3種外源物質對干旱脅迫下紅椿生理特性的影響

代崇雯，劉亞敏，劉玉民，李峻安，陳胤好，呂慧琳

西南大學 資源環(huán)境學院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715

干旱是全球范圍內廣泛存在且仍在不斷擴大的環(huán)境問題.干旱脅迫嚴重影響著植物的生長發(fā)育，對植物造成的傷害遠遠超過其他逆境因子[1].因此，如何緩解干旱脅迫對植物生理特性的損傷和生長的限制是現(xiàn)代植物研究的重要課題.

紅椿(ToonaciliataRoem.)主要分布于東南亞地區(qū)，是中國熱帶、亞熱帶地區(qū)的珍貴速生用材樹種，被稱為“中國桃花心木”，同時具有一定的藥用價值.紅椿在我國分布范圍較廣，但因其天然林呈零星分布，自然更新能力較差，已成為漸危樹種，被列為國家二級重點保護野生植物[2-3].目前有關干旱脅迫對紅椿的影響已有初步研究，劉球等[4]用精胺修復干旱脅迫對紅椿幼苗造成的形態(tài)和生理損傷，發(fā)現(xiàn)噴施精胺對干旱脅迫緩解作用顯著，并能提高植株持續(xù)抗旱能力.孫洪剛等[5]發(fā)現(xiàn)水分脅迫對紅椿根系生長的限制作用明顯大于苗高，對地徑限制作用不明顯；隨著脅迫程度增加，根質量比表現(xiàn)出先增大后減小，葉質量比在處理初期和中期增大，后期和末期降低，莖質量比始終保持增加的趨勢.吳際友等[6]對紅椿無性系幼苗進行干旱脅迫，發(fā)現(xiàn)重度干旱脅迫使紅椿幼苗中的含水量下降，葉綠素質量分數(shù)增高，說明紅椿無性系對干旱脅迫有較強的抗逆性.然而目前對如何緩解紅椿干旱脅迫、提高紅椿耐旱能力方面仍有待進一步研究.由于木本植物具有相對復雜的抗旱機制，本試驗選取了3種常見的干旱脅迫外源緩解物質，研究其對紅椿干旱脅迫的緩解作用，探究不同外源物質對紅椿干旱脅迫的緩解機制，以期為緩解紅椿干旱脅迫提供理論基礎.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為1年生紅椿幼苗，于2019年7月初移栽至西南大學后山苗圃.選擇苗高1.0 m，地徑1.8 cm左右的長勢均勻、無病蟲害的健康紅椿幼苗裝盆，盆缽口徑 25 cm，深20 cm，每盆裝土 5 kg，原土與泥炭土比例為2∶1，統(tǒng)一配盆墊，進行正常澆水管護.

1.2 試驗處理

2020年7月取長勢一致的健康紅椿盆栽苗澆透水后放置棚內，根據(jù)20世紀60年代以來重慶地區(qū)以輕旱和中旱為主，夏秋兩季略強的特點選擇中度干旱強度[7]并參照氣象干旱等級國家標準(GB/T20481-2006)取中度干旱(40%

表1 試驗設計與處理

1.3 各項指標測定

1) 生長指標測定2次，分別在噴施處理前和中度干旱脅迫10 d后進行，本試驗中生長指標測定間隔為27 d.用軟尺測量各植株株高，從土壤表面量至植株頂端；用游標卡尺測量地徑，測量位點選擇貼近土壤表面的基部，并用馬克筆做記號，以確保每次測量位置的準確.選取新梢往下第3～5葉序的功能葉，用游標卡尺分別測量復葉長、小葉長、小葉寬、葉柄長，每個指標重復測量6次.

1.4 主效應分析

由于各指標間綱量不同，在分析前先對數(shù)據(jù)進行標準化，再對無綱量新指標矩陣進行統(tǒng)計分析，計算主成分特征根、方差貢獻率和各指標相關系數(shù)矩陣.分析結果以特征值大于1，累積方差貢獻率大于70%為標準提取主成分，再根據(jù)主成分中各指標方差貢獻率的大小，分析外源物質緩解紅椿干旱脅迫的關鍵生理指標.

1.5 數(shù)據(jù)分析

2 結果與分析

2.1 3種外源緩解物質對紅椿幼苗生長的影響

在干旱脅迫下紅椿地徑、株高、復葉長、小葉寬生長增量出現(xiàn)顯著下降(p<0.05)，而小葉長生長增量下降無統(tǒng)計學意義(p>0.05).3種外源緩解物質的噴施能夠使紅椿生長增量整體呈現(xiàn)提升，但MeJA對地徑生長、MT對株高生長有限制作用.MT使株高以外各部分生長增量小幅提升，但差異無統(tǒng)計學意義(表2).

表2 3種外源緩解物質對紅椿幼苗生長增量的影響

小寫字母不同表示p<0.05，差異有統(tǒng)計學意義.圖1 3種外源緩解物質對干旱脅迫下紅椿葉片相對含水率的影響

2.2 3種外源緩解物質對紅椿葉片含水率的影響

葉片相對含水率可以直觀反映植株的受干旱協(xié)迫的情況.中度干旱脅迫下紅椿葉片相對含水率顯著下降(p<0.05)，降幅為7.39%.3種緩解物質中，SA和MeJA能夠顯著提高干旱脅迫下紅椿葉片的含水率(p<0.05)，增幅分別為4.63%和5.17%，而MT的提升無統(tǒng)計學意義(p>0.05)，增幅僅為2.47%(圖1).3種外源物質對紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為MeJA，SA，MT.

2.3 3種外源緩解物質對紅椿葉綠素質量分數(shù)的影響

干旱脅迫使紅椿葉綠素(Chl)質量分數(shù)顯著下降(表3)，葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和葉綠素(a+b)質量分數(shù)降幅分別為26.89%，38.25%，30.88%.噴施外源物質的處理中，SA組和MeJA組較干旱對照組出現(xiàn)上升，MT組則出現(xiàn)下降，但均未達到統(tǒng)計學意義.3種外源物質對紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為SA，MeJA，MT.

表3 3種外源緩解物質對干旱脅迫下紅椿葉綠素質量分數(shù)的影響

2.4 3種外源緩解物質對紅椿葉片滲透調節(jié)系統(tǒng)的影響

中度干旱脅迫下，紅椿葉片中可溶性糖質量分數(shù)上升(圖2a)，而淀粉質量分數(shù)顯著下降(圖2b)，可溶性糖與淀粉比值上升，增幅達到61.22%.在緩解組中，3種外源物質均使可溶性糖質量分數(shù)小幅下降，其中SA組降幅最大，相較于干旱對照組降低了18.45%.3種外源物質的緩解作用由大到小依次為SA，MeJA，MT.在降低可溶性糖質量分數(shù)的同時，3種外源物質使紅椿葉片中淀粉質量分數(shù)顯著上升，按效果由大到小依次為SA，MeJA，MT，但3種外源物質組間差異無統(tǒng)計學意義.

與對照組相比，干旱組的可溶性蛋白質量分數(shù)顯著下降(圖2c)，降幅達到了95.9%.3種外源物質中，SA和MeJA顯著提高了紅椿葉片中可溶性蛋白的質量分數(shù)，分別提升至對照組的39.35%，47.29%，MT對可溶性蛋白的提升作用較小，提升至對照組的16.25%.3種外源物質對紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為MeJA，SA，MT.

與對照組相比，中度干旱脅迫使紅椿葉片中脯氨酸質量分數(shù)顯著提升(圖2d)，增幅為122.02%.在噴施外源物質的3個處理中，噴施MT和SA的處理組葉片游離脯氨酸質量分數(shù)較對照組顯著上升，增幅分別為530.00%和579.71%；噴施MeJA的處理組脯氨酸質量分數(shù)較對照組下降，降幅達到40.99%.3種外源物質對紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為SA，MT，MeJA，而MeJA起負面作用.

小寫字母不同表示p<0.05，差異有統(tǒng)計學意義.圖2 3種外源緩解物質對干旱脅迫下紅椿葉片滲透調節(jié)物質的影響

小寫字母不同表示p<0.05，差異有統(tǒng)計學意義.圖3 3種外源緩解物質對紅椿葉片MDA質量分數(shù)的影響

2.5 3種外源緩解物質對紅椿葉片膜脂過氧化的影響

干旱脅迫使紅椿葉片中MDA質量分數(shù)顯著增加(圖3)，增幅為53.85%.3種外源物質均使MDA質量分數(shù)顯著下降，3種外源物質間緩解效果差異無統(tǒng)計學意義，與干旱對照組相比降幅在27.50%左右.3種外源物質對紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為SA，MT，MeJA.

2.6 3種外源緩解物質對紅椿葉片活性氧質量分數(shù)的影響

相較于對照組，中度干旱使紅椿葉片中活性氧過氧化氫(H2O2)質量分數(shù)顯著提升(圖4a)，增幅達到92.42%.噴施外源物質的處理組其葉片中H2O2質量分數(shù)均出現(xiàn)下降，SA和MeJA使H2O2質量分數(shù)較干旱對照組出現(xiàn)了小幅下降，但差異無統(tǒng)計學意義，降幅分別為27.09%和18.23%；MT組H2O2質量分數(shù)顯著下降，降幅達到31.36%.3種外源物質作用由大到小依次為MT，SA，MeJA.

小寫字母不同表示p<0.05，差異有統(tǒng)計學意義.圖4 3種外源緩解物質對紅椿葉片活性氧質量分數(shù)的影響

2.7 主效應分析

表4 各成分特征值及貢獻率

表5 分級指標成分因子載荷矩陣

3 討 論

干旱是制約植物生長發(fā)育的重要因素，較其他逆境因子對植物傷害更大、存在更廣泛[12-13].在干旱脅迫下，植物細胞分裂受到抑制，生物量分配傾向于地下部分，導致植株地上部分矮小、生長緩慢，各器官生長發(fā)育遲緩，而根冠比增加.同時，光合作用作為植物生產(chǎn)力形成的核心環(huán)節(jié)對水分虧缺較為敏感[14-16].在干旱脅迫下植物光合能力降低，葉片中的葉綠素分解出現(xiàn)葉色變淺發(fā)黃等表觀特征，植物可積累的生物量也隨之下降.本試驗中紅椿幼苗各部分生長增量和葉片中葉綠素質量分數(shù)均在干旱脅迫下下降，說明中度干旱脅迫限制了紅椿幼苗的生長和光合作用.在分別噴施外源物質后，SA和MeJA使紅椿生長增量得到顯著提升，但MeJA對紅椿地徑生長有明顯的限制作用，這與田力[14]的結果相似.而MT對紅椿株高有限制作用，且對其余各部分生長增量均沒有顯著提升，這可能是受到了光合能力下降的影響.在本試驗的3種外源物質中，MT對提升葉綠素質量分數(shù)的作用最弱，該組各類葉綠素質量分數(shù)較干旱對照組差異無統(tǒng)計學意義.

在干旱脅迫下，植物能夠通過調節(jié)生理代謝抵御、緩解或修復脅迫造成的傷害，這些自發(fā)的調節(jié)體現(xiàn)著植物本身的耐旱性.植物在缺水、失水條件下增加體內各類滲透調節(jié)物質質量分數(shù)，維持細胞膨壓和胞內各器官的膜透性，以保證細胞的正常生理功能[17-18].在這些滲透調節(jié)物質中，可溶性糖和脯氨酸被認為是最重要的兩類[19].可溶性糖和淀粉是植物體內非結構性碳水化合物(NSC)的重要組成部分，占比在90%以上，在一般的研究中以二者之和代指NSC質量分數(shù).在適宜條件下，植物通過光合作用儲備NSC，其質量分數(shù)受到光照強度的調節(jié)，可用于夜間、冬季、脅迫等條件下的新陳代謝和生理防御[20-21].在遭遇干旱脅迫時，植物體內淀粉分解為可溶性糖，增大細胞滲透壓以維持水分，這時可溶性糖與淀粉質量分數(shù)比值上升，而NSC質量分數(shù)隨著代謝消耗下降[22-23].本試驗中，紅椿幼苗在干旱脅迫下的可溶性糖和淀粉質量分數(shù)變化符合一般規(guī)律，可溶性糖和淀粉比值上升而NSC質量分數(shù)下降.在噴施外源物質的3個處理組中NSC質量分數(shù)出現(xiàn)上升，但可溶性糖和淀粉的比值下降，這可能是由于多種生理調節(jié)物質存在相互作用的結果.大量研究表明，干旱脅迫下植物內脯氨酸質量分數(shù)常出現(xiàn)急劇增長，這與本試驗中的結果一致：紅椿幼苗在干旱脅迫下體內脯氨酸質量分數(shù)增幅達到122.02%，在噴施MT和SA的處理中脯氨酸增幅更大，分別達到了530.00%和579.71%，這說明增加脯氨酸質量分數(shù)是紅椿調節(jié)滲透壓的重要途徑.與之相反，紅椿葉片中可溶性蛋白質量分數(shù)在干旱脅迫下反而出現(xiàn)急劇下降，在噴施外源物質后則出現(xiàn)不同程度的上升.這可能是由于木本植物與草本植物的耐旱機制存在差異.如張強等[24]對不同種源香椿在干旱脅迫下生理特征的研究中發(fā)現(xiàn)，6個種源香椿中僅有2個種源香椿在干旱脅迫下可溶性蛋白質量分數(shù)上升，其余皆出現(xiàn)下降.王晶英等[25]的研究發(fā)現(xiàn)銀中楊在干旱脅迫下葉片可溶性蛋白質量分數(shù)下降可能是由于細胞內肽酶活性增加導致蛋白質的合成受阻并加速分解.

干旱條件能夠直接導致植物細胞原生質脫水，引起細胞膜結構和透性改變等一系列傷害.MDA是植物體內膜脂過氧化作用的最終分解產(chǎn)物，其質量分數(shù)是判斷植物生物膜系統(tǒng)過氧化受損程度的重要指標[23].一般認為在干旱脅迫下MDA質量分數(shù)增幅較小的植物具有更好的耐旱性[24].在本試驗中，中度干旱條件下紅椿葉片中MDA質量分數(shù)顯著增加，說明細胞膜功能受到抑制.在噴施外源物質的3個處理組中，MDA質量分數(shù)均顯著下降，說明3種物質均能有效緩解干旱條件導致的膜脂過氧化作用，其中SA緩解作用最好，但與其他2種物質在緩解效果上差異無統(tǒng)計學意義.

4 結 論

中度干旱條件下紅椿生長受到抑制，MDA和活性氧質量分數(shù)上升，對植株造成脅迫；提高脯氨酸質量分數(shù)是紅椿調節(jié)滲透壓的重要途徑；3種外源物質中，SA和MeJA的緩解效果高于MT；MDA、活性氧可作為緩解紅椿干旱脅迫的關鍵指標.