詹 瑾 種培芳 謝惠敏 賈向陽(yáng) 沈永濤
(1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2隴南市經(jīng)濟(jì)林研究院,甘肅 隴南 746000)
近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),由人類(lèi)活動(dòng)引起的溫室氣體排放導(dǎo)致的氣候變暖已受到人們的廣泛關(guān)注。 迄今為止,全球平均地面溫度已上升0.74℃,這不僅改變了全球的大氣循環(huán)和水循環(huán),而且導(dǎo)致全球和區(qū)域性的降雨格局發(fā)生了變化,如降雨總量、降雨時(shí)間分布發(fā)生變化,降雨時(shí)間間隔延長(zhǎng)、單次降水量增加為特征的降雨事件發(fā)生次數(shù)增加等,且這種趨勢(shì)會(huì)越來(lái)越普遍[1]。 為適應(yīng)氣候條件的變化,植物需通過(guò)改變自身形態(tài)與生理響應(yīng)機(jī)制適應(yīng)環(huán)境。 因此,降雨變化與植物的關(guān)系已成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn),目前許多學(xué)者已從模擬降雨對(duì)群落結(jié)構(gòu)[2]、光合特性及生物量[3-4]、生理生長(zhǎng)[5]等方面開(kāi)展了研究。
核桃(Juglans regia)又稱胡桃、羌桃,為胡桃科胡桃屬植物的統(tǒng)稱。 近年來(lái),科研工作者分別從核桃的栽植管理[6]、抗寒性[7]、花芽分化機(jī)制[8]及不同核桃品種光合特性的差異[9-10]等方面進(jìn)行了研究,而對(duì)核桃在不同水分條件下生理調(diào)控機(jī)制方面的研究尚少[11-12]。 研究表明,水分調(diào)控可引起核桃生理指標(biāo)的變化,干旱會(huì)造成過(guò)氧化物酶(peroxidase,POD)、過(guò)氧化 氫 酶 ( catalase, CAT )活性增加,丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量積累[13],隨著干旱程度加劇,相對(duì)含水量(relative water content,RWC)逐漸降低,可溶性糖(soluble sugar,SS)含量逐漸升高,可溶性蛋白(soluble protein,SP)、MDA 和脯氨酸(proline,Pro)含量輕微下降后逐步上升[14]。 為探明核桃對(duì)水分條件變化產(chǎn)生的生理機(jī)制響應(yīng),本研究通過(guò)人工控制降雨量,對(duì)3 種核桃苗木進(jìn)行盆栽試驗(yàn),對(duì)其生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,以期為核桃樹(shù)種的選擇及響應(yīng)水分變化的生理機(jī)制研究提供有力的參考。
試驗(yàn)地設(shè)在隴南市經(jīng)濟(jì)林研究院成縣試驗(yàn)基地,試驗(yàn)采用廣泛種植的3 個(gè)核桃品種:香玲、清香和遼核1 號(hào)。 材料為該試驗(yàn)基地已培育好的3 年生核桃嫁接苗木。
1.2.1 模擬降雨 根據(jù)選取核桃苗木種源成縣生長(zhǎng)季(4-8 月份)每月平均降雨(1987-2016 年近30 年這幾個(gè)月的月平均降雨量為基準(zhǔn))設(shè)置降雨量。 成縣氣象局資料顯示,1987-2016 年的年平均降雨主要集中在4-8 月,該時(shí)期總降雨量為403.00 mm,占年降雨量的66.37%,月均降雨量為80.60 mm;該地區(qū)1987-2016 年生長(zhǎng)旺盛期(4-8 月)內(nèi)最豐年的降雨量為617.50 mm,比平均水平高出約50%,最欠年的降雨量為192.80 mm,比平均水平低約50%。 因而設(shè)定試驗(yàn)期間降雨量增減50%的處理,并在中間設(shè)置增減25%2 個(gè)梯度,降雨控制試驗(yàn)共設(shè)置5 個(gè)梯度:降雨量減少50%(-50%,土壤含水量12.02%)、減少25%(-25%,土壤含水量17.73%)、CK(土壤含水量20.02%)、增加25%(+25%,土壤含水量23.02%)和增加50%(+50%,土壤含水量26.00%)。 CK 是以成縣近30 年核桃生長(zhǎng)旺盛期(4-8 月)每月的降雨量為基準(zhǔn),換算為各處理每月的總灌水量,分10 次灌水,每隔3 d 澆1次水,控水試驗(yàn)結(jié)束后采用烘干法測(cè)定控水梯度相對(duì)應(yīng)的土壤含水量。
1.2.2 育苗 2017 年3 月初,挑選生長(zhǎng)勢(shì)基本一致,苗高30~35 cm,無(wú)病蟲(chóng)害的3 年生核桃苗木香玲、清香和遼核1 號(hào)各25 株,每個(gè)樹(shù)種設(shè)有5 個(gè)灌水量梯度,每個(gè)梯度設(shè)5 個(gè)重復(fù),隨機(jī)排列。 選擇某一陰天,將其分別移栽至上內(nèi)徑58 cm、高40 cm、下內(nèi)徑45 cm的圓形花盆中,每盆裝入該試驗(yàn)基地?zé)o雜質(zhì)土壤25 kg,在自然狀態(tài)下緩苗30 d。
2017 年4 月13 日-8 月27 日進(jìn)行控水。 持續(xù)3個(gè)晴天后,依據(jù)灌水量于2017 年4 月13 日20:00 采用量筒對(duì)苗木進(jìn)行人工灌水,雨天及時(shí)遮蓋防雨布。
1.3.1 生理指標(biāo)的測(cè)定 控水試驗(yàn)結(jié)束后,采集核桃樹(shù)葉片用于生理指標(biāo)測(cè)定。 RWC 和水分飽和虧缺(water saturation deficit,WSD)的測(cè)定采用烘干稱量法。 SS 含量的測(cè)定采用蒽酮比色法,SP 含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250 法,Pro 含量的測(cè)定采用磺基水楊酸提取法,CAT 活性的測(cè)定采用紫外吸收法,POD活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法,超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑法,葉綠素含量的測(cè)定采用丙酮-乙醇法, MDA 含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸比色法[15]。
1.3.2 灰色關(guān)聯(lián)度法 設(shè)參考數(shù)列為X0,比較數(shù)列為Xi(i=1,2,…,n), 則參考數(shù)列X0={X0(1),X0(2),…,X0(n)}。 利用下列公式對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行處理:
用X′i(k)=Xi(k)-XiSi對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,其中Xi(k)是原始數(shù)據(jù),Xi和Si是指同一指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。
式中,ri(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù);ri為灰色關(guān)聯(lián)度Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|為數(shù)列X0與數(shù)列Xi在第k點(diǎn)的絕對(duì)值;minminΔri(k)為二級(jí)最小差,maxmaxΔi(k)為二級(jí)最大差;ρ為分辨系數(shù),取值范圍為0 ~1,本試驗(yàn)取值0.5[16]。
采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),SPSS 22.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA 方差分析和多重比較,Origin 8.0 進(jìn)行作圖。
由圖1 可知,香玲、清香和遼核1 號(hào)葉片RWC 大體表現(xiàn)為隨著降雨量的增加而增加;葉片WSD 隨著灌水量的增加而遞減,且差異顯著(除香玲的降雨量+50% 處理外)(P<0.05)。 說(shuō)明在不同水分條件下,3種核桃苗木可通過(guò)調(diào)節(jié)體內(nèi)水分吸收和消耗、增加WSD 來(lái)維持細(xì)胞體內(nèi)水分的相對(duì)平衡,從而保障正常的生理功能[17]。 而香玲在降雨量+50%時(shí),可能是由于體內(nèi)細(xì)胞損傷嚴(yán)重,不能通過(guò)調(diào)節(jié)葉片RWC 及WSD 來(lái)維持生長(zhǎng),導(dǎo)致其葉片RWC 及WSD 相比降雨量+25%處理發(fā)生變化。
圖1 模擬降雨對(duì)3 種核桃苗木葉片RWC 及WSD 的影響Fig.1 Effect of simulated rainfall on leaf relative water content and water saturation deficit of three walnut seedlings
由圖2 可知,SS、SP 和Pro 在清香和遼核1 號(hào)中的含量均隨著降雨量的增加而遞減,在不同水分條件下差異顯著(P<0.05),在降雨量+50%和+25%之間不顯著,遼核1 號(hào)中的含量均高于清香。 灌水量+50%時(shí),3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在香玲中的含量上升,說(shuō)明水分條件較濕潤(rùn)時(shí)可促進(jìn)香玲中3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成,以維持正常生長(zhǎng);除降雨量+50%外,3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在核桃苗木中含量均表現(xiàn)為遼核1 號(hào)>清香>香玲,說(shuō)明遼核1 號(hào)對(duì)水分變化較敏感,可以快速積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),從而適應(yīng)環(huán)境進(jìn)行生長(zhǎng)。
由圖3 可知,香玲、清香和遼核1 號(hào)葉片SOD、POD 和CAT 活性大體是隨著降雨量的增加而遞減,并且在不同水分條件的酶活趨勢(shì)為遼核1 號(hào)>清香>香玲。 降雨量-50%時(shí),香玲中SOD 和POD 的活性比降雨量-25%時(shí)有所降低,說(shuō)明此時(shí)香玲機(jī)體受到了一定的損傷,超出了自身的代謝能力,使這2 種酶活性降低,即SOD 和POD 活性存在一定閾值[18];降雨量-50%時(shí),香玲葉片CAT 活性驟然降低,說(shuō)明此時(shí)抗氧化酶系統(tǒng)中CAT 功能減弱,主要以SOD 和POD 為主。
由圖4 可知,香玲、清香和遼核1 號(hào)葉片葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素的大體隨著灌水降雨量的增加而增加,且在不同水分條件下均表現(xiàn)為遼核1 號(hào)>清香>香玲的趨勢(shì)。 降雨量+50%時(shí),葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素在香玲中的含量較降雨量+25%時(shí)降低了14.17%、8.35%和12.93%。
由圖5 可知,香玲、清香和遼核1 號(hào)的MDA 含量大體是隨著降雨量的增加而遞減,并且在不同水分條件下均表現(xiàn)為香玲>清香>遼核1 號(hào)的趨勢(shì)。 降雨量+50%時(shí),MDA 含量在香玲中的含量較降雨量+25%時(shí)了8.44%。
由表1 可知,3 種核桃苗木的RWC、總?cè)~綠素含量、葉綠素a 含量和葉綠素b 含量與MDA 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)WSD、SS、Pro 與MDA 呈極顯著正相關(guān)(rWSD3=0.913,rSS3=0.945,rPro3=0.910,P<0.01),Pro 與SS 呈極顯著正相關(guān)(rPro3=0.957,P<0.01),總?cè)~綠素、葉綠素a 和葉綠素b 與SS呈極顯著負(fù)相關(guān)(r總?cè)~綠素3=-0.958,r葉綠素a3=-0.957,,總?cè)~綠素、葉綠素a 和葉綠素b 與Pro 呈極顯著負(fù)相關(guān)(r總?cè)~綠素3=-0.977,r葉綠素a3,CAT 與各個(gè)指標(biāo)相關(guān)性不顯著。
由表2 可知,各項(xiàng)生理指標(biāo)與核桃苗木對(duì)水分適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)順序?yàn)?SOD>MDA>葉綠素b>總?cè)~綠素>SP>葉綠素a>POD>RWC>W(wǎng)SD>Pro>SS>CAT。 其中SOD 的關(guān)聯(lián)度大于0.70;MDA 和葉綠素b 的關(guān)聯(lián)度在0.65 以上,且極為接近;總?cè)~綠素、SP、葉綠素a、POD、RWC 和WSD 的關(guān)聯(lián)度在0.60 以上,較為接近;Pro、SS 和CAT 的關(guān)聯(lián)度在0.50 以上,且CAT 的關(guān)聯(lián)度最小,為0.525 9,遠(yuǎn)低于其他指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。 說(shuō)明SOD 對(duì)核桃苗木的水分適應(yīng)能力影響最大,MDA 和葉綠素b 的影響次之,總?cè)~綠素、SP、葉綠素a、POD、RWC 和WSD 的影響介于中間,而CAT 可能在核桃苗木對(duì)水分適應(yīng)能力中不占據(jù)重要地位。
圖2 模擬降雨對(duì)3 種核桃苗木SS、SP 和Pro 含量的影響Fig.2 Effect of simulated rainfall on soluble sugar, soluble protein and proline content of three walnut seedlings
圖3 模擬降雨對(duì)3 種核桃苗木SOD、POD 和CAT 活性的影響Fig.3 Effect of simulated rainfall on SOD, POD and CAT activity of three walnut seedlings
降雨和地下水是野外自然生長(zhǎng)植物獲取水分的兩個(gè)主要來(lái)源,而地下水也是通過(guò)降雨積蓄獲得,因此土壤水分在自然情況下主要通過(guò)降雨補(bǔ)充。 降雨不僅影響植物的生長(zhǎng),而且影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[19-20]。 降雨量的變化直接決定著一個(gè)地區(qū)的土壤水分狀況,而土壤水分的變化直接影響著植物水分代謝的各環(huán)節(jié),進(jìn)而影響其生理與生態(tài)過(guò)程[21]。 本研究結(jié)果表明,核桃苗木的RWC、WSD 和葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量在不同降雨條件下均存在顯著差異(P<0.05);3 種核桃苗木的葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量與RWC 呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與WSD 呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);且香玲、清香和遼核1 號(hào)RWC均隨著灌水量的增加而增加,WSD 均隨著降雨量的增加而遞減,葉綠素含量大體趨勢(shì)是隨著降雨量的增加而增加。 這與陜北風(fēng)沙區(qū)4 種鄉(xiāng)土樹(shù)種及核桃苗木香玲受到水分脅迫時(shí)RWC 和WSD 的變化趨勢(shì)一致[22-23],與狹葉紅景天在不同水分條件下葉綠素含量變化一致[24]。 這是因?yàn)楫?dāng)植物體內(nèi)水分供應(yīng)不足時(shí),水分代謝受到抑制,WSD 明顯升高,RWC 明顯降低,導(dǎo)致單位鮮重葉片中葉綠素含量升高[25];當(dāng)降雨量+50% 時(shí),香玲葉片RWC 及WSD 相比降雨量+25%并未發(fā)生變化,說(shuō)明此時(shí)體內(nèi)細(xì)胞損傷嚴(yán)重,已不能通過(guò)調(diào)節(jié)葉片RWC 及WSD 來(lái)維持生長(zhǎng)。 有研究表明,較高的葉片RWC 還可以維持植物高效率的光合作用,保持葉綠體的完整結(jié)構(gòu)[26]。 本研究中,香玲在降雨量
+50% 時(shí),葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量遞減,說(shuō)明此時(shí)較高的水分條件并不利于香玲進(jìn)行高效率的光合作用。
表1 模擬降雨下不同品種[香玲(X),清香(Q),遼河1 號(hào)(L)]苗木生理指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis for physiological indexes of different seedlings[xiangling(X),qingxiang(Q), liaohe 1(L)]under simulated rainfall
圖4 模擬降雨對(duì)3 種苗木葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量的影響Fig.4 Effect of simulated rainfall on chlorophyll a,chlorophyll b and total chlorophyll content of three seedlings
表2 模擬降雨下核桃苗木各生理指標(biāo)與對(duì)水分適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)度及排序Table 2 Correlolation and ranking of physiological indexes of walnut seedlings with water adaptability under simulated rainfall
圖5 模擬降雨對(duì)3 種苗木葉片MDA 含量的影響Fig.5 Effect of simulated rainfall on MDA content of three seedlings
滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)干旱及高溫脅迫的一種重要生理調(diào)節(jié)機(jī)制,通過(guò)調(diào)節(jié)自身滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量并維持一定膨壓來(lái)響應(yīng)這種逆境脅迫,從而保護(hù)植物免受傷害[27-28]。 SS、SP 和Pro 作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在植物受到脅迫時(shí)會(huì)通過(guò)增加或降低其含量來(lái)調(diào)節(jié)植物細(xì)胞滲透壓[29]。 研究表明,水分脅迫下不同植物的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)揮著不同程度的作用,在山杏、沙棘和油松中,Pro 比SS 發(fā)揮更大滲透作用[30],在巨能草中,SS 為主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[31]。 本研究表明,核桃苗木的SS、SP 和Pro 在不同降雨條件下均存在顯著差異(P<0.05);其含量大體隨降雨量的增加而遞減,與王振元[32]研究結(jié)果變化趨勢(shì)一致;不同水分條件下3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在核桃苗木中含量均表現(xiàn)為遼核1 號(hào)>清香>香玲的趨勢(shì),說(shuō)明遼核1 號(hào)對(duì)水分變化較敏感,可以快速積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),從而適應(yīng)環(huán)境生長(zhǎng);3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與苗木水分適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)度中SP 為0.63,而SS 和Pro 相近且較低,說(shuō)明對(duì)于核桃而言,SP可能是其體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),SS 和Pro 次之。該研究結(jié)果與前人研究核桃苗木根中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的結(jié)論不一致[32],可能是由于不同滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在同一植物的不同器官中的作用效益不同[29]。
正常環(huán)境條件下,植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)通常使活性氧維持在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[33],而SOD、POD 和CAT 則是植物防止膜脂過(guò)氧化的酶促防御系統(tǒng)中的重要成分。 本研究表明,核桃苗木的SOD、POD 和CAT 活性在不同降雨條件下均存在顯著差異(P<0.05),且香玲、清香和遼核1 號(hào)SOD、POD 和CAT 活性大體隨著降雨量的增加而遞減,這與姬江莉等[5]在紅砂上研究結(jié)果一致,也與張靜等[34]在齒助赤蘚上的研究結(jié)果一致;降雨量-50%時(shí),香玲中SOD 和POD活性比降雨量-25%有所降低,說(shuō)明此時(shí)香玲機(jī)體受到了一定的損傷,超出了自身的代謝能力,致使這2 種酶活性降低;SOD 在苗木對(duì)水分適應(yīng)能力中的關(guān)聯(lián)度最高,而POD 和CAT 較低,說(shuō)明對(duì)于核桃而言,在受到水分脅迫時(shí)其抗氧化酶系統(tǒng)是以SOD 為主體,POD 和CAT 協(xié)同工作。 MDA 是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物,其含量能反映細(xì)胞膜系統(tǒng)受損害的程度[35]。 有研究表明,植株體MDA 含量會(huì)隨著降雨量的減少而遞增[6],本研究中3 種苗木的MDA 含量大體隨著降雨量的增加而逐步遞減,其與苗木適應(yīng)降雨變化能力的關(guān)聯(lián)度為0.664 6。 這可能是因?yàn)殡S著降雨量降低,核桃苗木受到干旱脅迫,膜脂過(guò)氧化程度增強(qiáng),MDA 含量增加,此時(shí)抗氧化酶活性也增強(qiáng),以抵御MDA 含量增加造成的膜脂過(guò)氧化,其中以SOD 為主(SOD 與苗木適應(yīng)降雨變化能力的關(guān)聯(lián)度為0.745 2); 降雨量+50%時(shí),MDA 含量在香玲中的含量比降雨量+25%時(shí)有所上升,說(shuō)明過(guò)澇導(dǎo)致細(xì)胞膜受害嚴(yán)重,無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)MDA 含量適應(yīng)水分條件,進(jìn)行正常生長(zhǎng)。
本研究結(jié)果顯示有的品種在不同水分條件下一些生理指標(biāo)差異不顯著,這可能是由于本試驗(yàn)僅為一年試驗(yàn),無(wú)法全面體現(xiàn)年際間的氣候及核桃生長(zhǎng)變異,盡管降雨處理梯度較大,但部分指標(biāo)的差異可能不足以達(dá)到顯著差異水平,在應(yīng)用這一結(jié)論時(shí)應(yīng)充分考慮這種影響,也需要在未來(lái)繼續(xù)深入研究。
本研究通過(guò)模擬降雨變化,對(duì)香玲、清香和遼核1號(hào)3 種核桃苗木進(jìn)行盆栽控水試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)3 種苗木的生理反映機(jī)制受水分條件的調(diào)控,其RWC、葉綠素a含量、葉綠素b 含量和總?cè)~綠素含量大體隨著降雨量的增加而逐步遞增,WSD、SS 含量、SP 含量、Pro 含量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性和MDA 含量隨著降雨量的增加而逐步遞減,并且存在種間差異。 結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度法分析排名結(jié)果為SOD>MDA>葉綠素b>SP >葉綠素a>POD>RWC>W(wǎng)SD>Pro>SS>CAT,說(shuō)明核桃苗木對(duì)水分適應(yīng)性是幾種機(jī)理共同作用的結(jié)果,但每種機(jī)理所占程度不同。 結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果,在未來(lái)核桃栽植中應(yīng)注意,香玲不適于較干旱以及較濕潤(rùn)地區(qū),遼核1 號(hào)對(duì)水分適應(yīng)性較強(qiáng),清香次之。