胡楊不同冠層葉片的形態(tài)特征及對(duì)水脅迫的響應(yīng)

李欣怡等

摘要該研究以長(zhǎng)勢(shì)良好、冠高相近的3棵成年胡楊為采樣株，在樹(shù)冠垂直方向上進(jìn)行3等分，取每個(gè)冠層?xùn)|西南北4個(gè)方向的混合樹(shù)葉為試驗(yàn)材料，研究不同冠層葉片的形態(tài)特征，以及在不同濃度PEG-6000下生理特性。結(jié)果顯示：成熟胡楊植株樹(shù)體上從樹(shù)冠基部到樹(shù)頂依次為披針形、卵形、寬卵形葉片，3種葉形指數(shù)、葉面積和葉柄長(zhǎng)上存在著顯著差異；水分脅迫時(shí)，第1層葉片通過(guò)維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性來(lái)增加抗逆性，第2層葉片通過(guò)快速積累脯氨酸來(lái)適應(yīng)干旱環(huán)境，第3層葉片通過(guò)維持可溶性蛋白含量的穩(wěn)定性，提高代謝水平彌補(bǔ)水脅迫造成的傷害；在抗逆性隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)上第3層葉片的綜合抗逆性>第2層葉片綜合抗逆性>第1層葉片綜合抗逆性。

關(guān)鍵詞水脅迫；胡楊；脯氨酸；相對(duì)電導(dǎo)率；可溶性蛋白

中圖分類號(hào)S176；S792.119文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）05-156-03

基金項(xiàng)目塔里木大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（TDGRI201404）。

作者簡(jiǎn)介李欣怡（1988- ），女，湖北荊門人，碩士，研究方向：作物栽培與耕作學(xué)。*通訊作者，碩士，從事干旱地區(qū)植物生物多樣性保育工作。

收稿日期2014-12-29

胡楊（Populus euphratica Oliv. ）是隸屬于楊柳科（Salicaceae）楊屬（Populus）落葉喬木，又稱英雄樹(shù)、異葉胡楊等，孑遺種，在第三紀(jì)末期以后的漫長(zhǎng)歲月里，歷經(jīng)干旱、炎熱、寒冷的惡劣生存環(huán)境，逐漸從山地小葉林成分中演化而來(lái)，成為荒漠河岸林最主要的建群種[1-2]。胡楊對(duì)于遏制沙漠?dāng)U展，保護(hù)生物多樣性具有不可替代的作用[3]，而且其樹(shù)脂、葉、根、花均可入藥，具有清熱解毒和制酸止痛的功效[4]。因此，無(wú)論是從生態(tài)價(jià)值角度，還是從保護(hù)種質(zhì)資源的角度來(lái)講，胡楊都具有較高的研究?jī)r(jià)值、保護(hù)價(jià)值和重要的實(shí)踐意義。

在胡楊個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，植株上會(huì)依次出現(xiàn)不同葉形，幼樹(shù)只有單一葉形，成熟樹(shù)木擁有多種葉形 [5-6]。目前，許多學(xué)者認(rèn)為胡楊不同葉形的作用是一種生態(tài)適應(yīng)性。研究顯示胡楊寬卵形葉較披針形葉的旱生結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，具有更強(qiáng)的抵抗逆境的能力[7]，同時(shí)寬卵形葉表現(xiàn)出比披針形葉更能耐大氣干旱，具有較高的凈光合速率、水分利用效率[8-10]。該研究以同一立地條件下的胡楊成熟植株不同冠層葉片為研究對(duì)象，研究水脅迫下葉片的生理特征變化情況，分析胡楊成熟植株不同冠層葉片的抗逆性，為胡楊異形葉性與環(huán)境相適應(yīng)的關(guān)系提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

取位于塔里木盆地西北方向（81°17′56.52″E，

40°32′36.90″N）的人工胡楊林中長(zhǎng)勢(shì)良好、樹(shù)冠相近的3棵成年胡楊為采樣株，在采樣株的樹(shù)冠垂直方向上進(jìn)行3等分，從下往上依次為第1～3層，分東西南北4個(gè)方向采樣，取各個(gè)方向的當(dāng)年生枝條上的第3節(jié)位的葉片為試驗(yàn)材料。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1葉形態(tài)測(cè)定。以MRS-9600TFU2掃描儀對(duì)第3節(jié)位葉片進(jìn)行掃描，用【萬(wàn)深】LA-S植物圖像分析軟件進(jìn)行葉形態(tài)（葉形指數(shù)、葉面積、葉柄長(zhǎng)）的測(cè)定。

1.2.2脅迫處理。將采回來(lái)的3個(gè)冠層試驗(yàn)材料用自來(lái)水沖洗，再用蒸餾水沖洗，將每個(gè)冠層的葉片混合后分別放入含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%、20%、30%的PEG-6000濃度的培養(yǎng)瓶中，再放入30 ℃的全黑暗培養(yǎng)箱中，處理8 h。

1.2.3生理指標(biāo)的測(cè)定。茚三酮比色法測(cè)定游離脯氨酸含量[11]，電導(dǎo)儀法鑒定葉片電導(dǎo)率，采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)含量[12]。每個(gè)指標(biāo)均進(jìn)行3次重復(fù)。

1.3數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel作圖。用Spss軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行單因素方差分析，其中差異性顯著水平設(shè)定為α=0.05。

2結(jié)果與分析

2.1胡楊不同冠層當(dāng)年生枝條第3節(jié)位葉片形態(tài)特征變化

胡楊的葉片具有異形葉性。由圖1胡楊不同冠層葉片在葉形指數(shù)、葉面積和葉柄長(zhǎng)方面的差異性可以看出：在葉形指數(shù)上3層葉片間存在顯著差異，第1層葉片的葉形指數(shù)在4～5之間，為披針形葉；第2層葉片葉形指數(shù)在1～2之間，為卵形葉；第3層葉片葉形指數(shù)小于1，為寬卵形葉。在葉面積和葉柄長(zhǎng)上，第1層與第2層、第3層葉片均存在顯著差異，第2層與第3層間差異性不明顯。說(shuō)明胡楊成熟植株隨著層次的增加，葉形態(tài)發(fā)生變化，尤其在葉形指數(shù)上變化最為明顯。

圖1胡楊成熟植株當(dāng)年生枝條第3節(jié)位葉片形態(tài)（a.葉形指數(shù)；b.葉面積；c.葉柄長(zhǎng)）隨不同冠層增高的變化

2.2水脅迫對(duì)胡楊不同冠層葉片生理特征的影響

水脅迫處理使胡楊不同冠層葉片在生理上進(jìn)行了不同的響應(yīng)。由表1可以看出，隨著PEG-6000濃度的增加，第1層葉片的脯氨酸含量先增加后下降，0%與30%間處理無(wú)明顯差異性，其余濃度間均存在顯著差異；相對(duì)電導(dǎo)率呈先下降后上升趨勢(shì)，0%與10%以及20%與30%間無(wú)明顯差異性，前者與后者均存在顯著差異；可溶性蛋白含量呈下降趨勢(shì)，0%與10%間無(wú)明顯差異性，其余濃度間均存在顯著差異。第2層葉片的的脯氨酸含量先是增加后下降，差異性與第1層一樣，區(qū)別在于第1層在30%時(shí)下降，而第2層在20%時(shí)開(kāi)始下降；相對(duì)電導(dǎo)率在20%時(shí)有所增加，且與其余濃度均存在顯著差異；可溶性蛋白含量也呈下降趨勢(shì)，10%與20%間無(wú)明顯差異性，其余濃度間均存在顯著差異。第3層葉片的脯氨酸含量也是先增加后減小，各濃度間均存在顯著差異，相對(duì)電導(dǎo)率呈先下降后上升趨勢(shì)，各濃度間均存在顯著差異，可溶性蛋白含量呈下降趨勢(shì)，20%與30%間無(wú)明顯差異性，其余濃度間均存在顯著差異。說(shuō)明隨著水脅迫的增加，胡楊不同冠層葉片的生理變化存在不同的表現(xiàn)形式。從變異系數(shù)可以看出，脯氨酸含量上第2層變異系數(shù)>第3層變異系數(shù)>第1層變異系數(shù)，相對(duì)電導(dǎo)率上第3層變異系數(shù)>第2層變異系數(shù)>第1層變異系數(shù)，可溶性蛋白含量上第1層變異系數(shù)>第2層變異系數(shù)>第3層變異系數(shù)。說(shuō)明第1層葉片通過(guò)維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性來(lái)增加抗逆性，第2層葉片通過(guò)快速積累脯氨酸含量來(lái)增加抗逆性，第3層葉片通過(guò)維持可溶性蛋白含量的穩(wěn)定性來(lái)增加抗逆性?？梢?jiàn)對(duì)于水脅迫，胡楊不同冠層葉片具有不同的響應(yīng)機(jī)制。

2.3不同冠層葉片的抗逆性評(píng)價(jià)

植物抗逆性由多種因素共同作用，從而構(gòu)成1個(gè)復(fù)雜的綜合性狀。將隸屬函數(shù)評(píng)判法應(yīng)用到胡楊不同冠層葉片抗逆性綜合評(píng)價(jià)中，能克服單個(gè)指標(biāo)的片面性，從而更好地反映胡楊不同葉形葉片的抗逆能力。目前應(yīng)用最普遍的抗逆性綜合評(píng)價(jià)方法是抗逆性隸屬函數(shù)法，這種方法采用 Fuzzy 數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法的方法對(duì)林木各個(gè)抗逆指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加，求取平均數(shù)以評(píng)定抗逆性?？鼓骐`屬函數(shù)值的計(jì)算方法如下：

用于分析的隸屬函數(shù)值[X1， X2]，計(jì)算方程為：

X1=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin） （1）

X2=1-（X-Xmin）/（Xmax-Xmin） （2）

其中，X 為胡楊葉片某一指標(biāo)的測(cè)定值，Xmax為所有葉片測(cè)定該指標(biāo)的最大值，Xmin為所有葉片測(cè)定該指標(biāo)的最小值。若所測(cè)指標(biāo)與抗逆性呈正相關(guān)，則采用（1）式計(jì)算隸屬值，反之用（2）式。

求取各抗逆指標(biāo)隸屬函數(shù)值的平均值。平均值越大，抗逆性越強(qiáng)，如果配合恰當(dāng)?shù)目鼓嬷笜?biāo)，就能較為準(zhǔn)確地評(píng)定樹(shù)種或品種間抗逆性的強(qiáng)弱[13]。

通過(guò)相關(guān)性分析以及隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)不同冠層葉片的綜合抗逆性（表2），可以看出胡楊不同冠層葉片的抗逆性依次為第3層抗逆性>第2層抗逆性>第1層抗逆性。說(shuō)明樹(shù)體上層的葉片抗逆性最高，隨冠層的下降，胡楊葉片抗逆性呈減弱趨勢(shì)。

3結(jié)論與討論

3.1胡楊成熟植株不同冠層葉形態(tài)特征

葉片作為植物的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，也是生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)者的能量轉(zhuǎn)換器。葉片性狀特征又直接影響到植物的基本行為和功能，與植株生物量和植物對(duì)資源的獲得、利用及利用效率的關(guān)系最為密切，能夠反映植物適應(yīng)環(huán)境變化所形成的生存對(duì)策[14-15]。該研究顯示胡楊成熟植株的葉形態(tài)隨著冠層的增加表現(xiàn)為葉形指數(shù)減小，葉面積和葉柄長(zhǎng)增加的趨勢(shì)，這與黃文娟等[5]、馮梅等[16]的研究結(jié)果相似。葉片由狹長(zhǎng)型變?yōu)閷捖研?，可增加葉片的光合作用，增加與大氣之間的溫差，降低葉片溫度，葉柄長(zhǎng)度的增加能調(diào)整葉片的伸展角度，避免陽(yáng)光直射，可使葉片更易搖擺，從而增加葉表面的有效風(fēng)速而降低葉溫，避免大量蒸騰失水[17-18]。結(jié)合前人在葉片結(jié)構(gòu)和光合特性[5，7-10，19-25]上研究表明，胡楊植株一方面通過(guò)增加葉片寬度、角質(zhì)層厚度及細(xì)胞中粘液細(xì)胞數(shù)目等來(lái)提高葉片保水能力，另一方面通過(guò)增加葉面積和形成發(fā)達(dá)柵欄組織的方式提高植物的光合面積，以滿足植株對(duì)養(yǎng)分的需求。這也說(shuō)明胡楊葉形變化的這一生物學(xué)特征是其對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)策略。

3.2胡楊不同葉形葉片對(duì)水脅迫的響應(yīng)

塔里木河下游降水稀少，無(wú)地表徑流，以胡楊等為主體的天然植被主要依賴于地下水和土壤水維系生存，而干旱荒漠區(qū)的胡楊經(jīng)常遭受水脅迫。處于脅迫狀態(tài)，植物正常的生命活動(dòng)就會(huì)受阻，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)上將發(fā)生一系列的改變[26]。

植物遭受脅迫時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理功能均會(huì)發(fā)生變化。內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷和物質(zhì)組分改變，酶活性發(fā)生變化，干旱脅迫較強(qiáng)會(huì)造成作物的各種損傷，體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的氧自由基，從而引起膜質(zhì)的氧化傷害。極度干旱會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)熱變性，加劇膜質(zhì)過(guò)氧化作用。胡楊不同冠層葉片通過(guò)快速積累脯氨酸增加原生質(zhì)水合程度，保護(hù)參與代謝的各種酶蛋白及生物膜的穩(wěn)定性，增強(qiáng)對(duì)干旱的耐受性，減少干旱對(duì)其傷害[27]。該研究采用不同濃度PEG-6000對(duì)胡楊不同冠層葉片進(jìn)行脅迫處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著水脅迫的增加，第1層葉片的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，第2層葉片快速地積累脯氨酸，第3層葉片的可溶性蛋白含量最為穩(wěn)定，這與在高溫脅迫下3種葉片的應(yīng)答方式[28]較為一致。通過(guò)抗逆性評(píng)價(jià)可以看出，第3層葉片抗逆性>第2層葉片抗逆性>第1層葉片抗逆性。說(shuō)明胡楊葉片在遭遇水脅迫時(shí)，3種葉形葉片有不同的應(yīng)答方式，但是在綜合抗逆性上寬卵形葉要高于卵形葉和披針形葉。研究初步顯示胡楊不同葉形葉片對(duì)于干旱環(huán)境存在不同應(yīng)答機(jī)制，均具有一定的耐旱性，但是在綜合抗逆性上寬卵形葉最強(qiáng)，表明胡楊植株上的不同葉形均具有耐旱性，但寬卵形葉越多，胡楊植株的抗逆性越強(qiáng)，對(duì)于干旱環(huán)境的適應(yīng)性越強(qiáng)。

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責(zé)任編輯高菲責(zé)任校對(duì)李巖