凈風(fēng)和風(fēng)沙流對(duì)黑果枸杞葉片膜透性和膜保護(hù)系統(tǒng)的影響

黨 緒，馬 瑞，魏林源，張瑩花，侍新萍，馬彥軍

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省治沙研究所 荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730070）

植物抗風(fēng)沙流同抗旱、抗鹽一樣均是植物逆境生理生態(tài)學(xué)問(wèn)題。在逆境脅迫下，植物通過(guò)各種保護(hù)和修復(fù)機(jī)制來(lái)減輕傷害，包括形態(tài)改變和生理適應(yīng)[1]。風(fēng)沙流是由風(fēng)及其搬運(yùn)的固體顆粒組成的氣固二相流。在沙漠地區(qū)，植物葉片暴露于風(fēng)沙環(huán)境，過(guò)度的風(fēng)沙流脅迫往往造成植物葉細(xì)胞水勢(shì)降低[2]、氣孔導(dǎo)度下降[3]、使其生長(zhǎng)受限，嚴(yán)重時(shí)造成植物葉片枯黃脫落[4]。因此，只有適應(yīng)風(fēng)沙流脅迫的植物才能在該生境中正常生長(zhǎng)并保持種群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

關(guān)于風(fēng)和風(fēng)沙流對(duì)植物影響的研究起步較晚[5]，主要涉及風(fēng)和風(fēng)沙流對(duì)植物的生長(zhǎng)狀況[6-7]、光合蒸騰特性[4-5,8]、外部形態(tài)[5]、機(jī)械損傷程度[9]、生物量分配[10]等方面。在植物葉片膜透性和膜保護(hù)系統(tǒng)方面，趙哈林等[11]研究表明10 min風(fēng)吹對(duì)玉米(Zeamays)幼苗細(xì)胞膜危害不明顯，20 min風(fēng)吹對(duì)膜透性有顯著影響；李道明等[3]研究表明在輕度和中度的單次風(fēng)沙流脅迫下，霸王(Zygophyllum xanthoxylum)葉片中過(guò)氧化物酶活性隨脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)呈升高趨勢(shì)，超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶活性、可溶性蛋白和脯氨酸含量變化不明顯。此前研究多針對(duì)單次風(fēng)、風(fēng)沙流脅迫對(duì)植物膜透性和膜保護(hù)系統(tǒng)的影響，而有關(guān)多次脅迫累積效應(yīng)對(duì)植物葉片膜透性和膜保護(hù)系統(tǒng)影響的研究尚未見報(bào)道。

黑果枸杞(Lycium ruthenicum)是茄科枸杞屬多棘刺灌木，適應(yīng)性強(qiáng)，耐高溫、耐寒耐旱，喜生于鹽堿荒地、渠路兩旁、河灘等生境，可作為干旱、半干旱區(qū)植被恢復(fù)重建及鹽堿地改良的主要植物種[12-13]，野生黑果枸杞植株較小，全生育期均處在風(fēng)沙流侵襲高度范圍內(nèi)。本研究以黑果枸杞為對(duì)象，通過(guò)風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，研究風(fēng)、風(fēng)沙流多次吹襲脅迫對(duì)黑果枸杞葉片膜透性和膜保護(hù)系統(tǒng)的累積效應(yīng)，以期揭示黑果枸杞對(duì)風(fēng)和風(fēng)沙危害的逆境適應(yīng)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

民勤縣位于河西走廊東部(101°49′～104°12′ E，38°30′～39°27′ N)，海拔1 298～1 936 m。屬典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候，年均氣溫8.3 ℃，年均降水量為115 mm。該區(qū)全年盛行西北風(fēng)，沙塵天氣頻發(fā)，5.0 m·s-1以上起沙風(fēng)占全年有風(fēng)日數(shù)的13.8%，年平均風(fēng)速為2.7 m·s-1[14]，最大風(fēng)速為31.0 m·s-1，年均揚(yáng)沙日數(shù)為16 d。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

野生黑果枸杞種子于2018年采集于民勤縣青土湖區(qū)，育苗缽中育苗，待其長(zhǎng)至10 cm左右，帶土移栽至塑料花盆中，放置在甘肅省武威市治沙所苗圃內(nèi)進(jìn)行正常田間養(yǎng)護(hù)，2019年7月中旬，選取長(zhǎng)勢(shì)良好、株高相對(duì)一致的黑果枸杞作為供試材料，搬至風(fēng)洞外的通風(fēng)、半陰蔽樹冠下，統(tǒng)一澆等量水緩苗，于第3天進(jìn)行凈風(fēng)、風(fēng)沙流脅迫試驗(yàn)。

試驗(yàn)在甘肅省治沙研究所風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該風(fēng)洞為直流下吹式，風(fēng)速在4～30 m·s-1可調(diào)。根據(jù)民勤起沙風(fēng)速以及以往研究中風(fēng)速對(duì)植物的損傷程度[3,15-18]，選擇9 m·s-1的凈風(fēng)和其對(duì)應(yīng)強(qiáng)度的風(fēng)沙流[輸沙量為28.30 g·(cm·min)-1]作為脅迫因子。1)凈風(fēng)脅迫試驗(yàn)：于第1天的08:00選取4盆黑果枸杞放置在風(fēng)洞試驗(yàn)段中部進(jìn)行凈風(fēng)吹襲處理，處理時(shí)長(zhǎng)為20 min，重復(fù)3次。第3、5天將第1天已受過(guò)脅迫處理的黑果枸杞進(jìn)行第2次、第3次脅迫?？紤]到植株對(duì)風(fēng)的響應(yīng)存在滯后，每次取樣均在脅迫結(jié)束30 min后進(jìn)行。取樣時(shí)，隨機(jī)采集各盆植株冠部上、中、下的葉片。第7天于相同時(shí)間點(diǎn)再取樣一次。第1、3、5天每次取樣后將黑果枸杞供試植株搬回緩苗區(qū)。2)風(fēng)沙流脅迫試驗(yàn)：在風(fēng)洞試驗(yàn)段鋪滿10～12 cm厚度的沙子，平整沙面后，另選取4盆黑果枸杞放置于風(fēng)洞出風(fēng)口，調(diào)整植株高度，使其冠部在風(fēng)沙流吹襲范圍內(nèi)，重復(fù)3次。吹襲時(shí)間和采樣時(shí)間與凈風(fēng)相同。試驗(yàn)前隨機(jī)采集供試植株冠部上、中、下葉片作為對(duì)照(CK)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

采集葉片，一部分立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行膜透性測(cè)定，剩余葉片包入錫紙用液氮罐轉(zhuǎn)移至超低溫冰箱保存，用于各指標(biāo)的測(cè)定。測(cè)定時(shí)每個(gè)指標(biāo)均做6個(gè)重復(fù)。

膜透性采用電導(dǎo)率法[18]測(cè)定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[19]測(cè)定，過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚染色法[19]測(cè)定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑染色法[20]測(cè)定，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[19]測(cè)定，可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法[19]測(cè)定，可溶性蛋白(SP)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[19]測(cè)定，脯氨酸(Pro)含量采取酸性茚三酮法[19]測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 19.0軟件分析數(shù)據(jù)。采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析同一時(shí)間不同處理下的差異性(P＜ 0.05)，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較同一處理不同時(shí)間下的差異性(P＜ 0.05)。用Excel 2010制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑果枸杞葉片形態(tài)變化

第1天凈風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫后葉片形態(tài)正常；第3天凈風(fēng)脅迫后葉片形態(tài)正常，風(fēng)沙流脅迫后嫩葉出現(xiàn)褐色斑塊；第5天凈風(fēng)脅迫后少量葉片出現(xiàn)褐色斑塊、萎蔫，風(fēng)沙流脅迫后褐色斑塊葉片數(shù)量增多、葉色變深、萎蔫；第7天受過(guò)凈風(fēng)脅迫的葉片形態(tài)與第5天無(wú)明顯差異，受過(guò)風(fēng)沙流脅迫的葉片萎蔫較第5天嚴(yán)重；第1、3、5天脅迫時(shí)均有落葉(表1)。風(fēng)沙流脅迫對(duì)黑果枸杞葉片傷害程度大于凈風(fēng)脅迫。

表1 黑果枸杞葉片形態(tài)變化Table 1 Morphological changes in the leaves of Lycium ruthenicum

2.2 黑果枸杞葉片丙二醛和膜透性的變化

凈風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫后，在第1、3、5、7天黑果枸杞葉片MDA含量均呈先增后減趨勢(shì)；第1天凈風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫后MDA含量最大，分別較CK顯著增加 了38.7%和84.4% (P＜ 0.05)，第3、5、7天 較CK含量高但差異不顯著(P＞ 0.05)。凈風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫后，黑果枸杞葉片膜透性均呈增加趨勢(shì)，第3、5、7天較CK顯著增加，在第7天最大，分別較CK增加了127.4%和122.3% (圖1)。

圖1 黑果枸杞葉片的丙二醛含量和膜透性Figure 1 MDA content and membrane permeability in the leaves of Lycium ruthenicum

2.3 黑果枸杞葉片抗氧化酶活性的變化

凈風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫后，POD活性均先減后增(圖2)，第1天最小，分別較CK顯著下降了27.1%和47.3% (P＜ 0.05)，第5、7天較CK顯著增加，風(fēng)沙流脅迫后在第7天較CK顯著增加了153.6%。凈風(fēng)脅迫后，SOD活性呈增加趨勢(shì)，第7天最大，較CK顯著增加了104.8%；風(fēng)沙流脅迫后，SOD活性先減后增，第1、3天較CK減少了30.6%、45.0%，第7天較CK增加了90.8%，除第5天之外，均與CK存在顯著差異。CAT活性在凈風(fēng)脅迫后持續(xù)增加，風(fēng)沙流脅迫后先減后增，均在第7天最大，分別較CK顯著增加了58.9%和45.8%，凈風(fēng)脅迫下第3、5、7天與CK差異顯著，風(fēng)沙流脅迫下第5、7天與CK差異顯著。

圖2 黑果枸杞葉片的保護(hù)酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量Figure 2 Protective enzyme activity and osmotic regulation substances in the leaves of Lycium ruthenicum

2.4 黑果枸杞葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化

凈風(fēng)脅迫后，SS含量先增后減，在第3天達(dá)到最大值(圖2)，較CK增加了51.4% (P＜ 0.05)；風(fēng)沙流脅迫后SS含量先減后增再減，在第5天達(dá)到最大值，較CK顯著增加了54.2%。凈風(fēng)脅迫后SP含量呈先減后增趨勢(shì)，但均低于CK；風(fēng)沙流脅迫后SP含量先減后增再減，第1、3天脅迫后SP含量顯著低于CK。Pro含量均呈持續(xù)增加趨勢(shì)，凈風(fēng)脅迫下和風(fēng)沙流脅迫下第3、5和7天均顯著高于CK，第7天均最大，分別為CK的3.35和3.25倍。

3 討論

大量研究表明，當(dāng)植物受到逆境脅迫時(shí)，其體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的平衡被打破，活性氧大量積累，破壞細(xì)胞[21]。主要以兩種方式進(jìn)行，一種是發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，MDA是其主要產(chǎn)物，可以衡量膜脂過(guò)氧化程度；另一種是膜脂產(chǎn)生脫脂化作用，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，通常用質(zhì)膜透性衡量細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性[22-23]。本研究中，第1天凈風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫后，MDA含量顯著增加，發(fā)生明顯膜脂過(guò)氧化作用，且風(fēng)沙流脅迫后膜脂過(guò)氧化作用較凈風(fēng)更明顯，第3、5天脅迫后，MDA含量下降至與CK無(wú)顯著差異，這可能是黑果枸杞葉片較第1天更適應(yīng)凈風(fēng)、風(fēng)沙流脅迫，保護(hù)酶活性升高，清除活性氧，因此MDA含量下降。第1天凈風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫后，膜透性未明顯變化，而第3、5天在凈風(fēng)、風(fēng)沙流多次脅迫過(guò)程中導(dǎo)致細(xì)胞膜產(chǎn)生機(jī)械損傷，葉片脫脂化作用明顯，膜透性顯著增大。第7天膜透性仍繼續(xù)增大，說(shuō)明脅迫造成的機(jī)械損傷具有滯后性。凈風(fēng)、風(fēng)沙流脅迫導(dǎo)致黑果枸杞葉片細(xì)胞受損可能主要源自脫脂化作用而非膜脂過(guò)氧化作用，這與在沙蒿(Nitraria tangutorum)和白刺(Artemisia sphaerocephala)中的研究結(jié)果[24]一致。

保護(hù)酶的活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量與植物的抗逆性密切相關(guān)[25]。在受到逆境脅迫時(shí)，植物增強(qiáng)酶活性以清除產(chǎn)生的活性氧和自由基等，從而保護(hù)細(xì)胞[26-27]，如SOD通過(guò)歧化作用使植物體內(nèi)的O2-轉(zhuǎn)化為H2O2，POD、CAT則能清除歧化作用產(chǎn)生的H2O2[28-29]。同時(shí)，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如SS、SP、Pro等可通過(guò)保持逆境下植物正常含水量和膨壓來(lái)緩解植物所受傷害[30]。第1、3天凈風(fēng)脅迫后POD活性和風(fēng)沙流脅迫后POD、SOD活性均低于CK，此時(shí)，POD和風(fēng)沙流脅迫下SOD未發(fā)揮保護(hù)作用；第3天后POD、SOD、CAT活性升高，黑果枸杞啟動(dòng)保護(hù)酶系統(tǒng)對(duì)凈風(fēng)、風(fēng)沙流脅迫進(jìn)行積極地反饋。第1天風(fēng)沙流脅迫后，葉片SS含量較CK顯著下降，此時(shí)SS可能作為能量物質(zhì)而被消耗[31]，第3天風(fēng)沙流脅迫后，SS生成量大于消耗量而出現(xiàn)積累；SS含量在第1、3天凈風(fēng)脅迫后顯著增加，在第5、7天風(fēng)沙流脅迫下顯著增加，發(fā)揮重要滲透調(diào)節(jié)作用。SP含量在凈風(fēng)、風(fēng)沙流脅迫下較CK均未顯著增加，其含量下降可能是因?yàn)橹参矬w內(nèi)蛋白質(zhì)合成受阻，加速分解成各種氨基酸，通過(guò)降低葉片水勢(shì)來(lái)減輕黑果枸杞葉片的受損程度[32]。Pro含量持續(xù)增加，起主要的滲透調(diào)節(jié)作用。總之，凈風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫會(huì)影響黑果枸杞葉片形態(tài)和膜透性，黑果枸杞會(huì)進(jìn)行積極反饋，在未來(lái)黑果枸杞種植時(shí)，除考慮當(dāng)?shù)爻Ｄ觑L(fēng)速大小、風(fēng)沙流強(qiáng)度外，還需結(jié)合光照、水分狀況、氣溫條件、鹽堿度等其他環(huán)境因子，保證其正常生長(zhǎng)發(fā)育，使黑果枸杞能發(fā)揮生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

9 m·s-1風(fēng)速下多次凈風(fēng)和風(fēng)沙流脅迫中黑果枸杞葉片形態(tài)發(fā)生變化，部分葉片出現(xiàn)褐色斑塊、萎蔫，風(fēng)沙流傷害較凈風(fēng)嚴(yán)重；葉片膜透性持續(xù)增大，細(xì)胞膜完整性受到破壞。黑果枸杞會(huì)逐漸啟動(dòng)保護(hù)酶系統(tǒng)，提高CAT、SOD、POD活性，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Pro和SS含量以減輕其所受傷害，MDA含量在第3天及之后均未顯著升高，這反映出黑果枸杞對(duì)多次凈風(fēng)和風(fēng)沙脅迫具有一定的耐受性，其保護(hù)酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)能力是適應(yīng)凈風(fēng)和風(fēng)沙流的重要生理調(diào)控機(jī)制。