干旱胁迫对文冠果幼苗的生理反应及生长的影响

马 新，姜继元，董 鹏，朱耀军，李 铭 *

(1.新疆农垦科学院，新疆 石河子 832000；2.中国林业科学研究院，北京 100091)

干旱胁迫对文冠果幼苗的生理反应及生长的影响

马 新1，姜继元1，董 鹏1，朱耀军2，李 铭1 *

(1.新疆农垦科学院，新疆 石河子 832000；2.中国林业科学研究院，北京 100091)

为了研究文冠果幼苗对干旱胁迫的耐受特性，选择2年生文冠果幼苗为供试材料。在盆栽条件下，设置水分梯度，测定分析文冠果幼苗在不同水分梯度及不同时间下的生理指标及生长指标。结果表明，①随着时间的延长，文冠果叶片丙二醛(MDA)含量及细胞膜相对透性(RCM)在对照和T2处理下保持相对稳定，而在T1、T3及T4处理下有升高的趋势。②文冠果叶片内渗透调节物质可溶性糖(SS)和脯氨酸(Pro)含量在T3和T4处理下逐渐升高，T1处理下先升高后降低，而可溶性蛋白(SP)的含量则在T1和T4处理下呈先升高后降低的趋势，T2与对照处理各渗透调节物质含量较为接近。③文冠果叶片的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性在T1、T3及T4处理下均高于对照，但变化的时间和幅度有所不同。④在文冠果株高、地径、叶数及各器官生物量积累方面，T1和T4处理显著低于对照(P<0.05)，但主根长则大体表现出T4>T3>T1>T2>CK，差异显著(P<0.05)，T4、T3及T1处理的主根长分别较对照提高了68.4 %、54.5 %及41.5 %。文冠果幼苗能通过调整自身生长、保护酶活性和可溶性物质含量等提高其抗旱性。

文冠果；幼苗；干旱胁迫；生理指标

文冠果(Xanthocerassorbifolia)又名木瓜、文登阁、文官果等，属于无患子科文冠果属，该属仅一种，是我国特有的珍稀木本油料植物[1]。文冠果在我国北方分布广泛，其根系发达、保水力强，耐干旱、严寒、贫瘠，具有在荒山、荒地、沙化等不良条件下生长的能力，因此，是山区绿化、退耕还林、防风固沙的首选生态经济树种[2]，具有巨大的开发和利用潜力[3]。

本研究区位于新疆生产建设兵团，属我国典型的干旱、半干旱区，降雨量少，蒸发量大，水资源缺乏。许多研究表明水分是影响植物生长的关键因素，水分胁迫会在多种水平上干扰树木的生理活动的正常进行，如抗氧化酶活性、可溶性物质含量、生物量积累等[4]。已有的研究证明文冠果这一树种具有良好的抗旱性，如谢志玉等[5]和张刚等[6]研究表明文冠果幼苗能通过调整自身生长、保护酶活性及根系活力等提高其抗旱性，文冠果具有较强的耐旱潜力；周玲等[7]和常燕虹等[8]的研究发现，在土壤干旱胁迫下文冠果幼苗叶片通过增大细胞膜透性、增加体内脯氨酸含量来提高自身的抗旱能力，文冠果幼苗表现出较强的抗干旱特性，可在干旱和半干旱地区推广栽培；冯朝红等[9]分析了天然油菜素内酯(NBR)对文冠果苗木抗旱性的影响，结果表明，NBR 处理可显著增强苗木的抗旱性等。综上所述，文冠果是一耐旱树种，但同一抗旱树种在不同地区或者不同生理状态下，其抗旱能力和方式会发生变化[10]，而目前在本研究区有关文冠果需水规律及抗旱能力的研究还少有报道。因此，本研究通过对文冠果幼苗进行盆栽水分处理试验，了解文冠果幼苗在不同水分条件下的生理和生长指标的变化，揭示水分变化对文冠果生理指标的影响及测定指标间的相关性，探讨在本研究条件下适合文冠果生长的最适灌量，旨在为文冠果在新疆地区的进一步推广应用提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年在新疆农垦科学院林园所试验田进行，位于新疆石河子市，地处天山北麓中段，古尔班通古特大沙漠南缘，地理位置为84°58′～86°24′ E，43°26′～45°20′ N，是典型的干旱半干旱气候区。年平均气温6.5 ℃，年平均最高气温13 ℃，年平均最低气温0 ℃，无霜期为168～171 d，日照2300～2700 h，年平均降水量125～207.7 mm，年蒸发量1000～1500 mm，蒸发量是降雨量的5倍以上。

1.2 试验设计与方法

试验材料为内蒙古赤峰市林业科学研究院提供的文冠果种子，种子收集以后在地下室覆湿沙储藏，2014年开始培育试验用的文冠果幼苗，2015年5月份选择大小一致的幼苗移栽至上口径40 cm，下口径25 cm，高40 cm的塑料盆内，进行不同水分处理盆栽试验。苗木移栽后先期进行正常的水分管理，7月1日开始按照试验设计进行水分处理，试验共设置5个水分处理，即土壤含水量分别控制在田间最大持水量的(46.4 %)的80 %(T1)、60 %(T2)、40 %(T3)、20 %(T4)，以正常灌水为对照(CK，凭借经验每天进行适当补水)，各处理重复21次，共105盆，每盆种植1株苗木。每天早晨8:00用称重法(奥豪斯仪器厂生产的EX35001ZH天平，最大称量为35 kg，最小精度为0.1 kg)控制土壤含水量的恒定，精度在0.1 g，加水补充其耗水损失，使含水量维持在各预定胁迫水平，实验持续40 d，胁迫期间，晴天盆栽苗木正常照光，雨天及时用防雨布遮挡。

1.3 测试指标及方法

1.3.1 生理指标测定 各个处理达到胁迫水平的第0、10、20、30、40天分别取各处理各植株新鲜叶片，用铝箔纸包装完好后，标记并用液氮罐速冻带回实验室待测，丙二醛(MDA)和可溶性糖(SS)含量测定采用硫代巴比妥酸法[11]；细胞膜相对透性(RCM)采用相对电导法；可溶性蛋白(SP)含量测定采用考马斯亮蓝法[12]；脯氨酸(Pro)含量的测定采用茚三酮比色法[12]；超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性测定分别采用氮蓝四唑染色法[12]、愈创木酚染色法[13]和紫外吸收法[14]进行测定，测定时，每个样品重复3次。

1.3.2 生长指标测定 先利用钢卷尺测量株高，电子游标卡尺测量地径，然后用流水冲松盆土，用蒸馏水将植株洗净滤纸吸干，在天平上分别称量根、茎、叶鲜重，同时测量主根长，并统计叶片数，最后按根、茎、叶不同器官采集植株样本，装进牛皮纸袋，标号，带回实验室，在烘箱中105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒重，用奥豪斯仪器厂生产的EX224ZH天平(最大称量为220 g，最小精度为0.0001 g)测定文冠果各器官干物质重。

1.4 数据分析

利用Excel2003进行数据整理和作图，SPSS 21.0 统计软件进行相关性分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对文冠果叶片细胞膜相对透性(RCM)及丙二醛(MDA)的影响

植物处于逆境胁迫时，细胞内会累积大量自由基，在细胞保护机制缺乏时，自由基累积的活性氧可直接攻击膜系统中的不饱和脂肪酸，使膜脂发生过氧化，MDA增加，膜脂组分发生变化，生物膜的结构和功能遭到损伤或破坏[15]。由图1A可知，随着时间的延长，T3和T4处理下的文冠果叶片细胞膜相对透性逐渐升高，且在第40天时达到最大值，较对照分别增加了78.9 %和114.2 %。而T1处理膜透性最大值比T3和T4提前了10 d，在第30天达到最大值，较对照增加了63.6 %，第30天后开始出现下降，表明T1处理下的文冠果叶片膜系统受到了一定程度的伤害。CK和T2处理下的文冠果叶片膜透性基本稳定在30 %左右，曲线较平缓。由图1B可知，随着时间的延长，T1和T4处理下MDA含量呈现先增大后减小的趋势，其中T1处理下MDA含量的最大值出现在第20天，达0.054 μmol/g，较对照提高了116.0 %，之后逐渐下降，而T4处理的MDA含量最大值出现在第30天，达0.053 μmol/g。T3处理MDA含量整体呈缓慢上升的趋势。T2处理MDA含量变化幅度较小。

图1 不同水分处理下文冠果叶片细胞膜相对透性和丙二醛含量的变化Fig.1 Contents of RCM and MDA in leaves of Xanthoceras sorbifolia under different treatments

2.2 干旱胁迫对文冠果叶片内有机渗透调节物质的生理响应

可溶性糖是很多植物主要的渗透调节剂，对细胞膜和原生质胶体起稳定作用，脯氨酸是渗透胁迫下易于积累的一种氨基酸，是植物调节渗透压的一种溶质[16]，可溶性蛋白也是植物的渗透调节剂之一，高含量的可溶性蛋白可维持植物细胞较低的渗透压，抵抗水分胁迫伤害[17]。由图2A可知，随着时间的延长，T3和T4处理下文冠果叶片可溶性糖含量整体呈上升的趋势，在第40天达最大值分别为0.395和0.453 mmol/g，较同期的对照分别增加29.1 % 和48.1 %。T1处理在第20～30天积累较快，第30天达最大值，为0.491 mmol/g，较对照增加了71.1 %，但在第40天出现下降，可能是试验后期重度胁迫破坏了其细胞结构所致。T2处理文冠果叶片可溶性糖含量在各个测定时期始终稳定在0.25 mmol/g左右。 由图2B可知，随着时间的延长， T1和T4处理下文冠果叶片可溶性蛋白含量呈先增大后减小的趋势，其中T1在第20天达最大值，为7.54 mg/g，随后逐渐下降，而T4处理在第30天达最大值，为7.80 mg/g，随后缓慢下降。T3处理在整个取样时期呈缓慢上升的趋势，由第0天的3.73 mg/g 增加至第40天的7.44 mg/g。T2处理可溶性蛋白含量始终与对照较为接近。由图2C可知，随着时间的延长，T3和T4处理下文冠果叶片脯氨酸含量整体呈上升的趋势，在第40天达最大值，分别达109.9和135.4 μg/g，较同期对照处理分别提高了33.4 %和64.2 %。T1处理在第30天脯氨酸含量达最大值，为181.2 μg/g，随后在第40天下降至162.7 μg/g。T2处理在10～30 d叶片脯氨酸含量稍低于对照，但在第40天接近对照。

图2 不同水分处理下文冠果叶片SS、SP和Pro含量的变化Fig.2 Contents of SS，SP and Pro in leaves of Xanthoceras sorbifolia under different treatments

2.3 干旱胁迫对文冠果叶片内保护酶活性的影响

SOD是保护植物细胞结构免受自由基伤害的“第一道防线”，是清除活性氧的关键保护酶[18]。POD和CAT也是植物体内的重要保护酶，对提高植物的抗逆能力有重要作用[19]。由图3A可知，随着时间的延长，对照处理的SOD活性基本稳定在845 U/g，T2与对照处理的SOD活性变化趋势基本相同。T1的SOD活性在第30天达到最大值，为880.5 U/g，随后在第40天下降至859.8 U/g。T3的SOD活性整体呈现先升高后降低，再升高的趋势，在水分处理的第10天有一个峰值，较对照增加了1.4 %，说明水分胁迫激活了SOD的活性，其清除自由基的能力加强，随后到了第30天达到最低值，说明随着时间的延长，自由基大量增加，消耗了大量的SOD，致使SOD活性下降，此后，在可承受的范围内，植物进行有效的调节SOD合成能力增加，在第40天 SOD活性又达到峰值。T4的变化趋势与T3处理较为相似，但在第40天 SOD的活性达到最低值，推测可能是植株细胞膜系统受到了伤害所致。由图3B可知，随着时间的延长，文冠果叶片POD活性呈上升的趋势，其中T1处理在第30天达最大值，为3966 U/g，较同期的对照处理提高了55.5 %，而后趋于平缓。T3处理在第20天 POD活性达最大值，为3515 U/g。T4处理呈现先升高后降低的趋势，在处理第40天，SOD活性下降。T2处理下文冠果叶片POD活性在处理第20及30天高于对照，但在第40天趋于对照。由图3C可知，随着时间的延长，T1、T3及T4处理下文冠果叶片CAT活性呈先上升后下降，再缓慢上升的趋势，其中T1和T4处理都在第20天达最大值，较对照分别增加了53.1 % 和 38.8 %，在第30天 CAT活性有所下降，但在第40天又有所回升，T3处理在第10天 CAT活性最大。T2与对照处理CAT活性变化趋势较相似。

2.4 干旱胁迫下文冠果叶片各测定指标间相关性分析

由表1可知，干旱胁迫下文冠果叶片RCM分别与MDA和SP呈极显著负相关(P<0.01)和显著负相关(P<0.05)，与POD活性呈极显著正相关(P<0.01)，说明在此范围内随着文冠果叶片细胞膜透性的增大，MDA及SP含量降低，植株受胁迫越严重；MDA与SP含量呈极显著正相关，与POD活性呈极显著负相关关系；SS与CAT活性呈显著正相关关系；SP与Pro含量和POD活性分别呈显著正相关关系和极显著负相关关系；Pro与CAT活性呈显著正相关关系，即随着CAT活性的提高，Pro含量增加；3种保护酶活性之间相关性不明显。

图3 不同水分处理下文冠果叶片SOD、POD和CAT活性Fig.3 SOD, POD and CAT activities in leaves of Xanthoceras sorbifolia under different treatments

表1 干旱胁迫下文冠果生理指标的相关性分析

注：* 和**分别表示在(P<0.05)或 (P<0.01)下相关性达显著和极显著。

Note:* and ** mean significant correlation at 0.05 or 0.01 levels, respectively.

表2 干旱胁迫对文冠果幼苗形态生长指标的影响

注：同行不同字母表示不同胁迫梯度在(P<0.05)水平上存在显著性差异。

Note: Different letters in the same line under different stress indicate significant difference at 0.05 level.

2.5 干旱胁迫对文冠果幼苗生长的影响

从表2可以看出，不同水分处理下的文冠果各个生长指标中，株高、基径、叶数、根、茎、叶鲜重和干重总体表现出的趋势为CK≈T2>T3>T4≈T1，其中，株高、基径、叶数在T4和T1处理下显著低于CK和T2(P<0.05)，但CK和T2处理间没有差异；在叶、茎、根鲜重方面，T4处理较CK显著降低了20.0 %、20.0 %、20.1 %(P<0.05)，T1处理较CK显著降低了12.8 %、27.8 %、14.3 %，CK与T2间没有差异显著性，叶、茎、根干重则和鲜重表现出相同的趋势；主根长则大体表现出T4>T3>T1>T2>CK，差异显著(P<0.05)，T4、T3、T1处理的主根长分别较CK提高了68.4 %、54.5 %、41.5 %，而CK与T2差异不显著。

3 讨 论

文冠果幼苗在生长过程中对于生物量分配和形态适应上的策略是对现有生境资源利用效率最大化[5]。本研究结果表明土壤不同水分状况对于盆栽文冠果幼苗的生长和生物量分配影响较大，随着土壤水分的减少，文冠果幼苗通过主根长度增加来形成发达的根系，表现的趋势为T4>T3>CK，差异显著(P<0.05)，但T1处理的主根长却大于对照，说明补水过多也对文冠果造成了涝害。通过分析文冠果地上部分后发现，株高、基径、叶数、根、茎、叶鲜重和干重总体表现出的趋势为CK≈T2>T3>T4≈T1，补水较多(T1)和呈梯度减少的T3和T4处理都通过降低株高、基径的生长速度，减少叶数量，从而降低水胁迫造成的伤害。T2处理下文冠果长势接近对照处理，说明在节约20 %田间持水量的前提下并不会造成由于水分胁迫而影响文冠果的生长及生理活动。

植物的抗旱性与其体内保护酶系统对活性氧的清除能力直接相关[20]，随着胁迫时间的延长，T1、T3及T4处理文冠果叶片细胞内SOD、POD及CAT酶的活性整体有增强的趋势，说明植物叶片在受到一定的外界胁迫后可以有效的诱导保护酶清除自由基，使细胞免于伤害[21]，其中T1和T4处理，在取样后期保护酶活性下降，说明在长期补水较多(T1)和较少(T4)下，文冠果均受到水分胁迫，超出叶片细胞忍耐活性氧自由基的阈值，植株细胞膜系统受到伤害。试验还发现，随着时间的延长，T1、T3及T4处理文冠果叶片渗透调节物质(SP、SS及Pro)含量不断升高，但在胁迫的后期，T1和T4处理下文冠果叶片的可溶性物质含量下降，其原因可能是在受到涝害胁迫(T1)和干旱胁迫(T4)后，保护酶的活性下降，细胞结构遭到严重破坏。T2处理下文冠果叶片的各项生理指标都接近对照处理，说明没有受到水分的胁迫。通过对各个测试指标进行相关分析后发现，RCM分别与MDA和SP呈极显著负相关(P<0.01)和显著负相关(P<0.05)，与POD活性呈极显著正相关(P<0.01)，这和张晓燕等[15]研究结论一致，说明在此范围内随着文冠果叶片细胞膜透性的增大，MDA及SP含量降低，植株受胁迫越严重，同时激发叶片中POD保护酶活性，清除植物体内过多的自由基，这也体现了文冠果对逆境的适应性反应。

4 结 论

综上所述，文冠果幼苗能通过调整自身生长和保护酶活性(SOD、POD及CAT)、可溶性物质含量(SS、SP及Pro)等提高其抗旱性，从而有效防止了膜脂过氧化对植株的伤害，初步筛选田间最大持水量的60 %为最适灌水阀值，文冠果幼苗具有较强耐旱潜力，可作为生物能源或园林绿化植物在新疆兵团大面积推广栽培。

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(责任编辑 李山云)

GrowthandPhysiologicalReactionofXanthocerassorbifoliaSeedlingsunderSoilDroughtStress

MA Xin1, JIANG Ji-yuan1, DONG Peng1, ZHU Yao-jun2, LI Ming1 *

(1. Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science, Xinjiang Shihezi 832000, China; 2. Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

In pot experiment, we selectedsorbifoliaseedlings as tested materials and set different moisture gradients to studysorbifoliaseedlings for drought stress tolerance characteristics.The physiological and growth properties ofsorbifoliaseedlings under different soil moisture gradients and different times were analyzed.The result showed that (i) The malondialdehyde (MDA) content ofsorbifolialeaf and cell membrane permeability (RCM) remained relatively stable in the control and T2 treatments over time, the T1, T3 and T4 treatments showed increasing trend. (ii) The osmotic adjustment substances, eg. soluble sugar (SS) and proline (Pro) content of leaves increased gradually in T3 and T4 treatments, increased firstly and then decreased in T1 treatment, soluble protein (SP) content in the T1 and T4 treatments exhibited increased after decreased, and compared to control treatment, different osmolytes content was closer in T2 treatment. (iii) Superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT) activities in T1, T3 and T4 treatments were higher than that of the control treatment, but the changes of time and amplitude were different. (iv) Insorbifoliaheight, diameter, number of leaves and organ biomass accumulation, T1 and T4 treatment decreased significantly (P<0.05) compared with the control treatment, but the long taproots were generally exhibited T4> T3> T1> T2> CK, the difference was significant (P<0.05), the main root length in T4, T3 and T1treatments improved 68.4 %, 54.5 % and 41.5 %, respectively, compared with the control treatment.Seedlings ofXanthocerassorbifoliacould improve their drought resistance by regulating their growth, protecting enzyme activity and soluble matter content.

Xanthocerassorbifolia; Seedlings; Soil drought stress; Physiological indexes

1001-4829(2017)3-0553-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.3.012

Q945.78

A

2016-03-20

国家林业公益性行业科研专项“新疆文冠果优系引选及繁育技术研究”(201404712)；兵团科技攻关项目“南疆节水园林绿化植物引选与应用”(2015AD024)；兵团科技攻关项目“文冠果优系引进与容器育苗技术研究”(2015AD019)

马 新(1989-)，男，助理研究员，硕士，主要从事林业生态的研究，E-mail: mx501393782@126.com，*为通讯作者。