趙秀婷 朱書紅 劉蔚漪 輝朝茂

(西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 竹藤科學(xué)研究院/叢生竹工程技術(shù)研究中心 昆明650224)

隨著全球氣候變暖，干旱的頻率、程度和范圍也越來越大，水分是植物生長發(fā)育的重要條件。土壤水分缺乏或者空氣中相對濕度較低會引起植物一系列生長發(fā)育和生理生化的變化，從而使植物適應(yīng)干旱環(huán)境[1]。植物在干旱脅迫下關(guān)閉氣孔，導(dǎo)致光合色素合成降低，影響光合電子傳遞過程，使光合酶活性降低等，進(jìn)而導(dǎo)致植物光合速率降低[2-4]。王秀文[5]對蘆竹(Arundo donax) 的抗旱性研究發(fā)現(xiàn)，蘆竹能通對調(diào)節(jié)自身的抗氧化系統(tǒng)來適應(yīng)干旱環(huán)境。研究植物光合和抗氧化酶活性對干旱脅迫的響應(yīng)，明確植物的抗旱能力，對植物培育、引種具有重要意義。

云南省近年降水逐漸減少，且降水分布不均，這都對植物能否適應(yīng)逆境生長提出挑戰(zhàn)，而不同的竹種光合作用不同，抗旱能力也不同?？撞ǖ萚6]研究認(rèn)為，不同竹種其抗旱能力不同。吳志莊等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同竹種的光合固碳能力不同，叢生竹要優(yōu)于混生竹和散生竹。劉思奇[8]對美麗箬竹(Indocalamus decorus) 的光合特性和抗氧化系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下美麗箬竹可以通過調(diào)節(jié)自身對逆境的適應(yīng)，從而具有一定的抗旱能力。巨龍竹(Dendrocalamus sinicus) 屬禾本科竹亞科，熱性巨型大型叢生竹，是世界上最大的竹種，分布在北回歸線以南地區(qū)[9]。巨龍竹以本身特大型為特色，堪稱“竹中極品、世界之最”。以巨龍竹整竹用于居民竹樓、郊野別墅、旅游度假區(qū)等特色建筑已引起國內(nèi)外商家關(guān)注，具有巨大的市場潛力[10]。巨龍竹的研究起步較晚，擴(kuò)大竹種資源首先要提高培育種苗的技術(shù)水平和苗木質(zhì)量，種苗已成為制約巨龍竹發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重影響了該物種產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展[11]。目前對于巨龍竹的研究主要集中在組織培養(yǎng)、育苗技術(shù)、林分結(jié)構(gòu)、竹材結(jié)構(gòu)等[12-16]，而對于土壤干旱脅迫下巨龍竹實生苗光合作用和抗氧化酶活性的研究較少。本研究選取2 年生巨龍竹實生苗，采用盆栽控水試驗，在土壤自然干旱過程中連續(xù)觀測巨龍竹實生苗的光合作用，探討巨龍竹實生苗葉片光合作用和抗氧化酶活性的變化過程，可為了解巨龍竹資源在應(yīng)對干旱環(huán)境下生長發(fā)育狀況提供技術(shù)支撐，也可為巨龍竹實生苗的科學(xué)培育、合理栽培和水分管理提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為盆栽巨龍竹苗，挑選無病蟲害且長勢較好，株型盡量一致的20 盆實生苗。對照組與試驗組各10 盆。

1.2 試驗方法

試驗時間為2021 年10 月2—20 日，試驗地點為西南林業(yè)大學(xué)溫室大棚。水分調(diào)節(jié)時間于每日下午17 ∶00—18 ∶00，試驗組為自然干旱，對照組每日澆水讓土壤水分含量始終保持在43.2%～49.3%。利用Li-6400 便攜式光合作用測定系統(tǒng)在每日9 ∶30—11 ∶30 測定實生苗的各項光合指標(biāo)。

試驗組在自然干旱條件下，根據(jù)土壤含水量將干旱程度劃分為輕度干旱、中度干旱和重度干旱3 個脅迫水平(表1)，研究不同水分條件下巨龍竹實生苗的光合參數(shù)和抗氧化酶活性。

1.3 指標(biāo)測定

光合指標(biāo):凈光合速率 (Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)。葉綠素提取用80%的丙酮溶液[17]。

抗氧化酶活性和丙二醛含量測定:將上述用于測定光合參數(shù)后的葉片液氮速凍-80 ℃保存，用于抗氧化酶活性的測定。超氧化物歧化酶(SOD) 活性采用氮藍(lán)四唑法測定[18]，抗壞血酸過氧化物酶(APX) 活性采用紫外吸收法測定，過氧化氫酶(CAT) 活性采用過氧化氫分解法測定，丙二醛 (MDA) 含量采取紫外線吸收法測定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 25.0 進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對土壤含水量和實生苗葉綠素含量的影響

從圖1 看出，自然干旱組的土壤隨干旱天數(shù)增加其含水量呈現(xiàn)直線下降，對照組土壤含水量由于每天補充水分而在整個試驗期內(nèi)保持在43.2%～49.3%，為正常含水量。

圖1 不同干旱脅迫處理下土壤含水量的變化Fig.1 Changes of soil water content under different drought stress treatments

葉綠素是植物體現(xiàn)光合能力的主要指標(biāo)之一，其濃度(SPAD 值) 與植株的生長發(fā)育狀況以及葉片的光合能力有關(guān)。從圖2 可看出，巨龍竹實生苗在干旱脅迫下，葉綠素濃度發(fā)生顯著改變。隨著土壤含水量的下降，干旱脅迫強度增加，SPAD 值呈現(xiàn)明顯下降趨勢，在輕度干旱脅迫下(0～4 d) SPAD 值下降幅度較小，在中度和重度干旱脅迫下(6～18 d) SPAD 值隨著干旱脅迫強度增加而降低幅度加大，中度干旱脅迫下SPAD值降至CK 的67.35%、重度干旱脅迫下僅有CK的43.58%。

圖2 不同干旱脅迫處理下葉綠素含量的變化Fig.2 Changes of chlorophyll content under different drought stress treatments

2.2 干旱脅迫對巨龍竹實生苗光合參數(shù)的影響

不同程度的土壤干旱對巨龍竹實生苗光合作用影響的分析結(jié)果見圖3。巨龍竹實生苗在自然干旱脅迫處理后凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率變化趨勢一致，隨著脅迫程度的加重，3 個指標(biāo)都有不同幅度的下降，胞間CO2濃度呈現(xiàn)先下降再上升的變化趨勢。

圖3 不同干旱脅迫處理下巨龍竹實生苗葉片光合參數(shù)的變化Fig.3 Changes of photosynthetic parameters in D. sinicus seedling leaves under different drought stress treatments

凈光合速率(Pn):在整個試驗期間，自然干旱處理組凈光合速率在第2 d 時略有升高，但從第2 d 以后開始下降，在第6 d 時下降趨勢加大，最終在第18 d 時跌至最低為0.80 μmol/(m2·s)，中度干旱下降至CK 的47.51%、重度干旱下僅為CK 的7.82%。

氣孔導(dǎo)度(Gs):Gs變化趨勢與凈光合速率相同，在第2 d 由升高后開始下降，第6 d 急劇下降，最終在第18 d 時跌至最低為0.005 mmol/(m2·s)，中度干旱下降至CK 的37.51%、重度干旱降至僅為CK 的4.58%。并且在重度干旱下，隨脅迫程度的加大Gs下降趨勢減弱，中度干旱時Gs降低了0.062 mmol/ (m2·s) 與重度干旱時降低了0.022 mmol/ (m2·s) 相比，重度干旱的下降幅度顯著低于中度干旱。

胞間CO2濃度(Ci):自然干旱處理組在0～15 d期間呈持續(xù)下降，但在16～18 d 期間不斷上升至265.17 μmol/mol。在中度干旱下，Ci降至CK 的81.31%。在重度干旱下，自然干旱處理組Ci開始隨干旱強度的加大而增加，在第18 d 時與CK 組基本持平。

蒸騰速率(Tr):自然干旱處理組的蒸騰速率在0～18 d 期間均呈下降趨勢，并在第4 d 后急劇下降，最終在第18 d 時跌至最低為0.17g/ (m2·h)。說明輕度干旱對巨龍竹實生苗的Tr影響較小，輕度干旱期間Tr降至CK 的76.03%；但在中度干旱和重度干旱脅迫下，Tr受到顯著抑制，且脅迫強度越大，蒸騰速率越低，中度干旱和重度干旱脅迫時Tr分別降為對照的20.31%和3.94%。

2.3 干旱脅迫對巨龍竹實生苗抗氧化酶活性和丙二醛的影響

如表2 所示，巨龍竹實生苗處于輕度干旱時超氧化物歧化酶(SOD) 活性高于對照組，且在此脅迫下SOD 活性最高，在中度干旱脅迫下，SOD 活性下降；當(dāng)干旱加劇到重度脅迫時，SOD的活性又發(fā)生顯著的提高，巨龍竹實生苗再次通過提高SOD 活性來保護(hù)光合作用組織免受或減輕干旱帶來的損傷。

抗壞血酸過氧化物酶(APX) 是通過參與抗壞血酸的氧化還原代謝，配合抗壞血酸清除多種活性氧自由基，植物的抗旱能力也通過APX 活性表現(xiàn)出來[20]。從表2 中看出，隨干旱強度的加大APX 活性的變化呈上升趨勢，在整個脅迫階段APX 活性均高于對照，說明APX 是巨龍竹在發(fā)生干旱時起主要作用的酶，并且在嚴(yán)重干旱時達(dá)到最高值為4.32 U/g，為對照組的553%。

表2 不同干旱脅迫處理下巨龍竹實生苗SOD、APX、CAT 活性與MDA 含量的變化Tab.2 Changes of SOD，APX，CAT activities and MDA content of D. sinicus seedlings under different drought stress treatments

過氧化氫酶(CAT) 將SOD 歧化生成的過氧化氫轉(zhuǎn)化為水和分子氧[20]。從表2 中可以看出，在干旱環(huán)境下CAT 活性均小于對照，在輕度干旱環(huán)境下達(dá)到最低值，在中度干旱時為干旱脅迫下最高值，但僅為對照的55%。

丙二醛(MDA) 是反映巨龍竹干旱能力的重要指標(biāo)。當(dāng)干旱發(fā)生時，巨龍竹的細(xì)胞膜受到傷害，引起膜脂過氧化的最終產(chǎn)物丙二醛含量變化來反映巨龍竹實生苗的抗旱能力。如表2 所示，在干旱脅迫下MDA 含量均高于對照組，且在輕度干旱時最高，隨著干旱脅迫強度的加大MDA 逐漸降低，但即使在嚴(yán)重干旱時，MDA 的含量也僅是對照的106%。

3 討論

3.1 土壤干旱脅迫對葉綠素的影響

植物進(jìn)行光合作用的一個重要影響因素就是葉綠素含量，葉綠素的合成與分解速率是影響光合速率的主要原因，因此植物受干旱脅迫的影響可以通過葉綠素含量來進(jìn)行評估[21]。有研究表明，干旱脅迫會對葉綠素的合成起抑制作用，同時加快SPAD 的分解，造成SPAD 值下降，但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)干旱脅迫會使SPAD 值上升[22-23]。本研究結(jié)果表明，在干旱脅迫下，巨龍竹實生苗葉片的SPAD 值均下降，加大干旱脅迫強度SPAD值的下降速度變快。這可能是因為干旱致使蛋白質(zhì)合成受阻或葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞，造成葉綠素的合成減少，使其SPAD 值下降。

3.2 土壤干旱脅迫對光合作用的影響

光合作用是植物生命活動中的重要合成代謝過程之一，會直接影響植株的生長、發(fā)育狀況，而干旱脅迫明顯影響植物的光合作用[24]。大量研究表明，在干旱脅迫下，植物光合作用受到抑制，凈光合速率下降，氣孔導(dǎo)度減小以限制蒸騰速率，從而緩解干旱脅迫的影響[25-27]。本試驗結(jié)果顯示，在自然干旱處理后，隨著干旱脅迫強度加大巨龍竹實生苗葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均呈下降趨勢，表明干旱脅迫下巨龍竹實生苗的部分氣孔關(guān)閉，引起CO2濃度降低，從而造成光合參數(shù)降低；而在重度干旱下，由于巨龍竹自身代謝產(chǎn)生CO2，造成Ci的上升，也說明在輕度干旱下，巨龍竹葉片Pn的下降，Ci降低，是由氣孔限制原因引起的；在中度和重度干旱脅迫下，隨著脅迫強度的加大，Pn下降，Ci上升，此時引起凈光合速率下降轉(zhuǎn)為由非氣孔因素引起。這表明隨著土壤水分含量下降，干旱加劇，巨龍竹實生苗通過降低光合作用來減輕干旱帶來的傷害，本研究結(jié)果與王彬等[28]的試驗結(jié)果一致。

3.3 土壤干旱脅迫對抗氧化酶活性和丙二醛的影響

在干旱環(huán)境下，植物啟動自身防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)膜不被損傷，通過提高抗氧化酶活性來提高自身抗旱能力，SOD 起第1 道防護(hù)作用，APX 和CAT繼續(xù)將SOD 歧化的過氧化氫分解為水和氧氣，從而在干旱環(huán)境下起到保護(hù)作用。本研究結(jié)果顯示，SOD 活性在輕度、重度干旱脅迫下高于對照，APX 活性在整個干旱階段均高于對照，CAT 活性則均低于對照。說明SOD 和APX 是巨龍竹實生苗干旱時期起重要作用的2 種酶，并且在輕度干旱脅迫下SOD 活性的增幅要顯著高于其余2 種，說明SOD 在逆境中的反應(yīng)更為迅速。丙二醛在干旱脅迫下的含量均高于對照組，表明干旱引起巨龍竹抗氧化系統(tǒng)活性下降，活性氧的產(chǎn)生超出了細(xì)胞的清除能力，導(dǎo)致活性氧大量積累，活性氧引起光合色素嚴(yán)重降解和膜脂過氧化，破壞了光合機構(gòu)膜系統(tǒng)，該結(jié)果與裴斌等[29]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

巨龍竹實生苗在輕度干旱環(huán)境中表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，但在中度和重度干旱環(huán)境下其適應(yīng)性較差。引起光合速率下降的原因也由在輕度干旱時的氣孔限制原因轉(zhuǎn)為在中度和重度干旱時的非氣孔限制原因，并且在逆境中起主要作用的抗氧化酶為SOD 和APX，SOD 在逆境中反應(yīng)更為迅速。本研究結(jié)果可對巨龍竹苗的科學(xué)種植和水分管理提供理論依據(jù)，也可為竹類植物對干旱環(huán)境下的適應(yīng)性研究提供技術(shù)支持。