金膠膠 宋子文 馬曉雨 孫國語 李開隆

(東北林業(yè)大學林木遺傳育種國家重點實驗室,哈爾濱 150040)

水分是林木成活和生長的關鍵性因子，高等植物的生長、發(fā)育和分布很大程度上受水分的影響[1]，然而在非生物脅迫中，干旱是最常見的氣候災害[2]。隨著全球變暖，氣溫升高，水資源的缺乏導致干旱危害日益加重[3]，嚴重抑制了林木的成活和成材。了解林木對干旱脅迫的適應性和耐受性，對林木的種植和利用具有重要意義。

在干旱的環(huán)境下為減輕缺水造成的危害，林木體內(nèi)會發(fā)生一系列生理生化變化。了解林木在干旱情況下生理生化應答特征是評價林木對干旱脅迫抗性的重要指標[4]。近年來，對楊樹在干旱條件下的形態(tài)、光合特征、生理生化應答機制的研究日益深入。光合作用是綠色植物物質(zhì)生產(chǎn)和積累最重要的生命活動，是植物生長的基礎。干旱脅迫會使光合速率下降，對生長有明顯的抑制作用[5～6]。細胞膜為植物細胞維持正常的生理代謝活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。干旱脅迫會對植物細胞膜造成損傷，質(zhì)膜相對透性增強[7]，大量內(nèi)溶物外滲，內(nèi)環(huán)境遭到破壞導致細胞生理功能喪失。干旱脅迫也會使蛋白質(zhì)和核酸變性失活，從而破壞細胞膜的結(jié)構和功能?？扇苄缘鞍椎扔袡C滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累可以維持細胞膨壓，增強細胞和組織的保水能力以增強植物抗旱性[8]。因此研究細胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與抗旱性的關系尤為重要。大青楊(PopulusussuriensisKom.)是東北林區(qū)主要的更新樹種，干形通直，木材潔白，是造船、建筑、造紙的好材料[9]。然而，大青楊在干旱脅迫下生物量的積累和分配，光合特征，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化卻鮮有報道。幼苗期是決定樹木成活和森林更新的重要時期，對于林木幼苗期干旱脅迫耐受性的研究具有重要意義[10]。本試驗使用聚乙二醇(PEG-6000)處理大青楊扦插苗，對其在逆境下的生長狀態(tài)、葉片的凈光合速率、相對含水量、相對電導率、可溶性蛋白和可溶性糖的含量，葉綠素熒光參數(shù)進行測定分析，以探究大青楊對干旱脅迫的生長及生理響應，為大青楊的選育和推廣種植奠定基礎。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

2018年4月18日，在東北林業(yè)大學塑料大棚進行營養(yǎng)杯(直徑21 cm×深度21 cm)扦插育苗。培養(yǎng)條件如下：相對濕度50%～65%；溫度(日/夜)：26～30℃/22～25℃；光周期：自然光照條件，104 d后(8月1日)選擇長勢一致，生長健康的幼苗進行試驗。試驗共四個處理，分別用5%(50 g·L-1，輕度干旱脅迫)、15%(150 g·L-1，中度干旱脅迫)、25%(250 g·L-1，重度干旱脅迫)的PEG 6000溶液對幼苗進行干旱脅迫處理，以澆水處理作為對照，分別在處理的2、4、6、8、10 d取樣。取樣時間為每天上午的8：30，每個單株選取第3～6片功能葉，設置3個生物學重復，每個植株只在一個時間點采樣1次，以避免機械損傷，將取下的葉片放入液氮中固定后置于超低溫冰箱中待用。處理結(jié)束后進行生長指標的測定。

1.2 試驗方法

生長指標(苗高、地徑、生物量和根冠比)的測定參照李墨野[11]的方法。

葉片相對含水量、相對電導率的測定參照王學奎[12]的方法進行。脯氨酸含量的測定采用蘇州科銘生物技術有限公司試劑盒?？扇苄缘鞍缀康臏y定采用考馬斯亮藍G-250法[13]，可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[14]。

葉綠素熒光參數(shù)的測定采用Handy PEA植物效率分析儀(Hansatech，英國)進行，分別于上午9：30，每個單株選取第6～7片功能葉。葉片暗適應20 min后測定初始熒光(Fo)，隨后以飽和白光脈沖(6 000 μmol·m-2·s-1，0.8 s)激發(fā)測定最大熒光(Fm)，葉片的熒光變量Fv=Fm-Fo，而葉綠體PSⅡ的光化學效率=Fv/Fm。

凈光合速率日變化的測定采用Li-6400便攜式光合儀。干旱脅迫6 d后，時間為6:00～18:00，每個單株選取第6～7片功能葉在自然條件下進行測定，每個葉片重復讀數(shù)3次。

1.3 統(tǒng)計分析

采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析和多重比較(Duncan法)。

2 結(jié)果

2.1 不同強度干旱脅迫對大青楊表型和生長的影響

正常水分條件下植株葉片表型一直呈正常狀態(tài)，隨著脅迫強度的增加和時間的延長，植株葉片開始出現(xiàn)枯黃斑點，隨后枯黃面積逐漸變大。脅迫后期，中度、重度脅迫下植株葉片發(fā)生卷曲，直至葉片凋零(圖1)。

圖1 不同強度干旱脅迫下大青楊動態(tài)觀測Fig.1 Dynamic morphologic observation on P.ussuriensis under different drought stress conditions

干旱脅迫10 d后，輕度、中度、重度脅迫處理的苗高生長量分別下降了17.71%、20.29%、45.96%，苗高生長受到抑制，但不同脅迫強度處理下無顯著差異。輕度、中度脅迫并未引起地徑生長的變化，但重度脅迫導致地徑的顯著下降，與對照相比下降了17.29%(表1)。

干旱脅迫10 d后，重度脅迫下植株生物量的積累受到抑制。輕度、中度脅迫并未引起根冠比的變化，但重度脅迫引起根冠比顯著增大，與對照相比增大了64.13%(表2)。

表1 調(diào)查不同強度干旱脅迫后幼苗苗高和地徑

Table 1 Investigation on height and ground diameter of seedlings after different degrees of drought stress

指標Traits脅迫強度Different degrees of drought stress(%)051525苗高Seedling height(m)1.65±0.19a1.40±0.10b1.37±0.11b1.29±0.07b地徑Ground diameter(mm)7.77±0.67a7.42±0.72ab6.86±1.18ab6.63±0.37b

注：表中不同字母代表差異顯著性，下同。

Note:Different letters in the table indicate significant difference among different drought stress conditions,the same as below.

表2 不同強度干旱脅迫對幼苗根冠比的影響

Table 2 The influences that different drought stress conditions made on biomass and root ratio of seedlings

脅迫強度Different degrees of drought stress(%)干重Dry weight(g)地下部分Aboveground地上部分Underground根冠比Root ratio07.14a23.20a0.3067b56.84a20.46a0.3433b156.69a16.92ab0.4067ab255.94a11.87b0.5033a

圖2 不同強度干旱脅迫對大青楊相對含水量的影響圖中不同字母代表差異顯著性，下同。Fig.2 The influences of different drought stress conditions on relative water content of P.ussuriensis Different letters in the figure indicate significant difference among different drought stress conditions,the same as below.

圖3 不同強度干旱脅迫對大青楊相對電導率的影響Fig.3 The influences of different drought stress conditions on relative conductivity of P.sussuriensis

2.2 不同強度干旱脅迫對大青楊葉片相對含水量、相對電導率的影響

隨著干旱脅迫時間的延長，不同強度脅迫下的大青楊葉片相對含水量均呈下降趨勢(圖2)。脅迫初期(2 d)、中期(6 d)，輕度脅迫與對照間無顯著差異，但中度和重度脅迫引起相對含水量的顯著下降。脅迫末期(10 d)，不同脅迫強度與對照均有顯著差異，分別比對照低23.60%、38.56%和66.78%。

不同強度脅迫下的大青楊葉片相對電導率均呈上升趨勢(圖3)。脅迫初期，輕度脅迫對相對電導率無顯著影響，但中度和重度脅迫引起相對電導率的顯著上升。脅迫中、末期，不同脅迫強度與對照均有顯著差異。與脅迫初期相比，脅迫末期輕度、中度、重度脅迫下植株相對電導率上升了83.54%、110.02%、137.92%。隨著脅迫強度的增加，相對電導率上升幅度越大。

圖4 不同強度干旱脅迫對大青楊葉片中脯氨酸含量的影響Fig.4 The influences of different drought stress conditions on proline content of P.ussuriensis

圖5 不同強度干旱脅迫對大青楊葉片中可溶性蛋白含量的影響Fig.5 The influences of different drought stress conditions on soluble protein content of P.ussuriensis

圖6 不同強度干旱脅迫對大青楊葉片可溶性糖含量的影響Fig.6 The influences of different drought stress conditions on soluble sugar content of P.ussuriensis

2.3 不同強度干旱脅迫對大青楊細胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

隨著干旱脅迫時間的延長，不同強度脅迫下的大青楊葉片中脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，重度脅迫先于輕度、中度脅迫達到峰值。脅迫初期，中度、重度脅迫脯氨酸含量與對照間存在顯著差異，比對照高39.33%、71.63%，但干旱脅迫對可溶性蛋白和可溶性糖并無顯著影響。脅迫中期，不同脅迫強度脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量均顯著高于對照，脯氨酸含量分別比對照高55.66%、103.76%、88.69%，可溶性蛋白含量比對照高10.39%、31.49%、15.26%，可溶性糖含量比對照高33.33%、59.03%、51.62%。脅迫末期，輕度脅迫脯氨酸含量與對照間存在顯著差異，比對照高21.64%。但不同強度脅迫下可溶性蛋白、可溶性糖含量與對照無顯著差異，且有小于對照的趨勢。在整個脅迫處理過程中，輕度脅迫下細胞內(nèi)溶物含量變化趨勢較緩。

2.4 不同強度干旱脅迫對大青楊光合生理的影響

隨著脅迫強度的增加和脅迫時間的延長，大青楊葉片的Fv/Fm呈下降的趨勢。在脅迫初、中期，重度脅迫引起Fv/Fm的顯著下降。在脅迫末期，不同強度脅迫與對照均存在顯著差異，分別下降了22.16%、45.20%、53.93%。與脅迫初期相比，脅迫末期輕度、中度、重度脅迫下Fv/Fm下降了19.10%、52.75%、39.47%，隨著脅迫強度的增加，下降程度增加。

圖7 不同強度干旱脅迫對大青楊綠素熒光參數(shù)的影響Fig.7 The influences of different drought stress conditions on Fv/Fm of P.ussuriensis

大青楊葉片的凈光合速率(Pn)明顯呈現(xiàn)雙峰模式(圖8)。在正常水分條件下，Pn最大值出現(xiàn)在上午9:00，10:00時Pn明顯下降，到下午3:00時出現(xiàn)又一個高峰。幼苗進行干旱脅迫處理時，Pn日變化模式與對照基本一致，且輕度脅迫下Pn顯著高于中度、重度脅迫。圖9顯示，大青楊葉片的氣孔導度(gs)日變化與Pn日變化趨勢相似，干旱脅迫處理后葉片氣孔導度與對照差異明顯。

圖8 不同強度干旱脅迫對大青楊凈光合速率日變化的影響Fig.8 The influences of different drought stress conditions on the diurnal variation net photosynthetic rate of P.ussuriensis

圖9 不同強度干旱脅迫對大青楊氣孔導度日變化的影響Fig.9 The influences of different drought stress conditions on the diurnal variation stomata conductance of P.ussuriensis

3 討論

在植物受到干旱脅迫時，根系吸水量減少[15]，細胞膜被破壞導致膜透性增大，脅迫強度的增加和脅迫時間的延長會對植株造成更大的損害[16]。本研究表明，隨著干旱脅迫時間的延長，大青楊葉片的相對含水量持續(xù)下降，相對電導率持續(xù)上升，并對葉片造成了明顯的形態(tài)學上的傷害。而且，干旱脅迫抑制了大青楊幼苗苗高、地徑的生長、以及生物量的積累，且隨著脅迫強度的增加和脅迫時間的延長，抑制作用明顯增加。這些結(jié)果與楊敏生[17]對白楊雜種無性系水分脅迫的研究結(jié)果相似，大青楊幼苗在中度、重度脅迫下受到的損傷較輕度脅迫更大。隨著干旱脅迫強度的增加，大青楊的根冠比增大，生物量的分配逐漸向根部傾斜，這說明水分缺乏的環(huán)境促進幼苗根系的生長以期汲取更多的水分[18]。

在干旱脅迫過程中，植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)會增加，但不同物質(zhì)增加的幅度不同，不同強度脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加幅度也不同[19～20]。細胞內(nèi)溶物的積累可以使細胞保持一定的膨壓，阻止細胞失水[21]，從而增強植物對干旱脅迫的耐性和細胞適應性[22]。本研究中，脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量隨著干旱脅迫時間的延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，可溶性糖和可溶性蛋白含量的增幅比脯氨酸含量小。干旱脅迫初期，大青楊葉片中的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量比對照高，相對含水量、相對電導率、Fv/Fm下降幅度小，以上結(jié)果都說明大青楊有一定的抗干旱脅迫能力。在脅迫后期，大青楊葉片中的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量顯著下降，且中度、重度脅迫低于輕度脅迫，此時相對含水量、相對電導率、PSⅡ的光化學效率下降幅度增大，凈光合速率明顯低于對照，這說明大青楊細胞、組織等在干旱脅迫處理中受到了不可逆轉(zhuǎn)的損傷。

大青楊能在短時間內(nèi)抵御輕度干旱的環(huán)境，在中度和重度干旱脅迫環(huán)境下抵抗能力是有限的。大青楊不適合在嚴重干旱的地區(qū)種植，此外，在其幼苗期應保持充足的水分以減少干旱脅迫帶來的損傷。