劉金秋,曹幫華,段正洪,孔雨光,崔鳳華,郝明慧,陳 珍,趙聯(lián)秀,欒 艷
(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院,山東濟(jì)南250013;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山東泰安271001;3.滕州市國(guó)有西崗苗圃,山東滕州277519;4.山東省林業(yè)監(jiān)測(cè)規(guī)劃院,山東濟(jì)南250014)
水分是植物的重要組成部分,是植物賴以生存的必要條件之一,無論是長(zhǎng)時(shí)期的干旱還是短時(shí)間的水分虧缺都可能對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不同程度的影響[1]。干旱脅迫會(huì)引起植物脫水,降低細(xì)胞和組織水勢(shì),影響植物各種生理過程,同時(shí)植物主動(dòng)適應(yīng)外界變化,積極的進(jìn)行生理生化代謝變化[2]。在林業(yè)生產(chǎn)中,普遍存在著因?yàn)橥寥栏珊翟斐沙苫盥什桓吆腿斯ち稚a(chǎn)力低下等問題[3]。研究植物在干旱脅迫下的抵抗能力對(duì)林業(yè)生產(chǎn)、良種選育具有重要意義。
欒樹(Koelreuteria paniculata)在園林綠化中應(yīng)用較多,其觀賞性較高,抗逆性較強(qiáng),是優(yōu)良的園林綠化行道樹樹種[4]。欒樹在我國(guó)生長(zhǎng)地域廣闊,國(guó)內(nèi)東北南部、長(zhǎng)江流域、甘肅一帶都有栽植。近年來對(duì)欒樹的培育、病蟲害防治皆有研究,抗旱性的研究多集中在生長(zhǎng)速率、葉片生理生化特征上,對(duì)干旱脅迫下形態(tài)學(xué)、光合作用影響研究較少,且多是與其他樹種間的比較,而欒樹種間抗旱性研究較少[5-8]。本文以滕州西崗國(guó)有苗圃選育的欒樹優(yōu)良觀賞無性系“滕選”4 號(hào)、5 號(hào)以及北欒為研究對(duì)象,通過盆栽試驗(yàn),研究了持續(xù)干旱條件下,各個(gè)供試無性系苗木形態(tài)及生理生化指標(biāo)的變化,并對(duì)其抗旱性進(jìn)行比較,為良種選育和生產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。
試驗(yàn)材料為欒樹優(yōu)良無性系“滕選”4 號(hào)、5 號(hào)1年生扦插苗,以北欒實(shí)生樹扦插苗為對(duì)照。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)地位于山東省滕州市西崗國(guó)有苗圃。試驗(yàn)設(shè)干旱和對(duì)照(正常澆水)2 個(gè)處理,每個(gè)處理每個(gè)無性系5 株,3 次重復(fù),計(jì)15 株。2019年4月,將植株定植在35 cm×30 cm(高×內(nèi)徑)的塑料營(yíng)養(yǎng)盆中。7月25日試驗(yàn)開始,脅迫前2 d 對(duì)所有植株澆透水2 次,之后停止?jié)菜?,?duì)照組正常澆水。逐日測(cè)定土壤含水量,每隔5 d 進(jìn)行形態(tài)觀測(cè)統(tǒng)計(jì),苗高測(cè)量,并取各供試材料相同位置葉片測(cè)定相關(guān)生理生化指標(biāo),至第40 d 停止取樣,共取樣9 次。
1.2.2 指標(biāo)及測(cè)定方法
(1)形態(tài)觀測(cè)
記錄不同無性系葉片萎蔫、黃葉、枯葉數(shù)量及時(shí)間。
(2)土壤含水量
采用稱重法測(cè)定,土壤相對(duì)含水量=土壤絕對(duì)含水量/田間持水量。
(3)生理生化指標(biāo)
苗高用卷尺測(cè)量,生長(zhǎng)率=(干旱脅迫末期苗高-干旱脅迫前苗高)/干旱脅迫前苗高;葉綠素用SPAD-502 葉綠素儀測(cè)定;凈光合速率用Li-6400XT 光合儀測(cè)定;脯氨酸、超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)采用的分光光度法[9]。
1.2.3 數(shù)據(jù)的處理與分析
利用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)歸整理、作圖,SPSS 20.0 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用單因素方差分析,鄧肯(Duncant)方法進(jìn)行多重比較。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法[10],分別根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的指標(biāo)情況,對(duì)其抗旱能力進(jìn)行排序。
與植物抗旱性呈正相關(guān)的生長(zhǎng)率、葉綠素含量、凈光合速率、SOD 的隸屬函數(shù)值計(jì)算采用公式:
R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)
與植物抗旱性呈負(fù)相關(guān)的丙二醛含量的隸屬函數(shù)值計(jì)算采用公式:
R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)
式中,Xi為第40 d 某項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值,Xmax、Xmin為某一指標(biāo)的最大值和最小值。將各無性系隸屬函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,然后取平均值。
各無性系土壤含水量變化見表1,干旱脅迫初期土壤相對(duì)含水量分別為4 號(hào)65.17%、5 號(hào)65.3%、北欒65.51%,至脅迫結(jié)束分別降至14.15%、13.91%、11.35%,土壤含水量在相同脅迫時(shí)間不同無性系間差異不顯著(P>0.05),但同一無性系在不同干旱脅迫時(shí)間下差異極顯著(P<0.01)。
隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),土壤相對(duì)含水量逐漸下降,但是下降幅度又有所不同,前15 d 各個(gè)無性系土壤含水量下降較快,以北欒下降幅度最大,至第10 d 土壤含水量已降至24.24%,達(dá)到嚴(yán)重干旱水平,而4 號(hào)、5 號(hào)在第10 d 仍維持到43.42%、37.15%,至15 d 才分別降至26.42%、28.42%,接近對(duì)照第10 d 的干旱水平,表明北欒在前期苗木蒸騰大于無性系4 號(hào)、5 號(hào)。第10 d 后所有無性系土壤含水量下降較為平緩,此時(shí)苗木蒸騰能力下降,土壤含水量由高到低依次為“滕選”4 號(hào)>“滕選”5 號(hào)>北欒。
干旱脅迫下3 個(gè)無性系形態(tài)特征見表2,在干旱脅迫前5 d 所有無性系生長(zhǎng)正常;干旱脅迫至第10 d 對(duì)照北欒2 株葉片萎蔫下垂但“滕選”4 號(hào)、“滕選”5 號(hào)仍基本正常;干旱脅迫第15 d 對(duì)照北欒11株葉片萎蔫下垂,葉片開始脫落,“滕選”4 號(hào)5 株葉片萎蔫下垂,8 株底部葉片出現(xiàn)黃葉,部分出現(xiàn)黃葉,“滕選”5 號(hào)3 株萎蔫下垂,2 株底部出現(xiàn)黃葉;干旱脅迫第20 d 對(duì)照北欒所有植株萎蔫,6 株底部葉片失綠變紅;“滕選”4 號(hào)(12 株)、“滕選”5 號(hào)(5株)葉片萎蔫下垂;干旱脅迫第25 d 對(duì)照北欒(9株)、“滕選”4 號(hào)(6 株)、“滕選”5 號(hào)(4 株)下部出現(xiàn)枯葉;干旱脅迫第30 d 對(duì)照北欒所有植株下部枯葉,“滕選”4 號(hào)、5 號(hào)所有植株葉片萎蔫下垂,葉片干枯加??;干旱脅迫第35 d 對(duì)照北欒13 株上部出現(xiàn)枯葉,“滕選”4 號(hào)、“滕選”5 號(hào)所有植株下部出現(xiàn)黃葉;干旱脅迫第40 d 對(duì)照北欒葉片萎蔫嚴(yán)重,莖變細(xì)軟,落葉嚴(yán)重,“滕選”4 號(hào)、5 號(hào)均14 株枯葉,葉片干枯嚴(yán)重,莖變細(xì)軟。相比而言,“滕選”5 號(hào)葉片萎蔫程度較輕,4 號(hào)次之,北欒葉片萎蔫及脫落情況最嚴(yán)重。
表1 干旱脅迫下不同欒樹無性系土壤相對(duì)含水量(%)的變化
表2 干旱脅迫對(duì)3 個(gè)欒樹無性系苗木形態(tài)特征的影響統(tǒng)計(jì)表
植物高生長(zhǎng)受生長(zhǎng)環(huán)境影響,高生長(zhǎng)與其抗逆性具有相關(guān)性,一般情況下逆境脅迫增強(qiáng),生長(zhǎng)速度隨之減慢,甚至停止。因此,高生長(zhǎng)指標(biāo)是衡量樹種生長(zhǎng)狀況的重要形態(tài)指標(biāo)之一[11]。不同欒樹無性系苗高的變化見表3,相同脅迫時(shí)間不同無性系間差異不顯著(P>0.05),同一無性系不同脅迫時(shí)間差異顯著(P<0.05)。各無性系前20 d 生長(zhǎng)量變化較大,表明生長(zhǎng)相對(duì)迅速,第25 -40 d 變化不顯著,表明隨著干旱脅迫的加深,各無性系苗高增長(zhǎng)變緩,干旱脅迫極大地影響了植株生長(zhǎng)。各無性系生長(zhǎng)率分別為0.4、0.41、0.39,從高到低排序?yàn)椤半x”5 號(hào)、“滕選”4 號(hào)、北欒。
表3 干旱脅迫下不同欒樹無性系苗高的變化
SPAD-502 葉綠素儀可以直接測(cè)定葉綠素值,在不損害葉片的前提下可以較好的反映植物葉片的葉綠素濃度[12]。各無性系葉綠素含量變化如表4所示,3 個(gè)無性系葉片葉綠素含量變化趨勢(shì)表現(xiàn)出一定規(guī)律性,都呈先降低再升高再降低的趨勢(shì),相同脅迫時(shí)間下不同無性系差異不顯著。4 號(hào)在第5 d、第20-30 d 葉綠素含量降低,其余升高;5 號(hào)在第0-15 d 降低,至第20 d 含量最高,之后降低;北欒對(duì)照0-10 d 降低,10-20 d 升高,20 d 之后降低。變化幅度上,4 號(hào)、5 號(hào)、北欒葉綠素相對(duì)含量分別為11.24、14.67、12.4,變化幅度“滕選”5 號(hào)>北欒>“滕選”4 號(hào)。
表4 干旱脅迫下不同欒樹無性系葉綠素含量的變化
持續(xù)干旱第32 d 對(duì)各無性系凈光合速率影響見表5,結(jié)果表明,欒樹各無性系隨干旱脅迫強(qiáng)度增加凈光合速率均顯著降低,且各無性系間差異極顯著(P<0.01),而各無性系對(duì)照凈光合速率差異不顯著,表明干旱脅迫對(duì)植物葉片造成損傷,葉片光合作用下降。4 號(hào)、5 號(hào)、北欒與CK 相比分別降低了4.14 mmoL·m-2·s-1、3.81 mmoL·m-·2s-1、5.15 mmoL·m-·2s-1,各無性系凈光合速率值分別為對(duì)照的20%、30%、4%。3 個(gè)欒樹無性系葉片凈光合速率較對(duì)照下降幅度大小依次為:北欒>“滕選”4 號(hào)>“滕選”5 號(hào)。
表5 干旱脅迫下不同欒樹無性系凈光合速率的變化
各無性系脯氨酸變化從表6 可以看出,相同干旱脅迫時(shí)間下,各無性系脯氨酸含量第0 d“騰選”4號(hào)同5 號(hào)、北欒之間差異不顯著,5 號(hào)同北欒差異顯著,干旱第20 d“滕選”4 號(hào)同5 號(hào)差異顯著,北欒同4 號(hào)、5 號(hào)之間差異不顯著,第35 d“滕選“4 號(hào)同北欒差異顯著,5 號(hào)同4 號(hào)、北欒之間差異均不顯著;第40 d“滕選”4 號(hào)、5 號(hào)之間差異不顯著,但與北欒差異顯著。同一無性系不同脅迫時(shí)間上,差異極顯著(P<0.01)?!半x“4 號(hào)在前10 d 差異不顯著,第0 d、5 d、15 d 之間差異不顯著,第20-40 d 差異不顯著?!半x”5 號(hào)第0 -20 d 之間差異不顯著,第25-40 d 之間差異不顯著。北欒第0-5 d 差異不顯著,第10-25 d 差異不顯著,第30 d 同40d 差異不顯著,第35 d 同其他所有脅迫時(shí)間差異顯著。
表6 干旱脅迫下不同欒樹無性系脯氨酸含量(mg·g-1)的變化
持續(xù)干旱脅迫下,隨著土壤含水量的降低,欒樹3 個(gè)無性系的脯氨酸含量變化前35 d 總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),第35 d 往后北欒下降,“滕選”4 號(hào)、5號(hào)變化不明顯。“滕選”4 號(hào)前10 d 變化不大,第10 d 后迅速增加,表明4 號(hào)在前10 d 受傷害并不是很嚴(yán)重,隨著干旱脅迫的加劇,脯氨酸含量迅速升高,表明植物受到傷害逐漸加重。“滕選”5 號(hào)前20 d 增加不明顯,至第20 d 迅速增加,北欒對(duì)照從脅迫開始至第35 d 近乎直線增加,之后迅速下降,脯氨酸含量下降說明干旱對(duì)其造成的傷害突破了其自身的滲透調(diào)節(jié)能力,植物生理機(jī)能下降。
各無性系SOD 含量變化由表7 可知,通過方差分析與多重比較,相同時(shí)間不同無性系間,干旱脅迫第0 d“滕選”5 號(hào)同4 號(hào)、北欒差異顯著,4 號(hào)同北欒之間差異不顯著;第10 d 北欒同4 號(hào)、5 號(hào)差異顯著,4 號(hào)、5 號(hào)差異不顯著;第15 d 5 號(hào)同4 號(hào)、北欒差異顯著,4 號(hào)同北欒差異不顯著,第20 d 北欒同4 號(hào)、5 號(hào)差異顯著,4 號(hào)、5 號(hào)之間差異不顯著,其余相同脅迫時(shí)間下各無性系間差異不顯著(P>0.05)。同一無性系不同脅迫時(shí)間比較,差異極顯著(P<0.01)?!半x”4 號(hào)第20 d 同第35 d 之間差異不顯著,第20 d 同第30 d 之間差異不顯著,第25 d、30 d 之間差異不顯著,第5 d、10 d、40 d 之間差異不顯著,第0-10 d、第0 d、5 d、15 d 之間差異不顯著。“滕選”5 號(hào)第0 d、5 d、15 d 之間差異不顯著,第5-15 d、第40 d 之間差異不顯著,第20 d-35 d 之間差異不顯著。北欒第0-15 d 差異不顯著,第0 d、5 d、15 d 差異不顯著,第20 d、25 d、40 d 之間差異不顯著,第35 d、第40 d 分別同其他所有脅迫時(shí)間差異顯著。
表7 干旱脅迫下各無性系SOD 含量(u·g-1)的變化
持續(xù)干旱脅迫下,隨著土壤含水量的降低,所有欒樹無性系SOD 活性呈降低-升高-降低-升高-降低趨勢(shì)。在增加幅度上,前15 d 變化不明顯,至第20 d 快速上升,至第25 d 快速上升至第35 d 峰值后下降。
各無性系MDA 含量變化由表8 可知,隨著干旱脅迫加深,相同脅迫時(shí)間不同無性系間的MDA含量差異不顯著,各無性系MDA 含量不同脅迫時(shí)間下差異顯著(P<0.05)?!半x”4 號(hào)第0 d、5 d 之間差異不顯著,第10-25 d 之間差異不顯著,第30-40 d 之間差異不顯著;“滕選”5 號(hào)第0-25 d 之間差異不顯著,第10-30 d 之間差異不顯著,第15-35 d 之間差異不顯著,第30-40 d 之間差異不顯著;北欒第0-30 d 之間差異不顯著,第20-40 d 之間差異不顯著。
表8 干旱脅迫下各無性系MDA 含量(μ moL·g-1)的變化
在持續(xù)干旱脅迫的條件下,3 個(gè)欒樹無性系的丙二醛( MDA)含量隨著干旱脅迫的增強(qiáng)總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),至40 d 脅迫末期北欒降低?!半x”4 號(hào)、5號(hào)、北欒分別上升了6.706 μmoL·g-1、6.870 μmoL·g-1、6.273 μmoL·g-1,增加幅度排序?yàn)椤半x”5 號(hào)>“滕選”4 號(hào)>北欒。
試驗(yàn)研究了在干旱脅迫期間,“滕選”4 號(hào)、“滕選”5 號(hào)、北欒的5 個(gè)生理生化指標(biāo)的變化情況,不同的生理指標(biāo)在對(duì)同一種源下抗旱能力排序不盡一致。運(yùn)用隸屬函數(shù)法能能克服單個(gè)指標(biāo)的片面性,使評(píng)定結(jié)果更全面地反應(yīng)無性系的實(shí)際抗旱能力[10]。隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表9。
表9 干旱脅迫下各無性系隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)
結(jié)果表明,3 個(gè)無性系抗旱能力排序?yàn)椤半x”5號(hào)>“滕選”4 號(hào)>北欒,其中4 號(hào)、5 號(hào)抗旱能力比較接近。
試驗(yàn)研究了在干旱脅迫下,“滕選”4 號(hào)、“滕選”5 號(hào)、北欒3 個(gè)欒樹無性系形態(tài)變化、生長(zhǎng)率、葉綠素含量、凈光合速率、脯氨酸、超氧化物歧化酶、丙二醛的變化情況。結(jié)果表明,隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng),各無性系葉片均萎蔫下垂,從植株底部往上開始出現(xiàn)黃葉、枯葉。萎蔫嚴(yán)重程度從高到低排序?yàn)楸睓琛ⅰ半x”4 號(hào)、“滕選”5 號(hào)。隨著干旱脅迫加深,各無性系生長(zhǎng)變緩,生長(zhǎng)率排序?yàn)椤半x”5 號(hào)、“滕選”4號(hào)、北欒。
在干旱脅迫下,葉片的葉綠素發(fā)生降解而降低,抗旱性較強(qiáng)的種類葉綠素含量較高[13]。本試驗(yàn)各無性系葉片葉綠素含量總體略有降低但變化不大,表明各無性系抗旱性均較強(qiáng),在欒樹不同無性系抗旱性比較中葉綠素含量比較差異并不明顯。
植物光合作用將CO2和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物,蓄積太陽能并提供氧氣,光合作用是植物適應(yīng)環(huán)境最重要的特征和物質(zhì)積累代謝的基本單元,也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)和生產(chǎn)力高低的決定性因素[14]。干旱脅迫下各無性系凈光合速率均顯著下降,表明持續(xù)干旱影響了葉片的光合能力和生理機(jī)能,“滕選”4 號(hào)、5號(hào)、北欒與CK 相比分別降低了4.14 mmoL·m-2·s-1、3.81 mmoL·m-2·s-1、5.15 mmoL·m-2·s-1,處理測(cè)定值分別為對(duì)照的20%、30%、4%。光合下降幅度結(jié)果與最終抗旱性比較結(jié)果一致,體現(xiàn)了凈光合速率與抗旱性的正相關(guān)關(guān)系。
脯氨酸是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),干旱脅迫下積累脯氨酸能夠增加植物的吸水、保水能力,維持各項(xiàng)代謝正常進(jìn)行[13]。干旱脅迫時(shí)植物會(huì)產(chǎn)生傷害植物細(xì)胞的活性氧,植物體內(nèi)具有清除活性氧的防御保護(hù)體系可以提高細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,SOD 等酶活性的高低一定程度上反映了植物的抗逆境能力[15],SOD 升高說明植物抗旱體系通過酶的升高應(yīng)對(duì)干旱脅迫。丙二醛(MDA)反映了植物的脂膜過氧化,逆境下會(huì)大量累積[16],MDA 值越高,說明植物傷害越嚴(yán)重。脯氨酸含量、SOD、丙二醛含量在整個(gè)干旱脅迫過程中變化較大,反映了這些指標(biāo)在干旱逆境中的敏感性。各無性系變化趨勢(shì)也有所不同,脯氨酸含量“滕選“4 號(hào)、5 號(hào)升高,北欒先升高后降低;SOD 活性均呈升高-降低-升高-降低趨勢(shì);MDA 含量“滕選”4 號(hào)、5 號(hào)總體呈升高趨勢(shì),北欒先升高后降低。北欒脯氨酸含量、SOD 活性在脅迫末期都降低,而“滕選”4 號(hào)、5 號(hào)僅SOD 活性降低,可能是由于北欒最先到達(dá)干旱脅迫的最大承受能力導(dǎo)致生理機(jī)能下降,“滕選”4 號(hào)、5 號(hào)葉片生理機(jī)能還未達(dá)到生理機(jī)能紊亂的最大限度,同時(shí)也說明了SOD 活性相比較MDA、脯氨酸對(duì)干旱帶來的損傷反應(yīng)更加迅速。
本試驗(yàn)干旱脅迫時(shí)間為40 d,從第15 d 重度干旱至脅迫結(jié)束所有植株皆未死亡,體現(xiàn)了各無性系抗旱能力。各無性系抗旱水平受多種因素共同影響,單一指標(biāo)無法準(zhǔn)確判斷抗旱性,本文以脅迫末期第40 d 數(shù)值比較,運(yùn)用隸屬函數(shù)法判斷植物的抗旱性差異,各無性系抗旱能力排序?yàn)椤?滕選”5 號(hào)>“滕選”4 號(hào)>北欒,其中4 號(hào)、5 號(hào)抗旱能力比較接近,此結(jié)果與外部形態(tài)觀測(cè)、生長(zhǎng)率排序一致。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,可對(duì)各個(gè)不同干旱脅迫階段抗旱指標(biāo)抗旱性綜合評(píng)定,以提高抗旱性鑒定的全面性以及實(shí)用性。
本試驗(yàn)確定干旱脅迫強(qiáng)度是通過盆栽控水實(shí)現(xiàn)的,在整個(gè)試驗(yàn)過程中,脯氨酸、SOD、MDA 等生理指標(biāo)并非呈現(xiàn)持續(xù)性地增高或降低,而是出現(xiàn)上下波動(dòng),其原因一方面與不同取樣植株存在單株差異性導(dǎo)致數(shù)值波動(dòng)有關(guān),另一方面,與試驗(yàn)期間降水較多,導(dǎo)致空氣濕度變化增大緩解了植物干旱脅迫程度有關(guān)。如需更精確的抗旱比較,可從延長(zhǎng)脅迫時(shí)間、復(fù)水恢復(fù)性、植株根系等方面加強(qiáng)研究。