方景濤，敬 遼，羅志力，畢凌聆，畢凌鳳，馮宇虹，陳 剛*

(1.四川農業(yè)大學 林學院，四川 成都 611130； 2.四川省林業(yè)和草原調查規(guī)劃院，四川 成都 610081)

近年來，隨著全球氣候變暖等環(huán)境問題的不斷加劇，加上降水的季節(jié)性和區(qū)域分布極度不均等情況，水資源短缺已逐漸成為全世界面臨的生態(tài)挑戰(zhàn)。目前，我國干旱形勢異常嚴峻，有超過全國1/3面積的土地處于不同程度的干旱狀態(tài)[1]。干旱嚴重影響植物生長和發(fā)育，其危害程度在各種自然逆境中占居首位，它對林木不僅造成植株形態(tài)矮小、生長減緩，還會導致葉片發(fā)黃脫落，造成抗氧化酶活性、滲透調節(jié)等一系列生理指標的變化影響植株的正常生理代謝[2-3]。為了抵御和適應水分缺少的環(huán)境，植物演化出了一系列復雜的調控機制。長期以來的研究發(fā)現，植物內源激素脫落酸(Abscisic acid, ABA)與植物抗旱調控有密切聯(lián)系[4-5]，而且，干旱脅迫下，內源激素ABA顯著升高，通過與其他植物激素相互作用，植物適應干旱的能力顯著提高[6]。

ABA能通過調節(jié)一系列生理過程來提高植物抗旱性。首先，植株在干旱的脅迫下，誘導產生大量的活性氧，會破壞體內的抗氧化防御體系，此體系是由體內的抗氧化物質和清除活性氧的酶系統(tǒng)構成[3]。其次，可溶性糖和可溶性蛋白的積累可以提升植物細胞膜的彈性，增加細胞的粘性，能夠阻止細胞脫水，可以有效地避免對細胞造成的機械損傷[7]。處于干旱脅迫中的植物內源ABA含量會增加，因而，干旱脅迫時外源ABA是否/如何引起植物的響應，也得到了越來越多研究者的關注。

目前，關于外源施加ABA緩解植物遭受干旱脅迫時生理響應的相關研究已有一些報道，如，獼猴桃[8]、玉米[9]、大豆[10]和蘋果[11]，但這些研究多集中在農作物和經濟林木類中，對速生用材樹種的研究還鮮見報道。在長期干旱狀態(tài)下(土壤含水量一直保持在某一特定干旱水平)，外源長期施加50 μM ABA顯著抑制了青楊(PopuluscathayanaRehder)和康定楊(P.kangdingensisC. Wang et Tung)的光合作用和地上部分生長[12]，但在長期自然干旱條件下(土壤含水量隨干旱時長增加而不斷降低)，外源ABA對楊樹抗旱生理的影響還未見報道。因此，本研究擬通過對楊樹施加一系列質量濃度的外源ABA，測定楊樹在模擬自然干旱條件下的形態(tài)及生理響應差異，探討ABA對楊樹耐受干旱的生理機制，為林木抗旱能力和造林效率的提升提供實踐依據和理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗在四川農業(yè)大學(成都校區(qū))教學科研試驗基地(103°51′E，30°42′N)完成，多年平均氣溫16.8 ℃，月平均最高溫25.9 ℃(7月)，月平均最低溫6.9 ℃(12月)，年均日照時數840.2 h，極端低溫38 ℃(7月)，極端低溫-2 ℃(1月)。年均降雨量759.1—1 155.0 mm，空氣平均相對濕度84%，海拔530 m，屬于亞熱帶濕潤季風氣候。

1.2 試驗材料

本試驗采用的北京楊(Populus×beijingensis)是一種適應性強、生長量大、抗逆性強、繁殖容易的速生用材樹種，由四川農業(yè)大學森林培育重點實驗室提供。在2020年2月16日于崇州試驗基地采集粗細均勻的1 cm楊樹營養(yǎng)枝，剪成15 cm插枝，10枝扎1捆放在盆中用自來水緩苗7 d。楊樹葉片打開后，于4月21日，改為用沙土培養(yǎng)，為提高扦插成活率，用生根粉稀釋為糊劑催根，插穗下端浸蘸半小時晾至半干后扦插。試驗用土取自成都溫江，為農田土，風干，過1 cm篩后裝入規(guī)格8 cm6 cm的黑色塑料盆，每盆7.5 kg土壤，扦插時1盆1枝。5月11日，楊樹插穗發(fā)展出完整根系后，選取長勢一致且健康的枝條移栽至16 cm14 cm大盆土壤中。移植后的楊樹苗放置于溫室大棚內生長，培養(yǎng)至植株約0.3 m高后開始試驗處理。

1.3 試驗設計

試驗共分為4個處理組(每組15盆，共60盆；其中9盆用于葉片生理指標采樣，剩下6盆用于測定植物地徑和株高的生長)，質量濃度分別為0(CK)，10(L)，50(M)和100(H)mg/L的ABA溶液，每個處理15株。2020年6月10日起，每隔3 d于18：00左右對每株北京楊幼苗噴施ABA溶液10 mL，對照噴灑等量的蒸餾水，使葉片布滿水珠且不脫落，共計噴施4次。待噴施完4次ABA處理液后，將楊樹幼苗澆充足水，之后停止?jié)菜?，使其逐漸自然干旱，在第0，5和10天時，測定楊樹生理指標。同時，每隔1 d天用HH2土壤濕度分析儀(DELTA-T MI2x，GBR)測定土壤含水量。對于楊樹形態(tài)指標，在脫落酸處理前，脫落酸處理后(干旱第0天)及干旱處理后(干旱第10天)進行測定。

1.4 指標測定

形態(tài)指標測定：對用于形態(tài)指標測定的各處理的6株植物，用游標卡測定自扦插枝長出幼苗的第一片楊樹葉處的直徑作為地徑；用直尺測定第一片楊樹葉到植株頂端的高度作為株高。將各時間點用于生理指標測定的楊樹幼苗根剪斷，洗凈并于50 ℃烘箱中烘72 h至恒重后稱量，用于根生物量的測定。

生理指標測定：在各采樣時間點，每個處理組隨機選取3個采樣植株，采集第3—5片楊樹葉。葉片含水量采用相對含水量的方式測定[13]；丙二醛(MDA)和可溶性糖采用硫代巴比妥酸法測定[14]；過氧化氫酶(CAT)，過氧化物酶(POD), 超氧化物歧化酶(SOD)，可溶性蛋白和過氧化氫含量的測定均使用南京建成生物有限公司提供的試劑盒。

1.5 數據分析及處理

試驗數據采用SPSS 26.0軟件進行統(tǒng)計分析，圖表采用Excel 2016繪制。分析前，數據進行方差齊性和正態(tài)分布檢驗。采用重復測量方差分析(repeated measurement ANOVA, RM ANOVA)對單個指標在不同處理不同時間點的差異性進行顯著性分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)對單個指標在不同處理同一時間點的差異性進行顯著性分析，并利用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 外源ABA對干旱脅迫下土壤和楊樹葉片含水量的影響

土壤含水量隨著干旱時間的增加而顯著降低(P<0.05)(見圖1-A)，并且其降低的程度并不受ABA質量濃度的影響(P>0.05)。雖然，總體上各處理間的土壤含水量存在顯著差異(P<0.05)，但對各個干旱時間點下各處理間土壤含水量的比較結果表明均不存在顯著差異(P>0.05)。葉片相對含水量隨著干旱時間的持續(xù)而顯著下降(P<0.05)(見圖1-B)，但外源ABA總體上增加了楊樹葉片的相對含水量(P<0.05)，比如持續(xù)干旱10 d后的高H處理(P<0.05)，并且ABA對葉片含水量增加的趨勢并不受干旱時間的影響(P<0.05)。

注：圖中斜體文字表示重復測量方差分析中的時間效應、ABA添加效應及其交互效應；數據為平均值±標準誤；同一取樣時間不同小寫字母表示處理間在0.05水平存在顯著性差異(單因素方差分析，LSD多重比較)。圖1 干旱脅迫下不同質量濃度ABA處理的土壤和楊樹葉片含水量

2.2 外源ABA對干旱脅迫下楊樹形態(tài)生長的影響

楊樹的地徑增長量具有明顯的時間變化，在噴施ABA期間(Ⅰ，共12 d)，地徑增長較快；但在干旱脅迫期間(共10 d)，地徑基本停止生長，對于CK和H處理，甚至出現抑制的現象(見圖2-A)。外源ABA對楊樹地徑的生長影響不顯著(P>0.05)，并且在干旱處理前后的效果無顯著差別(P>0.05)。與地徑類似，楊樹的株高在ABA處理期間生長較快，而在干旱脅迫期間較慢；ABA處理對楊樹株高增長量產生了顯著影響，特別是L和M處理顯著高于CK(P<0.05)(見圖2-B)。對于地下生物量來說，楊樹的根生物量在干旱處理的前5 d生長較快，而在接下來的5 d(干旱第5—10天)中根生長基本處于停滯甚至還有減少的現象；總體上，ABA處理對楊樹地下部分應對干旱脅迫并無顯著影響(P>0.05)(見圖2-C)。

注：I：ABA噴施后到干旱處理前(6月10—22日)；II：ABA噴施后到干旱處理結束(6月10日—7月2日)。圖中斜體文字表示重復測量方差分析中的時間效應、ABA添加效應及其交互效應；數據為平均值±標準誤；同一取樣時間不同小寫字母表示處理間在0.05水平存在顯著性差異(單因素方差分析，LSD多重比較)。圖2 干旱脅迫下不同質量濃度ABA處理的楊樹地徑增長量、株高增長量和根生物量

2.3 外源ABA對干旱脅迫下楊樹活性氧清除系統(tǒng)的影響

隨著干旱的時間持續(xù)增加，楊樹葉片的過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性均表現出顯著下降的趨勢(P<0.05)(見圖3)。過氧化氫酶和過氧化物酶活性總體上沒有明顯地受到外源ABA處理的影響(P>0.05)，但超氧化物歧化酶的活性顯著升高(P<0.05)，特別是在干旱10 d后的中質量濃度和高質量濃度ABA處理楊樹葉片。

注：圖中斜體文字表示重復測量方差分析中的時間效應、ABA添加效應及其交互效應；數據為平均值±標準誤；同一取樣時間不同小寫字母表示處理間在0.05水平存在顯著性差異(單因素方差分析，LSD多重比較)。圖3 干旱脅迫下不同質量濃度ABA處理的楊樹葉片過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性

2.4 外源ABA對干旱脅迫下楊樹活性氧傷害的影響

楊樹葉片過氧化氫的含量整體上在整個干旱脅迫期間沒有顯著變化(P>0.05)(見圖4-A)，但外源ABA對其產生了顯著的影響(P<0.05)，不過對不同干旱脅迫時間點的進一步分析發(fā)現，與對照相比，ABA處理的楊樹葉片過氧化氫含量變化并不明顯(P>0.05)。丙二醛的含量隨著干旱脅迫時間的持續(xù)表現出明顯的上升趨勢(P<0.05)(見圖4-B)，但ABA處理并未顯著影響其含量(P>0.05)。

注：圖中斜體文字表示重復測量方差分析中的時間效應、ABA添加效應及其交互效應；數據為平均值±標準誤；同一取樣時間不同小寫字母表示處理間在0.05水平存在顯著性差異(單因素方差分析，LSD多重比較)。圖4 干旱脅迫下不同質量濃度ABA處理的楊樹葉片過氧化氫和丙二醛的含量

2.5 外源ABA對干旱脅迫下楊樹滲透調節(jié)物質的影響

隨著干旱脅迫時間的持續(xù)增加，楊樹葉片可溶性糖含量無顯著變化(P>0.05)(見圖5-A)，但ABA處理整體上降低了其含量(P<0.05)，特別是干旱脅迫第5天時的M處理。與可溶性糖含量不完全相同，楊樹葉片可溶性蛋白的含量隨干旱脅迫時間的持續(xù)增加而升高(P<0.05)(見圖5-B)。ABA處理顯著影響了可溶性蛋白的含量(P<0.05)，但ABA的效果與干旱脅迫的持續(xù)時間有關(P<0.05)，比如，M和H處理的可溶性蛋白的含量與CK相比，在干旱處理的當天和第5天均明無顯差異，但在第10天則顯著更低。

注：圖中斜體文字表示重復測量方差分析中的時間效應、ABA添加效應及其交互效應；數據為平均值±標準誤；同一取樣時間不同小寫字母表示處理間在0.05水平存在顯著性差異(單因素方差分析，LSD多重比較)。圖5 干旱脅迫下不同質量濃度ABA處理的楊樹葉片可溶性糖和可溶性蛋白含量

3 討論與結論

非生物脅迫(包括干旱、高溫和鹽等)會嚴重影響植物體內的活性氧的產生和抗氧化防御機制的平衡，最終會引起細胞內活性氧水平的上升。當水平較低時，活性氧可以充當激發(fā)逆境脅迫通路相關的激發(fā)因子，但是過量時，活性氧對植物造成嚴重傷害，比如，損害細胞膜、蛋白質和DNA，其中最典型的便是使細胞膜過氧化進而產生丙二醛[15]。過去的研究表明，植物進化出了高效的活性氧清除系統(tǒng)(包括酶促反應與非酶促清除系統(tǒng))來應對其對植物的傷害[16]。活性氧清除系統(tǒng)可以反映植物在應對干旱脅迫時的調節(jié)能力。植物激素脫落酸(ABA)信號通路早已被證實能夠調控干旱脅迫[4]。因此，本研究通過測定不同質量濃度ABA處理下，楊樹應對干旱脅迫過程中所產生的氧化源、活性氧清除系統(tǒng)以及氧化產物等一系列生理指標，探究外源ABA能否緩解干旱對楊樹的脅迫反應。

本研究中，隨著干旱時長的持續(xù)增加，楊樹葉片中的H2O2含量并沒有明顯變化，活性氧清除系統(tǒng)的酶活性反而有一定程度的下降，并且膜質過氧化產物丙二醛也無明顯變化。通常情況下，木本植物在受到5—10 d的自然干旱時，其活性氧濃度和活性氧清除酶系統(tǒng)均會顯著升高，比如楠木(Phoebezhennan)中的H2O2含量及過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性[13]。本研究中，隨著干旱的持續(xù)，土壤含水量持續(xù)下降，葉片相對含水量也顯著下降，這表明楊樹的確受到了干旱脅迫。有兩個可能的原因來解釋楊樹活性氧和抗氧化酶促系統(tǒng)未受影響，一是試驗所使用的楊樹品種北京楊具有較強的抗旱性，在10 d的干旱脅迫中并未對其細胞造成嚴重生理傷害；二是非酶促活性氧清除系統(tǒng)，包括抗壞血酸、還原型谷胱甘肽、甘露醇和類黃酮等抗氧化物已經將活性氧類清除[17]，酶促反應未被激活。本研究中，中高質量濃度ABA處理下的楊樹葉片超氧化物歧化酶活性在干旱第10天顯著高于對照，而在干旱初期第5天時并無顯著差異，這表明，ABA的確能在高度干旱條件下提升植物對活性氧的清除能力。在棉花(Gossypiumhirsutum)中，GhWRKY6-like基因的過表達能激發(fā)內源ABA含量并且能顯著提高活性氧清除能力[18]。但關于外源ABA的施用能否提高植物，特別是林木，的活性氧清除能力還鮮見報道。

滲透調節(jié)主要通過2種方法來影響植物應對干旱脅迫：第一，在干旱脅迫下，水勢減小了，植物吸收水分的能力就提高了。第二，調節(jié)植物膜系統(tǒng)之間的滲透平衡并保持低葉片水勢下功能蛋白的分子構象[19]。另外，很多的研究表明，像可溶性糖和可溶性蛋白等物質是植物應對水分缺乏時最要的物質之一[20-22]。在本試驗中，可溶性糖含量并未隨干旱時長的增而變化，這與前面提到的酶促活性氧清除系統(tǒng)相似；但可溶性蛋白的含量隨干旱脅迫時長的加劇而顯著升高。干旱脅迫下可溶性蛋白含量升高這一結果與楨楠和橄欖應對干旱脅迫時一致[13,23]。但是，令人感到意外的是，雖然外源噴施低質量濃度的ABA提高了可溶性蛋白的含量，但中高質量濃度ABA顯著降低了可溶性蛋白的含量，特別是在比較嚴重干旱的第10天時。以前的研究結果表明，在培養(yǎng)基中添加ABA都會增加禾本科植物的滲透調節(jié)物質的含量，比如小麥(Triticumaestivum)中可溶性糖和脯氨酸[24]。本研究中楊樹葉片可溶性糖含量在高質量濃度ABA處理后下降可能是因為噴施ABA到楊樹葉片后，葉片氣孔關閉更加迅速，相對于未施或者施加低量ABA的葉片，應對干旱脅迫時，施加較高質量濃度的ABA的葉片散失水分更少，植物的滲透調節(jié)作用不強烈。這也可以從葉片相對含水量可以看出，在極度干旱處理的第10天，高質量濃度ABA處理的楊樹葉相對含水量顯著高于對照。當然，氣孔的關閉也會嚴重影響植物光合作用，最終影響其營養(yǎng)生長。本試驗中發(fā)現高質量濃度ABA處理下的楊樹株高生長量顯著比低中質量濃度處理的楊樹低，這有可能與氣孔關閉導致的光合作用下降有關。因此，本研究表明，低質量濃度的ABA可以通過調節(jié)滲透調節(jié)物質可溶性蛋白含量提高楊樹對干旱的抗性，而高質量濃度的ABA可能會因為葉片氣孔關閉等原因導致營養(yǎng)生長受到影響。

本研究表明，在干旱脅迫下，ABA處理后的楊樹地上部分株高增長量增加了，這與以前的研究結果外源噴施ABA能夠抑制干旱條件下青楊(P.cathayana)和康定楊(P.kangdingensis)的株高和生物量等生長指標不一致[12]。出現這一差異的原因可能有：第一，楊樹的品種不一樣，因為，他們的試驗結果也表明這2種楊樹生長受ABA抑制的程度存在顯著差異，比如，康定楊比青楊更加敏感[12]。第二，可能與干旱處理的方式有關，本試驗中采用自然干旱的方式，在干旱的第10天，土壤含水量只有6%左右，但他們的干旱處理采用固定土壤含水量為10.1%[12]。本試驗中逐漸增加干旱程度的干旱方式，可能讓楊樹對ABA誘導的干旱適應能力有所提升，同時，更加嚴重的干旱條件可能對楊樹的抗旱能力提升更加明顯。

綜上所述，在干旱的脅迫下，低中質量濃度的外源ABA增加了楊樹地上部分株高生長量的積累，表明楊樹的抗干旱能力得到了提高。干旱脅迫下的活性氧含量和膜質過氧化物沒有明顯的變化，這可能與中質量濃度ABA處理下超氧化物岐化酶的活性有關，特別是在干旱較為嚴重時?？傊驹囼炛兴捎玫谋本?，可能本身具有較強抗旱性，在應對較嚴峻的干旱脅迫時，低中質量濃度的ABA能通過活性氧清除系統(tǒng)消除其受到的一定活性氧傷害，同時提高楊樹可溶性蛋白等滲透調節(jié)物質含量，增強了楊樹對干旱脅迫的抵抗能力，保證了地上部分，特別是株高的生長。關于外源ABA對楊樹氣孔和非酶促活性氧清除系統(tǒng)的影響有待進一步深入研究。