海岸黑松和紫穗槐對(duì)間歇強(qiáng)凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲的生理響應(yīng)機(jī)制

周瑞蓮,逄金強(qiáng),宋 玉

魯東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 煙臺(tái) 264025

陸、海、風(fēng)三種介質(zhì)相互作用形成了海岸風(fēng)沙環(huán)境,其大風(fēng)及強(qiáng)海風(fēng)常常使植株遭受機(jī)械損傷,尤其是攜帶高能沙粒的風(fēng)沙流氣流[1],其對(duì)植物的損害程度要比凈風(fēng)強(qiáng)數(shù)倍到數(shù)十倍[2]。風(fēng)沙流吹襲在引發(fā)植物機(jī)械損傷和磨蝕危害外,還可引發(fā)組織脫水并迅速導(dǎo)致那些耐受力較弱植物的生長(zhǎng)衰退直至死亡[1—3]。因此,風(fēng)沙環(huán)境與干旱、鹽堿、高溫環(huán)境一樣,都屬于極端環(huán)境,風(fēng)沙流吹襲也是一種環(huán)境脅迫[1]。然而在海岸風(fēng)沙環(huán)境卻生活著一些可抵御海風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫的防風(fēng)固沙樹(shù)種。關(guān)于防風(fēng)樹(shù)種是如何忍受風(fēng)沙流吹襲而生存、其生存對(duì)策及抗風(fēng)生長(zhǎng)生理機(jī)制、風(fēng)沙流吹襲后恢復(fù)生長(zhǎng)的自愈修復(fù)生理調(diào)節(jié),目前尚不清楚。

關(guān)于植物對(duì)逆境脅迫的生理適應(yīng)機(jī)制研究發(fā)現(xiàn),低溫[4]、干旱[5—7]、鹽堿[8—9]、沙埋[10—11]等環(huán)境脅迫均引發(fā)植物葉片細(xì)胞失水而導(dǎo)致滲透脅迫。一方面,滲透脅迫引發(fā)活性氧自由基積累并破壞氧自由基代謝平衡,引起細(xì)胞膜脂過(guò)氧化,但同時(shí)積累的活性氧自由基可激活體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng),增強(qiáng)抗氧化酶活力(SOD、CAT、POD等)、抑制氧自由基積累、防止膜脂過(guò)氧化并及時(shí)修復(fù)受損細(xì)胞[4—5]。另一方面,滲透脅迫會(huì)使植物快速積累一些小分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿)降低水勢(shì),維護(hù)膨壓,進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)[12—14]。 因此,低溫、干旱、鹽堿和沙埋脅迫下,植物滲透調(diào)節(jié)功能和抗氧化酶防御功能在植物抗逆生理中起重要作用。另外,植物不僅對(duì)逆境脅迫具有較強(qiáng)的生理適應(yīng)調(diào)控作用, 而且在脅迫解除后還具有較強(qiáng)的生理調(diào)控可塑性。研究發(fā)現(xiàn),在反復(fù)干旱復(fù)水處理中,差巴嘎蒿[14—15]、節(jié)節(jié)麥[16]、小冠花[17]葉片含水量在干旱脅迫時(shí)下降,恢復(fù)供水后上升,同時(shí)其葉片MDA和脯氨酸含量及SOD、POD、CAT活力在干旱脅迫中增加,在復(fù)水后下降并恢復(fù)到對(duì)照。研究認(rèn)為,植物對(duì)缺水有很強(qiáng)的補(bǔ)償性,對(duì)干旱脅迫造成的損傷具有較高的自愈修復(fù)能力[10,16]和抗逆生理可塑性。但目前尚不清楚防風(fēng)固沙植物是如何面對(duì)自然強(qiáng)陣風(fēng)吹襲, 其抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物是否參與其強(qiáng)風(fēng)吹襲后細(xì)胞的自愈修復(fù)。

目前關(guān)于植物對(duì)風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲的響應(yīng)機(jī)制已有一些報(bào)道。人們研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)沙吹襲不僅影響地上部枝系構(gòu)型、枝葉形態(tài)與組織[18—19],而且還通過(guò)影響大氣溫濕度和空氣流動(dòng),影響植物氣孔調(diào)節(jié)作用[20—21],以及抗逆生理代謝[22—23]。研究發(fā)現(xiàn),強(qiáng)風(fēng)沙流吹襲造成霸王[22]、樟子松[23]、玉米[24]葉片RWC下降、膜脂過(guò)氧化加劇和細(xì)胞膜受損。同時(shí)風(fēng)吹襲還引發(fā)植物POD活力和可溶性糖、脯氨酸含量的增加以減輕細(xì)胞膜傷害,維持細(xì)胞正常膨壓[22—24]。而目前就風(fēng)和風(fēng)沙流的研究?jī)?nèi)容,則主要集中在對(duì)植物的傷害結(jié)果及單次風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲過(guò)程中引發(fā)的生理變化及適應(yīng)機(jī)制,而對(duì)多次風(fēng)沙流吹襲對(duì)植物抗逆生理的影響、及風(fēng)后植物修復(fù)機(jī)制尚未研究。就研究方法,人們利用野外調(diào)查法獲得風(fēng)沙流吹襲對(duì)植物形態(tài)和植被物種豐富度、植被蓋度影響的結(jié)果[9,25]；或通過(guò)風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)吹襲處理獲得風(fēng)傷害結(jié)果[19,26]；或通過(guò)風(fēng)沙洞法定量研究風(fēng)速大小與植物生理代謝變化的關(guān)系[20—24]。由于風(fēng)沙洞法能定量控制風(fēng)速可真實(shí)模擬自然風(fēng)環(huán)境而被應(yīng)用[20—24]。但目前用風(fēng)沙洞法對(duì)植物的研究?jī)H限于揭示不同風(fēng)速風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲過(guò)程中植物生理變化與其抗風(fēng)力關(guān)系,而尚不了解風(fēng)沙流處理后植物恢復(fù)生長(zhǎng)的修復(fù)機(jī)制。

紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.豆科落葉灌木)和黑松(PinusthunbergiiParl.常綠喬木)為兩個(gè)不同科屬樹(shù)種。但均抗海風(fēng)、耐干旱、抗風(fēng)沙流是海岸防風(fēng)林帶建設(shè)的重要首選樹(shù)種[27]。對(duì)兩防風(fēng)樹(shù)種抗逆生理機(jī)制研究發(fā)現(xiàn),黑松幼苗在一定海水濃度范圍和脅迫時(shí)間內(nèi)MDA含量、SOD和POD活力增高[28—29]。紫穗槐在干旱脅迫下,隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加,其葉片脯氨酸、 MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率增大[30—31]。可見(jiàn)滲透調(diào)節(jié)作用和抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)參與了兩樹(shù)種抗鹽、抗旱生理調(diào)控作用。由于不同脅迫環(huán)境作用于植物時(shí)都會(huì)發(fā)生滲透脅迫[32], 而風(fēng)沙流脅迫常引發(fā)葉片大量失水[23—24,32],目前尚不清楚在風(fēng)吹襲中抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)是否參與了防風(fēng)固沙植物抗脫水和抗風(fēng)生長(zhǎng)的生理調(diào)節(jié),以及風(fēng)后恢復(fù)生長(zhǎng)的自愈修復(fù)生理調(diào)節(jié)。

本研究以黑松和紫穗槐為材料,利用野外便攜式沙風(fēng)洞用間歇風(fēng)吹模擬自然陣風(fēng),通過(guò)測(cè)定在強(qiáng)風(fēng)(18m/s)凈風(fēng)吹襲和風(fēng)沙流吹襲過(guò)程中及吹襲后24h恢復(fù)期兩樹(shù)種葉片RWC、膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物含量(MDA)、滲透調(diào)節(jié)物含量(脯氨酸、可溶性糖)、抗氧化保護(hù)酶(CAT、POD、SOD)活力等指標(biāo)的變化,以探討兩樹(shù)種對(duì)自然強(qiáng)陣風(fēng)吹襲的生理響應(yīng)規(guī)律,探討生理可塑性在自愈修復(fù)和適應(yīng)自然陣風(fēng)吹襲中作用。通過(guò)對(duì)比兩不同科屬植物形態(tài)、生物學(xué)特性、抗逆生理指標(biāo)變化的差異揭示植株形態(tài)與生理變化在抗風(fēng)中作用。該研究不僅可以拓展極端環(huán)境植物逆境生理生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域,而且研究成果可極大地豐富沙漠生態(tài)學(xué)和沙漠化防治學(xué)的理論,而且對(duì)于抗風(fēng)和耐風(fēng)沙流植物的篩選和培育具有一定理論指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況：

煙臺(tái)市地處山東半島中部,位于東經(jīng)119°34′—121°57′,北緯36°16′—38°23′。該地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候,空氣濕潤(rùn),氣候溫和。年平均降水量為651.9mm,主要集中在7—8月；年平均氣溫11.8℃,最熱月為8月(24.6℃)；年平均相對(duì)濕度68%；年平均風(fēng)速內(nèi)陸地區(qū)3—4m/s,沿海地區(qū)4—6m/s。煙臺(tái)沿海防護(hù)林自然保護(hù)區(qū)是我國(guó)第一個(gè)以沿?；闪謳橹饕稚鷳B(tài)系統(tǒng),黑松和紫穗槐是煙臺(tái)地區(qū)沙質(zhì)海岸基干林帶的主要造林樹(shù)種。

1.2 材料培養(yǎng)：

黑松苗購(gòu)置于山東乳山市桑行埠村黑松苗圃。紫穗槐苗購(gòu)置于煙臺(tái)苗圃。所需試驗(yàn)材料在試驗(yàn)前一年秋季(2017年11月)從苗圃公司購(gòu)買。購(gòu)買的株高40cm黑松(主莖粗2cm)和紫穗槐(主莖粗1.5cm)幼苗用盆栽法培養(yǎng)在魯東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物園中越冬以排除移栽帶來(lái)的傷害并獲得生長(zhǎng)健壯的幼苗。

具體操作為,將幼苗分別移栽在30cm×30cm×25cm(直徑×直徑×高)的花盆中?；ㄅ柚型寥∽陨飯@土壤表土和西泊子海岸沙地的沙子,并按2∶1比例混勻成沙土裝入各盆中,以保證各盆中土質(zhì)一致和接近黑松和紫穗槐原生長(zhǎng)地的沙質(zhì)土壤。在生物園試驗(yàn)地平行挖四行寬30cm深度25cm的溝,將花盆擺放在深溝中,用周圍的土填充盆間隙,并拍實(shí)盆周圍的土。移栽后馬上給花盆注滿水,在冬季和春季定時(shí)給花盆澆水,并清除盆內(nèi)外雜草。

1.3 風(fēng)吹試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)70cm 高風(fēng)沙洞風(fēng)吹裝置,在風(fēng)吹處理前一晚,從試驗(yàn)地中挑選生長(zhǎng)勢(shì),株高基本一致(約50cm)的盆栽黑松和紫穗槐幼苗,將其從試驗(yàn)地各挖出12盆(對(duì)照、凈風(fēng)處理組、風(fēng)沙流處理組各4盆)搬到實(shí)驗(yàn)室,各盆澆等量水。同時(shí)對(duì)花盆做標(biāo)記,以利于同盆植物進(jìn)行連續(xù)間歇風(fēng)吹試驗(yàn)。另外,對(duì)植株做標(biāo)記,在植株莖稈4/5和2/5處進(jìn)行標(biāo)記作為取樣區(qū)域。

風(fēng)吹處理分為凈風(fēng)吹襲和風(fēng)沙流吹襲,凈風(fēng)吹即風(fēng)吹襲中沒(méi)有沙粒,風(fēng)沙流吹襲即在風(fēng)吹襲中加入了沙粒。 風(fēng)吹強(qiáng)度設(shè)為大風(fēng)(18 m/s)相當(dāng)于8 級(jí)風(fēng),18m/s風(fēng)沙流強(qiáng)度為172.93g cm-1min-1。風(fēng)吹設(shè)備為野外便攜式沙風(fēng)洞(專利號(hào):ZL 2008 10182207X)。間歇風(fēng)吹襲處理,由于植物對(duì)脅迫的生理響應(yīng)較快,同時(shí)日間不同時(shí)間植物生理代謝不同,故間歇風(fēng)吹襲采用在每天同一時(shí)間進(jìn)行以排除植物生理影響。風(fēng)吹襲時(shí)將標(biāo)記的花盆放入風(fēng)沙洞中,在第一天早8：00用凈風(fēng)或風(fēng)沙流(18m/s)吹襲20min后,將花盆從風(fēng)沙洞中取出、澆水、置生物園自然環(huán)境下恢復(fù)24h,在第二天、第三天早8：00重復(fù)該過(guò)程。每個(gè)處理4個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)為一盆幼株,每盆含2株幼樹(shù)。

1.4 試驗(yàn)取材及試驗(yàn)方法

取樣時(shí)間和順序, 第一天早7:00從不同處理組植株上取樣記為處理前,在8：00進(jìn)行凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲20min后取樣記為第一次風(fēng)吹；在隨后的第二天、第三天、第四天早7：00點(diǎn)取樣分別記為恢復(fù)期1、恢復(fù)期2、恢復(fù)期3；在早8：00進(jìn)行凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲20min后取樣分別記為第二次風(fēng)吹和第三次風(fēng)吹。試驗(yàn)取材均在風(fēng)吹襲處理前(7:00)、處理后(8:20),在植株采集樣品區(qū)域用剪刀剪取葉片。一部分葉片快速包裹放到液氮中固定,帶回實(shí)驗(yàn)室保存在超低溫冰箱中,用于抗氧化酶活力、滲透調(diào)節(jié)物含量、丙二醛含量的測(cè)定；另一部分立刻測(cè)定葉片RWC。各生理指標(biāo)的測(cè)定重復(fù)5次以上。

酶液提取是在4 ℃條件下進(jìn)行的,準(zhǔn)確稱取1.5 g液氮固定的葉片于預(yù)冷研缽中,加入酶提取液(pH值=7.8磷酸緩沖液),冰浴上研磨成勻漿,在15000 r/min 4 ℃條件下離心15 min,上清液用于抗氧化酶活力和脯氨酸、可溶性糖和MDA含量的測(cè)定。

采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD活性[33]；采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法測(cè)定SOD活性[34]；采用過(guò)氧化氫-碘量法測(cè)定CAT活力[35]。采用茚三酮比色法測(cè)定游離脯氨酸含量[33]、采用蒽酮法測(cè)定可溶性糖含量[33]、采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA含量[33]、采用稱重法測(cè)定相對(duì)含水量[33]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用3個(gè)以上重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)。應(yīng)用SPSS 20 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 間歇風(fēng)吹對(duì)黑松和紫穗槐葉片RWC的影響

自然狀態(tài)下,紫穗槐和黑松葉片RWC差異不顯著,但在間歇風(fēng)吹襲處理中,葉片RWC差異顯著(P<0.05),尤其在第三次風(fēng)沙流吹襲后,黑松葉片RWC較紫穗槐高63.8%。

兩樹(shù)種在間歇風(fēng)吹襲處理中葉片RWC變化不同(圖1)。黑松葉片RWC隨著凈風(fēng)吹襲次數(shù)的增多變化較小,隨風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多呈小幅下降趨勢(shì),并且風(fēng)吹襲和恢復(fù)期葉片RWC差異不明顯,但風(fēng)沙流吹襲組葉片RWC與對(duì)照差異顯著(P<0.05)(圖1)。隨著凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)的增多,紫穗槐葉片RWC顯著下降,并均與對(duì)照差異顯著(P<0.05),其中風(fēng)沙流吹襲葉片RWC下降幅度顯著大于凈風(fēng)吹襲,而且葉片RWC在風(fēng)吹襲時(shí)下降,在恢復(fù)期上升,且兩者葉片RWC差異顯著(P<0.05)(圖1)。如,在第二、第三次凈風(fēng)吹襲中葉片RWC較之前處理分別降低9.1%和16.5%、恢復(fù)期增加9.6%和15.3%；在第二、第三次風(fēng)沙流吹襲中葉片RWC較之前處理降低30.5%和38.2%、恢復(fù)期增加41.6%和57.2%。

圖1 間歇風(fēng)吹處理中黑松和紫穗槐葉片RWC變化Fig.1 Changes of the relative water content in the leaves of A.fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing 不同小寫字母表示同一種風(fēng)吹襲下,間歇風(fēng)吹處理間之間差異顯著(P<0.05)

2.2 間歇風(fēng)吹對(duì)黑松和紫穗槐葉片膜脂過(guò)氧化的影響

自然狀態(tài)和間歇風(fēng)吹襲后,紫穗槐葉片MDA含量均高于黑松,且兩者差異顯著(P<0.05)(圖2)。自然狀況下,紫穗槐葉片MDA含量較黑松高93.3%,在間歇風(fēng)吹襲后紫穗槐葉片MDA含量較黑松高78.43%。

兩樹(shù)種在間歇風(fēng)吹襲中葉片 MDA含量變化趨勢(shì)相同,均表現(xiàn)為在第一次風(fēng)吹襲時(shí)增高,并與對(duì)照差異顯著(P<0.05),在隨后風(fēng)吹襲中趨于下降。在間歇凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲中,葉片MDA含量在風(fēng)吹襲時(shí)上升,在恢復(fù)期下降(圖2)。如,在第二、第三次間歇風(fēng)沙流處理時(shí),黑松葉片MDA含量在風(fēng)吹襲中分別增加15.1%、36.1%,在恢復(fù)期分別下降37.7%、26.9%；紫穗槐葉片MDA含量在風(fēng)吹襲中分別增加16.7%、13.9%,在恢復(fù)期分別下降28.2%、22.4%。而且,風(fēng)吹襲和恢復(fù)期葉片MDA差異顯著(P<0.05)。所不同的是,黑松風(fēng)沙流吹襲組葉片MDA含量高于凈風(fēng)吹襲,而紫穗槐風(fēng)沙流吹襲組葉片MDA含量低于凈風(fēng)吹襲組。該結(jié)果與對(duì)玉米[24]和霸王[22]的研究一致,研究發(fā)現(xiàn),隨著風(fēng)沙流吹襲強(qiáng)度的增大,葉片MDA含量趨于下降[12,15]。

圖2 間歇風(fēng)吹處理中黑松和紫穗槐葉片MDA含量的變化Fig. 2 Changes of the MDA content in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

2.3 間歇風(fēng)吹對(duì)黑松和紫穗槐葉片滲透調(diào)節(jié)物含量的影響

自然狀態(tài)和間歇風(fēng)吹襲后,黑松葉片可溶性糖含量均高于紫穗槐,且兩者差異顯著(P<0.05)。自然狀態(tài)下黑松葉片可溶性糖含量較紫穗槐高111.5%,凈風(fēng)吹襲下黑松葉片平均可溶性糖含量較紫穗槐高76.1%,風(fēng)沙流吹襲下高94.8%(圖3)。

兩樹(shù)種在間歇風(fēng)吹襲中葉片可溶性糖含量變化趨勢(shì)略相似。隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多,黑松葉片可溶性糖含量呈波動(dòng)式變化,并在風(fēng)吹襲時(shí)上升,在恢復(fù)期下降,但可溶性糖含量一直維持較高(圖3)。而紫穗槐葉片可溶性糖含量隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多呈小幅增加,并在風(fēng)吹襲時(shí)上升,在恢復(fù)期下降,但可溶性糖含量一直較低。如，第二、第三次間歇凈風(fēng)吹襲中,黑松葉片可溶性糖在風(fēng)吹襲中分別增加3.9%、8.2%,在恢復(fù)期分別下降3.2%、14.2%；紫穗槐葉片可溶性糖在風(fēng)吹襲中分別增加28.9%、32.2%,在恢復(fù)期分別下降20.3%、24.6%。而且凈風(fēng)處理組和風(fēng)沙流處理組葉片可溶性糖含量差異明顯(P<0.05)。

圖3 間歇風(fēng)吹處理中黑松和紫穗槐葉片可溶性糖含量的變化Fig.3 Changes of soluble sugar content in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

在自然狀態(tài)和間歇吹襲后,紫穗槐和黑松葉片脯氨酸含量差異顯著(P<0.05)。自然狀況下,紫穗槐葉片脯氨酸含量較黑松高78.6%,在間歇風(fēng)吹襲中,紫穗槐葉片平均脯氨酸含量在凈風(fēng)吹襲后較黑松高249.3%,在風(fēng)沙流吹襲后較黑松高189.5%(圖4)。

兩樹(shù)種在間歇風(fēng)吹襲中葉片脯氨酸含量變化趨勢(shì)明顯不同。隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多,黑松葉片脯氨酸含量先小幅降低而后平穩(wěn),其中凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲導(dǎo)致葉片平均脯氨酸含量較對(duì)照分別下降40.5%、28.6%,并與對(duì)照差異顯著(P<0.05),其葉片脯氨酸含量?jī)H在凈風(fēng)吹襲時(shí)上升,在恢復(fù)期略下降(圖4)。而紫穗槐葉片脯氨酸含量隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多呈增加趨勢(shì),并與對(duì)照差異顯著(P<0.05),葉片脯氨酸含量在風(fēng)吹襲中增加,在恢復(fù)期下降,且兩者間差異顯著(P<0.05)。如,在第二次間隙凈風(fēng)吹襲中,黑松葉片脯氨酸在風(fēng)吹襲中增加16.0%,在恢復(fù)期下降33.6%；紫穗槐葉片脯氨酸在風(fēng)吹襲中增加49.9%,在恢復(fù)期下降28.5%。但值得注意,在第三次凈風(fēng)和風(fēng)沙流處理后的恢復(fù)期黑松和紫穗槐葉片脯氨酸均增高。

圖4 間歇風(fēng)吹下黑松和紫穗槐葉片脯氨酸含量的變化Fig.4 Changes of proline content in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

2.4 間歇風(fēng)吹對(duì)黑松和紫穗槐葉片抗氧化酶活力的影響

自然狀態(tài)下,紫穗槐和黑松葉片POD活力差異顯著,紫穗槐葉片POD活力較黑松高6.5倍(P<0.05)(圖5)。間歇風(fēng)吹后兩樹(shù)種葉片平均POD活力差異加大,如,在凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲后紫穗槐葉片平均POD活力較黑松高20倍、11倍(圖5)。

兩樹(shù)種在間歇風(fēng)吹襲中葉片POD活力變化趨勢(shì)明顯不同。隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多,黑松葉片POD活力呈現(xiàn)出波動(dòng)式變化,且低于對(duì)照(凈風(fēng)吹襲),其POD活力在風(fēng)吹襲中下降,在恢復(fù)期升高。而紫穗槐隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多,其葉片POD活力呈增加趨勢(shì)(尤其是凈風(fēng)吹襲),高于對(duì)照,且與對(duì)照差異顯著(P<0.05),葉片POD活力在風(fēng)吹襲和恢復(fù)期均增高(圖5)。如,在第二、第三次間隙凈風(fēng)吹襲中,黑松葉片POD活力在風(fēng)吹襲中下降4.5%和20.3%,在恢復(fù)期增加11.1%和6.9%；紫穗槐葉片POD活力在風(fēng)吹襲中增加3.9%和23.9%,在恢復(fù)期增加13.1%和22.2%。

圖5 間歇風(fēng)吹處理中黑松和紫穗槐葉片過(guò)氧化物酶活力的變化Fig.5 Changes of peroxidase activity in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

自然狀態(tài)下,紫穗槐葉片CAT活力較黑松高118.8%,間歇風(fēng)吹襲中,兩樹(shù)種葉片CAT活力差異加大,兩者差異顯著(P<0.05)(圖6)。經(jīng)間歇凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲的紫穗槐葉片平均CAT活力較黑松高580.7% 和346.4%。

圖6 間歇風(fēng)吹處理中黑松和紫穗槐葉片過(guò)氧化氫酶活力的變化Fig.6 Changes of catalase activity in the leaves of A. fruticosa. and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

兩樹(shù)種在間歇風(fēng)吹襲中葉片CAT活力變化趨勢(shì)明顯不同。隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多,黑松葉片CAT活力呈現(xiàn)先大幅增高(107.7%, 193.76%),隨后趨于下降,且在第一、第二風(fēng)吹襲中葉片CAT活力與對(duì)照差異顯著(P<0.05),而且黑松葉片CAT活力在風(fēng)吹襲時(shí)增加,在恢復(fù)期下降,風(fēng)處理與恢復(fù)期葉片CAT活力差異顯著(P<0.05)(圖6)。隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多,紫穗槐葉片CAT活力呈持續(xù)大幅增高趨勢(shì),且高于對(duì)照,并與對(duì)照差異顯著(P<0.05)(圖6),并且,葉片CAT活力在風(fēng)吹襲和恢復(fù)期均增高。如,在第二、第三次凈風(fēng)吹襲中,黑松葉片CAT活力在風(fēng)吹襲中增高42.2%和33.8%,在恢復(fù)期下降230.9%和74.1%；紫穗槐葉片CAT活力在風(fēng)吹襲中增加13.8%和10.6%,在恢復(fù)期增加18.9%和10.3%。紫穗槐在間歇凈風(fēng)吹襲處理中葉片CAT活力較風(fēng)沙流處理高。

自然狀態(tài)下,紫穗槐和黑松葉片SOD活力差異顯著(P<0.05)(圖7),黑松葉片SOD活力較紫穗槐高28.2%,差異顯著,但在間歇凈風(fēng)和風(fēng)沙流處理后兩者差異減小,SOD活力差異不顯著。

兩樹(shù)種在間歇風(fēng)吹襲中葉片SOD活力變化趨勢(shì)明顯不同。隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多,黑松葉片SOD活力雖有波動(dòng),但風(fēng)吹襲和恢復(fù)期葉片SOD活力(除第三次風(fēng)吹襲)變化不明顯,而且在凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲下的黑松葉片SOD活力差異不顯著(圖7)。隨凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多,紫穗槐葉片SOD活力呈先下降后大幅增高趨勢(shì),并與對(duì)照差異顯著(P<0.05),并SOD活力在風(fēng)吹襲中下降,在恢復(fù)期增加(圖7)。如，在第二、第三次間歇凈風(fēng)吹襲中,紫穗槐葉片SOD活力在風(fēng)吹襲中下降7.5% 、14.6%,在恢復(fù)期增高16.6%、9.3%,且兩者間葉片SOD活力差異顯著(P<0.05)。另外,間歇凈風(fēng)吹襲的葉片SOD活力高于間歇風(fēng)沙流吹襲的。

圖7 間歇風(fēng)吹處理中黑松和紫穗槐葉片過(guò)氧化物歧化酶活力的變化Fig.7 Changes of superoxide dismutase activity in the leaves of A. fruticosa and P. thunbergii under interval treatments of strong wind blowing or wind-drift blowing

3 討論與結(jié)論

自然狀況下,海岸帶植物常受季節(jié)性強(qiáng)海風(fēng)及風(fēng)沙流吹襲的影響,忍受間斷性和季節(jié)性強(qiáng)海風(fēng)及風(fēng)沙流吹襲,以及風(fēng)吹襲后快速恢復(fù)生長(zhǎng)可能是其在海岸帶生存的關(guān)鍵。然而關(guān)于它們?nèi)绾蔚钟鶑?qiáng)海風(fēng)吹襲及風(fēng)后恢復(fù)生長(zhǎng)的生理調(diào)控機(jī)理目前尚不清晰。

3.1 持水力在植物抗風(fēng)生長(zhǎng)中作用

Levitt曾指出,不同脅迫環(huán)境作用于植物時(shí)都會(huì)發(fā)生水脅迫(滲透脅迫),滲透脅迫導(dǎo)致細(xì)胞失水、膨壓?jiǎn)适?最終造成細(xì)胞死亡[32]。本研究結(jié)果表明,兩科屬不同的樹(shù)種在自然狀況下葉片RWC差異不顯著,但在間歇凈風(fēng)和風(fēng)沙流處理中,兩樹(shù)種葉片RWC不僅在風(fēng)吹襲時(shí)差異較大, 而且在恢復(fù)期變化也不同(圖1)。在風(fēng)吹襲中,黑松葉片RWC下降幅度較小而RWC較高,紫穗槐葉片RWC下降幅度大而RWC較低；在恢復(fù)期,黑松葉片RWC無(wú)明顯回升,而紫穗槐葉片RWC回升明顯。一些研究也發(fā)現(xiàn),風(fēng)不僅對(duì)植物外部直接造成機(jī)械損傷,還間接通過(guò)改變植物周圍的空氣環(huán)境,導(dǎo)致植物內(nèi)部葉片失水形成生理干旱[24]。沙生植物在中強(qiáng)度風(fēng)沙流吹襲下,葉片凈光合速率和日均蒸騰速率增加,并指出風(fēng)吹襲引發(fā)蒸騰速率加大是葉片水分丟失和水分脅迫產(chǎn)生的原因[20—21, 26]。本研究一方面說(shuō)明,強(qiáng)風(fēng)吹襲引發(fā)空氣流動(dòng)加大和空氣蒸氣壓增加,而使葉內(nèi)外蒸氣壓差增大導(dǎo)致葉片蒸騰速率增高而引發(fā)葉片失水,同時(shí)風(fēng)沙流吹襲對(duì)葉片的磨蝕造成葉片表皮受損引發(fā)角質(zhì)層蒸騰更加劇了葉片水分丟失[36]。而風(fēng)沙流吹襲引發(fā)的植株劇烈搖擺阻礙水分運(yùn)輸,這可能是造成葉片失水和水分虧缺的另一原因。另一方面說(shuō)明,兩樹(shù)種葉片持水力和維護(hù)水分平衡策略不同，這可能與其葉片特性差異相關(guān)。黑松披針形葉,不僅葉面積小,日間葉片受光輻射少,葉片升溫慢,而且疏風(fēng)也會(huì)降低葉溫,從而降低葉片蒸騰速率,減少葉片水分丟失。加之黑松針葉表面附有油脂層可防蒸發(fā),使其持水力較強(qiáng)。相比之下,紫穗槐葉片大而薄,但由于植株枝葉茂密且層層疊加交互遮陰,降低了葉片水分丟失而使其葉片持水力較高,但在風(fēng)吹襲時(shí),較大的葉片不僅易形成空氣阻力加大風(fēng)對(duì)植物的機(jī)械損害,而且較大的葉面積也易引發(fā)葉片蒸騰速率增高和水分流失,而降低其持水力[20—21,26]。有研究發(fā)現(xiàn),差巴嘎蒿在反復(fù)干旱復(fù)水處理中葉片含水量會(huì)在干旱脅迫中下降,在復(fù)水時(shí)上升[14—15]。紫穗槐在干旱脅迫下葉片水分下降,在復(fù)水時(shí)上升[31]。并認(rèn)為植物對(duì)干旱脅迫造成的損傷具有較高的修復(fù)能力,植物對(duì)缺水有很強(qiáng)的補(bǔ)償性[14—16]。因此,盡管紫穗槐葉片較大,易受風(fēng)吹影響而導(dǎo)致蒸騰失水和細(xì)胞生理干旱,但較大的葉片生理代謝活動(dòng)也強(qiáng),在風(fēng)后恢復(fù)供水時(shí)細(xì)胞能快速啟動(dòng)對(duì)缺水的補(bǔ)償作用,使其葉片RWC增高?？梢?jiàn),紫穗槐風(fēng)后對(duì)缺水的補(bǔ)償性可能是一種自我修復(fù)機(jī)制,它在維護(hù)葉片水分平衡上起重要生理調(diào)控作用,也是紫穗槐能成為防風(fēng)固沙植物的關(guān)鍵。研究表明,黑松葉片較強(qiáng)的持水力和紫穗槐葉片對(duì)缺水的補(bǔ)償力可能是其適應(yīng)強(qiáng)海風(fēng)吹襲而生存的關(guān)鍵。盡管不同科屬樹(shù)種維護(hù)葉片水分平衡策略不同,但防止細(xì)胞水分虧缺在植物抗風(fēng)生長(zhǎng)和生存中起重要作用。

3.2 滲透調(diào)節(jié)物在植物缺水補(bǔ)償中作用及與抗風(fēng)生長(zhǎng)關(guān)系

本研究結(jié)果表明,在自然狀況下,黑松葉片中可溶性糖含量較紫穗槐高111.5%(圖3),而紫穗槐脯氨酸含量則較黑松高78.6%(圖4)。在間歇凈風(fēng)和風(fēng)沙流處理中,黑松在風(fēng)吹襲中伴隨葉片RWC下降,可溶性糖含量的上升,在恢復(fù)期伴隨葉片RWC穩(wěn)定而可溶性糖的下降；而紫穗槐在風(fēng)吹襲中伴隨葉片RWC大幅度下降,脯氨酸和可溶性糖含量上升,在恢復(fù)期伴隨著葉片RWC回升,而脯氨酸和可溶性糖含量下降。大量研究發(fā)現(xiàn),植物對(duì)于環(huán)境水分狀況的敏感性很高,在生理和細(xì)胞及分子水平上都有很快的響應(yīng)變化[7—8]。差巴嘎蒿[14]、節(jié)節(jié)麥[16]在干旱脅迫中,不僅葉片水分下降,而且脯氨酸含量呈持續(xù)增加；在復(fù)水后,葉片含水量上升、脯氨酸下降回到正常水平。植物可通過(guò)滲透調(diào)節(jié)可塑性變化適應(yīng)干旱生境[16]。本研究結(jié)果表明,(1)自然狀況下和間歇風(fēng)吹襲處理中參與維護(hù)兩樹(shù)種水分平衡的滲透調(diào)節(jié)物種類是不同的,黑松依賴可溶性糖,而紫穗槐依賴脯氨酸。對(duì)沙生植物的研究發(fā)現(xiàn),自然狀況下,扁蓿豆葉片日均脯氨酸含量最高,較黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜高1—7倍。黃柳葉片日均可溶性糖含量最高,較差巴嘎蒿、豬毛菜、扁蓿豆高2—5倍。差巴嘎蒿和豬毛菜葉片脯氨酸和可溶性糖含量均最低[37—38]。并指出不同科屬沙生植物滲透調(diào)節(jié)物種類的差異可能與其科屬間植物基礎(chǔ)代謝不同有關(guān)。豆科植物主要將光合產(chǎn)物用于蛋白質(zhì)合成,日間光照和氣溫變化引發(fā)葉片蛋白質(zhì)代謝受阻導(dǎo)致脯氨酸氧化受抑而積累[37]。相反,黃柳和冰草主要將光合產(chǎn)物用于淀粉合成,日間光照和氣溫增高引發(fā)葉片缺水導(dǎo)致代謝受阻使可溶性糖積累[37—38]。因此,盡管基礎(chǔ)代謝的差異導(dǎo)致兩樹(shù)種具有不同的滲透調(diào)節(jié)物種類維護(hù)細(xì)胞水分平衡,但這也表明維護(hù)細(xì)胞水分平衡在植物適應(yīng)風(fēng)吹襲和抗風(fēng)生長(zhǎng)中是至關(guān)重要的。(2)間歇風(fēng)吹處理中,兩樹(shù)種葉片滲透調(diào)節(jié)物含量的變化與其水分變化相關(guān)。如,在間歇風(fēng)沙流處理中,黑松葉片平均RWC下降14.5%,可溶糖含量增加15.9%；而紫穗槐葉片平均RWC下降45.9%,可溶性糖含量增加25.9%,脯氨酸含量增加32.4%?？梢?jiàn),風(fēng)吹襲引發(fā)葉片失水促進(jìn)了葉片滲透調(diào)節(jié)物的積累,而葉中積累的可溶性糖和脯氨酸在維護(hù)黑松和紫穗槐葉片水分平衡中起重要作用。(3)在恢復(fù)期,紫穗槐葉片水分對(duì)虧缺的補(bǔ)償作用與風(fēng)吹襲中脯氨酸和可溶性糖的積累密切相關(guān)。如,在第三次間歇凈風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲中,黑松可溶性糖提高8.9%和11.7%,在恢復(fù)期葉片RWC穩(wěn)定。在第二和三次間歇凈風(fēng)吹襲中,紫穗槐可溶性糖含量提高了28.9%、32.3%；脯氨酸含量提高49.8%、47.0%；風(fēng)后相應(yīng)恢復(fù)期葉片RWC分別較風(fēng)吹襲增加9.6% 和15.3%。由于這些有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物可通過(guò)提高細(xì)胞液濃度、降低滲透勢(shì)而增加細(xì)胞吸水力,使其在風(fēng)后恢復(fù)期葉片RWC增高和水分平衡得以修復(fù)。可見(jiàn),滲透調(diào)節(jié)物是植物對(duì)缺水補(bǔ)償性作用的物質(zhì)基礎(chǔ)。盡管科屬不同的兩樹(shù)種具有不同的滲透調(diào)節(jié)物種類,但它們?cè)陂g歇風(fēng)吹襲中隨水分多寡的變化顯示了兩樹(shù)種具有較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)可塑性。滲透調(diào)節(jié)可塑性通過(guò)維護(hù)水分平衡而在兩樹(shù)種抗風(fēng)生長(zhǎng)中起重要生理保護(hù)作用。

3.3 抗氧化酶在植物缺水補(bǔ)償中作用及與抗風(fēng)生長(zhǎng)關(guān)系

對(duì)黑松和紫穗槐在自然狀況下和間歇凈風(fēng)和風(fēng)沙流處理中葉片膜脂過(guò)氧化程度和抗氧化酶活力變化對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),首先,自然狀況下紫穗槐葉片MDA含量,CAT、POD活力分別較黑松高93.3%、118.8%、6.5倍,而黑松葉片SOD活力較紫穗槐高28.2% 。MDA是膜脂過(guò)氧化作用的最終產(chǎn)物,它的水平表征了膜脂過(guò)氧化的程度[4—5]。逆境條件下,細(xì)胞內(nèi) MDA 含量與植物存活和抗逆性成負(fù)相關(guān)[4—7]。該結(jié)果表明,在自然風(fēng)沙環(huán)境中,黑松依賴SOD抑制膜脂過(guò)氧化作用,維護(hù)較低膜脂過(guò)氧化水平而適應(yīng)風(fēng)沙環(huán)境，而紫穗槐主要依賴CAT和POD清除氧自由基、抑制膜脂過(guò)氧化、維護(hù)氧自由基代謝平衡而適應(yīng)風(fēng)沙環(huán)境。有研究發(fā)現(xiàn),生活在呼倫貝爾沙漠的7種不同科屬沙生植物日間膜脂過(guò)氧化程度和抗氧化酶活力差異顯著,其中日間MDA含量最高的豆科植物(扁蓄豆、小葉錦雞兒),葉片POD和CAT 活力也最高；日間MDA含量較低的差巴嘎蒿和豬毛菜,其POD、CAT、和SOD活力也較低。可見(jiàn),盡管不同科屬樹(shù)種參與抗風(fēng)的抗氧化酶種類不同, 但抑制膜脂過(guò)氧化、維護(hù)氧自由基代謝平衡和維護(hù)膜的完整性可能在黑松和紫穗槐適應(yīng)風(fēng)沙環(huán)境起重要生理保護(hù)作用。而同一環(huán)境下不同科屬植物參與抗逆的抗氧化酶種類不同,可能與其控制膜脂過(guò)氧化機(jī)理發(fā)生分異有關(guān)[37—38]。

其次,風(fēng)吹襲中,兩樹(shù)種葉片RWC與抗氧化酶活力變化與呈負(fù)相關(guān),與膜脂過(guò)氧化程度呈正相關(guān)。紫穗槐隨凈風(fēng)吹襲次數(shù)增多葉片RWC下降(23.3%),POD和CAT活力大幅增高(圖5、6、7),而MDA含量下降；隨風(fēng)沙流吹襲次數(shù)增多,RWC下降幅度增大(45.5%),POD、CAT、SOD活力小幅增高,而MDA含量下降。而黑松在間歇凈風(fēng)處理中,葉片RWC穩(wěn)定,MDA含量、POD、CAT、SOD活力無(wú)明顯變化,在間歇風(fēng)沙流處理中,RWC下降,MDA含量、POD、CAT、SOD活力略有增高。研究表明,風(fēng)吹襲引發(fā)葉片失水導(dǎo)致的細(xì)胞水分虧缺是細(xì)胞抗氧化防御系統(tǒng)激活的誘因。因?yàn)橹参锛?xì)胞在水分虧缺時(shí)會(huì)產(chǎn)生活性氧自由基[8—9]。積累的活性氧自由基會(huì)破壞活性氧自由代謝平衡,引起細(xì)胞膜脂過(guò)氧化。但同時(shí)積累的氧自由基又激活抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng),提高抗氧化酶活力、清除氧自由基、抑制膜脂過(guò)氧化、保護(hù)細(xì)胞膜。因此,在風(fēng)吹襲過(guò)程中,抗氧化酶通過(guò)抑制膜脂過(guò)氧化、維護(hù)氧自由基代謝平衡而在黑松和紫穗槐適應(yīng)風(fēng)和風(fēng)沙流吹襲中起重要生理保護(hù)作用。另外,強(qiáng)風(fēng)沙流吹襲引發(fā)沙粒對(duì)葉片擊打磨蝕使葉組織結(jié)構(gòu)破壞,導(dǎo)致葉片過(guò)度失水和細(xì)胞代謝紊亂而破壞了抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng),這可能是紫穗槐在風(fēng)沙流處理中葉片抗氧化酶活增幅下降的誘因。

此外,在恢復(fù)期,兩樹(shù)種葉片MDA含量降低和葉片RWC的恢復(fù)均與葉片維護(hù)較高抗氧化酶活力相關(guān)。在第二和第三次凈風(fēng)吹襲后的恢復(fù)期,伴隨著紫穗槐葉片RWC增高9.6%和15.3%(圖1),葉片MDA含量下降28.2% 和22.4%(圖2), 而POD活力增高13.1%和22.2%(圖5)、CAT活力增高18.9%和10.3%(圖6)、SOD活力增高16.6% 和9.3%(圖7)。黑松在恢復(fù)期中,伴隨著葉片RWC增加,POD和SOD活力增高。研究表明,恢復(fù)期細(xì)胞抗氧化酶活力的增高和膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物的降低成負(fù)相關(guān)。盡管恢復(fù)期葉片RWC增加,細(xì)胞水分虧缺度下降,但恢復(fù)期葉片維持較高的抗氧化酶活力可抑制氧自由基積累、防止膜脂過(guò)氧化、維護(hù)膜的彈性和完整性,這不僅在維護(hù)細(xì)胞吸水和體積增大上起生理保護(hù)作用,而且在缺水補(bǔ)償和自愈修復(fù)過(guò)程中起重要生理保護(hù)作用。

綜上所述,在漫長(zhǎng)的風(fēng)沙環(huán)境中,黑松依賴疏風(fēng)的針葉及葉片油脂物質(zhì)維護(hù)持水力,而且通過(guò)維護(hù)較高可溶性糖和SOD活力維持水分平衡和較低的膜脂過(guò)氧化水平,而紫穗槐大而薄的葉片持水力差,但葉片通過(guò)維護(hù)較高脯氨酸和CAT、POD活力抑制膜脂過(guò)氧化適應(yīng)風(fēng)吹襲。在間歇凈風(fēng)和風(fēng)沙流處理中,風(fēng)吹襲引發(fā)葉片水分虧缺而激活植物對(duì)缺水的補(bǔ)償機(jī)制(自愈修復(fù)),通過(guò)提高滲透調(diào)節(jié)物含量增高細(xì)胞吸水力為風(fēng)后的自愈修復(fù)提供物質(zhì)基礎(chǔ),同時(shí)通過(guò)提高抗氧化酶活力抑制膜脂過(guò)氧化、維護(hù)膜的完整性和彈性為自愈修復(fù)提供生理保護(hù)。因此,自愈修復(fù)是兩樹(shù)種適應(yīng)海岸強(qiáng)海風(fēng)吹襲的關(guān)鍵和生理適應(yīng)機(jī)制,而滲透調(diào)節(jié)和抗氧化酶通過(guò)維護(hù)水分平衡和氧自由基代謝平衡而在自愈修復(fù)和抗風(fēng)生長(zhǎng)中起重要生理保護(hù)作用。