黨 緒，馬 瑞，魏林源，張瑩花，侍新萍，馬彥軍

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院, 甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省治沙研究所 荒漠化與風沙災害防治重點實驗室, 甘肅 蘭州 730070）

植物抗風沙流同抗旱、抗鹽一樣均是植物逆境生理生態(tài)學問題。在逆境脅迫下，植物通過各種保護和修復機制來減輕傷害，包括形態(tài)改變和生理適應[1]。風沙流是由風及其搬運的固體顆粒組成的氣固二相流。在沙漠地區(qū)，植物葉片暴露于風沙環(huán)境，過度的風沙流脅迫往往造成植物葉細胞水勢降低[2]、氣孔導度下降[3]、使其生長受限，嚴重時造成植物葉片枯黃脫落[4]。因此，只有適應風沙流脅迫的植物才能在該生境中正常生長并保持種群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

關(guān)于風和風沙流對植物影響的研究起步較晚[5]，主要涉及風和風沙流對植物的生長狀況[6-7]、光合蒸騰特性[4-5,8]、外部形態(tài)[5]、機械損傷程度[9]、生物量分配[10]等方面。在植物葉片膜透性和膜保護系統(tǒng)方面，趙哈林等[11]研究表明10 min風吹對玉米(Zeamays)幼苗細胞膜危害不明顯，20 min風吹對膜透性有顯著影響；李道明等[3]研究表明在輕度和中度的單次風沙流脅迫下，霸王(Zygophyllum xanthoxylum)葉片中過氧化物酶活性隨脅迫強度的增強呈升高趨勢，超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性、可溶性蛋白和脯氨酸含量變化不明顯。此前研究多針對單次風、風沙流脅迫對植物膜透性和膜保護系統(tǒng)的影響，而有關(guān)多次脅迫累積效應對植物葉片膜透性和膜保護系統(tǒng)影響的研究尚未見報道。

黑果枸杞(Lycium ruthenicum)是茄科枸杞屬多棘刺灌木，適應性強，耐高溫、耐寒耐旱，喜生于鹽堿荒地、渠路兩旁、河灘等生境，可作為干旱、半干旱區(qū)植被恢復重建及鹽堿地改良的主要植物種[12-13]，野生黑果枸杞植株較小，全生育期均處在風沙流侵襲高度范圍內(nèi)。本研究以黑果枸杞為對象，通過風洞模擬試驗，研究風、風沙流多次吹襲脅迫對黑果枸杞葉片膜透性和膜保護系統(tǒng)的累積效應，以期揭示黑果枸杞對風和風沙危害的逆境適應機制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

民勤縣位于河西走廊東部(101°49′～104°12′ E，38°30′～39°27′ N)，海拔1 298～1 936 m。屬典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候，年均氣溫8.3 ℃，年均降水量為115 mm。該區(qū)全年盛行西北風，沙塵天氣頻發(fā)，5.0 m·s-1以上起沙風占全年有風日數(shù)的13.8%，年平均風速為2.7 m·s-1[14]，最大風速為31.0 m·s-1，年均揚沙日數(shù)為16 d。

1.2 試驗材料與設計

野生黑果枸杞種子于2018年采集于民勤縣青土湖區(qū)，育苗缽中育苗，待其長至10 cm左右，帶土移栽至塑料花盆中，放置在甘肅省武威市治沙所苗圃內(nèi)進行正常田間養(yǎng)護，2019年7月中旬，選取長勢良好、株高相對一致的黑果枸杞作為供試材料，搬至風洞外的通風、半陰蔽樹冠下，統(tǒng)一澆等量水緩苗，于第3天進行凈風、風沙流脅迫試驗。

試驗在甘肅省治沙研究所風沙環(huán)境風洞實驗室進行，該風洞為直流下吹式，風速在4～30 m·s-1可調(diào)。根據(jù)民勤起沙風速以及以往研究中風速對植物的損傷程度[3,15-18]，選擇9 m·s-1的凈風和其對應強度的風沙流[輸沙量為28.30 g·(cm·min)-1]作為脅迫因子。1)凈風脅迫試驗：于第1天的08:00選取4盆黑果枸杞放置在風洞試驗段中部進行凈風吹襲處理，處理時長為20 min，重復3次。第3、5天將第1天已受過脅迫處理的黑果枸杞進行第2次、第3次脅迫。考慮到植株對風的響應存在滯后，每次取樣均在脅迫結(jié)束30 min后進行。取樣時，隨機采集各盆植株冠部上、中、下的葉片。第7天于相同時間點再取樣一次。第1、3、5天每次取樣后將黑果枸杞供試植株搬回緩苗區(qū)。2)風沙流脅迫試驗：在風洞試驗段鋪滿10～12 cm厚度的沙子，平整沙面后，另選取4盆黑果枸杞放置于風洞出風口，調(diào)整植株高度，使其冠部在風沙流吹襲范圍內(nèi)，重復3次。吹襲時間和采樣時間與凈風相同。試驗前隨機采集供試植株冠部上、中、下葉片作為對照(CK)。

1.3 指標測定

采集葉片，一部分立即帶回實驗室進行膜透性測定，剩余葉片包入錫紙用液氮罐轉(zhuǎn)移至超低溫冰箱保存，用于各指標的測定。測定時每個指標均做6個重復。

膜透性采用電導率法[18]測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[19]測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚染色法[19]測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑染色法[20]測定，過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[19]測定，可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法[19]測定，可溶性蛋白(SP)含量采用考馬斯亮藍G-250法[19]測定，脯氨酸(Pro)含量采取酸性茚三酮法[19]測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

運用SPSS 19.0軟件分析數(shù)據(jù)。采用獨立樣本T檢驗分析同一時間不同處理下的差異性(P＜ 0.05)，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較同一處理不同時間下的差異性(P＜ 0.05)。用Excel 2010制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑果枸杞葉片形態(tài)變化

第1天凈風和風沙流脅迫后葉片形態(tài)正常；第3天凈風脅迫后葉片形態(tài)正常，風沙流脅迫后嫩葉出現(xiàn)褐色斑塊；第5天凈風脅迫后少量葉片出現(xiàn)褐色斑塊、萎蔫，風沙流脅迫后褐色斑塊葉片數(shù)量增多、葉色變深、萎蔫；第7天受過凈風脅迫的葉片形態(tài)與第5天無明顯差異，受過風沙流脅迫的葉片萎蔫較第5天嚴重；第1、3、5天脅迫時均有落葉(表1)。風沙流脅迫對黑果枸杞葉片傷害程度大于凈風脅迫。

表1 黑果枸杞葉片形態(tài)變化Table 1 Morphological changes in the leaves of Lycium ruthenicum

2.2 黑果枸杞葉片丙二醛和膜透性的變化

凈風和風沙流脅迫后，在第1、3、5、7天黑果枸杞葉片MDA含量均呈先增后減趨勢；第1天凈風和風沙流脅迫后MDA含量最大，分別較CK顯著增加 了38.7%和84.4% (P＜ 0.05)，第3、5、7天 較CK含量高但差異不顯著(P＞ 0.05)。凈風和風沙流脅迫后，黑果枸杞葉片膜透性均呈增加趨勢，第3、5、7天較CK顯著增加，在第7天最大，分別較CK增加了127.4%和122.3% (圖1)。

圖1 黑果枸杞葉片的丙二醛含量和膜透性Figure 1 MDA content and membrane permeability in the leaves of Lycium ruthenicum

2.3 黑果枸杞葉片抗氧化酶活性的變化

凈風和風沙流脅迫后，POD活性均先減后增(圖2)，第1天最小，分別較CK顯著下降了27.1%和47.3% (P＜ 0.05)，第5、7天較CK顯著增加，風沙流脅迫后在第7天較CK顯著增加了153.6%。凈風脅迫后，SOD活性呈增加趨勢，第7天最大，較CK顯著增加了104.8%；風沙流脅迫后，SOD活性先減后增，第1、3天較CK減少了30.6%、45.0%，第7天較CK增加了90.8%，除第5天之外，均與CK存在顯著差異。CAT活性在凈風脅迫后持續(xù)增加，風沙流脅迫后先減后增，均在第7天最大，分別較CK顯著增加了58.9%和45.8%，凈風脅迫下第3、5、7天與CK差異顯著，風沙流脅迫下第5、7天與CK差異顯著。

圖2 黑果枸杞葉片的保護酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量Figure 2 Protective enzyme activity and osmotic regulation substances in the leaves of Lycium ruthenicum

2.4 黑果枸杞葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化

凈風脅迫后，SS含量先增后減，在第3天達到最大值(圖2)，較CK增加了51.4% (P＜ 0.05)；風沙流脅迫后SS含量先減后增再減，在第5天達到最大值，較CK顯著增加了54.2%。凈風脅迫后SP含量呈先減后增趨勢，但均低于CK；風沙流脅迫后SP含量先減后增再減，第1、3天脅迫后SP含量顯著低于CK。Pro含量均呈持續(xù)增加趨勢，凈風脅迫下和風沙流脅迫下第3、5和7天均顯著高于CK，第7天均最大，分別為CK的3.35和3.25倍。

3 討論

大量研究表明，當植物受到逆境脅迫時，其體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的平衡被打破，活性氧大量積累，破壞細胞[21]。主要以兩種方式進行，一種是發(fā)生膜脂過氧化作用，MDA是其主要產(chǎn)物，可以衡量膜脂過氧化程度；另一種是膜脂產(chǎn)生脫脂化作用，破壞細胞膜結(jié)構(gòu)，通常用質(zhì)膜透性衡量細胞膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性[22-23]。本研究中，第1天凈風和風沙流脅迫后，MDA含量顯著增加，發(fā)生明顯膜脂過氧化作用，且風沙流脅迫后膜脂過氧化作用較凈風更明顯，第3、5天脅迫后，MDA含量下降至與CK無顯著差異，這可能是黑果枸杞葉片較第1天更適應凈風、風沙流脅迫，保護酶活性升高，清除活性氧，因此MDA含量下降。第1天凈風和風沙流脅迫后，膜透性未明顯變化，而第3、5天在凈風、風沙流多次脅迫過程中導致細胞膜產(chǎn)生機械損傷，葉片脫脂化作用明顯，膜透性顯著增大。第7天膜透性仍繼續(xù)增大，說明脅迫造成的機械損傷具有滯后性。凈風、風沙流脅迫導致黑果枸杞葉片細胞受損可能主要源自脫脂化作用而非膜脂過氧化作用，這與在沙蒿(Nitraria tangutorum)和白刺(Artemisia sphaerocephala)中的研究結(jié)果[24]一致。

保護酶的活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量與植物的抗逆性密切相關(guān)[25]。在受到逆境脅迫時，植物增強酶活性以清除產(chǎn)生的活性氧和自由基等，從而保護細胞[26-27]，如SOD通過歧化作用使植物體內(nèi)的O2-轉(zhuǎn)化為H2O2，POD、CAT則能清除歧化作用產(chǎn)生的H2O2[28-29]。同時，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如SS、SP、Pro等可通過保持逆境下植物正常含水量和膨壓來緩解植物所受傷害[30]。第1、3天凈風脅迫后POD活性和風沙流脅迫后POD、SOD活性均低于CK，此時，POD和風沙流脅迫下SOD未發(fā)揮保護作用；第3天后POD、SOD、CAT活性升高，黑果枸杞啟動保護酶系統(tǒng)對凈風、風沙流脅迫進行積極地反饋。第1天風沙流脅迫后，葉片SS含量較CK顯著下降，此時SS可能作為能量物質(zhì)而被消耗[31]，第3天風沙流脅迫后，SS生成量大于消耗量而出現(xiàn)積累；SS含量在第1、3天凈風脅迫后顯著增加，在第5、7天風沙流脅迫下顯著增加，發(fā)揮重要滲透調(diào)節(jié)作用。SP含量在凈風、風沙流脅迫下較CK均未顯著增加，其含量下降可能是因為植物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成受阻，加速分解成各種氨基酸，通過降低葉片水勢來減輕黑果枸杞葉片的受損程度[32]。Pro含量持續(xù)增加，起主要的滲透調(diào)節(jié)作用?？傊瑑麸L和風沙流脅迫會影響黑果枸杞葉片形態(tài)和膜透性，黑果枸杞會進行積極反饋，在未來黑果枸杞種植時，除考慮當?shù)爻Ｄ觑L速大小、風沙流強度外，還需結(jié)合光照、水分狀況、氣溫條件、鹽堿度等其他環(huán)境因子，保證其正常生長發(fā)育，使黑果枸杞能發(fā)揮生態(tài)和經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

9 m·s-1風速下多次凈風和風沙流脅迫中黑果枸杞葉片形態(tài)發(fā)生變化，部分葉片出現(xiàn)褐色斑塊、萎蔫，風沙流傷害較凈風嚴重；葉片膜透性持續(xù)增大，細胞膜完整性受到破壞。黑果枸杞會逐漸啟動保護酶系統(tǒng)，提高CAT、SOD、POD活性，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Pro和SS含量以減輕其所受傷害，MDA含量在第3天及之后均未顯著升高，這反映出黑果枸杞對多次凈風和風沙脅迫具有一定的耐受性，其保護酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)能力是適應凈風和風沙流的重要生理調(diào)控機制。