宽叶雀稗对养分缺乏胁迫的形态与生理响应

王友生，林秀凤，简丽华，王益和，廖棁武

(1.福建省龙岩市林业科学研究所，福建 龙岩 364000；2.福建省永定仙岽国有林场，福建 永定 364100)

植物对逆境一般有两种响应方式，主动适应的植物通过提高可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸的含量稳定细胞膜流动性[1—3]，同时提高 SOD、POD、CAT 等保护酶活性[4—6]，增强根系觅养能力[7—8]，确保正常的生理代谢活动；被动适应的植物则通过降低光合作用与生理代谢，停止生长或缓慢生长以减少对养分的依赖[9—10]。因此，研究植物叶片细胞膜渗透调节物质、保护酶活性以及植株形态变化，对了解耐性植物对逆境的响应机制具有重要意义。

宽叶雀稗(Paspalum wetsfeteini)是禾本科雀稗属(Paspalum)多年生草本植物，具有耐瘠薄、耐重金属、适应性强等特点[11—14]，大量应用于水土流失治理、干旱地区植被恢复、矿区重金属污染修复[15—18]。目前对宽叶雀稗抗性机理的研究集中在酸胁迫、干旱胁迫、重金属胁迫等方面，关于养分胁迫的研究鲜见报道，其耐瘠薄机理尚不清楚。本文通过宽叶雀稗盆栽养分胁迫试验，探索其养分缺乏下根系、叶片形态及生理变化规律，以期揭示宽叶雀稗耐瘠薄机制。

1 材料与方法

1.1 材料

宽叶雀稗母株来自福建省龙岩市长汀县河田镇退化山地，通过分蘖繁殖后，栽植于以河沙为基质的营养钵内，营养钵规格8 cm × 12 cm(直径×高)。

1.2 养分胁迫

在温室大棚内，分别选择生长较一致，高15 cm宽叶雀稗盆栽试验苗20株，其中10株进行养分缺乏胁迫试验，试验期间仅浇蒸馏水；另外10株为对照组，每隔10 d每盆施用霍兰营养液20 mL。

1.3 调查方法

对照组和胁迫组分别于盆栽培养后10、20、30、40、50、60 d采集叶片，每次测定叶绿素、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量及SOD、POD、CAT等酶活性。胁迫后60 d分别测量宽叶雀稗株高、叶长、叶宽，用EPSON EXPRESSION 1680根系扫描仪和根系形态与结构分析应用系统RHIZO 2007d分别测定根长、根表面积，用Hitachi S-3400N扫描电子显微镜观察叶的背腹面。

1.4 测定方法

叶绿素含量采用紫外分光光度法，脯氨酸采用茚三酮染色法，丙二醛采用硫代巴比妥酸法，可溶性糖采用 3,5-二硝基水杨酸比色法，可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250染色法测定，SOD、POD、CAT酶活性分别采用氮蓝四唑法、愈创木酚显色法、紫外吸收法测定[19]。

1.5 数据统计

采用DPS软件及LSD多重比较法分析数据。

2 结果与分析

2.1 养分胁迫下宽叶雀稗叶绿素含量变化

养分胁迫后，宽叶雀稗叶绿素含量呈逐渐下降趋势，10～30 d叶绿素降幅较小，且彼此之间差异不显著(P>0.05)，40～60 d与前30 d相比差异达极显著水平(P<0.01) (表1)。可见，宽叶雀稗表现出耐瘠薄的特性。

表1 养分胁迫下宽叶雀稗总叶绿素含量变化(mg·g-1 FW)Table 1 Changes of total chlorophyll content in Paspalum wetsfeteini under nutrient stress (mg·g-1 FW)

2.2 养分胁迫下宽叶雀稗保护酶活性变化

SOD、POD、CAT活性在养分胁迫后均表现出先增强后减弱的趋势，于处理20 d或30 d后达到峰值，胁迫后峰值分别是对照组的 1.01倍、1.19倍、0.82倍(表2)。植物保护酶活性与抗性呈正相关，由此说明宽叶雀稗养分胁迫后20 d表现出较强的耐瘠薄能力，短时间养分胁迫可以促进保护酶活性。

2.3 养分胁迫下宽叶雀稗渗透调节物质含量变化

脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量在养分胁迫后表现出与保护酶活性相似的规律，即呈先上升后下降趋势，在胁迫后30 d达到峰值。丙二醛含量呈现随时间延长而增长的趋势，在养分胁迫后10～20 d变化不显著(P>0.05)，30 d后有极显著变化(表3)。可见，养分胁迫10～20 d内宽叶雀稗叶片细胞膜可维持较稳定的状态，胁迫后30 d脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量继续增加，但细胞膜已出现过氧化迹象。

表2 养分胁迫下宽叶雀稗SOD、POD、CAT等保护酶活性变化(U·g-1 FW)Table 2 SOD, POD, CAT activity changes in Paspalum wetsfeteini under nutrient stress (U·g-1 FW)

表3 养分胁迫下宽叶雀稗渗透调节物质含量变化Table 3 Changes of osmotic regulation substances content in Paspalum wetsfeteini under nutrient stress

2.4 养分胁迫下叶片与根系形态变化

养分胁迫后60 d，胁迫组宽叶雀稗株高、叶片长度、宽度仅为施肥处理的55.61%、64.85%、65.0%，但是根系仍然保持较强的生长能力，根系长度、根表面积分别是施肥处理的1.40倍、1.36倍(表4)。可见宽叶雀稗在养分亏缺时，以延长根系、扩大根表面积的方式获得更多养分。

表4 养分胁迫60 d后宽叶雀稗植株形态变化Table 4 Changes of plant morphology of Paspalum wetsfeteini after nutrient stress for 60 days

2.5 养分胁迫下叶片显微特征

养分胁迫后60 d，通过电镜扫描发现，对照组宽叶雀稗叶背绒毛长度510～580 μm(图1: A)，叶肉细胞长80 μm，叶肉细胞宽 20 μm(图 1: B)；胁迫组宽叶雀稗叶背绒毛长度25～30 μm(图1: C)，叶肉细胞长110 μm、宽18 μm(图1: D)。由此可见，宽叶雀稗在养分胁迫后叶肉细胞变得更加狭长，生长受到抑制，叶背绒毛长度约为对照组的5%，水分耗散加剧。

图1 胁迫组和对照组宽叶雀稗叶显微特征Fig. 1 Microscopical characteristics of Paspalum wetsfeteini leaf treated with control and nutrient stress

3 讨论

SOD是清除细胞内氧自由基的重要保护酶，它可防止细胞膜脂氧化[20]。POD是植物清除 H2O2的保护酶，与植物抗性密切相关[21]。CAT具有氧化酚类、胺类物质，消除细胞内过氧化氢等作用[22]，对保护细胞器具有重要作用。从胁迫组与对照组的保护酶活性变化可以看出，在养分胁迫早期(10～20 d)，SOD、POD、CAT保护酶活性显著提高，SOD、POD活性在胁迫后20 d达到峰值，且高于施肥处理。CAT活性在胁迫后30 d达到峰值，此时SOD、POD活性开始下降，叶绿素虽然也呈下降趋势，但差异不显著。可见，短时间养分胁迫(10～30 d)可促进宽叶雀稗保护酶活性，使得细胞仍保持较强的活性氧清除能力；提高氧自由基清除能力，保护光合器官免受损害，维持细胞生理代谢的正常水平。说明宽叶雀稗具有耐瘠薄的特性，这与杨玉娟[23]的研究类似。

丙二醛是细胞膜脂的过氧化代谢产物之一，其含量高低反映细胞膜的过氧化程度[24]。在养分胁迫后10～20 d丙二醛含量无显著变化，30 d后开始显著上升，说明其细胞膜开始受到损伤。脯氨酸是植物蛋白质的组分之一，在逆境胁迫下植物积累的脯氨酸除了作为细胞质内渗透调节物质外，还在稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解除氨毒以及作为能量库调节细胞氧化还原势等方面起重要作用[25]，其含量在一定程度上反映了植物的抗逆性。可溶性糖与可溶性蛋白分别是植物体内碳素和氮素营养的主要存在形式，其含量与植物代谢、衰老以及维持细胞渗透压等密切相关[26]。养分胁迫后10～30 d脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量显著增加，30 d后达到峰值，叶绿素含量无显著变化。说明宽叶雀稗在养分胁迫后30 d，在细胞膜出现过氧化的情况下仍可以通过增加渗透调节物质来维持光合器生理活动的正常渗透势，消除有毒物质的伤害，同时为光合作用提供营养物质与能量，这与耐性植物的表现相类似[27]。

养分胁迫后60 d，宽叶雀稗叶形态上表现出明显的变化，叶长、叶宽极显著小于对照处理(P<0.01)，杨玉娟[12]在不同氮水平下栽培宽叶雀稗时也发现类似现象，叶背绒毛长度变短，叶肉细胞长度变大、宽度变小，但是根长、根表面积均高于对照处理，可见宽叶雀稗在胁迫中后期(>20 d)，采取主动适应的策略，将主要营养物质存储于根中，确保根系的生长，扩大根系觅养范围，从而获得更多养分。

综上所述，宽叶雀稗在养分胁迫初期(10～30 d)，一方面通过提高SOD、POD、CAT活性，减少活性氧等有害物质的产生，保护细胞器免受损害；另一方面通过提高脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量，调节细胞膜渗透势，维持组织的正常生理活动。胁迫后期(60 d)，在养分不足的情况下，减缓地上部分的生长，将营养物质储存于根部，促进根系生长，以便获得更多养分。因此，在宽叶雀稗的应用栽培中可适当进行养分胁迫，保持“半饥饿”状态更有利于植株生长。