脯氨酸對(duì)干旱脅迫下白榆扦插苗生長(zhǎng)的影響

張 曉，曹慧芬，趙建國(guó)*，王海雁，姚建忠，孫 欣，王宇晴，翟小娜，王 浩

（1.山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西大同 037009；2.山西大同大學(xué)生命科學(xué)院，山西大同 037009；3.山西省桑干河楊樹(shù)豐產(chǎn)林實(shí)驗(yàn)局，山西大同 037006）

隨著全球變暖以及異常氣候出現(xiàn)的越來(lái)越頻繁，干旱已成為限制全球農(nóng)林業(yè)發(fā)展的重要因素[1]。我國(guó)西北地區(qū)屬于干旱、半干旱氣候，占該地區(qū)約83%的土地常年受干旱威脅[2]。研究干旱條件下促進(jìn)植物生長(zhǎng)的技術(shù)手段對(duì)于促進(jìn)西北地區(qū)農(nóng)林業(yè)發(fā)展、保障國(guó)家糧食安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

脯氨酸是目前最為熟知的滲透保護(hù)物質(zhì)。當(dāng)植物遭遇高溫、高鹽、干旱等逆境脅迫時(shí)，植物體內(nèi)脯氨酸含量明顯升高，從而提高植物的滲透調(diào)節(jié)能力。脯氨酸的積累主要是由于脯氨酸合成增加、降解減少、利用率下降或蛋白水解引起[3-4]。除了自身合成外，植物根系或者葉片可以吸收外源脯氨酸，一般將此視為植物對(duì)逆境的響應(yīng)[5]。大量研究表明：外源脯氨酸處理對(duì)于提高植物的抗逆性具有重要作用。外施脯氨酸可以緩解鹽脅迫對(duì)甜瓜[6-7]、蘿卜[8]、青楊[9]、水稻[10]的傷害；脯氨酸浸種可以提高黃瓜幼苗的抗冷能力[11]；葉面噴施脯氨酸可以提高玉米抗旱能力[12]。然而，干旱條件下土壤中脯氨酸處理對(duì)木本植物生長(zhǎng)的影響目前并無(wú)確切證據(jù)。

為了研究干旱環(huán)境條件下促進(jìn)植物生長(zhǎng)的技術(shù)手段，我們以北方常見(jiàn)的樹(shù)種白榆為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)研究干旱條件下外施脯氨酸對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

供試白榆枝條由山西省桑干河楊樹(shù)豐產(chǎn)林實(shí)驗(yàn)局科技服務(wù)中心提供，在山西大同農(nóng)業(yè)嘉年華溫室中利用無(wú)紡布袋扦插成活。挑選扦插成活的生長(zhǎng)狀態(tài)一致的白榆植株在山西大同大學(xué)炭材料研究所溫室完成后續(xù)脯氨酸處理及干旱脅迫實(shí)驗(yàn)。脯氨酸用蒸餾水配制成25 mg/L 濃度，實(shí)驗(yàn)組按照每株植物200 mL 的量將白榆扦插苗生長(zhǎng)的栽培土壤澆透，對(duì)照組每株植物澆200 mL蒸餾水。所有白榆扦插苗置于光照周期為8 h 黑暗/16 h 光照，溫度為23 ± 2 ℃，濕度約為50%的培養(yǎng)室中繼續(xù)培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前2周不澆水，此后以4 周為一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，前2 周每株植物澆50 mL 蒸餾水，后2 周實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組分別澆50 mL 的25 mg/L 脯氨酸和蒸餾水，此后重復(fù)此操作。扦插苗生長(zhǎng)16 周后對(duì)各種性狀進(jìn)行觀察、檢測(cè)以及統(tǒng)計(jì)分析工作。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 生物量測(cè)定

植物新生枝條長(zhǎng)度利用卷尺測(cè)量，每個(gè)數(shù)據(jù)取5個(gè)植株的平均值。將新生枝條取下，在電子天平上稱量，作為新生莖葉的質(zhì)量；統(tǒng)計(jì)每一個(gè)枝條上的葉片數(shù)量，每個(gè)數(shù)據(jù)取5個(gè)植株的平均值。將葉片取下并用玻璃壓平，用照相機(jī)拍照后利用Image J 軟件測(cè)量葉片長(zhǎng)度、寬度和面積，每個(gè)植株測(cè)量5個(gè)葉片，每個(gè)數(shù)據(jù)取5個(gè)植株的平均值。

1.2.2 光合熒光分析

植物光合熒光指標(biāo)（包括最大光能轉(zhuǎn)換效率、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)和非光化學(xué)淬滅）利用德國(guó)WALZ 公司PAM-2500 便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定。測(cè)定開(kāi)始前將葉片進(jìn)行至少半小時(shí)暗適應(yīng)，每個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)5 株植物，每株植物選位置相似的5片葉子。測(cè)量時(shí)間為上午8時(shí)到12時(shí)，測(cè)量地點(diǎn)為室內(nèi)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用單因素方差分析和Duncan 檢驗(yàn)，所有統(tǒng)計(jì)分析均利用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行，并利用Excel做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱條件下脯氨酸處理對(duì)白榆生長(zhǎng)狀態(tài)的影響

水分是植物生長(zhǎng)的必須物質(zhì)，然而自然條件下植物常常處于缺水狀態(tài)。干旱脅迫可以影響林木的生物量[13]。為了研究脯氨酸處理對(duì)于干旱條件下林木生長(zhǎng)的影響，我們觀察了干旱條件下脯氨酸處理后白榆扦插苗的生長(zhǎng)情況。根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，白榆扦插苗每周至少需要澆灌100 mL水才能保證其正常生長(zhǎng)。在第一次澆足水或25 mg/L 脯氨酸溶液后，此后每2 周澆50 mL 水或25 mg/L 脯氨酸溶液，從而模擬干旱脅迫環(huán)境。由圖1 可知，經(jīng)過(guò)16 周處理干旱脅迫下施加脯氨酸可以明顯促進(jìn)白榆扦插苗的個(gè)體生長(zhǎng)。脯氨酸處理組白榆扦插苗的株高、新生枝條長(zhǎng)度、葉片大小相比對(duì)照組都明顯增加。

圖1 干旱條件下脯氨酸處理白榆生長(zhǎng)狀態(tài)

通過(guò)對(duì)扦插苗新生器官進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比干旱條件下脯氨酸處理使新生莖葉的鮮重顯著增加了95.4%（圖2A）。對(duì)于構(gòu)成植物鮮重的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，脯氨酸處理使新生枝條長(zhǎng)度顯著增加了170.9%，而每個(gè)枝條上的平均葉片數(shù)量增加了39.9%（圖2B，C）。除了葉片數(shù)量增加外，脯氨酸處理使葉片平均葉長(zhǎng)、葉寬和葉面積分別增加了39.7%、29.1%和89%（圖2D-F）。

圖2 植株器官大小指標(biāo)

2.2 干旱條件下脯氨酸處理對(duì)白榆扦插苗光和熒光參數(shù)的影響

干旱脅迫下植物的光合作用受到抑制，光合熒光參數(shù)中最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm）、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率（Y(Ⅱ)）和光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）顯著下降，而非光化學(xué)淬滅（NPQ）顯著上升[14]。為了研究干旱環(huán)境下脯氨酸處理對(duì)白榆扦插苗光合作用的影響，我們分析了扦插苗葉片的光合熒光參數(shù)。結(jié)果表明，與對(duì)照相比脯氨酸處理后扦插苗葉片光合熒光參數(shù)中的Fv/Fm、Y(Ⅱ)和qP分別顯著下降了10.4%、9.44%和6.6%，同時(shí)使NPQ 顯著上升了6.6%。這一結(jié)果表明：脯氨酸處理后植物所受脅迫影響更加嚴(yán)重，這一結(jié)果與脯氨酸處理組植物葉片黃化現(xiàn)象相互印證（圖1A,B）。

圖3 脯氨酸處理對(duì)白榆扦插苗葉片光合熒光參數(shù)的影響

但是，這一結(jié)果與脯氨酸處理促進(jìn)植物生長(zhǎng)的結(jié)果矛盾。我們認(rèn)為脯氨酸處理后植物生物量幾乎增加了一倍，因此需水量比對(duì)照組更大。而兩組植物都是始終用劑量明顯不足的50 mL溶液處理，因此隨著兩組植物生物量的差別越來(lái)越大，脯氨酸處理組植物所受干旱脅迫也就更為嚴(yán)重。

3 討論與結(jié)論

植物的生長(zhǎng)中受到周圍不同環(huán)境的影響，在外界脅迫條件下植物的生物量積累受到抑制，表現(xiàn)為株高、葉片數(shù)、葉片大小等指標(biāo)的顯著減少[9,15]。

干旱脅迫是對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食安全的重大威脅之一，我國(guó)目前每年因旱災(zāi)造成的糧食減產(chǎn)達(dá)到50 億kg[16]。目前人們常用控制澆水量和PEG6000處理兩種方法模擬干旱環(huán)境[14]，本研究采用在土壤中控制澆水量模擬干旱脅迫，并分析脯氨酸處理對(duì)植物抵抗干旱脅迫的能力，對(duì)于指導(dǎo)林業(yè)生產(chǎn)具有很大的參考價(jià)值。

脯氨酸促進(jìn)植物生長(zhǎng)可能有幾種機(jī)制：首先脯氨酸可以作為植物的一種營(yíng)養(yǎng)劑，在植物受到逆境脅迫而影響光合作用的合成能力時(shí)作為一種外源營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充為植物生長(zhǎng)提供能量；其次脯氨酸的積累可能提高了植物滲透調(diào)節(jié)能力，從而使植物的各項(xiàng)生理功能盡可能保持穩(wěn)定。

由于脯氨酸處理組植物個(gè)體地上部分更大，植物包括蒸騰作用在內(nèi)的生理活動(dòng)需水量相比對(duì)照組更多。在封閉的環(huán)境體系中，雖然我們對(duì)于對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組澆灌同樣的水分，實(shí)際上實(shí)驗(yàn)組干旱脅迫的程度更為嚴(yán)重。因此，在開(kāi)放體系中或者在更早時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)，可能會(huì)有不同的結(jié)果。

通過(guò)本研究我們可以得到以下結(jié)論：脯氨酸處理可以顯著促進(jìn)干旱脅迫下白榆的生長(zhǎng)，這種效應(yīng)與植物光合作用沒(méi)有明確的關(guān)系。