王友生，林秀鳳，簡(jiǎn)麗華，王益和，廖棁武

(1.福建省龍巖市林業(yè)科學(xué)研究所，福建 龍巖 364000；2.福建省永定仙崠國(guó)有林場(chǎng)，福建 永定 364100)

植物對(duì)逆境一般有兩種響應(yīng)方式，主動(dòng)適應(yīng)的植物通過提高可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸的含量穩(wěn)定細(xì)胞膜流動(dòng)性[1—3]，同時(shí)提高 SOD、POD、CAT 等保護(hù)酶活性[4—6]，增強(qiáng)根系覓養(yǎng)能力[7—8]，確保正常的生理代謝活動(dòng)；被動(dòng)適應(yīng)的植物則通過降低光合作用與生理代謝，停止生長(zhǎng)或緩慢生長(zhǎng)以減少對(duì)養(yǎng)分的依賴[9—10]。因此，研究植物葉片細(xì)胞膜滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、保護(hù)酶活性以及植株形態(tài)變化，對(duì)了解耐性植物對(duì)逆境的響應(yīng)機(jī)制具有重要意義。

寬葉雀稗(Paspalum wetsfeteini)是禾本科雀稗屬(Paspalum)多年生草本植物，具有耐瘠薄、耐重金屬、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[11—14]，大量應(yīng)用于水土流失治理、干旱地區(qū)植被恢復(fù)、礦區(qū)重金屬污染修復(fù)[15—18]。目前對(duì)寬葉雀稗抗性機(jī)理的研究集中在酸脅迫、干旱脅迫、重金屬脅迫等方面，關(guān)于養(yǎng)分脅迫的研究鮮見報(bào)道，其耐瘠薄機(jī)理尚不清楚。本文通過寬葉雀稗盆栽養(yǎng)分脅迫試驗(yàn)，探索其養(yǎng)分缺乏下根系、葉片形態(tài)及生理變化規(guī)律，以期揭示寬葉雀稗耐瘠薄機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料

寬葉雀稗母株來自福建省龍巖市長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)退化山地，通過分蘗繁殖后，栽植于以河沙為基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi)，營(yíng)養(yǎng)缽規(guī)格8 cm × 12 cm(直徑×高)。

1.2 養(yǎng)分脅迫

在溫室大棚內(nèi)，分別選擇生長(zhǎng)較一致，高15 cm寬葉雀稗盆栽試驗(yàn)苗20株，其中10株進(jìn)行養(yǎng)分缺乏脅迫試驗(yàn)，試驗(yàn)期間僅澆蒸餾水；另外10株為對(duì)照組，每隔10 d每盆施用霍蘭營(yíng)養(yǎng)液20 mL。

1.3 調(diào)查方法

對(duì)照組和脅迫組分別于盆栽培養(yǎng)后10、20、30、40、50、60 d采集葉片，每次測(cè)定葉綠素、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量及SOD、POD、CAT等酶活性。脅迫后60 d分別測(cè)量寬葉雀稗株高、葉長(zhǎng)、葉寬，用EPSON EXPRESSION 1680根系掃描儀和根系形態(tài)與結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用系統(tǒng)RHIZO 2007d分別測(cè)定根長(zhǎng)、根表面積，用Hitachi S-3400N掃描電子顯微鏡觀察葉的背腹面。

1.4 測(cè)定方法

葉綠素含量采用紫外分光光度法，脯氨酸采用茚三酮染色法，丙二醛采用硫代巴比妥酸法，可溶性糖采用 3,5-二硝基水楊酸比色法，可溶性蛋白采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定，SOD、POD、CAT酶活性分別采用氮藍(lán)四唑法、愈創(chuàng)木酚顯色法、紫外吸收法測(cè)定[19]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用DPS軟件及LSD多重比較法分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)分脅迫下寬葉雀稗葉綠素含量變化

養(yǎng)分脅迫后，寬葉雀稗葉綠素含量呈逐漸下降趨勢(shì)，10～30 d葉綠素降幅較小，且彼此之間差異不顯著(P>0.05)，40～60 d與前30 d相比差異達(dá)極顯著水平(P<0.01) (表1)?？梢?，寬葉雀稗表現(xiàn)出耐瘠薄的特性。

表1 養(yǎng)分脅迫下寬葉雀稗總?cè)~綠素含量變化(mg·g-1 FW)Table 1 Changes of total chlorophyll content in Paspalum wetsfeteini under nutrient stress (mg·g-1 FW)

2.2 養(yǎng)分脅迫下寬葉雀稗保護(hù)酶活性變化

SOD、POD、CAT活性在養(yǎng)分脅迫后均表現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，于處理20 d或30 d后達(dá)到峰值，脅迫后峰值分別是對(duì)照組的 1.01倍、1.19倍、0.82倍(表2)。植物保護(hù)酶活性與抗性呈正相關(guān)，由此說明寬葉雀稗養(yǎng)分脅迫后20 d表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐瘠薄能力，短時(shí)間養(yǎng)分脅迫可以促進(jìn)保護(hù)酶活性。

2.3 養(yǎng)分脅迫下寬葉雀稗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化

脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量在養(yǎng)分脅迫后表現(xiàn)出與保護(hù)酶活性相似的規(guī)律，即呈先上升后下降趨勢(shì)，在脅迫后30 d達(dá)到峰值。丙二醛含量呈現(xiàn)隨時(shí)間延長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在養(yǎng)分脅迫后10～20 d變化不顯著(P>0.05)，30 d后有極顯著變化(表3)?？梢?，養(yǎng)分脅迫10～20 d內(nèi)寬葉雀稗葉片細(xì)胞膜可維持較穩(wěn)定的狀態(tài)，脅迫后30 d脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量繼續(xù)增加，但細(xì)胞膜已出現(xiàn)過氧化跡象。

表2 養(yǎng)分脅迫下寬葉雀稗SOD、POD、CAT等保護(hù)酶活性變化(U·g-1 FW)Table 2 SOD, POD, CAT activity changes in Paspalum wetsfeteini under nutrient stress (U·g-1 FW)

表3 養(yǎng)分脅迫下寬葉雀稗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化Table 3 Changes of osmotic regulation substances content in Paspalum wetsfeteini under nutrient stress

2.4 養(yǎng)分脅迫下葉片與根系形態(tài)變化

養(yǎng)分脅迫后60 d，脅迫組寬葉雀稗株高、葉片長(zhǎng)度、寬度僅為施肥處理的55.61%、64.85%、65.0%，但是根系仍然保持較強(qiáng)的生長(zhǎng)能力，根系長(zhǎng)度、根表面積分別是施肥處理的1.40倍、1.36倍(表4)?？梢妼捜~雀稗在養(yǎng)分虧缺時(shí)，以延長(zhǎng)根系、擴(kuò)大根表面積的方式獲得更多養(yǎng)分。

表4 養(yǎng)分脅迫60 d后寬葉雀稗植株形態(tài)變化Table 4 Changes of plant morphology of Paspalum wetsfeteini after nutrient stress for 60 days

2.5 養(yǎng)分脅迫下葉片顯微特征

養(yǎng)分脅迫后60 d，通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組寬葉雀稗葉背絨毛長(zhǎng)度510～580 μm(圖1: A)，葉肉細(xì)胞長(zhǎng)80 μm，葉肉細(xì)胞寬 20 μm(圖 1: B)；脅迫組寬葉雀稗葉背絨毛長(zhǎng)度25～30 μm(圖1: C)，葉肉細(xì)胞長(zhǎng)110 μm、寬18 μm(圖1: D)。由此可見，寬葉雀稗在養(yǎng)分脅迫后葉肉細(xì)胞變得更加狹長(zhǎng)，生長(zhǎng)受到抑制，葉背絨毛長(zhǎng)度約為對(duì)照組的5%，水分耗散加劇。

圖1 脅迫組和對(duì)照組寬葉雀稗葉顯微特征Fig. 1 Microscopical characteristics of Paspalum wetsfeteini leaf treated with control and nutrient stress

3 討論

SOD是清除細(xì)胞內(nèi)氧自由基的重要保護(hù)酶，它可防止細(xì)胞膜脂氧化[20]。POD是植物清除 H2O2的保護(hù)酶，與植物抗性密切相關(guān)[21]。CAT具有氧化酚類、胺類物質(zhì)，消除細(xì)胞內(nèi)過氧化氫等作用[22]，對(duì)保護(hù)細(xì)胞器具有重要作用。從脅迫組與對(duì)照組的保護(hù)酶活性變化可以看出，在養(yǎng)分脅迫早期(10～20 d)，SOD、POD、CAT保護(hù)酶活性顯著提高，SOD、POD活性在脅迫后20 d達(dá)到峰值，且高于施肥處理。CAT活性在脅迫后30 d達(dá)到峰值，此時(shí)SOD、POD活性開始下降，葉綠素雖然也呈下降趨勢(shì)，但差異不顯著?？梢姡虝r(shí)間養(yǎng)分脅迫(10～30 d)可促進(jìn)寬葉雀稗保護(hù)酶活性，使得細(xì)胞仍保持較強(qiáng)的活性氧清除能力；提高氧自由基清除能力，保護(hù)光合器官免受損害，維持細(xì)胞生理代謝的正常水平。說明寬葉雀稗具有耐瘠薄的特性，這與楊玉娟[23]的研究類似。

丙二醛是細(xì)胞膜脂的過氧化代謝產(chǎn)物之一，其含量高低反映細(xì)胞膜的過氧化程度[24]。在養(yǎng)分脅迫后10～20 d丙二醛含量無顯著變化，30 d后開始顯著上升，說明其細(xì)胞膜開始受到損傷。脯氨酸是植物蛋白質(zhì)的組分之一，在逆境脅迫下植物積累的脯氨酸除了作為細(xì)胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外，還在穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)、降低細(xì)胞酸性、解除氨毒以及作為能量庫調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原勢(shì)等方面起重要作用[25]，其含量在一定程度上反映了植物的抗逆性?？扇苄蕴桥c可溶性蛋白分別是植物體內(nèi)碳素和氮素營(yíng)養(yǎng)的主要存在形式，其含量與植物代謝、衰老以及維持細(xì)胞滲透壓等密切相關(guān)[26]。養(yǎng)分脅迫后10～30 d脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量顯著增加，30 d后達(dá)到峰值，葉綠素含量無顯著變化。說明寬葉雀稗在養(yǎng)分脅迫后30 d，在細(xì)胞膜出現(xiàn)過氧化的情況下仍可以通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來維持光合器生理活動(dòng)的正常滲透勢(shì)，消除有毒物質(zhì)的傷害，同時(shí)為光合作用提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與能量，這與耐性植物的表現(xiàn)相類似[27]。

養(yǎng)分脅迫后60 d，寬葉雀稗葉形態(tài)上表現(xiàn)出明顯的變化，葉長(zhǎng)、葉寬極顯著小于對(duì)照處理(P<0.01)，楊玉娟[12]在不同氮水平下栽培寬葉雀稗時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，葉背絨毛長(zhǎng)度變短，葉肉細(xì)胞長(zhǎng)度變大、寬度變小，但是根長(zhǎng)、根表面積均高于對(duì)照處理，可見寬葉雀稗在脅迫中后期(>20 d)，采取主動(dòng)適應(yīng)的策略，將主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)存儲(chǔ)于根中，確保根系的生長(zhǎng)，擴(kuò)大根系覓養(yǎng)范圍，從而獲得更多養(yǎng)分。

綜上所述，寬葉雀稗在養(yǎng)分脅迫初期(10～30 d)，一方面通過提高SOD、POD、CAT活性，減少活性氧等有害物質(zhì)的產(chǎn)生，保護(hù)細(xì)胞器免受損害；另一方面通過提高脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量，調(diào)節(jié)細(xì)胞膜滲透勢(shì)，維持組織的正常生理活動(dòng)。脅迫后期(60 d)，在養(yǎng)分不足的情況下，減緩地上部分的生長(zhǎng)，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)存于根部，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，以便獲得更多養(yǎng)分。因此，在寬葉雀稗的應(yīng)用栽培中可適當(dāng)進(jìn)行養(yǎng)分脅迫，保持“半饑餓”狀態(tài)更有利于植株生長(zhǎng)。