干旱胁迫对中华金叶榆盆栽苗内源激素的影响*

张世英，刘易超,，李泳潭，黄印冉，张军

(1.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；2.河北省林业科学研究院，河北 石家庄 050061)

干旱是影响植物生长发育、分布和生理生化特性最常见的非生物环境因素之一[1]，其危害程度在诸多逆境因子中占据首位。植物内源激素是植物自身代谢产生的有机物，可调控植物的生长发育，与植物的抗逆性联系密切[2]。内源激素作为响应干旱胁迫重要的生理活性物质[3]，植物在受到干旱胁迫后，会调节多种内源激素的含量及比例来调控自身的生长发育，并在某些情况下将干旱胁迫的不利影响降到最低[4]。

中华金叶榆(Ulmuspumila‘Jinye’)为白榆(Ulmuspumila)的天然黄叶突变体，属榆科(Ulmaceae)榆属(UlmusL.)植物，是河北省林业科学研究院培育的优良观赏品种，已在我国北方地区广泛推广应用[5-6]。近年来，对中华金叶榆的研究报道主要集中在嫩枝扦插[6]、叶片呈色[7-8]、苗木繁育[9]和耐寒性等方面[10]。前人对中华金叶榆的研究主要集中在干旱胁迫下苗木生长和保护酶等生理指标的响应上，有关金叶榆受到干旱胁迫后其内源激素的响应变化尚未见报道。本研究采用盆栽苗人工模拟控水法进行干旱胁迫处理，探讨金叶榆在不同胁迫程度和时间下的玉米素核苷(zeatin riboside，ZR)、赤霉素(gibberellins，GA)、吲哚乙酸(indole-3-acetic acid，IAA)、脱落酸(abscisic acid，ABA)等4种内源激素含量水平及其变化规律，旨在探索中华金叶榆中内源激素对干旱胁迫的响应机制，为中华金叶榆抗旱性评价、抗旱机理研究及栽培推广应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2020年8月在河北省林业科学研究院(38°05′N，114°47E)进行，温室透气透光性良好。供试材料为中华金叶榆的无性系幼苗，在8月初，选取生长良好、长势一致的幼苗，统一带土移植到带有托盘的花盆(上口径×下口径×高度为16 cm×16 cm×17 cm)中培养，每盆1株，栽培基质为普通园圃土。移植后在自然光照的温室中进行正常培养，缓苗7 d后，进行干旱胁迫处理。

1.2 试验方法

1.2.1 干旱胁迫梯度设置

本试验设3个组。每个组内3次重复，每个重复6株，共18株。以土壤含水量为田间持水量的80%、40%、20%作为对照组(control，CK)、中度干旱胁迫组(mild drought，MD)、重度干旱胁迫组(severe drought，SD)。每天18:00根据土壤水分状况及处理要求及时补充土壤水分来保持不同干旱胁迫水平。8月中旬第1次取样，取样部位为中华金叶榆顶端幼嫩且无病虫害的叶片。之后每10 d取样1次，分别在胁迫的第10、20、30 d时取样，共取样4次。取样后用液氮速冻，立即在室内进行内源激素含量测定。

1.2.2 内源激素含量测定

内源激素待测液的制备参考张莹等[11]的方法。称取0.3 g叶片置于预冷的研钵中，加入8 mL甲醇和500 μL抗氧化剂研磨至匀浆，倒入10 mL离心管中，避光放置于4 ℃冰箱静置浸提12 h。避光条件下，超声波震荡1 h，在温度4 ℃、转速为12 000 r/min条件下离心15 min，取上清液并移至10 mL离心管中，氮吹至水相(1～2 mL)。水相用1 mol/L磷酸二氢钾，调至pH 8.0。加入0.2 g PVPP(聚乙烯吡咯烷酮)除杂，超声波震荡0.5 h，在温度4 ℃、转速为12 000 r/min条件下离心5 min，转移上清液至新的离心管。水相再用1 mol/L柠檬酸调至pH 3.0，加3 mL乙酸乙酯萃取，超声波震荡10 min，放置2 h，转移上清液至新的离心管进行氮吹，直至吹干乙酸乙酯。在乙酸乙酯吹干之前，活化C18小柱：先用4 mL纯甲醇，再用4 mL纯水。向吹干的离心管加2 mL 20%甲醇复溶，然后倒入活化好的C18小柱中，最后加2 mL 10%甲醇淋洗，弃除淋出液。用1 mL、pH 8.0的甲醇冲洗C18小柱，回收样品提取液至新的离心管，用1 mL注射器吸取待测液于棕色小瓶中备用。

使用Agilent-1100高效液相色谱仪测定中华金叶榆幼苗叶片中玉米素核苷(ZR)、赤霉素(GA)、吲哚乙酸(IAA)和脱落酸(ABA)含量，3次生物学重复。上机条件参照孙宇[12]的方法，色谱柱为Agilent公司生产的Eclipse Plus C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)反相色谱柱，流动相及比例为乙腈︰0.7%乙酸︰甲醇为5︰40︰55，流速0.7 mL/min，柱温30 ℃，进样前用0.45 μm滤膜过滤，进样量10 μL，紫外检测器VWD chemstation(Agilent 1260VWD)波长为254 nm，保留时间10 min。用标准曲线计算激素含量，每种激素的标准曲线方程如下：ZR(y=33.991x-11.707，R2=0.999 5)，GA(y=3.8645x-38.788，R2=0.983 2)，IAA(y=13.144x+7.7295，R2=0.998 9)，ABA(y=66.493x+18.7，R2=0.998 3)。

1.3 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2010进行数据的处理、分析，SPSS 22.0软件进行方差分析和差异显著性检验(α=0.05)，Origin 2019软件绘图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对幼苗叶片ZR含量的影响

如图1A所示，CK组叶片的ZR含量随着干旱胁迫时间的延长逐渐降低，而MD、SD的ZR含量先降低后升高。胁迫第10 d时，MD、SD组的ZR含量分别较CK组升高72.2%、16.88%；胁迫第20 d时，MD组的ZR含量较CK组升高5.33%，SD组的ZR含量较CK组降低6.95%；胁迫30 d时，MD、SD组的ZR含量分别较CK组升高138.36%、108.42%；同一时间胁迫处理间均达到显著差异(P<0.05)。

同一处理水平下，胁迫30 d时CK组叶片的ZR含量较胁迫10、20 d分别显著降低38.85%、30.35%(P<0.05)，而胁迫20 d的ZR含量较胁迫10 d降低12.2%，差异不显著(P>0.05)；胁迫20 d时MD、SD组叶片的ZR含量较胁迫10 d分别降低46.3%、30.11%，胁迫30 d较胁迫20 d其ZR含量分别升高57.63%、56.02%，均有显著差异(P<0.05)。

图1 干旱胁迫对中华金叶榆叶片4种内源激素含量的影响

2.2 干旱胁迫对幼苗叶片GA含量的影响

如图1B所示，CK组叶片的GA含量随着胁迫时间的延长呈升高趋势，MD组先降低后升高，SD组逐渐降低。与CK相比，MD、SD组叶片的GA含量在胁迫10 d分别显著增加1.60、1.32倍(P<0.05)；胁迫20 d时，MD、SD组叶片的GA含量较CK组分别增加32.35%、24.17%，均差异显著(P<0.05)；而在胁迫30 d时，MD、SD组叶片的GA含量均显著低于CK组(P<0.05)，分别降低24.83%、62.26%。

胁迫20、30 d时的CK组叶片的GA含量较胁迫10 d分别增加8.2%、96.67%，均差异显著(P<0.05)；仅MD组而言，胁迫20、30 d的GA含量较胁迫10 d分别显著降低44.88%、43.1%(P<0.05)，SD组的GA含量在胁迫20、30 d较胁迫10 d分别降低42.01%、67.97%，均有显著差异(P<0.05)。

2.3 干旱胁迫对幼苗叶片IAA含量的影响

如图1C所示，随着干旱胁迫时间的延长，CK组叶片的IAA含量逐渐增加，MD、SD组叶片的IAA含量在胁迫第10 d高于CK组，后逐渐降低。胁迫10 d时，MD、SD组叶片的IAA含量较CK组分别显著增加3.38、2.73倍(P<0.05)；胁迫20 d时，CK、MD、SD叶片的IAA含量差别缩小；胁迫30 d时，MD、SD组叶片的IAA含量较CK组分别显著降低45.98%、61.12%(P<0.05)。

胁迫20、30 d时的CK组叶片的IAA含量较胁迫10 d分别增加79.22%、178.09%；仅MD组而言，胁迫20、30 d的IAA含量较胁迫10 d分别降低55.17%、65.71%；SD组的IAA含量在胁迫20、30 d较胁迫10 d分别降低41.60%、70.98%；同一处理在不同时间均有显著差异(P<0.05)。

2.4 干旱胁迫对幼苗叶片ABA含量的影响

与干旱胁迫下ZR、GA、IAA含量变化趋势不同，如图1D所示，随着胁迫时间的延长，CK组叶片的ABA含量逐渐降低，MD、SD组叶片的ABA含量均在胁迫20 d达到最大值，分别为386.63 ng/g、364.46 ng/g。胁迫10 d时，MD、SD组叶片的ABA含量较CK组分别显著增加41.37%、105.91%(P<0.05)；胁迫20 d时，MD、SD组叶片的ABA含量较CK组分别显著增加2.26、2.08倍(P<0.05)；胁迫30 d时，MD、SD组叶片的ABA含量较CK组分别显著增加135.03%、65.27%(P<0.05)。

2.5 干旱胁迫对幼苗叶片中内源激素比例的影响

由表1可知，随着干旱胁迫时间的延长，CK组中华金叶榆幼苗叶片中GA/ABA、IAA/ABA、GA/ZR、IAA/ZR值逐渐上升，ZR/ABA值逐渐下降，IAA/GA呈现先上升后下降的趋势；MD、SD组的ZR/ABA、GA/ABA、IAA/ABA值呈现先下降后上升的趋势，GA/ZR、IAA/ZR值逐渐下降；MD组的IAA/GA值逐渐下降，而SD组的IAA/GA值先上升后下降。胁迫20 d时，MD、SD组的ZR/ABA值低于CK组，而在胁迫30 d时，MD、SD组的ZR/ABA值较CK组分别升高1.44%、25.91%。胁迫10 d时，MD、SD组的GA/ABA值高于CK组；随后CK组的GA/ABA值逐渐升高，MD、SD组的GA/ABA值在胁迫20 d和30 d较CK组分别降低59.51%、59.74%，68%、77.2%。胁迫10 d时，MD、SD组的IAA/ABA值高于CK组；随着胁迫时间的延长，CK组的IAA/ABA值逐渐升高，MD、SD组的IAA/ABA值总体降低；胁迫30 d时MD、SD组的IAA/ABA值较CK组降低77.02%、76.44%。MD、SD组的GA/ZR值在胁迫10、20 d均高于CK组；随后CK组的GA/ZR值逐渐升高，MD、SD组的GA/ZR值总体降低；在胁迫30 d，MD、SD组的GA/ZR值均低于CK组，且较CK组降低68.47%、81.9%。胁迫10、20 d时，MD、SD组的IAA/ZR值均高于CK组，而在胁迫30 d，MD、SD组的IAA/ZR值均低于CK组，且较CK组降低77.33%、81.34%。在胁迫的各个时间，CK、MD、SD组的IAA/GA值变化不大。

总的来说，干旱胁迫下ZR/ABA、GA/ABA、IAA/ABA、GA/ZR、IAA/ZR、IAA/GA值逐渐下降，前3个指标的下降幅度较大，后3个指标的下降幅度较小。说明中华金叶榆通过降低内源激素的含量比以维持内源激素间的平衡来抵御干旱环境。

表1 干旱胁迫下中华金叶榆叶片内源激素含量的比例变化

3 讨论

内源激素在植物的生长发育过程中发挥了极其重要的作用，控制着植物生长的整个过程，还可调节植物种子的萌发、发育分化、衰老、器官脱落等有规律的生命活动[13]，不同的内源激素在植物生长发育过程所起到的作用不尽相同，在极低浓度下就能产生明显的生理效应[14]，可以单独或者交互调控植物的生长、发育和代谢等过程[15]。ZR、GA、IAA 等3种内源激素均可起到促进植物生长发育的作用。

ZR能够促进细胞分裂分化、减缓叶片衰老的速度，干旱胁迫下植物的根最先感受到胁迫，并抑制根中ZR的合成及运输，植物根中的ZR含量变化较为明显，叶中的ZR含量具有不同的变化趋势且变化幅度不大[16]。本试验结果表明，随着干旱胁迫时间的延长，与CK组相比，MD、SD组的ZR含量均呈现先降低后升高的变化趋势；胁迫20 d时，幼苗根部感受到干旱胁迫压力，减少了ZR的合成及向上部的输送，从而使得MD、SD组ZR含量降低；而胁迫30 d时，MD、SD组的ZR含量迅速增加可起到延缓幼苗叶片衰老以维持植物体正常生命活动的作用，这与丁少净等[17]对油茶(Camelliaoleifera)叶片的研究结果一致，与满达等[18]对差巴嘎蒿(Artemisiahalodeudrou)苗的研究结果不一致，这也说明了不同植物的ZR对干旱环境的响应机制不尽相同。

GA是一类非常重要的促进植物生长发育的天然调节激素，也是一种生长促进剂[19]，在促进细胞伸长、分裂，促进气孔关闭、减少水分蒸腾[15]等方面发挥重要作用，与此同时促进植物体生长发育。本研究表明，CK组的GA含量随着胁迫时间的延长呈上升趋势，而MD、SD组的GA含量逐渐下降，可知植物体内的GA在响应干旱环境应答的同时，需要降低自身的代谢消耗，所以植物体会降低GA的合成从而保证抵御干旱胁迫。

IAA是天然植物生长素的主要活性成分[20]，IAA的主要生物学功能是促进细胞极性发育及细胞的伸长、分裂[21]，还可调节根部代谢，使根部吸收更多的水分来抵御干旱胁迫[22-23]。干旱胁迫对植物内源细胞IAA含量的影响较复杂，不同植物处于干旱环境下其体内IAA含量呈现不同的变化[3]，韩瑞宏等[24]研究表明，紫花苜蓿(Medicagosativa)叶片中IAA含量随着干旱胁迫增强而增加；本研究显示，中华金叶榆幼苗叶片中的IAA含量在MD、SD组随着胁迫时间的增加而减少，这与全文选等[25]对马尾松(Pinusmassoniana)幼苗和敖红等[26]对云杉(Piceaasperata)在干旱胁迫下IAA含量变化的研究结果一致。

ABA是一种对植物生长发育、抗逆性、气孔运动和基因表达均有重要调节功能的植物内源激素[27]。在植物受到干旱胁迫时，ABA可作为信号分子诱导气孔关闭，从而增强植物的抗旱能力[24]，也被称为“胁迫激素”。本研究表明，胁迫10 d时，中华金叶榆幼苗叶片中ABA含量随胁迫程度的增加呈现升高的趋势，这有利于植物叶片气孔关闭、减少蒸腾，减轻细胞膜的受损程度，以提高中华金叶榆的抗旱性和保水性[26]，这与Krishnan S等[28]的研究结果一致；随着胁迫时间的延长和胁迫程度的增加，中华金叶榆以其体内ABA抵御干旱环境的能力降低导致MD、SD组的ABA含量均降低。

内源激素对植物至关重要，有研究表明，在植物种子休眠解除[29]和生长发育[30]的过程中受到多种内源激素的相互作用、相互调控。干旱胁迫下，植物一方面通过调节体内激素水平来调控生长发育，另一方面通过改变不同激素间的含量比来影响自身生长。本研究中，与CK组相比，ZR/ABA、GA/ABA、IAA/ABA逐渐降低，且降幅较大。ABA含量增加可以促进气孔关闭、减少蒸发，GA和IAA含量降低可以促进地下部分生长、抑制地上部分生长，同时ZR含量的减少也会使得细胞分裂素向地上部分的输送受阻，也会抑制地上部分的生长，表明中华金叶榆主要通过抑制自身生长发育来降低干旱胁迫伤害，与李文娇等[31]的研究结果类似。同时中华金叶榆叶片中GA/ZR、IAA/GA与CK相比复杂多变，说明中华金叶榆通过改变内源激素间的比例来适应干旱胁迫环境。