我国杨树抗旱性研究进展

张忠辉, 王文涛, 包广道, 刘 婷, 罗 也, 刘志越

(1. 吉林省林业科学研究院, 吉林 长春 130033; 2. 蛟河市林业局, 吉林 吉林 132500; 3. 敦化市寒葱岭国有林场, 吉林 延边 133700)

杨树在我国北方广泛分布,是“三北”防护林的主要树种,多年来为我国北方的环境保护、农业的稳产高产起到不可替代的支撑作用。但是由于北方多属于干旱半干旱地区,常年少雨,水分胁迫为限制其生长的重要因素,有些地区甚至造成其生长退化。我国学者在杨树的抗旱性方面进行了大量研究工作,在科学与技术方面有了较大进展,本文就抗旱指标体系、评价方法、抗旱指标变化规律等方面取得的成就进行了总结,以期为进一步的研究提供帮助。

1 抗旱胁迫响应

干旱胁迫会使树木的生理生化指标、形态指标等发生一系列变化,不同树种、不同家系、不同胁迫程度也都会使指标发生变化。因此,无论是对杨树抗旱树种的筛选,还是分析干旱地区杨树退化原因,必须进行干旱胁迫与各种指标的关系研究。

1.1 干旱胁迫与形态指标

叶是水分消耗的重要器官,在干旱胁迫条件下为了维持植物体内水分平衡会发生各种形态上的变化。有研究表明,在干旱胁迫下为降低蒸腾速率,会减少叶片数、总叶面积和叶片生物量[1]。改变叶片的结构也可以抵御干旱,如何茜[2]对毛白杨无性系幼苗进行干旱胁迫试验时,发现其中的一个无性系具有较厚的角质层和较大的栅栏与海绵组织厚度比值,具有较强的抗旱性,其原理是增加叶片的厚度可阻止光吸收,可增加水分在叶片中的传导距离,减少体内水分损失,储存更多的水分;在进行胡杨的干旱胁迫研究时也得出类似的结论[3]。

由于土壤供水不足,叶片为了减少水分损失,在形态上发生相应的变化。全红杨干旱胁迫12 d,植株幼叶色泽变暗淡,部分萎蔫下垂,下部老叶变橙黄并出现枯萎脱落现象;干旱胁迫15 d,全红杨叶片萎蔫脱落现象加重[4]。持续干旱胁迫加之年龄等因素的影响,可能会出现枯梢甚至死亡的现象[5]。

由于土壤水分的降低,树木为了适应干旱条件会重新分配资源,有时会提高干物质向根部的分配,提高根茎比[6];抗旱性较强的树种会提高根茎比,抗旱性较差的树种会降低根茎比[7]。干旱程度对资源的分配有一定的影响,群众杨扦插苗各器官干重在干旱胁迫下均降低,而根冠比显著增加,持续重度干旱则光合产物向茎分配比例提高[8]。“南林895”杨在干旱胁迫下叶分配指数均有不同程度下降,叶缘分裂程度、根茎比和根分配指数增大[9]。

1.2 干旱胁迫与生长指标

林木在干旱条件下生长,由于土壤水分供应不足,会影响光合作用、呼吸作用、水分代谢等生理过程,最终会在树高、胸径、材积和生物量等方面体现出来。

随着干旱胁迫程度的加重,杨树生长速率会减小。土壤含水量为田间持水量的50 %～60 %时,6个无性系(种)苗高生长量降幅为33.33 %～56.62 %,地径生长量降幅为36.97 %～50.86 %;土壤含水量为田间持水量的30 %～40 %时,6个无性系(种)苗高生长量降幅为59.89 %～72.06 %,地径生长量降幅为51.30 %～79.64 %[10]。I-107杨扦插苗干旱胁迫试验结果表明,与正常水分处理相比,轻度、中度和重度干旱胁迫下的地径生长量和苗高生长量逐渐下降[11]。树高和地径减少的同时,生物量也会相应减少[7]。

杨树雌雄异株,干旱胁迫后雌株和雄株在生长量上表现不同。雄株的生长情况显著好于雌株,主要表现在雄株的地下部分生物量积累以及株高增长率更高,根系总长和根系表面积显著增加,体积、根尖数、交叉数均高于雌性[12]。品种的来源不同,干旱胁迫后表现不同。与来自湿润地区的种群相比,来自干旱地区的种群表现出了更小的株高、地径、生物量、叶面积和细根比,这些形态上的差异表明不同杨树种群在其幼苗早期生长和建立过程中采取了不同的生存策略[13]。

1.3 干旱胁迫与生理指标

生理指标主要包括叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、气孔导度等项指标,由于这些指标对干旱胁迫的反应敏感,且易于观测,因此,经常用于评价杨树抗旱性。

叶绿体是光合作用的主要细胞器,叶绿素是叶绿体的主要色素,干旱胁迫会使叶绿素合成受到影响,降解加快,从而导致叶绿素含量下降,叶绿素质量分数也会下降,进而影响植物生长[4]。杨传宝等[14]研究发现,轻度干旱时叶绿素含量出现略微上升的趋势,这可能是由于前期植物体内产生应激反应所致,而随着持续干旱,叶绿素含量总体表现出下降的趋势。

付士磊等[15]对小青杨的光合生理进行了详细研究,用荧光仪测定了光系统Ⅱ(PSⅡ)原初光能转化效率(Fv/Fm)和光系统Ⅱ(PSⅡ)潜在活性(Fv/Fo)等参数。干旱胁迫使Fv/Fm和Fv/Fo下降,干旱胁迫初期(0.5 h),下降幅度不大,随着胁迫时间延长,下降程度逐步增大,重度胁迫降低幅度大于中度胁迫。Fv/Fm和Fv/Fo的下降,表明干旱胁迫使PSⅡ潜在活性中心受损,抑制了光合作用原初反应,光合电子传递过程受到影响,最终降低了叶片光合作用。轻度胁迫下通过热耗散和抗氧化酶活性调节的协同作用稳定了光合机构的功能,光合速率降低主要受气孔限制因素影响,而中度和重度胁迫下PSⅡ和抗氧化酶系统受损,是光合速率降低的非气孔限制因素[16]。谭晓红等[17]对5个品种的杨树进行干旱胁迫试验时,测定了荧光参数,发现不同树种的Fv/Fm随叶水势降低总体上呈逐渐下降趋势,同时也发现荧光参数Fm/Fms(PSⅡ有效光化学量子产量)能更直接地反映光合机构的实际光能捕获能力,准确地表达抗旱能力[18]。光合—光响应曲线研究表明,干旱胁迫能够提高光补偿点和暗呼吸,降低光饱和点和最大净光合速率[6]。

叶水势是植物抗旱的重要指标,受到水分胁迫时呈下降趋势,相同的胁迫强度,叶水势降幅越小说明耐旱能力越强(如新疆杨),降幅越大则抗旱能力越差(如意101杨)[7]。干旱严重影响植物的蒸腾作用,土壤干旱,叶片水分蒸腾速率明显减慢,蒸腾速率与土壤含水率呈显著的正相关关系[19]。植物在水分胁迫下通过减少水分消耗的同时能够维持一定的光合生产能力,提高水分利用效率,从而提高对饥饿的忍耐能力,有利于增加对干旱胁迫的抵抗力[20]。杨建伟等[21]对84K杨进行抗旱适应性研究时发现,水分利用效率在中度干旱条件下最高,严重干旱条件下最低。张江涛等[4]对3个品种杨树进行干旱胁迫的生理响应研究时发现,持续干旱胁迫下,三者叶片水分利用效率先升高后降低[4]。气孔导度在轻度胁迫下缓慢下降,而在中度和重度胁迫下迅速下降[16],胞间CO2浓度呈现为先降后升的趋势[22]。

1.4 干旱胁迫与生化指标

在干旱胁迫下,细胞内会产生过剩的活性氧自由基,如超氧阴离子自由基、羟基自由基(-OH)、过氧化氢(H2O2)与脂质过氧化物(ROO-)等,会引发或加剧膜脂过氧化,造成细胞膜系统损伤,增加膜透性[23]。植物对氧化胁迫具有相应的适应和抵抗能力,表现在其体内具有完善的抗氧化防御系统,又称活性氧清除系统[23]。林木对活性氧清除的能力是决定细胞对干旱胁迫抗性的关键因素,国内外主要通过超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等的活性变化对活性氧清除系统与抗旱性关系进行研究[24]。

多项研究表明,随着干旱胁迫程度的加强,叶片的SOD、POD和CAT活性均呈先升高后降低的趋势[10];也有研究显示,在干旱条件下杨树的抗旱性与SOD不相关[21],CAT酶活性有时持续下降[4];但是水分胁迫下的酶活性始终高于正常水分[10]。而在重度干旱末期,SOD合成受到抑制,降解加快,活性下降,清除效率也随之降低[14]。总之,在干旱胁迫过程中,耐旱品种体内SOD、CAT、POD等酶的活性均显著高于不耐旱品种[24]。

伴随着活性氧自由基的产生,会引发细胞膜的氧化,导致细胞膜功能丧失,电解质大量外渗,膜透性增强,同时产生膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)。因此,在干旱胁迫下,抗逆性强的林木膜脂过氧化水平低,MDA含量相应较低[25]。随着胁迫程度的加强,细胞膜透性增大。俞永玮[26]对5个白杨派无性系干旱胁迫的研究发现,正常水分条件下,其细胞膜未受到损伤,电导率在7.05 %～9.20 %,同无性系单株之间差异不大。土壤含水量为田间持水量的60 %时,较正常水分,各无性系细胞膜透性增大,电导率也增大且与对照差异显著;土壤含水量为田间持水量的30 %时,各供试无性系细胞膜进一步受损,电导率明显增大,与正常水分和轻度胁迫均差异显著。随着干旱胁迫时间的延长,MDA含量表现出先增加后减少的趋势[14],或者总体呈增加趋势,并在处理的中期和后期显著或极显著高于各自的对照[27]。

1.5 干旱胁迫与渗透调节

植物受到干旱胁迫后,细胞周边的水分减少,细胞要有保持水分的能力和从周边吸收水分的能力,为此需增加细胞内可溶性物质的浓度,达到渗透调节的目的。这些可溶性物质通常是可溶性糖、游离脯氨酸和K+等,其积累不会造成大分子及结构的伤害。渗透调节是植物重要的抗旱机制,多年来,学者们对杨树的抗旱性与渗透调节进行了相关研究。邱兴等[10]研究显示,随着水分胁迫程度的加强,6个无性系(种)的脯氨酸含量均呈逐渐上升的趋势,总体上,土壤含水量为田间持水量的50 %和30 %时,脯氨酸含量均显著高于对照,并且后者的脯氨酸含量显著高于前者。还有一些研究得出类似的结论[7,14,25,26]。从轻度、中度到重度胁迫下,杨树可溶性糖含量整体呈现出显著增加的趋势,且各种干旱处理均高于对照[28]。

K+和Ca2+是植物所需的大量元素,在调节渗透和维持细胞质内的离子平衡方面起着重要作用,且植物通过矿质离子进行渗透调节较利用有机物质要经济得多。干旱胁迫使K+和Ca2+含量上升[29],有研究显示抗旱性与K+不相关[21],也有研究显示抗旱能力强的树种具有较高的K+含量[24]。

徐晓辉等[30]用不同浓度的营养液对杨树幼苗进行干旱胁迫,发现随着干旱胁迫程度的提高,ABA含量明显增加。ABA作为信号分子在细胞间传递干旱信号,引起有关酶类和蛋白基因的表达,从而使植物能够抵抗干旱胁迫。方景涛等[31]用不同浓度的ABA作为外源激素,对不同干旱胁迫强度的北京杨进行了试验,也发现ABA主要通过提高超氧化物歧化酶活性和可溶性蛋白含量来提高杨树的抗旱能力。

1.6 转基因技术在杨树抗旱方面的研究与应用

许多学者对分子生物学技术在杨树抗旱方面的应用进行了大量研究,筛选出了与抗旱有关的基因,通过相关技术转入目标植株并表达,获得抗旱能力强的杨树品系。曲文蕊[32]筛选得到了胡杨MYB类转录因子家族中的抗旱候选基因(PeMYB29、PeMYB30、PeMYB128),为抗旱育种提供参考。韦德兰[33]发现通过抑制杨树MYBS2基因的表达可以促进杨树的生长,提高杨树对干旱的耐受能力。黄绢等[34]研究表明,外源基因JERF36可能通过影响叶片结构发育提高转基因银中杨在干旱胁迫下的气体交换能力和保水能力,从而增强转基因银中杨的抗旱能力。于森[35]对大青杨PubZIP43基因进行克隆和大青杨的遗传转化,获得了转基因株系。杨卓然[36]利用农杆菌叶盘侵染转化法,获得HB7a/b过表达、显性抑制及基因编辑转基因株系。相较于野生型,HB7a/b过表达转基因植株更加抗旱,而显性抑制及基因编辑突变体则对干旱更加敏感。王泽亮[37]通过初步筛选获得了河北杨干旱胁迫响应的TDFs片段,同时分离了河北杨类DREB基因。转PtWOX11/12a基因河北杨株高生长量、地径生长量、叶绿素a含量、叶绿素b含量、SOD活性、POD活性均高于野生型,MDA含量低于野生型[38]。

2 抗旱指标与筛选

杨敏生等[39]建立了鉴定白杨杂种无性系抗旱性的指标体系,鉴定指标体系主要从植物对干旱的适应性和抗旱生产力两方面考虑。对干旱的适应性包括避旱能力和耐旱能力,避旱能力包括叶片保水率、蒸腾速率和根茎比,耐旱能力包括渗透调节和保持膨压、原生质耐干化;抗旱生产力包括净光合速率、水分利用效率、光合叶面积、苗高、生物量。有时也使用对干旱的适应能力及生产力指标[40,41]。

虽然指标很多,但有些指标之间是相关的,如气孔导度与蒸腾速率显著正相关等。同时使用众多的指标进行抗旱性评价,会造成指标之间相互干扰,影响评价结果,有时会筛选一些与抗旱相关且相对独立的指标进行评价。王海珍等[42]对黄土高原的4个树种进行了17个抗旱生理指标测试,用主成分分析方法筛选出7个指标作为评价植物抗旱性强弱的有效依据。李禄军等[43]用灰色关联度法进行了3个树种的平均抗旱性与9项抗旱指标的关联度分析,认为叶绿素含量等4项指标效果较好。还有一些研究使用了关联度法优化指标[27]。

有时,只选用两项指标也可以评价抗旱性。郭连生等[44]借助PV曲线计算出每个测试材料初始质壁分离时的整体渗透势(πp)和对应的小枝相对含水量(RWC)。研究发现,πp和RWC可以作为比较树木耐旱性强弱的生理指标,较大的πp及较低的RWC值是耐旱性强的生理特征。

3 评价方法

3.1 抗旱系数法

俞永玮[26]通过抗旱系数法,对供试杨树品种进行抗旱性评价。抗旱系数定义为胁迫条件下指标测定值与该指标的对照值比值。每个指标的抗旱指数的平均值为该项指标的综合抗旱系数,用综合抗旱系数对每个树种的抗旱性做出评价,收到良好的效果。

3.2 隶属度法

该方法先求出每个指标在不同胁迫程度下的隶属函数值(即指标测定值减去所有树种该指标最小值的差值与所有树种该指标最大值减最小值之比),该树种的各项指标的隶属函数值的平均值即为该树种的综合隶属函数值。该值越大抗旱性越强,反之越弱。杨淑红等[45]采用隶属度法对3个杨树品种进行了抗旱能力评价,结果为:‘2025’>‘中红杨’>‘全红杨’,收到良好效果。郑涛[46]分析了指标间的相关性,确定各项指标间的权重后,采用TOPSIS法对11个白杨派无性系进行抗旱能力的综合评价。

3.3 主成分分析法

杨传宝等[14]对9个无性系的10个抗旱指标进行主成分分析,在中度干旱10 d和重度干旱14 d时,第1主成分的贡献率分别为67.04 %和68.88 %,根据第1主成分值的大小对9个无性系进行了综合评价。进一步用隶属函数法对9个无性系重度干旱14 d时的抗旱性进行综合评价,结果与主成分分析的结果基本一致,说明主成分分析方法可行,结果可靠。

3.4 聚类分析法

王孟本等[47]用聚类分析法将8个杨树杂交无性系抗旱性进行了聚类。借助PV曲线,计算出饱和含水渗透势、质壁分离点渗透势、质壁分离点相对含水量、相对渗透水含量以及饱和含水时的质外体水相对含量,采用分层聚类法对试验品种及其对照的抗旱性进行聚类分析,划分了抗旱性较强、抗旱性较弱和抗旱性弱3个类群。

3.5 对比分析法

王福森等[19]通过观察供试品种的生长状态进行抗旱性评价。小黑杨和小黑×欧黑18抗旱性最强,土壤含水率达到9.59 %～10.08 %就能正常生长,致死土壤含水率为3.77 %～3.91 %;DN113杨较为抗旱,致死土壤含水率为5.00 %;抗旱性最差的品种为带岭×欧黑406,土壤含水率达到14.31 %以上才能正常生长。对比分析法易于理解和操作,结果可靠。

4 应用

4.1 抗旱树种选择

杨树在我国北方分布广泛,是三北防护林的主要树种,我国北方大部分属于干旱半干旱地区,干旱是提高成活率、提高森林覆盖率的限制因素。多年来各地进行了抗旱树种选择工作,在不同品种以及不同家系之间进行了大量的试验研究。典型的杨树品种有白城小青黑杨、白林3号杨、白城小黑杨和白城5号杨[22],银×新、北美速生1号、北美速生2号、84 K杨、辽育2号杨、健杨94[25]等。

4.2 性别对抗旱性的影响研究

杨树雄性和雌性的抗旱性差异已被深入研究。周莹莹[48]在对塔里木河下游胡杨抗旱研究中发现,雄性植株的抗旱能力相对雌性植株较强,雄性植株更易于生存。夏振华[49]对胡杨的抗旱性研究结果略有不同,在有些方面雄性大于雌性,而有些方面雌性大于雄性。叶片气孔特征、叶片解剖结构特征、光和电子传递速率以及叶水势等特征显示胡杨雄株比雌株有更强的耐旱性。而抗氧化酶活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量、叶片相对含水量等变化显示,相较于雄株,雌性胡杨有更强的耐旱性[49]。美洲黑杨幼苗的抗旱试验中也表现出相似的规律,雄株根系总长和根系表面积显著增加,体积、根尖数、交叉数均高于雌性。雄株的Fv/Fm和Y(II)高于雌株,雄株的AOX酶活性高于雌株,因而在干旱环境下雄株光系统因干旱胁迫所受的损伤较小[12]。

4.3 地理环境对抗旱性的影响研究

以取自云南、四川、西藏地区的三脉青杨、乡城杨和康定杨3种青杨派古杨树为原材料生产的扦插苗为研究对象,进行抗旱性研究。由于这些古树适应了当地的生态环境,对干旱环境势必有着不同的反应。受到干旱胁迫后,三脉青杨反应迅速,各项指标变化明显,干旱强度加剧后,三脉青杨植株受损程度最重,表明干热河谷型三脉青杨在中轻度的干旱胁迫下适应能力较好,但在严重干旱条件下适应能力较弱。而温湿型乡城杨受干旱胁迫后抗逆基因Lea3和SOD瞬时表达量均同时升高,维持相对稳定的光合能力,表明其对干旱适应的综合能力较强。在高海拔地区,环境水分充足,长期生长在这一区域的寒湿型康定杨对干旱胁迫的耐性较弱[50]。

5 小结与展望

杨树作为我国北方干旱半干旱地区的造林树种,多年来学者们对其进行了大量的抗旱研究,提出了多项与抗旱性有关的指标,并建立了指标体系。研究了不同干旱胁迫强度以及不同时间段的指标与抗旱性之间的关系,探讨了多种筛选抗旱树种的方法。在各地进行了多种无性系的抗旱性对比研究并筛选出大量的抗旱性较强无性系。筛选出抗旱基因并获得植株,为干旱地区造林提供了依据。

虽然取得了一些成果,但依然存在一些问题。由于盆栽苗易于水分控制和指标观测,杨树的抗旱性研究多数以盆栽苗为对象。林木的生长发育受到光照、气温等因素的综合影响,其抗旱性在不同阶段对环境响应和适应性会发生变化。因此,有必要开展幼苗与成年树木抗旱能力的相关性研究。苗期筛选出的抗旱品种或无性系应进行长期的大田试验,以获得具有稳定的、较强抗旱能力的品种。在抗旱性的研究过程中,水分胁迫的时间长短不一、胁迫强度不一会导致结果的不一致且难以比较。

目前已筛选出许多与杨树抗旱性相关的基因,但植物的抗旱是一个涉及到众多基因、受多种途径调控的复杂过程,因此,通过生物学技术培育抗旱品种任重而道远。通过抗旱分子标记、抗旱基因的选择等技术改良杨树本身抗旱能力是将来研究的重点,也是根本所在。