甘肃河西地区典型沙生植物叶绿素和脯氨酸累积研究

李 亚，魏怀东，陈 芳，周兰萍，胡小柯，丁 峰，张 勃

(1.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070；2.西北师范大学 地理与环境学院，甘肃 兰州 730070)

甘肃河西地区地处我国西北干旱荒漠区，植物在生长过程中面临着干旱缺水、重盐碱、昼夜温差大等很多外界环境的制约，抗逆能力的强弱是其能否存活的关键，尤其是抗旱能力。近年来的研究发现，植物在应对逆境胁迫时，会在生理生化方面作出快速的响应[1]，研究逆境胁迫下植物的生理生化特性是揭示植物生态适应机制的重要途径。

光合作用是反映植物生态适应性的重要指标之一，叶绿素是植物进行光合作用的重要物质，因此植物体内叶绿素含量的高低可以很好地反映植物对环境适应能力的强弱[2-3]。同时在外界环境的胁迫下，通过自身细胞的渗透调节是植物用来对抗外界胁迫的主要方式，脯氨酸是植物组织内一种重要的渗透调节物质，植物在受到外界胁迫，尤其是干旱胁迫时[4]，体内会迅速、大量地合成、积累脯氨酸[5-6]，抗旱性强的植物体内往往累积着较多的脯氨酸。

叶片是植物叶绿素和脯氨酸累积的重要器官。荒漠植物在受到干旱、盐碱、高温等胁迫时，往往通过叶片的变形来维持体内水分平衡[7-8]，维持体内水分平衡是植物适应外界环境得以生存的重要生理调控机理[9-11]。植物的叶片按照形态一般划分为薄叶、多浆、肉茎、卷叶4类[12-13]。河西地区分布有白刺(Nitrariatangutorum)、多枝柽柳(Tamarixramosissima)、沙蒿(Artemisiaarenaria)、梭梭(Haloxylonammodendron)、沙拐枣(Calligonumrubicundum)等荒漠植物，对保护河西地区的生态环境发挥着重要作用。关于河西地区荒漠植物在应对干旱胁迫时生理生化指标反应的研究相对较少，本研究通过对河西地区分布的典型荒漠植物叶绿素和脯氨酸含量分析，了解不同植物在干旱环境下的适应策略，为揭示荒漠植物抗旱机理，综合分析荒漠植物生态适应机制提供研究基础，为荒漠植物抗逆评价指标的建立和抗逆植物的选择提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河西走廊东起乌鞘岭，西至古玉门关，南北介于南山和北山之间，为西北-东南走向的狭长平地。属典型的大陆性干旱气候，降水稀少，多年平均降雨量50～200 mm，自东而西年降水量逐渐减少，干燥度逐渐增大，酒泉以东干燥度达到4～8，平均为5左右；蒸发强烈，年蒸发量>2 000 mm；年均温度5.8～9.3℃，昼夜温差大，平均15℃左右；风大沙多；日照充足，年日照时长达3 000～4 000 h，光照资源丰富；无霜期140～170 d。地带性植被主要由超旱生灌木、半灌木和小乔木组成。东部以猫头刺(Oxytropisaciphylla)、沙生针茅(Stipaglareosa)等草原化荒漠植被为主；西部砾质戈壁分布有红砂(Reaumuriasongarica)、膜果麻黄(Ephedraprzewalskii)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、裸果木(Gymnocarposprzewalskii)等植被，流动沙丘常见有沙拐枣、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、沙芥(Pugioniumcornutum)等，固定沙丘常见有多枝柽柳、白刺等，河流冲积平原上分布有芦苇(Phragmitesaustralis)、芨芨草(Achnatherumsplendens)等组成的盐生草甸(表1)。

表1 试验选取植物Table 1 Selection of plants

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 样品采集于2016年7月在景泰、民勤、永昌、山丹、民乐等地。白刺、梭梭、沙蒿等63种主要物种选择典型分布区，每种植物选择10株生长正常的植株，混合采集生长正常的叶片，用锡箔纸包严实后，立刻放入液氮罐速冻，带回实验室。同时每种植物采集枝干和叶的混合样3份，现场称量鲜重，带回实验室用烘干法测定植株枝叶水分含量。

将试验选取的63种主要荒漠植物按照薄叶、多浆、肉茎、卷叶4类进行归类[12-15]。

1.2.2 样品测定分析方法 叶绿素含量的测定采用丙酮浸提法[16]，脯氨酸含量的测定采用酸性茚三酮比色法[16-17]。叶绿素和脯氨酸均为植物叶片鲜样含量，每种植物每个指标3个重复。试验数据采用平均值±标准差(mean±SD，standard deviation)，用SPSS13软件对数据进行方差分析，用Duncan's 检验法多重比较差异间的显著性。

采用公式(1)-(3)[13]计算叶绿素a(Ca)、叶绿素b(Cb)和类胡萝卜素总浓度(Cxgc)(mg·L-1)。

Ca=13.95A665-6.88A649

(1)

Cb=24.96A649-7.32A665

(2)

(3)

式中，A是分光光度计测定的样品吸光值。依据Ca和Cb计算叶绿素总浓度(C总)和叶绿素含量(C)(mg·g-1)[13]

C总=Ca+Cb

(4)

(5)

利用吸光度值(y)，用标准曲线计算脯氨酸浓度(x)，然后依据公式(6)计算单位鲜重样品中脯氨酸含量(Pro)(μg·g-1)[13]：

(6)

2 结果与分析

2.1 植物叶片叶绿素含量特征

2.1.1 同一叶片类型植物叶绿素含量分析 63种荒漠植物叶绿素含量范围为0.25～1.65 mg·g-1。计算同一叶片类型植物叶绿素含量的均值，结果表现为同一叶片类型不同植物间Ca、Cb、Cxgc、C总和C含量的差异均较小，标准误差0.03～0.49(图1)。其中薄叶植物C最高的是沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)，最低的是胡杨(Populuseuphratica)，介于0.43～1.16 mg·g-1；多浆植物C最高的是黑果枸杞(Lyciumruthenicum)，最低的是黄毛头(Kalidiumcuspidatum)，介于0.25～0.64 mg·g-1；肉茎植物含量最高的是木贼麻黄(E.equisetina)，最低的是梭梭，介于0.29～0.65 mg·g-1；卷叶植物含量最高的是紫花针茅(S.purpurea)，最低的是早熟禾(Poaannua)，介于0.96～1.65 mg·g-1。

2.1.2 不同叶片类型植物叶绿素含量分析 对比分析不同叶片类型相互间植物叶绿素含量的均值(图1)，Ca、Cb、Cxgc、C总和C含量均表现出一定的差异。Ca、Cb、C总和C含量表现出相似的规律，均为卷叶最高，其次是薄叶，多浆和肉茎相对较低，其中卷叶植物C含量为1.28 mg·g-1，是薄叶植物的1.5倍，多浆和肉茎植物的近3倍，C含量最高的卷叶植物紫花针茅是最低多浆植物黄毛头的6.6倍；Cxgc含量卷叶植物明显高于其他3类，为1.53 mg·L-1，是其他3类的近5倍，薄叶、多浆和肉茎3类含量均较低，介于0.34～0.37 mg·L-1。Ca、C总和C，多浆和肉茎之间的差异不显著(P>0.05)，其余相互间的差异均为极显著(P<0.01)；Cb薄叶和卷叶之间差异不显著(P>0.05)，多浆和肉茎之间差异不显著(P>0.05)，其余相互间差异极显著(P<0.01)；Cxgc卷叶植物与其他3类植物的差异极显著(P<0.01)，薄叶、多浆和肉茎3类相互之间差异不显著(P>0.05)。

图1 63种沙生植物叶片叶绿素含量Fig.1 Chlorophyll contents of 63 desert plants

2.2 植物叶片脯氨酸含量特征

63种荒漠植物脯氨酸含量差异非常大，在1.54～3 704.10 μg·g-1之间，最高的白刺是最低沙木蓼的2 405倍。计算同一叶片类型不同植物脯氨酸含量的均值(图2)，结果表现为同一类型不同植物间脯氨酸含量的差异很大，尤其是多浆类植物的标准误差达到391.46，其余3类植物不同种间脯氨酸含量差异同样相对较高，在37.26～46.48之间。同一个属的不同种之间脯氨酸含量的差异也很大，锦鸡儿属(图3)荒漠锦鸡儿(Caraganaroborovskyi)的含量为626.36 μg·g-1，是同属邦卡锦鸡儿(C.bongardiana)的407倍；麻黄属(图4)中麻黄(E.intermedia)的含量是膜果麻黄的10倍。

图2 植物脯氨酸含量Fig.2 Proline contents of different types of plants

图3 5种锦鸡儿叶片脯氨酸含量Fig.3 Proline contents in the leaves of 5 Caragana plants

薄叶植物，脯氨酸含量较高的物种有多枝柽柳和红砂，分别达到669.23 μg·g-1和508.72 μg·g-1，比较低的物种有沙木蓼(Atraphaxisfrutescens)和邦卡锦鸡儿，均为1.54 μg·g-1；多浆植物，脯氨酸含量较高的物种有白刺和泡泡刺，分别高达3 704.10 μg·g-1和1 955.39 μg·g-1，花花柴(Kareliniacaspica)的含量最低，为17.67 μg·g-1；肉茎植物，中麻黄脯氨酸含量较高，为324.10 μg·g-1，短叶假木贼(A.brevifolia)的含量较低，为20.62 μg·g-1；卷叶植物，芦苇脯氨酸含量较高，为395.90 μg·g-1，披碱草(Elymusdahuricus)的含量较低，为22.48 μg·g-1。

图4 3种麻黄叶片脯氨酸含量Fig.4 Proline contents in the leaves of 3 Ephedra plants

2.3 植株水分对叶绿素、脯氨酸含量的影响

分析63种荒漠植物植株水分与Ca、Cb、Cxgc、C总、C、Pro含量的关系(图5)，结果表明Ca、Cb、Cxgc、C总、C、Pro含量均与植株水分不相关(P>0.05)。

3 结论与讨论

3.1 结论

河西地区63种典型荒漠植物叶绿素含量介于0.25～1.65 mg·g-1。植物叶片叶绿素的含量与叶片形状有密切的关系，卷叶类植物叶绿素含量最高，其次为薄叶，多浆和肉茎均较低，卷叶类与其他3类的差异极显著(P<0.01)；同一叶片类型不同植物间的差异较小。植物叶片中叶绿素的含量是随着叶片形状的改变而变化的。

河西地区63种典型荒漠植物脯氨酸含量介于1.54～3 704.10 μg·g-1。白刺和泡泡刺的脯氨酸含量明显>其他植物，分别达到3 704.10 μg·g-1和1 955.39 μg·g-1，红砂、多枝柽柳、荒漠锦鸡儿、霸王、中麻黄、木贼麻黄、骆驼蓬(Peganumharmala)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)等植物的脯氨酸含量也相对较高，这些植物在受到干旱胁迫时，具有较强的适应调节能力。植物脯氨酸含量的高低与植物叶片形状的改变没有直接关系，同一叶片类型不同植物间脯氨酸含量差异很大，同属不同种间脯氨酸含量差异也非常大。

不同的荒漠植物采取不同的叶片变形方式来适应外界环境的胁迫，采取怎样的叶片变形方式与其抗旱能力的大小没有直接关系，而是环境与其本身形态特征的共同选择。

图5 植株水分与叶片叶绿素、脯氨酸含量之间的关系Fig.5 The relationship between the moisture content of plant and the proline and chlorophyll contents of plant leaves

3.2 讨论

在河西荒漠区，水资源极度匮乏，干旱胁迫对植物的形态结构产生严重影响[18]，不同的荒漠植物，在长期适应环境的过程中形成了各自特有的生物学特征和生理调控策略，叶片变形是荒漠植物增加对环境胁迫抗性的主要方式之一。本研究结果中，同一叶片类型的物种Ca、Cb、Cxgc、C总和C含量的差异均相对较小，而不同类型间差异显著，因此植物叶片中叶绿素的含量是随着叶片形状的改变而变化的。本研究选取的卷叶植物大部分属于C4植物，苏培玺[19]等研究认为C4植物叶绿素含量相对较高，本研究的结果与其一致，卷叶植物的叶绿素含量明显>其他3类，且与其他3类的差异达到极显著；而本研究中的肉茎类植物尽管也都是C4灌木植物，但由于其叶片极度退化，叶绿素含量均较低，同样表明叶片叶绿素含量的高低与叶片的形状有着密切关系。

脯氨酸是衡量植物抗旱能力的重要指标，本研究中同一叶片类型的不同物种脯氨酸含量差异很大，说明荒漠植物在受到外界干旱胁迫时，叶片通过薄叶、多浆、肉茎、卷叶等各种变形方式来适应外界环境，同一叶片类型植物脯氨酸的累积能力差异很大。薄叶类植物是通过增加贮水的薄壁细胞，大量贮存水分度过缺水期[13，20]，比如红砂、多枝柽柳等；多浆汁类植物通过植物叶片的肉质化来储存水分，比如白刺、泡泡刺、霸王、碱蓬(Suaedaglauca)等，其中白刺和泡泡刺叶片脯氨酸的含量远远高于一般植物体内脯氨酸200～600 μg·g-1FW的含量[21]；肉茎植物通过叶片的极度退化，减小叶面积，降低植物的蒸腾速率来避免和忍耐水分亏缺[22]，比如木贼麻黄、中麻黄、短叶假木贼、梭梭等；以禾本科植物为主的卷叶植物，叶在缺水时叶片会卷合，减小有效叶面积，减缓因叶面蒸腾而导致的水分亏缺，以便适应干旱缺水的环境。不同叶片类型间，总体来讲，卷叶类植物叶片的脯氨酸含量要<肉茎类，这与C4草本植物的耐旱能力要差于C4木本植物的观点相吻合[19]。

已有研究表明，同种植物脯氨酸含量与枝叶含水量呈显著负相关关系[21，23]，也就是植物在缺水状态下，枝叶含水量降低，叶片迅速累积脯氨酸。本研究不同植物脯氨酸含量与枝叶含水量之间没有相关性，表明植物在干旱胁迫下，叶片含水量指示了植物的水分亏缺程度，但是叶片累积脯氨酸的能力还与植物本身的形态、生理特性及外界环境等有关。

植物抗旱能力越强，其体内的脯氨酸含量就越高[24]，较高的脯氨酸含量有助于其对干旱缺水的调节和适应。但植物抗旱能力受形态结构、光合生长、生理生化、生境等多种因素的综合作用，是一个复杂的生理调整机制，单从一个指标很难比较植物抗旱能力的大小[18，25]，因此仅从本研究中植物叶绿素、脯氨酸含量的高低不能确定植物抗旱能力的大小，需在今后的工作中采用隶属函数法、主成分分析法等筛选影响植物抗旱性的主要指标，综合评定植物的抗旱能力。

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