侍新萍，馬彥軍，馬 瑞，魏林源，楊永義，張瑩花，唐衛(wèi)東

（1. 甘肅農業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省治沙研究所 荒漠化與風沙災害防治重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

風沙流是干旱、半干旱地區(qū)地表疏松裸露的沙粒在風力作用下短暫運動的現象[1]。風沙流破壞性極強，可通過擊打、折損、磨蝕等機械作用，使植物頂芽、葉片和莖葉等幼嫩表皮組織受損，對植物的分布范圍、多樣性、形態(tài)特征、光合生理特征等均有顯著影響，強烈的風沙流甚至會引起植物生理代謝紊亂而導致植株死亡[2-4]。因此，在風沙流活動強烈地區(qū)，植被稀少，且多以耐干旱、耐風蝕的灌木及草本植物為主[1,5]。

近年來，國內學者借助風洞試驗對風沙流脅迫下植物體的機械損傷程度、生長狀況、生物量分配、表型結構、光合蒸騰特性等進行了初步研究[6-8]。但有關植物膜透性和膜保護系統(tǒng)對風沙流的響應研究報道較少。趙哈林等[9-10]分別研究了不同強度和時間風沙流脅迫對玉米(Zea mays)和樟子松(Pinus sylvestnis var. mongolica)幼苗逆境生理指標的影響；李道明等[11]研究了不同脅迫程度的風沙流條件對霸王(Zygophyllum xanthoxylum)幼苗生理特征的影響。這些研究表明，植物葉片膜透性和膜保護系統(tǒng)對風沙流的響應不僅與風沙流的處理方式及處理水平有關，也與植物種有關。

白刺(Nitraria tangutorum)和沙蒿(Artemisia sphaerocephala)為典型沙生植物，前者是優(yōu)良的固沙先鋒植物之一，后者是荒漠草原和荒漠沙地的重要建群種之一，二者皆對風沙環(huán)境具有極強的適應性，具有防風固沙、保持水土的優(yōu)良特性，是荒漠地區(qū)的重要植物種。兩種植物在風沙區(qū)均有大量分布，其中，白刺主要以灌叢堆的形式分布于風沙前沿，在應對風沙流上具有群體效應；沙蒿則處于相對下風向，分布具有隨機性，這也是由兩種植物不同的生理特征和生態(tài)適應性決定的[12-14]。目前，對白刺、沙蒿的抗逆性研究主要集中在抗旱性和耐鹽性等方面[15-16]，而對其在風沙流脅迫下的生理響應尚不清楚。本研究以白刺和沙蒿實生苗為試驗材料，研究不同歷時的風沙流脅迫對其幼苗葉片膜透性和膜保護系統(tǒng)的影響，分析兩種植物在風沙流脅迫下生理響應的差異及其適應能力，探討白刺和沙蒿對風沙危害的逆境適應策略，研究結果對揭示風沙環(huán)境中白刺和沙蒿受損過程和生理生態(tài)適應機制具有重要的科學意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

民勤縣位于河西走廊東部，石羊河流域下游，地理坐標為101°49′ ? 104°12′ E、38°03′ ? 39°27′ N，海拔1 298～1 936 m。研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年均降水量為115 mm，年均蒸發(fā)量2 623 mm，年均氣溫8.3 ℃，無霜期162 d，晝夜溫差較大，是我國西北內陸典型的干旱荒漠區(qū)。該區(qū)風沙大，沙塵天氣頻發(fā)，全年盛行西北風，5.0 m·s?1以上起沙風占全年有風日數的13.8%，年均最大風速8.4 m·s?1，年均揚沙時間16 d。

1.2 試驗設計

試驗材料為盆栽一年生白刺和沙蒿幼苗。種子采自民勤縣野生白刺和沙蒿植株。試驗當年3 月在民勤治沙站的溫室大棚內將種子播種在拌有適量羊糞和荒漠風沙土的育苗缽中，待幼苗高度為10 cm左右時，轉移到甘肅省治沙研究所武威綠洲站的試驗苗圃內，并擇優(yōu)帶土移栽到口徑22 cm 的花盆中繼續(xù)培養(yǎng)，每盆2～3 株。當幼苗高度為20 cm 左右時進行試驗，試驗前測定其株高、冠幅等生物學特性，然后選擇長勢良好且生物學特征無顯著差異的白刺和沙蒿植株作為試驗材料。

試驗在甘肅省治沙研究所武威綠洲站的風洞實驗室完成。該風洞為直流下吹式，洞體總長38.9 m，試驗段長16 m，橫截面為1.2 m × 1.2 m，風速在4～30 m·s?1連續(xù)可調。風沙流脅迫試驗于2018 年8 月19 日進行。吹襲試驗前，在風洞試驗段內鋪設厚度為10 cm 左右的沙漠沙，測定風洞實驗室內實時溫度和實時壓強并錄入主控系統(tǒng)。由文獻[1,3,9-10,17]可知，不同的風沙流強度對植物葉片的損傷程度有顯著差異。本試驗選擇能引起脅迫效應但又不至于造成植株嚴重損傷的中等強度的風沙流，即12 m·s?1的風沙流對白刺和沙蒿幼苗進行10、20 和30 m in的脅迫。脅迫結束后，將受損植株放置在通風、陰涼的地方靜置30 m in，之后快速剪取適量植株迎風面的葉片，將部分葉片即刻帶回實驗室測定電導率，另一部分葉片用錫紙包裹于液氮罐速凍，轉移至超低溫冰箱保存，用于抗氧化酶活性、丙二醛和滲透調節(jié)物質含量的測定，每個處理6 個重復。以未受吹襲的植株為對照。

1.3 指標測定

膜透性采用電導率法，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法測定，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性分別采用氯化硝基四氮唑藍(NBT)光還原法、愈創(chuàng)木酚法和過氧化氫碘量法測定，脯氨酸(Pro)、可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)含量分別采用酸性茚三酮比色法、蒽酮比色法和考馬斯亮藍G-250 溶液測定[18-20]。

1.4 數據處理與分析

數據采用SPSS 24.0 軟件中的one-way ANOVA進行統(tǒng)計分析，采用Duncan 法對各指標在不同脅迫時間下的差異性進行比較(P ＜ 0.05)，并在Excel 2010中制圖。

2 結果與分析

2.1 白刺丙二醛含量和膜透性變化

隨著風沙流脅迫時間的增加，白刺葉片中MDA含量依次較CK 降低了8.86%、20.68%和20.25%，除10 min 處理外，20 和30 m in 處理與CK 間存在顯著差異(P ＜ 0.05) (表1)。膜透性除30 min 處理增加了9.19%外，10 和20 m in 處理均低于CK，且20 m in處理與CK 存在顯著差異(P ＜ 0.05)。

表 1 不同歷時風沙流脅迫對白刺葉片內丙二醛含量和膜透性的影響Table 1 Effects of different durations of w ind-sand flow on malonaldehyde and membrane permeability in leaves of Nitraria tangutorum

2.2 白刺抗氧化酶活性變化

隨風沙流脅迫時間增加，白刺葉片內SOD 活性呈波動變化，10 m in 處理的SOD 活性較CK 顯著增加了25.54% (P ＜ 0.05)，30 m in 處理的SOD 活性較CK 增加了4.87% (P ＞ 0.05) (表2)，20 m in 處理較CK顯著降低了18.71% (P ＜ 0.05)；POD 活性在20 和30 m in 處理下分別較CK 顯著增加了48.42%和41.93%(P ＜ 0.05)；CAT 活性在10 和30 m in 處理下分別較CK 顯著增加了14.54%和34.78% (P ＜ 0.05)，在20 min處理下較CK 顯著降低了18.41% (P ＜ 0.05)。

2.3 白刺滲透調節(jié)物質含量變化

脅迫10 m in 處理下的白刺葉片內SS 含量與CK 接近，20 和30 m in 處理下較CK 分別顯著增加了71.86%和91.92% (P ＜ 0.05)；SP 含量在10 m in 處理下無明顯變化，在20 和30 m in 處理下較CK 顯著減少了17.96%和15.48% (P ＜ 0.05)；Pro 含量在10 和30 m in 處理下分別較CK 顯著增加了47.91%和76.37%(P ＜ 0.05) (表2)。

2.4 沙蒿丙二醛含量和膜透性變化

隨著風沙流脅迫時間的增加，沙蒿葉片中除30 m in 處理的MDA 含量較CK 增加了27.66%外，10 和20 m in 處理的MDA 含量均低于CK，但各處理與CK 相比均無顯著差異(P ＞ 0.05)；10、20 和30 min處理的膜透性分別較CK 增加了6.70%、11.55%和11.64%，而各處理均與CK 無顯著差異(P ＞ 0.05) (表3)。

表 2 不同歷時風沙流脅迫對白刺抗氧化酶活性和滲透調節(jié)物質含量的影響Table 2 Effects of different durations of w ind-sand flow on the activity of antioxidant enzymes and the content of osmotic regulation substances in Nitraria tangutorum

2.5 沙蒿抗氧化酶活性變化

隨風沙流脅迫時間的增加，沙蒿葉片內SOD 活性在10、20 和30 m in 處理下較CK 分別降低了9.42%、22.10%和9.65%，除20 m in 處理外，其他處理與CK 間差異均不顯著(P ＞ 0.05)；10 m in 處理的POD 活性較CK 顯著增加了41.26% (P ＜ 0.05)，其他處理分別較CK 增加了7.26%和1.64%，但與CK 無顯著差異(P ＜ 0.05)；CAT 活性在20 m in 處理下較CK 顯著增加了49.23% (P ＜ 0.05)，在10 和30 m in 處理下分別較CK 減少了15.14%和16.03% (P ＞ 0.05) (表4)。

2.6 沙蒿滲透調節(jié)物質含量變化

隨風沙流脅迫時間增加，沙蒿的SS 含量在10 min處理下無明顯變化，在20 和30 m in 處理下較CK 分別降低了31.24%和28.87%，且與CK 間差異均顯著(P ＜ 0.05)；SP 含量在10、20 和30 m in 處理下較CK依次降低了37.73%、43.57%和39.17%，與CK 間差異均顯著(P ＜ 0.05)；Pro 含量呈先降后升的趨勢，除10 m in 處理下較CK 降低了10.90%外，20 和30 m in處理下均高于CK 3.13%和18.69%，但各處理與CK間均無顯著差異(P ＞ 0.05) (表4)。

表 3 不同歷時風沙流脅迫對沙蒿葉片內丙二醛含量和膜透性的影響Table 3 Effects of different durations of w ind-sand flow on malonaldehyde and membrane permeability in leaves of Artem isia sphaerocephala

表 4 不同歷時風沙流脅迫對沙蒿抗氧化酶活性和滲透調節(jié)物質含量的影響Table 4 Effects of different durations of w ind-sand flow on the activity of antioxidant enzymes and the content of osmotic regulation substances in Artemisia sphaerocephala

3 討論

MDA 作為膜脂過氧化的主要產物之一，其含量的高低反映膜脂的過氧化程度[21-22]。研究表明，植物在受到干旱、鹽堿等逆境脅迫時，其體內活性氧產生與清除的平衡被破壞，進而使氧自由基大量積累導致膜脂過氧化，并造成細胞膜損傷和MDA 大量累積[23-26]。本研究表明，隨風沙流脅迫時間延長，白刺MDA 含量呈下降趨勢，膜透性先減后增，其細胞膜結構在30 m in 處理下才開始受損；沙蒿MDA含量先降后升，膜透性小幅度增加，MDA 在20 和30 m in 脅迫下有所積累，細胞膜卻在10 m in 處理下就開始有損傷，表明30 m in 處理下沙蒿出現了膜脂過氧化而且其膜透性增加幅度大于白刺，這可能是其耐風沙能力不如白刺的主要生理原因之一。這也表明風沙流吹襲對白刺幼苗無明顯的膜脂過氧化作用，沙蒿的膜脂過氧化作用較低，其細胞膜受損可能并非源自膜脂過氧化，而是由于膜脂脫脂化作用或其他因素的影響[23,27]。這與干旱、鹽堿等逆境脅迫下植物的膜透性和MDA 含量同步增加的趨勢不同，一方面可能是因為干旱、鹽堿等脅迫通常對植物產生水分脅迫，而風沙流逆境使沙粒擊打、磨蝕植物的頂芽、莖干或葉片，導致細胞膜受機械損傷而引起膜透性增大，同時葉面周圍氣流交換速率加快，葉溫降低，蒸騰速率增加，不利于氧自由基的產生，因而膜脂過氧化作用不明顯[10,28]。因此，在風沙脅迫下不同植物的受損程度不僅要考慮膜透性的變化，而且還需要結合膜脂過氧化程度和細胞膜忍受膜脂過氧化的能力。

研究表明，在逆境脅迫下，植物體內的保護酶系統(tǒng)會通過調節(jié)被激活并發(fā)揮協(xié)同或單獨作用防御活性氧或其他過氧化物自由基對細胞膜系統(tǒng)的破壞，維持代謝平衡[21-22,29]，但抗氧化酶活性增加的幅度及所起作用的大小因植物種類、脅迫強度和脅迫時間不同而有一定差異[30]。本研究表明，隨吹襲時間的增加，白刺POD 活性逐漸上升，SOD 和CAT活性波動變化。其中，10 m in 脅迫下SOD 和CAT 活性顯著增加，說明SOD 和CAT 在脅迫初期起到一定的保護作用，但其能力有限，在20 m in 脅迫下顯著降低，此時POD 活性顯著增加，這說明SOD 和CAT 活性的顯著降低可能是因為此時的膜透性顯著減小，POD 活性、SS 和Pro 含量明顯增加，對細胞膜起到了保護作用，這與李瑾等[30]研究結果一致。30 m in 脅迫下膜透性無明顯變化，MDA 含量仍降低，SOD、CAT 和POD 活性均增加，說明這3 種酶活性在30 m in 脅迫下協(xié)同增強對逆境的抵抗力，保護細胞膜結構[9,31]，從而使白刺在一定范圍內逆境脅迫下正常生長發(fā)育。沙蒿POD 活性波動增加，但均高于CK 且脅迫10 m in 時活性最強，SOD 活性逐漸降低，CAT 活性波動變化。其中，10 m in 脅迫下MDA含量降低，膜透性增加不明顯，SOD 和CAT 活性減弱，POD 活性顯著增強，說明SOD 和CAT 活性降低可能是因為此時沙蒿受到的膜脂過氧化作用較小，POD 在減輕細胞膜受傷害過程中起一定的保護作用。20 m in 脅迫下SOD 活性顯著低于CK，CAT 活性顯著高于CK，說明CAT 起到一定的保護作用，但因其能力有限[30,32]，在30 m in 脅迫下呈下降趨勢，POD 亦無顯著變化，對細胞結構未起到保護作用，導致30 m in 處理的MDA 含量和膜透性增加到最大值。說明其膜透性增大可能是由較低的膜脂過氧化作用和機械損傷引起的，也說明SOD 活性下降可能是細胞膜結構受損的因素之一[22,24]，而CAT 活性提高可能對SOD 活性降低有一定的補償作用，這與趙哈林等[10]研究一致。

植物在受到逆境脅迫時，通常會通過增加SS、SP 和Pro 等滲透調節(jié)物質含量或調節(jié)K+、Na+等的含量進行滲透調節(jié)，保持細胞的滲透壓，保證細胞各種生理活動正常進行，并對細胞膜起保護作用[26,33]。本研究表明，白刺和沙蒿對風沙流脅迫的反應既有相同之處也有差異。隨風沙流吹襲時間延長，白刺和沙蒿SP 含量顯著降低，而且白刺SP 含量的降幅小于沙蒿，這可能是由于植物體內蛋白質合成受阻，加快分解以調節(jié)水勢來減輕其受損程度[34]。白刺Pro 和SS 含量均有所增加，而沙蒿的SS 含量減少，Pro 含量在10 m in 脅迫下減少，在20、30 m in 脅迫下增加，這與趙哈林等[10,28]研究結果一致。說明受風沙流脅迫時，SP 未發(fā)揮調節(jié)作用，白刺通過增加Pro 和SS 含量來維持細胞內滲透壓以適應風沙環(huán)境，20 和30 m in 處理下的Pro 和SS 含量顯著增加，對提高其抗風沙能力起著重要作用[9]；而沙蒿SS 也未發(fā)揮調節(jié)作用，Pro 含量在10 m in 脅迫下降低可能是因為在脅迫初期對風沙環(huán)境不適應，因而未激發(fā)滲透調節(jié)作用，隨脅迫時間延長逐漸適應環(huán)境，因此，20、30 m in 脅迫下Pro 含量表現出上升趨勢，起到一定的滲透調節(jié)作用，這與王進等[29]研究一致，說明白刺在風沙流脅迫下的滲透調節(jié)能力強于沙蒿。

植物抵御逆境脅迫的耐受能力與其體內酶活性和滲透調節(jié)能力有關，抗逆性強的植物在逆境條件下保護酶活性和滲透調節(jié)物質含量維持在一個較高的水平，清除多余活性氧，減輕膜受傷害和細胞質外泄程度，提高植物抗逆能力[31]。本研究表明白刺和沙蒿幼苗的酶活性和滲透調節(jié)物質含量對風沙流脅迫的響應具有差異性。在30 m in 脅迫下，白刺SOD、POD 和CAT 活性仍同時增強，Pro 和SS 含量顯著增加，沙蒿僅POD 一種酶的活性升高，Pro含量略有增加，說明這種酶活性和滲透調節(jié)物質含量變化可能是風沙流脅迫下白刺耐風沙能力強于沙蒿的一種重要逆境生理機制，這與趙哈林等[26]研究結果一致。兩種沙生植物在長期風沙環(huán)境自然選擇及其對環(huán)境的不斷適應中，形成減緩和防止風沙危害的特殊適應機制。其中，白刺作為優(yōu)良固沙先鋒植物，分枝多而密，沙埋后能向上萌發(fā)不定芽、長出不定根，匍匐近地面叢生于流動、半流動沙地，積聚風沙形成固定的丘狀沙堆起防風阻沙和維持荒漠區(qū)環(huán)境穩(wěn)定的重要作用[35]。而沙蒿作為荒漠草原和荒漠沙地的主要建群種之一，具有明顯主干，側根少，構型空隙度大透風，基部不會形成沙堆，沙埋影響其存活生長的同時會促進其生根[36]，是固定半固定沙地、半流動沙丘喜適度沙埋植物，其灌叢阻沙能力有限，隨著沙地的逐漸固定開始衰退[37]，這可能也是風沙流脅迫下白刺抗風沙能力強于沙蒿的主要原因之一[26]。

4 結論

隨著12 m·s?1風沙流吹襲時間的增加，白刺MDA含量呈下降趨勢，膜透性無明顯變化，20 min 脅迫下僅POD 活性顯著增加，10 和30 m in 脅迫下POD、SOD 和CAT 均起到保護作用，Pro 和SS 起主要的滲透調節(jié)作用。沙蒿MDA 含量在30 m in 脅迫下上升，膜透性和POD 活性呈上升趨勢，CAT 活性僅在20 m in 脅迫下顯著增加，Pro 含量在20 和30 min 脅迫下略有升高，起一定程度的保護作用。說明在30 min以內的風沙流脅迫下，白刺的適應能力強于沙蒿是因為其膜透性受損程度較低，保護酶活性和滲透調節(jié)物質含量增幅較大。