干旱胁迫对速生刺槐‘民刺1 号’光合及生理特征的影响

杨淑红,张江涛,赵蓬晖,朱延林

(河南省林业科学研究院,郑州450008)

刺槐(Robinia pseudoacaciaL.)为豆科(Leguminosae)蝶形花亚科(Papilionoideae)刺槐属(RobiniaL.),落叶乔木,原产美国。天然分布在密西西比河流域的阿巴拉契山脉和西部的欧扎克地区的15个州[1-2],分布范围是北纬35°—43°。1601年巴黎植物园把刺槐引入法国,很快又被引入其他国家,目前已成为世界上引种最成功的三大树种之一。中国自19 世纪末开始引种刺槐,现已演化为我国的一个乡土树种,在27个省(市)自治区栽植,水平栽培区为北纬23°—46°、东经86°—124°,在黄河中下游、淮河流域的黄土高原、沟坡、土石山坡中下部、山沟、黄泛区沙地、河漫滩、海滨细沙地及轻盐碱地(含盐0.3%以下)多集中成片栽植,面积达1000万hm2。有关资料报道,仅河北、河南、山东和山西等地的刺槐就有40 亿株,是中国单个树种栽培区域最大的树种之一[3-4]。刺槐生长旺盛,以华北地区海拔400—1200 m 处生长最好,为华东、华北、西北、东北部分地区保持水土、用材、薪材、蜜源、园林绿化等不可替代的树种。

刺槐具有适应性强、抗逆性强、耐干旱贫瘠、易繁殖、生长快、固氮能力强等优良特性[4],在平原沙区,栽培刺槐的目的以防风固沙为主,兼顾改良盐碱和生产木材。我国学者对刺槐开展了大量的研究,特别是在速生、杂交、良种选育、抗逆性、遗传多样性、混交林造林技术研究等领域取得显著成果[5-14]。基于良种选育的需要,在速生优质的基础上培育抗逆能力相对较强的新品种成为刺槐育种中亟待解决的问题,我国对刺槐开展了大量的抗逆性研究,结果证实,不同刺槐品种的抗逆性存在较大的差异[7-10]。干旱是我国目前面临的重要生态问题,由于刺槐主要分布于干旱、半干旱地区,水分缺失和高盐胁迫等逆境普遍发生,严重影响其生物量的产出。因此,对刺槐新品种进行干旱胁迫研究尤为必要。本研究初步探索干旱胁迫下速生刺槐‘民刺1号’光合及生理特征的变化,阐述‘民刺1 号’对干旱胁迫的响应机制,为进一步优化良种栽培技术及确定推广造林范围等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为河南省林业科学研究院与民权林场共同培育的刺槐无性系中生长表现较好的6个系号,分别为:‘民刺1 号’、‘豫刺1 号’、M3、M24、R5 和M30。‘豫刺1 号’具有极强的耐寒、耐旱能力,在西北地区造林成活率较高[15];‘民刺1 号’于2020年通过河南省良种审定。

1.2 试验处理

2014年2月下旬将生长健康、长势一致的一年生参试实生苗移植于普通塑料桶中(上口直径300 mm,下底直径230 mm,高290 mm),盆土为50%普通园土+50%腐质土,桶内土高约240 mm。每个无性系6 株,每盆1 株,平茬截干至20 cm 高,正常管理至7月底,苗木生长旺期浇透水后移至温室内,停止浇水。试验观测从7月28日起,截至9月25日。每隔5 d 取桶中部土壤连续测定各个无性系的土壤含水量,每桶取3 份土样,取平均值,直至整株枯死。每隔10 d 上午10:00 对各品种植株叶片进行光合生理指标测定,取平均值,直至整株枯死,同时采集相同部位叶片,3个重复,样叶袋封存置于冰桶立即带回实验室进行理化指标测试。

1.3 测定指标及方法

采用TRME-T3TDR 便携式土壤水分测定仪(IMKO,Ettlingen,Germany)测定土壤水分,测定部位为刺槐苗主干和花盆边缘的中间部分,测定深度为8 cm。采用美国LI-COR 公司生产的LI-6400 便捷式光合测定仪开放式气路测定光合特性,每次每组每品种选取长势相对较好的3 株苗木,在每株苗木的中上部选取3—4 片健康功能叶为待测叶,测定时随机选取其中2 片进行测量。待仪器读数稳定3—4 min 后,连续记录6 组数据,测定结果取平均值。

利用DDB-303A 型电导率仪测定叶片相对电导率。丙二醛(MDA)测定采用硫代巴比妥酸比色法。游离脯胺酸测定采用磺基水杨酸比色法[16]。

酶液提取方法:称取所采新鲜样叶(去除叶脉)0.5 g 于预冷研钵中,加入0.1 g PVP 及少许石英砂,再加入2 mL pH 7.0 磷酸提取液冰浴研磨成匀浆,匀浆后加入提取液定容至5 mL。充分搅匀后,4 ℃下10000 r·min-1离心20 min,取上清液4 ℃下冰箱保存备用。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)法测定,过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚比色法测定[15]。所有含量的比色结果均使用UV-5200PC 型紫外可见分光光度计得到。

1.4 统计分析

数据使用Excel、SPSS 和DPS 系统软件进行处理、统计并作图,图中标出标准差。利用隶属函数法对刺槐品种抗干旱能力进行综合评价[17]。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量及植株叶片外部形态的变化

由表1 可见,干旱胁迫处理开始时土壤含水量(SMC)为28.73%±0.38%。当土壤含水量下降到14.17%—16.38%时,M24、R5 和M30 开始落叶,土壤含水量下降到8.15%—8.75%时,‘民刺1 号’、‘豫刺1 号’和M3 开始落叶。当干旱胁迫45 d 时,M24、R5 叶片全部脱落,此时土壤含水量下降到3.31%以下;干旱胁迫50 d 时,M3、M30 叶片全部脱落;干旱胁迫55 d,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片全部脱落,此时土壤含水量下降到3.08%以下。

表1 土壤含水量(SMC)及植株外部形态的变化Table 1 Changes of soil moisture content and plant morphology %

2.2 干旱胁迫对刺槐品种叶片光合特性的影响

由图1 可见,持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片净光合速率(Pn)均呈下降趋势。‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片Pn始终明显高于其他刺槐品种,干旱胁迫20 d 前叶片Pn下降缓慢,随后加速下降;胁迫50 d时,两者叶片Pn下降为负值。其他4个刺槐品种在胁迫10 d 时,叶片Pn即呈现出明显的下降趋势,胁迫40 d 时,叶片Pn均下降为负值。M24 叶片Pn始终处于相对较低的水平,胁迫30 d 时,‘民刺1 号’叶片Pn最高,为2.74 μmol·m-2·s-1,其次为M3 和‘豫刺1 号’,分别为1.73 μmol·m-2·s-1和1.21 μmol·m-2·s-1,R5、M30 和M24 叶片Pn均低于0.45 μmol·m-2·s-1,M24 叶片Pn最低,为0.20 μmol·m-2·s-1。

图1 干旱胁迫对刺槐叶片Pn、Tr 的影响(平均值±标准误)Fig.1 Effects of drought stress on Pn and Tr in Robinia pseudoacacia leaves(mean±SD)

持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片蒸腾速率(Tr)均大致呈下降趋势,但变化模式有所不同。‘民刺1号’和‘豫刺1 号’叶片Tr在胁迫20 d 前下降缓慢,‘豫刺1 号’在胁迫10 d 出现下降,胁迫20 d 时又略有升高。随后两者叶片Tr快速下降,胁迫50 d 时,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片Tr分别降为0.49 mmol·m-2·s-1、0.46 mmol·m-2·s-1。M3、M24 叶片Tr呈逐渐下降,R5、M30 叶片Tr在胁迫10 d 时略有升高,随后快速下降,胁迫40 d,四者叶片Tr分别下降为0.42 mmol·m-2·s-1、0.70 mmol·m-2·s-1、0.53 mmol·m-2·s-1和0.77 mmol·m-2·s-1。

由图2 可见,持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片气孔导度(Gs)均大致呈下降趋势,但变化模式有所不同。胁迫20 d,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片Gs下降幅度较小,‘豫刺1 号’叶片Gs较胁迫10 d 略有回升,随后逐渐下降,干旱胁迫过程中,两者叶片Gs始终明显高于其他刺槐品种。M24、R5 叶片Gs在试验开始时明显高于其他品种,但在干旱胁迫10 d 即出现极显著的下降,随后下降幅度变缓。M3 和M30 叶片Gs则呈逐渐下降趋势。

持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片胞间CO2浓度(Ci)前期变化模式较多样,后期均呈升高趋势。‘民刺1 号’、M3 和M24 叶片Ci均在干旱胁迫10 d 出现下降,随后逐渐升高。‘豫刺1 号’叶片Ci在胁迫20 d前有所下降,随后快速升高。R5 和M30 则基本呈现为逐渐升高。干旱胁迫过程中,‘民刺1 号’、M3叶片Ci始终明显低于其他刺槐品种。

2.3 干旱胁迫对刺槐品种叶片丙二酫和脯氨酸含量的影响

由图3 可见,持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片MDA 含量均呈逐渐升高,但变化模式差异较大,升高时间和幅度也有所不同。刺槐品种M3、M24、R5 和M30 叶片MDA 含量在干旱胁迫第10 天即开始升高,R5 和M30 升高幅度明显,而‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片MDA 含量则在胁迫第20 天开始出现明显升高。干旱胁迫第40 天时,M24、R5 叶片中MDA 含量达到最大值,分别为40.01 μmol·g-1和40.91 μmol·g-1,极显著高于其他刺槐品种;胁迫50 d 时,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片MDA 含量达到最大值,分别为39.02 μmol·g-1和37.77 μmol·g-1。

图3 干旱胁迫对刺槐叶片MDA、脯氨酸含量的影响(平均值±标准误)Fig.3 Effects of drought stress on MDA and proline contents in Robinia pseudoacacia leaves(mean±SD)

持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片脯氨酸含量均呈先升后降的变化模式,升高时间和幅度有所不同。‘豫刺1 号’和M24 在干旱胁迫第10 天即开始有明显的升高。干旱胁迫20 d 时,M3、M24 和R5 叶片中脯氨酸含量达到最大值,分别为28.10 μg·g-1FW、32.24 μg·g-1FW 和30.22 μg·g-1FW,显著高于其他刺槐品种,随后快速下降,M24 下降幅度最大;M30 叶片脯氨酸含量在胁迫30 d 时达到最大值32.46 μg·g-1FW,随后快速下降,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片脯氨酸含量升高幅度较为缓慢,干旱胁迫40 d 时达到最大值,分别为29.19 μg·g-1FW 和29.28 μg·g-1FW,随后‘豫刺1 号’下降幅度大于‘民刺1 号’。

2.4 干旱胁迫对刺槐品种叶片SOD 和POD 活性的影响

由图4 可见,持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片SOD 活性变化模式较多样、达到峰值的时间也各不相同。‘民刺1 号’、M3 和‘豫刺1 号’叶片SOD 活性呈现先逐渐升高、后期出现下降,分别在干旱胁迫30 d、40 d 达到最大值,分别为609.69 U·g-1FW、588.13 U·g-1FW 和608.43 U·g-1FW;M24、R5 叶片SOD 活性呈现胁迫初期略微降低后逐渐升高,均在胁迫40 d 达到最大值,分别为567.69 U·g-1FW、589.31 U·g-1FW;M30 叶片SOD 活性呈先逐渐升高、到胁迫后期有所下降后又升高,在胁迫20 d 达到最大值582.72 U·g-1FW。‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片SOD 活性始终处于相对较高的水平。

图4 干旱胁迫对刺槐叶片SOD、POD 活性的影响(平均值±标准误)Fig.4 Effects of drought stress on SOD and POD activities in Robinia pseudoacacia leaves(mean±SD)

持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片POD 活性大致呈先升高后降低的变化趋势,但变化模式和达到峰值的时间有所不相同。‘民刺1 号’、‘豫刺1 号’和M3 叶片POD 活性先升高后降低,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片POD 活性在胁迫20 d 达到峰值,分别为375.13 U·g-1·min-1FW 和423.31 U·g-1·min-1FW,M3 叶片POD 活性在胁迫10 d 达到峰值351.84 U·g-1·min-1FW;M24、R5 和M30 叶片POD 活性呈“Z”字形变化,但均在胁迫10 d 达到峰值,分别为310.40 U·g-1·min-1FW、 257.69 U·g-1·min-1FW 和240.13 U·g-1·min-1FW。‘民刺1 号’、‘豫刺1 号’、M3 叶片POD 活性始终明显高于M24、R5、M30。

2.5 刺槐品种抗干旱能力的综合评价

经方差分析可知,8个生理指标在刺槐品种中均呈现显著性差异,因此采用隶属函数法对测得的刺槐品种叶片的生理指标进行综合评定,得到刺槐品种在持续干旱胁迫下的耐旱性差异。为避免不同物种间对照值的差异对试验结果造成的影响,对所测得的各项生理指标值进行转换,求得各生理指标在不同时间的抗旱系数(Ii)。

指标与抗旱性正相关隶属函数公式为:

指标与抗旱性负相关隶属函数公式为:

式中,Xij为i品种j指标抗旱系数,Xmax、Xmin为j指标抗旱系数的最大值和最小值,R(Xij)为i品种j指标的抗旱隶属值。再求取各抗旱指标隶属函数值的平均值,综合评定值越大说明抗旱能力越强[17]。

由表2 可知,对6个刺槐品种在持续干旱胁迫下的8个生理指标所表现的抗旱性状进行综合评价,结果表明,抗干旱能力为:‘民刺1 号’ ＞‘豫刺1 号’ ＞M3 ＞M30 ＞R5 ＞M24。

表2 刺槐品种生理指标的平均隶属函数值及排序Table 2 Average subordinate function values and ranking of physiological indexes of Robinia pseudoacacia varieties

3 结论与讨论

持续干旱胁迫下,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片Pn保持在相对较高的水平,与其他4个刺槐品种差异明显。随着胁迫持续加重,各品种叶片净光合速率相继开始出现负值,说明叶片不再积累光合产物,反而呈消耗代谢,生长停滞。各品种叶片蒸腾速率均也随着水分胁迫程度的加剧而显著降低,试验前期‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’、R5、M30 叶片Tr下降缓慢或有所升高,说明此时土壤干旱程度并没有对树苗造成胁迫影响。随着土壤含水量的持续下降,叶片Tr出现大幅下降,说明土壤水分从适宜到干旱胁迫的变化过程中,叶片通过降低Tr,提高水分利用率来适应逐渐加剧的水分胁迫。M3、M24、 R5、M30 叶片Tr快速下降,对干旱胁迫的生理响应均明显早于‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’。刘建伟等[18]提出用净光合速率接近0 时的土壤含水量、水势等评价树木的抗旱能力。‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’在干旱胁迫40 d 时叶片Pn分别为0.25 μmol·m-2·s-1和0.04 μmol·m-2·s-1,此时土壤含水量分别为3.75%和4.04%,而M3、M24、R5、M30 在 干 旱 胁 迫30 d 时 叶 片Pn均 降 为 最 低 正 值, 分 别 为0.25 μmol·m-2·s-1、0.20 μmol·m-2·s-1、0.45 μmol·m-2·s-1、0.22 μmol·m-2·s-1,此时它们的土壤含水量分别为5.07%、5.95%、5.69%、5.30%,其中M24 叶片Pn最低,但土壤含水量相对最高。可见,‘民刺1 号’和‘豫刺1号’土壤含水量临界值最低,抗干旱能力较强,而M24 抗旱能力较弱。

气孔是植物与外界联系的重要通道,直接影响和控制植物的蒸腾和光合作用[19]。胁迫20 d 前,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片气孔导度Gs变化不明显,叶片蒸腾速率升高引起Ci下降,叶片Pn下降幅度也相对较小,说明此时的土壤含水量没有对其造成干旱胁迫。而在胁迫前期其他4个刺槐品种叶片气孔导度即明显下降,同时Ci值下降,此时干旱胁迫引起气孔限制,这也是叶片Pn和Tr下降的主要原因,但胁迫并未破坏苗木的光合器官。随着干旱胁迫持续加重,所有刺槐品种叶片气孔导度Gs均大幅下降,叶片Ci逐渐升高,此时叶片光合速率快速降低的主要原因逐渐转变为叶肉细胞光合活性下降导致的非气孔限制,干旱胁迫逐渐对苗木的光合器官造成了破坏。各刺槐品种叶片光合特性从产生气孔限制到向非气孔限制转换的过程中,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’时间均明显迟于M24、R5、M3 和M30,因此认为两者对干旱胁迫有更持久的耐受性。

植物体内自由基大量产生会引发膜脂过氧化作用,造成细胞膜系统破坏,通常用膜质过氧化产物丙二醛(MDA)的变化来衡量膜的完整性及细胞膜的功能状态[20]。持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片中MDA 含量均有明显的升高,说明干旱对各品种均造成一定程度的膜脂质过氧化。‘民刺1 号’和‘豫刺1号’叶片MDA 含量升高时间、幅度均明显迟、低于其他品种,膜脂质过氧化程度最弱。M24、R5 膜脂质过氧化程度则最早,并且叶片中MDA 在胁迫后期开始游离出来,可见膜系统的受损使质膜相对透性增大,植物体机能受到严重破坏。持续干旱胁迫下,各刺槐品种叶片脯氨酸含量呈先升高后降低。胁迫20 d时,M3、M24 和R5 叶片中脯氨酸含量达到峰值;胁迫40 d,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片脯氨酸含量达到峰值。游离脯氨酸含量能够反映植物体内一定程度上的水分情况,结合表1 土壤含水量变化情况,不同刺槐品种叶片脯氨酸含量峰值出现时的土壤干旱阈值不同,曾有人提出以干旱胁迫下游离脯氨酸大量积累的水势阈值作为评价抗旱能力的参考,本研究结果来看具有一定的可行性,在其他刺槐品种的研究中也有相似的结论[10,21]。

干旱胁迫造成的膜伤害主要包括一个活性氧自由基伤害过程,SOD 受到底物浓度诱导产生,可歧化超氧阴离子成为活性较低的O2和H2O2,POD 则将H2O2转变为H2O,防止活性氧自由基毒害[22],各种酶对活性氧的协作清除能力是决定细胞对胁迫抗性的关键因素。本研究中,‘民刺1 号’、M3 和‘豫刺1 号’叶片SOD 活性始终明显高于其他刺槐品种,并且出现峰值时间较晚,而M24、R5 叶片SOD 活性则处于相对较低的水平。各刺槐品种叶片POD 活性大致呈先升高后降低的变化趋势,‘民刺1 号’和‘豫刺1 号’叶片POD 活性在干旱胁迫20 d 达到峰值,其他刺槐品种则在胁迫10 d 后就出现不同形式的下降。通常水分胁迫下植物体内的保护酶活性与植物抗氧能力呈正相关,抗旱性强的品种在干旱条件下这些保护酶活性能维持在一个较高的水平,降低膜脂过氧化水平减轻膜伤害程度,并且下降越是滞后抗旱性越强[19]。当活性氧自由基浓度超过一定阈值时,就会使植物细胞内的大分子物质发生过氧化,影响植物的正常生长[23]。综合可见,‘豫刺1 号’和‘民刺1 号’POD 活性能更好地协作SOD 清除体内有害的自由基,起着一定的保护效应,表现出较强的抗旱能力。

通过生理指标的隶属函数平均值对6个刺槐品种进行综合评价,表明抗干旱能力‘民刺1 号’ ＞‘豫刺1 号’ ＞M3 ＞M30 ＞R5 ＞M24,这与表1 中不同干旱胁迫强度下,各品种植株叶片形态特征(反卷、脱落、落叶等)出现的时间和叶片损失程度基本相吻合。可见,‘民刺1 号’的抗旱能力优于抗旱能力强、在西北造林成活率高的‘豫刺1 号’。