叶面喷施亚精胺对干旱胁迫下闽楠幼苗生理的影响

胡胜男 王 波 李铁华 张心艺 李阳宁 闫 旭 周 磊 罗亦伶

（1. 中南林业科技大学林学院，湖南 长沙 410004；2. 江西省林业科学院，江西 南昌 330032）

干旱能够引起植物形态结构、生理生化及分子水平等一系列变化[1]，破坏植物叶绿体结构，降低光合酶活性，使光合速率下降，同时还会使植物内源激素紊乱，叶肉细胞损伤，导致叶片、根系等生长器官受到影响，生长缓慢，严重时甚至导致植物死亡[2]。随着气候变暖及水资源匮乏日益严重，我国干旱半干旱土地面积不断增加，干旱已成为导致我国经济损失的严重灾害之一[3]，虽然南方降雨量大，但也存在季节性干旱，因此如何缓解干旱对植物的损伤已成为亟待解决的重要问题。多胺是植物内源性成长调节剂之一，广泛存在于包括植物体在内的所有有机体中，对植物生长发育过程起着重要的调节作用，并参加植物对环境胁迫的响应[4]。植物体中最常见的多胺有3种，分别是腐胺、亚精胺和精胺[5]。亚精胺是高等植物体中一种非常重要的多胺，诸多研究证明亚精胺与植株抗逆生理的关系较其他多胺更为密切[6]。施用外源亚精胺可提高植物组织亚精胺含量，减少叶绿素和蛋白质的降解，提高抗氧化酶活性，有效地清除植物体内的自由基和过氧化物等活性氧，延长植物生长时期，缓解干旱伤害，提高植物耐旱性[7-8]。王尚堃等[9]研究表明，干早胁迫下喷施适量的亚精胺可使杏（Armeniaca vulgaris）苗叶片的可溶性糖含量、脯氨酸（Pro）含量、叶绿素总含量及大部分光合参数显著提高，丙二醛（MDA）含量下降；刘球等[10]研究得出，外源亚精胺处理可有效防御调节红椿（Toona ciliata）叶片相对含水量、叶绿素含量、游离Pro含量和MDA含量等生理指标，且1 mmol/L和2 mmol/L浓度防御效果更好；李丽杰等[11]对玉米（Zea mays）的结果表明，亚精胺显著提高了叶绿素含量、净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、和水分利用效率（WUE），促进玉米生长；梁坤伦、王明艳等[12]发现，干旱胁迫下施加外源亚精胺可提高牧草叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物歧化酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶活性，减少MDA含量，同时还可提高Pn和Gs，增强WUE。

闽楠（Phoebe bournei）是我国特有的珍贵用材树种，资源短缺，被列为国家二级珍稀濒危树种[13]。如今全球水资源匮乏，干旱对农业、林业及园艺等生产领域的影响日益严重，闽楠苗木对水分要求较高，湖南、江西等大部分闽楠分布地都存在季节性干旱问题，如何缓解季节性干旱对闽楠的伤害，提高其耐旱性具有重要意义。目前对闽楠的研究中，对其干旱及抗旱机理研究很少，卢思等[14]研究了不同干旱胁迫及复水对闽楠叶片蛋白质组及生理指标的影响，靳月等[15]也研究了不同干旱胁迫对闽楠幼苗生长及生理影响，而关于如何缓解闽楠幼苗干旱及提高耐旱性的研究少之又少。诸多研究表明，亚精胺对缓解植物干旱起着重要作用，因此本研究以1年生闽楠幼苗为材料，研究干旱胁迫下施加不同浓度外源亚精胺对闽楠幼苗光合生理的影响，从而探究亚精胺对闽楠耐旱性的影响，进而筛选出最佳亚精胺浓度，为缓解干旱对闽楠幼苗的伤害提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以闽楠1年生实生幼苗作为试验材料。2019年4月份从湖南金洞林场运回闽楠1年生实生幼苗（平均苗高19.56±0.42 cm，平均地径3.72±0.08 mm），每盆1株，栽种于20 cm×16 cm×13 cm的塑料花盆中，盆中土壤为壤土，pH值5.8左右。花盆置于中南林业科技大学林学院塑料大棚中，保持大棚通风良好，只起挡雨作用。试验开始前每天傍晚为幼苗浇水，保证幼苗水分充足，生长状态良好。

1.2 试验方法

1.2.1 干旱处理及各指标测定

于2019年9月，选取生长状态良好、无病虫害、长势相近的幼苗160株，分为4组，每组40株，进行试验处理。CK（叶片喷施清水）；A1（叶片喷施0.01 mmol/L浓度的亚精胺）；A2（叶片喷施0.1 mmol/L浓度的亚精胺）；A3（叶片喷施1 mmol/L浓度的亚精胺）。

试验前3 d停止浇水，试验开始后，根据Hsiao[16]提出的植物水分梯度划分方法，利用称重法对各组幼苗减少的水分进行补充，保持土壤含水量为田间持水量的40%。每隔2 d对CK、A1、A2、A3各组幼苗叶片按处理方式用喷壶雾状喷施清水及不同浓度的亚精胺，将所有叶片喷湿至无滴液，共喷施16次，为期32 d；隔8 d对各组幼苗进行各指标测定，共测4次。

选择晴朗天气于上午9：00—10:00采用LI−6400XT便携式光合仪（LI−COR，美国）测定光合参数。每个处理随机选取3株长势均匀的幼苗，每株幼苗选择同一方向，从上向下数第3、4、5片完全展开叶测定，每片叶重复测定3次，测定指标为Pn、Gs、蒸腾速率（Tr）；采取成熟叶片，多株幼苗混合取样，液氮保存，进行Pro、MDA、CAT、POD、SOD的测定，每个处理每个指标做3次重复。MDA含量采用硫代巴比妥酸法；Pro含量采用酸性茚三酮法；POD活性采用愈创木酚法；SOD活性采用N蓝四唑光化还原法；CAT活性采用紫外吸收法[17]。

1.2.2 干旱缓解效果综合评价

运用模糊隶属函数法筛选出对闽楠幼苗干旱缓解效果最好的处理组。具体方法为，求出各指标隶属值，所有指标隶属值平均数即为综合评价值。综合评价值与亚精胺对干旱胁迫损伤的缓解能力呈正相关。测量指标与抗旱性呈正相关时选择公式（1），呈负相关则选择公式（2）。

式中：X表示某指标的测定值；Xmin和Xmax分别表示某指标的最小测定值和最大测定值。

1.3 数据处理

采用Excel进行数据处理，Origin作图，用SPSS 22.0对各组测定指标进行单因素方差分析和多重比较，采用模糊隶属函数法进行外源亚精胺最佳浓度筛选。

2 结果与分析

2.1 亚精胺处理对闽楠幼苗生长的影响

由表1可知，A1、A2、A3的苗高地径增量均大于CK，但差异未达到显著水平，苗高地径增量均为A2最大；A1、A2、A3总生物量增量均大于CK，且与CK间差异显著（P<0.05），A1、A2、A3间总生物量增量A2>A1>A3，A2与A1、A3差异显著（P<0.05）。

表1 不同浓度亚精胺对干旱胁迫下闽楠生长的影响Table 1 Effects of different concentrations of spermidine on growth of P. bournei under drought stress

2.2 亚精胺处理对闽楠幼苗光合参数的影响

由图1a可知，随着干旱胁迫时间的延长，各处理的Pn变化趋势一致，均呈逐渐下降的趋势，A2下降幅度相对其他组较小。除第24天A3的Pn稍低于CK外，其他所有处理的Pn值均高于CK，差异达到显著水平（P<0.05）；A2叶片Pn最高，与其他各组差异显著（P<0.05），特别是在第24天时明显高于其他组。A2在干旱胁迫第8天时Pn比CK高29.9%，第16天高61.4%，第24天高58.7%，第32天高82.1%。

由图1b可知，各组Gs均随胁迫时间的延长呈现逐渐下降的变化趋势。A2的Gs最大，除第16天与A3差异不显著外，其他时间与各组差异均达到显著水平（P<0.05），尤其在胁迫第24天时，A2的Gs远高于其他组；干旱胁迫第8、16、24、32天，A2的Gs分别比CK高16.4%、2.0%、57.7%、41.5%。A1的Gs仅在第24天时稍高于CK，差异不显著；A3的Gs始终高于CK，在第24天差异显著（P<0.05）。

由图1c可知，随着干旱胁迫时间的延长，A1、A2、A3的Tr均呈现逐渐下降的变化趋势，CK的Tr呈先下降后上升的变化趋势。在胁迫第8天A1的Tr稍低于CK，差异不显著，从第16天后逐渐高于CK，差异不显著；A2的Tr除在胁迫第24天稍高于CK外，其余时间均低于CK，差异显著（P<0.05）；A3的Tr一直低于CK，除第24天外差异均达到显著水平（P<0.05）。

由图1 d可知，CK的WUE呈先下降再上升再下降的变化趋势；A1、A2的WUE均呈现先上升后下降的变化趋势，峰值均出现在干旱胁迫第16天；A3呈逐渐下降的变化趋势。胁迫第8、16、32天，A1、A2、A3组WUE均高于CK，差异显著（P<0.05）；A2的WUE明显高于其他处理组，除了在第8天与A3差异不显著外，其他时间与各组均存在显著性差异（P<0.05）；胁迫第8、16、24、32天，A2分别比CK高了43.3%、75.1%、32.8%、123.7%。

图1 不同浓度亚精胺对干旱胁迫下闽楠叶片光合参数的影响Fig. 1 Effects of different concentrations of spermidine on photosynthetic parameters of P. bournei leaves under drought stress

2.3 亚精胺处理对闽楠幼苗脯氨酸和丙二醛的影响

由图2知，各组Pro含量都随干旱时间的延长呈现逐渐上升的趋势，胁迫第8天时含量最小，第32天达到最大。胁迫第8天时，A1、A2、A3的Pro含量与CK相差较小，仅A2与其他各组存在显著性差异（P<0.05）；但从第16天起，各组Pro含量都迅速上升，且A1、A2、A3的Pro含量明显低于CK，差异显著（P<0.05）。胁迫第16天A1、A2、A3Pro含量分别比CK低40.1%、33.5%、43.4%，第24天时分别低23.7%、16.2%、41.0%，第32天时分别低13.8%、21.6%、28.9%。

图2 不同浓度亚精胺对干旱胁迫下闽楠叶片Pro的影响Fig. 2 Effects of different concentrations of spermidine on Pro of P. bournei leaves under drought stress

由图3可知，随着干旱时间的延长，各组MDA含量均呈现逐渐上升的趋势，CK上升幅度明显大于A1、A2、A3，且A1、A2、A3的MDA含量均明显小于CK，差异显著（P<0.05），但从第16天起差值逐渐增大。胁迫第8天时A1、A2、A3的MDA含量分别比CK低7.5%、15.9%、20.1%，第16天时分别低7.8%、20.6%、17.8%，第24天时分别低16.5%、26.3%、28.9%，第32天时分别低18.9%、22.6%、29.5%。

图3 不同浓度亚精胺对干旱胁迫下闽楠叶片MDA的影响Fig. 3 Effects of different concentrations of spermidine on MDA of P. bournei leaves under drought stress

2.4 亚精胺处理对闽楠幼苗抗氧化酶活性的影响

由图4a可知，各组SOD活性均呈现先升高后降低的趋势，在第16天时达到峰值。在胁迫第8天时，A1、A2、A3的SOD活性均低于CK，差异不显著；随着干旱时间的延长，从第16天开始，A1、A2、A3的SOD活性逐渐超过CK，特别在第32天差异显著（P<0.05），A1、A2、A3分别比CK高45.4%、41.1%、20.8%。

图4 不同浓度亚精胺对干旱胁迫下闽楠叶片抗氧化酶活性的影响Fig. 4 Effects of different concentrations of spermidine on the activities of antioxidant enzymes of P. bournei leaves under drought stress

由图4b可知，除A1在胁迫第24天POD活性稍有降低外，各组POD活性整体上呈现先上升后下降的趋势，峰值都出现在第16天。胁迫第8天时，A3的POD活性最高，与A1、A2差异显著（P<0.05），A2最低，与其他组差异显著（P<0.05）；第16天时，CK的POD活性最高，A2最低，与其他各组差异显著（P<0.05）；第24天时，CK组POD活性最高，A1最低，差异显著（P<0.05）；第32天时，A1的POD活性最高，A2最低，与其他处理差异显著（P<0.05）。

由图4c可知，随着干旱时间的加长，闽楠幼苗CAT活性总体上呈先升高后降低的趋势，峰值出现在第16天。干旱胁迫第8天时，A1、A2、A3的CAT活性都低于CK，A1与CK差异显著（P<0.05）；从第16开始，A1、A2、A3的CAT活性逐渐开始高于CK，尤其在第24天和32天A1、A2的CAT活性明显高于CK，存在显著性差异（P<0.05）；第24天时A1、A2分别比CK高14.7%、22.3%，第32天分别高47.0%、35.1%。

2.5 模糊隶属函数法筛选外源亚精胺最佳浓度

由表2可知，整体来说各浓度的亚精胺对闽楠的干旱缓解都有显著提升，A2的综合评价值最高，综合评价值达到0.789 9，A1的综合评价值最低，综合评价值仅0.281 2。说明在干旱胁迫下，0.1 mmol/L亚精胺对闽楠幼苗的光合及生理的缓解或保护效果最优。

表2 干旱胁迫下不同浓度亚精胺处理的各指标隶属函数值Table 2 Membership function values of each index treated with different concentrations of spermidine under drought stress

3 结论与讨论

苗高地径等生长指标是反映苗木受害程度最直观因子，可以明显地反映出逆境环境对苗木生长的影响[18]。本研究表明，在干旱胁迫下喷施不同浓度外源亚精胺对闽楠幼苗的苗高、地径及总生物量均高于喷施清水的对照组，尤其对总生物量影响显著。适量外源亚精胺可以缓解干旱对苗木叶片及根系等的损伤，增强苗木光合作用以及对土壤水分及营养的吸收和利用[19]，增加苗木生物量积累，有效地减轻了干旱对闽楠苗木生长的抑制作用，这与吴旭红等[20]研究结果一致。

光合作用是植物重要的生理代谢过程，是植物生长发育和能源的主要来源[21]，同样它也是植物对环境胁迫最敏感的生理过程之一[22]。干旱胁迫下，植物光合效率降低的原因主要有两类，一是的植物自身关闭部分气孔导致的气孔限制，二是叶肉细胞光合活性下降导致的非气孔限制[23]。本研究中，随着干旱时间的延长，闽楠幼苗Pn、Tr和Gs均呈现逐渐下降的趋势，说明光合速率下降的原因可能是植物为了减少内部水分流失而引起的气孔限制，导致CO2进入叶片受阻，光合原料减少，光合速率降低；气孔张开程度减小，叶片Tr随之降低；WUE先上升后下降，这是由于干旱前期气孔关闭，水分散失减少，提高了闽楠幼苗对水分的利用率，而后期由于干旱加重，水分亏缺，WUE又下降。喷施外源亚精胺能有效地维持闽楠幼苗气孔张开程度，保持较高的Pn，研究表明，亚精胺可通过调节保卫细胞膜上K+通道，调控气孔关闭程度，减轻气孔对光合的抑制作用[24]。A2、A3的Tr总体上低于CK，差异显著，这说明虽然亚精胺处理使闽楠维持较高Gs，却不会大幅度增加Tr值，有利于闽楠维持自身水分，减少水分散失。WUE是光合速率与蒸腾速率的比值，亚精胺处理减小了干旱对闽楠Gs的影响，维持了Pn，同时气孔可以根据环境条件来调节开度大小，使植物在损失较少水分的情况下获得最多的CO2，因此使闽楠保持了较高WUE。干旱胁迫下施用外源亚精胺减轻了闽楠光合作用的下降程度，这是由于亚精胺可以促进植物组织渗透调节物质的积累，提高渗透调节能力，利于水分的吸收与利用，同时能够调控质膜离子通道，保持气孔开放和细胞内CO2浓度的稳定，减轻气孔限制，维持植物光合速率。Yin等[25]对欧李（Cerasus humilis）幼苗的研究结果也表明，外源亚精胺能显著提高光合能力，并有助于维持水分胁迫下幼苗的SOD和POD活性；陈小民[26]研究表明，干旱胁迫下蓝莓（Vacciniumspp.）叶片失绿严重，叶片相对含水量（RWC）、叶绿素含量、Pn都呈下降趋势，而喷施亚精胺的蓝莓植株叶片外形良好，RWC、叶绿素含量、Pn都显著增加。

Pro是植物体内一种渗透调节物质，胁迫条件下Pro的积累能够降低细胞的渗透势，维持细胞一定膨压，防止细胞脱水，保护细胞膜系统，保证气孔运动和光合作用等生理过程正常进行，防止或减轻植物因干旱受到的伤害[27]。干旱胁迫下植物体内酶系统混乱、水解酶类活性增强、蛋白质合成受阻、水解加剧等各种原因导致蛋白质含量下降，蛋白质的降解在细胞内会形成游离Pro，因此干旱胁迫下Pro含量增加，原因之一是其参与合成蛋白质减少；此外，在Pro的合成途径中，脯氨酸合成酶活化导致Pro合成加强且降解受阻，也是Pro含量增加的重要原因之一[28]。本研究中，随着干旱时间的延长，各组Pro含量均呈现逐渐上升的趋势，原因是随着干旱程度的加重，闽楠幼苗需要通过积累Pro，来减轻干旱胁迫带来的损害。秦岭等[29]研究也表明，Pro含量升高是植物应对外界刺激的一种自我防御机制，在一定的干旱强度的范围内，Pro含量会随着干旱强度的增强而逐渐增加。本研究A1、A2、A3的Pro含量均低于CK，说明CK相对于A1、A2、A3来说受胁迫程度更大，亚精胺降低了闽楠的干旱程度，因此Pro积累量低于CK，这说明施加外源亚精胺可有效缓解闽楠幼苗的干旱程度。刘欢等[30]研究中也有相似结论，他的研究表明，不同程度干旱Pro累积量不同，中度干旱含量最高，其次为重度干旱，轻度干旱量最低，重度干旱Pro含量低于中度干旱的原因可能是，严重干旱胁迫导致植物接近死亡。

干旱胁迫会损伤植物膜结构，产生活性氧自由基以及过氧化氢等过氧化物，而MDA是膜脂过氧化的最终产物，MDA会导致细胞膜上蛋白质、酶等失活，其含量越多，表明植物受到的伤害越大，因此常被用于鉴定细胞膜系统受损程度[31]。本研究表明，随着干旱时间延长，闽楠MDA含量呈上升趋势，说明干旱加重使闽楠幼苗膜脂过氧化加重，MDA含量积累，损害了闽楠细胞膜结构。经亚精胺处理的闽楠幼苗MDA含量明显小于CK，说明外源亚精胺显著降低了MDA含量，抑制或减轻了膜脂过氧化，在一定程度上减小了干旱胁迫对闽楠幼苗的损伤。这与顾帆[32]对高温干旱胁迫下黄薇（Heimia myrtifolia）生理响应的研究和全文选[33]对干旱胁迫下马尾松（Pinus massoniana）的研究结果一致。

植物遭受干旱胁迫后，体内的活性氧（ROS）不能及时代谢而大量囤积[34]，破坏细胞膜脂结构，使植物生理活动不能正常进行，此时，植物会利用体内的抗氧化酶来清除活性氧，保护自身不受损伤[35]，因此抗氧化酶活性可以作为一种重要的抗旱指标[36]。本研究中，随着干旱时间的延长，SOD、POD、CAT酶活性均呈现先升高后降低的趋势，原因是随干旱程度逐渐加重，闽楠需要增强体内抗氧化酶活性以清除活性氧过量积累，防止或减轻自身受到损伤，干旱程度过重时会破坏保护酶活力，导致酶活性有降低。SOD酶使超氧自由基和H+结合，生成H2O2和O2，而H2O2在CAT的作用下生成H2O和O2，所以SOD活性增强的同时CAT活性也会随之增强。研究表明，干旱胁迫导致植物组织NADPH氧化酶活性增强，ROS增多，而施用外源亚精胺，可降低NADPH活性，降低ROS，进一步增强SOD、POD、CAT活性，清除ROS，提高干旱适应性[37]。随着干旱程度的加重，抗氧化酶活性会受到不同程度损伤，亚精胺可在一定程度上维持抗氧化酶活性，大大降低闽楠受损伤的程度，这与Chen[38]对高丛蓝莓（Vaccinium corymbosum）的研究以及胡景江[39]对油松（Pinus tabuliformis）的研究结果相一致。

本研究表明，干旱胁迫下，喷施外源亚精胺可使闽楠幼苗Pn、Gs、WUE保持在较高水平，同时提高抗氧化酶活性来清除活性氧，降低了闽楠膜脂过氧化程度，减小膜损伤，缓解了闽楠幼苗因干旱受到的损伤；从光合及生长的角度来看，0.1 mmol/L亚精胺维持效果最好，对抗氧化酶来说，0.01 mmol/L亚精胺和0.1 mmol/L亚精胺效果差别不明显。综合所有指标来看，A2综合评价值最高，达到0.789 9。因此，在土壤含水量为田间持水量40%的中度干旱胁迫下，喷施一定浓度外源亚精胺有助于缓解干旱对闽楠幼苗的损伤，维持一定生长量，0.1 mmol/L外源亚精胺的效果最优。