周瑞蓮,侯玉平,左進(jìn)城,王艷芳

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

不同沙地共有種沙生植物對(duì)環(huán)境的生理適應(yīng)機(jī)理

周瑞蓮*,侯玉平,左進(jìn)城,王艷芳

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

選擇3個(gè)溫帶沙地(松嫩沙地、呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地)4個(gè)共有種沙生植物(黃柳(Salixgordejevii)、差巴嘎蒿(Artimisiahalodendron)、扁蓿豆(Melissitusruthenica)，豬毛菜(Salsolacollina)，通過(guò)自然狀況下其葉片抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)物及丙二醛(MDA)含量日變化分析，探討抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)物在沙生植物適應(yīng)沙漠環(huán)境強(qiáng)光輻射和溫度日變化中的作用，以及不同科屬沙生植物抗逆生理調(diào)控機(jī)理的差異。結(jié)果表明：(1)不同沙地的4個(gè)共有沙生植物種可通過(guò)自身快速生理代謝調(diào)解，積累滲透調(diào)節(jié)物、提高抗氧化酶活力應(yīng)對(duì)沙漠環(huán)境強(qiáng)光輻射和溫度日變化，但生理調(diào)控幅度較小。(2)3個(gè)沙地不同科屬的4個(gè)共有種在滲透調(diào)節(jié)物含量和抗氧化酶活力及種類上存在差異。扁蓿豆葉片日均MDA含量、 POD(peroxidase)活力、CAT(catalase)活力、脯氨酸含量均最高，分別較其它3個(gè)種平均高2、10、2和2.5 倍。黃柳葉片日均MDA含量較高，SOD(superoxide dismutase)活力和可溶性糖含量最高，分別較其它3個(gè)種高1.2和3 倍。差巴嘎蒿和豬毛菜葉內(nèi)MDA含量較低， POD、CAT、SOD活力和脯氨酸、可溶性糖含量均最低。沙生植物細(xì)胞中膜脂過(guò)氧化程度和抗氧化酶活力及滲透調(diào)節(jié)物含量呈正相關(guān)。自然狀況下3個(gè)沙地的扁蓿豆和黃柳通過(guò)生理代謝調(diào)節(jié)維持細(xì)胞水分和氧自由基代謝平衡適應(yīng)沙漠環(huán)境，差巴嘎蒿和豬毛菜依靠特殊的葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)變異減少光輻射吸收、降低水分蒸騰、維持葉片水分平衡、降低細(xì)胞膜脂過(guò)氧化。因此不同科屬沙生植物維持葉片水分和氧自由基代謝平衡可能是其適應(yīng)沙漠環(huán)境生存的重要生理調(diào)控機(jī)理。由于不同科屬沙生植物種對(duì)沙漠環(huán)境適應(yīng)的生理調(diào)節(jié)機(jī)理的不同，在未來(lái)農(nóng)作物、林木抗逆育種中，根據(jù)具體科屬植物選擇合適的沙生植物作為親本對(duì)提高抗逆育種效率是十分重要的。

共有種; 沙生植物; 沙地；抗氧化酶活力；滲透調(diào)節(jié)物

自然選擇使沙漠植物成為能在高溫、干旱、貧瘠的沙漠環(huán)境中生存的物種[1]。它們不僅在防風(fēng)固沙、修復(fù)生態(tài)環(huán)境、維持沙漠環(huán)境中起重要作用，而且也成為目前作物、林木、草坪抗逆育種的重要種質(zhì)資源。但由于沙漠植物種類較多，涉及的科屬繁多，以及生活型和生態(tài)型的不同也使它們對(duì)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理各不相同。而探究不同科屬植物抗逆生理機(jī)理對(duì)未來(lái)沙漠植物的開(kāi)發(fā)利用有重要作用。

目前已將“氧自由基理論”[2- 7]引入到沙生植物抗逆生理機(jī)理的研究。在對(duì)人工控制土壤水分模擬干旱脅迫下差巴嘎蒿[8- 9]、沙棘[10]、 黃柳[11]、小葉錦雞兒[12]、蘆葦[13]的研究發(fā)現(xiàn)，適度土壤干旱可誘導(dǎo)沙生植物抗氧化酶活力增強(qiáng)，重度土壤干旱可導(dǎo)致其葉片抗氧化酶系統(tǒng)損傷， 抗氧化酶活力下降， 而且在土壤反復(fù)干旱復(fù)水處理中，葉片抗氧化酶活力和MDA含量隨土壤干旱加劇而增高，隨灌水而降低。同時(shí)在干旱脅迫中，沙生植物可溶性糖和脯氨酸含量均增加[11,14- 15]。 這些在細(xì)胞失水時(shí)積累的滲透調(diào)節(jié)物在維持細(xì)胞水分平衡，保護(hù)膜的完整性上起重要的生理調(diào)節(jié)作用[6,16- 19]。另外對(duì)自然狀況下處于不同沙漠化地段上的沙生植物抗氧化酶變化規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，隨著沙漠化程度加重至中度沙漠化，糙隱子草、扁蓿豆和冷蒿種群優(yōu)勢(shì)度增加，且種群SOD和POD活力增加， 沙漠植物種群優(yōu)勢(shì)度的增加和種群抗氧化能力增強(qiáng)呈正相關(guān)[20]。研究表明，沙漠環(huán)境生長(zhǎng)的植物抵御惡劣環(huán)境的能力與其細(xì)胞具有較強(qiáng)的抗氧化和滲透調(diào)節(jié)能力密切相關(guān)。 而目前對(duì)沙漠植物抗逆性研究多集中在某一沙生植物或不同生態(tài)型沙生植物在短期不同強(qiáng)度水分脅迫或土壤干旱脅迫下， 葉片抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)物含量的變化規(guī)律和適應(yīng)機(jī)制研究，以及不同生態(tài)型沙生植物的抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)物含量差異對(duì)比分析。雖然它可揭示沙生植物對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)的生理調(diào)控機(jī)制， 但由于模擬控制實(shí)驗(yàn)條件的單因子性、實(shí)驗(yàn)材料的局限性、加之實(shí)驗(yàn)處理時(shí)間短、強(qiáng)度大， 很難確切了解具有不同生物學(xué)特性的不同科屬沙生植物在對(duì)沙漠環(huán)境漫長(zhǎng)適應(yīng)過(guò)程中形成的生理適應(yīng)機(jī)理，以及它們?cè)谏磉m應(yīng)機(jī)理上的差異。由于不同科屬沙生植物對(duì)沙漠環(huán)境適應(yīng)生理機(jī)制受遺傳所控制，而揭示它們對(duì)沙漠環(huán)境適應(yīng)的遺傳差異， 對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、草業(yè)選擇合適的靶基因進(jìn)行成功的抗逆育種是至關(guān)重要的。目前，關(guān)于不同科屬沙生植物抗逆機(jī)理異同性研究鮮有報(bào)道。

本研究選自分別生長(zhǎng)在呼倫貝爾、松嫩、科爾沁3個(gè)沙地上的4個(gè)共有種沙生植物為試驗(yàn)材料， 通過(guò)對(duì)在自然條件下生長(zhǎng)的4個(gè)共有種沙生植物葉片細(xì)胞膜脂過(guò)氧化、抗氧化酶活力和滲透調(diào)解物含量日變化分析，探討抗氧化酶活力和滲透調(diào)解物含量日變化與日間溫度和光輻射變化的關(guān)系，探討它們?cè)谏成参镞m應(yīng)沙漠環(huán)境的生理調(diào)控作用， 以及這種生理調(diào)節(jié)作用是否在不同科屬沙生植物中存在差異。該研究不僅可深入了解沙生植物對(duì)環(huán)境變化的生理調(diào)控機(jī)理，豐富植物抗逆理論， 而且對(duì)未來(lái)沙生植物種質(zhì)基因庫(kù)合理開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

松嫩沙地的研究區(qū)設(shè)在吉林杜爾伯特縣新店林場(chǎng)，地處松嫩沙地腹地。處于43°—47° N，122 —126° E;該區(qū)屬中溫帶半濕潤(rùn)氣候向半干旱氣候的過(guò)渡帶溫帶半干旱大陸性氣候，年平均氣溫3.6 —4.4 ℃，無(wú)霜期148 d，年降水量428 mm，年平均風(fēng)速2.5—4.2 m/s。沙質(zhì)草地優(yōu)勢(shì)植物種該區(qū)主要植物有榆樹(shù)(UImuspumila)、山杏(prunusarmniacal)、大針茅(Stipagrandis)、線葉菊(Filifoliumsibiricum)、羊草(Leymuschinensis)、差巴嘎蒿(Artimisiahalodendron)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylia)等。

呼倫貝爾沙地的研究區(qū)設(shè)在內(nèi)蒙古新巴爾虎左旗北部的嵯崗鎮(zhèn)附近，地處呼倫貝爾沙地北測(cè)。47°—53° N, 115°—126° E；該區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)，夏季溫和而短促，年平均氣溫 -0.4 ℃，無(wú)霜期110 d左右，年平均降水量268 mm，多大風(fēng)，年平均風(fēng)速4 m/s。 該區(qū)主要植物有大針茅、克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草、線葉菊、冷蒿(Artimisiartemisiafrigida)等，沙化草地常見(jiàn)種有黃柳(Salixgordejevii)、差巴嘎蒿等。由于氣候干旱、風(fēng)速過(guò)大造成草場(chǎng)風(fēng)蝕嚴(yán)重，局部地區(qū)造成草場(chǎng)沙化、退化。

科爾沁沙地的研究區(qū)設(shè)在奈曼旗境內(nèi)的中南部中國(guó)科學(xué)院沙漠研究試驗(yàn)站內(nèi)， 地理位置120°55′E, 42°41 ′N, 平均海拔360 m, 該區(qū)域?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年均溫6.4 ℃, ≥10 ℃ 年積溫在3000 ℃ 以上，無(wú)霜期約150 d, 年降水量364.6 mm， 主要集中在6—8 月，年均蒸發(fā)量1972.8 mm, 土壤類型主要有風(fēng)沙土。該區(qū)主要植物有差巴嘎蒿、狗尾草(Setairaviridis(L.)Beauv)、蟲(chóng)實(shí)(Corispermumdeclinatum)、豬毛菜(SalsolacollinaPall)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

在2010年夏季8月初分別選擇內(nèi)蒙古新巴爾虎左旗北部的嵯崗鎮(zhèn)沙地(呼倫貝爾沙地)、吉林杜爾伯特縣新店林場(chǎng)沙地(松嫩沙地)、和內(nèi)蒙古奈曼旗中國(guó)科學(xué)院奈曼沙漠試驗(yàn)站沙地(科爾沁沙地)為研究區(qū)，在研究區(qū)選擇天然沙地向陽(yáng)坡面供試植物生長(zhǎng)密集區(qū)為試驗(yàn)地。

1.2.2 試驗(yàn)材料

分別選取生長(zhǎng)在呼倫貝爾沙地、松嫩沙地和科爾沁沙地上的差巴嘎蒿、扁蓿豆(Melissitusruthenica)、黃柳和豬毛菜4種沙生植物為試驗(yàn)材料。

1.2.3 標(biāo)記植株

分別在3個(gè)沙地的試驗(yàn)地上選擇健壯、株型中等、株高一致的植株為試驗(yàn)材料并用紅色標(biāo)簽標(biāo)記， 每種標(biāo)記15株。

1.2.4 試驗(yàn)取材

3個(gè)試驗(yàn)區(qū)取樣順序?yàn)楹魝愗悹柹车?8 月1 日到3 日)， 然后松嫩沙地(8 月5 日到6 日)， 最后科爾沁沙地(8 月8 日到10 日)。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，選擇晴好無(wú)雨的晴天，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)各連續(xù)取材兩天， 為兩個(gè)重復(fù)。根據(jù)沙漠環(huán)境日溫差大(早上16 ℃， 中午42 ℃， 晚上19 ℃)這一特點(diǎn)，確定在早中晚各時(shí)間段取樣。具體取樣時(shí)間為6：00、10：00(早)，12：00，14：00(中午)，18：00(晚上)。各時(shí)段取樣均在標(biāo)記的植株上進(jìn)行。即將標(biāo)記植株 3/4株高以上部位葉片隨機(jī)用剪刀剪取，每次剪少許。并將同種不同標(biāo)記植株上剪取的葉片混勻，包裹立刻用液氮固定， 然后帶回實(shí)驗(yàn)室用于抗氧化物酶活力、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和丙二醛的測(cè)定。

1.2.5 酶液提取

酶的提取是在4 ℃條件下進(jìn)行的。從液氮固定的材料中隨機(jī)稱取一定量的樣葉于預(yù)冷研缽中，加入酶提取液(磷酸緩沖液，pH值=7.8),冰浴上研磨成勻漿，在15000 r/min 4 ℃條件下離心15 min，上清液用于酶的測(cè)定。每個(gè)處理的酶液提取重復(fù)兩次。

1.2.6 生理指標(biāo)測(cè)定

采用氯化硝基四氮唑藍(lán)(NBT)光化還原法[6]測(cè)定SOD活性；采用過(guò)氧化氫碘量法[21]測(cè)定CAT活性；采用愈創(chuàng)木酚法[22]測(cè)定 POD活性、硫代巴比妥酸(TBA)比色法[22]測(cè)定丙二醛(MDA)含量、茚三酮法[22]測(cè)定游離脯氨酸；采用蒽酮比色法[23]測(cè)定可溶性糖含量。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)5次。

1.3 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, standard deviation)，用SPSS 11.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種沙生植物葉片MDA含量日變化比較

在植物對(duì)環(huán)境脅迫的生理適應(yīng)調(diào)控機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，脅迫條件下細(xì)胞氧自由基積累引起細(xì)胞膜脂過(guò)氧化是導(dǎo)致細(xì)胞受害死亡的主要原因[3,6- 7]。 MDA是膜脂過(guò)氧化的終產(chǎn)物之一。 研究發(fā)現(xiàn)，棉花[24]、西紅柿[25]、小麥[26]抗鹽性增強(qiáng)和細(xì)胞中MDA 含量的降低相關(guān)。因此， MDA含量常作為脅迫傷害的常用指標(biāo)[2,20]，鑒定細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度和植物抗逆性的一個(gè)重要檢測(cè)指標(biāo)。

3個(gè)沙地的4個(gè)共有種沙生植物日間葉片MDA含量均表現(xiàn)出中午氣溫增高時(shí)增加(圖1),但波動(dòng)差異不顯著。但是，3個(gè)沙地4個(gè)共有種種間MDA含量差異顯著(P﹤0.05)。 以扁蓿豆葉片日均MDA 最高，在松嫩沙地分別較黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜高1.5 倍、3.8 倍、2.9 倍；在呼倫貝爾沙地上分別較其高1.9 倍、1.6 倍、71%； 在科爾沁沙地上分別較其高2.4 倍、3.6 倍、4.2 倍。自然狀況下，黃柳、差巴嘎蒿和豬毛菜葉片維持較低的膜脂過(guò)氧化可能是其適應(yīng)沙漠環(huán)境的主要原因。3個(gè)沙地間共有種葉片MDA含量，差異較小。

圖1 自然條件下科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地、松嫩沙地上4個(gè)共有種(黃柳、差巴嘎蒿、扁蓿豆、豬毛菜)葉片丙二醛(MDA) 含量日變化比較Fig.1 Comparison of the daily changes in MDA contents in leaves of Salix gordejevii，Artimisia halodendron，Melissitus ruthenicus， Salsola collina grown respectively in Horqin sandy land，Hulunbeier sandy land，Songnen sandy land under natural environment

2.2 4種沙生植物葉片抗氧化酶活力日變化比較

日間，不同沙地4個(gè)共有種葉片SOD活力波動(dòng)幅度較大，規(guī)律性不強(qiáng)(圖2)。但4個(gè)共有種種間葉片SOD活力差異顯著(P<0.05)。3個(gè)沙地上不僅黃柳葉片日均SOD 活力最高，在松嫩沙地上比差巴嘎蒿、豬毛菜、扁蓿豆分別高96%、190%、87%；在呼倫貝爾沙地上分別較其高3.7 倍、1.3 倍、1 倍； 在科爾沁沙地上分別較其高55%、52%、52%。而且，日間葉片SOD活力波動(dòng)不明顯。

圖2 自然條件下科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地、松嫩沙地上4個(gè)共有種(黃柳、差巴嘎蒿、扁蓿豆、豬毛菜)葉片過(guò)氧化物歧化酶(SOD)活力日變化比較Fig.2 Comparison of the daily changes in the activity of SOD in leaves of Salix gordejevii，Artimisia halodendron，Melissitus ruthenicus， Salsola collina grown respectively in Horqin sandy land，Hulunbeier sandy land，Songnen sandy land under natural environment

日間，不同沙地4個(gè)共有種沙生植物葉片POD 活力波動(dòng)幅度不大，差異不顯著(圖3)。但4個(gè)共有種種間葉片日均POD活力差異顯著(P<0.05)。3個(gè)沙地均以扁蓿豆葉片日均POD活力最高，差巴嘎蒿日均POD 活力最低。3個(gè)沙地扁蓿豆葉片日均POD活力幾乎比黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜高10 倍，但黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜種間POD 活力差異不顯著。3個(gè)沙地間共有種葉片POD 活力存在差異： 科爾沁沙地扁蓿豆葉片POD活力較高，分別比呼倫貝爾和松嫩沙地高4.8 倍和5.7 倍；科爾沁沙地豬毛菜葉片日均POD活力分別比呼倫貝爾和松嫩沙地高104%和35%； 松嫩沙地黃柳葉片POD活力分別比呼倫貝爾和科爾沁沙地高3.4 倍和2.0 倍。

日間不同沙地4個(gè)共有種沙生植物葉片CAT 活力變化不同，但日間葉片CAT活力波動(dòng)不明顯(圖4)。4個(gè)共有種種間葉片日均CAT活力差異顯著(P<0.05)。呼倫貝爾和松嫩沙地均以扁蓿豆葉片日均CAT活力最高，其中在呼倫貝爾沙地扁蓿豆葉片日均CAT活力比黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜分別高1.7 倍、2.4 倍和3.3 倍，在松嫩沙地分別較其高1.1 倍、1.6 倍和1.4 倍。但科爾沁沙地上種間日均CAT活力差異不明顯。

結(jié)果表明，4個(gè)共有種沙生植物長(zhǎng)期對(duì)不同沙地環(huán)境的適應(yīng)，形成了自身抗氧化酶調(diào)控機(jī)制， 而該機(jī)制使它們能適應(yīng)沙漠環(huán)境日間光輻射強(qiáng)度和溫度的劇烈變化。

2.3 4種沙生植物葉片滲透調(diào)解物含量日變化

許多研究表明，在短期脅迫處理下，植物會(huì)在短時(shí)間內(nèi)，迅速大量地合成和積累脯氨酸、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，保護(hù)細(xì)胞免受傷害和防止蛋白質(zhì)變性， 脅迫條件下細(xì)胞中積累滲透調(diào)節(jié)物的量與抵抗?jié)B透脅迫的能力相關(guān)[17- 18]。本研究表明，自然狀況下，日間3個(gè)沙地4個(gè)共有種黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜葉片脯氨酸含量雖有波動(dòng)，但變化不明顯， 而呼倫貝爾和科爾沁沙地的扁蓿豆葉片脯氨酸含量日變化比較明顯(P﹤0.05)， 在中午積累增高，早晚時(shí)較低(圖5)。 4個(gè)共有種種間葉片脯氨酸日均積累量差異明顯(P﹤0.05)?？茽柷吆秃魝愗悹柹车乇廪６垢彼岷孔罡?，黃柳在3個(gè)沙地均最低。呼倫貝爾扁蓿豆脯氨酸日均積累量分別比黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜高6.9 倍、 97%、 2.6 倍,在科爾沁沙地比其它分別高6.2 倍、 2.6 倍、1倍。3個(gè)沙地上，科爾沁沙地共有種葉片日均脯氨酸含量高于呼倫貝爾和松嫩沙地， 如科爾沁沙地豬毛菜葉片脯氨酸積累量比松嫩沙地高36.8%, 比呼倫貝爾沙地高143%。呼倫貝爾沙地和科爾沁沙地扁蓿豆日均脯氨酸積累量沒(méi)有明顯差異，但比松嫩沙地高約3倍。但3個(gè)沙地上黃柳日均脯氨酸積累量無(wú)明顯差異。

圖3 自然條件下科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地、松嫩沙地上4個(gè)共有種(黃柳、差巴嘎蒿、扁蓿豆、豬毛菜)葉片過(guò)氧化物酶(POD)活力日變化比較Fig.3 Comparison of the daily changes in the activity of POD in leaves of Salix gordejevii，Artimisia halodendron，Melissitus ruthenicus， Salsola collina grown respectively in Horqin sandy land，Hulunbeier sandy land，Songnen sandy land under natural environment

圖4 自然條件下科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地、松嫩沙地上4個(gè)共有種(黃柳、差巴嘎蒿、扁蓿豆、豬毛菜)葉片過(guò)氧化氫酶(CAT)活力日變化比較Fig.4 Comparison of the daily changes in the activity of CAT in leaves of Salix gordejevii，Artimisia halodendron，Melissitus ruthenicus， Salsola collina grown respectively in Horqin sandy land，Hulunbeier sandy land，Songnen sandy land under natural environment

圖5 自然條件下科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地、松嫩沙地上4個(gè)共有種(黃柳、差巴嘎蒿、扁蓿豆、豬毛菜)葉片脯氨酸含量日變化比較Fig.5 Comparison of the daily changes in the proline content in leaves of Salix gordejevii，Artimisia halodendron ，Melissitus ruthenicus， Salsola collina grown respectively in Horqin sandy land，Hulunbeier sandy land，Songnen sandy land under natural environment

日間4個(gè)共有種葉片可溶性糖含量在中午氣溫高時(shí)較高，但日間變化不明顯(除黃柳)(圖6)。4個(gè)共有種種間葉片可溶性糖日均積累量差異極顯著(P﹤0.01)。3個(gè)沙地上均以黃柳最高， 在松嫩沙地上較差巴嘎蒿、豬毛菜、扁蓿豆分別高2.8 倍, 5.6 倍, 2.2 倍; 在呼倫貝爾沙地上分別較其高 2.0 倍, 1.4 倍, 1.3 倍; 在科爾沁沙地上分別較其高 2.5 倍, 4.5 倍,1.5 倍。相比之下，3個(gè)沙地間豬毛菜和差巴嘎蒿葉片中可溶性糖日積累量較低。3個(gè)沙地上共有種葉片可溶性糖日均積累量差異不大，但以呼倫貝爾沙地上的要略顯高些，但差異不明顯。

圖6 自然條件下科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地、松嫩沙地上4個(gè)共有種(黃柳、差巴嘎蒿、扁蓿豆、豬毛菜)葉片可溶性糖含量日變化比較Fig.6 Comparison of the daily changes in the content of soluble sugar in leaves of Salix gordejevii，Artimisia halodendron ，Melissitus ruthenicus， Salsola collina grown respectively in Horqin sandy land，Hulunbeier sandy land，Songnen sandy land under natural environment

3 討論與結(jié)論

許多植物逆境生理研究采用將測(cè)試植物材料移栽并進(jìn)行人工模擬脅迫方法,通過(guò)對(duì)比不同生態(tài)型植物在同一處理中抗逆生理指標(biāo)變化或同一植物在不同脅迫強(qiáng)度和不同脅迫處理時(shí)間中抗逆生理指標(biāo)變化探討植物抗逆生理變化與環(huán)境適應(yīng)的關(guān)系。由于人工控制條件下實(shí)驗(yàn)易于操作、試驗(yàn)材料多為一年生或多年生草本易于栽培，所以從各處理中一次取樣獲得的結(jié)果就能較準(zhǔn)確反映植物的生理狀況。與人工模擬試驗(yàn)相比，本試驗(yàn)重點(diǎn)是3個(gè)沙地共有種對(duì)它們各自生存環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理研究，試驗(yàn)材料不能移栽，只能從沙生植物原生長(zhǎng)地取。另外，自然條件下研究易受天氣干擾，加之3種沙地相距甚遠(yuǎn)，不可能同時(shí)取樣。為了真實(shí)反映沙生植物生長(zhǎng)和環(huán)境關(guān)系， 根據(jù)沙漠環(huán)境日輻射強(qiáng)度的正態(tài)分布及日溫差大特點(diǎn)，試驗(yàn)采用多點(diǎn)采樣法，即3個(gè)試驗(yàn)地取樣均在早晨(6:00，10:00)、中午(12:00， 14:00)和下午(18:00)進(jìn)行，以克服單點(diǎn)取樣時(shí)(某一時(shí)間)3個(gè)試驗(yàn)地氣溫差異帶來(lái)的影響。通過(guò)比較不同沙地4個(gè)共有種葉片抗氧化酶活力、滲透調(diào)節(jié)物和MDA 含量日均值， 揭示不同沙地共有種對(duì)干旱環(huán)境適應(yīng)的生理調(diào)節(jié)策略。

長(zhǎng)期對(duì)沙漠環(huán)境的適應(yīng)使沙生植物形成了很強(qiáng)的抗旱、抗熱、抗冷凍脅迫的能力。本研究表明，在自然狀況下3個(gè)沙地均以扁蓿豆葉片日均MDA 最高，并較黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜高1—4 倍 (圖1)；同時(shí)日均葉片POD和CAT 活力也最高 (圖3，圖4)，并分別較黃柳、差巴嘎蒿、豬毛菜高10 倍， 1—3倍。黃柳葉片日均MDA較高，伴隨著較高的SOD活力和較低的POD和CAT活力。差巴嘎蒿和豬毛菜葉內(nèi)較低的MDA含量(圖1)，伴隨著較低的POD、CAT、和SOD活力(圖2—圖4)。有研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化酶活力高的扁宿豆葉片MDA含量也高[20]，在正常條件和脅迫條件下野生甜菜葉片膜脂過(guò)氧化均低于栽培甜菜[27]。在高溫脅迫下，耐溫基因型小麥葉片膜脂過(guò)氧化水平低于溫度敏感基因型小麥[17]。本結(jié)果表明，(1)沙漠環(huán)境中沙生植物維護(hù)細(xì)胞中較低的膜脂過(guò)氧化在維護(hù)細(xì)胞膜的完整性和提高其抗逆能力是至關(guān)重要的。差巴嘎蒿和豬毛菜葉片較低的MDA含量，表明其不易受環(huán)境脅迫干擾，這可能使其成為沙漠優(yōu)勢(shì)植物的原因。 (2)沙漠環(huán)境中沙生植物維護(hù)氧自由基代謝平衡、降低氧自由基傷害在其適應(yīng)沙漠環(huán)境同樣是重要的。由于氧自由基產(chǎn)生與抗氧化酶活力的提高相關(guān)[17,28]。因此沙漠環(huán)境強(qiáng)光輻射和干旱不僅使細(xì)胞內(nèi)氧自由基積累引起膜脂過(guò)氧化加強(qiáng)和MDA 含量增高， 同時(shí)也誘導(dǎo)和激活保護(hù)酶系統(tǒng)，提高抗氧化酶活力，抑制細(xì)胞膜脂過(guò)氧化，維護(hù)細(xì)胞氧自由基代謝平衡，維護(hù)細(xì)胞正常代謝而生存。這可能是扁蓿豆和黃柳在細(xì)胞較多MDA積累下生存的原因。但不同科屬植物在逆境條件下，被激活的抗氧化酶種類不同[29]。如扁蓿豆葉片通過(guò)提高POD和CAT活力，黃柳通過(guò)提高SOD活力抑制膜脂過(guò)氧化，維護(hù)細(xì)胞氧自由基代謝平衡適應(yīng)沙漠環(huán)境生長(zhǎng)的。因此，在沙漠環(huán)境中， 沙生植物葉片控制膜脂過(guò)氧化、降低MDA生成是其適應(yīng)沙漠干旱脅迫的重要環(huán)節(jié)， 但是維持氧自由基代謝平衡在抵御沙漠環(huán)境脅迫也是十分重要的。另外，在進(jìn)行植物抗旱鑒定中，MDA的絕對(duì)量是否可作用抗旱鑒定的指標(biāo)值得討論。

有研究表明，細(xì)胞中積累的有機(jī)溶質(zhì)可通過(guò)滲透調(diào)節(jié)作用， 保護(hù)細(xì)胞維持膨壓，是重要的滲透保護(hù)劑[18, 30- 31]。在自然狀況下，3個(gè)沙地的4個(gè)共有種中，扁蓿豆葉片日均脯氨酸含量最高，并較其他3種高1—7 倍(圖5)。黃柳葉片日均可溶性糖含量最高，較其他3種高1—5倍(圖6)。差巴嘎蒿和豬毛菜葉片脯氨酸和可溶性糖含量均最低。生長(zhǎng)在沙漠環(huán)境的沙生植物常常面臨強(qiáng)輻射、高溫干旱脅迫，在對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)中沙生植物具有很強(qiáng)的水分調(diào)節(jié)能力和抗旱性，并與其較高的滲透調(diào)節(jié)能力相關(guān)。但本研究顯示，差巴嘎蒿和豬毛菜葉片中滲透調(diào)節(jié)物含量很低，視乎沒(méi)有參與細(xì)胞水分平衡的調(diào)節(jié)。脯氨酸為扁蓿豆?jié)B透調(diào)節(jié)劑，可溶性糖為黃柳的滲透調(diào)節(jié)劑。同為沙生植物的4個(gè)種在滲透調(diào)節(jié)物含量和滲透調(diào)節(jié)物種類上表現(xiàn)出明顯差異。 這種差異可能與不同種間生物學(xué)特性不同有關(guān)。

豬毛菜為C4植物，其表皮具有較厚的角質(zhì)層和發(fā)達(dá)的薄壁組織具有較高的水分儲(chǔ)存能力[32,33]。而且豬毛菜和差巴嘎蒿葉均為絲狀條形葉，具有較強(qiáng)的保水和散熱能力使這兩種植物在日間葉片不易遭受水分虧缺，細(xì)胞可以維持正常代謝。這可能也是其細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度低， 抗氧化酶活力低的原因。而扁蓿豆為半匍匐型，葉片近地表不僅接受較多光照還遭遇沙漠地表的熱輻射作用，因而葉片溫度高、水分蒸騰快，在下午葉片表現(xiàn)出萎蔫。葉片細(xì)胞較易出現(xiàn)水分虧缺誘生氧自由基，這可能也是其細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度高(圖1)、抗氧化酶活力增加(圖3，圖4)、脯氨酸含量積累較高(圖5)的生理原因。葉片較大的黃柳通過(guò)積累可溶性糖防止水分丟失和維護(hù)水分平衡。而扁蓿豆和黃柳積累的滲透調(diào)節(jié)物種類不同可能受物種的基礎(chǔ)代謝差異影響。扁蓿豆為蛋白質(zhì)植物，在日間缺水時(shí)， 葉片蛋白質(zhì)代謝容易受阻，導(dǎo)致脯氨酸氧化受抑制而積累[16]。 相反黃柳為非蛋白質(zhì)植物，在葉片缺水和代謝受阻時(shí)碳代謝受阻、可溶性糖積累。這表明，在漫長(zhǎng)的沙生植物進(jìn)化過(guò)程中，不同科屬植物在保水進(jìn)化特征上是不同的。 豬毛菜和差巴嘎蒿是以葉形態(tài)改變、減少熱量吸收、降低水分蒸騰而減少水分丟失。扁蓿豆和黃柳是生理調(diào)節(jié)，通過(guò)增加細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物含量、增大細(xì)胞滲透壓和膨壓、而降低水分丟失?？傊钤谏衬珊淡h(huán)境的沙生植物維持日間葉片水分平衡對(duì)防止膜脂過(guò)氧化、維護(hù)細(xì)胞膜完整性具有重要作用。但是在進(jìn)化中不同科屬植物基礎(chǔ)代謝差異使得參與滲透調(diào)節(jié)的滲透調(diào)節(jié)物種類明顯不同。另外還發(fā)現(xiàn)，葉片日均脯氨酸含量最高的扁蓿豆日均葉片MDA含量也最高，日均葉片脯氨酸和可溶性糖含量最低的差巴嘎蒿和豬毛菜葉片MDA含量也最低，沙生植物葉片中滲透調(diào)節(jié)物含量與其MDA含量呈正相關(guān)。由于滲透調(diào)節(jié)物可以降解氧自由基毒性、穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、保護(hù)植物免受環(huán)境脅迫[17- 18, 29- 30],因此滲透調(diào)節(jié)物不僅參與維護(hù)細(xì)胞水分平衡，而且還參與了氧自由基清除，并在維護(hù)氧自由基代謝平衡上起重要作用。

其次，本研究還發(fā)現(xiàn)，不僅日間4個(gè)共有種沙生植物葉片MDA含量、抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)物含量呈波動(dòng)式變化，而且3個(gè)沙地間4個(gè)共有種沙生植物在抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)物含量上也存在或多或少的差異。這表明，4種沙生植物具有較大的生態(tài)幅，并在一定生態(tài)幅內(nèi)能通過(guò)生理代謝調(diào)節(jié)維護(hù)葉片水分和氧自由基代謝平衡、細(xì)胞膜的完整性和持續(xù)生長(zhǎng)。而這種對(duì)環(huán)境日溫(18—52 ℃)和光強(qiáng)變化以及不同沙地環(huán)境適應(yīng)的能力是受生理代謝調(diào)節(jié)調(diào)控的。但是，日間和不同沙地間4個(gè)共有種沙生植物抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)物含量的差異明顯小于4 個(gè)共有種種間差異。因此，4種沙生植物對(duì)沙漠環(huán)境適應(yīng)的生理調(diào)節(jié)機(jī)理(生理和形態(tài)解剖)受遺傳所控制。

綜上所述， 生活在沙漠環(huán)境的不同科種屬沙生植物， 在長(zhǎng)期適應(yīng)沙漠環(huán)境中形成了各自特有的生物學(xué)特征和生理調(diào)控策略。首先，4種沙生植物具有很強(qiáng)的通過(guò)自身快速生理代謝調(diào)解，積累滲透調(diào)節(jié)物、提高抗氧化酶活力和細(xì)胞抗氧化能力、應(yīng)對(duì)沙漠環(huán)境光輻射和溫度日變化。而4種沙生植物種間在抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)含量及種類差異明顯，抗逆生理調(diào)控機(jī)理不同。在自然狀況下3個(gè)沙地的扁蓿豆依靠維持高濃度脯氨酸和較高POD和CAT 活力；黃柳依靠維持高濃度可溶性糖含量和較高SOD 活力維持細(xì)胞水分代謝和氧自由基代謝平衡；差巴嘎蒿和豬毛菜依靠特殊的葉片結(jié)構(gòu)減少光輻射吸收、降低水分蒸發(fā)維持葉片水分平衡、降低細(xì)胞膜脂過(guò)氧化。該研究進(jìn)一步表明，不同科屬沙生植物維持葉片水分和氧自由基代謝平衡是其在沙漠環(huán)境下生存的重要生理調(diào)控機(jī)理。而4個(gè)不同科屬沙生植物對(duì)沙漠環(huán)境的生理適應(yīng)策略的不同是受遺傳所控制的，它是沙生植物成為抗逆育種靶基因的依據(jù)。因此在未來(lái)農(nóng)作物、林木抗逆育種中，根據(jù)具體科屬植物選擇合適的沙生植物作為親本對(duì)提高抗逆育種效率是十分重要的。

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The physiological adaptation mechanisms of four common desert species in response to desert environments

ZHOU Ruilian*, HOU Yuping, ZUO Jincheng, WANG Yanfang

CollegeofLifeSciences,LudongUniversity,Yantai264025,China

Drought and heat tolerance are increasingly important agronomic traits. This study examines the mechanisms utilized by common desert species to adapt to drought, heat, and higher light intensity. Plants of four different families (the sandy shrubSalixgordejevii, the sub-shrubArtemisiahalodendron，the legumeMelissitusruthenicus，and the sub-shrubSalsolacollina) were grown in three different natural arid environments: Kerqin Sandy Land (least extreme heat and drought), Hulunbeier Sandy Land, and Songnen Sandy Land. The activities of the antioxidant enzyme systems superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), and catalase (CAT) and the levels of malonaldehyde (MDA), a biomarker for oxidative stress, and the osmoregulatory substances soluble sugar and proline were monitored in leaves on a daily basis. No significant differences between environments for a single species were observed although antioxidantive enzymatic activities and osmoregulatory contents were somewhat lower in plants grown in Kerqin Sandy Land than in the more severely arid conditions found in Hulunbeier Sandy Land and Songnen Sandy Land. There were, however, significant differences between species.Melissitusruthenicushad the highest POD and CAT activities and also the highest levels of proline and MDA;Salixgordejeviihad the highest SOD activity and soluble sugar content and higher than average MDA content.ArtemisiahalodendronandSalsolacollinahad the lowest levels of proline and soluble sugar and activities of POD, CAT, and SOD, and a lower content of MDA. These results indicate that the degree of lipid peroxide is positively correlated with the activities of antioxdant enzymes and contents of proline and soluble sugar in these four species. However not all antioxidant enzymes increase uniformly among the four species in response to drought, suggesting that different antioxidant enzymes may be more important for imparting adaptation to arid conditions in some desert species as compared to others. In natural desert environments,Melissitusruthenicusmaintains its water balance and superoxide free radical metabolism balance by keeping higher concentrations of proline and activities of POD and CAT;Salixgordejeviiby holding higher contents of soluble sugar and higher SOD activity; andArtemisiahalodendronandSalsolacollinaby having leaf blades with a special structure to reduce taking in light radiation and avoiding water transpiration. These results suggest several different gene systems could be targeted for increasing drought tolerance in plants of economic importance.

common species; desert plants; sandy lands; the activity of antioxidant enzyme; osmoregulation substance

國(guó)家973課題(2009CB421303);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (30972422)；中國(guó)科學(xué)院方向性項(xiàng)目(KZCXZ-YW- 431)

2013- 04- 06;

日期:2014- 03- 25

10.5846/stxb201304060609

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhourl@hotmail.com

周瑞蓮,侯玉平,左進(jìn)城,王艷芳.不同沙地共有種沙生植物對(duì)環(huán)境的生理適應(yīng)機(jī)理.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(2):340- 349.

Zhou R L, Hou Y P, Zuo J C, Wang Y F. The physiological adaptation mechanisms of four common desert species in response to desert environments.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):340- 349.