干旱胁迫下不同种源文冠果幼苗叶片的抗旱生理响应特征

邢钰坤，曹恭祥，元 光，杨跃文，郝笑明，李银祥，王志波，季 蒙，张月芳

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特010010； 2. 内蒙古鄂尔多斯森林生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 016100； 3. 西乌珠穆沁旗林业事业发展中心，内蒙古 锡林郭勒 026200； 4. 卓资县园林服务中心，内蒙古 乌兰察布 012300)

为了适应干旱环境，植物会采取多种方式应对干旱环境，渗透调节是其中重要的一种方式，与植物渗透调节有关的物质包括游离脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)、植物保护酶等。在干旱胁迫下，丙二醛含量变化反映着细胞膜的受损程度[1]；植物通过积累脯氨酸来增加细胞原生质的渗透压，起到防止水分流失的作用，使原生质胶体更稳定[2]；植物保护酶中超氧化物岐化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等构成了植物体内清除活性氧的防护系统，酶活性变化反映着植物对干旱的适应能力，其与植物抗旱性呈正相关[3-4]。

文冠果(Xanthocerassorbifolia)为无患子科文冠果属的落叶乔木或灌木，分布在内蒙古、陕西、山西、河北等地，具有很强的抗逆性和适应性，是我国北方重要的经济和造林树种。近年来，随着国内木本油料作物生产的发展，文冠果的各类功能开发及价值受到广泛重视[5]。目前，文冠果的研究主要集中在栽培坐果[6]、雄性不育[7]、遗传变异[8-9]、组织培养[10]、新药研发[11]、化学成分及产品的加工利用[12]等方面，在抗性生理方面也有一定研究[13-14]，如田梦妮等[15]对文冠果叶片进行解剖观察，通过抗旱性指标评价了文冠果不同种质资源的抗旱性；谢志玉等[16]分析不同土壤含水条件下的文冠果幼苗叶片，认为文冠果幼苗以调整自身根系活力、提升保护酶活性与可溶性蛋白含量来防止膜脂过氧化的伤害，增强了幼苗耐旱能力；周玲等[17]在不同干旱胁迫下，测定了文冠果叶片中脯氨酸、丙二醛含量和细胞膜透性的差异性，但仅对这3项抗旱生理指标进行了测定分析，尚需结合多种指标进一步研究其抗旱机理。

鄂尔多斯高原地区土地资源丰富，发展文冠果潜力巨大，但干旱环境限制了文冠果的发展。因此，选育高抗旱文冠果品种成为促进该地区林业经济发展的重要途径。本研究在鄂尔多斯高原北部达拉特旗，以1 a生文冠果幼苗为材料，通过人工控水试验，对4个种源文冠果幼苗进行干旱胁迫处理，测定不同土壤水分下幼苗叶片中游离脯氨酸、丙二醛和植物保护性酶等生理指标变化特征，分析不同种源文冠果对干旱胁迫的响应，从抗旱生理角度探讨不同种源文冠果耐旱性特征，为该地区文冠果选育提供科学依据。

1 试验地概况

试验地位于内蒙古达拉特旗白土梁林场解放滩作业区(40°02′19″N，109°50′55″E)。年均降水量300 mm，年蒸发量2 500～2 800 mm，年均气温 6.0 ℃，年日照时数3 150 h，≥10 ℃有效积温2 950 ℃。土壤类型以盐化草甸土和风沙土为主，pH值 8.66。

2 材料与方法

2.1 试验材料

选取内蒙古敖汉旗(NCAK)、内蒙古准格尔旗(NEZZ)、陕西靖边县(SYJY)和山东安丘县(SWAQ)4个优良种源文冠果1 a生幼苗作为试验材料，选用苗高 1.0～1.2 m、地径 0.5～0.8 cm，长势良好的苗木各9株分别移栽于盆内。供试苗木均缓苗生长60 d后进行胁迫试验。

2.2 研究方法

采用盆栽控水法，自然干旱的方式进行土壤干旱胁迫处理。将所有供试苗木设置在通风良好、阳光充足的地方，并搭建简易拱棚，雨天时苗木进行遮雨，防止雨水渗入影响干旱胁迫效果。2021年7月中旬，对所有的供试苗木浇透水，使盆内土壤接近持水量饱和状态后开始控水胁迫试验。培养基质最大持水量 431.7 g·kg-1。叶片采自供试苗木新梢的第3～5节。此后分别在第8天、第14天、第20天的上午9∶00—10∶00进行样品采集并测定各项生理指标。每个处理测定均设3个重复。

控水后第1天使用铝盒随机取土样，测量各种源盆内土壤相对含水量。随后每间隔6 d进行1次土壤相对含水量测定。

叶片相对含水量(RWC)采用烘干法[18]测定：

RWC= (Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%

(1)

式中：Wf、Wd、Wt分别为叶片鲜重、叶片干重、叶片饱和重。

游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮方法[19]测定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法[20]测定，超氧化物岐化酶活性采用氮蓝四唑(NBT)法[19]测定，过氧化物酶活性采用愈创木酚法[20]测定，过氧化氢酶活性采用紫外吸收法[20]测定。

2.3 数据处理

利用Excel 2007对数据进行处理，用SPSS 23.0 进行显著性检验、方差分析。

3 结果与分析

3.1 连续干旱下盆内土壤含水量变化

随着干旱胁迫的进行，胁迫初期盆中土壤含水量迅速下降，胁迫中期下降速率减缓，胁迫后期土壤含水量变化趋于稳定，维持在5%以下(表1)。

表1 干旱胁迫下土壤变化情况Tab.1 Changes of soil water content under drought stress

通过铝盒采样结果(表1)，盆中培养基质最大持水量431.7 g·kg-1，以控水后第1天土壤含水量为对照，盆中土壤相对含水量变化随着干旱胁迫时间间隔分别为88.2%、59.9%、27.6%、8.7%，形成4个胁迫梯度：对照(CK)、轻度干旱胁迫(T1)、中度干旱胁迫(T2)、重度干旱胁迫(T3)。

3.2 干旱胁迫对幼苗相对含水量的影响

由图1可知，在持续干旱胁迫条件下，4个种源文冠果幼苗叶片相对含水量均呈连续下降趋势。其中，种源NEZZ的叶片相对含水量下降最少，为 28.26%；种源SWAQ的下降最多，为 36.44%。叶片相对含水量能直接反应出4个种源文冠果叶片水分的生理状态。相对含水量变化幅度越小，叶片保水能力越强，反之，叶片保水力较差[21]。对比4个种源文冠果幼苗叶片相对含水量变化，其保水力大小顺序为：NCAK > NEZZ > SYJY > SWAQ。

注：图中大写字母表示不同种源间差异性(P<0.05)，小写字母表示胁迫梯度间的差异性(P<0.05)，下同。

3.3 干旱胁迫对幼苗游离脯氨酸含量的影响

由图2可知，随着干旱胁迫程度的增加，4个种源文冠果苗叶片的游离脯氨酸含量相应发生变化。种源NEZZ、SYJY和NCAK的游离脯氨酸含量呈不断上升的趋势，干旱中后期(T2、T3)呈较大幅度上升，分别是CK的2～3.5倍，较大的游离脯氨酸积累量增加有利于细胞液水势的降低；种源SWAQ的游离脯氨酸含量在T2时出现大幅度升高，但T3时期与T2时期相比上升幅度差异不明显。此现象可能随着干旱的加剧，该组样品细胞线粒体中合成酶的活性下降而导致游离脯氨酸含量积累活动减弱。可见游离脯氨酸对细胞质渗透平衡起到了重要的调节作用，在文冠果受到干旱胁迫时，其含量升高有助于防止细胞脱水。由游离脯氨酸增长量变化幅度可以看出，不同种源应对干旱胁迫时调节能力大小排序为：NEZZ > NCAK > SYJY > SWAQ。

图2 干旱胁迫下文冠果幼苗叶片游离脯氨酸含量的变化Fig.2 Change of proline in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

3.4 干旱胁迫对幼苗丙二醛含量的影响

由图3可知，种源NEZZ的丙二醛含量在T1时与CK相比呈下降趋势，在T2时迅速升高，其他3个种源文冠果幼苗叶片的丙二醛含量随着干旱程度的增加连续增长，可见4个种源文冠果幼苗应对干旱环境呈现不同应对过程。干旱胁迫T3时期，种源NCAK与SWAQ的丙二醛含量增长相对最大，比CK分别升高了 231% 和 269%，说明在干旱胁迫后期(T3)，种源SWAQ的膜脂氧化反应最强烈，细胞膜系统所受伤害最大，其抗旱性能最弱；反之，种源NEZZ与SYJY的膜系统伤害相对较小，比CK分别升高了 172% 和 191%，其抗旱性能相对较强。丙二醛含量变化幅度排序为：SWAQ > NCAK > NEZZ > SYJY。

图3 干旱胁迫下文冠果幼苗叶片丙二醛含量的变化Fig.3 Change of MDA in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

3.5 干旱胁迫对幼苗保护性酶活性的影响

由图4、图5和图6可知，随着干旱胁迫程度的增加，4个种源文冠果幼苗叶片的3种保护酶活性变化总体呈先升后降的趋势。3种酶活性变化在不同种源幼苗间存在着一定的差异，三者先后协同作用于体内活性氧，在干旱胁迫中后期3种酶活性达到峰值后抗氧化能力开始逐渐衰退。在胁迫初期(CK、T1)，SOD活性的响应迅速，各种源间SOD活性差异较小。种源NEZZ、NCAK和SWAQ在T1时达到峰值，胁迫后期(T3)这3个种源的SOD活性均小于CK，且种源SWAQ的活性下降最显著。种源SYJY在T2时SOD活性达到峰值，T3时活性大于CK。与其他种源相比，SYJY的SOD活性响应有所延后，T2时达到峰值，SOD活性增长幅度最小。各种源干旱胁迫后SOD活性增长幅度排序为：NCAK > NEZZ > SWAQ > SYJY。

在持续胁迫下POD活性逐渐升高，在胁迫后期(T3)活性出现不同程度减弱。种源NCAK、SWAQ的POD活性在T1时出现最高值，种源SYJY的POD响应与SOD一致有所延后，种源NEZZ在T2时达到最高值。T3时种源SWAQ的POD活性最低，显著低于对照，其他三者活性均大于CK。种源NEZZ、NCAK的POD活性变化幅度最大。POD活性变化幅度的排序为：NCAK > NEZZ > SYJY > SWAQ。

从CAT活性来看，种源NEZZ、SYJY和SWAQ在T1时达到最高值，种源NCAK在T2时达到最高值。种源NEZZ活性响应变化幅度最大，比CK升高了 116. 22%。随后CAT活性持续下降，T3时与CK差异显著。CAT活性变化幅度排序为：NCAK > NEZZ > SWAQ > SYJY，与SOD活性变化相似。可见，随着干旱程度加剧，各种源CAT活性的变化与SOD、POD一样，与文冠果抗旱性呈正相关，三者先后对植物体内活性氧的代谢发生协同作用。

3.6 不同种源和胁迫时间对各生理指标的影响

通过双因素方差分析可知(表2)，不同种源、不同干旱胁迫时间以及二者交互作用下均极显著影响幼苗游离脯氨酸、丙二醛、叶片相对含水量(P<0.01)；不同种源、不同干旱胁迫时间对叶片相对含水量和SOD的影响也极显著，种源×胁迫时间交互作用下对SOD活性有显著影响(P<0.05)，但对叶片相对含水量无显著影响；不同种源对CAT活性的影响不显著，不同胁迫处理时间对CAT活性有极显著影响(P<0.01)，种源×胁迫时间交互作用下CAT活性差异显著(P<0.05)。胁迫时间的F值均大于种源与种源×胁迫时间交互作用，可见干旱胁迫时间对各生理指标的影响最大。

图4 干旱胁迫下文冠果幼苗叶片SOD的活性响应Fig.4 Response of SOD activity in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

图5 干旱胁迫下文冠果幼苗叶片POD的活性响应Fig.5 Response of POD activity in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

图6 干旱胁迫下文冠果幼苗叶片CAT的活性响应Fig.6 Response of CAT activity in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

表2 种源和胁迫时间对各生理指标影响的双因素方差分析Tab.2 Two-factor variance analysis for the effect of provenance and stress time on physiological indexes

4 讨论与结论

植物在生长发育过程中，会受到不同环境因子与不同程度的胁迫。在鄂尔多斯高原干旱是最常见的胁迫之一。植物有效吸收并输送至叶片水分，叶片相对含水量反映叶片受胁迫时的保水能力，且保水能力与植株的抗旱能力呈正相关[22-23]。本研究表明，在干旱胁迫下各种源文冠果幼苗叶片相对含水量随着土壤含水量的降低而逐渐减少，在中、重度胁迫下变化幅度较小，可见文冠果叶片保水能力相对较强。当文冠果幼苗受到外界胁迫时，其游离脯氨酸含量大量积累，在干旱胁迫的环境下增长数倍，以助于细胞保水。抗旱性强的植株游离脯氨酸含量变化幅度加大，抗旱性增强。4个种源文冠果幼苗游离脯氨酸含量随干旱胁迫程度的增加整体呈上升趋势，同时存在干旱胁迫后期种源SWAQ未出现继续上升的现象，韩艳等[24]对这一现象研究认为，植物组织由于水分亏缺、干旱后期光合产物供给开始减少或酶失活从而导致游离脯氨酸含量下降；另一方面，在干旱胁迫下发生的氧化作用使活性氧过多产生，丙二醛含量变化也随胁迫时间呈上升趋势，反应了各种源与不同胁迫程度植株细胞受损程度，与抗旱能力呈负相关性，变化幅度越大抗旱能力越弱；4个种源文冠果幼苗的SOD、POD和CAT活性变化整体呈先升后降的趋势，SOD和CAT主要在胁迫初期表现出叶片保护酶活性变化增强，POD活性主要表现在胁迫中后期，且随保护酶活性变化幅度增大，不同种源植株间抗旱能力表现出显著差异。如种源NEZZ在胁迫前期POD活性出现先降后升，是对先涝后旱环境变化的适应。种源SWAQ在重度干旱胁迫后期各种酶活性与其他种源植株相比出现大幅下降现象，此现象可能随着干旱胁迫该组样品细胞受损严重或测试样品差异所致。

总体而言，不同种源文冠果对各指标的干旱响应不同，存在着不同的干旱适应途径。本试验仅对不同种源1 a生文冠果叶片在干旱胁迫一段时期内的部分生理表现差异进行了初步分析，还未完全揭示出该地区文冠果的抗旱应对机制，尚需进一步对该地区不同种源的各干旱胁迫致死过程等抗旱性机理进行研究。