干旱脅迫下澳洲茶樹生理活性及內(nèi)源激素動態(tài)變化研究

陳博雯　覃子?！垷睢⌒び穹啤垥詫帯⒑｝?/p>

摘要：本研究采用自然干旱法對澳洲茶樹進(jìn)行干旱脅迫，研究其在干旱條件下的生理活性和內(nèi)源激素動態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果顯示，干旱脅迫下，澳洲茶樹葉綠素含量大幅降低，丙二醛含量大幅升高，均在8 d時達(dá)到最大變幅;內(nèi)源激素ABA在脅迫2 d 后含量升高;ZR、GA3、IAA則整體呈下降趨勢。本研究結(jié)果可為深入了解澳洲茶樹干旱條件下的應(yīng)答機(jī)制和生產(chǎn)中的合理用水提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：澳洲茶樹;干旱脅迫;內(nèi)源激素;葉綠素;丙二醛

中圖分類號：S571.101文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2019）10-0055-05

Dynamic Changes of Physiological Activities and Endogenous

Hormones in Melaleuca alternifolia under Drought Stress

Chen Bowen， Qin Zihai， Zhang Ye， Xiao Yufei， Zhang Xiaoning， Liu Hailong

（Guangxi Forestry Science Research Institute/ Key Laboratory of Central South Fast-Growing Timber? Cultivation

of Forestry Ministry of China/ Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Tree Resources Cultivation， Nanning 530002， China）

Abstract In this study， the natural drought method was used to study the dynamic changes of physiological activities and endogenous hormones of Melaleuca alternifolia under drought stress. The results showed that under drought stress， the chlorophyll content decreased obviously and malondialdehyde content increased obviously， which both reached the maximum change on the 8th day. About the endogenous hormones， ABA content increased after stress for 2 days， and ZR， GA3 and IAA showed a downward trend. Through the results of this study， the response mechanism of Melaleuca alternifolia under drought conditions was further understood， and the theoretical basis was provided for rational water use in planting production.

Keywords Melaleuca alternifolia; Drought stress; Endogenous hormones; Chlorophyll; Malondialdehyde

澳洲茶樹（Melaleuca alternifolia）又名互葉白千層，原產(chǎn)于澳大利亞新南威爾士州沿海地帶[1]，20世紀(jì)90年代初引種到我國[2]，其枝葉提取的精油俗稱茶樹油，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值[3]。

廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)過多年選育研究，獲得了4-松油醇型澳洲茶樹優(yōu)良品種，并研發(fā)出組培苗培育系列技術(shù)。培育的4-松油醇型澳洲茶樹組培苗苗木已在廣東、廣西、福建、云南、貴州、四川等多地推廣種植。目前澳洲茶樹尚未建立專門、系統(tǒng)的種植模式，大多只是簡單沿用其他林木種植技術(shù)。由于該茶樹具有自身萌芽力強(qiáng)、生長快等特點(diǎn)，種之可獲得較好的經(jīng)濟(jì)收益。但若想更好地體現(xiàn)澳洲茶樹的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，需對其需水、需肥以及萌發(fā)生長規(guī)律進(jìn)行科學(xué)細(xì)致研究，提出一套合理高效的短周期工業(yè)原料林經(jīng)營模式，以極大地推進(jìn)澳洲茶樹種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

目前，廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)生物技術(shù)研究所張燁、劉海龍等[4-7]已經(jīng)對澳洲茶樹的需肥規(guī)律進(jìn)行充分研究，研發(fā)了澳洲茶樹不同階段專用肥。本研究擬對澳洲茶樹在干旱條件下的生理活性和內(nèi)源激素動態(tài)變化規(guī)律展開研究，旨在闡明澳洲茶樹在干旱脅迫下的生理應(yīng)答機(jī)制，為其生產(chǎn)上的合理用水提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試植物為廣西林業(yè)科學(xué)研究院培育的4-松油醇型澳洲茶樹組培1年生苗，栽植在直徑40 cm的植樹袋內(nèi)，基質(zhì)為紅心土。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 葉片解剖結(jié)構(gòu)觀測 選擇完整葉片，清水洗掉表面塵土，于FAA固定液中固定48 h。采用常規(guī)方法[8]制成石蠟切片并進(jìn)行番紅—固綠染色，置于LEICA DM2500型數(shù)碼生物顯微鏡下觀察拍照。

1.2.2 干旱脅迫 選擇健壯、長勢旺盛的苗木移入具有遮雨頂棚的育苗大棚，置于10 cm高的塑料網(wǎng)架上，正常淋水一周后開始干旱脅迫處理。處理當(dāng)天正常淋水，之后停止淋水讓植株自然干旱，隔天（0、2、4、6 d等）取樣進(jìn)行參試指標(biāo)檢測，重復(fù)3次。直至植株無法維持生長，結(jié)束試驗(yàn)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

土壤含水率：采集10～15 cm土層土壤用于檢測，重復(fù)3次。土壤重量記為M1，后置于90℃烘箱中烘干至恒重，稱重記為M2。土壤含水率（%）=（M1-M2）/M1×100。

葉綠素含量：選擇健康葉片采用SPAD502 Plus葉綠素測量儀檢測，每株分別在上、中、下層選擇東、南、西、北4個方向的葉片檢測后計算平均值，重復(fù)3次。

丙二醛含量：選擇健康葉片采用南京建成生物工程研究所提供的丙二醛測試盒按照說明書方法進(jìn)行檢測，重復(fù)3次。

內(nèi)源激素含量：選擇健康葉片對ZR、GA3、IAA、ABA激素含量進(jìn)行檢測，采用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)化控室提供的植物激素酶聯(lián)免疫分析試劑盒按照說明書操作，重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 澳洲茶樹葉片結(jié)構(gòu)分析

葉片解剖結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果（圖1）顯示，表皮外并沒有蠟質(zhì)和多層厚壁細(xì)胞構(gòu)成的下表皮，葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)由大量薄壁細(xì)胞組成，未分化出明顯的柵欄組織和海綿組織。

2.2 干旱脅迫對土壤含水率、茶樹葉綠素和丙二醛含量的影響

植株葉綠素含量與土壤含水率檢測結(jié)果（圖2、圖3）表明，干旱脅迫6 d時，土壤含水率從43.40%（0 d）急劇降低至23.45%，此后基本維持不變;植株葉綠素急劇降低41.84%，說明土壤的干旱程度已對植株生長活性產(chǎn)生一定影響。干旱脅迫8 d時，植株葉片已經(jīng)檢測不到葉綠素活性，植物的生長基本終止。干旱脅迫14 d時，土壤含水率降至最低水平。說明澳洲茶樹在極端干旱環(huán)境中超過2 d就很難維持生長。

由圖4可以看出，隨著干旱脅迫的進(jìn)行，丙二醛含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，即脅迫8 d 時達(dá)到最高值，而后急劇降低。

2.3 干旱脅迫過程中澳洲茶樹內(nèi)源激素含量的動態(tài)變化

澳洲茶樹葉片中ZR、GA3含量均在干旱脅迫處理后整體呈下降趨勢，其中ZR在脅迫處理12 d時下降15.93%，GA3下降15.03%（圖5、圖6）。

由圖7可以看出，隨干旱脅迫時間的延長，葉片中IAA含量整體呈下降趨勢，降幅為13.0%。第一次大幅下降出現(xiàn)在0～2 d，這可能與葉綠素含量降低影響植物生長有關(guān);第二次劇降出現(xiàn)在脅迫后12～14 d，此時植株可能生長終止。

干旱脅迫下，澳洲茶樹的ABA含量整體呈先下降后上升再下降的趨勢。處理2 d時，植株生長受到水分不足的影響，代謝緩慢，但ABA應(yīng)答機(jī)制似乎并未啟動，ABA含量降低11.72%;干旱脅迫4 d后，ABA水平逐漸升高，最高值出現(xiàn)在8 d，此時ABA含量較第2 d升高27.38%（圖8）。

3 討論與結(jié)論

耐旱能力較強(qiáng)植物的葉片解剖結(jié)構(gòu)通常具有一定共性，體現(xiàn)了對干旱生境的適應(yīng)[9]。以針葉植物為例，葉片大多小且厚;葉片表皮由一層細(xì)胞腔狹小的厚壁細(xì)胞構(gòu)成，且細(xì)胞壁強(qiáng)烈木質(zhì)化，外被發(fā)達(dá)的角質(zhì)層;葉肉也會分化為柵欄組織和海綿組織或葉肉細(xì)胞內(nèi)褶[10]。故從本研究中葉片結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果分析，澳洲茶樹對干旱環(huán)境的適應(yīng)能力可能弱于針葉植物。

在干旱條件下，水分虧缺導(dǎo)致活性氧自由基產(chǎn)生過多，抗氧化防御系統(tǒng)作用減弱，體內(nèi)自由基不能被完全清除而累積，往往發(fā)生膜脂過氧化作用。丙二醛是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量的高低可以反映植物膜傷害的程度[11，12]。本研究中，干旱脅迫初期，由于脅迫時間的延長，致使細(xì)胞膜完整性受到不同程度的破壞，從而導(dǎo)致丙二醛含量積累;而8 d后植株已瀕臨死亡，葉片中部分細(xì)胞已凋亡并開始降解，這可能是脅迫后期丙二醛含量大幅降低的原因。

ZR和GA3是兩種作用相似的天然植物內(nèi)源激素，在促進(jìn)植株生長發(fā)育中發(fā)揮重要作用，前者主要促進(jìn)細(xì)胞的分裂與擴(kuò)大，后者則促進(jìn)莖的伸長和花果形成[13]。干旱脅迫條件下，植物在啟動響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行環(huán)境應(yīng)答的同時，也需要降低代謝消耗，所以促進(jìn)生長類的激素合成往往會被減弱[14]。

IAA是植株中另一種天然植物激素，功能與ZR和GA3有些相似，具有促進(jìn)植物生長的作用[15]。但I(xiàn)AA的作用方式比較復(fù)雜，在植物的不同器官、不同生育階段具有不同的敏感性[16]。水分脅迫對植物葉片 IAA 含量的變化影響較為復(fù)雜：多數(shù)研究表明水分脅迫下 IAA 含量下降，但也有研究表明水分脅迫下植物體內(nèi) IAA 含量增加[17]。IAA 在植物體內(nèi)的生物學(xué)功能主要在于促進(jìn)植株生長、調(diào)節(jié)根系代謝，本應(yīng)有助于植株根系發(fā)育，便于吸取更多水分以應(yīng)對干旱脅迫。但I(xiàn)AA 主要由植物地上部分的頂端生長組織和葉片合成，在干旱脅迫條件下合成部位生長更容易受到抑制，所以逆境中植物體內(nèi)IAA的合成與植物生長應(yīng)是一種動態(tài)平衡關(guān)系[18]。本研究中，干旱脅迫處理中期，IAA含量維持在較低水平并未再次大幅降低，說明在逆境中植株體內(nèi)已經(jīng)形成了新的平衡機(jī)制。從代謝角度來看，IAA屬于次生代謝產(chǎn)物，在逆境中IAA的合成對植物雖有需求但不是首要的，植物會根據(jù)自身生理環(huán)境的變化，減弱不必要的代謝合成消耗[17]，所以逆境中IAA的合成大多維持在較低水平。在本研究中，ZR、GA3、IAA含量整體呈下降趨勢，其中ZR和GA3在脅迫處理中持續(xù)降低，而IAA僅在脅迫2、14 d降低較明顯，其余時間均穩(wěn)定維持在一定水平，說明干旱脅迫下植物體內(nèi)IAA的合成是一個動態(tài)平衡過程，推測其可能參與植株的部分逆境抵抗生理活動，并未持續(xù)降低。

ABA 是一種有重要調(diào)節(jié)功能的植物激素，在植物遭受干旱脅迫時，作為信號分子誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，增強(qiáng)植物的抗旱能力[18]。植株內(nèi)ABA主要由根系合成，且與根周圍水分狀況是密切相關(guān)，當(dāng)根系膨壓接近零時大量合成[19，20]。本研究發(fā)現(xiàn)，脅迫處理2 d時，土壤含水率降低至34.05%，但并未觸發(fā)ABA的干旱應(yīng)答機(jī)制，說明澳洲茶樹根系膨壓仍維持在較高水平;當(dāng)土壤含水率降至30%以下時ABA含量提升，暗示此時根系已經(jīng)開始大量合成ABA。據(jù)此推測，澳洲茶樹的根系組織可能具有更易于維持膨壓的特性，可在較輕微的干旱環(huán)境中維持根系正常的生理活性，然而這種特性延遲了ABA對干旱的應(yīng)答，可能會造成葉片的氣孔關(guān)閉機(jī)制延緩啟動，這對植物抵抗干旱環(huán)境并不十分有利。此外，澳洲茶樹的ABA動態(tài)變化提示其根系可能由于其它未知原因?qū)Ω珊淡h(huán)境具有一定的適應(yīng)能力，在后續(xù)研究中，應(yīng)針對干旱脅迫下，根系組織的解剖結(jié)構(gòu)及細(xì)胞生理展開相關(guān)研究，明確這一調(diào)控機(jī)制。

從內(nèi)源激素動態(tài)變化規(guī)律來看，干旱脅迫2 d是一個較為明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時土壤含水率為34.05%。之后，ZR含量大幅降低，丙二醛含量大幅升高，表明植株的生長受到顯著影響并且細(xì)胞膜受損嚴(yán)重;ABA含量提升，這標(biāo)志著干旱脅迫應(yīng)答機(jī)制的啟動，說明脅迫處理2 d的土壤含水率對澳洲茶樹已經(jīng)產(chǎn)生輕度脅迫，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)保持在該含量水平以上。當(dāng)干旱脅迫6 d時，土壤含水率降至23.45%以下，葉綠素含量大幅降低。根據(jù)葉綠素含量檢測結(jié)果推測，植株的生長活力無法維持超過2 d，此時可能對植物造成了不可逆轉(zhuǎn)的損傷。所以在澳洲茶樹種植中，應(yīng)避免土壤含水率低于23.45%。本研究結(jié)果將對實(shí)際生產(chǎn)中的合理用水提供科學(xué)依據(jù)。

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收稿日期：2019-06-17

基金項目：廣西科技計劃項目（桂科AB18221058;桂科AD18281083）

作者簡介：陳博雯（1983—），女，博士，高級工程師，研究方向：林業(yè)生物技術(shù)。E-mail：gfri_bwchen@163.com

通訊作者：劉海龍（1980—），男，博士，高級工程師，研究方向：林木遺傳育種。E-mail：50669291@qq.com