5種造林樹種對干旱脅迫的抗性應答

洪 震，劉術新，洪琮浩，雷小華

(1.華東藥用植物園科研管理中心，浙江 麗水 323000；2.麗水職業(yè)技術學院，浙江 麗水 323000；3.北京林業(yè)大學生物科學與技術學院，北京 100083；4.麗水市蓮都區(qū)城區(qū)林業(yè)工作中心站，浙江 麗水 323000)

水分是植物正常生存和代謝的基礎，土壤含水量是影響植物體內水分狀況的重要因素[1]。植物在干旱脅迫下，不僅會在外觀形態(tài)上表現(xiàn)出一系列的變化，還會在生理、形態(tài)特性方面產生響應，導致植物光合作用受抑、呼吸紊亂、代謝異常[2-4]等，直接影響植物的生長發(fā)育和生存[5-6]。不同的植物在干旱脅迫處理下表現(xiàn)出來的形態(tài)、生理代謝等特征變化情況差異，反映出各植物抗干旱的能力也不盡相同。

楓香(Liquidambarformosana)、黃連木(Pistaciachinesis)、長序榆(Ulmuselongata)、黃山欒樹(Koelreuteriabipinnata)是我國優(yōu)良的鄉(xiāng)土樹種。娜塔櫟(Quercustexana)原產于北美，由于其適應性強和觀賞價值得到人們的關注，近年來在我國市場上備受歡迎。目前，國內外對楓香、黃連木、長序榆、黃山欒樹和娜塔櫟的研究主要集中于苗木培育[7-9]、栽培技術[10-12]、品種選育[13-16]等方面，而對5個造林樹種干旱脅迫方面的比較研究還未見報道。本研究通過盆栽控制試驗研究了楓香、黃連木、長序榆、黃山欒樹和娜塔櫟1年生實生苗在不同干旱脅迫下的生理響應，以探討5個造林樹種對不同土壤水分條件的適應能力，旨在為苗木培育、城鄉(xiāng)綠化美化及困難立地造林和生態(tài)修復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為楓香、黃連木、長序榆、黃山欒樹和娜塔櫟1年生實生苗，材料來自浙江省麗水市林業(yè)科學研究院碧湖竹溪苗圃(119°54′13.27″E，28°28′41.26″N)。試驗地設在麗水職業(yè)技術學院的溫室大棚，海拔為 100 m，屬中亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，雨水充沛。棚內溫度為20～30 ℃，相對濕度60%～80%[17]。栽培基質為壤土和泥炭，體積比為3∶1，有機質含量為2.135 mg/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為165.42、60.58、75.24 mg/kg，pH為5.92。

1.2 試驗方法

采用盆栽控水試驗，盆栽容器規(guī)格為高17 cm、上口徑14 cm、下口徑19 cm，裝入基質3.5 kg，選用植株生長狀況良好、無病蟲害、大小基本一致的5種植物的苗木，于2018年3月將其無損移栽到花盆中，每盆1株。5種苗木設置4個土壤水分處理，即CK(對照，適宜水分，土壤含水量為田間持水量的75%～80%)、T1(輕度干旱，土壤含水量為田間持水量的55%～60%)、T2(中度干旱，土壤含水量為田間持水量的40%～45%)和T3(重度干旱，土壤含水量為田間持水量的30%～35%)，每個處理5株，3次重復。控水處理30 d后采集植株中部葉片進行測定。

1.3 相關指標測定

相對電導率(relative electrical conductirity,REC)、葉片相對含水量(LRWC)、葉綠素含量的測定采用分光光度比色法，丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸比色法，游離脯氨酸含量采用茚三酮比色法，可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法，可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍比色法，過氧化氫酶(CAT)活性測定紫外吸收法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT法測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[18]。

1.4 隸屬函數(shù)法綜合評價植物的抗旱性

抗旱性綜合評價采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)值法[19]，將各項抗旱生理指標換算成隸屬函數(shù)值，然后對各項指標的隸屬函數(shù)值求平均值。平均值越大，說明抗旱性越強。隸屬函數(shù)計算公式如下：

若指標與抗旱性成正相關，則

Zij=(Xij-Xi min)/(Xi max-Xi min)；

若指標與抗旱性成負相關，則

Zij=1-(Xij-Xi min)/(Ximax-Xi min)。

式中：Zij表示i樹種j指標的抗旱隸屬函數(shù)值；Xij表示i樹種j指標的測定值；Xi min和Xi max分別表示各樹種中對應指標的最小值和最大值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Micarosoft Excel 2010和SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Duncan法進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對5個樹種苗木形態(tài)特征的影響

干旱脅迫對苗木形態(tài)特征的影響見表1。由表1可知，脅迫至第10天時，楓香各處理均表現(xiàn)正常，黃連木T1和T2處理表現(xiàn)正常；娜塔櫟、長序榆、黃山欒樹以及黃連木的T3處理均出現(xiàn)了葉片萎蔫、失綠變色及焦邊等癥狀，并隨脅迫程度的增加而加深，受害范圍也不斷擴大。脅迫至第20天時，楓香T1處理老葉出現(xiàn)黃斑，T2和T3處理葉片萎蔫下垂，頂部葉片脈間褶皺；黃連木各處理出現(xiàn)老葉變黃的癥狀；長序榆T1處理兩株出現(xiàn)老葉葉緣干枯，T2處理5株葉片全部黃化葉斑，葉片不完整，T3處理5株老葉全部脫落，頂部葉片萎蔫；黃山欒樹T1處理6株葉片失綠出現(xiàn)黃色葉斑，T2處理葉片脈間失綠嚴重，葉斑增多，T3處理下部葉片出現(xiàn)干枯；娜塔櫟T1處理下部老葉葉緣失綠，T2處理3株下部老葉枯黃，T3處理4株中下部葉片變黃，下部老葉干枯。脅迫第30天時，5個樹種各處理受害范圍進一步擴大，黃連木T1處理兩株全部葉片變黃，T2處理4株全部葉片變黃變紅，T3處理1株枝條頂端干枯；長序榆T1處理兩株葉片全部黃化，T2處理兩株死亡，T3處理3株死亡；黃山欒樹T1處理全部植株脈間失綠出現(xiàn)黃斑，T2處理兩株死亡，T3處理4株死亡。T2條件下，長序榆和黃山欒樹各有兩株死亡，其余樹種均未死亡；而在T3條件下，長序榆、黃山欒樹分別有3株、4株死亡。死亡數(shù)最多的是黃山欒樹；其次是長序榆；黃連木出現(xiàn)全部葉片變黃變紅，沒有整株死亡；楓香和娜塔櫟中下部葉片黃化干枯，沒有整株葉片變黃。

表1 干旱脅迫對5個樹種苗木形態(tài)特征的影響Table 1 Effects of drought stress on morphological characteristics of five tree species

2.2 干旱脅迫對5個樹種葉片相對含水量、相對電導率和葉綠素含量的影響

干旱脅迫對葉片相對含水量、相對電導率和葉綠素含量的影響見表2。由表2可知，脅迫處理30 d時，T3處理下楓香、黃連木、長序榆、黃山欒樹和娜塔櫟葉片相對含水量分別為67.40%、58.84%、63.03%、59.23%和54.26%，與各自CK相比分別下降了5.67%、11.56%、8.48%、12.95%和9.36%，5個樹種葉片相對含水量較CK處理下降幅度大小依次為：楓香<長序榆<娜塔櫟<黃連木<黃山欒樹，由此可推斷出楓香葉片保水能力最好。

5個樹種葉片相對電導率均隨干旱脅迫程度的加劇而上升(P<0.05)。脅迫處理30 d，T3處理下5個樹種葉片細胞膜透性增幅由小到大排序為：楓香(37.82%)<黃連木(39.93%)<黃山欒樹(40.10%)<長序榆(43.78%)<娜塔櫟(43.96%)。

5個樹種葉綠素總含量隨干旱脅迫程度的加深而下降，與葉片相對含水量的變化趨勢一致。脅迫處理30 d，T3處理5個樹種葉片葉綠素總含量降幅由小到大排序為：娜塔櫟(25.31%)<楓香(28.07%)<黃山欒樹(41.06%)<長序榆(44.03%)<黃連木(46.14%)，其中娜塔櫟的降幅最小，為25.31%，黃連木的幅度最大，達到46.14%。

2.3 干旱脅迫對5個樹種葉片滲透調節(jié)物質的影響

干旱脅迫對葉片滲透調節(jié)物質的影響見表3。從表3可以看出，5個樹種葉片游離脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖的含量均隨干旱脅迫程度的加劇而增加，其中黃山欒樹游離脯氨酸含量隨著脅迫程度的加劇表現(xiàn)出先升后降的趨勢。

表3 干旱脅迫對5個樹種滲透調節(jié)物質含量的影響Table 3 Effects of drought stress on contents of osmolyte of five tree species mg/g

T3處理下，楓香和娜塔櫟兩個樹種的滲透調節(jié)物質以游離脯氨酸含量增幅最大，分別是適宜水分處理下的3.35倍和3.03倍，可溶性糖含量增幅分別是適宜水分處理下的1.97倍和1.36倍，可溶性蛋白含量增幅最小，增幅分別為1.74倍和1.24倍；長序榆和黃山欒樹兩個樹種的滲透調節(jié)物質以可溶性糖含量增幅最大，分別是適宜水分處理下的3.21、2.46倍，游離脯氨酸含量增幅分別是適宜水分處理下的1.52、1.56倍，可溶性蛋白含量增幅分別為1.26、1.40倍；黃連木的滲透調節(jié)物質以可溶性蛋白含量增幅最大，是適宜水分處理下的1.75倍，可溶性糖含量增幅次之，是適宜水分處理下的1.27倍，游離脯氨酸含量增幅最小，是適宜水分處理下的1.03倍。

綜上可知，不同植物種類抵御干旱脅迫的最敏感滲透調節(jié)物質不同，楓香和娜塔櫟兩個樹種抵御干旱最敏感的滲透調節(jié)物質是游離脯氨酸，長序榆和黃山欒樹兩個樹種抵御干旱最敏感的滲透調節(jié)物質是可溶性糖，黃連木抵御干旱最敏感的滲透調節(jié)物質是可溶性蛋白。

2.4 干旱脅迫對5個樹種葉片丙二醛含量和保護酶活性的影響

干旱脅迫對葉片丙二醛含量及保護酶活性的影響見表4。由表4可知，在干旱脅迫下，5個樹種葉片MDA含量均隨著干旱脅迫程度的增加而升高。重度干旱脅迫下，5個樹種葉片MDA含量分別是適宜水分處理下的2.29、1.89、2.85、9.52和1.98倍。說明隨著干旱脅迫程度增加，5個樹種葉片的膜脂過氧化作用均顯著加劇，黃山欒樹膜系統(tǒng)受到破壞的相對程度最大，其次是長序榆。隨干旱脅迫程度的增加，楓香、黃連木、黃山欒樹3個樹種的保護酶活性均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，長序榆的SOD和CAT活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，而POD活性則是隨著脅迫程度的增加而升高。娜塔櫟的保護酶活性則持續(xù)升高，說明娜塔櫟保護酶系統(tǒng)對干旱脅迫的主動適應能力較強，其余4個樹種保護酶系統(tǒng)在重度干旱脅迫下先達到能調節(jié)的極限值，隨后抗氧化能力減弱。

表4 干旱脅迫對5個樹種葉片保護酶活性和丙二醛含量的影響Table 4 Effects of drought stress on protective enzyme activity and MDA content of five tree species

2.5 5個樹種抗旱性的綜合評價

植物對干旱脅迫的響應是一個由多因素控制的復雜性狀，利用某一指標單獨評價樹種的抗旱能力有很大的局限性。利用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法是目前被普遍應用于樹種抗旱性評價的一種方法。通過對上述10個生理指標的隸屬函數(shù)加權平均，綜合評價了5個樹種的抗旱性(表5)。T1處理下，耐旱性強弱順序：娜塔櫟>楓香=黃連木>黃山欒樹>長序榆。T2處理下。耐旱性強弱順序為：娜塔櫟>楓香>黃連木>長序榆>黃山欒樹，T3處理下，耐旱性強弱順序為：娜塔櫟=楓香>黃連木>長序榆>黃山欒樹。娜塔櫟干旱條件下耐旱性最強；黃山欒樹在中度和重度干旱脅迫下的綜合隸屬函數(shù)值分別為0.46和0.47，耐旱性較差。

表5 5個造林樹種隸屬函數(shù)值比較及綜合評價Table 5 Comparison and comprehensive evaluation of the subordinate function values of five afforestation tree species

3 討 論

干旱脅迫導致植物形態(tài)發(fā)生變化，生長受到抑制，嚴重的導致死亡，隨著脅迫強度的加劇，受抑制現(xiàn)象越顯著。本研究的結果表明，隨著干旱脅迫程度的增加，5個樹種地上部形態(tài)特征出現(xiàn)不同程度的變化，葉片脈間失綠變黃出現(xiàn)黃斑，葉片萎蔫下垂，枝條頂端干枯，嚴重的死亡。通過對脅迫30 d后的5種植物的葉片出現(xiàn)癥狀情況、死亡數(shù)及出現(xiàn)死亡現(xiàn)象的時間分析，娜塔櫟的抗旱能力要比其他樹種更強。

水分是植物活細胞的重要組成成分，是各種代謝活動的重要物質，抗旱性強的樹種其葉片結構特征更有利于減少水分損失。因此，葉片的保水力直接體現(xiàn)植株的抗旱能力[20-21]。研究表明，葉片相對含水量的下降幅度與植物葉片保水能力有重要的關系，葉片相對含水量降幅越小，其葉片保水能力越強，植物的抗旱性越強[22]。5個樹種葉片相對含水量隨著脅迫程度的加深而逐漸減小。在脅迫處理30 d時，T3重度干旱處理下各樹種葉片相對含水量達最小值，5個樹種葉片相對含水量較CK處理下降幅度大小順序為：楓香<長序榆<娜塔櫟<黃連木<黃山欒樹，由此可推斷出楓香葉片保水能力最好。

樹種在干旱脅迫下，由于細胞膜功能受損或結構破壞使其透性增大，細胞內的水溶性物質有不同程度的外滲[23]，耐旱性強的植物，脅迫時其質膜相對透性增加的幅度相對較小[24]。植物受干旱脅迫下，會發(fā)生膜脂過氧化作用，MDA是膜脂過化的產物之一。植物體內 MDA 越多，說明過氧化作用越強，從而造成植物體傷害的程度越高[25]?？购敌詮姷闹参?MDA含量增幅小[26]。本研究表明，隨著干旱脅迫程度的增強，5個樹種葉片細胞膜透性和MDA含量均呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，這與小葉蚊母(Distyliumbuxifolium)、厚皮香(Ternstroemiagymnanthera)和輪葉蒲桃(Syzygiumgrijsii)[1]、木本濱藜(努塌濱藜Atriplexgardneri、三角濱藜A.tridentata、四翅濱藜A.canescens)[27]、黃枝槐(Sophorajaponica)[28]、柏木(Cupressusfunebris)[29]等的研究結果一致。脅迫處理30 d時，T3處理下5個樹種葉片細胞膜透性較CK處理增幅由小到大排序為：楓香<黃連木<黃山欒樹<長序榆<娜塔櫟。葉片MDA含量較CK處理增加幅度大小依次為：黃連木<娜塔櫟<楓香<長序榆<黃山欒樹。黃連木膜質過氧化程度為5個樹種中最弱，抗旱性較強，在抗旱性綜合評價的結果中也體現(xiàn)了黃連木在5個樹種中屬于較強抗旱性的樹種之一。

干旱環(huán)境下會抑制植物體合成葉綠素，隨著干旱程度的加深，抗旱能力越強的植物，葉綠素總含量的下降幅度會隨之變小[21]。5個樹種葉綠素總含量隨干旱脅迫程度的加深而呈現(xiàn)下降的趨勢，當含水量達到重度干旱時，各樹種葉綠素含量達到最低值。游離脯氨酸是植物對脅迫有較敏感反應的滲透調節(jié)物質之一，脯氨酸的含量與植物的抗旱能力成正比[30-31]。本研究結果表明，楓香、娜塔櫟、黃連木、長序榆體內游離脯氨酸含量會隨著干旱程度的加劇逐漸增加，這與潤楠(Machilusnanmu)[32]、歐李(Cerasushumilis)[33]、側柏(Platycladusorientalis)[34]、江南油杉(Keteleeriafortunevar.cyclolepis)[20]等樹種的研究結果一致。當干旱脅迫達到重度時，各樹種的游離脯氨酸含量達到最大值，其中黃連木的游離脯氨酸含量增幅最小?？扇苄蕴蔷哂薪档图毎畡莸淖饔?，與植物在逆境下的滲透調節(jié)具有較大關系，可提高植物吸水和保水能力，有利于增強植物的抗逆性[35]。在干旱脅迫下，可溶性蛋白質能夠提高細胞內原生質滲透壓，維持原生質膠體的穩(wěn)定[32]。本研究中，5個樹種的可溶性糖和可溶性蛋白的含量均隨干旱脅迫程度的加劇而呈現(xiàn)升高的趨勢，水分脅迫使各樹種缺水嚴重，可溶性糖和可溶性蛋白含量的增加可引起其他生理代謝的響應，如原生質黏度增大等，從而提高植物的保水能力和吸水能力，有利于適應缺水的環(huán)境，維持水解類酶如蛋白酶等的穩(wěn)定性，進而保持原生質體結構[36]。

SOD、POD和CAT是進行植物體內活性氧代謝主要的酶，具有清除植物體內因脅迫積累的活性氧，對細胞膜結構起到保護的作用，以緩解脅迫環(huán)境對植物的損傷，SOD、POD和CAT活性的變化能較好地反映植物對逆境的適應能力[37]。娜塔櫟3種保護酶活性均在重度脅迫時達峰值，楓香、黃連木、黃山欒樹3樹種的3種保護酶活性在中度脅迫時達峰值，長序榆的SOD和CAT活性在在中度脅迫時達峰值，POD活性在重度脅迫時達峰值。本研究表明，干旱脅迫下，膜脂過氧化物MDA含量增加，但是酶促防御系統(tǒng)的SOD、POD 和CAT活性提高。在重度脅迫下，楓香、黃連木、黃山欒樹3個樹種葉片SOD、POD和CAT 保護酶活性下降與 MDA積累有關，一方面，由于樹種葉片 SOD、POD和CAT活性下降，使有害自由基積累，當超過傷害閾值時，可能直接或間接地啟動膜脂過氧化作用使MDA含量增加，膜完整性被破壞；另一方面，隨著 MDA含量的增加又抑制了植物葉片 SOD、POD和CAT 的活性，從而喪失了保護酶系統(tǒng)的功能，進一步導致膜系受損加重。而娜塔櫟在重度脅迫下，SOD、POD和CAT 3種保護酶活性達峰值，表明娜塔櫟保護酶系統(tǒng)對干旱脅迫的主動適應能力較強。

植物抗旱性是植物體內復雜的抵抗逆境的生理過程，而且不同樹種間抗旱機理不同，因而不能用單一的指標指標反映植物抗旱性的狀況，應對多個生理生化指標進行綜合分析與評價，以對植物抗旱性進行全面系統(tǒng)的研究[38]。本研究采用模糊數(shù)學的方法，對所測定的各項指標進行隸屬函數(shù)分析，結果表明：中度脅迫下耐旱性強弱順序為娜塔櫟>楓香>黃連木>長序榆>黃山欒樹；重度脅迫下耐旱性強弱順序為娜塔櫟=楓香>黃連木>長序榆>黃山欒樹。

植物抗旱特性是一個綜合且復雜的生理過程，本研究的試驗苗圃屬于開放式環(huán)境，無法精確對溫度、空氣濕度等環(huán)境因子進行控制，試驗過程中可能存在較短時間的干旱和高溫的復合脅迫，需要在下一步的研究中對環(huán)境因子盡可能地進行精確控制，以期為5個樹種繁育、水肥管理與造林困難地的推廣應用提供理論參考。