楊 濤，施智寶，任 俊，羅竹梅*，王海鷹，李 劍，邊 磊

(1.陜西省林業(yè)科學院，西安 710082；2.國家林業(yè)和草原局長柄扁桃工程技術(shù)研究中心；3.國家林業(yè)和草原局長柄扁桃國家創(chuàng)新聯(lián)盟，陜西 榆林 719000；4.巴彥淖爾市沙漠綜合治理中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾市 015000；5.榆林市榆陽區(qū)林業(yè)局，陜西榆林 719000)

元寶楓(Acertruncatum)是槭樹科槭屬落葉喬木，因其翅果形狀與“金元寶”相似而得名，主要分布在我國黃河中下游各省。元寶楓具有極強綜合抗逆能力，而且還具有很高的經(jīng)濟價值，不僅是綠化造林和園林造景的普選樹種，也是高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的油料樹種[1]。干旱脅迫是干旱半干旱地區(qū)樹木無法避免的生長環(huán)境，植物在干旱脅迫下，其自身的生理指標會隨著脅迫程度和時間而自動調(diào)節(jié)，這是耐旱植物適應干旱環(huán)境的能力。滲透調(diào)節(jié)是耐旱植物適應干旱逆境的一種重要機制，在干旱條件下，植物通過細胞內(nèi)主動積累的溶質(zhì)進行滲透調(diào)節(jié)，以增強植物在干旱條件下的吸水能力，從而維持細胞的生長、氣孔開放和光合作用等生理過程[2]。在這個過程中，植物體的生理活性會隨著干旱程度而發(fā)生變化。丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物歧化酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)是幾種經(jīng)常用于表達植物生理變化的特征性指標[3-6]。實踐證明元寶楓在干旱地區(qū)能夠正常生長，說明元寶楓具有一定的滲透調(diào)節(jié)能力和耐旱性能。本文將通過分析元寶楓在干旱脅迫下的幾種生理指標的變化，分析其干旱適應性能，為沙區(qū)造林及豐產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在陜西省榆林市榆陽區(qū)進行(109°43′E，38°18′N)，該區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫9.5 ℃，日均最高氣溫16 ℃，夜均最低氣溫4 ℃，年平均降水440 mm，干燥度1.4，無霜期150 d。土壤田間持水量22.9%，土壤的導電率0.40 ms·cm-1。為避免雨水對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，該試驗在遮雨棚中進行，遮雨棚四面通風。

1.2 試驗材料與方法

將沙藏催芽露白的元寶楓種子播種于由砂子∶耕地表土∶腐殖質(zhì) = 1∶2∶1的基質(zhì)中(基質(zhì)最大持水量26.5%)，置于塑料棚內(nèi)進行培育，正常澆水管護，待幼苗長到 6 對葉齡時，選取生長狀況良好、無病蟲害，且長勢基本一致的1 a生元寶楓幼苗，植入上口徑40 cm、下口徑25 cm、高30 cm的栽植盆中，每盆栽2株。采用控水法控制栽培基質(zhì)含水量，設(shè)置4個水分梯度T1、T2、T3、T4，對應干旱程度及占土壤最大持水量依次為極輕度干旱脅迫(75%～80%)、輕度干旱脅迫(55%～60%)、中度干旱脅迫(35%～40%)、重度干旱脅迫(15%～20%)；每個處理設(shè)置 3 次重復。水分控制采取人工稱重的方法，即每天下午16∶00稱重并補充散失的水分。分別在處理后第7 d、第14 d和第28 d稱取元寶楓幼苗葉片樣品進行相關(guān)測定。

用南京建成生物工程研究所研制的試劑盒測定元寶楓幼苗葉片的丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物歧化酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等指標。采用Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下元寶楓幼苗MDA含量的變化

MDA是細胞膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生會加劇膜的損傷，所以經(jīng)常作為判斷細胞膜受害程度的指標[7]。MDA含量升高時細胞膜系統(tǒng)受傷害程度加劇，MDA含量下降時細胞膜系統(tǒng)受傷害程度減緩。

在不同水分條件下，元寶楓幼苗 MDA含量隨干旱天數(shù)的變化見圖1。從3個檢測時間點(7、14、28 d)的縱向?qū)Ρ瓤?，干旱程度越高則MDA含量越高；但從各個干旱程度下隨時間延續(xù)變化趨勢看則有明顯差異，在T1和T2干旱度下，MAD含量隨時間的變化幅度都不大，7～28 d之間，其MDA含量的變幅分別只有0.29和0.56 nmol·mg prot-1；在T3干旱度下， MAD含量隨時間的變化變幅開始加大，達到了1.18 nmol·mg prot-1；在T4干旱度下，MAD含量隨時間的變化變幅劇增至3.28 nmol·mg prot-1。把7～14 d與14～28 d分段比較，T1、T2、T3從14 d到28 d之間的變幅小于7～14 d之間的變幅，而T4從14～28 d之間的變幅大于7～14 d之間的變幅，持續(xù)升高。說明隨著干旱程度的增加，元寶楓幼苗的細胞膜從輕微損傷到重度損傷不斷加劇，為應對干旱脅迫，元寶楓幼苗的MAD含量隨時間不斷提升，特別是在重度干旱脅迫下(T4)，從14～28 d之間，MAD含量持續(xù)升高。

圖1 不同干旱程度下MDA含量隨干旱天數(shù)的變化

2.2 干旱脅迫下元寶楓幼苗 SOD活性的變化

植物在長期干旱環(huán)境下，植物體內(nèi)的活性氧自由基就會積累增多，從而導致細胞膜受損，但在短期干旱時，植物在自身的酶促清系統(tǒng)和非酶促清除系統(tǒng)共同作用下會自動過多的活性氧自由基的作用，以保護細胞膜的相對穩(wěn)定性。酶促系統(tǒng)的保護酶包括SOD、CAT和POD等。植物在短期干旱脅迫下，其體內(nèi)的SOD活性就升高并將過多的活性氧自由基轉(zhuǎn)化為水[8]。

在不同干旱程度下，元寶楓幼苗的SOD活性隨干旱持續(xù)天數(shù)發(fā)生變化(圖2)。在初期(7 d)時，T1與T2之間，T2與T3之間的SOD活性值相差范圍并不大，分別只有9 U·g-1和13 U·g-1，T3與T4之間的的SOD活性值相差顯著(P<0.05)，達38 U·g-1。到14 d，4個干旱梯度之間的SOD活性值相差顯著(P<0. 05)。到28 d，情況變得有些復雜，T1從14～18 d，SOD活性值只增加了26 U·g-1，這期間，T2的SOD活性值增加了84 U·g-1，T3增加了107 U·g-1，但T4僅僅增加了37 U·g-1，T4的活性值反而低于T3。說明元寶楓幼苗在極輕度干旱時，SOD活性值在短期干旱內(nèi)保持在一個穩(wěn)定水平；在輕度干旱脅迫和中度干旱脅迫時，SOD活性值在短期干旱內(nèi)有一個突增，表明元寶楓幼苗對短期適度干旱有應急響應；但在重度干旱脅迫下，且干旱持續(xù)時間到了28 d時，這種應急響應的能力有所下降。

圖2 不同干旱程度下SOD活性值隨干旱天數(shù)的變化

2.3 干旱脅迫下元寶楓幼苗POD活性的變化

POD活性酶是一種氧化酶，廣泛存在于植物體中，與呼吸作用、光合作用及生長素的氧化等都有關(guān)系，它能催化H2O2釋放出新態(tài)氧從而氧化某些酚類、芳香胺和抗壞血酸等還原性物質(zhì)，所以它在清除細胞內(nèi)的有害物質(zhì)H2O2，合成保護酶蛋白以及植物細胞木質(zhì)素的過程中起著重要作用。在植物生長發(fā)育過程中它的活性不斷發(fā)生變化，一般老化組織中活性較高，幼嫩組織中活性較弱，這是因為POD能使組織中所含的某些碳水化合物轉(zhuǎn)化成木質(zhì)素，增加木質(zhì)化程度。

在不同干旱程度下，元寶楓幼苗的POD活性也隨干旱持續(xù)天數(shù)發(fā)生變化(圖3)。在初期(7 d)時，T1下的SOD活性值處在一個高位水平，到14 d略有升高，但在28 d時卻下降到低于初期水平。T2下的SOD活性值變化趨勢與T1有些相似，但變化幅度小，相對平穩(wěn)。T3下的SOD活性值一直處于上升趨勢，上升幅度達2.62 U·mg prot-1。T4的初期SOD活性值處于最低水平，只有8.38 U·mg prot-1，但到14 d時就迅速上升到11.35 U·mg prot-1，到28 d時繼續(xù)上升，整個變化幅度高達3.95 U·mg prot-1。說明在干旱強度增加和干旱時間持續(xù)延長時，元寶楓幼苗為抵御干旱脅迫有明顯的生理應急響應。

圖3 不同干旱程度下POD活性值隨干旱天數(shù)的變化

2.4 干旱脅迫下元寶楓幼苗CAT活性的變化

CAT是植物體所有組織普遍存在的一種抗氧化酶，是生物氧化過程中一系列抗氧化酶的終端，植物在不利生長環(huán)境，CAT活性也會增加，并與POD和SOD聯(lián)合作用清除過多的活性氧自由基，防止細胞膜受害[8-9]。

在不同干旱程度下，元寶楓幼苗的CAT活性也隨干旱持續(xù)天數(shù)發(fā)生變化(圖4)。T1下的CAT活性值一直處在一個低位水平，且變化幅度非常小，只有0.81 U·mg prot-1，T2下初期CAT活性值最低，到14 d時就反超了T1的活性值，并繼續(xù)升高，至28 d時已達到26.73 U·mg prot-1，增幅達5.08 U·mg prot-1，T2下的SOD活性值變化趨勢與T1有些相似到14 d略有升高，但在28 d時卻下降到低于初期水平。T3下各階段的CAT活性值整體高于T2，但變化趨勢與T2有些相似。T4的CAT活性值一直處于高位水平，且上升趨勢上升幅度大，達9.86 U·mg prot-1。說明元寶楓幼苗在極輕度干旱時其正常生理幾乎沒有受到威脅，當當干旱強度增加和干旱時間持續(xù)延長時，元寶楓幼苗的CAT活性隨之升高，且與SOD和POD的活性變化高度一致。

圖4 不同干旱程度下POD活性值隨干旱天數(shù)的變化

3 結(jié)論與討論

植物在自然環(huán)境條件下，不可避免地會受到諸如干旱、高鹽、高溫、低溫、養(yǎng)分缺乏和大氣污染等多種逆境的脅迫。這些非生物的逆境脅迫會迫使植物直接或間接形成過量的活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)，而ROS對細胞膜系統(tǒng)、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等大分子具有很強的破壞作用。為了保護自身免受ROS的傷害，在長期進化過程中，植物體發(fā)展了一套完整的防御系統(tǒng)，包括酶促抗氧化體系和非酶促抗氧化體系[2,10]。植物保護酶系統(tǒng)實際上是一個抗氧化系統(tǒng)，它由許多酶和還原性物質(zhì)組成，其中，SOD、CAT和POD是主要的抗氧化酶，植物通過抗氧化酶加強抗氧化作用以提高對逆境的抗性。同時，在干旱條件下，植物也通過滲透調(diào)節(jié)在細胞內(nèi)主動積累溶質(zhì)，使植物在干旱條件下的吸水能力增強，以維持一定的膨壓，進而維持細胞的生長、氣孔開放和光合作用等生理過程，所以植物滲透調(diào)節(jié)也是耐旱植物適應干旱逆境的一種重要機制[1]。

元寶楓能夠在干旱地區(qū)正常生長，說明其具有一定的滲透調(diào)節(jié)能力和耐旱性能，這種能力可以通過體內(nèi)的生物活性物質(zhì)的變化得以體現(xiàn)。本次研究結(jié)果顯示：元寶楓幼苗在不同的干旱程度下，MDA、SOD、CAT和POD的含量或活性值不同，且隨著干旱時間的短期持續(xù)，也有著不同的變化趨勢，特別是在重度干旱情況下，其各項數(shù)值的變化幅度更大，說明在干旱強度增加和干旱時間持續(xù)延長時，元寶楓幼苗為抵御干旱脅迫，生理應急響應變得更加強烈。由于本研究只進行了短期(28 d)的干旱脅迫試驗，在長期重度干旱情況下，元寶楓幼苗對干旱脅迫的抵御能力是否存在閾值還不得而知，需要做進一步研究。