邢鈺坤，曹恭祥，元 光，楊躍文，郝笑明，李銀祥，王志波，季 蒙，張月芳

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010； 2. 內(nèi)蒙古鄂爾多斯森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100； 3. 西烏珠穆沁旗林業(yè)事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200； 4. 卓資縣園林服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012300)

為了適應(yīng)干旱環(huán)境，植物會采取多種方式應(yīng)對干旱環(huán)境，滲透調(diào)節(jié)是其中重要的一種方式，與植物滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的物質(zhì)包括游離脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)、植物保護酶等。在干旱脅迫下，丙二醛含量變化反映著細胞膜的受損程度[1]；植物通過積累脯氨酸來增加細胞原生質(zhì)的滲透壓，起到防止水分流失的作用，使原生質(zhì)膠體更穩(wěn)定[2]；植物保護酶中超氧化物岐化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等構(gòu)成了植物體內(nèi)清除活性氧的防護系統(tǒng)，酶活性變化反映著植物對干旱的適應(yīng)能力，其與植物抗旱性呈正相關(guān)[3-4]。

文冠果(Xanthocerassorbifolia)為無患子科文冠果屬的落葉喬木或灌木，分布在內(nèi)蒙古、陜西、山西、河北等地，具有很強的抗逆性和適應(yīng)性，是我國北方重要的經(jīng)濟和造林樹種。近年來，隨著國內(nèi)木本油料作物生產(chǎn)的發(fā)展，文冠果的各類功能開發(fā)及價值受到廣泛重視[5]。目前，文冠果的研究主要集中在栽培坐果[6]、雄性不育[7]、遺傳變異[8-9]、組織培養(yǎng)[10]、新藥研發(fā)[11]、化學(xué)成分及產(chǎn)品的加工利用[12]等方面，在抗性生理方面也有一定研究[13-14]，如田夢妮等[15]對文冠果葉片進行解剖觀察，通過抗旱性指標(biāo)評價了文冠果不同種質(zhì)資源的抗旱性；謝志玉等[16]分析不同土壤含水條件下的文冠果幼苗葉片，認為文冠果幼苗以調(diào)整自身根系活力、提升保護酶活性與可溶性蛋白含量來防止膜脂過氧化的傷害，增強了幼苗耐旱能力；周玲等[17]在不同干旱脅迫下，測定了文冠果葉片中脯氨酸、丙二醛含量和細胞膜透性的差異性，但僅對這3項抗旱生理指標(biāo)進行了測定分析，尚需結(jié)合多種指標(biāo)進一步研究其抗旱機理。

鄂爾多斯高原地區(qū)土地資源豐富，發(fā)展文冠果潛力巨大，但干旱環(huán)境限制了文冠果的發(fā)展。因此，選育高抗旱文冠果品種成為促進該地區(qū)林業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要途徑。本研究在鄂爾多斯高原北部達拉特旗，以1 a生文冠果幼苗為材料，通過人工控水試驗，對4個種源文冠果幼苗進行干旱脅迫處理，測定不同土壤水分下幼苗葉片中游離脯氨酸、丙二醛和植物保護性酶等生理指標(biāo)變化特征，分析不同種源文冠果對干旱脅迫的響應(yīng)，從抗旱生理角度探討不同種源文冠果耐旱性特征，為該地區(qū)文冠果選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古達拉特旗白土梁林場解放灘作業(yè)區(qū)(40°02′19″N，109°50′55″E)。年均降水量300 mm，年蒸發(fā)量2 500～2 800 mm，年均氣溫 6.0 ℃，年日照時數(shù)3 150 h，≥10 ℃有效積溫2 950 ℃。土壤類型以鹽化草甸土和風(fēng)沙土為主，pH值 8.66。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

選取內(nèi)蒙古敖漢旗(NCAK)、內(nèi)蒙古準格爾旗(NEZZ)、陜西靖邊縣(SYJY)和山東安丘縣(SWAQ)4個優(yōu)良種源文冠果1 a生幼苗作為試驗材料，選用苗高 1.0～1.2 m、地徑 0.5～0.8 cm，長勢良好的苗木各9株分別移栽于盆內(nèi)。供試苗木均緩苗生長60 d后進行脅迫試驗。

2.2 研究方法

采用盆栽控水法，自然干旱的方式進行土壤干旱脅迫處理。將所有供試苗木設(shè)置在通風(fēng)良好、陽光充足的地方，并搭建簡易拱棚，雨天時苗木進行遮雨，防止雨水滲入影響干旱脅迫效果。2021年7月中旬，對所有的供試苗木澆透水，使盆內(nèi)土壤接近持水量飽和狀態(tài)后開始控水脅迫試驗。培養(yǎng)基質(zhì)最大持水量 431.7 g·kg-1。葉片采自供試苗木新梢的第3～5節(jié)。此后分別在第8天、第14天、第20天的上午9∶00—10∶00進行樣品采集并測定各項生理指標(biāo)。每個處理測定均設(shè)3個重復(fù)。

控水后第1天使用鋁盒隨機取土樣，測量各種源盆內(nèi)土壤相對含水量。隨后每間隔6 d進行1次土壤相對含水量測定。

葉片相對含水量(RWC)采用烘干法[18]測定：

RWC= (Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%

(1)

式中：Wf、Wd、Wt分別為葉片鮮重、葉片干重、葉片飽和重。

游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮方法[19]測定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法[20]測定，超氧化物岐化酶活性采用氮藍四唑(NBT)法[19]測定，過氧化物酶活性采用愈創(chuàng)木酚法[20]測定，過氧化氫酶活性采用紫外吸收法[20]測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007對數(shù)據(jù)進行處理，用SPSS 23.0 進行顯著性檢驗、方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 連續(xù)干旱下盆內(nèi)土壤含水量變化

隨著干旱脅迫的進行，脅迫初期盆中土壤含水量迅速下降，脅迫中期下降速率減緩，脅迫后期土壤含水量變化趨于穩(wěn)定，維持在5%以下(表1)。

表1 干旱脅迫下土壤變化情況Tab.1 Changes of soil water content under drought stress

通過鋁盒采樣結(jié)果(表1)，盆中培養(yǎng)基質(zhì)最大持水量431.7 g·kg-1，以控水后第1天土壤含水量為對照，盆中土壤相對含水量變化隨著干旱脅迫時間間隔分別為88.2%、59.9%、27.6%、8.7%，形成4個脅迫梯度：對照(CK)、輕度干旱脅迫(T1)、中度干旱脅迫(T2)、重度干旱脅迫(T3)。

3.2 干旱脅迫對幼苗相對含水量的影響

由圖1可知，在持續(xù)干旱脅迫條件下，4個種源文冠果幼苗葉片相對含水量均呈連續(xù)下降趨勢。其中，種源NEZZ的葉片相對含水量下降最少，為 28.26%；種源SWAQ的下降最多，為 36.44%。葉片相對含水量能直接反應(yīng)出4個種源文冠果葉片水分的生理狀態(tài)。相對含水量變化幅度越小，葉片保水能力越強，反之，葉片保水力較差[21]。對比4個種源文冠果幼苗葉片相對含水量變化，其保水力大小順序為：NCAK > NEZZ > SYJY > SWAQ。

注：圖中大寫字母表示不同種源間差異性(P<0.05)，小寫字母表示脅迫梯度間的差異性(P<0.05)，下同。

3.3 干旱脅迫對幼苗游離脯氨酸含量的影響

由圖2可知，隨著干旱脅迫程度的增加，4個種源文冠果苗葉片的游離脯氨酸含量相應(yīng)發(fā)生變化。種源NEZZ、SYJY和NCAK的游離脯氨酸含量呈不斷上升的趨勢，干旱中后期(T2、T3)呈較大幅度上升，分別是CK的2～3.5倍，較大的游離脯氨酸積累量增加有利于細胞液水勢的降低；種源SWAQ的游離脯氨酸含量在T2時出現(xiàn)大幅度升高，但T3時期與T2時期相比上升幅度差異不明顯。此現(xiàn)象可能隨著干旱的加劇，該組樣品細胞線粒體中合成酶的活性下降而導(dǎo)致游離脯氨酸含量積累活動減弱?？梢娪坞x脯氨酸對細胞質(zhì)滲透平衡起到了重要的調(diào)節(jié)作用，在文冠果受到干旱脅迫時，其含量升高有助于防止細胞脫水。由游離脯氨酸增長量變化幅度可以看出，不同種源應(yīng)對干旱脅迫時調(diào)節(jié)能力大小排序為：NEZZ > NCAK > SYJY > SWAQ。

圖2 干旱脅迫下文冠果幼苗葉片游離脯氨酸含量的變化Fig.2 Change of proline in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

3.4 干旱脅迫對幼苗丙二醛含量的影響

由圖3可知，種源NEZZ的丙二醛含量在T1時與CK相比呈下降趨勢，在T2時迅速升高，其他3個種源文冠果幼苗葉片的丙二醛含量隨著干旱程度的增加連續(xù)增長，可見4個種源文冠果幼苗應(yīng)對干旱環(huán)境呈現(xiàn)不同應(yīng)對過程。干旱脅迫T3時期，種源NCAK與SWAQ的丙二醛含量增長相對最大，比CK分別升高了 231% 和 269%，說明在干旱脅迫后期(T3)，種源SWAQ的膜脂氧化反應(yīng)最強烈，細胞膜系統(tǒng)所受傷害最大，其抗旱性能最弱；反之，種源NEZZ與SYJY的膜系統(tǒng)傷害相對較小，比CK分別升高了 172% 和 191%，其抗旱性能相對較強。丙二醛含量變化幅度排序為：SWAQ > NCAK > NEZZ > SYJY。

圖3 干旱脅迫下文冠果幼苗葉片丙二醛含量的變化Fig.3 Change of MDA in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

3.5 干旱脅迫對幼苗保護性酶活性的影響

由圖4、圖5和圖6可知，隨著干旱脅迫程度的增加，4個種源文冠果幼苗葉片的3種保護酶活性變化總體呈先升后降的趨勢。3種酶活性變化在不同種源幼苗間存在著一定的差異，三者先后協(xié)同作用于體內(nèi)活性氧，在干旱脅迫中后期3種酶活性達到峰值后抗氧化能力開始逐漸衰退。在脅迫初期(CK、T1)，SOD活性的響應(yīng)迅速，各種源間SOD活性差異較小。種源NEZZ、NCAK和SWAQ在T1時達到峰值，脅迫后期(T3)這3個種源的SOD活性均小于CK，且種源SWAQ的活性下降最顯著。種源SYJY在T2時SOD活性達到峰值，T3時活性大于CK。與其他種源相比，SYJY的SOD活性響應(yīng)有所延后，T2時達到峰值，SOD活性增長幅度最小。各種源干旱脅迫后SOD活性增長幅度排序為：NCAK > NEZZ > SWAQ > SYJY。

在持續(xù)脅迫下POD活性逐漸升高，在脅迫后期(T3)活性出現(xiàn)不同程度減弱。種源NCAK、SWAQ的POD活性在T1時出現(xiàn)最高值，種源SYJY的POD響應(yīng)與SOD一致有所延后，種源NEZZ在T2時達到最高值。T3時種源SWAQ的POD活性最低，顯著低于對照，其他三者活性均大于CK。種源NEZZ、NCAK的POD活性變化幅度最大。POD活性變化幅度的排序為：NCAK > NEZZ > SYJY > SWAQ。

從CAT活性來看，種源NEZZ、SYJY和SWAQ在T1時達到最高值，種源NCAK在T2時達到最高值。種源NEZZ活性響應(yīng)變化幅度最大，比CK升高了 116. 22%。隨后CAT活性持續(xù)下降，T3時與CK差異顯著。CAT活性變化幅度排序為：NCAK > NEZZ > SWAQ > SYJY，與SOD活性變化相似?？梢姡S著干旱程度加劇，各種源CAT活性的變化與SOD、POD一樣，與文冠果抗旱性呈正相關(guān)，三者先后對植物體內(nèi)活性氧的代謝發(fā)生協(xié)同作用。

3.6 不同種源和脅迫時間對各生理指標(biāo)的影響

通過雙因素方差分析可知(表2)，不同種源、不同干旱脅迫時間以及二者交互作用下均極顯著影響幼苗游離脯氨酸、丙二醛、葉片相對含水量(P<0.01)；不同種源、不同干旱脅迫時間對葉片相對含水量和SOD的影響也極顯著，種源×脅迫時間交互作用下對SOD活性有顯著影響(P<0.05)，但對葉片相對含水量無顯著影響；不同種源對CAT活性的影響不顯著，不同脅迫處理時間對CAT活性有極顯著影響(P<0.01)，種源×脅迫時間交互作用下CAT活性差異顯著(P<0.05)。脅迫時間的F值均大于種源與種源×脅迫時間交互作用，可見干旱脅迫時間對各生理指標(biāo)的影響最大。

圖4 干旱脅迫下文冠果幼苗葉片SOD的活性響應(yīng)Fig.4 Response of SOD activity in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

圖5 干旱脅迫下文冠果幼苗葉片POD的活性響應(yīng)Fig.5 Response of POD activity in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

圖6 干旱脅迫下文冠果幼苗葉片CAT的活性響應(yīng)Fig.6 Response of CAT activity in leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings under drought stress

表2 種源和脅迫時間對各生理指標(biāo)影響的雙因素方差分析Tab.2 Two-factor variance analysis for the effect of provenance and stress time on physiological indexes

4 討論與結(jié)論

植物在生長發(fā)育過程中，會受到不同環(huán)境因子與不同程度的脅迫。在鄂爾多斯高原干旱是最常見的脅迫之一。植物有效吸收并輸送至葉片水分，葉片相對含水量反映葉片受脅迫時的保水能力，且保水能力與植株的抗旱能力呈正相關(guān)[22-23]。本研究表明，在干旱脅迫下各種源文冠果幼苗葉片相對含水量隨著土壤含水量的降低而逐漸減少，在中、重度脅迫下變化幅度較小，可見文冠果葉片保水能力相對較強。當(dāng)文冠果幼苗受到外界脅迫時，其游離脯氨酸含量大量積累，在干旱脅迫的環(huán)境下增長數(shù)倍，以助于細胞保水?？购敌詮姷闹仓暧坞x脯氨酸含量變化幅度加大，抗旱性增強。4個種源文冠果幼苗游離脯氨酸含量隨干旱脅迫程度的增加整體呈上升趨勢，同時存在干旱脅迫后期種源SWAQ未出現(xiàn)繼續(xù)上升的現(xiàn)象，韓艷等[24]對這一現(xiàn)象研究認為，植物組織由于水分虧缺、干旱后期光合產(chǎn)物供給開始減少或酶失活從而導(dǎo)致游離脯氨酸含量下降；另一方面，在干旱脅迫下發(fā)生的氧化作用使活性氧過多產(chǎn)生，丙二醛含量變化也隨脅迫時間呈上升趨勢，反應(yīng)了各種源與不同脅迫程度植株細胞受損程度，與抗旱能力呈負相關(guān)性，變化幅度越大抗旱能力越弱；4個種源文冠果幼苗的SOD、POD和CAT活性變化整體呈先升后降的趨勢，SOD和CAT主要在脅迫初期表現(xiàn)出葉片保護酶活性變化增強，POD活性主要表現(xiàn)在脅迫中后期，且隨保護酶活性變化幅度增大，不同種源植株間抗旱能力表現(xiàn)出顯著差異。如種源NEZZ在脅迫前期POD活性出現(xiàn)先降后升，是對先澇后旱環(huán)境變化的適應(yīng)。種源SWAQ在重度干旱脅迫后期各種酶活性與其他種源植株相比出現(xiàn)大幅下降現(xiàn)象，此現(xiàn)象可能隨著干旱脅迫該組樣品細胞受損嚴重或測試樣品差異所致。

總體而言，不同種源文冠果對各指標(biāo)的干旱響應(yīng)不同，存在著不同的干旱適應(yīng)途徑。本試驗僅對不同種源1 a生文冠果葉片在干旱脅迫一段時期內(nèi)的部分生理表現(xiàn)差異進行了初步分析，還未完全揭示出該地區(qū)文冠果的抗旱應(yīng)對機制，尚需進一步對該地區(qū)不同種源的各干旱脅迫致死過程等抗旱性機理進行研究。