許彥明， 陳永忠， 陳 勇, 陳隆升， 彭嘉棟

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院 國家油茶工程技術(shù)研究中心, 湖南 長沙 410004； 2.瀏陽市林業(yè)局, 湖南 長沙 410300； 3.湖南省氣候中心, 湖南 長沙 410007)

持續(xù)干旱對油茶葉片及根系生理生化指標(biāo)的影響

許彥明1， 陳永忠1， 陳 勇2, 陳隆升1， 彭嘉棟3

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院 國家油茶工程技術(shù)研究中心, 湖南 長沙 410004； 2.瀏陽市林業(yè)局, 湖南 長沙 410300； 3.湖南省氣候中心, 湖南 長沙 410007)

以“湘林52” 2年生油茶嫁接苗為材料，采用盆栽的試驗方法，利用自然干燥法獲得控水梯度，測定持續(xù)干旱條件下油茶苗葉片光合色素，葉片及根系(D≤2 mm)丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶生理生化指標(biāo)，研究其對干旱脅迫的生理響應(yīng)。結(jié)果表明：隨著干旱程度的增加，葉片光合色素含量持續(xù)降低(P<0.05)；葉片及根系丙二醛、脯氨酸和可溶性糖含量均持續(xù)增加(P<0.05)，葉片可溶性蛋白含量持續(xù)降低(P<0.05)，根系可溶性蛋白含量先增加后下降(P<0.05)；葉片及根系超氧化物歧化酶活性持續(xù)增加(P<0.05)，過氧化物酶和過氧化氫酶活性均呈先升高后降低的變化趨勢(P<0.05)。當(dāng)土壤相對含水量高于30.6%時，復(fù)水后油茶苗能恢復(fù)正常生長；當(dāng)土壤相對含水量低于21.1%時，復(fù)水后油茶苗不能恢復(fù)正常生長。

油茶； 持續(xù)干旱； 生理生化； 盆栽試驗

水分是影響植物生長發(fā)育的重要因子之一，也是影響植物生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益的限制因子[1]。研究發(fā)現(xiàn)，短期或輕度的土壤干旱會引起植物葉片氣孔導(dǎo)度下降，影響光合作用[2]；長期而嚴(yán)重的干旱會破壞葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)，引起植物落花落果[3]，進(jìn)而影響植物的產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5]。因此，深入了解植物的干旱適應(yīng)能力，對增加植物產(chǎn)量和提高其品質(zhì)具有重要的意義。油茶(Camelliaoleifera)是我國南方主要的經(jīng)濟(jì)樹種，與油棕(Verniciafordii)、油橄欖(Oleaeuropaea)和椰子(Cocosnucifera)并稱世界四大木本食用油料樹種，多分布于南方低山丘陵地區(qū)[6]。已有研究表明，在干旱環(huán)境下，油茶通過葉片和根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，以及改變體內(nèi)保護(hù)酶活性、滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)和內(nèi)源激素含量來增強(qiáng)對不良環(huán)境的適應(yīng)和抵抗能力[6-8]。目前，油茶造林多以輕基質(zhì)嫁接苗為主，而關(guān)于油茶輕基質(zhì)嫁接苗在持續(xù)干旱脅迫下葉片和根系生理特性變化的研究尚不多見。為此，作者研究了持續(xù)干旱脅迫時間不同的油茶葉片和根系生理特性的變化，以期為油茶抗旱措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

湖南省林業(yè)科學(xué)院試驗林場位于113°01′30″E、28°06′40″N。該區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，其氣候溫和，四季分明，年平均氣溫17.5 ℃，1月平均氣溫4.6 ℃，7月平均氣溫28.6 ℃，年日照時數(shù)1841.8 h，年無霜期275天，年均降雨量1378 mm，年均相對濕度81%；土壤系第四紀(jì)紅色粘土網(wǎng)紋層母質(zhì)發(fā)育的酸性紅壤，土層深厚，多在1 m左右，但石礫較多，pH值在4.5～5.5之間。

2 材料與方法

2.1試驗材料

試驗材料為油茶“湘林52” 2年生輕基質(zhì)(草炭∶珍珠巖∶椰糠=5∶3∶2)嫁接苗。3月底選擇生長健壯、長勢一致的油茶苗進(jìn)行盆栽(28 cm×30 cm)，每盆栽1株，盆中裝風(fēng)干土壤4 kg。土壤田間持水量40.2%，pH值4.3；全N、全P含量分別為2.68、0.48 g/kg，堿解氮、有效磷含量分別為86.8、10.15 mg/kg。盆栽苗放置在四側(cè)通風(fēng)透光的大棚下正常栽培管理。試驗期間大棚內(nèi)氣溫為19.3～39.0 ℃，平均全天氣溫為26.9 ℃。

2.2試驗方法

2.2.1 干旱脅迫和復(fù)水試驗 于2015年6月選擇長勢一致的盆栽苗，試驗前1天每盆幼苗均澆透水，使土壤充分吸水達(dá)到飽和，以后不再澆水，讓其自然變干。在澆水后的第1天、7天、14天、21天、28天分別觀測油茶苗形態(tài)的變化。由于第28天油茶葉片失綠變褐，只在第1天、7天、14天和21天采集了樣品。采集的樣品為成熟的葉片和直徑≤2 mm的根系。每次采樣均選取9盆油茶苗，每3盆油茶苗的樣品混合為1份樣品，共計3份樣品，即3次重復(fù)。樣品放入冰盒迅速帶回實驗室，用去離子水清洗后擦干，放于-70 ℃冰箱中保存。另在干旱脅迫的第7天、14天、21天和28天進(jìn)行復(fù)水試驗，以觀測油茶苗是否能恢復(fù)生長。復(fù)水試驗是取樣后選取9盆油茶苗每天均澆透水，連續(xù)觀測油茶苗生長變化情況。室內(nèi)樣品測定均重復(fù)3次。

土壤含水量采用烘干法測定，土壤田間持水量采用環(huán)刀法測定。土壤相對含水量為土壤含水量與土壤田間持水量的比值。

2.3數(shù)據(jù)處理

用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析；用單因素方差分析( one-way ANOVA) 和最小顯著差異法( LSD) 比較不同干旱脅迫程度各處理的差異。用sigmaplot(SYSTAT公司，10.0)作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1干旱脅迫對葉片外部形態(tài)的影響

油茶葉片第1天至第7天顏色逐漸變淺，由深綠變?yōu)榫G色；第14天葉片及新梢出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象；第21天下部葉片及嫩芽變褐；第28天葉片失綠變褐，植株出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。復(fù)水試驗發(fā)現(xiàn)，第7天、第14天復(fù)水油茶能恢復(fù)正常生長，此時土壤相對含水量分別為51.0%、30.6%，第21天以后復(fù)水油茶苗不能恢復(fù)正常生長，此時土壤相對含水量低于21.1%。

3.2干旱脅迫對葉片光合色素含量的影響

圖1結(jié)果表明： 油茶葉片光合色素含量隨著干旱脅迫時間的增加表現(xiàn)出相似的變化趨勢。葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和類胡蘿卜素(Car)含量均隨脅迫時間的增加而減少，均在第21天達(dá)到最低值，含量分別為1.18±0.06、0.39±0.03和0.24±0.01 mg/g。干旱脅迫處理1天的Chla、Chlb、Car含量與7天、14天、21天的差異均達(dá)顯著(P<0.05)，14天的與21天的差異不顯著。

圖1 持續(xù)干旱脅迫下葉片光合色素含量的變化Figure 1 Change of photosynthetic pignent content under drought stress注：不同字母表示不同脅迫時間之間差異顯著(P<0.05)。

3.3干旱脅迫對丙二醛及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

圖2結(jié)果顯示： 油茶葉片和根系丙二醛及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量隨著干旱脅迫時間的增加表現(xiàn)出相似的變化趨勢。葉片和根系丙二醛、脯氨酸和可溶性糖含量均隨脅迫時間的增加而增加，均在第21天達(dá)到最大值，丙二醛含量分別為20.60±0.66、17.67±1.48 nmol/g，脯氨酸含量分別為19.41±0.40、42.43±3.66 μg/g，可溶性糖含量分別為235.18±11.28、102.66±6.47 nmol/g。葉片可溶性蛋白含量隨著脅迫時間的增加而減少，在第21天達(dá)到最低值，其含量為7.15±0.88 mg/g；根系可溶性蛋白含量表現(xiàn)為先升高后下降的變化趨勢，在第14天達(dá)到最大值，其含量為17.08±0.27 mg/g。經(jīng)檢驗，干旱脅迫處理時間對葉片和根系丙二醛、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響顯著(P<0.05)。

圖2 持續(xù)干旱脅迫下MDA及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化Fig.2 Changes of MDA and osmoregulation substance content under drought stress注：不同小寫字母表示葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量在不同脅迫時間之間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示根系的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量在不同脅迫時間之間差異顯著(P<0.05)。下同。

3.4干旱脅迫對保護(hù)酶活性的影響

油茶葉片和根系酶活性隨著干旱脅迫時間的增加表現(xiàn)出相似的變化趨勢(見圖3)。葉片和根系SOD酶活性均隨脅迫時間的增加而增加，在第21天均達(dá)到最大值，SOD酶活性分別為494.26±6.80、509.71±16.75 U/g·FW。葉片和根系POD、CAT酶活性均表現(xiàn)為先升高后下降的變化趨勢，均在第14天達(dá)到最大值，POD酶活性分別為802.05±87.08、590.64±71.48 U/(g·min)·FW，CAT酶活性分別為328.04±12.30、182.18±1.40 U/(g·min)·FW。經(jīng)檢驗，干旱脅迫處理時間對葉片和根系SOD、POD和CAT酶活性的影響顯著(P<0.05)。

圖3 持續(xù)干旱脅迫下保護(hù)酶活性的變化Fig.3 Changes of protective enzyme activities under drought stress

4 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)干旱使油茶葉片出現(xiàn)卷曲、逐漸失綠變褐的現(xiàn)象。這與其它油茶品種在不同干旱程度下葉片形態(tài)變化規(guī)律相似[11]。葉片卷曲使其氣孔導(dǎo)度下降，明顯降低了蒸騰強(qiáng)度及水分的損失[2]。同時也發(fā)現(xiàn)，油茶葉片光合色素Chla、Chlb和Car含量均隨干旱脅迫程度增加而減少，與王新建等對楸樹[12]以及王宇超等對濱藜及沙棘[13]研究的結(jié)果相似。這可能是由于干旱脅迫抑制了葉綠體片層中Chla/b-Pro復(fù)合體的合成[14]，或是由于干旱脅迫程度的增加引起植物體內(nèi)活性氧的累積，進(jìn)而引發(fā)葉綠素的破壞[12]。

干旱脅迫會引起植物體內(nèi)產(chǎn)生大量O2-和H2O2等具有強(qiáng)氧化能力的活性氧，從而造成膜脂過氧化反應(yīng)生產(chǎn)MDA，使氧化膜的有序性降低、結(jié)構(gòu)破壞，最終影響細(xì)胞的物質(zhì)代謝[15]。本研究表明，隨著干旱脅迫程度的加深，油茶葉片及根系MDA含量均增加，與已有研究的結(jié)果相似[8,16]。這說明干旱脅迫使油茶葉片及根系發(fā)生膜脂過氧化，而且干旱程度越大質(zhì)膜損害程度越大，進(jìn)而影響葉片細(xì)胞內(nèi)葉綠素的結(jié)構(gòu)和含量及根系對水分的吸收能力[16-17]。

干旱脅迫下，植物細(xì)胞會主動增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來增強(qiáng)植物的吸水和保水能力[18]。本研究表明，隨著干旱程度的增加，油茶葉片及根系脯氨酸和可溶性糖含量均不斷積累，與已有研究的結(jié)果相似[8,16]。這說明，當(dāng)植物遭受干旱脅迫時，細(xì)胞會通過作為植物體內(nèi)重要有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的脯氨酸和可溶性糖的積累進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，從而增強(qiáng)細(xì)胞保水能力[19]。干旱脅迫處理初期，油茶根系可溶性蛋白含量表現(xiàn)出增加趨勢。這說明根系細(xì)胞內(nèi)不溶性蛋白質(zhì)變?yōu)榭扇苄缘鞍踪|(zhì)以增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)能力，有利于細(xì)胞維持較低的滲透勢水平，從而增加根系吸水保水能力，這是油茶苗在干旱環(huán)境下的一種保護(hù)性反應(yīng)。根系在脅迫后期以及葉片在整個脅迫時期，可溶性蛋白含量均隨著干旱脅迫的加劇而下降。一方面可能是由于蛋白酶活性升高，使其水解加快，降解后的蛋白質(zhì)形成脯氨酸等其他具有調(diào)節(jié)功能的氨基酸[16]；另一方面可能是由于膜脂過氧化作用，抑制細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成代謝，造成蛋白質(zhì)含量下降[17]。

SOD、POD和CAT是植物體內(nèi)清除活性氧的重要抗氧化酶，多數(shù)研究表明，抗氧化酶的活性越高，植物的抗旱性越強(qiáng)[19-20]。本研究中，在干旱脅迫初期，油茶葉片和根系SOD、POD和CAT酶活性均升高，以增強(qiáng)對植物體內(nèi)O2-和H2O2等活性物質(zhì)的清除；到脅迫后期，SOD酶活性持續(xù)升高，而POD和CAT酶活性均下降。這表明SOD對O2-具有較強(qiáng)的清除能力，以降低O2-對膜脂的過氧化作用，但其所轉(zhuǎn)化的H2O2需通過POD、CAT等其他抗氧化酶清除[16]，此時POD和CAT酶活性下降，表明隨著干旱脅迫的加重，細(xì)胞抗氧化能力逐漸降低，從而增加了體內(nèi)活性氧的積累及膜脂的氧化程度。

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EffectsofdroughtstressonphysiologicalandbiochemicalindexesoftheleavesandrootsofCamelliaoleifera

XU Yanming1, CHEN Yongzhong1, CHEN Yong2,CHEN Longsheng1, PENG Jiadong3

(1.National Engineering Research Center for Oil-tea Camellia, Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004，Chian; 2.Forestry Bureau of Liuyang City, Liuyang 410300, China; 3.Climate Center of Hunan Province, Changsha 410007, China)

By the natural drying method to control water gradient, the photosynthetic pigments in leaves and the MDA, proline, soluble sugar, soluble protein, superoxide dismutase, peroxidase, peroxide catalase physiological and biochemical indices in leaves and roots (D≤2 mm) of two-year-oldCamelliaoleifera′Xianglin 52′ grafted seedling were investigated with pot experiment simulating continuous drought.The results showed that: with the development of drought stress, the photosynthetic pigment was decreased (P<0.05).MDA, proline and soluble sugar content were increased in leaves and roots (P<0.05).Leaf soluble protein content decreased constantly (P<0.05), soluble protein content in root increased after the first drop (P<0.05).SOD activity raised constantly in leaves and roots (P<0.05), then POD and CAT were higher before the tendency of the lower (P<0.05).During the experiment, when the soil water content was higher than 30.6% after re-watering,C.oleiferacould grow back to normal, when soil water content lower than 21.1% after re-watering, it could not resume normal growth.

Camelliaoleifera； persistent drought stress； physiology and biochemistry； pot experiment

2016-04-07

中國氣象局氣候變化專項“氣候變化對油茶產(chǎn)量的影響研究”(CCSF201525)。

許彥明(1987-)，男，河南省駐馬店市人，碩士，研究實習(xí)員，主要從事油茶栽培技術(shù)研究。

S 794.4；S 603.8

A

1003 — 5710(2016)04 — 0007 — 05

10.3969/j.issn. 1003 — 5710.2016.04.002

(文字編校：唐效蓉)