宋丹華++黃俊華++王豐
摘要:采用盆栽試驗(yàn)和直播試驗(yàn)方法,測(cè)定持續(xù)干旱脅迫條件下鈴鐺刺幼苗的脯氨酸、丙二醛、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、可溶性淀粉、根系活力、細(xì)胞膜透性、葉綠素、根相對(duì)含水量、莖相對(duì)含水量等生理指標(biāo)含量,研究鈴鐺刺幼苗對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)。結(jié)果表明:隨著干旱脅迫程度的加劇,直播苗與容器苗的葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量呈遞減變化,相對(duì)電導(dǎo)率、脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量均呈遞增趨勢(shì),直播苗體內(nèi)的可溶性淀粉含量先升高后降低,容器苗體內(nèi)的可溶性淀粉含量先減少后增加,直播苗與容器苗在根系活力上都表現(xiàn)為先遞減后增加,干旱脅迫的第6—9天是植物生理變化的重要時(shí)期。直播苗比容器苗具有更強(qiáng)的抗旱性能,容器育苗適宜在持續(xù)干旱6 d進(jìn)行灌溉。
關(guān)鍵詞:鈴鐺刺;苗期;抗旱性;生理指標(biāo)
中圖分類號(hào): Q945.78文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2016)05-0292-04
干旱對(duì)人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展影響巨大,人們?cè)絹碓疥P(guān)注干旱問題,世界42.9%的耕地面積是干旱半干旱耕地,我國(guó)48%的耕地面積是干旱半干旱耕地[1-2]。干旱半干旱地區(qū)沙質(zhì)土地不合理的利用方式經(jīng)常會(huì)引發(fā)沙漠、戈壁面積增加,而且會(huì)影響陸地生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu),最終導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化[3-4]。干旱地區(qū)生態(tài)修復(fù)的主要限制問題是缺水和植物生長(zhǎng)困難,因此,篩選出耐旱植物是加快干旱半干旱地區(qū)植被生態(tài)建設(shè)、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的有效方法之一,植物在干旱環(huán)境下生長(zhǎng)繁殖的必備條件是抗旱,植物的抗旱性是各種因素綜合作用的產(chǎn)物,植物的抗旱性會(huì)通過生理生化功能、生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)適應(yīng)以及生物生產(chǎn)力等多種形式表現(xiàn)[5-8]。目前為止還沒有形成統(tǒng)一的方法能夠全面描述各種植物的抗旱特征。鈴鐺刺屬豆科鈴鐺刺屬灌木,產(chǎn)自內(nèi)蒙古自治區(qū)西北部和新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省等地(河西走廊沙地)。鈴鐺刺生于荒漠鹽化沙土和河流沿岸的鹽質(zhì)土上,常見于胡楊林下[1]。鈴鐺刺在年降水量為85~175 mm、3 m深沙層且平均含水量?jī)H有2.1%的高大格狀沙丘上,也可以正常生長(zhǎng)發(fā)育、開花、結(jié)實(shí),是非常好的固沙植物,在園林中可用作綠(花)籬,也可叢植,條件較好的地方有時(shí)出現(xiàn)純叢景觀。本研究選擇造林常用的2種方式——大田直播育苗、容器育苗進(jìn)行持續(xù)干旱脅迫試驗(yàn),測(cè)定鈴鐺刺脯氨酸、丙二醛(MDA)、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、細(xì)胞膜透性等生理生化指標(biāo),以期了解鈴鐺刺苗期持續(xù)干旱脅迫的極限時(shí)間,旨在為開發(fā)利用鈴鐺刺種質(zhì)資源提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1材料
2014年4—11月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)網(wǎng)室和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行試驗(yàn)。選擇采自新疆維吾爾自治區(qū)阜康市梧桐溝沙漠風(fēng)景區(qū)的種子分別進(jìn)行直播育苗、容器育苗,以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)網(wǎng)室土壤作為供試土壤。育苗容器選用 10 cm×15 cm 的黑色聚乙烯薄膜底部及中下部周圍打孔的營(yíng)養(yǎng)缽。每穴(盆)播種3粒并培育植株,每穴(盆)只保留1株,培育3個(gè)月,選擇生長(zhǎng)健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的鈴鐺刺幼苗作為供試材料,于2014年9月1日澆透水,保證土壤吸足水分,9月1日取樣測(cè)定植物生理生化指標(biāo)作為對(duì)照值(CK),次日開始斷水處理,分別于斷水后3、6、9、12 d取樣測(cè)定,每處理取樣6株,整個(gè)試驗(yàn)過程在人工溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。
1.2方法
采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛含量;采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)含量;采用相對(duì)電導(dǎo)率法測(cè)定細(xì)胞膜透性;采用TTC染色法測(cè)定根系活力;采用烘干法測(cè)定相對(duì)含水量;采用水合茚三酮比色法測(cè)定脯氨酸含量;采用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定葉綠素含量;采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖、可溶性淀粉含量。
1.3數(shù)據(jù)分析
采用Microsoft Excel軟件、SPSS軟件、DPS軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。
2結(jié)果與分析
2.1干旱脅迫對(duì)鈴鐺刺葉片脯氨酸含量的影響
脯氨酸是水溶性氨基酸,具有非常強(qiáng)的水合能力,是一種良好的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。植物體內(nèi)脯氨酸以游離狀態(tài)存在。受到干旱危害時(shí),植物體內(nèi)脯氨酸大量累積[9]。由圖1可以看出,隨著土壤干旱脅迫的加劇,直播與容器內(nèi)的鈴鐺刺幼苗葉片的脯氨酸含量都呈上升趨勢(shì),容器苗脯氨酸含量在斷水6 d之前與直播苗趨勢(shì)一樣,增幅不大,持續(xù)斷水6 d以后,容器苗脯氨酸含量明顯增加,斷水9~12 d,增幅減緩,說明在水分脅迫初期,生成的游離脯氨酸可以維持各器官較強(qiáng)的滲透能力,以提高植株對(duì)干旱的適應(yīng)能力,但隨著干旱脅迫的進(jìn)一步加劇,植物組織因嚴(yán)重萎蔫、碳水化合物供給減少以及酶活性喪失而導(dǎo)致游離脯氨酸積累減少,斷水6 d時(shí)土壤含水量是植株良好生長(zhǎng)的臨界點(diǎn),正常種植情況下應(yīng)該在第6天進(jìn)行復(fù)水。直播苗脯氨酸含量雖然呈遞增趨勢(shì),但是增幅緩慢,說明直播苗受到水分脅迫的影響較容器苗小,這可能與直播苗可以吸取到地下水有關(guān)。斷水0~3 d,直播苗與容器苗脯氨酸含量差異不明顯,斷水6 d時(shí)差異顯著,斷水9~12 d,差異極顯著。
2.2干旱脅迫對(duì)鈴鐺刺葉片可溶性蛋白含量的影響
蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ),植物在逆境條件下通過可溶性蛋白合成的增加,直接參與其適應(yīng)逆境的過程。從圖2可以看出,隨著干旱脅迫的加劇,直播與容器內(nèi)鈴鐺刺幼苗體內(nèi)可溶性蛋白均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。干旱脅迫時(shí)期容器內(nèi)鈴鐺刺幼苗可溶性蛋白含量高于直播苗,干旱脅迫9 d時(shí)直播苗可溶性蛋白含量高于容器苗。干旱脅迫后期,容器內(nèi)鈴鐺刺幼苗可溶性蛋白含量迅速增加。脅迫12 d時(shí),直播苗和容器苗可溶性蛋白含量分別比脅迫前增加416.58%、478.51%。直播苗與容器苗可溶性蛋白含量差異顯著,從可溶性蛋白的增加可以推測(cè)有“旱脅蛋白”產(chǎn)生,這種熱穩(wěn)定性蛋白有利于增強(qiáng)苗木抗旱性。
2.3干旱脅迫對(duì)鈴鐺刺葉片可溶性糖的影響
可溶性糖也是植物體內(nèi)的一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在水分脅迫下,能增加細(xì)胞液濃度,提高對(duì)水分的吸收能力及保水能力,從而有利于適應(yīng)干旱缺水的環(huán)境[10-12]。從圖3可以看出,隨著干旱脅迫的加劇,直播苗和容器苗幼苗可溶性糖含量整體上呈增加趨勢(shì)。干旱脅迫初期,直播苗和容器苗幼苗可溶性糖含量變化不大,說明輕度的水分脅迫對(duì)于鈴鐺刺幼苗無太大影響。干旱脅迫后期,容器苗的可溶性糖含量有所升高,但是直播苗的可溶性糖含量下降。方差分析表明,在整個(gè)干旱脅迫的各階段,直播苗與容器苗體內(nèi)可溶性糖含量只有在第6天差異極顯著。
2.4干旱脅迫對(duì)鈴鐺刺葉片可溶性淀粉的影響
可溶性淀粉同樣是植物體內(nèi)的一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),植物在逆境條件下通過增加可溶性淀粉的合成,直接參與其適應(yīng)逆境的過程。從圖4可以看出,在土壤干旱脅迫過程中,直播苗體內(nèi)可溶性淀粉含量先升高后降低,可能是由于這一土壤水分范圍適宜其合成可溶性淀粉;容器苗體內(nèi)可溶性淀粉含量呈先減少后增加趨勢(shì),臨界點(diǎn)出現(xiàn)在第6天。
2.5干旱脅迫對(duì)鈴鐺刺根系活力的影響
植物根系是活躍的吸收器官和合成器官,根的生長(zhǎng)情況和活力水平直接影響地上部的營(yíng)養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平,根系活力是表征植物根系的量。從圖5可以看出,在土壤干旱脅迫過程中,直播苗與容器苗根系活力上都表現(xiàn)為先遞減后增加,都在脅迫后9 d時(shí)遞增,說明脅迫后9 d的土壤含水量是根系活力變化的一個(gè)臨界點(diǎn)。脅迫后3 d和12 d直播苗和容器苗根系活力差異極顯著。
2.6干旱脅迫對(duì)鈴鐺刺MDA含量的影響
逆境環(huán)境會(huì)對(duì)植物細(xì)胞膜系統(tǒng)造成破壞,MDA含量體現(xiàn)了生物膜脂過氧化強(qiáng)度和膜系統(tǒng)受傷害程度。從圖6可以看出,干旱脅迫過程中,直播苗與容器苗MDA含量都呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。干旱脅迫初期,鈴鐺刺MDA含量較低,且變化較平緩,脅迫后期,MDA含量上升較為明顯。干旱脅迫后9 d,直播苗與容器苗的 MDA含量分別比脅迫前增加2.12倍、2.18倍。從保護(hù)酶協(xié)調(diào)作用保護(hù)細(xì)胞膜來看,MDA含量應(yīng)該越來越少。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著脅迫程度的增強(qiáng),MDA含量呈現(xiàn)升高趨勢(shì),這可能是由于保護(hù)酶活性和抗氧化物質(zhì)含量的上升并不意味著活性氧清除能力同步上升,從而引起膜脂過氧化加劇。經(jīng)方差分析,直播苗與容器苗MDA含量差異不顯著,只有在3 d時(shí)差異顯著,說明斷水處理對(duì)容器苗的影響一開始就比直播苗明顯。
2.7干旱脅迫對(duì)鈴鐺刺細(xì)胞膜相對(duì)透性的影響
逆境對(duì)植物細(xì)胞最開始的傷害是對(duì)膜的傷害,細(xì)胞膜一旦遭到破壞,透性會(huì)增大,接著細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)會(huì)外滲,導(dǎo)致細(xì)胞浸提液電導(dǎo)率增大[13-14]。從圖7可以看出,隨著干旱脅迫的加劇,直播苗和容器苗的細(xì)胞相對(duì)透性整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),說明干旱脅迫傷害了幼苗的膜系統(tǒng)。干旱脅迫初期,細(xì)胞相對(duì)透性變化不大,說明輕度的水分脅迫對(duì)于鈴鐺刺幼苗生長(zhǎng)無太大影響。干旱處理后期,容器苗的細(xì)胞相對(duì)透性有所升高,但是直播苗的細(xì)胞相對(duì)透性增幅不大。干旱脅迫后 3 d,直播苗、容器苗的細(xì)胞相對(duì)透性分別是脅迫前的1.40倍、1.05倍;干旱脅迫后6 d,直播苗和容器苗的細(xì)胞相對(duì)透性分別是脅迫前的1.53倍、1.15倍;干旱脅迫后9 d,直播苗和容器苗的細(xì)胞相對(duì)透性分別是脅迫前的1.64倍、1.75倍,增長(zhǎng)幅度不大,說明輕度干旱脅迫對(duì)灌木幼苗膜系統(tǒng)的影響不大;斷水后12 d,直播苗和容器苗的細(xì)胞相對(duì)透性分別是脅迫前的1.87倍、3.03倍,容器苗的細(xì)胞相對(duì)透性與脅迫初期相比增長(zhǎng)幅度明顯變大,說明干旱脅迫程度對(duì)幼苗的影響較大。方差分析表明,干旱脅迫各階段,直播苗與容器苗體內(nèi)細(xì)胞相對(duì)透性只在脅迫后9 d和12 d差異顯著。
2.8干旱脅迫對(duì)鈴鐺刺葉綠素含量的影響
逆境下植物光合能力會(huì)受到嚴(yán)重影響,葉綠素是植物光合作用的重要參與物質(zhì),所以葉綠素含量變化可直接反映植物受干旱脅迫的程度[15]。葉綠素含量是衡量葉片衰老程度的重要生理指標(biāo)。從圖8可見,隨著干旱脅迫加劇,直播苗和容器苗的幼苗葉綠素含量整體呈遞減趨勢(shì),整體變化趨勢(shì)不明顯,說明輕度水分脅迫對(duì)于鈴鐺刺幼苗葉綠素含量影響不大。干旱處理后期,直播苗和容器苗的幼苗葉綠素含量較脅迫前遞減明顯。方差分析表明,整個(gè)干旱脅迫過程中,直播苗與容器苗體內(nèi)可溶性糖含量只有在脅迫后12 d差異顯著。
2.9干旱脅迫對(duì)鈴鐺刺相對(duì)含水量的影響
從圖9、圖10可以看出,干旱處理0~6 d,鈴鐺刺直播苗與容器苗的根、莖相對(duì)含水量基本一樣。干旱處理9 d,直播苗與容器苗的根、莖相對(duì)含水量出現(xiàn)差異,直播苗的根、莖相對(duì)含水量高于容器苗,且直播苗與容器苗的根相對(duì)含水量差異顯著。干旱處理12 d,直播苗與容器苗的莖相對(duì)含水量差異顯著。
3結(jié)論與討論
植物抗旱性受到多種因素影響,只靠單一指標(biāo)無法反映植物整體抗旱能力,因此需要采用多個(gè)指標(biāo)鑒定植物抗旱性[16]。研究表明,植物處于干旱脅迫環(huán)境時(shí),脯氨酸、MDA、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、細(xì)胞膜透性等生理生化指標(biāo)含量變化可以在一定程度上反映植物的抗逆性能力[17-21]。植物葉片相對(duì)含水量能夠反映植物水分狀況與蒸騰作用之間的平衡關(guān)系,是反映植物葉片水分狀況的重要指標(biāo)[22]。研究表明,隨著干旱脅迫程度的加強(qiáng),植物葉片相對(duì)含水量下降,但抗旱能力強(qiáng)的植物葉片相對(duì)含水量下降速度較慢[22]。葉綠素是與光合作用(photosynthesis)有關(guān)的最重要的色素,干旱脅迫會(huì)影響葉綠素的合成,并會(huì)加速現(xiàn)有葉綠素的分解,導(dǎo)致葉片變黃。本試驗(yàn)結(jié)果表明,直播苗與容器苗的葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量均隨干旱脅迫的加強(qiáng)呈遞減變化,與陳娟等關(guān)于胡頹子(Elaeagnus pungens Thunb.)、三顆針(Berberis diaphana Maxim.)、金絲梅(Hypericum patulum Thunb.ex Murray)、十大功勞[Mahonia fortunei (Lindl.) Fedde]、刺梨(Rosa roxburghii Tratt.)、火棘[Pyracantha fortuneana (Maxim.) Li]等6種野生灌木隨著水分脅迫的日益加重,葉綠素含量呈持續(xù)下降趨勢(shì)的研究結(jié)果[23]一致。直播苗的相對(duì)含水量下降速度相對(duì)較慢,說明直播苗葉片失水速度慢,水分是植物正常生命活動(dòng)的必需物質(zhì)之一,植物一切生命活動(dòng)都必須在細(xì)胞水分充足的情況下進(jìn)行,水分直接參與植物的光合作用、呼吸作用,為植物的各項(xiàng)生理活動(dòng)正常進(jìn)行提供了重要保障。干旱脅迫下,直播苗保水能力比容器苗強(qiáng)。從植物外觀特征來看,干旱脅迫后6 d,容器苗部分葉片開始黃化,脅迫后9 d葉片開始干枯卷曲,脅迫后12 d植株葉片基本全部干枯,莖干枯嚴(yán)重;直播苗在干旱脅迫后12 d才開始出現(xiàn)葉片變黃的現(xiàn)象,直播苗抗旱能力明顯比容器苗強(qiáng)。
植物細(xì)胞膜對(duì)維持細(xì)胞正常的生理代謝起著重要作用,在多種逆境環(huán)境下,植物細(xì)胞膜系統(tǒng)都會(huì)受到傷害,進(jìn)而引起膜透性增大。張立軍等研究結(jié)果表明:不同脅迫強(qiáng)度下,細(xì)胞膜透性的增大可能存在不同的機(jī)制,在低強(qiáng)度的干旱脅迫下可能是由于自由基積累引起膜脂過氧化所致,在高強(qiáng)度干旱脅迫下,可能是膜物理結(jié)構(gòu)改變的結(jié)果,MDA是膜脂過氧化分解的最終產(chǎn)物,因此一定程度上MDA含量高低同樣可以反映細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物對(duì)逆境條件的反應(yīng)[24]。本研究結(jié)果表明,隨著干旱脅迫程度的加強(qiáng),直播苗和容器苗MDA含量和細(xì)胞相對(duì)透性均呈明顯遞增趨勢(shì),這與陳志成等采用盆栽試驗(yàn)方法,測(cè)定持續(xù)干旱條件下2年生五角楓、臭椿、黃連木幼苗的MDA含量、細(xì)胞膜透性都呈上升趨勢(shì)的研究結(jié)果[25]基本一致。只是在干旱脅迫后9 d,鈴鐺刺幼苗MDA含量趨于平緩,同樣在干旱脅迫后9~12 d,容器苗細(xì)胞透性驟然變大,說明干旱脅迫后9 d土壤含水量是鈴鐺刺幼苗的一個(gè)臨界點(diǎn)。
脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白都是植物的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。脯氨酸作為能起到滲透調(diào)節(jié)和滲透保護(hù)作用的氨基酸,在正常情況下其含量很少,但是當(dāng)植物處在逆境條件時(shí),普遍會(huì)表現(xiàn)出脯氨酸積累[26]。因?yàn)楦彼崾亲畲蟮乃苄园被?,植物受旱時(shí)脯氨酸的增加有助于細(xì)胞或組織持水,起到防脫水劑的作用。可溶性糖也是干旱脅迫下植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可以增加細(xì)胞的原生質(zhì)濃度,從而起到抗脫水作用。植物在干旱脅迫下,可溶性蛋白會(huì)部分轉(zhuǎn)化為氨基酸,從而增加滲透性物質(zhì)。本研究結(jié)果表明,直播苗與容器苗的脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量都隨著干旱脅迫的增加而增加,直播苗的脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量變化緩慢,說明直播苗比容器苗具有更強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力及抗旱性,并且容器苗的脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量在干旱脅迫后9 d猛然增加,說明干旱脅迫后9 d土壤含水量是容器苗的一個(gè)臨界點(diǎn)。
干旱脅迫條件下,容器苗的根系活力在干旱脅迫第3天變化明顯,可溶性淀粉含量在干旱脅迫后6 d變化明顯,脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、MDA含量、細(xì)胞相對(duì)透性等生理生化指標(biāo)都在干旱脅迫的第9天變化明顯,這與上文中提到的容器苗外觀特征表現(xiàn)相呼應(yīng),說明容器育苗方式干旱脅迫極限是9 d。干旱脅迫條件下,直播苗只有可溶性蛋白、可溶性淀粉、細(xì)胞相對(duì)透性在干旱脅迫第6天產(chǎn)生明顯變化,其余生理生化指標(biāo)都變化緩慢。干旱脅迫后12 d才開始出現(xiàn)葉片變黃現(xiàn)象,說明直播苗直到干旱脅迫后12 d也沒有達(dá)到干旱脅迫極限,直播苗的干旱脅迫極限天數(shù)有待進(jìn)一步研究。干旱脅迫后6~9 d是植物生理變化的重要時(shí)期,容器苗在灌溉時(shí),干旱脅迫時(shí)間不要超過9天,最好在干旱脅迫6 d開始進(jìn)行灌溉,直播苗最好在干旱脅迫后9 d開始灌溉。在鈴鐺刺苗期生長(zhǎng)階段,容器育苗的持續(xù)干旱時(shí)間不應(yīng)超過6 d。直播苗比容器苗具有更強(qiáng)的抗旱性能,原因可能是干旱脅迫時(shí)直播苗根部可以吸收地下水。參考文獻(xiàn):
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