朱書紅 趙秀婷 劉蔚漪 輝朝茂

(西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院/竹藤科學(xué)研究院/叢生竹工程技術(shù)研究中心 昆明 650224)

巨龍竹(Dendrocalamus sinicus) 是禾本科竹亞科牡竹屬的大型叢生竹種，主要分布于云南南部和西南部[1]，是目前世界上所知稈型最高大的竹種，具有巨大的開發(fā)價(jià)值和利用前景[2]。目前，國內(nèi)外對(duì)巨龍竹的研究多集中在培育[3]和竹材性質(zhì)[4]等方面，對(duì)其抗旱性方面的研究較少，開展巨龍竹的抗旱性研究對(duì)巨龍竹的引種和推廣具有十分重要的意義。

干旱是自然界常見的環(huán)境脅迫之一[5]，它會(huì)使植物體喪失水分，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[6]。通常情況下，植物會(huì)通過各種生理活動(dòng)以及生化反應(yīng)來抵御干旱帶來的傷害，從而增強(qiáng)植株的抗旱能力[7]。以超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX) 等為代表的抗氧化酶類組成的酶系統(tǒng)在植物抗旱中扮演著重要角色，可以清除干旱帶來的大量活性氧，避免膜脂過氧化，使各種生理代謝活動(dòng)正常進(jìn)行[8]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多關(guān)于植物抗旱性方面的研究，并取得較多成果[9－10]。研究發(fā)現(xiàn)，植物的水分生理指標(biāo)、代謝指標(biāo)、酶和滲透調(diào)節(jié)物等都可以用來評(píng)價(jià)植物的抗旱性[11－12]。周少卿等[13]通過對(duì)4 種珍稀竹種的抗旱性研究發(fā)現(xiàn)，維持竹種正常生長(zhǎng)的最低土壤含水量為6%。應(yīng)葉青等[14]研究了干旱脅迫對(duì)毛竹的影響，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對(duì)毛竹的各項(xiàng)生理指標(biāo)都會(huì)造成一定的影響，抑制了毛竹生長(zhǎng)。但由于干旱脅迫對(duì)植物影響的復(fù)雜性，還需要采用隸屬函數(shù)法對(duì)各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，避免個(gè)別指標(biāo)的片面性[15]。本研究以分別在孟連(源生地) 和昆明(引種地) 兩地育苗的巨龍竹實(shí)生苗為研究對(duì)象，分析干旱脅迫對(duì)其生理特性的影響，探討巨龍竹實(shí)生苗對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性及耐受性，為巨龍竹的引種和育苗提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為同一批種子分別在昆明和孟連兩地培育的2 年生巨龍竹實(shí)生苗(以下分別簡(jiǎn)稱為“昆明苗”和“孟連苗”)。孟連培育的巨龍竹實(shí)生苗總體比較高大，高2～3 m，枝干直徑約2～3 cm；葉劍形，長(zhǎng)13～15 cm，寬5～6 cm。昆明培育的巨龍竹實(shí)生苗比較矮小，高0.75～0.85 m，枝干直徑約1.0～1.5 cm；葉劍形，長(zhǎng)9～10 cm，寬3～4 cm。

1.2 試驗(yàn)方法

2021 年7 月上旬，選取在昆明和孟連兩地培育的長(zhǎng)勢(shì)均勻的2 年生巨龍竹實(shí)生苗各20 盆，移至塑料大棚中，盆栽土壤為腐殖質(zhì)與紅壤以3 ∶7配制而成。試驗(yàn)根據(jù)土壤含水量確定干旱脅迫強(qiáng)度，設(shè)置了5 個(gè)持續(xù)脅迫水平[16](表1)，試驗(yàn)期間用土壤水分測(cè)定儀確定土壤水含量。

表1 干旱脅迫處理水平Tab.1 Treated levels of drought stress

試驗(yàn)于2021 年10 月2 日開始，于試驗(yàn)開始前1 d 澆透水，之后不再澆灌。在干旱脅迫第0、3、6、9、12 d 上午9：00 取新鮮的成熟葉片，共取樣5 次，重復(fù)3 次，用于各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

在干旱脅迫下，植物會(huì)在外在形態(tài)上發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為葉片卷縮或出現(xiàn)落葉等。因此形態(tài)學(xué)指標(biāo)的觀測(cè)主要是葉片形態(tài)指標(biāo)觀測(cè)，即主要觀察葉片的生長(zhǎng)勢(shì)和葉片狀況。根據(jù)葉片每天的生長(zhǎng)表現(xiàn)，記錄形態(tài)指標(biāo)。

葉片含水量采用烘干法測(cè)定[17]，葉片細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)率儀法測(cè)定[18]，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250 染色法測(cè)定[11]，葉綠素含量采用丙酮提取法測(cè)定[5]，丙二醛(MDA) 含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[8]，超氧化物歧化酶(SOD) 活性采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定[15]，抗壞血酸過氧化物酶(APX) 活性和過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測(cè)定[19]。

1.4 抗旱性綜合評(píng)價(jià)方法

用隸屬函數(shù)法對(duì)孟連苗和昆明苗的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)值計(jì)算公式如下：

式 (1) 和式 (2) 中：Xi為指標(biāo)測(cè)定值，Xmax表示孟連苗和昆明苗第i個(gè)指標(biāo)的最大值，Xmin表示第i個(gè)指標(biāo)的最小值。如果所測(cè)指標(biāo)與竹苗的耐旱性呈正相關(guān)關(guān)系，用式(1) 計(jì)算；如果所測(cè)指標(biāo)與竹苗的耐旱性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，則用式(2) 計(jì)算。對(duì)竹苗各項(xiàng)生理指標(biāo)的抗旱隸屬值進(jìn)行累加，并計(jì)算出平均值，平均值越大，表示其抗旱性越強(qiáng)[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與制圖，并采用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下巨龍竹實(shí)生苗形態(tài)指標(biāo)的變化

在持續(xù)干旱脅迫下，巨龍竹實(shí)生苗地上部分的形態(tài)變化情況見表2。干旱脅迫下孟連苗和昆明苗的形態(tài)變化差異較大，主要體現(xiàn)在葉片顏色、卷曲、干枯的程度不同。

表2 干旱脅迫下巨龍竹實(shí)生苗葉片形態(tài)變化Tab.2 The leaf morphological changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.2 干旱脅迫對(duì)巨龍竹實(shí)生苗葉片相對(duì)含水量的影響

葉片相對(duì)含水量可以直接反映出植物在干旱環(huán)境下水分的虧缺程度[5]，常用來衡量植物的保水能力[21]。由圖1 可知，孟連苗和昆明苗的葉片相對(duì)含水量隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加，呈先升高后下降的變化趨勢(shì)，但兩者的變化趨勢(shì)不同。孟連苗的葉片含水量在前期上升較快，在第2 脅迫水平到達(dá)峰值后開始急劇下降，且下降幅度較大；昆明苗在前3個(gè)脅迫水平上呈緩慢上升趨勢(shì)，在第4 脅迫水平上快速上升后到達(dá)峰值，然后開始下降，下降幅度比孟連苗小，說明其持水能力較強(qiáng)。

圖1 干旱脅迫下巨龍竹葉片相對(duì)含水量變化Fig.1 The relative water content changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.3 干旱脅迫對(duì)巨龍竹實(shí)生苗葉綠素含量的影響

葉綠素是植物體內(nèi)重要的光合色素之一[8]，其含量可以反映出葉片的水分狀況和衰老程度，常被作為評(píng)判植物干旱缺水的指標(biāo)[22]。由圖2 可知，孟連苗和昆明苗葉綠素含量均呈現(xiàn)隨著脅迫水平增強(qiáng)而下降的變化趨勢(shì)，但兩者下降的速率不同。孟連苗葉綠素含量在前4 個(gè)脅迫水平上下降的速率較快而后趨于平緩，葉綠素含量下降了17.00 mg/cm2；昆明苗則與之相反，在前4 個(gè)脅迫水平上下降較為平緩到第5 脅迫水平后急劇下降，葉綠素含量下降了14.20 mg/cm2。由此可以看出，孟連苗的葉綠素含量變化較大，抗旱性較弱。

圖2 干旱脅迫下巨龍竹實(shí)生苗葉片葉綠素含量變化Fig.2 The chlorophyll content changes in leaves of D. sinicus seedlings under drought stress

2.4 干旱脅迫對(duì)巨龍竹實(shí)生苗細(xì)胞膜透性的影響

細(xì)胞膜是植物細(xì)胞與外界交流的通道，在干旱脅迫下細(xì)胞膜透性可以反映出細(xì)胞膜受損的程度，從而體現(xiàn)植物的抗旱能力[23]。由圖3 可知，在持續(xù)干旱過程中，孟連苗和昆明苗的細(xì)胞膜透性總體呈上升趨勢(shì)，說明干旱強(qiáng)度越強(qiáng)，細(xì)胞膜受損傷的程度越大。與第1 脅迫水平相比，孟連苗從第2 脅迫水平到第5 脅迫水平細(xì)胞膜透性的增幅分別為6.77%、16.73%、18.71%、53.16%；昆明苗從第2 脅迫水平到第5 脅迫水平細(xì)胞膜透性的增幅分別為1.04%、8.64%、12.59%、35.30%。由此可以看出，在同一個(gè)脅迫水平上，孟連苗的細(xì)胞膜透性大于昆明苗，說明孟連苗細(xì)胞膜損傷的程度更大，抵御干旱的能力較低。

圖3 干旱脅迫下巨龍竹實(shí)生苗細(xì)胞膜透性變化Fig.3 The cell membrane permeability changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.5 干旱脅迫對(duì)巨龍竹實(shí)生苗可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白是一種重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在缺水情況下可以減少細(xì)胞內(nèi)的水分喪失[19]，其含量的高低還可以反映各種代謝活動(dòng)的強(qiáng)弱，是衡量葉片保水能力的重要生理指標(biāo)[24]。由圖4 可以看出，在持續(xù)干旱過程中，孟連苗和昆明苗的可溶性蛋白含量總體呈先下降后升高的變化趨勢(shì)，第2 脅迫水平兩者的可溶性蛋白含量最低。從整體上看，從第1 脅迫水平到第5 脅迫水平，孟連苗的可溶性蛋白含量增加了11.75 mg/g (FW)；昆明苗的可溶性蛋白含量增加了15.28 mg/g (FW)。由此可以看出，昆明苗的可溶性蛋白含量比孟連苗的高，說明其保水能力較好[17]。

圖4 干旱脅迫下巨龍竹實(shí)生苗可溶性蛋白含量變化Fig.4 The soluble protein content changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.6 干旱脅迫對(duì)巨龍竹實(shí)生苗丙二醛含量的影響

在干旱脅迫下，植物膜脂會(huì)發(fā)生過氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的丙二醛(MDA)[6]。因此，MDA 含量可以反映出葉片膜脂的受損程度[24]，其數(shù)值越大表示植物所受干旱脅迫越嚴(yán)重[20]。如圖5 所示，孟連苗和昆明苗的MDA 含量與干旱強(qiáng)度呈正相關(guān)，隨干旱脅迫的增強(qiáng)而逐漸上升。在同一干旱水平下，孟連苗的MDA 含量大于昆明苗，說明昆明苗細(xì)胞膜受損程度較小，膜脂過氧化程度低。

圖5 干旱脅迫下巨龍竹實(shí)生苗MDA 含量變化Fig.5 The MDA content changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.7 干旱脅迫對(duì)SOD、APX、CAT 酶活性的影響

2.7.1 干旱脅迫對(duì)巨龍竹SOD 活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD) 是植物體內(nèi)的重要保護(hù)酶之一，是植物抵抗氧化侵襲的第1 道防線[21]。當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，SOD 能在一定程度上減緩、抵御活性氧對(duì)細(xì)胞造成傷害。相關(guān)研究表明，耐旱的植物SOD 活性較高。因此，SOD活性可以作為一個(gè)抗旱的指標(biāo)[25]。從表3 中可以看出，干旱脅迫對(duì)孟連苗與昆明苗的SOD 活性有顯著影響，但兩者變化的幅度不同。隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，孟連苗葉片的SOD 活性呈現(xiàn)先升高后下降再升高變化的“S”曲線(P＜0.05)；昆明苗葉片的SOD 活性變化則為先緩慢升高又緩慢下降然后逐漸升高，在第4 脅迫水平到達(dá)峰值后又迅速降低。兩者的SOD 活性除在第2 脅迫水平上差異不顯著(P＞0.05) 外，其他水平均有顯著差異(P＜0.05)。從整體上看，昆明苗的SOD 活性在整個(gè)干旱脅迫過程中相對(duì)較高，說明其清除自由基和抗氧化能力較強(qiáng)，抗旱性也較強(qiáng)[26]。

表3 干旱脅迫下巨龍竹實(shí)生苗酶活性變化Tab.3 The enzyme activity changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.7.2 干旱脅迫對(duì)巨龍竹CAT 活性的影響

過氧化氫酶 (CAT) 存在于過氧化物體中[24]，是抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成成分[27]，對(duì)清除細(xì)胞內(nèi)的H2O2有重要作用。從表3 中可以看出，孟連苗和昆明苗的CAT 活性在前3 個(gè)脅迫水平上存在顯著差異(P＜0.05)，在后2 個(gè)脅迫水平上差異不顯著(P＞0.05)。隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，孟連苗葉片的CAT 活性變化為先急速下降后逐漸升高又緩慢下降，不同脅迫水平之間有顯著差異(P＜0.05)；昆明苗葉片的CAT 活性呈緩慢下降―緩慢升高―快速下降―緩慢升高的變化趨勢(shì)，但上升幅度小，總體呈下降趨勢(shì)，說明隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，需要消耗大量CAT 用于清除H2O2。

2.7.3 干旱脅迫對(duì)巨龍竹APX 活性的影響

抗壞血酸過氧化物酶(APX) 是葉綠體中清除H2O2的關(guān)鍵酶[28]。由表3 可以看出，孟連苗和昆明苗的APX 活性在水分適宜的第1 脅迫水平時(shí)含量較低，說明此時(shí)細(xì)胞體內(nèi)的H2O2濃度較低。隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，兩者的APX 活性呈先上升后下降又上升的變化趨勢(shì)，不同脅迫水平之間均有顯著差異(P＜0.05)，但同一脅迫水平下兩者無顯著差異 (P＞0.05)。由此可以看出，H2O2的產(chǎn)生能夠誘導(dǎo)APX 的表達(dá)，脅迫后期H2O2含量的增多使APX 活性不斷升高。

2.8 耐旱性綜合評(píng)價(jià)

在持續(xù)干旱脅迫下，孟連苗和昆明苗各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及均值如表4 所示。可以看出，昆明苗的隸屬函數(shù)值均值大于孟連苗的隸屬函數(shù)值均值，說明昆明苗的抗旱性比孟連苗強(qiáng)。

表4 巨龍竹實(shí)生苗各項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)值Tab.4 The membership function values of each index for D. sinicus seedlings

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生理生化活動(dòng)造成一定的影響，最直觀的表現(xiàn)是從形態(tài)上開始衰老，甚至死亡。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫導(dǎo)致了孟連苗和昆明苗自身水分調(diào)節(jié)能力變?nèi)?，隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，兩者的葉片相對(duì)含水量變化先升高后下降，這是因?yàn)樵谳^低的干旱水平下，葉片會(huì)通過提高水分利用率或減少蒸騰作用等來減少水分的喪失，這與干旱脅迫對(duì)香樟幼樹生理特性的影響相一致[29]。但兩者的下降幅度不一樣，孟連苗葉片相對(duì)含水量下降幅度較大，表明它的葉片保水能力較昆明苗差，這可能與其較大的葉面積有關(guān)。這與任磊等[15]對(duì)4 種茶菊的研究結(jié)果相一致。

細(xì)胞膜是保護(hù)植物細(xì)胞不被外界侵蝕的屏障，能保持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，使細(xì)胞內(nèi)的各項(xiàng)生理活動(dòng)有序進(jìn)行[8]。相關(guān)研究表明：在干旱脅迫下，植物由于持續(xù)脫水，導(dǎo)致細(xì)胞膜的功能或結(jié)構(gòu)受損，相對(duì)膜透性持續(xù)增大[23]，葉綠素合成受阻或分解加快，從而使葉綠素含量降低[22]。本試驗(yàn)所得結(jié)論與上述觀點(diǎn)一致。隨著干旱脅迫的增加，膜脂過氧化程度增強(qiáng)，MDA 作為該反應(yīng)的最終產(chǎn)物可以作為衡量膜脂受損程度和植物抗旱性強(qiáng)弱的指標(biāo)[24]。本研究結(jié)果表明：孟連苗和昆明苗的MDA 含量均隨著干旱強(qiáng)度的增加而增加。說明兩者的膜系統(tǒng)均受到了一定程度的損傷，這與季楊等[19]對(duì)鴨茅葉的研究結(jié)果一致?？扇苄缘鞍卓梢詤⑴c調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的滲透勢(shì)，抵抗干旱脅迫帶來的傷害[18]。本研究表明，隨干旱脅迫的增強(qiáng)，孟連苗和昆明苗的葉片可溶性蛋白質(zhì)含量逐漸增加，體現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗旱性，這與張衛(wèi)紅等[17]對(duì)垂穗披堿草的研究結(jié)果一致。

干旱脅迫會(huì)增加植物體內(nèi)的活性氧[27]，為了防御、減少氧化的損害，植物會(huì)發(fā)動(dòng)體內(nèi)的抗氧化酶和非酶系統(tǒng)來清除或減輕活性氧帶來的傷害，SOD、CAT、APX就屬于這一系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶[19]。本研究結(jié)果表明，孟連苗和昆明苗的SOD活性和APX 活性均隨干旱脅迫的增強(qiáng)呈現(xiàn)先上升后下降再上升的變化趨勢(shì)，而昆明苗在嚴(yán)重干旱脅迫時(shí)SOD 活性急速下降，可能是因?yàn)橹参矬w內(nèi)的SOD 對(duì)干旱有一定的抵抗能力，當(dāng)干旱脅迫超出了它的抵抗范圍，其抗干旱的能力就會(huì)下降，導(dǎo)致活性降低[20]；在重度干旱和嚴(yán)重干旱的情況下，孟連苗和昆明苗的APX 活性都較高，說明巨龍竹在遭受到高強(qiáng)度的干旱脅迫時(shí)APX 是發(fā)揮主要作用的酶[7]，這與前人的研究結(jié)論相一致[30]。但在CAT 活性的研究結(jié)果中，孟連苗和昆明苗的CAT 活性變化趨勢(shì)不同，這可能是因?yàn)閮烧邔?duì)干旱的敏感程度不同和分解H2O2的速率不一致[8]。

根據(jù)孟連苗和昆明苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)和綜合分析可以看出，昆明苗的耐旱性大于孟連苗。但本研究?jī)H采用盆栽苗在大棚內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，不能完全地反映出兩者在田間的抗旱能力，且昆明苗表現(xiàn)出的較強(qiáng)抗旱性，可能與其適應(yīng)了昆明的環(huán)境有關(guān)。因此，若要綜合評(píng)價(jià)孟連苗和昆明苗的抗旱能力需進(jìn)一步結(jié)合兩者在田間環(huán)境下的生長(zhǎng)發(fā)育狀況和各項(xiàng)生理指標(biāo)等來評(píng)判，以便更加科學(xué)全面地評(píng)價(jià)兩者的抗旱性，為今后擴(kuò)大巨龍竹的栽培范圍、科學(xué)引種提供可靠的理論依據(jù)。