楊淑紅,宋德才,劉艷萍,楊清淮,朱延林,①

(1.河南省林業(yè)科學(xué)研究院,河南鄭州450008;2.信陽市平橋區(qū)林業(yè)科學(xué)研究所,河南信陽464100)

土壤干旱脅迫和復(fù)水后3個(gè)楊樹品種葉片部分生理指標(biāo)變化及抗旱性評(píng)價(jià)

楊淑紅1,宋德才1,劉艷萍1,楊清淮2,朱延林1,①

(1.河南省林業(yè)科學(xué)研究院,河南鄭州450008;2.信陽市平橋區(qū)林業(yè)科學(xué)研究所,河南信陽464100)

以美洲黑楊品種‘2025’(Populus×deltoides‘2025’)及其2個(gè)芽變彩葉品種‘全紅楊’(P.×deltoides‘Quanhong’)和‘中紅楊’(P.×deltoides‘Zhonghong’)當(dāng)年生嫁接苗為實(shí)驗(yàn)材料,對(duì)土壤干旱脅迫0、4、7、14、21和28 d以及復(fù)水7 d后葉片中MDA含量及PPO、SOD、CAT和POD活性的變化以及MDA含量與4種酶活性的相關(guān)性進(jìn)行了分析,并采用隸屬函數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)3個(gè)品種的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:隨干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),3個(gè)品種的MDA含量總體呈增加趨勢(shì),并在處理的中期和后期顯著或極顯著高于各自的對(duì)照;PPO和SOD活性總體上先升高后降低,均在處理的前期和中期高于各自的對(duì)照;‘中紅楊’和‘2025’的CAT活性先升高后下降,而‘全紅楊’的CAT活性持續(xù)下降,均在處理14 d后極顯著或顯著低于各自的對(duì)照;‘全紅楊’和‘2025’的POD活性先降低后升高且均低于各自的對(duì)照,而‘中紅楊’的POD活性則呈波動(dòng)趨勢(shì)但總體上與對(duì)照無顯著差異。復(fù)水7 d后,3個(gè)品種的MDA含量均有所降低,而PPO和CAT活性均有所提高;‘全紅楊’和‘2025’的SOD和POD活性升高,而‘中紅楊’的SOD和POD活性則降低。在土壤干旱脅迫條件下,僅‘全紅楊’的PPO和CAT活性與MDA含量以及‘中紅楊’的CAT活性與MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān),各品種的其他酶活性與MDA含量均無顯著相關(guān)性?！t楊’、‘中紅楊’和‘2025’的平均隸屬函數(shù)值分別為0.482、0.527和0.533,據(jù)此判斷3個(gè)品種中‘2025’的抗旱性最強(qiáng)、‘全紅楊’的抗旱性最弱。3個(gè)品種抗旱性與各生理指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度均大于0.64,其中與CAT和PPO活性的關(guān)聯(lián)度分別為0.793和0.761,因而,可將CAT和PPO活性作為評(píng)價(jià)楊樹品種抗旱性的首選指標(biāo)。

楊樹品種;干旱脅迫;保護(hù)酶活性;抗旱性;隸屬函數(shù)法;灰色關(guān)聯(lián)分析

由于中國(guó)南北方水資源分布嚴(yán)重失衡,伴隨高溫?zé)崂说葮O端天氣事件的不斷增多和增強(qiáng),干旱已成為國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)面臨的主要生態(tài)問題。眾多學(xué)者對(duì)高溫和干旱等條件下植物體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究[1-10]。干旱脅迫下,植物體內(nèi)產(chǎn)生的大量活性氧會(huì)引發(fā)不飽和脂肪酸的氧化作用,其主要產(chǎn)物丙二醛(MDA)為細(xì)胞毒性物質(zhì),可破壞膜系統(tǒng)并導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的破壞,其含量能夠反映出植物細(xì)胞受傷害以及膜脂過氧化的程度[6]。植物受到的氧化傷害程度與其體內(nèi)的抗氧化酶活性密切相關(guān),超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶,可分別清除體內(nèi)的超氧陰離子自由基(O-·2)、單線態(tài)氧(·O2)、羥自由基(·OH)和過氧化氫(H2O2)等,以減輕這些毒性物質(zhì)對(duì)細(xì)胞內(nèi)生物大分子(如DNA、蛋白質(zhì)和脂肪酸等)的傷害;各種酶對(duì)活性氧的協(xié)作清除能力是決定細(xì)胞對(duì)逆境抗性的關(guān)鍵因素,若酶系統(tǒng)的平衡體系被破壞,則會(huì)加劇生物膜的損傷程度[2,5,7]。多酚氧化酶(PPO)也是植物體內(nèi)普遍存在的一種生理防御性酶類,有研究[4,11]證實(shí):植物生長(zhǎng)環(huán)境的惡化有利于病原菌的滋生和侵染,當(dāng)植物受到病原菌侵害時(shí),PPO可將植物體內(nèi)的酚類成分氧化為醌類成分(或其衍生物),起到抗菌和殺菌的作用,使植物免受逆境的進(jìn)一步傷害。

中國(guó)是世界楊屬(Populus Linn.)植物分布的中心區(qū)之一,種類豐富。原產(chǎn)北美的美洲黑楊(P. deltoides Marsh)具有生長(zhǎng)期長(zhǎng)和生長(zhǎng)量大等優(yōu)良特性,于20世紀(jì)70年代被引入中國(guó),在亞熱帶和暖溫帶地區(qū)均生長(zhǎng)良好,且目前已成功篩選出20余個(gè)適合在中國(guó)自然條件下生長(zhǎng)的主栽無性系;這些優(yōu)良無性系生長(zhǎng)快、抗性強(qiáng)、造林易成活,已經(jīng)作為重要的育種親本在楊樹育種研究中發(fā)揮著重要作用[12-13]?！屑t楊’(P.×deltoides‘Zhonghong’)為美洲黑楊品種‘2025’(P.×deltoides‘2025’)的芽變彩葉品種;并在‘中紅楊’基礎(chǔ)上選育出芽變彩葉新品種‘全紅楊’(P.×deltoides‘Quanhong’),其枝葉色澤較‘中紅楊’更加亮麗持久、觀賞效果甚佳。目前,‘中紅楊’和‘全紅楊’已分別于2006年和2011年獲得國(guó)家新品種保護(hù)權(quán),這2個(gè)芽變彩葉品種均為速生豐產(chǎn)型高品質(zhì)彩葉園林觀賞樹木品種,發(fā)展前景廣闊。然而,美洲黑楊喜水、在干旱區(qū)域長(zhǎng)勢(shì)欠佳或很難存活,因此,了解品種‘全紅楊’和‘中紅楊’的耐干旱能力對(duì)其區(qū)域應(yīng)用和穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

作者以楊樹品種‘2025’及其2個(gè)芽變彩葉品種‘全紅楊’和‘中紅楊’的當(dāng)年生嫁接苗為實(shí)驗(yàn)材料,研究了土壤干旱脅迫0、4、7、14、21和28 d及復(fù)水7 d后其葉片中MDA含量及保護(hù)酶PPO、SOD、CAT和POD活性的變化,并基于這5個(gè)生理指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果、采用隸屬函數(shù)法對(duì)3個(gè)楊樹品種的抗旱能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)各生理指標(biāo)與抗旱性的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析,以期為楊樹新品種的推廣種植提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi),供試材料為以楊樹品種‘2025’為砧木的‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’3個(gè)品種的當(dāng)年生嫁接苗。

1.2 方法

1.2.1 嫁接方法 在2011年2月下旬將長(zhǎng)勢(shì)一致的品種‘2025’的1年生實(shí)生苗移栽至高35 cm、上口徑35 cm、底徑25 cm的圓形塑料花盆中,平茬高度20 cm;每盆1株,盆土為V(普通園土)：V(腐殖土)= 1：1的混合基質(zhì),土量為花盆容積的98%(距上沿約4 cm)。同年3月末,分別嫁接‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’的接穗,每個(gè)品種各嫁接50盆,待嫁接苗穩(wěn)定成活且長(zhǎng)勢(shì)旺盛時(shí)進(jìn)行干旱脅迫處理。

1.2.2 土壤干旱脅迫處理方法 于2011年7月28日,分別挑選長(zhǎng)勢(shì)均衡且健康的3個(gè)楊樹品種嫁接苗各30盆,搬至排水條件良好的硬化地面上,澆水至飽和。采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)進(jìn)行干旱脅迫實(shí)驗(yàn),每個(gè)品種對(duì)照組與干旱脅迫處理組各15盆,每行5盆,排成3行,每行的5盆視為1次重復(fù);各品種小區(qū)間隔0.5 m、對(duì)照區(qū)和干旱脅迫處理區(qū)間距3m。對(duì)照組每隔3～5 d澆水至飽和;處理組自7月29日起停止?jié)菜?陰雨天采用移動(dòng)遮雨棚進(jìn)行防風(fēng)和遮雨,28 d后(即8月25日)解除脅迫并澆水至飽和,隨后正常養(yǎng)護(hù)。分別在干旱脅迫0 d(7月28日)、4 d(8月1日)、7 d(8月4日)、14 d(8月11日)、21 d(8月18日)和28 d(8月25日)以及復(fù)水7 d(9月1日)后的當(dāng)日8:00采集對(duì)照組及處理組植株枝條頂端向下第3至第5片葉,每重復(fù)的5株幼苗混合取樣8～10片葉,置于冰桶中立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)。

1.2.3 生理指標(biāo)測(cè)定方法 去除新鮮樣葉的葉脈,取0.5 g樣葉并置于預(yù)冷研缽中,加入2 mL預(yù)冷的0.05 mol·L-1磷酸緩沖液(含10 g·L-1PVP,pH 7.0)及少量細(xì)石英砂,研磨至勻漿;用3 mL上述磷酸緩沖液沖洗研缽,合并提取液,并于4℃、10 000 r·min-1離心20 min;沉淀用上述方法重復(fù)提取1次;合并上清液并定容至5 mL;樣液于4℃條件下保存,用于MDA含量及SOD、POD、CAT和PPO活性測(cè)定。

采用硫代巴比妥酸比色法[14]80測(cè)定MDA含量;采用鄰苯二酚比色法[15](略有改動(dòng))測(cè)定PPO活性;采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法[14]98-99測(cè)定SOD活性;采用紫外分光光度比色法[14]95-96測(cè)定CAT活性;采用愈創(chuàng)木酚比色法[14]97測(cè)定POD活性。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用EXCEL 2007和SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析,并參照文獻(xiàn)[16]的方法對(duì)4種酶活性與MDA含量間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

采用隸屬函數(shù)法[9,17]對(duì)3個(gè)楊樹品種的抗旱能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。為避免不同品種間對(duì)照值的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響,首先根據(jù)公式“Ii=i/i0(i為處理組指標(biāo);i0為對(duì)照組相應(yīng)指標(biāo))”計(jì)算各指標(biāo)在不同時(shí)間的變化系數(shù),再計(jì)算各指標(biāo)與抗旱性的相關(guān)隸屬函數(shù)值。各指標(biāo)與抗旱性正相關(guān)隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式為R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)、負(fù)相關(guān)隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式為R(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。式中,R(Xij)為i品種j指標(biāo)的抗旱性隸屬函數(shù)值;Xij為i品種j指標(biāo)的抗旱系數(shù);Xmax及Xmin分別為j指標(biāo)抗旱系數(shù)的最大值和最小值。分別計(jì)算各品種所有測(cè)定指標(biāo)隸屬函數(shù)值的平均值,平均值越大說明該品種的抗旱能力越強(qiáng)。

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[18]、依據(jù)3個(gè)楊樹品種的各生理指標(biāo)及抗旱性隸屬函數(shù)值的平均值建立灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。以抗旱性隸屬函數(shù)值的平均值作為參考數(shù)據(jù)列(母序列)X0,以MDA含量以及PPO、SOD、CAT和POD活性的抗旱系數(shù)作為比較列(子序列) X1、X2、X3、X4和X5,利用DPS 8.50數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析(分辨系數(shù)取常規(guī)值0.5[17]),獲得3個(gè)楊樹品種5個(gè)生理指標(biāo)與抗旱性的關(guān)聯(lián)度與關(guān)聯(lián)排序。

2 結(jié)果和分析

2.1 土壤干旱脅迫及復(fù)水后3個(gè)楊樹品種葉片部分生理指標(biāo)的變化

2.1.1 丙二醛(MDA)含量的變化 土壤干旱脅迫0、4、7、14、21和28 d及復(fù)水7 d后3個(gè)楊樹品種葉片MDA含量的變化見表1。

由表1可知:實(shí)驗(yàn)期間,對(duì)照組3個(gè)品種葉片的MDA含量呈小幅波動(dòng)趨勢(shì),但整體變化幅度不大,且平均值差異不顯著(P＞0.05)。持續(xù)干旱脅迫期間,品種‘全紅楊’葉片MDA含量不斷升高,而品種‘中紅楊’和‘2025’葉片MDA含量呈波動(dòng)式上升;復(fù)水7 d后,3個(gè)品種葉片MDA含量均較干旱脅迫28 d時(shí)略降低;干旱脅迫條件下3個(gè)品種葉片MDA含量平均值差異不顯著,但均顯著高于各自的對(duì)照組。

持續(xù)干旱脅迫條件下,3個(gè)品種處理組葉片的MDA含量總體呈不斷增加的趨勢(shì),各時(shí)段的MDA含量大多顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)高于各自的對(duì)照組。干旱脅迫14 d,品種‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’葉片的MDA含量分別較各自的對(duì)照組升高40.69%、145.67%和100.65%,且均與對(duì)照組差異極顯著;其中,品種‘中紅楊’和‘2025’的葉片MDA含量極顯著高于品種‘全紅楊’。干旱脅迫28 d,品種‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’的葉片MDA含量較各自的對(duì)照組升高153.75%、125.72%和165.67%,且均與對(duì)照組差異極顯著,但三者間的差異并不顯著。復(fù)水7 d后,品種‘全紅楊’葉片MDA含量極顯著高于其對(duì)照組,而品種‘中紅楊’和‘2025’葉片MDA含量也高于各自的對(duì)照組但差異不顯著。

2.1.2 多酚氧化酶(PPO)活性的變化 土壤干旱脅迫處理0、4、7、14、21和28 d及復(fù)水7 d后3個(gè)楊樹品種葉片PPO活性的變化見表2。

表1 土壤干旱脅迫及復(fù)水后3個(gè)楊樹品種葉片MDA含量的變化(ˉX±SE)1)Table 1 Change of MDA content in leaf of three cultivars of Populus after drought stress in soil and rewatering(ˉX±SE)1)

表2 土壤干旱脅迫及復(fù)水后3個(gè)楊樹品種葉片PPO活性的變化(ˉX±SE)1)Table 2 Change of PPO activity in leaf of three cultivars of Populus after drought stress in soil and rewatering(ˉX±SE)1)

由表2可知:3個(gè)品種中,品種‘全紅楊’對(duì)照組和處理組的葉片PPO活性平均值均極顯著高于品種‘2025’和‘中紅楊’(P＜0.01)。三者的葉片PPO活性在處理4、7和14 d大多高于各自的對(duì)照組,在處理21和28 d以及復(fù)水7 d后均低于各自的對(duì)照組,隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)總體上呈現(xiàn)先逐漸升高然后逐漸降低的趨勢(shì)。其中,品種‘全紅楊’和‘2025’葉片PPO活性在脅迫7 d時(shí)達(dá)到最高,而品種‘中紅楊’葉片的PPO活性則在脅迫14 d時(shí)達(dá)到最高;品種‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’葉片PPO活性的最高值分別較各自的對(duì)照組升高25.97%、60.04%和55.53%。干旱脅迫28 d,品種‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’葉片PPO活性分別較各自的對(duì)照組下降33.84%、37.04%和32.75%,且均與對(duì)照組差異極顯著。復(fù)水7 d后, 3個(gè)品種葉片PPO活性均較脅迫處理28 d時(shí)有所提高;其中,品種‘全紅楊’葉片PPO活性均極顯著低于其對(duì)照組,而品種‘2025’和‘中紅楊’的PPO活性則顯著低于各自的對(duì)照組(P＜0.05)。3個(gè)品種相比,品種‘全紅楊’和‘2025’的PPO活性高于‘中紅楊’。

相關(guān)性分析結(jié)果表明:土壤干旱脅迫條件下,品種‘全紅楊’葉片的PPO活性與MDA含量的相關(guān)方程為Y=124.293-6.661X+0.107X2(R=-0.732),呈極顯著負(fù)相關(guān);而品種‘中紅楊’和‘2025’葉片PPO活性與MDA含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.098和-0.059,相關(guān)性均不顯著。

2.1.3 超氧化物歧化酶(SOD)活性的變化 土壤干旱脅迫處理0、4、7、14、21和28 d及復(fù)水7 d后3個(gè)楊樹品種葉片SOD活性的變化見表3。

由表3可知:‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’對(duì)照組葉片SOD活性平均值差異不顯著(P＞0.05), 3個(gè)品種處理組間的SOD活性平均值也無顯著差異。持續(xù)干旱脅迫下,隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),品種‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’葉片SOD活性總體上均呈先升高后降低的趨勢(shì),分別在脅迫7、14和14 d達(dá)到最高值;品種‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’葉片的SOD活性最高值分別較各自的對(duì)照組升高14.72%、18.55%和17.81%,且均與對(duì)照組差異極顯著(P＜0.01)。在脅迫處理4、7、14和21 d,3個(gè)品種SOD活性均高于各自的對(duì)照組;而在脅迫處理28 d時(shí),品種‘中紅楊’和‘2025’的SOD活性分別高于或低于各自的對(duì)照組,但與對(duì)照組的差異并不顯著,而品種‘全紅楊’的SOD活性卻極顯著低于對(duì)照組。復(fù)水7 d后,與脅迫處理28 d時(shí)相比,品種‘全紅楊’和‘2025’葉片SOD活性升高,而品種‘中紅楊’葉片的SOD活性則降低;其中,品種‘2025’葉片SOD活性高于對(duì)照組,而品種‘全紅楊’和‘中紅楊’葉片的SOD活性則低于各自的對(duì)照組,但均與對(duì)照組無顯著差異。

相關(guān)性分析結(jié)果表明:土壤干旱脅迫條件下,楊樹品種‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’葉片的SOD活性與MDA含量分別呈負(fù)相關(guān)、正相關(guān)和正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.428、0.519和0.240,相關(guān)性均不顯著。

表3 土壤干旱脅迫及復(fù)水后3個(gè)楊樹品種葉片SOD活性的變化(ˉX±SE)1)Table 3 Change of SOD activity in leaf of three cultivars of Populus after drought stress in soil and rewatering(ˉX±SE)1)

2.1.4 過氧化氫酶(CAT)活性的變化 土壤干旱脅迫處理0、4、7、14、21和28 d及復(fù)水7 d后3個(gè)楊樹品種葉片CAT活性的變化見表4。

由表4可知:供試3個(gè)品種中,品種‘全紅楊’和‘中紅楊’對(duì)照組葉片CAT活性平均值極顯著高于品種‘2025’(P＜0.01),前二者處理組葉片的CAT活性也高于后者。隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng),品種‘中紅楊’和‘2025’葉片CAT活性先升高后下降,而品種‘全紅楊’葉片CAT活性呈持續(xù)下降的趨勢(shì)。品種‘全紅楊’和‘2025’葉片CAT活性在脅迫4和7 d分別較各自的對(duì)照組升高4.50%和11.06%,但與對(duì)照組的差異均不顯著(P＞0.05);而在處理14 d后二者葉片的CAT活性均極顯著(P＜0.01)或顯著(P＜0.05)低于各自的對(duì)照組。品種‘中紅楊’葉片的CAT活性在處理的4和7 d時(shí)與其對(duì)照組無顯著差異,處理14 d后則極顯著或顯著低于其對(duì)照組。干旱脅迫28 d,品種‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’葉片CAT活性分別較各自的對(duì)照組下降43.62%、43.97%和33.23%,且與對(duì)照組差異極顯著。復(fù)水7 d后,3個(gè)品種葉片CAT活性均較脅迫處理28 d有所提高;其中,品種‘全紅楊’和‘中紅楊’葉片CAT活性極顯著低于各自的對(duì)照組,而品種‘2025’的CAT活性也低于其對(duì)照組但差異不顯著。

相關(guān)性分析結(jié)果表明:干旱脅迫條件下,品種‘全紅楊’和‘中紅楊’葉片的CAT活性與MDA含量的相關(guān)方程分別為Y=71.995-1.045X(R=-0.854)和Y= 62.455-0.886X(R=-0.768),均呈極顯著負(fù)相關(guān);但品種‘2025’葉片CAT活性與MDA含量的相關(guān)系數(shù)僅為-0.303,呈不顯著負(fù)相關(guān)。

2.1.5 過氧化物酶(POD)活性的變化 土壤干旱脅迫處理0、4、7、14、21和28 d及復(fù)水7 d后3個(gè)楊樹品種葉片POD活性的變化見表5。

表4 土壤干旱脅迫及復(fù)水后3個(gè)楊樹品種葉片CAT活性的變化(ˉX±SE)1)Table 4 Change of CAT activity in leaf of three cultivars of Populus after drought stress in soil and rewatering(ˉX±SE)1)

表5 土壤干旱脅迫及復(fù)水后3個(gè)楊樹品種葉片POD活性的變化(ˉX±SE)1)Table 5 Change of POD activity in leaf of three cultivars of Populus after drought stress in soil and rewatering(ˉX±SE)1)

由表5可知:3個(gè)楊樹品種中,品種‘全紅楊’對(duì)照組和處理組葉片的POD活性的平均值均極顯著高于品種‘2025’和‘中紅楊’(P＜0.01)。隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng),品種‘全紅楊’和‘2025’葉片的POD活性呈先降低后升高的趨勢(shì),且均低于各自的對(duì)照組;分別在脅迫21和14 d達(dá)到最低值,分別較各自的對(duì)照組下降27.02%和34.19%,且與對(duì)照組差異極顯著;脅迫28 d,二者葉片的POD活性分別較對(duì)照下降25.67%和21.10%,分別與對(duì)照有極顯著和顯著(P＜0.05)差異。隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng),品種‘中紅楊’葉片的POD活性則呈“降低-上升-降低”的波動(dòng)趨勢(shì),在脅迫處理4和7 d低于對(duì)照,而在處理14、21和28 d均高于對(duì)照,但總體上差異不顯著(P＞0.05)。復(fù)水7 d后,與脅迫處理28 d時(shí)相比,品種‘全紅楊’和‘2025’葉片的POD活性升高,而品種‘中紅楊’葉片的POD活性則降低;其中,品種‘全紅楊’葉片的POD活性顯著低于對(duì)照組,而品種‘中紅楊’和‘2025’葉片的POD活性分別高于和低于各自的對(duì)照組但均與對(duì)照組無顯著差異。

相關(guān)性分析結(jié)果表明:干旱脅迫條件下,品種‘全紅楊’和‘2025’葉片的POD活性與MDA含量呈不顯著的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.514和-0.699;而品種‘中紅楊’葉片的POD活性與MDA含量呈不顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)僅為0.303。

2.2 3個(gè)楊樹品種抗旱性的綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 隸屬函數(shù)分析 上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:干旱脅迫條件下3個(gè)楊樹品種各生理指標(biāo)的變化有明顯差異,說明采用單項(xiàng)生理指標(biāo)評(píng)價(jià)楊樹品種的耐旱性存在一定的片面性。鑒于此,基于葉片MDA含量及PPO、SOD、CAT和POD活性的變化狀況,利用隸屬函數(shù)法對(duì)3個(gè)楊樹品種的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),結(jié)果見表6。

由表6可見:品種‘全紅楊’、‘中紅楊’和‘2025’葉片5個(gè)生理指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值分別為0.482、0.527和0.533,據(jù)此對(duì)3個(gè)楊樹品種的抗旱性進(jìn)行排序,抗旱能力由強(qiáng)到弱依次為‘2025’、‘中紅楊’、‘全紅楊’。

表6 基于葉片5個(gè)生理指標(biāo)變化的3個(gè)楊樹品種抗旱性的隸屬函數(shù)分析Table 6 Subordinate function analysis on drought resistance of three cultivars of Populus based on changes of five physiological indexes in leaf

2.2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析 從抗旱性的灰色關(guān)聯(lián)分析角度看,若某一指標(biāo)與抗旱性的關(guān)聯(lián)度越大,則說明該指標(biāo)與抗旱系數(shù)的關(guān)系越密切,對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)越敏感。

由表7可知:3個(gè)楊樹品種的抗旱性與其葉片各生理指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度均大于0.64,顯示出較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)水平。其中,CAT活性與抗旱性的關(guān)聯(lián)度最大(0.793),表明3個(gè)楊樹品種葉片的CAT活性對(duì)干旱脅迫最敏感;其次是PPO活性和MDA含量;而POD和SOD活性對(duì)干旱脅迫的敏感性相對(duì)較弱。

表7 3個(gè)楊樹品種的抗旱性與葉片5個(gè)生理指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)分析Table 7 Grey relational analysis on drought resistancewith five physiological indexes in leaf of three cultivars of Populus

3 討論和結(jié)論

本研究中,干旱脅迫條件下3個(gè)楊樹品種葉片MDA含量平均值較對(duì)照極顯著升高(P＜0.01),表明各品種的植株對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)強(qiáng)烈;脅迫21 d,品種‘中紅楊’和‘2025’葉片的MDA含量明顯下降,說明植株能通過綜合的調(diào)節(jié)作用來緩解干旱對(duì)機(jī)體造成的傷害;但是,隨著干旱脅迫程度的加劇,MDA含量再次明顯升高,說明持續(xù)干旱可導(dǎo)致植物體機(jī)能衰退,對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力也隨之下降。3個(gè)楊樹品種中,品種‘全紅楊’葉片MDA含量在脅迫4～14 d低于‘中紅楊’和‘2025’,說明品種‘全紅楊’對(duì)干旱脅迫有較強(qiáng)的敏感性,在受到干旱脅迫時(shí)迅速啟動(dòng)保護(hù)防御系統(tǒng);但由于MDA在其葉片中不斷積累,導(dǎo)致脅迫后期其葉片MDA含量明顯高于品種‘中紅楊’和‘2025’,說明‘全紅楊’對(duì)干旱脅迫的抗性較弱,葉片細(xì)胞受到的膜脂過氧化傷害程度最大。

干旱脅迫造成的膜脂過氧化傷害主要指活性氧自由基對(duì)機(jī)體的傷害。因底物濃度升高誘導(dǎo)超氧化物歧化酶(SOD)活性的升高,可將O·2-轉(zhuǎn)化為活性較低的O2和H2O2;過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)則將H2O2轉(zhuǎn)化為H2O,防止機(jī)體受到活性氧自由基的毒害[19-20]。有研究[21-23]證實(shí):干旱等逆境可導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)多酚氧化酶(PPO)活性升高,而PPO活性與植物的抗病性、抗逆性、衰老及生長(zhǎng)發(fā)育均有密切關(guān)系。干旱條件下,抗旱性強(qiáng)的植物體內(nèi)這些保護(hù)酶活性均能維持在一個(gè)較高的水平,以清除細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的活性氧自由基;但當(dāng)脅迫程度超過其耐受閾值時(shí),細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的過量活性氧自由基致使細(xì)胞膜發(fā)生過氧化,進(jìn)而破壞機(jī)體的防御系統(tǒng)[5,11,17]。本研究中,干旱脅迫有效激發(fā)了3個(gè)楊樹品種體內(nèi)的SOD和PPO活性,以保持細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基與防御系統(tǒng)之間的平衡,使植株的防御能力增強(qiáng)。但在干旱脅迫過程中,品種‘全紅楊’和‘2025’葉片的POD活性以及3個(gè)品種葉片的CAT活性均低于對(duì)照,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的H2O2不斷積累,不僅可抑制SOD活性,而且產(chǎn)生的還可通過Harbe-Weiss反應(yīng)生成更穩(wěn)定、更活躍的·OH,對(duì)細(xì)胞造成更嚴(yán)重的氧化損害。干旱脅迫28 d時(shí),3個(gè)楊樹品種葉片的CAT、SOD和PPO活性均急劇下降;雖然POD活性不同程度升高,對(duì)H2O2有一定清除作用,但上升幅度較小,說明干旱脅迫導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)生成過量的自由基且已超越防御系統(tǒng)的清除能力;此外,還可能與植物對(duì)逆境的補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)有關(guān),是植物機(jī)體對(duì)長(zhǎng)期干旱逆境的應(yīng)激動(dòng)力學(xué)反應(yīng),葉片膜脂過氧化程度加重最終將導(dǎo)致細(xì)胞代謝功能紊亂和活力降低。結(jié)合彭淼[24]的研究結(jié)果,本研究中脅迫后期3個(gè)楊樹品種葉片PPO活性大幅下降,說明植物的防御機(jī)制也受到了極大傷害,這是植物生長(zhǎng)發(fā)育停止或走向衰亡的一個(gè)信號(hào)。復(fù)水7 d后,3個(gè)楊樹品種的保護(hù)酶活性大多不能恢復(fù)到正常水平,葉片MDA含量也均極顯著高于對(duì)照;相比較而言,品種‘全紅楊’對(duì)長(zhǎng)時(shí)間干旱脅迫的代償能力最弱。

相關(guān)性分析結(jié)果表明:品種‘全紅楊’葉片的CAT和PPO活性以及品種‘中紅楊’葉片的CAT活性與葉片中的MDA含量均呈極顯著負(fù)相關(guān),說明干旱脅迫條件下二者受到的膜脂過氧化傷害主要來自CAT對(duì)H2O2清除能力下降而引起的活性氧水平升高,同時(shí)品種‘全紅楊’機(jī)體防御能力衰退也與膜脂過氧化程度關(guān)系密切;品種‘中紅楊’葉片的SOD活性與MDA含量呈正相關(guān),推測(cè)存在·OH對(duì)細(xì)胞造成傷害的可能性;而品種‘2025’細(xì)胞膜脂過氧化的加劇則更大程度上與POD活性的下降有關(guān),但相關(guān)性不顯著。

通過隸屬函數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)3個(gè)楊樹品種抗旱性與生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明:3個(gè)楊樹品種的抗旱能力由強(qiáng)至弱依次排序?yàn)椤?025’、‘中紅楊’、‘全紅楊’,并且葉片中的CAT和PPO活性與3個(gè)楊樹品種抗旱性的關(guān)聯(lián)度最大,可作為衡量楊樹抗旱性的首要生理指標(biāo)。

[1] SCHWANZ P,POLLE A.Differential stress responses of antioxidative systems to drought in pendunculate oak(Quercus robur)and maritime pine(Pinus pinaster)grown under high CO2concentrations[J].Journal of Experimental Botany,2001,52:133-143.

[2] JIANG M Y.Generation of hydroxyl radicals and its relation to cellular oxidative damage in plants subjected to water stress[J]. Journal of Integrative Plant Biology,1999,41(3):229-234.

[3] 孫國(guó)榮,彭永臻,閻秀峰,等.干旱脅迫對(duì)白樺實(shí)生苗保護(hù)酶活性及脂質(zhì)過氧化作用的影響[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(1): 165-167.

[4] 姚延梼.華北落葉松營(yíng)養(yǎng)元素及酶活性與抗逆性研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,2006.

[5] 柯世省,金則新.干旱脅迫對(duì)夏臘梅葉片脂質(zhì)過氧化及抗氧化系統(tǒng)的影響[J].林業(yè)科學(xué),2007,43(10):28-33.

[6] 姜英淑,陳書明,王秋玉,等.干旱脅迫對(duì)2個(gè)歐李種源生理特征的影響[J].林業(yè)科學(xué),2009,45(6):6-10.

[7] 桑子陽,馬履一,陳發(fā)菊.干旱脅迫對(duì)紅花玉蘭幼苗生長(zhǎng)和生理特性的影響[J].西北植物學(xué)報(bào),2011,31(1):109-115.

[8] 顏淑云,周志宇,鄒麗娜,等.干旱脅迫對(duì)紫穗槐幼苗生理生化特性的影響[J].干旱區(qū)研究,2011,28(1):139-145.

[9] 王凱紅,劉向平,張樂華,等.5種杜鵑幼苗對(duì)高溫脅迫的生理生化響應(yīng)及耐熱性綜合評(píng)價(jià)[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào),2011, 20(3):29-35.

[10] 令狐昱慰,李汝娟,李思鋒,等.干旱脅迫對(duì)九頭獅子草和圓苞金足草幼苗形態(tài)和生理特性的影響[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22(3):25-32.

[11] 孫程旭,劉立云,李榮生,等.PEG處理對(duì)蛇皮果幼苗的生理響應(yīng)及酶變化研究[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(5): 673-677.

[12] 張綺紋,蘇曉華,李金花,等.美洲黑楊基因資源收存及其遺傳評(píng)價(jià)的研究[J].林業(yè)科學(xué),1999,35(2):31-37.

[13] 李文文,黃秦軍,丁昌俊,等.南方型和北方型美洲黑楊幼苗光合作用的日季節(jié)變化[J].林業(yè)科學(xué)研究,2010,23(2): 227-233.

[14] 李 玲.植物生理學(xué)模塊實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:科學(xué)出版社, 2009.

[15] 林 利.板栗抗旱豐產(chǎn)關(guān)鍵栽培技術(shù)研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,2006:17-18.

[16] 北京林業(yè)大學(xué).統(tǒng)計(jì)學(xué)原理與林業(yè)統(tǒng)計(jì)學(xué)[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,1988:154-164.

[17] 黃承玲,陳 訓(xùn),高貴龍.3種高山杜鵑對(duì)持續(xù)干旱的生理響應(yīng)及抗旱性評(píng)價(jià)[J].林業(yè)科學(xué),2011,47(6):48-55.

[18] 鄧聚龍.灰色預(yù)測(cè)與決策[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社, 1986:103-108.

[19] PINHEIRO H A,DAMATTA F M,CHAVES A R M,et al. Drought tolerance in relation to protection against oxidative stress in clones of Coffea canephora subjected to long-term drought[J]. Plant Science,2004,167:1307-1314.

[20] 李會(huì)欣,吳 明,方炎明,等.NaCl脅迫對(duì)海濱木槿葉片生理特性的影響[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào),2010,19(3):55-61.

[21] SIEGEL M R,SCHARDL C L,PHILLIPS T D.Incidence and compatibility of non-clavicipitaceous fungal endophytes in Festuca and Lolium grass species[J].Mycologia,1995,87:196-202.

[22] 任安芝,高玉葆,陳 悅.干旱脅迫下內(nèi)生真菌感染對(duì)黑麥草葉內(nèi)幾種同工酶的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(7):1323-1329.

[23] 蘇維埃.植物對(duì)溫度逆境的適應(yīng)[M]∥余叔文,湯章城.植物生理與分子生物學(xué).北京:科學(xué)出版社,1999:721-723.

[24] 彭 淼.鈣對(duì)草莓抗旱性機(jī)理的研究[D].長(zhǎng)沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,2007.

(責(zé)任編輯:佟金鳳)

Changes of some physiological indexes in leaf of three cultivars of Populus after drought stress in

soil and rewatering and evaluation on their drought resistance

LIU Yanping1,YANG Qinghuai2,ZHU Yanlin1,①(1.He’nan Academy of Forestry,Zhengzhou 450008,China;2.Forestry Science Institute of Pingqiao District,Xinyang 464100,China),J.Plant Resour.&Environ.2014,23(3):65-73 YANG Shuhong1,SONG Decai1,

Taking annual grafted seedlings of Populus×deltoides‘2025’and its two budmutation colorleaf cultivars of P.×deltoides‘Quanhong’and P.×deltoides‘Zhonghong’as experimentalmaterials, changes of MDA contentand activities of PPO,SOD,CAT and POD in their leaf after drought stress for 0,4,7,14,21 and 28 d and rewatering for 7 d and correlations between MDA content and four enzyme activities were analyzed,and drought resistance of three cultivars was comprehensively evaluated by subordinate functionmethod and grey relational analysismethod.The results show thatwith prolonging of drought stress time,MDA content of three cultivars appears a generally increasing trend and is significantly and extremely significantly higher than thatof their respective controls at themiddle and later treatment stages.On thewhole,PPO and SOD activities firstly increase and then decrease and are higher than those of their respective controls at the earlier and middle treatment stages.CAT acti vity of‘Zhonghong’and‘2025’firstly increases and then decreases,while that of‘Quanhong’decreases continuously,and is extremely significantly and significantly lower than that of their respective controls after treated for 14 d.POD activity of‘Quanhong’and‘2025’firstly decreases and then increases and is lower than that of their respective controls,while that of‘Zhonghong’appears a fluctuant trend but overall with no significant difference in comparison with that of its control.After rewatering for 7 d,MDA content of three cultivars all decreases,while PPO and CAT activities all increase.SOD and POD activities of‘Quanhong’and‘2025’increase,while those of‘Zhonghong’decrease.Under soil drought stress condition,there are only extremely significantly negative correlations between PPO and CAT activities and MDA content in‘Quanhong’and between CAT activity and MDA content in‘Zhonghong’,there is no significant correlation between other enzyme activities and MDA content in all cultivars.Subordinate function average value of‘Quanhong’,‘Zhonghong’and‘2025’is0.482, 0.527 and 0.533,respectively.Accordingly,among three cultivars,drought resistance of‘2025’is the strongest,while that of‘Quanhong’is the weakest.Correlation degree of drought resistance of three cultivars with physiological indexes all is higher than 0.64,in which,thatof drought resistancewith CAT and PPO activities is0.793 and 0.761,respectively.Therefore,CAT and PPO activities can be regarded asmain indexes for evaluating drought resistance of cultivars of Populus.

cultivar of Populus;drought stress;protective enzyme activity;drought resistance; subordinate function method;grey relational analysis

Q945.78;S792.11

A

1674-7895(2014)03-0065-09

10.3969/j.issn.1674-7895.2014.03.09

2014-01-06

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(132300413223)

楊淑紅(1975—),女,黑龍江同江人,本科,高級(jí)工程師,主要從事城市林業(yè)與環(huán)境研究。

①通信作者E-mail:ylzhu198@aliyun.com