3種木樨科植物耐旱性綜合評價

陳意蘭 趙文忠 張超 王向平 廖海民 劉東明

摘要：為探討植物適應(yīng)干旱的生理機制，篩選耐旱植物種類應(yīng)用于景觀綠化，以長勢良好、生長情況相近的迎春花、連翹、女貞等3種植物為供試材料，進行自然干旱脅迫試驗，研究不同程度干旱脅迫對植株葉片丙二醛（MDA）含量和3種抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明，不同程度干旱脅迫下，迎春花的丙二醛含量均高于連翹、女貞，所受膜脂過氧化損傷程度最嚴(yán)重;干旱脅迫初期，各植株抗氧化酶活性有所提高，女貞的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性均呈上升趨勢，迎春花、連翹的SOD、CAT活性也呈上升趨勢，但POD活性呈下降趨勢，隨著干旱脅迫的積累，膜系統(tǒng)受損加重，導(dǎo)致3種植物的SOD、POD、CAT活性均下降;隸屬函數(shù)耐旱性綜合評價，結(jié)果顯示耐旱性排序為女貞>連翹>迎春花。

關(guān)鍵詞：木樨科;干旱脅迫;隸屬函數(shù);耐旱性;抗氧化酶活性

中圖分類號： Q945.78;S184文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2021）02-0092-05

收稿日期：2020-09-01

基金項目：中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（編號：XDA13020500）;NSFC-廣東聯(lián)合基金（編號：U1701246）;科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項（編號：2018FY100107）;河北省交通運輸廳科技攻關(guān)項目（編號：QG2018-10）。

作者簡介：陳意蘭（1992—），女，貴州貴陽人，碩士研究生，主要從事植物資源評價與利用、特殊生境生態(tài)修復(fù)等相關(guān)研究。E-mail：chenyilan@scbg.ac.cn。

通信作者：劉東明，碩士，副研究員，主要從事植物資源評價與利用、特殊生境生態(tài)修復(fù)等相關(guān)研究。E-mail：Liudm@scbg.ac.cn。

隨著全球氣候變化，水資源愈發(fā)匱乏，導(dǎo)致我國多地區(qū)嚴(yán)重缺水或季節(jié)性干旱[1]。干旱影響植株生理活性，丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性和過氧化氫酶（CAT）活性是幾種反映植物耐旱性強弱的生理指標(biāo)[2-3]。持續(xù)干旱脅迫下，植物體內(nèi)的活性氧含量增加，活性氧含量不斷積累會引起膜脂過氧化作用產(chǎn)生MDA，其含量越高，膜脂過氧化損傷的程度越嚴(yán)重，植物耐旱性就越弱[4]。SOD、POD、CAT是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，SOD清除超氧陰離子自由基、 POD清除羥自由基、CAT將過氧化氫轉(zhuǎn)化為水，從而減緩細(xì)胞膜脂過氧化的損傷[5]。干旱脅迫下，植物種類不同，對某一指標(biāo)的反應(yīng)也不相同，很難用單一指標(biāo)準(zhǔn)確地反映各種植物耐旱性強弱，須要用幾種抗氧化酶間協(xié)調(diào)的綜合結(jié)果來判斷植物的耐旱能力[6]。因此，利用隸屬函數(shù)求出MDA含量、SOD活性、POD活性、CAT活性等指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，才能對各植物耐旱性進行科學(xué)的評價[7]。

木樨科（Oleaceae），共27屬，約600種，大多分布在溫帶和熱帶地區(qū)，我國共有12屬200種左右，為常綠落葉喬木或灌木，也有藤本。迎春花（Jasminum nudiflorum）、連翹（Forsythia suspensa）、女貞（Ligustrum lucidum）分別為木樨科的素馨屬（Jasminum）、連翹屬（Forsythia）、女貞屬（Ligustrum）植物，可藥用也可觀賞[8]。迎春花較易成活、生長較快、水土保持能力較強，通常作為藥用植物和景觀植物種植在全國各地[9]。連翹是具有抗菌、抗炎、抗腫瘤等藥用價值的植物，也具有較強的吸收水分的能力和防止水土流失的能力[10]。女貞因適應(yīng)性強、生長快又耐修剪，常種植在工廠、公路旁作綠籬抗污染，同時也是園林中常用的觀賞樹種[11-12]。近年來，關(guān)于迎春花的研究主要集中在化學(xué)成分、生物學(xué)活性上[13]，有關(guān)其適應(yīng)干旱的生理機制的相關(guān)研究鮮有報道;關(guān)于連翹適應(yīng)干旱的生理機制研究已有報道，但涉及葉片抗氧化酶種類較少[14];關(guān)于女貞通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和保護酶活性的調(diào)節(jié)保持較強的耐旱保水能力雖有報道[15]，但沒有結(jié)合干旱脅迫期間植株形態(tài)的變化進行評價。本試驗選取了生長情況相近的迎春花、連翹、女貞等3種植物各30盆為供試材料，通過套袋處理設(shè)置自然干旱脅迫，觀察3種植株的形態(tài)，利用單因素方差分析各種植株在不同程度干旱脅迫下的MDA含量以及SOD、POD、CAT 的活性，探討干旱脅迫對3種木樨科植物葉片抗氧化酶的影響，并用隸屬函數(shù)對3種植物的耐旱性進行綜合評價。以期為木樨科植物的引種栽培、景觀配置、人工群落構(gòu)建等綠化實踐提供一定參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗苗木選用三年生的迎春花、連翹、女貞，試驗地點為廣東省廣州市中國科學(xué)院華南植物園試驗大棚。2019年3月開始對苗木進行日常澆水施肥管理，待養(yǎng)護良好后移植于25 cm×30 cm的塑料花盆中培養(yǎng)，基質(zhì)質(zhì)量比為椰糠 ∶泥炭 ∶珍珠巖 ∶河沙 ∶種植土=1 ∶1 ∶1 ∶2 ∶6。

1.2試驗設(shè)計

2019年7月4日，選取生長情況相近的3種植物各30盆（1株/盆）作為干旱脅迫的供試材料開始試驗，每種植物分別設(shè)置為對照組和試驗組，每個處理設(shè)3次重復(fù)，每次重復(fù)5盆。對照組每天正常澆水，試驗組澆透水后不再澆水，并用透明塑料袋對花盆進行套袋處理。，以試驗當(dāng)天（即0 d）第1次取樣測定作為試驗期間各指標(biāo)對照組（CK）。試驗期間（即3、7、14、21 d），于08：00—10：00 觀察記錄植株形態(tài)變化并用相機拍照，使用Delta-T便攜式土壤水分儀測量每盆植株的土壤含水量并記錄，同時采摘成熟葉片（即第3～8片功能葉）帶回實驗室測定各參試生理指標(biāo)，每個樣品測量3次取平均值。

1.3測定項目及方法

采用硫代巴比妥酸法[16]測定MDA的含量，采用氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法[17]測定SOD活性，采用愈創(chuàng)木酚顯色法[18]測定 POD活性，采用紫外吸收法[19]測定CAT活性。

1.4隸屬函數(shù)值計算

與植物耐旱性呈正相關(guān)的SOD、POD、CAT的活性采用如下公式計算：

x=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

與植物耐旱性呈負(fù)相關(guān)的MDA含量采用如下公式計算：

x=1-（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

式中：x表示隸屬函數(shù)值;X表示某一指標(biāo)測定值;Xmin、Xmax分別表示所有植物中某一指標(biāo)測定值的最小值、最大值。

求出各種植物不同指標(biāo)的隸屬函數(shù)值的平均值，根據(jù)平均值大小來確定耐旱性強弱，即平均值越大耐旱性越強[20]。

1.5數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測定結(jié)果利用Excel計算MDA含量以及SOD、POD、CAT活性并作圖，利用SPSS進行單因素分析，采用Duncans法進行多重比較（P<0.05）。

2結(jié)果與分析

2.1土壤含水量在干旱脅迫下的變化

如圖1所示，干旱脅迫0 d，迎春花、連翹、女貞的土壤體積含水量為32.52%～34.98%;干旱脅迫3 d，3種植物的土壤體積含水量為20.24%～2120%;干旱脅迫7 d，3種植物的土壤體積含水量為15.60%～17.24%;干旱脅迫14 d，3種植物的土壤體積含水量為7.98%～10.96%，干旱脅迫21 d，3種植物的土壤體積含水量為6.94%～8.32%。通過對3種植物的花盆用透明塑料袋進行套袋處理，可以有效控制土壤水分梯度進行干旱脅迫試驗。

2.2干旱脅迫下3種植物形態(tài)的變化

如圖2所示，干旱脅迫7 d，迎春花枝條下垂，連翹葉片部分變黃，女貞葉片萎蔫。干旱脅迫14 d，迎春花部分葉片干枯，連翹葉片變黑，有脫落現(xiàn)象，女貞葉片仍然萎蔫。干旱脅迫21 d，96%的迎春花植株葉片干枯，80%的連翹植株葉片干枯，72%的女貞植株葉片干枯。特別說明的是，干旱脅迫28 d，迎春花葉片全部干枯脫落，連翹和女貞還留有部分葉片?；厮幚砗?，3種植物各有1株死亡，24株正常生長。從植株形態(tài)表現(xiàn)來看，女貞耐旱性最強，連翹居中，迎春花最弱。

2.3丙二醛（MDA）含量在干旱脅迫下的變化

如圖3所示，干旱脅迫初期，迎春花的MDA含量上升是對干旱脅迫的響應(yīng)，連翹、女貞的MDA含量下降是應(yīng)對干旱脅迫迅速做出的保護反應(yīng)。隨著干旱脅迫試驗進行，膜脂過氧化作用逐漸加重，在試驗7 d迎春花的MDA含量先下降到 24.59 nmol/g，但相比0 d仍然有所增加，差異顯著;隨后MDA含量迅速上升，干旱脅迫21 d，MDA含量為27.14 nmol/g，相比0 d上升22.42%，差異顯著。干旱脅迫初期，連翹和女貞啟動防御機制迅速做出保護反應(yīng)，MDA含量先降低，隨后開始增加，干旱脅迫21 d，連翹、女貞的MDA含量分別為20.34、1647 nmol/g，相比0 d分別下降2.54%、7.71%，且差異不顯著。整個干旱脅迫中，迎春花的MDA含量均高于連翹和女貞。

2.4超氧化物歧化酶（SOD）活性在干旱脅迫下的變化

干旱脅迫下，抗氧化酶防御系統(tǒng)啟動，SOD合成，導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過氧化程度加劇的超氧陰離子被清除。圖4顯示，迎春花、連翹、女貞的SOD活性最大值均出現(xiàn)在干旱脅迫3d時，相比0d分別上升18129%、96.30%、113.62%。隨著干旱脅迫試驗的進行，3種植物的SOD活性呈迅速下降趨勢，干旱脅迫7 d和21 d，3種植物的SOD活性相差不大，干旱脅迫14 d，迎春花的SOD活性比連翹、女貞稍高一些。整個干旱脅迫過程中，迎春花的SOD活性波動比較大，呈上升—下降—上升—下降的趨勢，連翹和女貞的SOD活性呈上升—下降趨勢。

2.5過氧化物酶（POD）活性在干旱脅迫下的變化

由圖5可以看出，在干旱脅迫下， 不同植物合成POD的速率不同。干旱脅迫7 d時，女貞的POD合成速率大于降解速率，POD活性逐漸上升，隨著干旱脅迫試驗的進行，羥自由基的積累導(dǎo)致POD的合成速率減小，POD活性小幅下降;干旱脅迫 21 d 時，與0 d的POD活性的差異不顯著。而迎春花和連翹在整個干旱脅迫過程中POD合成速率均不高，干旱脅迫 14 d 時，迎春花的POD合成速率小于降解速率，POD活性逐漸下降，隨后POD合成速率大于降解速率，POD活性上升;連翹的POD合成速率一直小于降解速率，POD活性呈逐漸下降趨勢。

2.6過氧化氫酶（CAT）活性在干旱脅迫下的變化

CAT活性上升是對干旱脅迫作出的保護反應(yīng)以清除H2O2，而CAT的合成速率小于降解速率會導(dǎo)致CAT活性下降。圖6顯示，干旱脅迫初期，3種植物均啟動抗氧化酶防御系統(tǒng)合成CAT，隨著干旱脅迫的積累，3種植物的CAT合成速率不盡相同，整個干旱脅迫過程中，連翹的CAT活性呈上升—下降—上升—下降的趨勢，波動較大，而迎春花、連女貞CAT活性呈上升—下降的趨勢。干旱脅迫21 d，迎春花、連翹、女貞的CAT活性相比0 d分別下降5125%、2.96%、26.72%。

2.7隸屬函數(shù)值及耐旱性比較

表1顯示，女貞、連翹、迎春花的隸屬函數(shù)平均值分別為0.65、0.58、0.39，耐旱性排序為女貞>連翹>迎春花。

3討論與結(jié)論

干旱脅迫妨礙植物體機體組織系統(tǒng)水分代謝，引起細(xì)胞水分流失，植物的形態(tài)和生理生化都會受到影響[21-22]。干旱脅迫試驗進行21 d，96%的迎春花植株葉片干枯，80%的連翹植株葉片干枯，72%的女貞植株葉片干枯。表明從形態(tài)上看，女貞耐旱性最強，連翹居中，迎春花最弱。

植物在不利于生長的環(huán)境下，機體組織內(nèi)活性氧含量的積累會發(fā)生膜脂過氧化作用，其產(chǎn)物之一MDA可以反映細(xì)胞膜脂過氧化損傷的程度[23-24]。本試驗中，干旱脅迫前期，迎春花的MDA含量呈上升趨勢，連翹、女貞的呈下降趨勢;干旱脅迫后期，迎春花的MDA含量最高，其次為連翹，女貞的最低，表明迎春花膜脂過氧化損傷最嚴(yán)重，活性氧含量積累最高（圖3）。為減少MDA含量，SOD 、POD 和CAT協(xié)同作用，在SOD的作用下，超氧陰離子發(fā)生歧化反應(yīng)生成H2O2，在POD的催化作用下H2O2和羥自由基發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成H2O，CAT直接催化H2O2分解生成H2O，從而減輕植物在干旱脅迫過程中受到的傷害[25]。有研究表明，輕度脅迫時，MDA含量呈下降趨勢，抗氧化酶呈上升趨勢;中度脅迫和重度脅迫時，MDA含量逐漸上升，抗氧化酶活性逐漸下降[26]。本試驗中，干旱脅迫初期，迎春花的自由基積累，導(dǎo)致膜脂過氧化程度加劇，因而MDA含量增加;連翹的SOD、CAT合成能力強，二者協(xié)同作用迅速將超氧陰離子轉(zhuǎn)化為對細(xì)胞沒有傷害的H2O，使膜脂過氧化程度減輕，MDA含量呈下降趨勢;女貞的保護酶系統(tǒng)反應(yīng)敏捷，干旱脅迫下積累的活性氧迅速被清除，膜脂過氧化程度減輕，MDA含量下降。隨著試驗的進行，MDA含量不斷積累，抑制抗氧化酶合成，SOD、POD和CAT的活性逐漸下降，膜系統(tǒng)損傷程度進一步加重，機體組織防御系統(tǒng)能力減弱，細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能都受到損傷，與此同時，植物耐旱性減弱。通常情況下，抗氧化酶通過協(xié)同作用抵抗干旱脅迫將引起細(xì)胞膜脂過氧化損傷，POD、CAT與SOD的活性變化趨勢一致[27]。本試驗中，3種植物的CAT、SOD的活性呈上升—下降趨勢（圖4、圖6），變化趨勢一致，與桑苗、藜麥在干旱脅迫下抗氧化酶活性的研究結(jié)果[28-29]類似。女貞的SOD、POD活性變化趨勢一致，呈上升—下降趨勢（圖4、圖5），這與曹艷春等2014年利用盆栽控水法對女貞進行干旱脅迫的研究結(jié)果[15]一致。迎春花、連翹的POD活性呈逐漸下降趨勢，表明干旱脅迫阻礙了這2種植物的POD合成，POD活性不足以清除干旱脅迫積累的活性氧。

綜上所述，迎春花的MDA含量在不同程度的干旱脅迫下均高于連翹和女貞的MDA含量，膜脂過氧化最嚴(yán)重，迎春花的MDA含量呈上升—下降—上升趨勢，連翹和女貞的MDA含量呈下降—上升趨勢。抗氧化酶活性在一定程度的干旱脅迫下會有所提高，清除造成膜脂過氧化程度加重的活性氧，從而將MDA含量維持一定水平，隨著干旱脅迫的積累，膜脂過氧化程度加劇，導(dǎo)致抗氧化酶合成速率小于降解速率，活性下降。迎春花和連翹的SOD、CAT活性呈上升—下降趨勢，POD活性變化呈逐漸下降的趨勢，女貞的SOD、POD、CAT活性變化呈上升—下降趨勢。隸屬函數(shù)分析法對3種植物的耐旱性進行綜合評價，得出迎春花、連翹、女貞的隸屬函數(shù)值分別為0.39、0.58、0.65，耐旱性排序為女貞>連翹>迎春花，與植株形態(tài)耐旱性表現(xiàn)一致。本試驗結(jié)果可為木樨科植物的引種栽培、景觀配置、人工群落構(gòu)建等綠化實踐提供一定參考。

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