代崇雯，劉亞敏，劉玉民，李峻安，陳胤好，呂慧琳

西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715

干旱是全球范圍內(nèi)廣泛存在且仍在不斷擴(kuò)大的環(huán)境問題.干旱脅迫嚴(yán)重影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)植物造成的傷害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他逆境因子[1].因此，如何緩解干旱脅迫對(duì)植物生理特性的損傷和生長(zhǎng)的限制是現(xiàn)代植物研究的重要課題.

紅椿(ToonaciliataRoem.)主要分布于東南亞地區(qū)，是中國熱帶、亞熱帶地區(qū)的珍貴速生用材樹種，被稱為“中國桃花心木”，同時(shí)具有一定的藥用價(jià)值.紅椿在我國分布范圍較廣，但因其天然林呈零星分布，自然更新能力較差，已成為漸危樹種，被列為國家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物[2-3].目前有關(guān)干旱脅迫對(duì)紅椿的影響已有初步研究，劉球等[4]用精胺修復(fù)干旱脅迫對(duì)紅椿幼苗造成的形態(tài)和生理損傷，發(fā)現(xiàn)噴施精胺對(duì)干旱脅迫緩解作用顯著，并能提高植株持續(xù)抗旱能力.孫洪剛等[5]發(fā)現(xiàn)水分脅迫對(duì)紅椿根系生長(zhǎng)的限制作用明顯大于苗高，對(duì)地徑限制作用不明顯；隨著脅迫程度增加，根質(zhì)量比表現(xiàn)出先增大后減小，葉質(zhì)量比在處理初期和中期增大，后期和末期降低，莖質(zhì)量比始終保持增加的趨勢(shì).吳際友等[6]對(duì)紅椿無性系幼苗進(jìn)行干旱脅迫，發(fā)現(xiàn)重度干旱脅迫使紅椿幼苗中的含水量下降，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高，說明紅椿無性系對(duì)干旱脅迫有較強(qiáng)的抗逆性.然而目前對(duì)如何緩解紅椿干旱脅迫、提高紅椿耐旱能力方面仍有待進(jìn)一步研究.由于木本植物具有相對(duì)復(fù)雜的抗旱機(jī)制，本試驗(yàn)選取了3種常見的干旱脅迫外源緩解物質(zhì)，研究其對(duì)紅椿干旱脅迫的緩解作用，探究不同外源物質(zhì)對(duì)紅椿干旱脅迫的緩解機(jī)制，以期為緩解紅椿干旱脅迫提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為1年生紅椿幼苗，于2019年7月初移栽至西南大學(xué)后山苗圃.選擇苗高1.0 m，地徑1.8 cm左右的長(zhǎng)勢(shì)均勻、無病蟲害的健康紅椿幼苗裝盆，盆缽口徑 25 cm，深20 cm，每盆裝土 5 kg，原土與泥炭土比例為2∶1，統(tǒng)一配盆墊，進(jìn)行正常澆水管護(hù).

1.2 試驗(yàn)處理

2020年7月取長(zhǎng)勢(shì)一致的健康紅椿盆栽苗澆透水后放置棚內(nèi)，根據(jù)20世紀(jì)60年代以來重慶地區(qū)以輕旱和中旱為主，夏秋兩季略強(qiáng)的特點(diǎn)選擇中度干旱強(qiáng)度[7]并參照氣象干旱等級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T20481-2006)取中度干旱(40%

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

1.3 各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定

1) 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定2次，分別在噴施處理前和中度干旱脅迫10 d后進(jìn)行，本試驗(yàn)中生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定間隔為27 d.用軟尺測(cè)量各植株株高，從土壤表面量至植株頂端；用游標(biāo)卡尺測(cè)量地徑，測(cè)量位點(diǎn)選擇貼近土壤表面的基部，并用馬克筆做記號(hào)，以確保每次測(cè)量位置的準(zhǔn)確.選取新梢往下第3～5葉序的功能葉，用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量復(fù)葉長(zhǎng)、小葉長(zhǎng)、小葉寬、葉柄長(zhǎng)，每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)量6次.

1.4 主效應(yīng)分析

由于各指標(biāo)間綱量不同，在分析前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再對(duì)無綱量新指標(biāo)矩陣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算主成分特征根、方差貢獻(xiàn)率和各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣.分析結(jié)果以特征值大于1，累積方差貢獻(xiàn)率大于70%為標(biāo)準(zhǔn)提取主成分，再根據(jù)主成分中各指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率的大小，分析外源物質(zhì)緩解紅椿干旱脅迫的關(guān)鍵生理指標(biāo).

1.5 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)紅椿幼苗生長(zhǎng)的影響

在干旱脅迫下紅椿地徑、株高、復(fù)葉長(zhǎng)、小葉寬生長(zhǎng)增量出現(xiàn)顯著下降(p<0.05)，而小葉長(zhǎng)生長(zhǎng)增量下降無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p>0.05).3種外源緩解物質(zhì)的噴施能夠使紅椿生長(zhǎng)增量整體呈現(xiàn)提升，但MeJA對(duì)地徑生長(zhǎng)、MT對(duì)株高生長(zhǎng)有限制作用.MT使株高以外各部分生長(zhǎng)增量小幅提升，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2).

表2 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)紅椿幼苗生長(zhǎng)增量的影響

小寫字母不同表示p<0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.圖1 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)干旱脅迫下紅椿葉片相對(duì)含水率的影響

2.2 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)紅椿葉片含水率的影響

葉片相對(duì)含水率可以直觀反映植株的受干旱協(xié)迫的情況.中度干旱脅迫下紅椿葉片相對(duì)含水率顯著下降(p<0.05)，降幅為7.39%.3種緩解物質(zhì)中，SA和MeJA能夠顯著提高干旱脅迫下紅椿葉片的含水率(p<0.05)，增幅分別為4.63%和5.17%，而MT的提升無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p>0.05)，增幅僅為2.47%(圖1).3種外源物質(zhì)對(duì)紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為MeJA，SA，MT.

2.3 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)紅椿葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

干旱脅迫使紅椿葉綠素(Chl)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降(表3)，葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和葉綠素(a+b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅分別為26.89%，38.25%，30.88%.噴施外源物質(zhì)的處理中，SA組和MeJA組較干旱對(duì)照組出現(xiàn)上升，MT組則出現(xiàn)下降，但均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.3種外源物質(zhì)對(duì)紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為SA，MeJA，MT.

表3 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)干旱脅迫下紅椿葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.4 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)紅椿葉片滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響

中度干旱脅迫下，紅椿葉片中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升(圖2a)，而淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降(圖2b)，可溶性糖與淀粉比值上升，增幅達(dá)到61.22%.在緩解組中，3種外源物質(zhì)均使可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)小幅下降，其中SA組降幅最大，相較于干旱對(duì)照組降低了18.45%.3種外源物質(zhì)的緩解作用由大到小依次為SA，MeJA，MT.在降低可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同時(shí)，3種外源物質(zhì)使紅椿葉片中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著上升，按效果由大到小依次為SA，MeJA，MT，但3種外源物質(zhì)組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

與對(duì)照組相比，干旱組的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降(圖2c)，降幅達(dá)到了95.9%.3種外源物質(zhì)中，SA和MeJA顯著提高了紅椿葉片中可溶性蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別提升至對(duì)照組的39.35%，47.29%，MT對(duì)可溶性蛋白的提升作用較小，提升至對(duì)照組的16.25%.3種外源物質(zhì)對(duì)紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為MeJA，SA，MT.

與對(duì)照組相比，中度干旱脅迫使紅椿葉片中脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提升(圖2d)，增幅為122.02%.在噴施外源物質(zhì)的3個(gè)處理中，噴施MT和SA的處理組葉片游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對(duì)照組顯著上升，增幅分別為530.00%和579.71%；噴施MeJA的處理組脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對(duì)照組下降，降幅達(dá)到40.99%.3種外源物質(zhì)對(duì)紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為SA，MT，MeJA，而MeJA起負(fù)面作用.

小寫字母不同表示p<0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.圖2 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)干旱脅迫下紅椿葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

小寫字母不同表示p<0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.圖3 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)紅椿葉片MDA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.5 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)紅椿葉片膜脂過氧化的影響

干旱脅迫使紅椿葉片中MDA質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加(圖3)，增幅為53.85%.3種外源物質(zhì)均使MDA質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降，3種外源物質(zhì)間緩解效果差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與干旱對(duì)照組相比降幅在27.50%左右.3種外源物質(zhì)對(duì)紅椿干旱的緩解作用由大到小依次為SA，MT，MeJA.

2.6 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)紅椿葉片活性氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

相較于對(duì)照組，中度干旱使紅椿葉片中活性氧過氧化氫(H2O2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提升(圖4a)，增幅達(dá)到92.42%.噴施外源物質(zhì)的處理組其葉片中H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)下降，SA和MeJA使H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較干旱對(duì)照組出現(xiàn)了小幅下降，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，降幅分別為27.09%和18.23%；MT組H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降，降幅達(dá)到31.36%.3種外源物質(zhì)作用由大到小依次為MT，SA，MeJA.

小寫字母不同表示p<0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.圖4 3種外源緩解物質(zhì)對(duì)紅椿葉片活性氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.7 主效應(yīng)分析

表4 各成分特征值及貢獻(xiàn)率

表5 分級(jí)指標(biāo)成分因子載荷矩陣

3 討 論

干旱是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，較其他逆境因子對(duì)植物傷害更大、存在更廣泛[12-13].在干旱脅迫下，植物細(xì)胞分裂受到抑制，生物量分配傾向于地下部分，導(dǎo)致植株地上部分矮小、生長(zhǎng)緩慢，各器官生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，而根冠比增加.同時(shí)，光合作用作為植物生產(chǎn)力形成的核心環(huán)節(jié)對(duì)水分虧缺較為敏感[14-16].在干旱脅迫下植物光合能力降低，葉片中的葉綠素分解出現(xiàn)葉色變淺發(fā)黃等表觀特征，植物可積累的生物量也隨之下降.本試驗(yàn)中紅椿幼苗各部分生長(zhǎng)增量和葉片中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在干旱脅迫下下降，說明中度干旱脅迫限制了紅椿幼苗的生長(zhǎng)和光合作用.在分別噴施外源物質(zhì)后，SA和MeJA使紅椿生長(zhǎng)增量得到顯著提升，但MeJA對(duì)紅椿地徑生長(zhǎng)有明顯的限制作用，這與田力[14]的結(jié)果相似.而MT對(duì)紅椿株高有限制作用，且對(duì)其余各部分生長(zhǎng)增量均沒有顯著提升，這可能是受到了光合能力下降的影響.在本試驗(yàn)的3種外源物質(zhì)中，MT對(duì)提升葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的作用最弱，該組各類葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較干旱對(duì)照組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

在干旱脅迫下，植物能夠通過調(diào)節(jié)生理代謝抵御、緩解或修復(fù)脅迫造成的傷害，這些自發(fā)的調(diào)節(jié)體現(xiàn)著植物本身的耐旱性.植物在缺水、失水條件下增加體內(nèi)各類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，維持細(xì)胞膨壓和胞內(nèi)各器官的膜透性，以保證細(xì)胞的正常生理功能[17-18].在這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)中，可溶性糖和脯氨酸被認(rèn)為是最重要的兩類[19].可溶性糖和淀粉是植物體內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)的重要組成部分，占比在90%以上，在一般的研究中以二者之和代指NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù).在適宜條件下，植物通過光合作用儲(chǔ)備NSC，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)受到光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，可用于夜間、冬季、脅迫等條件下的新陳代謝和生理防御[20-21].在遭遇干旱脅迫時(shí)，植物體內(nèi)淀粉分解為可溶性糖，增大細(xì)胞滲透壓以維持水分，這時(shí)可溶性糖與淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值上升，而NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著代謝消耗下降[22-23].本試驗(yàn)中，紅椿幼苗在干旱脅迫下的可溶性糖和淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化符合一般規(guī)律，可溶性糖和淀粉比值上升而NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降.在噴施外源物質(zhì)的3個(gè)處理組中NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)上升，但可溶性糖和淀粉的比值下降，這可能是由于多種生理調(diào)節(jié)物質(zhì)存在相互作用的結(jié)果.大量研究表明，干旱脅迫下植物內(nèi)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)常出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，這與本試驗(yàn)中的結(jié)果一致：紅椿幼苗在干旱脅迫下體內(nèi)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅達(dá)到122.02%，在噴施MT和SA的處理中脯氨酸增幅更大，分別達(dá)到了530.00%和579.71%，這說明增加脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)是紅椿調(diào)節(jié)滲透壓的重要途徑.與之相反，紅椿葉片中可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)在干旱脅迫下反而出現(xiàn)急劇下降，在噴施外源物質(zhì)后則出現(xiàn)不同程度的上升.這可能是由于木本植物與草本植物的耐旱機(jī)制存在差異.如張強(qiáng)等[24]對(duì)不同種源香椿在干旱脅迫下生理特征的研究中發(fā)現(xiàn)，6個(gè)種源香椿中僅有2個(gè)種源香椿在干旱脅迫下可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，其余皆出現(xiàn)下降.王晶英等[25]的研究發(fā)現(xiàn)銀中楊在干旱脅迫下葉片可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降可能是由于細(xì)胞內(nèi)肽酶活性增加導(dǎo)致蛋白質(zhì)的合成受阻并加速分解.

干旱條件能夠直接導(dǎo)致植物細(xì)胞原生質(zhì)脫水，引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和透性改變等一系列傷害.MDA是植物體內(nèi)膜脂過氧化作用的最終分解產(chǎn)物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)是判斷植物生物膜系統(tǒng)過氧化受損程度的重要指標(biāo)[23].一般認(rèn)為在干旱脅迫下MDA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅較小的植物具有更好的耐旱性[24].在本試驗(yàn)中，中度干旱條件下紅椿葉片中MDA質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加，說明細(xì)胞膜功能受到抑制.在噴施外源物質(zhì)的3個(gè)處理組中，MDA質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著下降，說明3種物質(zhì)均能有效緩解干旱條件導(dǎo)致的膜脂過氧化作用，其中SA緩解作用最好，但與其他2種物質(zhì)在緩解效果上差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

4 結(jié) 論

中度干旱條件下紅椿生長(zhǎng)受到抑制，MDA和活性氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，對(duì)植株造成脅迫；提高脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)是紅椿調(diào)節(jié)滲透壓的重要途徑；3種外源物質(zhì)中，SA和MeJA的緩解效果高于MT；MDA、活性氧可作為緩解紅椿干旱脅迫的關(guān)鍵指標(biāo).