陳意蘭 趙文忠 張超 王向平 廖海民 劉東明
摘要:為探討植物適應(yīng)干旱的生理機(jī)制,篩選耐旱植物種類應(yīng)用于景觀綠化,以長(zhǎng)勢(shì)良好、生長(zhǎng)情況相近的迎春花、連翹、女貞等3種植物為供試材料,進(jìn)行自然干旱脅迫試驗(yàn),研究不同程度干旱脅迫對(duì)植株葉片丙二醛(MDA)含量和3種抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明,不同程度干旱脅迫下,迎春花的丙二醛含量均高于連翹、女貞,所受膜脂過(guò)氧化損傷程度最嚴(yán)重;干旱脅迫初期,各植株抗氧化酶活性有所提高,女貞的超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性均呈上升趨勢(shì),迎春花、連翹的SOD、CAT活性也呈上升趨勢(shì),但POD活性呈下降趨勢(shì),隨著干旱脅迫的積累,膜系統(tǒng)受損加重,導(dǎo)致3種植物的SOD、POD、CAT活性均下降;隸屬函數(shù)耐旱性綜合評(píng)價(jià),結(jié)果顯示耐旱性排序?yàn)榕?連翹>迎春花。
關(guān)鍵詞:木樨科;干旱脅迫;隸屬函數(shù);耐旱性;抗氧化酶活性
中圖分類號(hào): Q945.78;S184文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2021)02-0092-05
收稿日期:2020-09-01
基金項(xiàng)目:中國(guó)科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(編號(hào):XDA13020500);NSFC-廣東聯(lián)合基金(編號(hào):U1701246);科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)(編號(hào):2018FY100107);河北省交通運(yùn)輸廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(編號(hào):QG2018-10)。
作者簡(jiǎn)介:陳意蘭(1992—),女,貴州貴陽(yáng)人,碩士研究生,主要從事植物資源評(píng)價(jià)與利用、特殊生境生態(tài)修復(fù)等相關(guān)研究。E-mail:chenyilan@scbg.ac.cn。
通信作者:劉東明,碩士,副研究員,主要從事植物資源評(píng)價(jià)與利用、特殊生境生態(tài)修復(fù)等相關(guān)研究。E-mail:Liudm@scbg.ac.cn。
隨著全球氣候變化,水資源愈發(fā)匱乏,導(dǎo)致我國(guó)多地區(qū)嚴(yán)重缺水或季節(jié)性干旱[1]。干旱影響植株生理活性,丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過(guò)氧化物酶(POD)活性和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性是幾種反映植物耐旱性強(qiáng)弱的生理指標(biāo)[2-3]。持續(xù)干旱脅迫下,植物體內(nèi)的活性氧含量增加,活性氧含量不斷積累會(huì)引起膜脂過(guò)氧化作用產(chǎn)生MDA,其含量越高,膜脂過(guò)氧化損傷的程度越嚴(yán)重,植物耐旱性就越弱[4]。SOD、POD、CAT是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶,SOD清除超氧陰離子自由基、 POD清除羥自由基、CAT將過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為水,從而減緩細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的損傷[5]。干旱脅迫下,植物種類不同,對(duì)某一指標(biāo)的反應(yīng)也不相同,很難用單一指標(biāo)準(zhǔn)確地反映各種植物耐旱性強(qiáng)弱,須要用幾種抗氧化酶間協(xié)調(diào)的綜合結(jié)果來(lái)判斷植物的耐旱能力[6]。因此,利用隸屬函數(shù)求出MDA含量、SOD活性、POD活性、CAT活性等指標(biāo)的隸屬函數(shù)值,才能對(duì)各植物耐旱性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)[7]。
木樨科(Oleaceae),共27屬,約600種,大多分布在溫帶和熱帶地區(qū),我國(guó)共有12屬200種左右,為常綠落葉喬木或灌木,也有藤本。迎春花(Jasminum nudiflorum)、連翹(Forsythia suspensa)、女貞(Ligustrum lucidum)分別為木樨科的素馨屬(Jasminum)、連翹屬(Forsythia)、女貞屬(Ligustrum)植物,可藥用也可觀賞[8]。迎春花較易成活、生長(zhǎng)較快、水土保持能力較強(qiáng),通常作為藥用植物和景觀植物種植在全國(guó)各地[9]。連翹是具有抗菌、抗炎、抗腫瘤等藥用價(jià)值的植物,也具有較強(qiáng)的吸收水分的能力和防止水土流失的能力[10]。女貞因適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)快又耐修剪,常種植在工廠、公路旁作綠籬抗污染,同時(shí)也是園林中常用的觀賞樹(shù)種[11-12]。近年來(lái),關(guān)于迎春花的研究主要集中在化學(xué)成分、生物學(xué)活性上[13],有關(guān)其適應(yīng)干旱的生理機(jī)制的相關(guān)研究鮮有報(bào)道;關(guān)于連翹適應(yīng)干旱的生理機(jī)制研究已有報(bào)道,但涉及葉片抗氧化酶種類較少[14];關(guān)于女貞通過(guò)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和保護(hù)酶活性的調(diào)節(jié)保持較強(qiáng)的耐旱保水能力雖有報(bào)道[15],但沒(méi)有結(jié)合干旱脅迫期間植株形態(tài)的變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。本試驗(yàn)選取了生長(zhǎng)情況相近的迎春花、連翹、女貞等3種植物各30盆為供試材料,通過(guò)套袋處理設(shè)置自然干旱脅迫,觀察3種植株的形態(tài),利用單因素方差分析各種植株在不同程度干旱脅迫下的MDA含量以及SOD、POD、CAT 的活性,探討干旱脅迫對(duì)3種木樨科植物葉片抗氧化酶的影響,并用隸屬函數(shù)對(duì)3種植物的耐旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。以期為木樨科植物的引種栽培、景觀配置、人工群落構(gòu)建等綠化實(shí)踐提供一定參考。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)苗木選用三年生的迎春花、連翹、女貞,試驗(yàn)地點(diǎn)為廣東省廣州市中國(guó)科學(xué)院華南植物園試驗(yàn)大棚。2019年3月開(kāi)始對(duì)苗木進(jìn)行日常澆水施肥管理,待養(yǎng)護(hù)良好后移植于25 cm×30 cm的塑料花盆中培養(yǎng),基質(zhì)質(zhì)量比為椰糠 ∶泥炭 ∶珍珠巖 ∶河沙 ∶種植土=1 ∶1 ∶1 ∶2 ∶6。
1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2019年7月4日,選取生長(zhǎng)情況相近的3種植物各30盆(1株/盆)作為干旱脅迫的供試材料開(kāi)始試驗(yàn),每種植物分別設(shè)置為對(duì)照組和試驗(yàn)組,每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù),每次重復(fù)5盆。對(duì)照組每天正常澆水,試驗(yàn)組澆透水后不再澆水,并用透明塑料袋對(duì)花盆進(jìn)行套袋處理。,以試驗(yàn)當(dāng)天(即0 d)第1次取樣測(cè)定作為試驗(yàn)期間各指標(biāo)對(duì)照組(CK)。試驗(yàn)期間(即3、7、14、21 d),于08:00—10:00 觀察記錄植株形態(tài)變化并用相機(jī)拍照,使用Delta-T便攜式土壤水分儀測(cè)量每盆植株的土壤含水量并記錄,同時(shí)采摘成熟葉片(即第3~8片功能葉)帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定各參試生理指標(biāo),每個(gè)樣品測(cè)量3次取平均值。
1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法
采用硫代巴比妥酸法[16]測(cè)定MDA的含量,采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法[17]測(cè)定SOD活性,采用愈創(chuàng)木酚顯色法[18]測(cè)定 POD活性,采用紫外吸收法[19]測(cè)定CAT活性。
1.4隸屬函數(shù)值計(jì)算
與植物耐旱性呈正相關(guān)的SOD、POD、CAT的活性采用如下公式計(jì)算:
x=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。
與植物耐旱性呈負(fù)相關(guān)的MDA含量采用如下公式計(jì)算:
x=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。
式中:x表示隸屬函數(shù)值;X表示某一指標(biāo)測(cè)定值;Xmin、Xmax分別表示所有植物中某一指標(biāo)測(cè)定值的最小值、最大值。
求出各種植物不同指標(biāo)的隸屬函數(shù)值的平均值,根據(jù)平均值大小來(lái)確定耐旱性強(qiáng)弱,即平均值越大耐旱性越強(qiáng)[20]。
1.5數(shù)據(jù)處理
根據(jù)測(cè)定結(jié)果利用Excel計(jì)算MDA含量以及SOD、POD、CAT活性并作圖,利用SPSS進(jìn)行單因素分析,采用Duncans法進(jìn)行多重比較(P<0.05)。
2結(jié)果與分析
2.1土壤含水量在干旱脅迫下的變化
如圖1所示,干旱脅迫0 d,迎春花、連翹、女貞的土壤體積含水量為32.52%~34.98%;干旱脅迫3 d,3種植物的土壤體積含水量為20.24%~2120%;干旱脅迫7 d,3種植物的土壤體積含水量為15.60%~17.24%;干旱脅迫14 d,3種植物的土壤體積含水量為7.98%~10.96%,干旱脅迫21 d,3種植物的土壤體積含水量為6.94%~8.32%。通過(guò)對(duì)3種植物的花盆用透明塑料袋進(jìn)行套袋處理,可以有效控制土壤水分梯度進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)。
2.2干旱脅迫下3種植物形態(tài)的變化
如圖2所示,干旱脅迫7 d,迎春花枝條下垂,連翹葉片部分變黃,女貞葉片萎蔫。干旱脅迫14 d,迎春花部分葉片干枯,連翹葉片變黑,有脫落現(xiàn)象,女貞葉片仍然萎蔫。干旱脅迫21 d,96%的迎春花植株葉片干枯,80%的連翹植株葉片干枯,72%的女貞植株葉片干枯。特別說(shuō)明的是,干旱脅迫28 d,迎春花葉片全部干枯脫落,連翹和女貞還留有部分葉片?;厮幚砗?,3種植物各有1株死亡,24株正常生長(zhǎng)。從植株形態(tài)表現(xiàn)來(lái)看,女貞耐旱性最強(qiáng),連翹居中,迎春花最弱。
2.3丙二醛(MDA)含量在干旱脅迫下的變化
如圖3所示,干旱脅迫初期,迎春花的MDA含量上升是對(duì)干旱脅迫的響應(yīng),連翹、女貞的MDA含量下降是應(yīng)對(duì)干旱脅迫迅速做出的保護(hù)反應(yīng)。隨著干旱脅迫試驗(yàn)進(jìn)行,膜脂過(guò)氧化作用逐漸加重,在試驗(yàn)7 d迎春花的MDA含量先下降到 24.59 nmol/g,但相比0 d仍然有所增加,差異顯著;隨后MDA含量迅速上升,干旱脅迫21 d,MDA含量為27.14 nmol/g,相比0 d上升22.42%,差異顯著。干旱脅迫初期,連翹和女貞啟動(dòng)防御機(jī)制迅速做出保護(hù)反應(yīng),MDA含量先降低,隨后開(kāi)始增加,干旱脅迫21 d,連翹、女貞的MDA含量分別為20.34、1647 nmol/g,相比0 d分別下降2.54%、7.71%,且差異不顯著。整個(gè)干旱脅迫中,迎春花的MDA含量均高于連翹和女貞。
2.4超氧化物歧化酶(SOD)活性在干旱脅迫下的變化
干旱脅迫下,抗氧化酶防御系統(tǒng)啟動(dòng),SOD合成,導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度加劇的超氧陰離子被清除。圖4顯示,迎春花、連翹、女貞的SOD活性最大值均出現(xiàn)在干旱脅迫3d時(shí),相比0d分別上升18129%、96.30%、113.62%。隨著干旱脅迫試驗(yàn)的進(jìn)行,3種植物的SOD活性呈迅速下降趨勢(shì),干旱脅迫7 d和21 d,3種植物的SOD活性相差不大,干旱脅迫14 d,迎春花的SOD活性比連翹、女貞稍高一些。整個(gè)干旱脅迫過(guò)程中,迎春花的SOD活性波動(dòng)比較大,呈上升—下降—上升—下降的趨勢(shì),連翹和女貞的SOD活性呈上升—下降趨勢(shì)。
2.5過(guò)氧化物酶(POD)活性在干旱脅迫下的變化
由圖5可以看出,在干旱脅迫下, 不同植物合成POD的速率不同。干旱脅迫7 d時(shí),女貞的POD合成速率大于降解速率,POD活性逐漸上升,隨著干旱脅迫試驗(yàn)的進(jìn)行,羥自由基的積累導(dǎo)致POD的合成速率減小,POD活性小幅下降;干旱脅迫 21 d 時(shí),與0 d的POD活性的差異不顯著。而迎春花和連翹在整個(gè)干旱脅迫過(guò)程中POD合成速率均不高,干旱脅迫 14 d 時(shí),迎春花的POD合成速率小于降解速率,POD活性逐漸下降,隨后POD合成速率大于降解速率,POD活性上升;連翹的POD合成速率一直小于降解速率,POD活性呈逐漸下降趨勢(shì)。
2.6過(guò)氧化氫酶(CAT)活性在干旱脅迫下的變化
CAT活性上升是對(duì)干旱脅迫作出的保護(hù)反應(yīng)以清除H2O2,而CAT的合成速率小于降解速率會(huì)導(dǎo)致CAT活性下降。圖6顯示,干旱脅迫初期,3種植物均啟動(dòng)抗氧化酶防御系統(tǒng)合成CAT,隨著干旱脅迫的積累,3種植物的CAT合成速率不盡相同,整個(gè)干旱脅迫過(guò)程中,連翹的CAT活性呈上升—下降—上升—下降的趨勢(shì),波動(dòng)較大,而迎春花、連女貞CAT活性呈上升—下降的趨勢(shì)。干旱脅迫21 d,迎春花、連翹、女貞的CAT活性相比0 d分別下降5125%、2.96%、26.72%。
2.7隸屬函數(shù)值及耐旱性比較
表1顯示,女貞、連翹、迎春花的隸屬函數(shù)平均值分別為0.65、0.58、0.39,耐旱性排序?yàn)榕?連翹>迎春花。
3討論與結(jié)論
干旱脅迫妨礙植物體機(jī)體組織系統(tǒng)水分代謝,引起細(xì)胞水分流失,植物的形態(tài)和生理生化都會(huì)受到影響[21-22]。干旱脅迫試驗(yàn)進(jìn)行21 d,96%的迎春花植株葉片干枯,80%的連翹植株葉片干枯,72%的女貞植株葉片干枯。表明從形態(tài)上看,女貞耐旱性最強(qiáng),連翹居中,迎春花最弱。
植物在不利于生長(zhǎng)的環(huán)境下,機(jī)體組織內(nèi)活性氧含量的積累會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用,其產(chǎn)物之一MDA可以反映細(xì)胞膜脂過(guò)氧化損傷的程度[23-24]。本試驗(yàn)中,干旱脅迫前期,迎春花的MDA含量呈上升趨勢(shì),連翹、女貞的呈下降趨勢(shì);干旱脅迫后期,迎春花的MDA含量最高,其次為連翹,女貞的最低,表明迎春花膜脂過(guò)氧化損傷最嚴(yán)重,活性氧含量積累最高(圖3)。為減少M(fèi)DA含量,SOD 、POD 和CAT協(xié)同作用,在SOD的作用下,超氧陰離子發(fā)生歧化反應(yīng)生成H2O2,在POD的催化作用下H2O2和羥自由基發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成H2O,CAT直接催化H2O2分解生成H2O,從而減輕植物在干旱脅迫過(guò)程中受到的傷害[25]。有研究表明,輕度脅迫時(shí),MDA含量呈下降趨勢(shì),抗氧化酶呈上升趨勢(shì);中度脅迫和重度脅迫時(shí),MDA含量逐漸上升,抗氧化酶活性逐漸下降[26]。本試驗(yàn)中,干旱脅迫初期,迎春花的自由基積累,導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化程度加劇,因而MDA含量增加;連翹的SOD、CAT合成能力強(qiáng),二者協(xié)同作用迅速將超氧陰離子轉(zhuǎn)化為對(duì)細(xì)胞沒(méi)有傷害的H2O,使膜脂過(guò)氧化程度減輕,MDA含量呈下降趨勢(shì);女貞的保護(hù)酶系統(tǒng)反應(yīng)敏捷,干旱脅迫下積累的活性氧迅速被清除,膜脂過(guò)氧化程度減輕,MDA含量下降。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,MDA含量不斷積累,抑制抗氧化酶合成,SOD、POD和CAT的活性逐漸下降,膜系統(tǒng)損傷程度進(jìn)一步加重,機(jī)體組織防御系統(tǒng)能力減弱,細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能都受到損傷,與此同時(shí),植物耐旱性減弱。通常情況下,抗氧化酶通過(guò)協(xié)同作用抵抗干旱脅迫將引起細(xì)胞膜脂過(guò)氧化損傷,POD、CAT與SOD的活性變化趨勢(shì)一致[27]。本試驗(yàn)中,3種植物的CAT、SOD的活性呈上升—下降趨勢(shì)(圖4、圖6),變化趨勢(shì)一致,與桑苗、藜麥在干旱脅迫下抗氧化酶活性的研究結(jié)果[28-29]類似。女貞的SOD、POD活性變化趨勢(shì)一致,呈上升—下降趨勢(shì)(圖4、圖5),這與曹艷春等2014年利用盆栽控水法對(duì)女貞進(jìn)行干旱脅迫的研究結(jié)果[15]一致。迎春花、連翹的POD活性呈逐漸下降趨勢(shì),表明干旱脅迫阻礙了這2種植物的POD合成,POD活性不足以清除干旱脅迫積累的活性氧。
綜上所述,迎春花的MDA含量在不同程度的干旱脅迫下均高于連翹和女貞的MDA含量,膜脂過(guò)氧化最嚴(yán)重,迎春花的MDA含量呈上升—下降—上升趨勢(shì),連翹和女貞的MDA含量呈下降—上升趨勢(shì)??寡趸富钚栽谝欢ǔ潭鹊母珊得{迫下會(huì)有所提高,清除造成膜脂過(guò)氧化程度加重的活性氧,從而將MDA含量維持一定水平,隨著干旱脅迫的積累,膜脂過(guò)氧化程度加劇,導(dǎo)致抗氧化酶合成速率小于降解速率,活性下降。迎春花和連翹的SOD、CAT活性呈上升—下降趨勢(shì),POD活性變化呈逐漸下降的趨勢(shì),女貞的SOD、POD、CAT活性變化呈上升—下降趨勢(shì)。隸屬函數(shù)分析法對(duì)3種植物的耐旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),得出迎春花、連翹、女貞的隸屬函數(shù)值分別為0.39、0.58、0.65,耐旱性排序?yàn)榕?連翹>迎春花,與植株形態(tài)耐旱性表現(xiàn)一致。本試驗(yàn)結(jié)果可為木樨科植物的引種栽培、景觀配置、人工群落構(gòu)建等綠化實(shí)踐提供一定參考。
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