广西喀斯特区山核桃叶片生理特性的季节动态

霍灿灿 招礼军 朱栗琼 霍丽娜 刘金炽

广西喀斯特区山核桃叶片生理特性的季节动态

霍灿灿 招礼军 朱栗琼 霍丽娜 刘金炽

（广西大学林学院/广西森林生态与保育重点实验室 广西南宁 530004）

为研究山核桃叶片生理特性的季节动态变化，探讨其对不同环境因子变化的适应性，以期为山核桃的经营管理及产量增加提供理论依据。以广西喀斯特区生长的山核桃为材料，测定其叶片叶绿素含量、渗透物质含量、抗氧化酶活性，并进行相关性和主成分分析。山核桃叶片生理特性随季节变化存在显著差异：叶绿素含量及叶绿素a/b高温雨季显著高于低温旱季；高温雨季的MDA含量（29.57 μmol/g）与可溶性蛋白含量（28.23mg/g）显著高于低温旱季，可溶性糖则与之相反；脯氨酸含量随季节变化逐渐减少，且各季节存在显著差异；POD活性随着季节变化逐渐增加至355.46 U/(g×min)；高温雨季的SOD活性1 089.04 U/(g×min)显著高于其他季节。经相关性分析与主成分分析发现，环境因子对生理特性有较大影响，温度显著影响叶绿素含量、MDA含量、可溶性蛋白含量及抗氧化酶活性，降雨显著影响MDA含量、可溶性糖含量，日照对各项生理指标均有显著影响。山核桃可通过调整叶绿素含量、渗透调节物质和抗氧化酶活性，增强对环境的耐受性。

山核桃；叶片；生理特性；季节动态

广西喀斯特区土层浅薄、基岩裸露，水土流失严重，土壤肥力低，植被生长环境比较恶劣[1]。有研究发现，山核桃（Sarg.）具有良好的抗旱和耐贫瘠能力，在生境恶劣的岩溶山区生长良好，生态效益和经济效益较好，在广西的栽植面积已达21.33万hm2，但山核桃普遍存在结实率低、品种不纯和品质不高等问题[2-3]。研究不同季节及不同气候对山核桃叶片生理的影响，揭示其对季节性变化的适应策略，为提高产品质量提供借鉴，对山核桃的栽培管理具有重要意义。叶片是植物光合作用的主要器官，对季节更替所引起的光照、水分和温度变化的生理响应主要体现在抗氧化特征和渗透调节方面[4]。新疆野生核桃通过增加叶片游离脯氨酸、可溶性糖、丙二醛含量和过氧化物酶活性以维持机体代谢，增强自身对低温的适应性[5]。随干旱胁迫程度增加，山核桃属4个品种的超氧化物歧化酶活性降低，叶片丙二醛含量先增加后减少最后又增加，可溶性糖含量则先增加后减少[6]。核桃在遮阴胁迫下，叶片脯氨酸含量减少，而丙二醛随着遮阴程度增加而增加[7]。在低温胁迫下，核桃叶片可溶性糖含量先升高后降低，SOD和POD酶活性则随着处理温度的降低而降低[8]；新疆实生核桃叶片MDA含量和相对电导率增加[9]。植物叶片生理特性变化可以较好地反映其对环境变化的适应性及调控机制，关于其对季节变化的生理响应机制研究报道较少，故本试验以不同季节下温度、降雨和日照时长等因子对山核桃叶片生理特性影响为切入点开展研究。分析6年生山核桃叶片对季节变化的生理响应机制，为山核桃林的经营管理及产量增加提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

该试验分别于2019年4、7、10月中旬（山核桃属于落叶乔木，11月进入落叶期，4月开始萌芽，无法采集到1月份对应的叶片），在广西河池市（106°34¢～109°09¢E，23°41¢～25°37¢N）的10个核桃园进行山核桃叶片采集，不同采样时期气象情况见图1。山核桃树龄6年，株行距约4 m´5 m，种植海拔65～715 m。土壤基础养分状况：土壤有机质含量为25.42～42.34 g/kg，碱解氮含量为18.15～52.11 mg/kg，速效磷含量为9.96～102.04 mg/kg，速效钾含量为49.96～214.5 mg/kg。

图1 2019年河池市样地区月降雨量、月日照时长和月平均气温

数据资料源自中国天气网广西站。

1.2 方法

1.2.1 叶片采集 在每个核桃园选出坡向、海拔大致相同、间距100 m以上的3块样方作为重复，每个样方按照S型随机采样分别选取10株胸径一致、生长健康、冠幅相似的核桃树，早晨9:00开始采，集植株4个方向枝条自上而下完全展开的第4片叶（成熟叶片），每株采集12片叶。所有样品混匀后立即放入冰盒并迅速带回实验室。

1.2.2 项目测定 各项生理指标测定参照李合生的方法[10]，采用研磨—分光光度计法测定叶绿素含量，酸性茚三酮法测定脯氨酸(Pro)含量，蔥酮比色法测定可溶性糖的含量，考马斯亮蓝G-250染色法测可溶性蛋白含量，硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量，愈创木酚比色法测定过氧化物酶(POD)活性，氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶(SOD) 活性。

1.2.3 统计分析 运用Excel 2010进行数据整理及图表绘制，用SPSS 25.0对数据进行多重比较（Waller Duncan）、单因素方差分析（One-way ANOVA）、相关性分析（Pearson）和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 山核桃叶片叶绿素含量的季节动态

从叶绿素含量的季节变化（图2）来看：总体变化趋势表现为7月>10月>4月；7月山核桃叶片叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b均显著高于4月和10月（<0.05），达到的最大值分别为712.52、1 159.87、1 872.39 μg/g，比4月分别提高了74.06%、73.42%、73.66%，比10月分别提高了65.31%、64.78%、64.98%；而4月与10月没有表现出显著差异（>0.05）。叶绿素a/b在各月份之间均存在显著差异，从4月的0.612 0骤增，到7月表现出最大值0.614 3，是由于叶绿素a的增加幅度比叶绿素b的大；而10月降低了0.27%，是因为叶绿素b的减幅比叶绿素a的小。表明高温、多雨且日照时数较长的季节（7月），山核桃叶片对光能的利用率较大，而低温、干旱且日照时数长的季节（10月）次之。

不同小写字母表示不同季节间存在差异（p<0.05），下同。

2.2 山核桃叶片渗透物质含量的季节动态

结果显示，与旱季（4月和10月）相比较，雨季山核桃叶片丙二醛（MDA）含量显著增加（图3-A），7月的MDA含量（29.571 μmol/g）分别是4月的2.5倍、10月的2.0倍，旱季10月又显著高于4月（<0.05），且提高率为28.67%，表明在高温多雨的季节，膜质过氧化程度较大，膜系统受到较严重的损害。叶片可溶性糖含量随季节变化呈现出“降低—升高”的变化趋势（图3-B），7月的含量最低；10月显著升高到最高，是4月的2.47倍、7月的8.68倍；表明高温多雨的季节，叶片对可溶性糖的利用较多，而10月山核桃果实成熟期的叶片可溶性糖则快速积累。低温旱季，叶片可较好地维持蛋白质稳定性。4月的叶片可溶性蛋白含量显著低于7月、10月（<0.05），为6.61 mg/g；7月含量达到峰值，为四月含量的4.27倍，且显著高于10月（<0.05）（图3-C）；表明叶片受到高温胁迫时，可溶性蛋白含量急剧升高调节细胞渗透压，以加强对生物膜的保护，使山核桃对环境的适应性增强。叶片脯氨酸（Pro）含量呈现连续降低的趋势（图3-D），4月含量显著高于7、10月（<0.05），为61.47 μg/g，是7月的2.16倍、10月的2.47倍；10月含量达到最低，且与7月有显著差异；表明脯氨酸含量随着季节变化而改变，4月份叶片具有高渗透调节能力，对酶的保护作用最强。

2.3 山核桃叶片抗氧化酶活性的季节动态

研究结果（图4）发现，叶片过氧化物酶（POD）随季节变化呈现连续上升趋势，10月其活性达到峰值，显著高于4、7月（<0.05），为355.46 U/(g×min)；4月与7月没有表现出显著差异（>0.05）；表明较干旱条件下，POD活性大幅度增加以清除氧自由基对植物的毒害。随着季节变化，叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性呈现“升高—降低”的趋势，7月急剧升高到峰值（1 089.04 U/(g×min)），显著高于4、10月（<0.05），是4月的4.32倍、10月的2.36倍；10月其活性又显著高于4月，为461.26 U/(g×min)；表明高温胁迫下，主要由SOD清除氧自由基，对植物的保护作用更明显，且相比POD随季节的变化更大。

图4 山核桃叶片抗氧化酶活性季节变化

2.4 山核桃叶片生理指标与环境因子相关性分析

相关性结果（表1）表明，叶绿素与MDA、可溶性蛋白、SOD、温度（T）呈极显著正相关（<0.01），与可溶性糖、游离脯氨酸呈极显著负

相关（<0.01），与日照时长有显著正相关关系（<0.05），说明叶绿素与MDA、可溶性蛋白、SOD有相互促进作用，与可溶性糖、游离脯氨酸可能具有拮抗作用，T较高、日照较长对叶绿素合成更有利。MDA与可溶性糖、游离脯氨酸呈极显著负相关，与可溶性蛋白、SOD呈极显著正相关（<0.01）；游离脯氨酸与可溶性糖有显著负相关关系（<0.05），与可溶性蛋白、POD有极显著负相关关系、与SOD呈极显著正相关（<0.01）；可溶性糖与POD呈显著正相关，可溶性蛋白与SOD呈极显著负相关；说明渗透物质与抗氧化酶密切相关，且渗透物质之间会产生明显的影响。可溶性蛋白、SOD与T、日照时长呈极显著正相关（<0.01），游离脯氨酸与T、日照时长呈极显著负相关（<0.01），POD与T呈极显著正相关，与日照时长呈显著正相关（<0.05）；MDA与降雨呈极显著正相关，可溶性糖与降雨呈极显著负相关（<0.01），其他生理指标与降雨均无显著相关关系（>0.05）。

表1 山核桃叶片生理指标间及与环境因子的相关性分析

注：**表示在0.01级别（双尾）相关性显著；*表示在0.05级别（双尾）相关性显著。

2.5 山核桃叶片生理指标的主成分分析

主成分分析可以更全面地解释各个指标的综合效应。本研究采用该方法对山核桃叶片的10项生理指标进行分析，以更科学地分析山核桃对季节变化的响应情况。由表2可知，10项生理指标的累计贡献率为86.578%，主成分1、2、3的初始特征值分别为5.216、2.203、1.238。在主成分1中，SOD、MDA与叶绿素的影响较大，主要包括抗氧化酶系统和光合作用系统。在主成分2中，可溶性蛋白、可溶性糖、POD的影响较大，主要体现叶片渗透调节能力。在主成分3中，可溶性糖、POD的载荷因子较高，主要为渗透物质含量。说明山核桃的对季节变化的适应方面，抗氧化酶系统、渗透调节和光合作用起着重要作用。

表2 山核桃叶片生理指标初始载荷矩阵

3 讨论与结论

植物叶片对外界环境的变化反应敏感，通过调节其生理特性以增强对恶劣环境的适应性。高温会破坏叶绿体的结构、功能和叶绿素合成有关酶的活性，使叶绿素的生物合成受阻、所需分解加速，而降雨量增加可促使叶绿素含量升高[11-12]。该研究中，高温多雨的季节，叶绿素含量显著升高，说明7月较高的空气湿度可缓解高温对山核桃叶片光合系统的伤害，又因胁迫环境下，较大的植物渗透压阻遏叶绿素降解基因的表达；4月与10月的较干旱环境下，一方面叶片失水，叶绿素浓度会相应增加；另外，植物受干旱胁迫后体内活性氧积累，积累的含氧自由基使膜脂过氧化被激发，会破坏细胞膜透性，加快叶绿素的分解；并且叶片细胞分裂素含量少，对气孔张开的促进作用小，难以抑制叶绿素流失；叶绿素含量表现为减少是由于其分解量大于叶绿素浓度的相应增加量[13]，这与詹瑾[12]、李娜等[14]的研究结果一致，与刘方春等[15]、徐超等[16]研究结果有较大差异，推测可能因为植物对环境因子的补偿和超补偿效应的不同[17]。叶绿素a含量可体现植物的光合效率和能力；叶绿素b作为捕光天线复合体的重要组成部分，在维持其稳定性及对各种环境的适应中起着重要作用，它可将光合作用所吸收的光能传递给叶绿素a，由叶绿素a将这部分光能转化成化学能[18]，叶绿素a/b比值显著减小时，植物对逆境环境的适应性较强[19]。本研究发现，在低温干旱、日照时数较高的季节，山核桃叶绿素a/b的值显著低于其他季节，表明山核桃对光的吸收和利用能力受季节变化影响较大，叶绿素b相对含量增加，有利于叶片对光的捕获，增强光合能力，进而增强环境适应性，原因可能是叶绿素a比叶绿素b更容易被分解破坏[20]。

MDA含量可反映膜脂发生过氧化作用或膜脂脱脂作用，可溶性糖和游离脯氨酸是重要的渗透调节物质，可溶性蛋白是分析细胞膜损伤程度的重要指标，其含量在一定程度上可反映出植物对恶劣环境的适应性[21]。该研究发现，在高温多雨的季节，山核桃可溶性蛋白、MDA含量显著升高，而可溶性糖和游离脯氨酸含量显著降低，这与刘杜玲等[22]、相昆等[23]对核桃的研究结果有较大差异。可能是高温胁迫阻断了叶片细胞内正常的电子传递，细胞内能荷降低，还原力提高，细胞质酸化，从而造成ROS的积累，导致膜脂化程度大。高温情况下，主要通过可溶性蛋白进行渗透调节，为细胞内的束缚水提供结合衬质，提高植物组织内束缚水含量，从而增强细胞保水能力，维持细胞膜结构的稳定性[24]；可溶性糖可能被转化为蛋白质或核酸以抵御高温伤害，也可能通过呼吸作用被消耗，合成木质素等保护物质[22]。10月份，山核桃储存大量可溶性糖，可能是为越冬做准备；积累的可溶性糖会降低冰点、提高渗透势，起保护作用，诱导与抗寒有关的生理生化过程相关蛋白质以提供能源和底物，从而帮助植物适应低温干旱环境。在日照时数偏小的低温环境下，一方面，山核桃叶片则主要通过脯氨酸清除植物体内ROS，激发抗氧化酶活性；另一方面，可以保持生物大分子结构稳定，调节耐低温相关基因的表达，增强植物对环境的适应性[25]。

在环境胁迫下，植物体内会产生过量的活性氧，自由基的产生与清除平衡受到破坏，导致膜脂过氧化，反应产生的ROS、MDA对细胞膜造成严重损伤[26]。SOD、POD作为抗氧化防御系统中重要的保护酶，可清除活性氧以增强植物的耐受性[27]。本研究发现，山核桃叶片SOD的活性随着季节变化有较显著的差异，SOD与叶绿素呈现极显著的正相关关系，说明在高温多雨季节，叶绿素含量增加但光合效率较低，叶片内存在较多ROS、MDA，激发POD、SOD酶活性增强，清除植物体内部分ROS，使ROS生成与清除达到一定的动态平衡，相对降低MDA水平；叶片中的色素和蛋白质的结合维持在较高水平，可抵御ROS的攻击，从而减轻植物受到的伤害[28]。受到干旱环境影响，山核桃叶片通过调节POD活性、SOD活性发生改变以降低MDA水平，与黄晓露等[29]研究发现的“受干旱胁迫后，‘绍兴’‘金华’和‘抛尼’品种核桃的POD活性上升，‘卡多’品种的SOD活性下降”结果一致。植物可能通过提高POD活性以增强植物的耐受性，而SOD活性下降可能是因为脯氨酸含量减少，对抗氧化酶系统的活化程度低[30]，也可能是ROS积累导致酶结构和功能被破坏。

山核桃叶片生理各个指标存在明显的季节变化，随着不同环境因子的变化表现出不同的适应机制。在低温的4月，日照时数低是山核桃生长生理的主要限制生态因子；在高温多雨的7月，山核桃叶片通过调节光合色素含量维持光合效能，温度和降雨是其光合作用的主要影响因子，可以采用喷雾法适当浇水以达到降温的目的，也可以考虑在核桃树顶部加盖遮阴网；在干旱的10月，降雨量低造成的土壤含水量不足，是影响山核桃生理指标变化的主要原因，需对山核桃林地进行适当的浇灌；此外，山核桃通过调节渗透调节物质含量和抗氧化酶活性，保持叶片较高渗透势，同时清除环境胁迫造成的过氧化物质，以适应季节的变化。

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Seasonal Dynamics of Leaf Physiological Characteristics ofin Karst Area of Guangxi

HUO Cancan ZHAO Lijun ZHU Liqiong HUO Lina LIU Jinchi

(Forestry College,Guangxi University/Guangxi Key Laboratory of Forest Ecology and Conservation, Nanning, Guangxi 530004, China)

In order to study the seasonal dynamic changes of leaf physiological characteristics ofand explore its adaptability to the changes of different environmental factors and provide a theoretical basis for the management and increasing of yield of.cultivated in karst area of Guangxi was used as material to determine its leaf chlorophyll content, osmotic material content and antioxidant enzyme activity. And, correlation and principal component analysis were carried out. There were significant differences between leaf physiological characteristics ofwith seasons. The chlorophyll content and chlorophyll a/b in high-temperature rainy season were significantly higher than that in low-temperature dry season. MDA content in high temperature rainy season (29.57 μmol×g‒1) and soluble protein (28.23 mg×g‒1) were significantly higher than those in low temperature and dry season, while soluble sugar was on the contrary. The content of proline decreased gradually with seasons, and there were significant differences among seasons. POD activity gradually increased to 355.46 U×g‒1×min‒1with seasonal changes, and SOD activity (1 089.04 U×g‒1×min‒1) in high temperature rainy season was significantly higher than that in other seasons. Through correlation analysis and principal component analysis, it was found that environmental factors had great impact on physiological characteristics. Temperature significantly affected chlorophyll content, MDA content, soluble protein content and antioxidant enzyme activity. Rainfall significantly affected MDA content and soluble sugar content, and sunshine had significant impact on various physiological indexes.can enhance its tolerance to the environment by adjusting chlorophyll content, Osmoregulation Substances and antioxidant enzyme activity.

; leaf; physiological characteristics; seasonal dynamics

S718.43；S664.1

A

10.12008/j.issn.1009-2196.2022.09.009

2022-05-14；

2022-05-26

广西创新驱动发展专项（No.AA17204058-11）。

霍灿灿（1996—），女，硕士研究生，研究方向为森林生态学，E-mail：1394361680@qq.com。

招礼军（1970—），男，博士，教授，研究方向为森林生态与植物生理生态，E-mail：Zhlj-70@163.com。

（责任编辑 龙娅丽）