牛素貞,宋勤飛,樊衛(wèi)國,陳正武

1 貴州大學(xué)茶學(xué)院,貴陽 550025 2 貴州大學(xué)茶葉工程技術(shù)研究中心,貴陽 550025 3 貴州省果樹工程技術(shù)研究中心,貴陽 550025 4 貴州省茶葉研究所,貴陽 550025

干旱脅迫對喀斯特地區(qū)野生茶樹幼苗生理特性及根系生長的影響

牛素貞1,2,宋勤飛1,2,樊衛(wèi)國3,*,陳正武4

1 貴州大學(xué)茶學(xué)院,貴陽 550025 2 貴州大學(xué)茶葉工程技術(shù)研究中心,貴陽 550025 3 貴州省果樹工程技術(shù)研究中心,貴陽 550025 4 貴州省茶葉研究所,貴陽 550025

以貴州喀斯特地區(qū) 4 種野生茶樹(SectThea(L.) Dyer)無性系幼苗為材料,采用盆栽控水方法研究其對干旱脅迫的生理生長響應(yīng),初步評價(jià)其抗旱性,并采用田間模擬持續(xù)干旱試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：(1)隨著干旱脅迫程度的加強(qiáng),4 種野生茶樹葉片的相對含水量逐漸降低；細(xì)胞質(zhì)膜透性、丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量均呈上升趨勢；游離脯氨酸含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性先升后降；過氧化物酶(POD)活性除禿房茶隨脅迫程度加強(qiáng)呈上升趨勢外,其他種均呈先升后降趨勢。(2)隨著干旱脅迫程度的加強(qiáng),4 種茶樹幼苗總生物量干重均逐漸下降,根冠比先升后降；根系總長除在禿房茶中呈先升后降趨勢外,在其他3個(gè)種中均逐漸下降；根系總表面積、根系總體積在大理茶和茶中逐漸下降,而在大廠茶和禿房茶中先升后降；根系平均直徑在禿房茶中逐漸降低,大廠茶中先升后降,茶中逐漸升高；根系活力在大理茶中逐漸下降,在其他 3 種中均先升后降；而比葉面積則在大廠茶中呈下降趨勢,在其他3種中均先升后降。(3)基于生長生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)抗旱性評價(jià)結(jié)果表明,MDA 含量和細(xì)胞質(zhì)膜透性與野生茶樹抗旱性密切相關(guān),4 種野生茶樹幼苗的抗旱順序?yàn)槎d房茶(CamelliagymnogynaChang)>大廠茶(CamelliatachangensisF. C. Zhang)>茶 (CamelliaSinensis(L.)-O. Kuntze)>大理茶(Camelliataliensis(W. W. Smish)),田間持續(xù)干旱試驗(yàn)驗(yàn)證了基于隸屬函數(shù)抗旱性評價(jià)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

干旱脅迫；野生茶樹;生理特性；根系生長

中國西南喀斯特地區(qū)分布著大量的野生茶樹資源[1],長期以來這些資源被當(dāng)?shù)厝藗冏鳛轱嬃侠谩＝陙?野生茶樹植物資源在貴州等西南部地區(qū)受到重視,但在喀斯特山區(qū)因土壤淺薄、保水能力弱,生長中局部和臨時(shí)性干旱頻繁[2],導(dǎo)致野生茶樹種質(zhì)資源的科學(xué)開發(fā)和利用受到影響。

干旱脅迫條件下,木本植物的生理反應(yīng)主要表現(xiàn)在葉片含水量的下降及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的改變以及抗氧化酶活性、光合調(diào)節(jié)、激素含量的變化等方面[3- 5]。研究顯示,茶樹對干旱脅迫反應(yīng)敏感,干旱條件下,植株光合作用、氣孔特性及葉片抗氧化系統(tǒng)物質(zhì)均受到不同程度的影響,使茶樹受到傷害[6- 7]。郭春芳等[8]通過對鐵觀音和福鼎大白茶的抗旱性研究得出,茶樹葉片活性氧的產(chǎn)生速率加快,細(xì)胞膜透性增大,MDA含量上升,鐵觀音SOD、POD的活性在輕度、中度水分脅迫下上升,在重度水分脅迫下下降；而福鼎大白茶的保護(hù)酶活性和抗氧化劑含量在輕度水分脅迫下上升,在中度、重度水分脅迫下下降。這與梁建萍等[9]認(rèn)為生理指標(biāo)與水分處理之間有很強(qiáng)的相關(guān)性的觀點(diǎn)一致。由此可知,茶樹干旱脅迫生理與其他木本植物具有一定共性。根系作為植物水分吸收主要器官,干旱來臨時(shí)最先感知,并迅速產(chǎn)生化學(xué)信號向上傳遞以促使氣孔關(guān)閉,減少水分散失[10]；同時(shí)根系還可通過自身形態(tài)和生理特征的調(diào)整來適應(yīng)變化后的水分環(huán)境[11]。如將根系與葉片生理指標(biāo)相聯(lián)系,能更好地研究植物對干旱脅迫的適應(yīng)性。為此,本文立足于貴州喀斯特地區(qū)豐富的野生茶樹資源,選取4種野生茶樹無性系幼苗通過盆栽控水法設(shè)置不同程度的水分處理,比較這些資源在土壤干旱脅迫下的生理生化特性、根系生長特征和生物量的變化,并用隸屬函數(shù)加權(quán)平均值進(jìn)行抗旱性綜合評價(jià),同時(shí)通過田間模擬持續(xù)干旱試驗(yàn)對其加以驗(yàn)證,以期為喀斯特地區(qū)野生茶樹種質(zhì)資源的保護(hù)、利用以及抗旱育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

材料(表1)來自于貴州喀斯特地區(qū)4種野生茶樹種質(zhì)資源。參考陳亮等[12]的分類方法,4 種資源分別為大理茶Camelliataliensis(W. W. Smish)、大廠茶CamelliatachangensisF. C. Zhang、茶Camelliasinensis(L.)-O.Kuntze、禿房茶CamelliagymnogynaChang。

1.2 盆栽控水試驗(yàn)方法

水分脅迫設(shè) 4 個(gè)水分梯度。CK：對照組(相對含水量為75%±2.5%)；T1：輕度脅迫(相對含水量為55%±2.5%)；T2：中度脅迫(相對含水量為40%±2.5%)；T3：重度脅迫(相對含水量為25%±2.5%)[8],每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。

試驗(yàn)土壤取自貴州大學(xué)茶學(xué)試驗(yàn)茶園。黃壤, pH4.53、有效磷 6.6 mg/kg、有機(jī)質(zhì) 10.68 g/kg、堿解氮 22.63 mg/kg、速效鉀 140 mg/kg、有效鐵 1.99 mg/kg、交換鈣 40.51 mg/kg、交換鎂 21.8 mg/kg、有效錳 12.73 mg/kg、有效銅 0.19 mg/kg、有效鋅 0.54 mg/kg、有效硫 30 mg/kg。

2011年 11月,選取在貴州大學(xué)茶學(xué)試驗(yàn)基地長勢一致的 1 年生野生茶樹扦插苗,移栽至黑色塑料桶中,每桶 5 株。于露天環(huán)境中常規(guī)管理。移栽時(shí),選取重量均為 0.88 kg、容積 36 L的黑色塑料桶,向桶內(nèi)移栽茶苗時(shí)共裝土 26 kg,并在桶內(nèi)打孔處用細(xì)棉布隔擋,防止?jié)菜畷r(shí)土壤流失。同時(shí)參考齊曼·尤努斯等[13]的方法,另取一定量的土裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室,檢測并計(jì)算土壤含水量、土壤相對含水量、飽和水土壤重量。根據(jù)土壤含水量、相對含水量、飽和水土壤重量、裝濕土重量、桶重以及移栽 5 棵茶苗的重量計(jì)算出每個(gè)處理每個(gè)重復(fù)達(dá)到所設(shè)定的相對含水量時(shí)的桶重。

2012 年 7 月 27 日,將材料置于遮雨棚中,對各桶進(jìn)行充分灌水使桶內(nèi)土壤含水量基本達(dá)到飽和,之后不澆水,讓桶內(nèi)水分自然消耗至所設(shè)定的相對水分含量,于 2012 年 8 月 1 日各處理均達(dá)到設(shè)定的土壤相對含水量,此時(shí)開始水分脅迫處理。采用每日稱重法控水[13],于每天 8：00 稱桶重并記錄(忽略不同盆間生物量的變化),根據(jù)各處理達(dá)到相對含水量時(shí)計(jì)算出的桶重減去當(dāng)天所稱桶重,得出每天蒸發(fā)失水重量,進(jìn)行補(bǔ)水,使土壤含水量控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。其他管理按常規(guī)進(jìn)行。于 2012 年 9月 15 日取樣進(jìn)行生理指標(biāo)的測定,2012 年 10 月 1 日進(jìn)行生長指標(biāo)的測定。

表1 供試茶樹種質(zhì)資源

1.3 測定方法

1.3.1 生理生化指標(biāo)

隨機(jī)采集足夠量的茶樹幼苗上第 4—5 片成熟葉(幼苗中部),立即測定葉片相對含水量、相對電導(dǎo)率、丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)、可溶性糖含量以及 SOD、POD 活性。葉片相對含水量、相對電導(dǎo)率和 MDA含量參考陳文榮等[14]的方法；可溶性糖含量參考劉立軍等[15]方法；SOD 活性和 POD 活性參考史小玲等[16]的方法；根系活力參考齊曼·尤努斯等[13]的方法。每個(gè)材料重復(fù) 3 次。

1.3.2 生長指標(biāo)

生物量及根系指標(biāo)參考何躍軍和鐘章成[17]的方法：處理結(jié)束后,澆透水,破桶后取出完整植株,用流水小心沖洗根系,待沖洗干凈后,從基部第一側(cè)根處截取根系,用 EPSON4990 掃描儀記錄根系形態(tài),然后用 Epson Express1000XL1.0 分析根系總表面積、根系總體積、根系平均直徑及根系總長。掃描完成后,將各處理根系及地上部分在 105℃ 殺青 30 min,然后在 80℃ 下烘 48 h,稱量根系生物量干重和地上部分生物量干重,計(jì)算總生物量干重和根冠比。

1.4 抗旱性的隸屬函數(shù)分析

隸屬函數(shù)計(jì)算方法：與抗逆性呈正相關(guān)的參數(shù)葉片相對含水量、SOD活性、POD活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量、根冠比、根系活力和比葉面積采用公式：Uij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),與抗逆性呈負(fù)相關(guān)的參數(shù)電導(dǎo)率、MDA含量采用公式：Uij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)[18- 19]。式中Uij表示i種類j指標(biāo)的抗旱隸屬函數(shù)值；Xij表示i種類j指標(biāo)的測定值；Xjmin表示所有種類j指標(biāo)的最小值；Xjmax表示所有種類j指標(biāo)的最大值；i表示某個(gè)品種；j表示某項(xiàng)指標(biāo)。

權(quán)重應(yīng)用客觀賦權(quán)法進(jìn)行計(jì)算：Ij=Cj/Sj,其中,Ij是一個(gè)無量綱數(shù),表示某評價(jià)指標(biāo)在干旱脅迫下的測定值相對于對照組的比值。Cj是第j個(gè)指標(biāo)對照組的測定值,Sj表示第j個(gè)指標(biāo)在某個(gè)脅迫處理下所測定的平均值。如果是負(fù)相關(guān),則計(jì)算式為Ij=Sj/Cj。最后通過歸一化,計(jì)算出每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：Wj=Ij/∑Ij[20]。綜合評價(jià)值：D=(Uij×Wj),D值越大,抗旱性越強(qiáng)；反之越弱。

1.5 田間模擬干旱試驗(yàn)

1.5.1 田間模擬干旱試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取位于貴州大學(xué)試驗(yàn)茶園作為試驗(yàn)地。于2011年11月將上述 4 種野生茶樹 1年生的扦插苗(苗高約15 cm)按隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)進(jìn)行寬窄雙行種植,株行距為1.5 m×0.3 m×0.3 m,每小區(qū)種植 20株,每個(gè)種設(shè)置3個(gè)重復(fù),正常除草施肥,待根系長穩(wěn)后,于2012年3月進(jìn)行遮雨處理,當(dāng)土壤含水量低于25%田間持水量時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水至25%—35%之間,共補(bǔ)水8次。于2012年11月統(tǒng)計(jì)植株死亡率、株高增長量等指標(biāo)。于2013年11月重復(fù)2011年移栽試驗(yàn),并在2014年3月重復(fù)進(jìn)行2012年遮雨處理試驗(yàn)。

1.5.2 土壤含水量測定及補(bǔ)水量計(jì)算方法

土壤含水量測定及補(bǔ)水量計(jì)算參考霍治國等[21]的方法：采用 TZS- 1K 土壤水分測定儀測定土壤含水量,測定深度為 0—60 cm。測定土層厚度間距為 10 cm；測定時(shí)間是在水分控制時(shí)段內(nèi)每 7 d 測定 1 次。

補(bǔ)水量計(jì)算：

Q=S×P/1000

式中,P為補(bǔ)水量(mm)；可折算成立方米進(jìn)行補(bǔ)灌。ρ為試驗(yàn)基地地段實(shí)測土壤容重(g/cm3)；h為測定土層厚度(cm)；r是 2 個(gè)土壤水分處理等級,分別為 25%、35%；W為土壤重量含水率(%)；T為試驗(yàn)基地地段實(shí)測田間持水量(%)；n為土壤補(bǔ)水量計(jì)算層數(shù),n=6；Q為小區(qū)灌溉需水量(mm)；S為小區(qū)面積(m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對野生茶樹幼苗葉片生理的影響

隨著水分脅迫程度的加強(qiáng),4 種野生茶樹葉片的相對含水量也逐漸降低。在輕度、中度和重度干旱脅迫條件(相對含水量分別為田間持水量的55%、40%和25%)下,4 種野生茶樹幼苗的葉片相對含水量與對照組相比均顯著下降(P<0.05)。在重度干旱脅迫下,4 種野生茶樹幼苗葉片含水量的差異進(jìn)一步擴(kuò)大,禿房茶葉片相對含水量最高,大理茶的葉片相對含水量最低,分別為76.3%、55.1% (表2)。隨著水分脅迫程度的加強(qiáng),4 種野生茶樹幼苗葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性和 MDA 含量均呈顯著上升趨勢(P<0.05) (表2),大理茶和茶的細(xì)胞質(zhì)膜透性和 MDA 含量增加幅度較大,說明其膜系統(tǒng)傷害較大；禿房茶和大廠茶細(xì)胞質(zhì)膜透性和 MDA 含量增加幅度較小,說明其膜系統(tǒng)傷害較小。

隨著干旱脅迫程度的加重,4 種野生茶樹幼苗葉片的游離脯氨酸含量存在先升后降的趨勢,且均顯著高于對照(P<0.05)。茶、大廠茶和禿房茶游離脯氨酸含量在中度脅迫下達(dá)到最大值,大理茶游離脯氨酸含量在輕度脅迫下達(dá)到最大值。在輕度、中度、重度脅迫下,大理茶游離脯氨酸含量分別是對照的 1.54、1.44、1.05 倍,大廠茶分別是對照的 1.72、2.15、1.62 倍,茶分別是對照的 1.17、1.54、1.20 倍,禿房茶分別是對照的 1.91、2.42、1.92 倍。在重度干旱脅迫下種間的游離脯氨酸含量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

可溶性糖含量隨著干早脅迫程度的加強(qiáng)呈上升趨勢,均顯著大于對照(P<0.05)。在輕度、中度和重度干早脅迫下,大理茶葉片可溶性糖含量分別是對照的 1.19、1.42、2.66 倍,大廠茶分別是對照的 1.13、1.27、2.14 倍,茶分別是對照的 1.20、1.40、2.10 倍,禿房茶分別是對照的1.41、1.51、1.84 倍。在輕度、中度干旱脅迫下 4 種野生茶樹幼苗可溶性糖含量增幅均較小,在重度干旱脅迫下,除禿房茶外,其他 3 個(gè)種可溶性糖含量增幅較大,均是對照的 2 倍以上。

表2 干旱脅迫對野生茶樹幼苗葉片生理的影響

同列相同字母者表示無顯著差異

SOD 活性隨著干旱脅迫程度的加重呈先升后降趨勢；大理茶和茶 SOD 活性的峰值出現(xiàn)在輕度脅迫下,分別比對照增加了 5.24%和9.77%；大廠茶和禿房茶 SOD 活性的峰值出現(xiàn)在中度脅迫下,分別比對照增加了3.23%和10.99%；其后隨著脅迫程度的加重,SOD 活性降低,在重度脅迫下僅禿房茶 SOD 活性顯著高于對照外,其他 3 個(gè)種 SOD 活性顯著低于對照。說明一定程度干旱脅迫可誘導(dǎo)茶樹葉片 SOD 活性增強(qiáng),有效清除氧自由基,阻止膜的過氧化；但當(dāng)超過一定脅迫強(qiáng)度后,SOD 活性降低并導(dǎo)致氧自由基積累,膜的完整性遭到破壞；并且不同的茶樹種類,在同一水平干旱脅迫下的受害程度存在顯著差異(P<0.05)。

與對照相比,除禿房茶 POD 活性隨脅迫程度的加大呈上升趨勢外,其他野生茶樹幼苗葉片中 POD活性均為先升高后降低趨勢。大理茶 POD 活性的變化幅度較小,其峰值出現(xiàn)在輕度脅迫下,比對照增加了 77.15%,差異顯著(P<0.05),在中度和重度脅迫下大理茶 POD 活性顯著低于對照(P<0.05)；大廠茶和茶 POD 活性在中度脅迫下最高,顯著高于對照(P<0.05),分別是對照的 2.12、1.57 倍,在重度脅迫下大廠茶和茶 POD 活性開始下降,但仍顯著高于對照(P<0.05)。4 種野生茶樹幼苗葉片 POD 活性變化顯示,茶最高,大理茶最低。

2.2 水分脅迫對野生茶幼苗生物量和根系指標(biāo)的影響

表 3 結(jié)果表明,大理茶對照組生物量顯著高于其他 3 個(gè)種,在輕度、中度和重度水分脅迫下,大理茶干物質(zhì)積累量分別比對照降低了 24.69%、36.33%、51.61%；隨著干旱脅迫的加強(qiáng),大理茶根系總表面積、根系總體積、根系總長和根系活力呈顯著下降趨勢；比葉面積在輕度干旱脅迫下的變化差異不顯著,在中度和重度干旱脅迫下顯著低于對照；根系平均直徑均顯著高于對照,根冠比與對照的差異不顯著。表明輕度、中度和重度干旱脅迫均阻礙了大理茶的地上部分和地下部分正常生長。

大廠茶對照組總生物量顯著低于其他3個(gè)種,在輕度、中度和重度脅迫下,大廠茶分別比對照降低了23.75%、30.40%、40.62%；在輕度脅迫下,大廠茶根冠比、根系總長、根系平均直徑、根系總體積以及根系活力均顯著高于對照,表明大廠茶對輕度干旱脅迫有較強(qiáng)的適應(yīng)性,并通過優(yōu)先滿足根系生長和增加根系活力適應(yīng)干旱脅迫；在中度脅迫下大廠茶根冠比、根系平均直徑和根系活力顯著高于對照,表明在中度脅迫下也可以通過加快根系物質(zhì)的運(yùn)輸,從而保持一定的根系吸水能力,緩解干旱傷害；重度脅迫下,大廠茶根冠比、根系活力、比葉面積及根系形態(tài)指標(biāo)均顯著低于對照,嚴(yán)重受害。

在輕度、中度和重度脅迫下,茶生物量分別比對照降低了18.46%、44.61%、54.77%；在輕度脅迫下茶的比葉面積、根冠比、根系平均直徑和根系活力顯著高于對照；中度和重度干旱脅迫下比葉面積顯著高于對照,總生物量干重、根系各指標(biāo)均顯著低于對照。

在輕度、中度和重度水分脅迫下,禿房茶總生物量干重分別比對照降低了1.07%、4.09%、34.54%；在輕度和中度脅迫下,干物質(zhì)積累量均與對照差異不顯著,比葉面積、根系總表面積、根系總體積、根系總長和根系活力顯著高于對照,根系平均直徑顯著低于對照；在重度脅迫下比葉面積、根系總體積、根系總長顯著高于對照,根系平均直徑和根系活力顯著低于對照,根冠比和根系總表面積與對照差異不顯著,表明禿房茶在輕度、中度干旱脅迫下均能通過根系形態(tài)的變化保持較高的根系吸水能力,保證在干旱狀態(tài)下的正常生長。在重度干旱脅迫下可以通過比葉面積、根系總體積、根系總長的增加保持一定的根系吸水能力,減少傷害。

表3 干旱脅迫對野生茶樹幼苗生物量和根系指標(biāo)的影響

同列相同字母者表示無顯著差異

2.3 野生茶樹幼苗抗旱性的綜合評價(jià)

以 10 個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)加權(quán)平均值對 4 種野生茶樹種質(zhì)資源抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)(表4)。從權(quán)重Wj方面測算出的與野生茶樹抗旱性最為密切的2個(gè)指標(biāo)依次為：MDA、電導(dǎo)率(平均權(quán)重均大于 0.1)?？购敌皂樞蚍謩e為禿房茶 >大廠茶 >茶 >大理茶。其中,4 種野生茶樹種質(zhì)資源中禿房茶的隸屬函數(shù)加權(quán)平均值為 0.936,為具有強(qiáng)抗旱特性的野生茶樹種質(zhì)資源；其次是大廠茶,其隸屬函數(shù)值為 0.801,屬于較強(qiáng)抗旱的野生茶樹種質(zhì)資源；大理茶的隸屬函數(shù)加權(quán)平均值僅為 0.032,為耐旱性最差的材料。

表4 野生茶樹的抗旱性綜合評價(jià)

2.4 田間持續(xù)干旱試驗(yàn)結(jié)果

兩年的田間持續(xù)干旱試驗(yàn)結(jié)果表明,干旱對 4種野生茶樹幼苗均有不同程度的傷害(表5)。禿房茶的傷害程度最小,死亡率最低,株高凈增量顯著高于其他種；其次是大廠茶和茶,其旱死率較低。干旱對大理茶傷害最大, 2012年旱死率為59.17%±6.09%,2014年旱死率為55.00%±1.53%,株高凈增量均小于4 cm。田間模擬持續(xù)干旱試驗(yàn)結(jié)果與各指標(biāo)綜合評價(jià)結(jié)果(表4)基本一致,進(jìn)一步印證了4種野生茶樹種質(zhì)資源抗旱性是禿房茶>大廠茶>茶>大理茶。

表5 田間栽培條件下干旱對4種野生茶樹幼苗的生長影響

同列相同字母者表示無顯著差異

3 結(jié)論與討論

3.1 干旱脅迫對葉片生理指標(biāo)的影響

在干旱條件下,植株的葉片持水力越強(qiáng),細(xì)胞膜受到的傷害程度越小,抗旱性越強(qiáng)[22- 23]。本研究中4種野生茶樹幼苗的相對含水量隨干旱脅迫程度的加強(qiáng)而逐漸降低,在中度和重度干旱脅迫下禿房茶和大廠茶細(xì)胞膜受害較小,大理茶和茶細(xì)胞膜受害較大。細(xì)胞膜受到傷害后,會(huì)引起膜上激發(fā)能的上升而發(fā)生能量過剩,產(chǎn)生過量的活性氧,若不及時(shí)清除會(huì)造成氧化脅迫,引起膜脂過氧化產(chǎn)物(MDA)和質(zhì)膜透性增加,導(dǎo)致膜系統(tǒng)受到破壞[24]。隨著葉片相對含水量下降,細(xì)胞膜受損產(chǎn)生活性氧的同時(shí),植物細(xì)胞也會(huì)啟動(dòng)清除活性氧的保護(hù)酶系統(tǒng)[25]。SOD、POD是活性氧防御系統(tǒng)的關(guān)鍵酶,擔(dān)負(fù)著清除自由基的重要功能,避免膜傷害[26]。干旱條件下,酶活性越高,植物的抗旱性越強(qiáng)[11,27]。同時(shí)植物還會(huì)通過積累一些可溶性物質(zhì)進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)適應(yīng)干旱脅迫[28]?？扇苄蕴呛陀坞x脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[10],當(dāng)植物遭受干旱脅迫時(shí),植物細(xì)胞通過脯氨酸和可溶性糖的積累進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),從而阻止細(xì)胞膜解離,增強(qiáng)細(xì)胞保水能力,穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu),防止細(xì)胞脫水[29]。本研究結(jié)果顯示,隨著干旱脅迫程度的加強(qiáng),4種野生茶樹幼苗葉片質(zhì)膜透性、MDA含量和可溶性糖含量逐漸升高,脯氨酸含量、SOD活性先升后降,POD活性除禿房茶逐漸顯著升高外,其他3個(gè)種先升高后降。說明4種野生茶樹均誘導(dǎo)啟動(dòng)了滲透調(diào)節(jié)機(jī)制和保護(hù)酶系統(tǒng)適應(yīng)干旱脅迫。但是隨著干旱脅迫程度的加強(qiáng),滲透調(diào)節(jié)機(jī)制和保護(hù)酶系統(tǒng)逐漸會(huì)受到抑制。禿房茶、大廠茶的質(zhì)膜透性和MDA含量提高的幅度較小,在中度干旱脅迫下均達(dá)到最大值,隨后降低。大理茶和茶的質(zhì)膜透性和MDA含量提高的幅度較大,在輕度干旱脅迫下達(dá)到最大值,隨后逐漸降低。表明大理茶和茶對干旱脅迫敏感,禿房茶和大廠茶對干旱脅迫不敏感,尤其是禿房茶,其POD活性隨著脅迫程度的加強(qiáng)而逐漸增加,在重度干旱脅迫下POD的活性沒有受到抑制,說明適應(yīng)干旱脅迫能力比其他三個(gè)種強(qiáng)。

3.2 干旱脅迫對根系指標(biāo)、比葉面積及總生物量的影響

根系是植物吸收水分的主要器官,干旱來臨時(shí)最先感知,并通過自身形態(tài)特征的調(diào)整來適應(yīng)變化后的水分環(huán)境[30]；而根、冠關(guān)系是植物受遺傳和環(huán)境因素表現(xiàn)出的互作綜合效應(yīng)。Magnani等[31]指出,當(dāng)根、冠結(jié)構(gòu)與功能處于均衡狀態(tài)時(shí),二者生長比例協(xié)調(diào),資源利用效率較高。本研究表明,干旱脅迫抑制了野生茶樹幼苗的干物質(zhì)積累和根系生長,但4個(gè)種表現(xiàn)出明顯的差異。其中,大理茶的地上部分和根系生長均受到顯著抑制,在輕度干旱時(shí)的抗旱調(diào)節(jié)能力較弱,干旱極易對其造成危害。大廠茶在輕度脅迫下,通過增加根系形態(tài)指標(biāo)、地下部分物質(zhì)的量的運(yùn)輸以及根系活力來適應(yīng)土壤水分的降低,在中度脅迫下是通過顯著增加根系平均直徑、根系活力來補(bǔ)償根系吸收面積的減小,從而保持一定量的根系吸水能力,緩解干旱對生長的抑制。茶僅在輕度脅迫下通過增加根系平均直徑和根系活力的途徑緩解干旱帶來的傷害,對中度和重度水分脅迫應(yīng)對能力較差,以致于生長受到嚴(yán)重抑制。禿房茶在輕度、中度干旱脅迫下均能通過根系形態(tài)的變化維持較高的根系吸水能力,保證在干旱狀態(tài)下的正常生長。在重度干旱脅迫下通過根系形態(tài)的變化保持一定的根系吸水能力,從而避免地上部生長過度受抑,減輕干旱的危害。

表明禿房茶在輕度、中度干旱脅迫下均能通過根系形態(tài)的變化保持較高的根系吸水能力,保證在干旱狀態(tài)下的正常生長。在重度干旱脅迫下可以通過比葉面積、根系總體積、根系總長的增加保持一定的根系吸水能力,減少傷害。

3.3 野生茶樹幼苗的抗旱性綜合評價(jià)

Michael[32]、Pucholt[33]的研究認(rèn)為樹木抗旱性是受復(fù)雜的多種因素綜合的影響,是通過多個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn),目前尚未有一個(gè)合適的、統(tǒng)一的評價(jià)方法[34]。對于農(nóng)作物的抗旱評價(jià),應(yīng)用較多的有抗旱系數(shù)、傷害指數(shù)和敏感指數(shù)[34-35],但這些方法均以產(chǎn)量性狀為主,須收獲后才能進(jìn)行評價(jià),而茶樹作為木本植物,測定成齡茶園產(chǎn)量周期較長,以上方法不宜應(yīng)用于這類多年生木本植物的篩選。因此本研究中選用苗期作為試驗(yàn)材料,相對于其他生長周期,苗期鑒定耐旱性具有時(shí)間短、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10]。本研究中,4種野生茶樹幼苗葉片的幾個(gè)指標(biāo)間變化趨勢呈現(xiàn)出不一致性,可見,僅從單一因素來評價(jià)植物的抗旱性,存在一定程度的局限性。而隸屬函數(shù)分析可以在一定程度上提高鑒定的準(zhǔn)確性[23,36]?？紤]到干旱脅迫對各個(gè)指標(biāo)的影響程度存在差異,本研究中選用了客觀賦權(quán)法來評價(jià)各指標(biāo)的權(quán)重并通過隸屬函數(shù)結(jié)合權(quán)重計(jì)算出綜合抗旱值。結(jié)果顯示4種野生茶樹幼苗抗旱性的綜合評價(jià)結(jié)果與田間持續(xù)干旱試驗(yàn)結(jié)果是一致的,可見,基于生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)評價(jià)方法使得評價(jià)結(jié)果更為全面,具有較好的可靠性及應(yīng)用價(jià)值。

綜上所述：4種野生茶樹幼苗的抗旱性差異較大,抗旱順序是禿房茶>大廠茶>茶>大理茶。基于生長生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)評價(jià)植物抗旱性的方法準(zhǔn)確可行。干旱脅迫降低了野生茶樹幼苗總生物量干重,耐旱性的禿房茶可以通過誘導(dǎo)增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、啟動(dòng)保護(hù)酶系統(tǒng)、提高根系活力、保持較高的根系生長量來保持較高的根系吸水能力,進(jìn)而維持較高的葉片含水量和比葉面積,來保證茶樹的正常生長,緩解干旱對生長的抑制。

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Effectsofdroughtstressonleafphysiologicalcharacteristicsandrootgrowthofthecloneseedlingsofwildteaplants

NIU Suzhen1,2, SONG Qinfei1,2, FAN Weiguo3,*, CHEN Zhengwu4

1CollegeofTeaScience,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China2TeaEngineerandTechnologyResearchCenterofGuizhou,Guiyang550025,China3FruitsEngineerandTechnologyResearchCenterofGuizhou,Guiyang550025,China4GuizhouTeaResearchInstitute,Guiyang550025,China

Physiological characteristics and root growth of clone seedlings from four species of wild tea plant were investigated under varying conditions of water stress (regular soil water content [CK], mild drought stress [T1], medium drought stress [T2],and severe drought stress [T3]) in the Karst region of Guizhou Province to understand the physiological response of the seedlings to drought stress and to screen out the drought-resistant germplasms. The results were verified by duplicating the field experiment over two years. The results of increasing drought stress were as follows: (1) The relative water content of the plants decreased gradually, while membrane permeability, malondialdehyde content (MDA), and soluble sugars all increased. The content of free proline and the activity of superoxide dismutase (SOD) increased with mild water stress and then decreased with increasing stress. The peroxidase activity (POD) inCamelliataliensis,Camelliatachangensis, andCamelliasinensisshowed the same trend as SOD, but continued to increase inCamelliagymnogyna. (2) With increasing drought stress, the total dry weight of biomass decreased, and the root-shoot ratio increased under mild water stress and then decreased with increasing water stress for all four species. The root length ofCamelliagymnogynaincreased under mild stress and then decreased under increasing water stress, but those of the other three species decreased gradually with increasing water stress. The total surface area and volume of the roots ofCamelliataliensisandCamelliasinensisshowed a gradual decrease; but increased under mild water stress and then decreased under stress forCamelliatachangensisandCamelliagymnogyna. The root activity ofCamelliataliensisdeclined gradually, whereas in the other three species, it increased under mild water stress and then declined under increased stress. Specific leaf area inCamelliatachangensisdecreased with increasing water stress, whereas in the other three species it increased with mild water stress and then decreased with greater stress. (3) The MDA content and membrane permeability were closely related to the drought resistance of wild tea plants. The order of drought resistance wasCamelliagymnogyna>Camelliatachangensis>Camelliasinensis>Camelliataliensis. The accuracy and reliability of the evaluation method based on membership function were validated by the duplication of the experiment over two years.

drought stress; wild tea plants; leaf physiological characteristics; root growth

國家自然科學(xué)基金(31560222);貴州省科研機(jī)構(gòu)服務(wù)企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目黔科合服企([2014]4008號);貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目((2014)2995號)

2016- 08- 16; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: weigfan@gzu.edu.cn

10.5846/stxb201608161674

牛素貞,宋勤飛,樊衛(wèi)國,陳正武.干旱脅迫對喀斯特地區(qū)野生茶樹幼苗生理特性及根系生長的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(21):7333- 7341.

Niu S Z, Song Q F, Fan W G, Chen Z W.Effects of drought stress on leaf physiological characteristics and root growth of the clone seedlings of wild tea plants.Acta Ecologica Sinica,2017,37(21):7333- 7341.