郭愛(ài)霞, 石曉昀, 王延秀, 胡 亞, 朱燕芳
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
蘋(píng)果(Maluspumila)是我國(guó)重點(diǎn)果產(chǎn)區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)[1-2],而西北黃土高原因具備適于蘋(píng)果生產(chǎn)的自然條件而成為我國(guó)蘋(píng)果的最優(yōu)生態(tài)區(qū),栽培面積占全國(guó)蘋(píng)果總種植面積的44%,產(chǎn)量占全國(guó)蘋(píng)果總產(chǎn)量的49%[3],但黃土高原多為干旱或半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),水分虧缺成為制約植物生長(zhǎng)的主要因素[4],而且果樹(shù)對(duì)干旱脅迫反應(yīng)敏感。水分脅迫下,果樹(shù)對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收減少,正常的生理活動(dòng),如光合代謝等受到干擾,體內(nèi)有機(jī)物的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)受滯,進(jìn)而嚴(yán)重影響樹(shù)體的生長(zhǎng)發(fā)育和果實(shí)的產(chǎn)量品質(zhì)[5-6]。因此,在水分供應(yīng)不足的地區(qū),篩選并應(yīng)用抗旱性較強(qiáng)的砧木對(duì)果樹(shù)的節(jié)水、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)具有重要意義[7-8]。
前人已經(jīng)探討了不同植物對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)機(jī)制,主要集中于生理生化、形態(tài)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)的差異。干旱脅迫下植物的生理功能發(fā)生顯著變化,高杰等[9]對(duì)玉米的研究結(jié)果表明,干旱脅迫下玉米干物質(zhì)積累量、葉面積、株高顯著下降,光系統(tǒng)Ⅱ和抗氧化酶系統(tǒng)損傷,光合速率下降。季楊等[10]針對(duì)干旱脅迫對(duì)鴨茅根及葉的保護(hù)酶活性、滲透物質(zhì)含量及膜脂過(guò)氧化作用的研究表明干旱脅迫誘導(dǎo)2種基因型的鴨茅根系及葉片細(xì)胞產(chǎn)生活性氧,發(fā)生氧化反應(yīng),破壞細(xì)胞膜而降低酶活性。李澤對(duì)油桐的研究表明干旱下,SPAD、Pn、Gs、Tr、Fv/Fm及qP值降低[11]。植物細(xì)胞中的葉綠體對(duì)逆境脅迫比較敏感,干旱脅迫下葉綠體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和大小數(shù)目均會(huì)發(fā)生變化,Zhang等[12]對(duì)甘蔗做了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離,葉綠體由長(zhǎng)橢圓變?yōu)榻鼒A形,并向細(xì)胞中心靠近,淀粉粒變小消失。徐萍等[13]研究了干旱脅迫對(duì)銀沙槐幼苗葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明干旱脅迫下銀沙槐細(xì)胞的葉綠體變形,外被膜波浪狀、斷裂不完整;基粒和基質(zhì)類(lèi)囊體膜結(jié)構(gòu)模糊,基粒彎曲膨脹。Rampino[14]研究了普通小麥和山羊草在分子水平上響應(yīng)干旱脅迫的差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)RT-PCR分析的DHN基因在供水充足的小麥中不表達(dá),而在受脅迫的植物中表達(dá)。Yoshimura利用差異蛋白質(zhì)組學(xué)研究認(rèn)為,旱生植物野生西瓜在脅迫過(guò)程中由避旱性轉(zhuǎn)變?yōu)槟秃敌?,通過(guò)時(shí)間程序化的方式調(diào)節(jié)它的根蛋白質(zhì)組[15]。
目前對(duì)蘋(píng)果屬植物的耐旱性研究較多[16-17],但多數(shù)僅從生理特性或解剖結(jié)構(gòu)單方面進(jìn)行抗性比較,而結(jié)合PSII光合系統(tǒng)、抗氧化系統(tǒng)和葉綠體超微結(jié)構(gòu)的變化來(lái)綜合評(píng)價(jià)蘋(píng)果砧木抗旱性的研究未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以新疆野蘋(píng)果(MalussieversiiRoem.(XJ))、垂絲海棠(MalushallianaKoehne(CS))及山定子(MalusbaccataBorkh.(SDZ))為研究對(duì)象,初步探討了這三種蘋(píng)果砧木的干旱適應(yīng)機(jī)制,運(yùn)用相關(guān)性分析和主成分分析法綜合評(píng)價(jià)它們的抗旱性,旨在為蘋(píng)果抗旱砧木的選育提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2016年4—6月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院避雨棚進(jìn)行。選取生長(zhǎng)一致的新疆野蘋(píng)果(XJ)、垂絲海棠(CS)及山定子(SDZ)一年生幼苗,移入盛裝基質(zhì)(20%蛭石,20%珍珠巖,60%泥炭)重量為0.65 kg的花盆(內(nèi)徑10 cm,深18 cm)中,每盆1株,統(tǒng)一管理30 d后,進(jìn)行盆栽控水脅迫,分為正常供水(土壤含水量為田間持水量的75%~80%)和干旱脅迫(土壤含水量為田間持水量的45%~50%)兩個(gè)處理,每個(gè)處理30盆幼苗。采用持續(xù)稱重法控制土壤含水量,每隔3 d傍晚稱重并補(bǔ)充水分。當(dāng)最大田間持水量為100%時(shí),土壤凈含水量為48%。試驗(yàn)所設(shè)處理分別為新疆野蘋(píng)果正常供水(XJ75)及干旱脅迫(XJ50)苗木、垂絲海棠正常供水(CS75)及干旱脅迫(CS50)苗木、山定子正常供水(SDZ75)及干旱脅迫(SDZ50)苗木,從脅迫前1天(記為第0天)開(kāi)始,每隔7 d測(cè)定一次各項(xiàng)指標(biāo),重復(fù)5次。
1.2.1 光合參數(shù)的測(cè)定 從脅迫處理0 d開(kāi)始,每隔7 d上午9∶00選取生長(zhǎng)一致的幼苗相同節(jié)位的葉片,將各項(xiàng)指標(biāo)逐一測(cè)定,重復(fù)5次。用Li-6400光合儀(LI-COR公司,美國(guó))測(cè)定第8片真葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。設(shè)定CO2濃度為400 μmol·mol-1,環(huán)境溫度25℃,光強(qiáng)為800 μmol·m-2·s-1。
1.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 在暗適應(yīng)后,設(shè)置測(cè)量光飽和閃光后夾好葉片,用Li-6400光合儀(LI-COR公司,美國(guó))測(cè)定熒光參數(shù),等待dF/dt絕對(duì)值<5時(shí)記錄數(shù)據(jù),計(jì)算PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSII潛在光化學(xué)活性(Fv/Fo)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等光合熒光參數(shù),重復(fù)測(cè)定5次。
1.2.3 透射電鏡切片的制備 干旱脅迫28 d后,取對(duì)照及處理植株新梢頂端(形態(tài)學(xué)頂端)完全展開(kāi)的第4片幼葉,用去離子水沖洗干凈后,將葉片剪成1 mm×1 mm的組織塊,立即投入用0.1 mol·L-1磷酸緩沖液(PBS,pH7.4)配制的3%戊二醛中抽氣5~8 min,組織塊下沉后,用PBS配制的3%戊二醛于4℃下固定12 h,PBS沖洗3次,每次15 min;用PBS配制的1%鋨酸在4℃下固定2 h,用PBS沖洗3次,每次15 min;乙醇梯度脫水,依次用50%、70%、80%、90%、100%的乙醇浸泡,每梯度脫水15 min,再用純丙酮脫水2次,每次15 min;脫水后進(jìn)行滲透與包埋,100%丙酮∶包埋劑=1∶1,滲透5 h,然后換成純包埋劑包埋16 h(包埋劑由9.12 mL環(huán)氧樹(shù)脂Epon812+4.7 mL 軟化劑MNA+6.15 mL硬化劑DDSA+0.3 mL催化劑DMP-30 配制而成),最后在36℃下聚合12 h,72℃下聚合48 h。
用LEICA EM UC6 Miultracut超薄切片機(jī)(Leica Microsystems GmbH,Wetzlar,Germany)切出厚度約為70 nm的超薄切片,用醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛雙重染色后,用TECNAI G2(TF20)型透射電鏡(FEI,USA)對(duì)葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè),超薄切片每種植物每個(gè)處理觀察20個(gè)視野并照相。
1.2.4 抗氧化酶活性的測(cè)定 使用高錳酸鉀滴定法[18]測(cè)定過(guò)氧化氫酶(CAT)活性;NBT光還原法[19]測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性;愈創(chuàng)木酚法[20]測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)活性。
用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理,使用軟件origin 9.0作圖,采用R語(yǔ)言軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,采用SPSS 22.0進(jìn)行主成分分析。
如圖1A所示,與正常供水處理相比,干旱脅迫下, 3種蘋(píng)果砧木的凈光合速率(Pn)降低,隨著脅迫時(shí)間的持續(xù),XJ、CS和SDZ的Pn均呈下降趨勢(shì),脅迫28 d后,它們的Pn分別降低了35.20%、12.75%、43.13%,表明CS的Pn受干旱脅迫的影響較小。3種蘋(píng)果砧木的氣孔導(dǎo)度(Gs)變化趨勢(shì)基本與Pn的變化趨勢(shì)相似(圖1B),干旱脅迫下XJ、CS和SDZ的Gs顯著下降,隨著脅迫時(shí)間的持續(xù),CS的氣孔導(dǎo)度下降了7.10%,降幅小于XJ和SDZ。 干旱脅迫下,3種蘋(píng)果砧木的Tr均顯著降低(圖1C),脅迫處理28 d后,XJ、CS和SDZ的Tr降幅分別為:29.40%、16.58%、35.94%,CS的降幅小于XJ和SDZ,說(shuō)明CS受干旱脅迫的影響程度要小于XJ和SDZ。如圖1D,相比正常供水處理,干旱脅迫下胞間CO2濃度(Ci)的變化趨勢(shì)與前3個(gè)光合參數(shù)變化趨勢(shì)相反,隨著干旱脅迫的持續(xù),XJ、CS和SDZ的Ci均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其中CS的增幅較大。
從圖2A可知,干旱脅迫期間,XJ、CS和SDZ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)與對(duì)照相比均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),降幅分別為:13.32%、7.04%、14.23%,其中CS的降幅低于XJ和SDZ。XJ、CS和SDZ潛在光化學(xué)活性(Fv/Fo)的變化趨勢(shì)與Fv/Fm相似(圖2B),干旱脅迫顯著降低了3種蘋(píng)果砧木的Fv/Fo,脅迫處理28 d后,CS的降幅較XJ和SDZ小。如圖2C所示,隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),3種蘋(píng)果砧木的光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)均呈下降趨勢(shì),XJ的qP下降了18.17%,CS和SDZ的qP分別下降了5.96%和22.01%,CS的降低程度明顯低于XJ和SDZ。隨著干旱脅迫的持續(xù),3種砧木葉片的非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)均呈上升趨勢(shì)(圖2D),在脅迫28 d后,增幅分別為12.78%、20.74%、7.37%,CS的NPQ增幅較XJ和SDZ的大。
正常供水條件下,3種砧木的葉肉細(xì)胞具有清晰、光滑、連續(xù)的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁,葉綠體均為橢圓形,并緊貼細(xì)胞壁分布,每個(gè)葉綠體中具有1~2個(gè)淀粉顆粒,葉肉細(xì)胞內(nèi)有一個(gè)大的液泡(圖3A、C、E);核仁和染色質(zhì)在核基質(zhì)中分散(圖3A);基質(zhì)中含有線粒體和許多質(zhì)體小球及較大淀粉粒的組織良好的葉綠體(圖3A、C)。干旱脅迫下,3種砧木葉肉細(xì)胞表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)變化,出現(xiàn)明顯的質(zhì)壁分離現(xiàn)象,淀粉??s小甚至消失(圖3B、F);染色質(zhì)和核仁縮合甚至消失(圖3B);葉綠體腫脹,但淀粉顆粒和線粒體基本無(wú)變化(圖3D);葉綠體發(fā)生變形和空泡化,線粒體和質(zhì)體小球消失(圖3F)。3種砧木的葉綠體超微結(jié)構(gòu)受到不同程度的傷害,但相比其他兩種砧木,CS的葉片超微結(jié)構(gòu)損傷較小,能較好地保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性。
注:XJ75-新疆野蘋(píng)果正常供水;CS75-垂絲海棠正常供水;SDZ75-山定子正常供水;XJ50-新疆野蘋(píng)果干旱脅迫;CS50-垂絲海棠干旱脅迫;SDZ50-山定子干旱脅迫。下同。Note: XJ75 represents adequate water supply condition of Malus sieversii Roem; CS75 represents adequate water supply condition of Malus halliana Koehne; SDZ75 represents adequate water supply condition of Malus baccata Borkh; XJ50 represents drought stress of Malus sieversii Roem; CS50 represents drought stress of Malus halliana Koehne; SDZ50 represents drought stress of Malus baccata Borkh. The same below.圖1 干旱脅迫對(duì)3種蘋(píng)果砧木葉片光合特性的影響Fig.1 Effects of drought stress on photosynthetic characteristics of leaves of three apple rootstocks
圖2 干旱脅迫對(duì)3種蘋(píng)果砧木葉片熒光特性的影響Fig.2 Effects of drought stress on fluorescence characteristics of leaves of three apple rootstocks
注:A、C、E為正常供水條件下的XJ、CS、SDZ,B、D、 F為水分脅迫下的XJ、CS、SDZ。CW:細(xì)胞壁;Ch:葉綠體;Sg:淀粉顆粒;Chr:染色質(zhì);Pg:質(zhì)體小球;Nu:核仁;M:線粒體;V:液泡;Vs:基質(zhì)片層囊泡化。Note:A, C, and E denote XJ, CS, and SDZ under control conditions, respectively. B, D, and F denote XJ, CS, and SDZ under drought conditions, respectively. CW: cell wall; Ch: chloroplast; Sg: starch grain; Chr: chromatin; Pg: plastoglobule; Nu: nucleolus; M: mitochondrion; V: vacuole; Vs: vesiculation of stroma lamellae.圖3 干旱脅迫對(duì)3種蘋(píng)果砧木葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effects of drought stress on chloroplast ultrastructure of leaves of three apple rootstocks
2.4.2 干旱脅迫對(duì)3種蘋(píng)果砧木葉片抗氧化酶活性的影響 干旱脅迫下,CS、XJ以及SDZ的SOD和CAT活性均呈先上升后下降的變化趨勢(shì)(圖5A和圖5C),脅迫處理14 d時(shí),它們的SOD和CAT活性均達(dá)到最大值,整體呈升高趨勢(shì);從圖5B可知,脅迫處理前21 d,3種砧木的POD活性呈現(xiàn)升高趨勢(shì),21 d之后趨于平穩(wěn)??傮w來(lái)講,CS的SOD、POD和CAT活性增幅高于XJ和SDZ。
圖4 干旱脅迫對(duì)3種蘋(píng)果砧木葉片MDA含量和產(chǎn)生速率的影響Fig.4 Effects of drought stress on MDA content and production rate of leaves of three apple rootstocks
圖5 干旱脅迫對(duì)3種蘋(píng)果砧木葉片抗氧化酶活性的影響Fig.5 Effects of drought stress on activities of three kinds of antioxidant enzymes of leaves of three apple rootstocks
干旱脅迫期間,植株的正常光合作用受到氣孔和非氣孔限制因素的影響,F(xiàn)arquhar 和Sharkey[21]研究發(fā)現(xiàn),引起光合速率降低的氣孔或非氣孔限制因素可以根據(jù)Ci的變化方向來(lái)判斷,當(dāng)光合作用和Ci均降低時(shí),光合作用受到了氣孔限制因素的影響,相反,Ci升高則光合作用受到非氣孔限制的影響。也有研究[22]表明水分脅迫下蘋(píng)果幼苗葉片的Pn、Gs和Ci均顯著降低。本研究中,3種蘋(píng)果砧木的Pn、Gs和Tr隨著干旱脅迫的持續(xù)均呈下降趨勢(shì),而Ci則呈現(xiàn)升高趨勢(shì),所以干旱脅迫下造成蘋(píng)果葉片光合作用下降的因素是非氣孔限制,而非氣孔限制因素是由于光合細(xì)胞機(jī)構(gòu)和功能受到了損傷導(dǎo)致的。一年生的3種砧木幼苗,可能是由于長(zhǎng)期培養(yǎng)于避雨棚中,受光條件較弱,蘋(píng)果葉片質(zhì)地較薄,因此Pn值均偏小。而CS在干旱脅迫期間,Pn、Gs、Tr和Ci的變化幅度顯著低于XJ與SDZ,可能是由于其葉片利用熒光或熱能耗散的形式,阻止過(guò)多光能向PSII光系統(tǒng)中心傳遞,以保護(hù)光合作用機(jī)構(gòu)免于強(qiáng)光破壞,有利于光合作用正常進(jìn)行,這與Singh的研究結(jié)果相類(lèi)似[23]。
注:圖中黑色圓圈表示兩者呈正相關(guān),白色圓圈表示兩者呈負(fù)相關(guān),圓圈越大,相關(guān)性越高。Note: The black circles in the figure indicate a positive correlation between the two indices, the white circle indicate a negative correlation between the two indices. The larger the circles, the higher the correlation.圖6 3種蘋(píng)果砧木葉片各生理指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Fig.6 The correlation coefficient between the physiological indexes of leaves of the three apple rootstocks
項(xiàng)目Item第一主成分PC1The first principalcomponent第二主成分PC2The second principalcomponent特征根Eigenvalue9.2023.603方差貢獻(xiàn)率/%Variance contribution rate70.78527.718累積方差貢獻(xiàn)率/%Cumulative contribution rate98.502
表2 各主成分的特征向量
表3 各主成分得分及綜合得分
葉綠素?zé)晒鈪?shù)是干旱脅迫期間量化植物水分狀況的一種工具,能夠快速、準(zhǔn)確、無(wú)傷害地反映干旱脅迫對(duì)光合作用產(chǎn)生的影響[24]。Fv/Fm和Fv/Fo是反映PSII反應(yīng)中心光合潛能的重要參數(shù);qP反映PSII天線色素捕獲的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額,其下降幅度越小,表明越抗旱;NPQ反映PSII天線色素吸收的光能以熱的形式耗散掉的部分,較高的NPQ有利于過(guò)剩光能的及時(shí)耗散,從而避免光系統(tǒng)的損害[25]。干旱脅迫下,PSII光系統(tǒng)通過(guò)提高非輻射性熱耗散,消耗PSII吸收的過(guò)剩光能,從而保護(hù)PSII反應(yīng)中心免受因吸收過(guò)多光能而造成的光氧化傷害[26]。從本研究結(jié)果可知,隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),XJ、CS和SDZ的Fv/Fm、Fv/Fo和qP均降低,NPQ上升,表明干旱脅迫導(dǎo)致三種砧木光合電子傳遞受阻,類(lèi)囊體膜受到損傷引起光合速率下降,與其它兩種砧木相比,CS的Fv/Fm、Fv/Fo和qP降幅較低,NPQ的上升程度較高,表明干旱脅迫下CS具有較強(qiáng)的熱耗散和電子傳遞能力,PSII中心光能轉(zhuǎn)化效率較高,具有較高的光能利用率,對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力強(qiáng),這與牛鐵泉[22]等的研究結(jié)果相一致。
正常供水條件下,葉肉細(xì)胞中的葉綠體都緊貼于細(xì)胞壁,這種分布方式有利于大氣中的CO2向葉綠體中擴(kuò)散,促進(jìn)光合作用[27]。干旱脅迫下,細(xì)胞液泡收縮,核染色質(zhì)凝聚,細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離,葉綠體膜結(jié)構(gòu)被破壞,淀粉粒變小消失,葉綠體彎曲膨脹,基粒類(lèi)囊體空泡化[17]。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),與XJ和SDZ相比,干旱脅迫期間CS的葉綠體受傷害程度較輕。葉綠體是生成活性氧(ROS)的主要來(lái)源,所以易受氧化損傷的影響,對(duì)干旱脅迫反應(yīng)較敏感,而超微結(jié)構(gòu)的損傷程度間接取決于調(diào)節(jié)ROS水平的抗氧化酶濃度的變化,由于CS的SOD、POD和CAT水平高于XJ和SDZ,干旱脅迫期間酶活性降幅也較低,所以CS的膜脂過(guò)氧化程度較低,葉綠體細(xì)胞膜受損較輕,與前人研究一致[17]。
主成分分析(PCA)方法將原來(lái)眾多具有一定相關(guān)性的多個(gè)指標(biāo)重新組合成一組新的互相無(wú)關(guān)的綜合指標(biāo),消除了數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性[34],操作簡(jiǎn)單,沒(méi)有參數(shù)限制,可應(yīng)用于多方面研究[35]。為了全面綜合地比較干旱脅迫下3種蘋(píng)果砧木的抗旱性,本試驗(yàn)采用PCA對(duì)3種砧木的所測(cè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)排序,將原來(lái)的13個(gè)指標(biāo)簡(jiǎn)化為2個(gè)主成分,對(duì)這2個(gè)主成分的載荷進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下CS的PCA得分高于XJ和SDZ,說(shuō)明CS的抗旱性較強(qiáng)。
對(duì)干旱地區(qū)常用蘋(píng)果砧木新疆野蘋(píng)果、垂絲海棠和山定子進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),垂絲海棠能在干旱脅迫下保持葉綠體結(jié)構(gòu)的完整性,激活抗氧化酶系統(tǒng),清除氧化產(chǎn)物而保持較高的光合能力。根據(jù)PCA綜合分析得出,垂絲海棠的抗旱性強(qiáng)于新疆野蘋(píng)果和山定子。