朱書紅 趙秀婷 劉蔚漪 輝朝茂

(西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院/竹藤科學(xué)研究院/叢生竹工程技術(shù)研究中心 昆明 650224)

巨龍竹(Dendrocalamus sinicus) 是禾本科竹亞科牡竹屬的大型叢生竹種，主要分布于云南南部和西南部[1]，是目前世界上所知稈型最高大的竹種，具有巨大的開發(fā)價值和利用前景[2]。目前，國內(nèi)外對巨龍竹的研究多集中在培育[3]和竹材性質(zhì)[4]等方面，對其抗旱性方面的研究較少，開展巨龍竹的抗旱性研究對巨龍竹的引種和推廣具有十分重要的意義。

干旱是自然界常見的環(huán)境脅迫之一[5]，它會使植物體喪失水分，從而影響植物的生長發(fā)育[6]。通常情況下，植物會通過各種生理活動以及生化反應(yīng)來抵御干旱帶來的傷害，從而增強植株的抗旱能力[7]。以超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX) 等為代表的抗氧化酶類組成的酶系統(tǒng)在植物抗旱中扮演著重要角色，可以清除干旱帶來的大量活性氧，避免膜脂過氧化，使各種生理代謝活動正常進行[8]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多關(guān)于植物抗旱性方面的研究，并取得較多成果[9－10]。研究發(fā)現(xiàn)，植物的水分生理指標(biāo)、代謝指標(biāo)、酶和滲透調(diào)節(jié)物等都可以用來評價植物的抗旱性[11－12]。周少卿等[13]通過對4 種珍稀竹種的抗旱性研究發(fā)現(xiàn)，維持竹種正常生長的最低土壤含水量為6%。應(yīng)葉青等[14]研究了干旱脅迫對毛竹的影響，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對毛竹的各項生理指標(biāo)都會造成一定的影響，抑制了毛竹生長。但由于干旱脅迫對植物影響的復(fù)雜性，還需要采用隸屬函數(shù)法對各項生理指標(biāo)進行綜合評價，避免個別指標(biāo)的片面性[15]。本研究以分別在孟連(源生地) 和昆明(引種地) 兩地育苗的巨龍竹實生苗為研究對象，分析干旱脅迫對其生理特性的影響，探討巨龍竹實生苗對干旱脅迫的適應(yīng)性及耐受性，為巨龍竹的引種和育苗提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為同一批種子分別在昆明和孟連兩地培育的2 年生巨龍竹實生苗(以下分別簡稱為“昆明苗”和“孟連苗”)。孟連培育的巨龍竹實生苗總體比較高大，高2～3 m，枝干直徑約2～3 cm；葉劍形，長13～15 cm，寬5～6 cm。昆明培育的巨龍竹實生苗比較矮小，高0.75～0.85 m，枝干直徑約1.0～1.5 cm；葉劍形，長9～10 cm，寬3～4 cm。

1.2 試驗方法

2021 年7 月上旬，選取在昆明和孟連兩地培育的長勢均勻的2 年生巨龍竹實生苗各20 盆，移至塑料大棚中，盆栽土壤為腐殖質(zhì)與紅壤以3 ∶7配制而成。試驗根據(jù)土壤含水量確定干旱脅迫強度，設(shè)置了5 個持續(xù)脅迫水平[16](表1)，試驗期間用土壤水分測定儀確定土壤水含量。

表1 干旱脅迫處理水平Tab.1 Treated levels of drought stress

試驗于2021 年10 月2 日開始，于試驗開始前1 d 澆透水，之后不再澆灌。在干旱脅迫第0、3、6、9、12 d 上午9：00 取新鮮的成熟葉片，共取樣5 次，重復(fù)3 次，用于各項生理生化指標(biāo)的測定。

1.3 指標(biāo)測定

在干旱脅迫下，植物會在外在形態(tài)上發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為葉片卷縮或出現(xiàn)落葉等。因此形態(tài)學(xué)指標(biāo)的觀測主要是葉片形態(tài)指標(biāo)觀測，即主要觀察葉片的生長勢和葉片狀況。根據(jù)葉片每天的生長表現(xiàn)，記錄形態(tài)指標(biāo)。

葉片含水量采用烘干法測定[17]，葉片細胞膜透性采用電導(dǎo)率儀法測定[18]，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定[11]，葉綠素含量采用丙酮提取法測定[5]，丙二醛(MDA) 含量采用硫代巴比妥酸法測定[8]，超氧化物歧化酶(SOD) 活性采用氮藍四唑法測定[15]，抗壞血酸過氧化物酶(APX) 活性和過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定[19]。

1.4 抗旱性綜合評價方法

用隸屬函數(shù)法對孟連苗和昆明苗的抗旱性進行綜合評價。隸屬函數(shù)值計算公式如下：

式 (1) 和式 (2) 中：Xi為指標(biāo)測定值，Xmax表示孟連苗和昆明苗第i個指標(biāo)的最大值，Xmin表示第i個指標(biāo)的最小值。如果所測指標(biāo)與竹苗的耐旱性呈正相關(guān)關(guān)系，用式(1) 計算；如果所測指標(biāo)與竹苗的耐旱性呈負相關(guān)關(guān)系，則用式(2) 計算。對竹苗各項生理指標(biāo)的抗旱隸屬值進行累加，并計算出平均值，平均值越大，表示其抗旱性越強[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2003 進行數(shù)據(jù)分析與制圖，并采用SPSS 25.0 軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下巨龍竹實生苗形態(tài)指標(biāo)的變化

在持續(xù)干旱脅迫下，巨龍竹實生苗地上部分的形態(tài)變化情況見表2。干旱脅迫下孟連苗和昆明苗的形態(tài)變化差異較大，主要體現(xiàn)在葉片顏色、卷曲、干枯的程度不同。

表2 干旱脅迫下巨龍竹實生苗葉片形態(tài)變化Tab.2 The leaf morphological changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.2 干旱脅迫對巨龍竹實生苗葉片相對含水量的影響

葉片相對含水量可以直接反映出植物在干旱環(huán)境下水分的虧缺程度[5]，常用來衡量植物的保水能力[21]。由圖1 可知，孟連苗和昆明苗的葉片相對含水量隨干旱脅迫強度的增加，呈先升高后下降的變化趨勢，但兩者的變化趨勢不同。孟連苗的葉片含水量在前期上升較快，在第2 脅迫水平到達峰值后開始急劇下降，且下降幅度較大；昆明苗在前3個脅迫水平上呈緩慢上升趨勢，在第4 脅迫水平上快速上升后到達峰值，然后開始下降，下降幅度比孟連苗小，說明其持水能力較強。

圖1 干旱脅迫下巨龍竹葉片相對含水量變化Fig.1 The relative water content changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.3 干旱脅迫對巨龍竹實生苗葉綠素含量的影響

葉綠素是植物體內(nèi)重要的光合色素之一[8]，其含量可以反映出葉片的水分狀況和衰老程度，常被作為評判植物干旱缺水的指標(biāo)[22]。由圖2 可知，孟連苗和昆明苗葉綠素含量均呈現(xiàn)隨著脅迫水平增強而下降的變化趨勢，但兩者下降的速率不同。孟連苗葉綠素含量在前4 個脅迫水平上下降的速率較快而后趨于平緩，葉綠素含量下降了17.00 mg/cm2；昆明苗則與之相反，在前4 個脅迫水平上下降較為平緩到第5 脅迫水平后急劇下降，葉綠素含量下降了14.20 mg/cm2。由此可以看出，孟連苗的葉綠素含量變化較大，抗旱性較弱。

圖2 干旱脅迫下巨龍竹實生苗葉片葉綠素含量變化Fig.2 The chlorophyll content changes in leaves of D. sinicus seedlings under drought stress

2.4 干旱脅迫對巨龍竹實生苗細胞膜透性的影響

細胞膜是植物細胞與外界交流的通道，在干旱脅迫下細胞膜透性可以反映出細胞膜受損的程度，從而體現(xiàn)植物的抗旱能力[23]。由圖3 可知，在持續(xù)干旱過程中，孟連苗和昆明苗的細胞膜透性總體呈上升趨勢，說明干旱強度越強，細胞膜受損傷的程度越大。與第1 脅迫水平相比，孟連苗從第2 脅迫水平到第5 脅迫水平細胞膜透性的增幅分別為6.77%、16.73%、18.71%、53.16%；昆明苗從第2 脅迫水平到第5 脅迫水平細胞膜透性的增幅分別為1.04%、8.64%、12.59%、35.30%。由此可以看出，在同一個脅迫水平上，孟連苗的細胞膜透性大于昆明苗，說明孟連苗細胞膜損傷的程度更大，抵御干旱的能力較低。

圖3 干旱脅迫下巨龍竹實生苗細胞膜透性變化Fig.3 The cell membrane permeability changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.5 干旱脅迫對巨龍竹實生苗可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白是一種重要的有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在缺水情況下可以減少細胞內(nèi)的水分喪失[19]，其含量的高低還可以反映各種代謝活動的強弱，是衡量葉片保水能力的重要生理指標(biāo)[24]。由圖4 可以看出，在持續(xù)干旱過程中，孟連苗和昆明苗的可溶性蛋白含量總體呈先下降后升高的變化趨勢，第2 脅迫水平兩者的可溶性蛋白含量最低。從整體上看，從第1 脅迫水平到第5 脅迫水平，孟連苗的可溶性蛋白含量增加了11.75 mg/g (FW)；昆明苗的可溶性蛋白含量增加了15.28 mg/g (FW)。由此可以看出，昆明苗的可溶性蛋白含量比孟連苗的高，說明其保水能力較好[17]。

圖4 干旱脅迫下巨龍竹實生苗可溶性蛋白含量變化Fig.4 The soluble protein content changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.6 干旱脅迫對巨龍竹實生苗丙二醛含量的影響

在干旱脅迫下，植物膜脂會發(fā)生過氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的丙二醛(MDA)[6]。因此，MDA 含量可以反映出葉片膜脂的受損程度[24]，其數(shù)值越大表示植物所受干旱脅迫越嚴(yán)重[20]。如圖5 所示，孟連苗和昆明苗的MDA 含量與干旱強度呈正相關(guān)，隨干旱脅迫的增強而逐漸上升。在同一干旱水平下，孟連苗的MDA 含量大于昆明苗，說明昆明苗細胞膜受損程度較小，膜脂過氧化程度低。

圖5 干旱脅迫下巨龍竹實生苗MDA 含量變化Fig.5 The MDA content changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.7 干旱脅迫對SOD、APX、CAT 酶活性的影響

2.7.1 干旱脅迫對巨龍竹SOD 活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD) 是植物體內(nèi)的重要保護酶之一，是植物抵抗氧化侵襲的第1 道防線[21]。當(dāng)植物受到干旱脅迫時，SOD 能在一定程度上減緩、抵御活性氧對細胞造成傷害。相關(guān)研究表明，耐旱的植物SOD 活性較高。因此，SOD活性可以作為一個抗旱的指標(biāo)[25]。從表3 中可以看出，干旱脅迫對孟連苗與昆明苗的SOD 活性有顯著影響，但兩者變化的幅度不同。隨著干旱脅迫的增強，孟連苗葉片的SOD 活性呈現(xiàn)先升高后下降再升高變化的“S”曲線(P＜0.05)；昆明苗葉片的SOD 活性變化則為先緩慢升高又緩慢下降然后逐漸升高，在第4 脅迫水平到達峰值后又迅速降低。兩者的SOD 活性除在第2 脅迫水平上差異不顯著(P＞0.05) 外，其他水平均有顯著差異(P＜0.05)。從整體上看，昆明苗的SOD 活性在整個干旱脅迫過程中相對較高，說明其清除自由基和抗氧化能力較強，抗旱性也較強[26]。

表3 干旱脅迫下巨龍竹實生苗酶活性變化Tab.3 The enzyme activity changes of D. sinicus seedlings under drought stress

2.7.2 干旱脅迫對巨龍竹CAT 活性的影響

過氧化氫酶 (CAT) 存在于過氧化物體中[24]，是抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成成分[27]，對清除細胞內(nèi)的H2O2有重要作用。從表3 中可以看出，孟連苗和昆明苗的CAT 活性在前3 個脅迫水平上存在顯著差異(P＜0.05)，在后2 個脅迫水平上差異不顯著(P＞0.05)。隨著干旱脅迫的增強，孟連苗葉片的CAT 活性變化為先急速下降后逐漸升高又緩慢下降，不同脅迫水平之間有顯著差異(P＜0.05)；昆明苗葉片的CAT 活性呈緩慢下降―緩慢升高―快速下降―緩慢升高的變化趨勢，但上升幅度小，總體呈下降趨勢，說明隨著干旱脅迫的增強，需要消耗大量CAT 用于清除H2O2。

2.7.3 干旱脅迫對巨龍竹APX 活性的影響

抗壞血酸過氧化物酶(APX) 是葉綠體中清除H2O2的關(guān)鍵酶[28]。由表3 可以看出，孟連苗和昆明苗的APX 活性在水分適宜的第1 脅迫水平時含量較低，說明此時細胞體內(nèi)的H2O2濃度較低。隨著干旱脅迫的增強，兩者的APX 活性呈先上升后下降又上升的變化趨勢，不同脅迫水平之間均有顯著差異(P＜0.05)，但同一脅迫水平下兩者無顯著差異 (P＞0.05)。由此可以看出，H2O2的產(chǎn)生能夠誘導(dǎo)APX 的表達，脅迫后期H2O2含量的增多使APX 活性不斷升高。

2.8 耐旱性綜合評價

在持續(xù)干旱脅迫下，孟連苗和昆明苗各項指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及均值如表4 所示。可以看出，昆明苗的隸屬函數(shù)值均值大于孟連苗的隸屬函數(shù)值均值，說明昆明苗的抗旱性比孟連苗強。

表4 巨龍竹實生苗各項指標(biāo)隸屬函數(shù)值Tab.4 The membership function values of each index for D. sinicus seedlings

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫會對植物的生長發(fā)育和生理生化活動造成一定的影響，最直觀的表現(xiàn)是從形態(tài)上開始衰老，甚至死亡。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫導(dǎo)致了孟連苗和昆明苗自身水分調(diào)節(jié)能力變?nèi)?，隨著干旱脅迫的增強，兩者的葉片相對含水量變化先升高后下降，這是因為在較低的干旱水平下，葉片會通過提高水分利用率或減少蒸騰作用等來減少水分的喪失，這與干旱脅迫對香樟幼樹生理特性的影響相一致[29]。但兩者的下降幅度不一樣，孟連苗葉片相對含水量下降幅度較大，表明它的葉片保水能力較昆明苗差，這可能與其較大的葉面積有關(guān)。這與任磊等[15]對4 種茶菊的研究結(jié)果相一致。

細胞膜是保護植物細胞不被外界侵蝕的屏障，能保持細胞內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定，使細胞內(nèi)的各項生理活動有序進行[8]。相關(guān)研究表明：在干旱脅迫下，植物由于持續(xù)脫水，導(dǎo)致細胞膜的功能或結(jié)構(gòu)受損，相對膜透性持續(xù)增大[23]，葉綠素合成受阻或分解加快，從而使葉綠素含量降低[22]。本試驗所得結(jié)論與上述觀點一致。隨著干旱脅迫的增加，膜脂過氧化程度增強，MDA 作為該反應(yīng)的最終產(chǎn)物可以作為衡量膜脂受損程度和植物抗旱性強弱的指標(biāo)[24]。本研究結(jié)果表明：孟連苗和昆明苗的MDA 含量均隨著干旱強度的增加而增加。說明兩者的膜系統(tǒng)均受到了一定程度的損傷，這與季楊等[19]對鴨茅葉的研究結(jié)果一致?？扇苄缘鞍卓梢詤⑴c調(diào)節(jié)植物細胞的滲透勢，抵抗干旱脅迫帶來的傷害[18]。本研究表明，隨干旱脅迫的增強，孟連苗和昆明苗的葉片可溶性蛋白質(zhì)含量逐漸增加，體現(xiàn)出了較強的抗旱性，這與張衛(wèi)紅等[17]對垂穗披堿草的研究結(jié)果一致。

干旱脅迫會增加植物體內(nèi)的活性氧[27]，為了防御、減少氧化的損害，植物會發(fā)動體內(nèi)的抗氧化酶和非酶系統(tǒng)來清除或減輕活性氧帶來的傷害，SOD、CAT、APX就屬于這一系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶[19]。本研究結(jié)果表明，孟連苗和昆明苗的SOD活性和APX 活性均隨干旱脅迫的增強呈現(xiàn)先上升后下降再上升的變化趨勢，而昆明苗在嚴(yán)重干旱脅迫時SOD 活性急速下降，可能是因為植物體內(nèi)的SOD 對干旱有一定的抵抗能力，當(dāng)干旱脅迫超出了它的抵抗范圍，其抗干旱的能力就會下降，導(dǎo)致活性降低[20]；在重度干旱和嚴(yán)重干旱的情況下，孟連苗和昆明苗的APX 活性都較高，說明巨龍竹在遭受到高強度的干旱脅迫時APX 是發(fā)揮主要作用的酶[7]，這與前人的研究結(jié)論相一致[30]。但在CAT 活性的研究結(jié)果中，孟連苗和昆明苗的CAT 活性變化趨勢不同，這可能是因為兩者對干旱的敏感程度不同和分解H2O2的速率不一致[8]。

根據(jù)孟連苗和昆明苗的各項生理指標(biāo)和綜合分析可以看出，昆明苗的耐旱性大于孟連苗。但本研究僅采用盆栽苗在大棚內(nèi)進行試驗，不能完全地反映出兩者在田間的抗旱能力，且昆明苗表現(xiàn)出的較強抗旱性，可能與其適應(yīng)了昆明的環(huán)境有關(guān)。因此，若要綜合評價孟連苗和昆明苗的抗旱能力需進一步結(jié)合兩者在田間環(huán)境下的生長發(fā)育狀況和各項生理指標(biāo)等來評判，以便更加科學(xué)全面地評價兩者的抗旱性，為今后擴大巨龍竹的栽培范圍、科學(xué)引種提供可靠的理論依據(jù)。