李 強(qiáng)， 路雪梅

(東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

水分是限制植物生長和分布的重要環(huán)境因子，隨著全球氣候的暖化，植物生長發(fā)育對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)和適應(yīng)受到了越來越多的關(guān)注[1]。干旱脅迫誘導(dǎo)植物體內(nèi)發(fā)生各種生理生化反應(yīng)，造成活性氧的代謝失衡，引起細(xì)胞膜脂過氧化，導(dǎo)致生物膜受損，破壞蛋白質(zhì)、核酸等的分子結(jié)構(gòu)，從而對(duì)植物產(chǎn)生毒害[2-3]；而增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)是植物體適應(yīng)干旱脅迫的重要機(jī)制[4-5]?？寡趸?、抗壞血酸和谷胱甘肽是植物抗氧化系統(tǒng)的重要組成部分[5]，因此研究干旱脅迫對(duì)紫丁香(Syringaoblata)抗氧化系統(tǒng)的影響，對(duì)揭示紫丁香的抗旱能力和機(jī)制具有重要意義。

紫丁香是我國重要的城市園林綠化植物，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。水資源匱乏是我國城市發(fā)展所面臨的主要問題之一，在缺水地區(qū)紫丁香的栽培應(yīng)用受到了極大限制[6]。因此研究干旱脅迫下紫丁香抗氧化系統(tǒng)中主要抗氧化酶和抗氧化物的變化規(guī)律，了解紫丁香的抗旱性，促進(jìn)紫丁香在干旱及半干旱地區(qū)的推廣應(yīng)用，提高紫丁香在生態(tài)恢復(fù)和城市園林綠化等方面的應(yīng)用價(jià)值，可為合理應(yīng)用紫丁香提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

紫丁香的種子于2015年在哈爾濱市第二苗圃內(nèi)采收。盆缽規(guī)格為51 cm×38 cm×35 cm(上徑×下徑×高)，盆中裝入10.3 kg試驗(yàn)用土。試驗(yàn)所用土壤為黑色泥炭土，購自哈爾濱市和平園林綠化公司，經(jīng)消毒和過篩處理。試驗(yàn)用土pH值為7.6，有機(jī)質(zhì)含量為145 g/kg，全氮含量為5.6 g/kg，全磷含量為12.3 g/kg，全鉀含量為32.8 g/kg。試驗(yàn)前測(cè)得試驗(yàn)用土的最大田間持水量為46.7%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2015年6月在東北林業(yè)大學(xué)苗圃內(nèi)播種，于同年9月移入溫室內(nèi)。2016年5月15日，選擇生長發(fā)育良好的紫丁香幼苗栽入盆內(nèi)，每盆內(nèi)移入1株幼苗，進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)，每處理移植25盆。待移植的紫丁香恢復(fù)正常生長后，于2016年7月5日開始控水，試驗(yàn)共設(shè)4組處理，分別為對(duì)照(CK，土壤水分含量為試驗(yàn)用土最大田間持水量的75%)、輕度干旱脅迫(W1，土壤水分含量為試驗(yàn)用土最大田間持水量的60%)、中度干旱脅迫(W2，土壤水分含量為試驗(yàn)用土最大田間持水量的45%)、重度干旱脅迫(W3，土壤水分含量為試驗(yàn)用土最大田間持水量的30%)。架設(shè)防雨棚以防止自然降水對(duì)土壤水分的影響，于每日16：00用電子天平稱質(zhì)量，從而控制土壤含水量。7月10日各處理的土壤含水量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，分別于該日之后5、10、15、20 d時(shí)取植株中上部葉片測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定方法

細(xì)胞質(zhì)膜相對(duì)透性和丙二醛(MDA)含量采用孔祥生等的方法[7]測(cè)定；過氧化氫(H2O2)含量采用Jiang等的方法[8]測(cè)定；超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用王學(xué)奎的方法[9]測(cè)定；過氧化氫酶(CAT)活性采用李合生的方法[10]測(cè)定；谷胱甘肽還原酶(GR)活性采用單長卷等的方法[5]測(cè)定；還原型抗壞血酸(AsA)含量采用Hodges的方法[11]測(cè)定；還原型谷胱甘肽(GSH)含量采用Griffith的方法[12]測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集的數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)檢驗(yàn)不同土壤干旱脅迫處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)紫丁香細(xì)胞質(zhì)膜相對(duì)透性的影響

質(zhì)膜的相對(duì)透性常用相對(duì)電導(dǎo)率表示，電導(dǎo)率越高表示細(xì)胞膜傷害程度越重。如圖1所示，在輕度干旱脅迫下，紫丁香的相對(duì)電導(dǎo)率在脅迫20 d時(shí)與CK相比顯著上升(P<0.05)，其余處理時(shí)間差異不顯著。在中度干旱脅迫10～20 d時(shí)，紫丁香的相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照處理間差異顯著(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，紫丁香的相對(duì)電導(dǎo)率在整個(gè)脅迫過程中始終與對(duì)照處理間差異顯著(P<0.05)，同時(shí)也顯著高于輕度、中度干旱脅迫處理(P<0.05)，脅迫20 d時(shí)相對(duì)電導(dǎo)率已經(jīng)達(dá)到對(duì)照處理的2.2倍。

2.2 干旱脅迫對(duì)紫丁香丙二醛、過氧化氫含量的影響

如圖2、圖3所示，在干旱脅迫下，紫丁香的MDA、H2O2含量隨著脅迫時(shí)間的延長和脅迫程度的加劇而不斷上升。在輕度干旱脅迫10～20 d時(shí)，MDA含量與對(duì)照處理間差異顯著(P<0.05)；在輕度干旱脅迫15～20 d時(shí)，H2O2含量與對(duì)照處理間差異顯著(P<0.05)。在中度、重度干旱脅迫下，紫丁香的H2O2、MDA含量在脅迫過程中始終顯著高于對(duì)照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)。

2.3 干旱脅迫對(duì)紫丁香抗氧化酶活性的影響

如圖4-A所示，在輕度干旱脅迫下，隨著脅迫時(shí)間的延長，紫丁香SOD活性呈上升趨勢(shì)，在脅迫處理10～20 d時(shí)，與對(duì)照處理間差異顯著(P<0.05)。在中度、重度干旱脅迫下，SOD活性先上升后下降，在中度干旱脅迫下，SOD活性在脅迫15 d后開始下降，但始終顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)；在重度干旱脅迫下，SOD活性在脅迫處理10 d時(shí)達(dá)到最高值，為102.5 U/(min·g)，此后開始迅速下降，在脅迫20 d時(shí)SOD活性仍顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)，但顯著低于輕度、中度干旱脅迫處理(P<0.05)。

如圖4-B所示，紫丁香的CAT活性在輕度干旱脅迫下始終保持上升趨勢(shì)，且與對(duì)照處理間差異顯著(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，CAT活性先上升后下降，在處理15～20 d時(shí)高于其他各組處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，CAT活性在處理10 d時(shí)達(dá)到最高，隨后迅速下降，在脅迫20 d時(shí)顯著低于輕度、中度干旱脅迫處理(P<0.05)，但仍顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)。

如圖4-C所示，在輕度干旱脅迫下，紫丁香的POD活性呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在處理15～20 d時(shí)與對(duì)照處理間差異顯著(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，POD活性先上升后下降，在處理 15 d 時(shí)達(dá)到最高，POD活性始終顯著高于對(duì)照處理與輕度干旱脅迫處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，在處理5～10 d時(shí)，POD活性顯著高于其他各組處理(P<0.05)；在處理15 d時(shí)，POD活性仍顯著高于對(duì)照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)，但低于中度干旱脅迫處理；在處理20 d時(shí)，POD活性仍顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)，低于中度干旱脅迫處理，且差異顯著(P<0.05)。

2.4 干旱脅迫對(duì)紫丁香抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶活性的影響

如圖5-A所示，在輕度干旱脅迫下，紫丁香APX活性在脅迫5～20 d內(nèi)始終保持上升趨勢(shì)，在脅迫10～20 d與對(duì)照處理差異顯著(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，APX活性在脅迫5～15 d呈逐漸上升趨勢(shì)，在脅迫5～20 d內(nèi)，APX活性均顯著高于對(duì)照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，APX活性在脅迫5～10 d時(shí)，顯著高于其余各組處理(P<0.05)；此后，隨著脅迫時(shí)間的延長，紫丁香APX活性開始下降，在脅迫15 d時(shí)，紫丁香的APX活性已比脅迫10 d時(shí)下降6.4%，但仍與輕度干旱脅迫處理和對(duì)照處理間差異顯著(P<0.05)；在脅迫 20 d 時(shí)，APX活性進(jìn)一步降低，已顯著低于中度干旱脅迫處理(P<0.05)，但仍顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)。

如圖5-B所示，在輕度干旱脅迫下，紫丁香的GR活性于處理15～20 d時(shí)顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，GR活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在脅迫15 d時(shí)達(dá)到最高；GR活性始終顯著高于對(duì)照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)；在處理15～20 d時(shí)顯著高于重度干旱脅迫處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，GR活性先上升后下降，但始終顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)；在脅迫5～15 d時(shí)，GR活性顯著高于輕度干旱脅迫處理(P<0.05)，但在脅迫20 d時(shí)二者間已無顯著差異；在脅迫5～10 d時(shí)，GR活性隨脅迫時(shí)間的延長而上升，且顯著高于中度干旱脅迫處理(P<0.05)；但脅迫15～20 d時(shí)，GR活性迅速下降，且顯著低于中度干旱脅迫處理(P<0.05)。

2.5 干旱脅迫對(duì)紫丁香還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽含量的影響

如圖6所示，在輕度干旱脅迫下，隨著脅迫時(shí)間的延長紫丁香的AsA、GSH含量呈上升趨勢(shì)，且隨著脅迫時(shí)間的延長，AsA、GSH含量上升的速度加快；在脅迫15～20 d時(shí)，AsA、GSH含量均顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，紫丁香葉片的AsA、GSH含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；在脅迫15 d時(shí)，AsA、GSH含量均達(dá)到最高值，且與其他各組處理間差異顯著(P<0.05)；在脅迫20 d時(shí)，AsA含量顯著高于對(duì)照處理與重度干旱脅迫處理(P<0.05)，GSH含量仍顯著高于其他各組處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，紫丁香的AsA、GSH含量在干旱脅迫10 d內(nèi)呈上升趨勢(shì)，隨后開始迅速下降；在脅迫10 d時(shí)，AsA、GSH含量顯著高于其他各組處理(P<0.05)；在脅迫 15～20 d時(shí)，AsA含量開始迅速下降，到脅迫20 d時(shí)，AsA含量已顯著低于其余各組處理(P<0.05)；GSH含量在脅迫15 d時(shí)，仍顯著高于對(duì)照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)，但顯著低于中度干旱脅迫處理(P<0.05)，在脅迫20 d時(shí)，仍顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)，但顯著低于其他2組脅迫處理(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

在植物的生長發(fā)育過程中，干旱脅迫往往是最常見的逆境之一，植物會(huì)產(chǎn)生一系列的生理活動(dòng)以響應(yīng)和適應(yīng)干旱脅迫[13]。植物質(zhì)膜相對(duì)透性是反映細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的重要指標(biāo)，干旱脅迫下植物細(xì)胞質(zhì)膜相對(duì)透性的增加往往是由細(xì)胞過氧化引起的[14]。本研究中紫丁香質(zhì)膜相對(duì)透性與干旱脅迫的強(qiáng)度及脅迫時(shí)間長度整體呈正相關(guān)關(guān)系，表明高強(qiáng)度的干旱脅迫破壞了紫丁香細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，造成質(zhì)膜相對(duì)透性的增加，影響了細(xì)胞的代謝和功能，從而誘導(dǎo)紫丁香各器官發(fā)生不良反應(yīng)。

植物體內(nèi)活性氧的積累是干旱脅迫導(dǎo)致植物質(zhì)膜損傷和質(zhì)膜透性提高的根本原因[15]，因此干旱脅迫下植物細(xì)胞膜受損程度可以通過測(cè)量植物體內(nèi)MDA、H2O2含量進(jìn)行衡量，質(zhì)膜過氧化程度越高，MDA、H2O2含量則越高[16]。干旱脅迫下，植物體內(nèi)的MDA、H2O2含量逐漸上升，但不同植物種類間存在差異，抗旱能力強(qiáng)的植物體內(nèi)的這2種物質(zhì)的增速較慢，增幅較小，而抗旱性弱的增加幅度較大[17-20]。本研究中在輕度干旱脅迫5 d時(shí)，紫丁香的MDA、H2O2含量均與對(duì)照處理差異不顯著，而在脅迫10 d時(shí)，MDA、H2O2含量均上升，且MDA含量與對(duì)照處理間差異顯著，說明此時(shí)干旱脅迫已對(duì)植物造成了一定程度的傷害；在中度、重度干旱脅迫下紫丁香損傷更嚴(yán)重，其體內(nèi)的MDA、H2O2含量始終顯著高于對(duì)照處理。

在干旱脅迫下，植物對(duì)體內(nèi)活性氧的清除能力是衡量植物耐旱性的重要因素，抗氧化酶可以降低植物體內(nèi)活性氧的累積，減緩氧化速度，有效抑制自由基氧化損傷[21-22]。SOD、CAT和POD是植物細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化保護(hù)酶，對(duì)緩解干旱脅迫下植物體內(nèi)的過氧化損傷和保持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、功能的完整性有重要作用[23]。干旱脅迫下，植物的抗旱能力與其體內(nèi)的SOD、CAT、POD活性密切相關(guān)[23-26]，抗旱性強(qiáng)的植物可以維持較高SOD、CAT、POD活性以緩解干旱脅迫所造成的活性氧傷害[27]。在一定時(shí)間和強(qiáng)度的干旱脅迫下植物SOD、CAT、POD活性會(huì)上升，而當(dāng)脅迫時(shí)間和強(qiáng)度超過了植物的耐受范圍則酶活性會(huì)下降[27]，這與本研究所獲得的紫丁香的這3種抗氧化酶活性在不同強(qiáng)度干旱脅迫下的變化趨勢(shì)基本一致。說明在長時(shí)間和高強(qiáng)度的干旱脅迫下植物的抗逆性下降，作為植物防御體系的抗氧化酶活性也隨之下降。

還原型抗壞血酸(AsA)是植物體內(nèi)含量最豐富的抗氧化劑之一，可以氧化還原過氧化氫，減少自由基的生成[28-29]。APX對(duì)AsA的合成和循環(huán)代謝起重要作用，保持其代謝活性可以有效提高植物體內(nèi)AsA含量，因此，APX是植物體內(nèi)抗氧化的重要酶類[23，30]。本研究結(jié)果表明，通過提高還原型抗壞血酸的合成代謝活性，紫丁香幼苗在輕度干旱脅迫下可以有效地增強(qiáng)自身抗性，緩解脅迫傷害。但隨著干旱脅迫程度的加劇，紫丁香的APX活性也迅速下降，并破壞了AsA的正常代謝，使其含量降低，這與馬玉華等研究的蘋果APX活性和AsA含量在不同強(qiáng)度干旱脅迫下的變化趨勢(shì)[31]相一致，進(jìn)一步表明在中度、重度干旱脅迫下紫丁香抗逆性下降。

GSH是植物體內(nèi)重要的抗氧化劑[32]，其功能是清除植物體內(nèi)的H2O2，修復(fù)過氧化所致的細(xì)胞壁損傷，此外GSH對(duì)保持蛋白質(zhì)或酶的活性以及細(xì)胞膜的完整性有積極作用[33]。在植物體內(nèi)，GR可以調(diào)控植物體內(nèi)的GSH水平，并使細(xì)胞保持在還原狀態(tài)，因此，在干旱脅迫響應(yīng)中具有重要作用[31]。本研究結(jié)果表明，在輕度干旱脅迫下紫丁香的GSH含量和GR活性均上升，但當(dāng)脅迫強(qiáng)度加劇時(shí)，隨著脅迫時(shí)間的延長GSH含量和GR活性先增加后降低。說明紫丁香幼苗只可以在一定強(qiáng)度和短時(shí)間內(nèi)的干旱脅迫下，通過提高GR活性來增加GSH含量，從而提高紫丁香對(duì)干旱脅迫的耐受性，這與李州等研究的白三葉(Trifoliumrepens)葉片可通過提高GR活性和GSH含量來緩解其體內(nèi)過氧化傷害的結(jié)果[34]基本一致。

根據(jù)以上分析，紫丁香幼苗可以在一定時(shí)間內(nèi)(20 d)有效地抵御輕度干旱脅迫(土壤水分含量為試驗(yàn)用土最大持水量的60%)所造成的氧化脅迫，但隨著脅迫程度的加強(qiáng)其抗氧化系統(tǒng)抵御嚴(yán)重干旱的能力會(huì)嚴(yán)重下降。