秦斐斐,慈敦偉

山東省花生研究所,青島 266100

植物不能像動(dòng)物一樣可以很快地逃避惡劣環(huán)境如強(qiáng)光、高溫、寒冷、干旱、鹽堿、病害等,環(huán)境脅迫嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育,造成作物的嚴(yán)重減產(chǎn)。自然界各種環(huán)境變化對(duì)植物的影響是多變、逐漸積累、重復(fù)或交替發(fā)生的,植物在其生命周期中往往會(huì)遭受多次不同程度的環(huán)境脅迫。通常情況下,單一的環(huán)境脅迫會(huì)給植物造成嚴(yán)重的傷害,如細(xì)胞脫水、膜系統(tǒng)破壞、酶活性受影響、細(xì)胞代謝紊亂,植株生長受到抑制,進(jìn)而影響產(chǎn)量。植物在長期的進(jìn)化中具備了自身調(diào)節(jié)機(jī)制如脅迫感應(yīng)、信號(hào)傳導(dǎo)、基因調(diào)節(jié)、生理改變,以適應(yīng)或記憶過去的脅迫遭遇,并快速地對(duì)環(huán)境變化做出反應(yīng)來抵抗未來的環(huán)境脅迫。因此,研究植物適應(yīng)重復(fù)多變的環(huán)境變化的機(jī)制對(duì)作物生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。最近幾年國內(nèi)外研究提出“脅迫記憶”機(jī)制解釋植物對(duì)多變、積累、重復(fù)或交替發(fā)生的環(huán)境脅迫的自身調(diào)節(jié)和適應(yīng)[1- 6]。植物神經(jīng)生物學(xué)認(rèn)為,植物具有“脅迫記憶智能”,能夠分辨積極和消極的“經(jīng)歷”并“記憶”這種經(jīng)歷,對(duì)再次面臨的環(huán)境變化或脅迫增強(qiáng)抗性[7],這種對(duì)脅迫“記憶”的過程,稱為priming、hardening、conditioning、acclimation等[6,8]。例如,煙草植物經(jīng)茉莉酮酸甲酯預(yù)處理后表現(xiàn)“免疫記憶”,積累尼古丁以應(yīng)對(duì)再次茉莉酮酸甲酯處理[9]。非致死高溫的梯度預(yù)處理增加致死高溫下擬南芥的存活率[10],脅迫濃度的ABA重復(fù)預(yù)處理促使光誘導(dǎo)的氣孔開放[11],強(qiáng)光預(yù)處理增強(qiáng)氧化脅迫和強(qiáng)光脅迫的耐性[12-13],高滲刺激或氧化預(yù)脅迫改變滲透脅迫下Ca2+信號(hào)并伴隨長期的體細(xì)胞記憶和表觀基因組的改變[14-15]。脫水預(yù)處理增加擬南芥[2,3]、玉米[16]葉片保水能力,SA/BABA預(yù)處理增強(qiáng)玉米、黃瓜、水稻幼苗的耐寒性[17],播種前種子鹽水浸泡處理的小麥、西紅柿植株表現(xiàn)明顯的耐鹽性[18-19]。小麥開花前單次或兩次干旱預(yù)刺激減輕后期干旱脅迫帶來的危害從而增加小麥的灌漿[20]。大量研究表明,植物可以識(shí)別并記憶初始脅迫,再次暴露于生物或非生物脅迫時(shí)表現(xiàn)更為迅速和強(qiáng)烈的生理防御以增加其生存的機(jī)會(huì)。對(duì)于生長在干旱和半干旱地區(qū)的作物,干旱頻發(fā)嚴(yán)重影響著作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和品質(zhì)?；ㄉ侵匾挠土虾徒?jīng)濟(jì)作物,屬于抗旱耐瘠的作物,然而每年約有20%的減產(chǎn)由于干旱造成,在栽培的不同年份也容易多次在苗期、開花期等遭遇干旱脅迫。大部分關(guān)于花生干旱或缺水的研究主要集中在單一的干旱條件下,而實(shí)際生產(chǎn)中干旱或缺水環(huán)境是重復(fù)發(fā)生的,前一次的干旱脅迫可能是對(duì)后一次干旱或其他脅迫的馴化?；ㄉ缙诟珊靛憻捒梢蕴岣弋a(chǎn)量已經(jīng)得到實(shí)踐的證實(shí)[21],然而其具體機(jī)制并不清楚。本研究集中在花生苗期對(duì)其進(jìn)行預(yù)干旱-重復(fù)干旱脅迫,研究預(yù)干旱脅迫對(duì)花生幼苗在后一次干旱脅迫下生理響應(yīng)的變化和對(duì)初始干旱的適應(yīng)機(jī)制,揭示其干旱脅迫“記憶”的生理機(jī)制,期望為指導(dǎo)花生的實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試花生品種為“花育20”。于2015—2016年在山東省花生研究所防雨棚內(nèi)進(jìn)行盆栽試驗(yàn),采用直徑23 cm、高18 cm的花盆,每盆裝土3 kg,土壤為砂壤土。選取生物量一致的花生種子(平均0.68 g/粒)播種,4穴/盆,出苗后間苗保留3株長勢相近的幼苗。播種時(shí)間分別為6月12日(2015年)和6月13日(2016年)。

本試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理：1)對(duì)照(Control),正常澆水；2)無預(yù)干旱脅迫的幼苗進(jìn)行干旱脅迫(D)；3)預(yù)干旱脅迫的幼苗進(jìn)行重復(fù)干旱脅迫(DD)。試驗(yàn)為單因素隨機(jī)分組設(shè)計(jì),每組3個(gè)處理,每個(gè)處理9盆,重復(fù)3組,共81盆。設(shè)置土壤含水量控制在田間持水量的75%為對(duì)照,花生出苗后1周開始預(yù)干旱脅迫,控制土壤含水量為田間持水量的35%,預(yù)干旱脅迫時(shí)間為5 d,脅迫結(jié)束后復(fù)水。對(duì)預(yù)干旱脅迫復(fù)水6d后的幼苗進(jìn)行5 d重復(fù)干旱脅迫,控制土壤含水量為田間持水量的35%,同時(shí)對(duì)未經(jīng)預(yù)干旱脅迫的幼苗進(jìn)行5 d干旱脅迫,脅迫結(jié)束后復(fù)水恢復(fù)正常生長。根據(jù)干旱處理時(shí)間,試驗(yàn)劃分為3個(gè)時(shí)期,stage I預(yù)干旱脅迫時(shí)期,stage II重復(fù)干旱脅迫時(shí)期,stage III重復(fù)干旱后復(fù)水時(shí)期。試驗(yàn)處理見表1。采用稱重法控制各處理不同時(shí)期土壤含水量。

表1 試驗(yàn)處理

2 測定項(xiàng)目與方法

2.1 葉片相對(duì)含水量測定

分別在Stage I和Stage II脅迫處理第5天取混合葉片測定葉片相對(duì)含水量,每個(gè)處理樣本重復(fù)數(shù)(n)為6,葉片相對(duì)含水量(LRWC)計(jì)算公式如下：LRWC (%)=(鮮重-干重)×100/(吸水飽和后鮮重-干重)。

2.2 光合曲線和光合滯后的測定

分別在Stage I和Stage II脅迫第5天,Stage III復(fù)水后1天測定光合。參考Xu等[22]的方法,采用CIRAS- 3便攜式光合作用測定系統(tǒng)(PP System, U.S.A.)對(duì)主莖倒1葉分別在0,200,500,800,1200,1600,2000 μmol m-2s-1光強(qiáng)下測定光合速率。對(duì)3次測定光合速率數(shù)據(jù)平均值做光強(qiáng)-光合速率曲線,曲線公式為PN=PC(1-e-KI)-RD,其中PN凈光合速率,PC最大光合勢能,RD暗呼吸速率,K半時(shí)間常數(shù),I光照強(qiáng)度,YQ最大光量子產(chǎn)量(YQ=KPC)。

2.3 氣孔導(dǎo)度和氣孔導(dǎo)度滯后的測定

測定光合速率的同時(shí)測定氣孔導(dǎo)度,氣孔導(dǎo)度-光強(qiáng)曲線公式gS=gC(1-e-αI)-gO,其中g(shù)S氣孔導(dǎo)度,gC最大氣孔導(dǎo)度,gO0 μmol m-2s-1光強(qiáng)時(shí)氣孔導(dǎo)度,α氣孔開度相關(guān)常數(shù),I光照強(qiáng)度。氣孔導(dǎo)度滯后計(jì)算方法同HP。

2.4 脯氨酸測定

參照Bates等[24]和Marin等[25]的酸性茚酸酮測定,稍作修改。0.3g混合葉片經(jīng)5 mL 3%磺基水楊酸100℃水浴10 min作為脯氨酸提取液,脯氨酸提取液∶冰醋酸∶2.5%酸性茚酸酮(1∶1∶1)混合液100℃水浴30 min后冰浴終止反應(yīng),加入4 mL甲苯提取,520 nm測定吸光值。

2.5 超氧陰離子和MDA測定

超氧陰離子參考采用Bissenbaev等[26]羥胺氧化法。MDA采用硫代巴比妥酸法[27]。

2.6 抗氧化酶活性測定

抗氧化酶活性液提取參考Bradford方法[28],SOD參考Beyer和Fridovich[29]和Chakrabarty等[30]NBT法,135 μmol m-2s-1光強(qiáng)下照光5 min。CAT測定參考Beers和Sizer[31]方法,POD參考Khalil等[32]愈創(chuàng)木酚氧化法。

2.7 數(shù)據(jù)處理

用Origin 7.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖,用SAS 8.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果

3.1 重復(fù)干旱提高葉片相對(duì)含水量

預(yù)干旱脅迫影響幼苗的生長發(fā)育,表現(xiàn)明顯的干旱特征,地上部矮小,葉片萎焉,葉片相對(duì)含水量降低到67.30%(圖1)。對(duì)花生幼苗進(jìn)行重復(fù)干旱脅迫,發(fā)現(xiàn)干旱脅迫(D)處理幼苗葉片萎焉的程度比重復(fù)干旱脅迫(DD)處理高,但DD處理植株比D處理更矮小,DD處理葉片相對(duì)含水量(64.82%)顯著高于D處理(53.34%)(圖1)。因此,預(yù)干旱脅迫顯著提高了重復(fù)干旱脅迫下花生幼苗葉片的相對(duì)含水量。

圖1 葉片相對(duì)含水量Fig.1 Leaf relative water content左,預(yù)干旱脅迫5天；右,重復(fù)干旱5天;小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05); 大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

3.2 重復(fù)干旱減少脯氨酸的積累

圖2 花生幼苗葉片脯氨酸含量Fig.2 Proline content in leaves of peanut seedlings大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

花生幼苗在Stage I時(shí)期經(jīng)預(yù)干旱脅迫后,葉片迅速大量積累脯氨酸(471.71 μg/g鮮重)以防御干旱脅迫(圖2)。Stage II重復(fù)干旱脅迫時(shí)期,D處理花生幼苗葉片中脯氨酸含量超過3500 μg/g鮮重,約為對(duì)照的45倍。DD處理葉片中積累的脯氨酸含量(1312.68 μg/g鮮重)僅為D處理的1/3,呈極顯著差異。Stage III復(fù)水后各處理幼苗葉片中脯氨酸含量急劇減少,但DD處理葉片中脯氨酸含量降低到150.42 μg/g鮮重,仍低于D處理(422.75 μg/g鮮重),對(duì)照在3個(gè)時(shí)期脯氨酸水平無明顯差異。

3.3 重復(fù)干旱降低MDA和含量

干旱脅迫可以引起植物體內(nèi)活性氧自由基積累,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過氧化,產(chǎn)生過量MDA,造成細(xì)胞膜系統(tǒng)受到破壞。本試驗(yàn),Stage I預(yù)干旱脅迫增加花生幼苗葉片MDA的積累,比對(duì)照高40.56%(圖3)。Stage II重復(fù)干旱脅迫時(shí)期,D處理葉片中積累的MDA含量是對(duì)照的107.94%,而DD處理葉片中積累的MDA水平僅是D處理的38.19%,甚至比對(duì)照葉片中MDA含量低25.91%,但未達(dá)到極顯著差異。Stage III復(fù)水后,D和DD兩處理MDA降低到與對(duì)照無顯著差異。

2.4 重復(fù)干旱降低抗氧化酶活性

預(yù)干旱脅迫促使花生幼苗啟動(dòng)抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng),本試驗(yàn)測定了SOD、CAT和POD活性,結(jié)果如圖4所示,預(yù)干旱脅迫(Stage I)顯著增強(qiáng)葉片中SOD和CAT活性,POD活性有所增加但與對(duì)照無顯著差異。Stage II重復(fù)干旱脅迫時(shí)期,D處理SOD和POD活性極顯著的高于對(duì)照,分別是對(duì)照的2.45倍和3.62倍,DD處理葉片中SOD和POD活性顯著低于D處理,尤其POD活性降低地更為顯著,僅為D處理的56.43%。DD處理葉片中CAT活性雖低于對(duì)照和D處理,但無顯著差異。Stage III復(fù)水后,D和DD兩處理葉片中SOD活性與對(duì)照無顯著差異,但CAT和POD均低于對(duì)照。

圖3 花生幼苗葉片MDA和含量Fig.3 MDA and contents in leaves of peanut seedlings大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

圖4 花生幼苗葉片抗氧化酶活性Fig.4 Antioxidant enzyme activities in leaves of peanut seedlings大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

3.5 重復(fù)干旱增強(qiáng)葉片光合能力和氣孔導(dǎo)度

3.5.1 光合曲線

光合速率-光強(qiáng)曲線(圖5)可以看出,預(yù)干旱脅迫抑制了花生幼苗葉片的光合作用,表現(xiàn)在降低每個(gè)光強(qiáng)下的光合速率(PN)。在Stage II重復(fù)干旱脅迫時(shí)期,花生幼苗由于受到干旱脅迫的影響光合速率接近于0,經(jīng)過預(yù)干旱脅迫的DD處理葉片光合速率稍高于D處理。Stage III復(fù)水后,兩處理均低于對(duì)照,但DD處理在光強(qiáng)超過500 μmol m-2s-1時(shí)光合速率顯著的高于D處理。

從光合曲線各參數(shù)的結(jié)果(表2)看出,Stage I預(yù)干旱脅迫顯著降低了葉片最大光合勢能(PC)、最大光量子產(chǎn)量(YQ),增強(qiáng)暗呼吸速率(RD)。Satge II時(shí)期,D處理的PC(4.8 μmol m-2s-1)僅為對(duì)照的12.9%；YQ(0.03646 mol/mol)僅為對(duì)照的39.5%；半時(shí)間常數(shù)K(7.58×10-3)代表光合速率達(dá)到最大光合勢能63%時(shí)所用的時(shí)間極顯著大于對(duì)照。與D處理相比,DD處理顯著提高PC和YQ,降低K值。Stage III復(fù)水后,未經(jīng)過預(yù)干旱脅迫的D處理,PC(25.1 μmol m-2s-1)顯著低于對(duì)照(32.8 μmol m-2s-1),而DD處理PC(32.7 μmol m-2s-1)與對(duì)照(32.8 μmol m-2s-1)無顯著差異,D和DD處理YQ均顯著高于對(duì)照,D處理的K值大于對(duì)照,而DD處理的K值與對(duì)照無顯著差異。

3.5.2 光合滯后

花生幼苗在Stage I預(yù)干旱脅迫下測定光合速率,模擬光合曲線,結(jié)果發(fā)現(xiàn)同一處理下,光強(qiáng)從0—2000 μmol m-2s-1增加時(shí)得到的光合曲線,與光強(qiáng)再從2000 μmol m-2s-1逐漸減少到0 μmol m-2s-1時(shí)得到的光合曲線不吻合,兩條曲線所夾的面積不同(圖6)。與光強(qiáng)從低到高逐漸增加時(shí)每個(gè)光強(qiáng)下的PN相比,光強(qiáng)再次從高到低減少時(shí),PN偏高或偏低,即同樣光強(qiáng)下光合曲線并不吻合,這種現(xiàn)象稱為光合滯后[23]。

圖5 花生幼苗葉片光合曲線Fig.5 Photosynthetic response curves in leaves of peanut seedlings

時(shí)期Stages處理Treatment最大光合勢能(PC)Photosyntheticcapacity(PC)/(μmolm-2s-1)暗呼吸(RD)Darkrespiration(RD)/(μmolm-2s-1)最大光量子產(chǎn)量(YQ)Maximumquantumyield(YQ)/(mol/mol)半時(shí)間常數(shù)(K)(×10-3)Halftimeconstant(K)(×10-3)/(m2sμmol-1)I預(yù)干旱對(duì)照30．8A1．3B0．04041a1．31aPre-drought預(yù)干旱23．8B2．1A0．03046b1．28bII重復(fù)干旱對(duì)照37．1a4．0B0．09238A2．49CRecurrentdrought干旱4．8c2．5C0．03646B7．58A重復(fù)干旱7．3b6．1A0．04605B6．30BIII復(fù)水對(duì)照32．8A5．3B0．08462B2．58BRe-watering干旱25．1B7．7AB0．09438A3．76A重復(fù)干旱32．7A9．9A0．09254AB2．83B

各參數(shù)由PN=PC(1-e-KI)-RD計(jì)算得到; 小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

本試驗(yàn)中,Stage I預(yù)干旱脅迫時(shí)期,對(duì)照和預(yù)干旱脅迫處理當(dāng)光強(qiáng)從2000—0 μmol m-2s-1減少時(shí),同一光強(qiáng)下的PN高于從0—2000 μmol m-2s-1增加時(shí)的PN。兩條曲線所夾的面積,即光合滯后面積(定積分值),預(yù)干旱脅迫處理極顯著大于對(duì)照,滯后中值和光合滯后率(HP10.40)均極顯著高于對(duì)照(HP7.37)(表3)。Stage II重復(fù)干旱脅迫時(shí)期,D處理當(dāng)光強(qiáng)從2000—0 μmol m-2s-1降低時(shí)得到的光合曲線,同一光強(qiáng)下PN低于光強(qiáng)從0—2000 μmol m-2s-1增加時(shí)的PN,光合滯后面積(定積分值4067.72)與對(duì)照(4333.13)無顯著差異。而DD處理,由于干旱脅迫導(dǎo)致光合速率極低,但兩條光合曲線重疊性很好,光合滯后面積(2805.36)、滯后中值(1.40)和光合滯后率HP(0.45)均極顯著的低于對(duì)照和D處理。Stage III復(fù)水時(shí)期,DD處理光合滯后面積、滯后中值和滯后率均極顯著低于對(duì)照,D處理復(fù)水后HP為1.25,為3個(gè)處理中最低。

圖6 花生幼苗葉片光合滯后Fig.6 Photosynthetic hysteresis in leaves of peanut seedlings實(shí)心標(biāo)記為各處理光強(qiáng)從0—2000 μmol m-2 s-1增加時(shí)測得的數(shù)據(jù),同一處理空心標(biāo)記為光強(qiáng)從2000—0 μmol m-2 s-1降低時(shí)測得的數(shù)據(jù)

時(shí)期Stages處理Treatment定積分值DefiniteIntegrals積分中值Integralmean滯后中值Hysteresismean光合滯后率HP/%PhotosynthetichysteresisI預(yù)干旱對(duì)照3166．69B21．49A1．58B7．37BPre-drought預(yù)干旱3755．56A18．06B1．88A10．40AII重復(fù)干旱對(duì)照4333．13A31．86A2．17A6．80ARecurrentdrought干旱4067．72A3．98B2．03AB0．51B重復(fù)干旱2805．36B4．49B1．40B0．45BIII復(fù)水對(duì)照7593．18A30．25A3．80A12．55ARe-watering干旱548．90C22．00B0．27C1．25C重復(fù)干旱3962．05B28．91A1．98B6．85B

大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

3.5.3 氣孔導(dǎo)度

干旱和水分虧缺導(dǎo)致花生幼苗葉片失水,影響氣孔開閉。在3個(gè)處理時(shí)期測定光合的同時(shí)測定氣孔導(dǎo)度,分析氣孔導(dǎo)度-光強(qiáng)曲線,結(jié)果如圖7所示。Stage I預(yù)干旱脅迫時(shí)期,正常水分下的對(duì)照和預(yù)干旱脅迫的花生幼苗葉片氣孔導(dǎo)度(gS)隨著光照強(qiáng)度增加與光合曲線相似,符合自然常數(shù)e的負(fù)指數(shù)曲線,由于干旱脅迫,預(yù)干旱脅迫的葉片在每個(gè)光強(qiáng)下的gS均顯著的低于對(duì)照。預(yù)干旱脅迫處理最大氣孔導(dǎo)度gC(0.203)、0光強(qiáng)下氣孔導(dǎo)度gO(0.093)分別極顯著低于對(duì)照gC(0.495)、gO(0.214)(表4)。Stage II重復(fù)干旱脅迫時(shí)期,D和DD兩處理氣孔導(dǎo)度-光強(qiáng)曲線不符合e的負(fù)指數(shù)曲線,隨著光強(qiáng)的增加分別從0光強(qiáng)時(shí)0.126和0.194 mol m-2s-1逐漸降低,與對(duì)照呈明顯的相反趨勢,其中DD處理在各光強(qiáng)下gS均高于D處理。Stage III復(fù)水時(shí)期,D和DD處理各光強(qiáng)下的gS仍低于對(duì)照,gC和gO與氣孔導(dǎo)度曲線結(jié)果一致,均呈現(xiàn)對(duì)照>重復(fù)干旱>干旱。

圖7 花生幼苗氣孔導(dǎo)度Fig.7 Stomatal conductance in leaves of peanut seedlings

時(shí)期Stages處理Treatment最大氣孔導(dǎo)度(gC)Maximumofstomatalconductance(gC)/(molm-2s-1)0光強(qiáng)下氣孔導(dǎo)度(gO)Stomatalconductanceat0lightdensity(gO)/(molm-2s-1)α(×10-3)/(m2smol-1)I預(yù)干旱對(duì)照0．495A0．214A1．56aPre-drought預(yù)干旱0．203B0．093B1．34bII重復(fù)干旱對(duì)照0．818A0．3560．52Recurrentdrought干旱0．126C重復(fù)干旱0．194BIII復(fù)水對(duì)照0．668A0．292A1．27BRe-watering干旱0．329C0．174C0．39C重復(fù)干旱0．480B0．211B1．56A

小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

3.5.4 氣孔導(dǎo)度滯后

葉片氣孔導(dǎo)度滯后曲線與光合滯后曲線相似,Stage II重復(fù)干旱時(shí)期,D處理在光強(qiáng)2000—0 μmol m-2s-1降低時(shí)同一光強(qiáng)下氣孔導(dǎo)度低于0—2000 μmol m-2s-1增加時(shí)的氣孔導(dǎo)度值(圖8)。

表5結(jié)果為各時(shí)期不同處理氣孔導(dǎo)度滯后相關(guān)參數(shù)。預(yù)干旱脅迫處理氣孔導(dǎo)度滯后面積(定積分值)、滯后中值、氣孔導(dǎo)度滯后率(HS)均高于對(duì)照。Stage II重復(fù)干旱時(shí)期和Stage III復(fù)水后,D和DD處理滯后面積和滯后中值極顯著低于對(duì)照,HS值則為干旱>對(duì)照>重復(fù)干旱。

4 討論

葉片失水是植株遇到干旱最直觀的反應(yīng),干旱條件下,生物量優(yōu)先分配給根系,植物可以通過增強(qiáng)根系生長,利于吸收土壤水分以更好地適應(yīng)干旱環(huán)境[33]。本試驗(yàn),初始預(yù)干旱脅迫促使重復(fù)干旱時(shí)花生葉片保持較高的含水量,這一結(jié)果可能與重復(fù)干旱根系并未受到顯著影響有關(guān),根系在預(yù)干旱復(fù)水后仍可以保持較高的吸水能力。也有研究得出相反的結(jié)果,葉片相對(duì)含水量不受上一次干旱脅迫的影響,無法通過根系生物量或吸水機(jī)制得到充分的解釋[34]。

圖8 花生幼苗葉片氣孔導(dǎo)度滯后Fig.8 Hysteresis of stomatal conductance in leaves of peanut seedlings實(shí)心標(biāo)記為各處理光強(qiáng)從0—2000 μmol m-2 s-1增加時(shí)測得的數(shù)據(jù),同一處理空心標(biāo)記為光強(qiáng)從2000—0 μmol m-2 s-1降低時(shí)測得的數(shù)據(jù)

時(shí)期Stages處理Treatment定積分值DefiniteIntegrals積分中值Integralmean滯后中值Hysteresismean氣孔導(dǎo)度滯后率(HS)Hysteresisofstomatalconductance(HS)/%I預(yù)干旱對(duì)照97．97B0．46A0．049B10．71BPre-drought預(yù)干旱139．41A0．23B0．070A29．77AII重復(fù)干旱對(duì)照246．44A0．73A0．123A16．79abRecurrentdrought干旱32．91C0．08C0．016C20．84a重復(fù)干旱59．05B0．20B0．030B14．55bIII復(fù)水對(duì)照115．47a0．59A0．058A9．80BRe-watering干旱76．72c0．31C0．038B12．24A重復(fù)干旱82．93b0．44B0．041B9．45B

小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

光合作用在多次脅迫中的響應(yīng)也存在不同的結(jié)果。無論初始脅迫是中度還是重度脅迫,重復(fù)干旱均可顯著增加光合參數(shù),如蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度、凈光合速率、表觀量子效率、最大凈光合速率[37]。也有試驗(yàn)表明重復(fù)干旱降低凈光合速率、最大量子效率和最大熒光值[34]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,預(yù)干旱脅迫顯著提高花生植株在重復(fù)干旱下凈光合速率、最大光合勢能和最大光量子產(chǎn)量。預(yù)干旱脅迫處理造成氣孔和光合滯后顯著增加,干旱對(duì)植株光合系統(tǒng)光化學(xué)和參與光化學(xué)反應(yīng)的酶造成了脅迫,而重復(fù)干旱比單次干旱明顯減少氣孔導(dǎo)度和光合速率滯后。光強(qiáng)從弱光到強(qiáng)光時(shí)需要一定時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定,即出現(xiàn)光強(qiáng)滯后期。植物葉片的光合滯后現(xiàn)象原因之一由于光對(duì)酶的誘導(dǎo)活化和光合中間產(chǎn)物及CO2受體增生的反饋抑制,另一原因由于氣孔開度延長滯后時(shí)間影響氣體傳導(dǎo)[38-39]。光合滯后反映了葉片光合系統(tǒng)光化學(xué)反應(yīng)、參與光合作用的酶等活性,間接表明植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力[22]。一般情況下,當(dāng)植株生長環(huán)境好、植株健壯的條件下,當(dāng)光強(qiáng)從低到高增加時(shí)的光合曲線會(huì)與高光強(qiáng)到低光強(qiáng)減弱時(shí)的光合曲線基本吻合。植物光合滯后通常發(fā)生在衰老或脅迫環(huán)境下,氣孔比正常條件下更難完全張開,滯后越嚴(yán)重表明植株受到的脅迫影響越大。因此,本試驗(yàn)中葉片氣孔和光合滯后率的降低說明預(yù)干旱脅迫在光化學(xué)反應(yīng)、光合酶活性和氣孔開度上提高了植株對(duì)重復(fù)干旱脅迫的適應(yīng)或抵抗能力,表現(xiàn)增強(qiáng)的光保護(hù)作用。

目前,關(guān)于植物對(duì)多種逆境的適應(yīng)和自身抵御雖然受到廣泛關(guān)注,并大量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,但其適應(yīng)機(jī)制尚不清楚。Boussiba等[44]提出“交叉適應(yīng)”(cross adaptation)機(jī)制,植物在經(jīng)歷初發(fā)逆境后,能提高對(duì)次生或后生逆境的抵抗能力。近幾年的研究提出“脅迫記憶”機(jī)制,植物對(duì)重復(fù)脅迫在生理、生化水平上的自身抵御和印記,可能與耐受基因的轉(zhuǎn)錄有關(guān)[1]。植物在前期受過鍛煉或經(jīng)歷過脅迫后可能通過轉(zhuǎn)錄因子的積累,在后期感知脅迫后增加防御基因的表達(dá)[45-46]。重復(fù)干旱脅迫發(fā)現(xiàn)除干旱響應(yīng)基因外,還存在記憶基因、非記憶基因和后響應(yīng)基因3類干旱誘導(dǎo)基因在重復(fù)干旱脅迫中發(fā)揮作用,其中記憶基因在后期脅迫反應(yīng)中轉(zhuǎn)錄水平更明顯[2-4]。另一種機(jī)制解釋為脅迫可使DNA甲基化,引起表觀遺傳印記的發(fā)生,這種印記是可遺傳的[1,5-6,8]。未來的研究將在分子和生物化學(xué)水平上進(jìn)一步解釋重復(fù)脅迫的適應(yīng)和記憶響應(yīng)機(jī)制。

5 結(jié)論

花生苗期預(yù)干旱脅迫提高植株重復(fù)干旱脅迫下葉片含水量,減輕重復(fù)干旱對(duì)植株造成的生理傷害,在光合作用上提高對(duì)重復(fù)干旱的抵御能力,并在復(fù)水后快速恢復(fù)到正常水分條件下植株生長水平?；ㄉ仓昕捎∮涱A(yù)干旱脅迫的生理響應(yīng),再次暴露于干旱脅迫時(shí)表現(xiàn)更為迅速和強(qiáng)烈的生理防御和快速的生理恢復(fù)機(jī)制。在生產(chǎn)實(shí)踐中,可利用這種脅迫記憶機(jī)制進(jìn)行抗旱鍛煉。

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