張秀姣,吳 超*,王滿蓮,梁惠凌,劉寶玉,李 虹,王 琳

(1.廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所,廣西桂林 541006;2.廣西植物功能物質(zhì)與資源持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541006;3.廣西師范大學(xué),廣西桂林 541006)

全球氣候變化下干旱事件頻發(fā),導(dǎo)致土壤干旱程度加劇[1]?？λ固貛r溶地的保水能力極差,氣候變化背景下極端干旱事件(土壤含水量<12%)時常發(fā)生[2]。前人關(guān)于作物適應(yīng)干旱方面的研究以主要農(nóng)作物和部分園藝植物為主,但極端干旱下大部分植物難以存活,由于缺乏適應(yīng)極端干旱研究的優(yōu)異物種和種質(zhì)資源,有關(guān)作物響應(yīng)極端干旱的研究較少,作物適應(yīng)極端干旱的內(nèi)在機(jī)理不夠深入[3]。地楓皮(IlliciumdifengpiB.N.Chang et al.)能適應(yīng)喀斯特山頂極度干旱環(huán)境,是研究植物響應(yīng)和適應(yīng)極度干旱的優(yōu)異材料[4]。

地楓皮為五味子科(Schisandraceae)八角屬(Illicium)常綠灌木,是《中國藥典》收載的廣西特產(chǎn)中藥材,也是著名壯藥,其莖皮和根皮具有祛風(fēng)除濕、行氣止痛等功效[5],是桂龍藥膏、桂龍藥酒及多種中成藥的主要原料。然而,地楓皮野生資源現(xiàn)處于瀕危狀態(tài)。一方面喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱,生境退化不利于地楓皮的繁育和生長;另一方面人為采挖導(dǎo)致其野生資源急劇下降[6]。

研究喀斯特生境植物地楓皮的適應(yīng)機(jī)理將有助于該物種及該地區(qū)生物多樣性資源的有效保護(hù)和可持續(xù)利用。前期研究發(fā)現(xiàn),輕度和中度水分脅迫下地楓皮表現(xiàn)較強(qiáng)的耐旱能力[7],干旱復(fù)水后其光合能力迅速恢復(fù)[8]。但目前關(guān)于地楓皮響應(yīng)極端干旱方面的研究較少,目前尚不清楚極端干旱下復(fù)水的植株是否仍具有較強(qiáng)的恢復(fù)能力。植物抗氧化物酶系統(tǒng)迅速響應(yīng)逆境脅迫,是植物響應(yīng)非生物逆境(干旱、澇漬、高溫、冷害等)的初始應(yīng)激反應(yīng)[9],但鮮有研究報道地楓皮抗氧化物酶系統(tǒng)在極端干旱及干旱復(fù)水后的響應(yīng)特征。該研究以1年生地楓皮植株為材料,研究極端干旱及干旱后復(fù)水處理對地楓皮葉片含水量和抗氧化酶活性的影響,旨在從抗氧活性的角度揭示地楓皮適應(yīng)極端干旱的生理機(jī)理,以期為喀斯特石漠化地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料為大小長勢一致的1年生植株,均由采自廣西壯族自治區(qū)百色市靖西市同一野生種群的種子萌發(fā)而來。栽培容器為營養(yǎng)袋(直徑23 cm,高18 cm),每盆裝棕色石山土1.7 kg,每盆1株。試驗(yàn)在廣西植物研究所的防雨棚中開展。該地區(qū)屬亞季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫23.5 ℃,年無霜期300 d,年日照時數(shù)1 680 h,年降水量1 949.5 mm,空氣濕度82%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)3個水分處理,即干旱脅迫、干旱復(fù)水和正常澆水,每個處理4株。在統(tǒng)一等量澆水后進(jìn)行干旱脅迫,以正常澆水(每2 d澆水一次)作為對照。干旱脅迫為不澆水自然干旱,干旱持續(xù)47 d后測定葉片含水量和抗氧化酶活性指標(biāo)。干旱復(fù)水為不澆水,干旱持續(xù)45 d進(jìn)行復(fù)水處理,澆透,直至盆底有水滲出,復(fù)水2 d后測定指標(biāo)同干旱脅迫處理。

1.2.2葉片相對含水量測定和氣孔觀察。葉片相對含水量是早晨收獲的植株上部第2位和第3位功能葉中測定的。采集材料迅速稱葉片鮮重,然后將葉片放入裝有蒸餾水的標(biāo)簽袋中浸泡12 h后取出,迅速用紙巾小心地吸干葉片,稱取獲得葉片飽和鮮重,放入紙袋中,然后置于烘箱50 ℃干燥葉片至恒重稱葉片干重。葉片相對含水量=(葉片鮮重-葉片干重)/(葉片飽和鮮重-葉片干重)×100%。

采集當(dāng)年生成熟葉片,放入FAA固定液中固定,依次用70%、85%、90%、95%、100%乙醇各浸泡1 h脫水,100%乙醇浸泡過夜,CO2臨界點(diǎn)干燥儀干燥,離子濺射儀(108Auto Ted Pella,USA)鍍金。于卡爾·蔡司掃描電鏡(EVO18,German)500倍鏡下觀察并隨機(jī)選取5個視野照相。

1.2.3酶液制備和活性測定。干旱復(fù)水處理2 d后統(tǒng)一進(jìn)行采樣,取葉位一致且完全成熟葉片迅速放入液氮速凍,置于-20 ℃冰箱保存。稱1 g葉片洗凈后放入預(yù)冷的研缽中,加9 mL pH 7.2～7.4(0.05 mol/L)的磷酸緩沖液,冰浴中充分研磨成勻漿,轉(zhuǎn)入離心管中在4 ℃下2 000 r/min離心20 min,所得上清液即粗酶液。使用ELISA試劑盒測定超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量。

1.2.4土壤含水量的測定。完成以上指標(biāo)測定后,稱烘干前土壤重量,隨后放入鋁盒進(jìn)行烘干至恒重稱烘干后土壤重量。土壤含水量=(烘干前土壤重量-烘干后土壤重量)/烘干后土壤重量×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析采用Excel 2007統(tǒng)計(jì)和計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù),SPSS 25.0進(jìn)行方差分析(ANOVA),采用Duncan法在0.05水平進(jìn)行多重比較,OriginPro 2021進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱及干旱復(fù)水處理對土壤含水量和葉片相對含水量的影響由圖1～2可知,對照處理下的土壤含水量約為35.5%,干旱處理下的土壤含水量降低至10.5%,達(dá)到極端干旱水平;干旱脅迫下的地楓皮葉片相對含水量(63.4%)顯著低于對照(93.0%)。說明干旱造成了地楓皮植物體內(nèi)水分虧缺嚴(yán)重,對土壤水分的消耗量增加,導(dǎo)致土壤含水量的降低。復(fù)水后,2個參數(shù)均顯著增加(P<0.05),達(dá)到對照水平。此外,極端干旱條件下(土壤含水量10.5%)葉片氣孔關(guān)閉,表明地楓皮具有較強(qiáng)的水分控制和適應(yīng)能力(圖3)。

注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P <0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P <0.05).圖1 干旱復(fù)水對土壤含水量的影響Fig.1 Effect of drought rehydration on soil moisture content

注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P <0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P <0.05).圖2 干旱復(fù)水對地楓皮葉片相對含水量的影響Fig.2 Effects of drought rehydration on leaf relative water content of Illicium difengpi

圖3 干旱脅迫對地楓皮氣孔的影響Fig.3 Effects of drought stress on stomata of Illicium difengpi

2.2 干旱及干旱復(fù)水處理對地楓皮MDA含量和抗氧化酶活性的影響MDA是脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)物,膜脂質(zhì)過氧化的程度可以通過MDA水平反映。由圖4可知,對地楓皮進(jìn)行干旱脅迫后,MDA含量較對照上升了14.5%,但未達(dá)到顯著差異(P>0.05);復(fù)水后,地楓皮葉片MDA含量迅速恢復(fù)至對照水平。

圖4 干旱復(fù)水對地楓皮葉片MDA含量和抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effect of drought rehydration on MDA content and antioxidant enzymes activities in leaves of Illicium difengpi

植物體內(nèi)的抗氧化酶SOD、CAT、POD通過協(xié)同作用,清除逆境所產(chǎn)生的活性氧。SOD催化植物體超氧陰離子(O2-)為毒性較小的過氧化氫(H2O2)和O2,進(jìn)一步通過CAT、POD等其他抗氧化酶清除H2O2。CAT也是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶類之一,它能清除細(xì)胞內(nèi)過多的H2O2,與SOD協(xié)同作用清除羥基自由基(·OH)。POD既可將H2O2轉(zhuǎn)化成H2O表現(xiàn)為保護(hù)效應(yīng),還可參與活性氧的形成表現(xiàn)為傷害效應(yīng)。干旱處理下,地楓皮的SOD、CAT活性降低,較對照分別降低了4.8%、6.5%(P>0.05),而POD活性顯著降低(P<0.05)。復(fù)水后,地楓皮CAT活性迅速恢復(fù)至對照水平,SOD活性較對照降低了15.2%(P>0.05),POD活性并未恢復(fù),表明POD清除氧的能力出現(xiàn)紊亂。

3 討論

葉片相對含水量代表植物的實(shí)際生長發(fā)育狀態(tài),反映植物的保水能力[10]。干旱處理的地楓皮葉片含水量下降,相對含水量維持在63.4%,表明干旱處理導(dǎo)致地楓皮細(xì)胞失水。干旱脅迫下紅樹莓(RubusidaeusL.)和鉤藤[Uncariarhynchophylla(Miq.)Miq.ex Havil.]的相對含水量均顯著降低[11-12]。與其他同屬或同種植物如八角(IlliciumverumHook.F.)、莽草(IlliciumlanceolatumA.C.Smith)等相比,在中度或輕度水分脅迫處理下,地楓皮表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐旱能力,主要通過調(diào)控葉片氣孔減少水分流失[7,13-14]。與前人研究不同的是,該研究在極端干旱處理(土壤含水量10.5%)下發(fā)現(xiàn)地楓皮仍表現(xiàn)出較強(qiáng)的水分控制和適應(yīng)能力,葉片氣孔關(guān)閉的現(xiàn)象。值得注意的是,干旱復(fù)水后地楓皮的葉片相對含水量迅速恢復(fù)到對照水平,表明地楓皮干旱復(fù)水后植株表現(xiàn)出極強(qiáng)的恢復(fù)能力,可能是地楓皮耐極端干旱的原因之一。

MDA含量被認(rèn)為是衡量植物脂質(zhì)過氧化的一個指標(biāo)[15]。干旱脅迫下,MDA含量的變化程度可以反映植物的抗旱性強(qiáng)弱[16]。干旱處理誘導(dǎo)地楓皮的MDA含量增加,表明干旱處理下的地楓皮葉片細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生超過了抗氧化系統(tǒng)的解毒能力,導(dǎo)致膜脂過氧化,從而產(chǎn)生了MDA,對地楓皮造成了脅迫傷害。崔鵬等[17]研究干旱脅迫下裸果木(GymnocarposprzewalskiiBunge ex Maxim.)MDA含量的變化,也得出相似的結(jié)論。但復(fù)水后,MDA含量又迅速恢復(fù)到對照水平,一定程度上反映了地楓皮較強(qiáng)的抗旱能力。

植物受到干旱脅迫,體內(nèi)活性氧產(chǎn)物(如O2-和H2O2)的增加會引起抗氧化酶活性的變化。抗氧化酶可以通過解毒過量的活性氧來維持活性氧形成和消除的平衡[9,18]。在酶系統(tǒng)中,SOD轉(zhuǎn)化O2-為H2O2[19],CAT和POD在不同的細(xì)胞位置將H2O2分解為H2O[20]。干旱脅迫后,蟛蜞菊[Wedeliachinensis(Osbeck.)Merr.]的SOD、CAT和POD活性均增加[21],黨參[Codonopsisradix(Franch.)Nannf.]的SOD活性無明顯變化[22];而極端干旱下,火龍果[Hylocereuspolyrhizus(F.A.C.Weber)Britton &Rose]的SOD、POD活性顯著降低,CAT活性顯著增加[23]。因此,植物抗氧化物酶對干旱響應(yīng)的差異可能與活性氧產(chǎn)生的強(qiáng)度、脅迫的嚴(yán)重程度和植物種類有關(guān)[24-26]。干旱脅迫下,地楓皮的CAT、POD、SOD活性下降,表明在干旱脅迫前期,地楓皮的抗氧化系統(tǒng)先啟動,但隨著干旱程度加深,膜脂過氧化逐漸加重,活性氧的形成和清除系統(tǒng)的平衡被打破,抗氧化酶防御系統(tǒng)逐漸失去作用,MDA含量開始上升,植株受到一定損害[27]。這與田曉明等[28]對黃山紫荊(CercischingiiChun.)、易家寧等[29]對紫蘇[Perillafrutescens(L.)Britt]的研究結(jié)果一致。而韓愈[30]研究發(fā)現(xiàn),10%～20%土壤含水量地楓皮幼苗的SOD、POD活性顯著升高,這可能與試驗(yàn)材料和干旱脅迫處理時長不同有關(guān)。復(fù)水后,除POD外,其余參數(shù)指標(biāo)均恢復(fù)到對照水平或稍低于對照,說明旱后復(fù)水對地楓皮抗氧化系統(tǒng)具有一定補(bǔ)償作用。而POD活性未恢復(fù),可能是干旱脅迫嚴(yán)重影響了細(xì)胞內(nèi)POD的合成,復(fù)水未能緩解所受到的損傷,這提醒在日常的栽培管理中注意澆水,長時間的干旱會對地楓皮幼苗造成一定損害。

4 結(jié)論

綜上所述,喀斯特極度耐旱植物地楓皮葉片中過氧化物酶系統(tǒng)對干旱處理和干旱后復(fù)水處理均表現(xiàn)出一定程度的響應(yīng)特征,可能參與其適應(yīng)喀斯特極端干旱環(huán)境。該研究初步分析了喀斯特特色藥用植物地楓皮對干旱耐性的潛在響應(yīng)機(jī)制,研究結(jié)果有望為理解植物耐極端干旱的機(jī)制提供新的見解。需要說明的是,該研究僅對1年生地楓皮在干旱和干旱后復(fù)水抗氧化系統(tǒng)的水分響應(yīng)特征進(jìn)行初步探討,而地楓皮全生育期的抗旱機(jī)理有待進(jìn)一步研究。