干旱脅迫下麗豆抗旱性評估

武紅柱,韓麗君,武玉斌，賈 軍

(1.山西省林業(yè)種苗管理總站,山西 太原 030012；2.山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012；3.山西省太行山國有林管理局，山西 和順 032700)

水資源短缺是一個全球性生態(tài)問題，特別是在干旱半干旱地區(qū)，嚴(yán)重制約著作物生產(chǎn)與植被恢復(fù)。山西省位于黃土高原，屬于典型的半干旱地區(qū)。近年來，山西干旱化日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)靥貏e是困難立地的植被恢復(fù)，如何解決這一問題已成為當(dāng)?shù)亓謽I(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

鄉(xiāng)土植物是經(jīng)過長期的生存競爭和自然選擇，在經(jīng)受當(dāng)?shù)貥O端氣候變化和各種病害、蟲害侵襲等自然逆境后仍能健康生長的植物，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。因此，選擇適宜的鄉(xiāng)土植物對山西省困難立地進(jìn)行植被恢復(fù)是一條行之有效的途徑，不僅可以節(jié)約大量的財力和物力，還能使當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

麗豆為豆科麗豆屬，是典型的山西省鄉(xiāng)土植物，分布于太原、交城、離石等地。由于麗豆野外種群數(shù)量少，呈現(xiàn)極度瀕危之勢，已被建議列為山西省二級瀕危保護(hù)植物。豆麗不僅具有獨(dú)特的觀賞價值和經(jīng)濟(jì)價值，還具有較強(qiáng)的水土保持功能。目前，對麗豆的生物學(xué)特征、遺傳、形態(tài)、種群生態(tài)等方面的研究已經(jīng)開展。但有關(guān)麗豆抗旱性的研究未見相關(guān)報道。因此，筆者通過盆栽試驗，研究麗豆在干旱脅迫下的外部形態(tài)及生理變化，并以另外2種具有較強(qiáng)抗旱能力的山西省鄉(xiāng)土灌木野皂莢(Gleditsiamicrophylla)和連翹(Forsythiasuspensa)為參照，利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法綜合評價它們的抗旱性，揭示麗豆抗旱生理機(jī)制，為麗豆的保護(hù)和開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)置

試驗地點為太原市山西省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)，地理坐標(biāo)37°26′N，111°29′E.試驗灌木均來自于山西省，各灌木特征見表1.

表1 試驗灌木

選擇長勢一致的苗木，于2015年5月初植入高約25 cm，上口徑35 cm，下口徑22 cm的塑料花盆中。栽培基質(zhì)為沙壤土(園土∶細(xì)沙=2∶1)，重量為5 kg.栽植苗木后正常澆水，生長3個月后，于7月29日進(jìn)行水分脅迫處理。每種灌木選取30盆長勢一致的植株置于可移動防雨棚下，1次性澆透水，均澆至盆底托盤中有水滲出，以保證每盆土壤含水量一致。試驗期間不再澆水，使其自然持續(xù)干旱。如遇雨天，將防雨塑料膜拉開遮雨，以避免雨水澆灌中斷自然干旱脅迫。7月30日開始，分別在第0天、7天、14天、21天、28天采集當(dāng)年生新梢部第4片～6片成熟葉片，觀察記錄各樹種的葉片形態(tài)，共采樣5次。采樣完成后將樣品放入冰盒帶回實驗室進(jìn)行生理指標(biāo)測定。

1.2 指標(biāo)測定

葉片含水量采用重量差法進(jìn)行測定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定，脯氨酸采取磺基水楊酸浸提法測定，超氧化物岐化酶活性采取氮藍(lán)四唑(NBT)比色法測定，過氧化物酶活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，葉綠素含量采用浸提法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用因素方差分析法(one-way ANOVA)對不同灌木之間的生理指標(biāo)差異進(jìn)行分析。3種灌木抗旱性采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法評價，具體計算方法如下：

與抗旱性正相關(guān)指標(biāo)：

X(μ)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

與抗旱性負(fù)相關(guān)指標(biāo)：

1-X(μ)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中：X(μ)——i種植物指標(biāo)隸屬函數(shù)值；

Xij——i種植物j指標(biāo)值；

Xmin——j指標(biāo)中最小值；

Xmax——j指標(biāo)中最大值。

計算3種灌木各指標(biāo)下每個脅迫階段測定值的隸屬函數(shù)值，并求出平均值。分別將3種灌木各個生理指標(biāo)求得的隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加，并求得平均值，平均值即為該灌木抗旱性的綜合評估值。

2 結(jié)果

2.1 葉片形態(tài)和含水量變化

在干旱脅迫下，3種灌木葉片表現(xiàn)出不同癥狀，見表2.

表2 葉片形態(tài)變化

在干旱脅迫7 d時，所有灌木沒有出現(xiàn)任何癥狀，均能正常生長。在14 d時，只有連翹出現(xiàn)癥狀。在21 d時，只有野皂莢沒有癥狀。而28 d后，所有灌木均出現(xiàn)癥狀?？梢姡瑥耐獠啃螒B(tài)來看，干旱脅迫對植物的影響，野皂莢較輕，其次是麗豆，連翹最嚴(yán)重。

干旱脅迫對葉片相對含水量的影響，見第3頁圖1.

隨著持續(xù)干旱脅迫，3種灌木葉片相對含水量都呈現(xiàn)下降趨勢，但下降幅度不同。試驗結(jié)束后，麗豆、野皂莢、連翹相對含水量分別下降了19%，31%，33%.可見，麗豆葉片含水量下降最小，說明其保水能力較高，抗旱能力較強(qiáng)。

2.2 葉綠素含量

干旱脅迫對植物葉片葉綠素含量的影響，見第3頁圖2.

圖1 葉片相對含水量的變化

圖2 干旱脅迫對葉綠素含量的影響

隨著干旱脅迫時間的延長，葉綠素含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但上升持續(xù)時間長短不同。野皂莢和連翹的葉綠素含量在第7天已上升到最大值，而麗豆在第21天才達(dá)到最大值。說明麗豆在經(jīng)過較長時間后才受到干旱脅迫的影響。試驗結(jié)束后，麗豆、野皂莢、連翹中葉綠素含量分別下降了25%，10%，80%，說明麗豆、野皂莢在干旱脅迫下葉綠素的降解程度較輕，抗旱性較強(qiáng)。

2.3 丙二醛和脯氨酸含量

干旱脅迫對3種灌木丙二醛含量的影響，見圖3.

由圖3可以看出，3種灌木的丙二醛(MDA)含量均隨著干旱脅迫時間的延長而增加，均在28 d時達(dá)到最高值。方差分析表明，麗豆與野皂莢的MDA含量種間差異性不顯著(P>0.05)，但兩者均顯著低于連翹(P<0.01)。從MDA增幅來看，連翹增幅最大(增加2.1倍)，麗豆(0.50倍)和野皂莢增幅(0.37倍)較小。表明在干旱脅迫下，麗豆、野皂莢的膜系統(tǒng)比較穩(wěn)定，受損較輕。

干旱脅迫對3種灌木脯氨酸含量的影響，見圖4.

由圖4可以看出，3種灌木的脯氨酸(Pro)含量在試驗期間也一直呈現(xiàn)上升趨勢，并在28 d時達(dá)到最大值。然而，不同灌木增幅不同，麗豆、連翹增幅最大(增加2.2倍)，野皂莢增幅最小(1.6倍)。表明在干旱脅迫下，野皂莢滲透調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，抗旱性更強(qiáng)。

圖3 干旱脅迫對丙二醛含量的影響

圖4 干旱脅迫對脯氨酸含量的影響

2.4 抗氧化酶活性

3種灌木在干旱脅迫下葉片抗氧化酶活性的變化，見圖5和圖6.

圖5 干旱脅迫對葉片超氧化物歧化酶的影響

圖6 干旱脅迫對葉片過氧化物酶的影響

總體上，2種抗氧化酶在3種灌木中均呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，但不同的樹種變化不一樣。對于超氧化物歧化酶(SOD)，野皂莢在7 d時達(dá)到最大值，而麗豆與連翹在14 d時達(dá)到最大值。試驗結(jié)束后，麗豆、野皂莢、連翹的SOD活性分別增加了1.9倍、1.7倍、0.5倍。對于過氧化物酶(POD)，麗豆和連翹都在14 d時達(dá)到最大值，野皂莢在21 d時達(dá)到最大值。試驗結(jié)束后，麗豆、野皂莢、連翹的POD活性分別增加了1倍、1.8倍、0.6倍?？梢?，從抗氧化酶角度來看，野皂莢抗旱能力更強(qiáng)。

2.5 抗旱性綜合評價

選取相對含水量、MDA，Pro，SOD，POD和葉綠素等6項生理指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法對麗豆、野皂莢、連翹3種灌木的抗旱性進(jìn)行評價，見表3.

結(jié)果表明，3種灌木中，抗旱性最強(qiáng)的是野皂莢，

表3 抗旱性綜合評估

其次是麗豆，最低的是連翹。可見，麗豆抗旱性較強(qiáng)，可以作為優(yōu)良鄉(xiāng)土抗旱樹種用于山西省的植被恢復(fù)。

3 結(jié)論與討論

在干旱條件下，植物代謝平衡失調(diào)，生長受到抑制，導(dǎo)致植物體外部形態(tài)和內(nèi)部生理都發(fā)生顯著變化。在本研究中，隨著干旱的持續(xù)，3種灌木的葉片都表現(xiàn)出不同的癥狀。這些癥狀是植物對干旱的一種應(yīng)對策略。蒸騰作用會導(dǎo)致植物體水分喪失，而蒸騰作用又與葉面積相關(guān)。葉片面積大，水分喪失快。本研究中，在干旱脅迫下，植物葉片發(fā)生卷曲甚至干癟，減少了葉面積，有效地減少水分的蒸騰。從表1可以看出，連翹在干旱脅迫的第14 d就開始出現(xiàn)癥狀，而麗豆和野皂莢分別在21 d和28 d才出現(xiàn)癥狀，這表明麗豆具有較強(qiáng)的抗旱能力。

在干旱脅迫下，植物體的相對含水量明顯降低。在本研究中，麗豆、野皂莢、連翹相對含水量在干旱脅迫下均有不同程度的下降，但麗豆下降最小，說明其具有較高的保水能力，也進(jìn)一步證明其具有較強(qiáng)的抗旱能力。

葉綠素是植物葉綠體內(nèi)參與光合作用的重要色素，是光合色素的主要成分。相關(guān)研究表明，干旱脅迫下，植物組織細(xì)胞葉綠素的合成通常會受到抑制，已經(jīng)合成的葉綠素會被加速分解，導(dǎo)致葉綠素含量下降，從而影響植物的光合作用。在本研究中，3種灌木在干旱脅迫下，隨著脅迫時間的延長，葉綠素含量均呈先上升后下降的趨勢。這表明在較輕干旱脅迫下，3種灌木葉綠素的合成不受影響，均能正常合成葉綠素，因而表現(xiàn)為上升的趨勢。而在干旱脅迫后期，3種灌木的葉綠素都開始下降，說明葉綠素的合成開始受到抑制，但麗豆和野皂莢葉綠素合成受抑制的時間較連翹晚。試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，麗豆的葉綠素含量降幅最低，說其在干旱脅迫時葉綠素的降解程度較輕。由此可見，麗豆具有較強(qiáng)的抗旱能力。

通常，在干旱脅迫下，植物葉片細(xì)胞膜透性和MDA含量增加，同時植物體會通過積累一些可溶性糖、脯氨酸等可溶性物質(zhì)來進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)。本研究證明了這一點，隨著干旱脅迫時間的延長，3種灌木的MDA和脯氨酸含量逐漸增加，在試驗結(jié)束時達(dá)到最高。MDA是植物組織細(xì)胞膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一。這些膜脂過氧化物具有毒性，會導(dǎo)致膜脂過氧化水平提高，膜脂成分改變和膜的透性增加。而脯氨酸可以通過滲透調(diào)節(jié)維持細(xì)胞膨壓，減少逆境對植物造成的傷害。因此，MDA和脯氨酸的含量都與植物抗旱性密切相關(guān)。抗旱性強(qiáng)的品種MDA和脯氨酸含量的增幅相對較小。在本研究中，麗豆的MDA增幅最小，但它的脯氨酸增幅最大。從MDA和脯氨酸很難判定麗豆的抗旱性。然而，相關(guān)研究表明，盡管MDA和可溶性蛋白都可以反映干旱脅迫對植物所造成的膜脂過氧化損傷程度,但MDA含量仍被作為膜脂過氧化最重要的指標(biāo)之一,表示細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應(yīng)的強(qiáng)弱?；谶@一點，麗豆的抗旱能力在3種灌木中最高。

植物的抗旱性是受多種因素影響，單從一個抗旱指標(biāo)難以客觀、準(zhǔn)確地反映植物的抗旱性，只有采用多指標(biāo)的綜合評價，才能比較客觀地反映植物的抗旱性。從上述分析可以看出，不同的指標(biāo)得出的抗旱性結(jié)論不同。隸屬函數(shù)法是一種綜合評價方法，它提供了一條在多指標(biāo)測定基礎(chǔ)上對特性進(jìn)行綜合評價的途徑，已被運(yùn)用于多種植物的抗旱性研究中。在本研究中，綜合評價結(jié)果顯示麗豆的抗旱性低于野皂莢，高于連翹。野皂莢和連翹是已被公認(rèn)的具有較強(qiáng)抗旱能力的灌木，而麗豆的抗旱能力在兩者之間，表明麗豆也具有較強(qiáng)的抗旱能力。而且麗豆與野皂莢、連翹均為山西省鄉(xiāng)土灌木，因此，麗豆可以作為山西省植被恢復(fù)的優(yōu)先灌木種。