：23-27.

［15］孙群，胡景江.植物生理学研究技术［M］.杨凌：西北农林科技大学出版社，2005.

［16］郝建军，康宗利，于洋.植物生理学实验技术［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［17］赵世杰，史国安，董新纯.植物生理学实验指导［M］.北京：中国农业科学技术出版社，2002.

［18］郑炳松.现代植物生理生化研究技术［M］.北京：气象出版社，2006.

（学科责编：李雪蕾）

Physiological and biochemical responses to different soil drought stress in Hippophae rhamnoides Linn

Wu Qin1，Mou Shumei2，Li Xuelei3，et al.
（1.School of Forestry，Shandong Agricultural University，Taian 271018，China；2.Shandong Qixia Grarden Management Office，Qixia 265300；3.Editorial Department of Journal，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Hippophae rhamnoides Linn.is commonly used as ecological and economic tree species for vegetation restoration and ecological reconstruction in arid and semi-arid areas in China.The paper studies the changes of physiological and biochemical indexes under drought stress condition and the response characteristics and laws to drought stress in leaves of Hippophae rhamnoides Linn，which can provide experiment basis for afforestation and ecological restoration of ecological species in the arid areas.The changes of physiological and biochemical indexes such as the chlorophyll（Chl）content and protective enzyme activity，and the correlation of physiological indexes are analyzed in seven soil moisture gradients，the response characteristics and laws to soil drought stress of the main physiological and biochemical indexes are illustrated in potted H.rhamnoides leaves by water controlled test.The results show that with the decrease of the relative water content（RWC）of soil，leaf relative water content（LRWC）and the chlorophyll（Chl）content decrease，the cell membrane permeability and the content of MDA increase gradually，and the activity of superoxide dismutase（SOD）and peroxidase（POD）increases first and then decreases，the soluble sugar（Ss）content and the proline（Pro）content increase.There were higher correlation coefficients between the LRWC and the cell membrane permeability，and between the Chl content and Pro.

Hippophae rhamnoides Linn；drought stress；physiological and biochemical responses；correlation analysis

S718.43

A

1673-7644（2015）03-0231-05

2015-01-15

山东农业大学博士后科研项目（76464）

吴芹（1976-），女，在研博士后，主要从事植被重建与生态修复等方面的研究.E-mail：wuqin＠sdjzu.edu.cn

*：李传荣（1968-）男，教授，博士，主要从事森林生态、林业生态工程等方面的研究.E-mail：chrli＠sdau.edu.cn