趙秀婷 朱書紅 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)

隨著全球氣候變暖，干旱的頻率、程度和范圍也越來越大，水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件。土壤水分缺乏或者空氣中相對(duì)濕度較低會(huì)引起植物一系列生長(zhǎng)發(fā)育和生理生化的變化，從而使植物適應(yīng)干旱環(huán)境[1]。植物在干旱脅迫下關(guān)閉氣孔，導(dǎo)致光合色素合成降低，影響光合電子傳遞過程，使光合酶活性降低等，進(jìn)而導(dǎo)致植物光合速率降低[2-4]。王秀文[5]對(duì)蘆竹(Arundo donax) 的抗旱性研究發(fā)現(xiàn)，蘆竹能通對(duì)調(diào)節(jié)自身的抗氧化系統(tǒng)來適應(yīng)干旱環(huán)境。研究植物光合和抗氧化酶活性對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，明確植物的抗旱能力，對(duì)植物培育、引種具有重要意義。

云南省近年降水逐漸減少，且降水分布不均，這都對(duì)植物能否適應(yīng)逆境生長(zhǎng)提出挑戰(zhàn)，而不同的竹種光合作用不同，抗旱能力也不同?？撞ǖ萚6]研究認(rèn)為，不同竹種其抗旱能力不同。吳志莊等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同竹種的光合固碳能力不同，叢生竹要優(yōu)于混生竹和散生竹。劉思奇[8]對(duì)美麗箬竹(Indocalamus decorus) 的光合特性和抗氧化系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下美麗箬竹可以通過調(diào)節(jié)自身對(duì)逆境的適應(yīng)，從而具有一定的抗旱能力。巨龍竹(Dendrocalamus sinicus) 屬禾本科竹亞科，熱性巨型大型叢生竹，是世界上最大的竹種，分布在北回歸線以南地區(qū)[9]。巨龍竹以本身特大型為特色，堪稱“竹中極品、世界之最”。以巨龍竹整竹用于居民竹樓、郊野別墅、旅游度假區(qū)等特色建筑已引起國(guó)內(nèi)外商家關(guān)注，具有巨大的市場(chǎng)潛力[10]。巨龍竹的研究起步較晚，擴(kuò)大竹種資源首先要提高培育種苗的技術(shù)水平和苗木質(zhì)量，種苗已成為制約巨龍竹發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重影響了該物種產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展[11]。目前對(duì)于巨龍竹的研究主要集中在組織培養(yǎng)、育苗技術(shù)、林分結(jié)構(gòu)、竹材結(jié)構(gòu)等[12-16]，而對(duì)于土壤干旱脅迫下巨龍竹實(shí)生苗光合作用和抗氧化酶活性的研究較少。本研究選取2 年生巨龍竹實(shí)生苗，采用盆栽控水試驗(yàn)，在土壤自然干旱過程中連續(xù)觀測(cè)巨龍竹實(shí)生苗的光合作用，探討巨龍竹實(shí)生苗葉片光合作用和抗氧化酶活性的變化過程，可為了解巨龍竹資源在應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境下生長(zhǎng)發(fā)育狀況提供技術(shù)支撐，也可為巨龍竹實(shí)生苗的科學(xué)培育、合理栽培和水分管理提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為盆栽巨龍竹苗，挑選無病蟲害且長(zhǎng)勢(shì)較好，株型盡量一致的20 盆實(shí)生苗。對(duì)照組與試驗(yàn)組各10 盆。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)間為2021 年10 月2—20 日，試驗(yàn)地點(diǎn)為西南林業(yè)大學(xué)溫室大棚。水分調(diào)節(jié)時(shí)間于每日下午17 ∶00—18 ∶00，試驗(yàn)組為自然干旱，對(duì)照組每日澆水讓土壤水分含量始終保持在43.2%～49.3%。利用Li-6400 便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)在每日9 ∶30—11 ∶30 測(cè)定實(shí)生苗的各項(xiàng)光合指標(biāo)。

試驗(yàn)組在自然干旱條件下，根據(jù)土壤含水量將干旱程度劃分為輕度干旱、中度干旱和重度干旱3 個(gè)脅迫水平(表1)，研究不同水分條件下巨龍竹實(shí)生苗的光合參數(shù)和抗氧化酶活性。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

光合指標(biāo):凈光合速率 (Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)。葉綠素提取用80%的丙酮溶液[17]。

抗氧化酶活性和丙二醛含量測(cè)定:將上述用于測(cè)定光合參數(shù)后的葉片液氮速凍-80 ℃保存，用于抗氧化酶活性的測(cè)定。超氧化物歧化酶(SOD) 活性采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定[18]，抗壞血酸過氧化物酶(APX) 活性采用紫外吸收法測(cè)定，過氧化氫酶(CAT) 活性采用過氧化氫分解法測(cè)定，丙二醛 (MDA) 含量采取紫外線吸收法測(cè)定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 25.0 進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)土壤含水量和實(shí)生苗葉綠素含量的影響

從圖1 看出，自然干旱組的土壤隨干旱天數(shù)增加其含水量呈現(xiàn)直線下降，對(duì)照組土壤含水量由于每天補(bǔ)充水分而在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)保持在43.2%～49.3%，為正常含水量。

圖1 不同干旱脅迫處理下土壤含水量的變化Fig.1 Changes of soil water content under different drought stress treatments

葉綠素是植物體現(xiàn)光合能力的主要指標(biāo)之一，其濃度(SPAD 值) 與植株的生長(zhǎng)發(fā)育狀況以及葉片的光合能力有關(guān)。從圖2 可看出，巨龍竹實(shí)生苗在干旱脅迫下，葉綠素濃度發(fā)生顯著改變。隨著土壤含水量的下降，干旱脅迫強(qiáng)度增加，SPAD 值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，在輕度干旱脅迫下(0～4 d) SPAD 值下降幅度較小，在中度和重度干旱脅迫下(6～18 d) SPAD 值隨著干旱脅迫強(qiáng)度增加而降低幅度加大，中度干旱脅迫下SPAD值降至CK 的67.35%、重度干旱脅迫下僅有CK的43.58%。

圖2 不同干旱脅迫處理下葉綠素含量的變化Fig.2 Changes of chlorophyll content under different drought stress treatments

2.2 干旱脅迫對(duì)巨龍竹實(shí)生苗光合參數(shù)的影響

不同程度的土壤干旱對(duì)巨龍竹實(shí)生苗光合作用影響的分析結(jié)果見圖3。巨龍竹實(shí)生苗在自然干旱脅迫處理后凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率變化趨勢(shì)一致，隨著脅迫程度的加重，3 個(gè)指標(biāo)都有不同幅度的下降，胞間CO2濃度呈現(xiàn)先下降再上升的變化趨勢(shì)。

圖3 不同干旱脅迫處理下巨龍竹實(shí)生苗葉片光合參數(shù)的變化Fig.3 Changes of photosynthetic parameters in D. sinicus seedling leaves under different drought stress treatments

凈光合速率(Pn):在整個(gè)試驗(yàn)期間，自然干旱處理組凈光合速率在第2 d 時(shí)略有升高，但從第2 d 以后開始下降，在第6 d 時(shí)下降趨勢(shì)加大，最終在第18 d 時(shí)跌至最低為0.80 μmol/(m2·s)，中度干旱下降至CK 的47.51%、重度干旱下僅為CK 的7.82%。

氣孔導(dǎo)度(Gs):Gs變化趨勢(shì)與凈光合速率相同，在第2 d 由升高后開始下降，第6 d 急劇下降，最終在第18 d 時(shí)跌至最低為0.005 mmol/(m2·s)，中度干旱下降至CK 的37.51%、重度干旱降至僅為CK 的4.58%。并且在重度干旱下，隨脅迫程度的加大Gs下降趨勢(shì)減弱，中度干旱時(shí)Gs降低了0.062 mmol/ (m2·s) 與重度干旱時(shí)降低了0.022 mmol/ (m2·s) 相比，重度干旱的下降幅度顯著低于中度干旱。

胞間CO2濃度(Ci):自然干旱處理組在0～15 d期間呈持續(xù)下降，但在16～18 d 期間不斷上升至265.17 μmol/mol。在中度干旱下，Ci降至CK 的81.31%。在重度干旱下，自然干旱處理組Ci開始隨干旱強(qiáng)度的加大而增加，在第18 d 時(shí)與CK 組基本持平。

蒸騰速率(Tr):自然干旱處理組的蒸騰速率在0～18 d 期間均呈下降趨勢(shì)，并在第4 d 后急劇下降，最終在第18 d 時(shí)跌至最低為0.17g/ (m2·h)。說明輕度干旱對(duì)巨龍竹實(shí)生苗的Tr影響較小，輕度干旱期間Tr降至CK 的76.03%；但在中度干旱和重度干旱脅迫下，Tr受到顯著抑制，且脅迫強(qiáng)度越大，蒸騰速率越低，中度干旱和重度干旱脅迫時(shí)Tr分別降為對(duì)照的20.31%和3.94%。

2.3 干旱脅迫對(duì)巨龍竹實(shí)生苗抗氧化酶活性和丙二醛的影響

如表2 所示，巨龍竹實(shí)生苗處于輕度干旱時(shí)超氧化物歧化酶(SOD) 活性高于對(duì)照組，且在此脅迫下SOD 活性最高，在中度干旱脅迫下，SOD 活性下降；當(dāng)干旱加劇到重度脅迫時(shí)，SOD的活性又發(fā)生顯著的提高，巨龍竹實(shí)生苗再次通過提高SOD 活性來保護(hù)光合作用組織免受或減輕干旱帶來的損傷。

抗壞血酸過氧化物酶(APX) 是通過參與抗壞血酸的氧化還原代謝，配合抗壞血酸清除多種活性氧自由基，植物的抗旱能力也通過APX 活性表現(xiàn)出來[20]。從表2 中看出，隨干旱強(qiáng)度的加大APX 活性的變化呈上升趨勢(shì)，在整個(gè)脅迫階段APX 活性均高于對(duì)照，說明APX 是巨龍竹在發(fā)生干旱時(shí)起主要作用的酶，并且在嚴(yán)重干旱時(shí)達(dá)到最高值為4.32 U/g，為對(duì)照組的553%。

表2 不同干旱脅迫處理下巨龍竹實(shí)生苗SOD、APX、CAT 活性與MDA 含量的變化Tab.2 Changes of SOD，APX，CAT activities and MDA content of D. sinicus seedlings under different drought stress treatments

過氧化氫酶(CAT) 將SOD 歧化生成的過氧化氫轉(zhuǎn)化為水和分子氧[20]。從表2 中可以看出，在干旱環(huán)境下CAT 活性均小于對(duì)照，在輕度干旱環(huán)境下達(dá)到最低值，在中度干旱時(shí)為干旱脅迫下最高值，但僅為對(duì)照的55%。

丙二醛(MDA) 是反映巨龍竹干旱能力的重要指標(biāo)。當(dāng)干旱發(fā)生時(shí)，巨龍竹的細(xì)胞膜受到傷害，引起膜脂過氧化的最終產(chǎn)物丙二醛含量變化來反映巨龍竹實(shí)生苗的抗旱能力。如表2 所示，在干旱脅迫下MDA 含量均高于對(duì)照組，且在輕度干旱時(shí)最高，隨著干旱脅迫強(qiáng)度的加大MDA 逐漸降低，但即使在嚴(yán)重干旱時(shí)，MDA 的含量也僅是對(duì)照的106%。

3 討論

3.1 土壤干旱脅迫對(duì)葉綠素的影響

植物進(jìn)行光合作用的一個(gè)重要影響因素就是葉綠素含量，葉綠素的合成與分解速率是影響光合速率的主要原因，因此植物受干旱脅迫的影響可以通過葉綠素含量來進(jìn)行評(píng)估[21]。有研究表明，干旱脅迫會(huì)對(duì)葉綠素的合成起抑制作用，同時(shí)加快SPAD 的分解，造成SPAD 值下降，但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)干旱脅迫會(huì)使SPAD 值上升[22-23]。本研究結(jié)果表明，在干旱脅迫下，巨龍竹實(shí)生苗葉片的SPAD 值均下降，加大干旱脅迫強(qiáng)度SPAD值的下降速度變快。這可能是因?yàn)楦珊抵率沟鞍踪|(zhì)合成受阻或葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞，造成葉綠素的合成減少，使其SPAD 值下降。

3.2 土壤干旱脅迫對(duì)光合作用的影響

光合作用是植物生命活動(dòng)中的重要合成代謝過程之一，會(huì)直接影響植株的生長(zhǎng)、發(fā)育狀況，而干旱脅迫明顯影響植物的光合作用[24]。大量研究表明，在干旱脅迫下，植物光合作用受到抑制，凈光合速率下降，氣孔導(dǎo)度減小以限制蒸騰速率，從而緩解干旱脅迫的影響[25-27]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，在自然干旱處理后，隨著干旱脅迫強(qiáng)度加大巨龍竹實(shí)生苗葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均呈下降趨勢(shì)，表明干旱脅迫下巨龍竹實(shí)生苗的部分氣孔關(guān)閉，引起CO2濃度降低，從而造成光合參數(shù)降低；而在重度干旱下，由于巨龍竹自身代謝產(chǎn)生CO2，造成Ci的上升，也說明在輕度干旱下，巨龍竹葉片Pn的下降，Ci降低，是由氣孔限制原因引起的；在中度和重度干旱脅迫下，隨著脅迫強(qiáng)度的加大，Pn下降，Ci上升，此時(shí)引起凈光合速率下降轉(zhuǎn)為由非氣孔因素引起。這表明隨著土壤水分含量下降，干旱加劇，巨龍竹實(shí)生苗通過降低光合作用來減輕干旱帶來的傷害，本研究結(jié)果與王彬等[28]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.3 土壤干旱脅迫對(duì)抗氧化酶活性和丙二醛的影響

在干旱環(huán)境下，植物啟動(dòng)自身防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)膜不被損傷，通過提高抗氧化酶活性來提高自身抗旱能力，SOD 起第1 道防護(hù)作用，APX 和CAT繼續(xù)將SOD 歧化的過氧化氫分解為水和氧氣，從而在干旱環(huán)境下起到保護(hù)作用。本研究結(jié)果顯示，SOD 活性在輕度、重度干旱脅迫下高于對(duì)照，APX 活性在整個(gè)干旱階段均高于對(duì)照，CAT 活性則均低于對(duì)照。說明SOD 和APX 是巨龍竹實(shí)生苗干旱時(shí)期起重要作用的2 種酶，并且在輕度干旱脅迫下SOD 活性的增幅要顯著高于其余2 種，說明SOD 在逆境中的反應(yīng)更為迅速。丙二醛在干旱脅迫下的含量均高于對(duì)照組，表明干旱引起巨龍竹抗氧化系統(tǒng)活性下降，活性氧的產(chǎn)生超出了細(xì)胞的清除能力，導(dǎo)致活性氧大量積累，活性氧引起光合色素嚴(yán)重降解和膜脂過氧化，破壞了光合機(jī)構(gòu)膜系統(tǒng)，該結(jié)果與裴斌等[29]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

巨龍竹實(shí)生苗在輕度干旱環(huán)境中表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，但在中度和重度干旱環(huán)境下其適應(yīng)性較差。引起光合速率下降的原因也由在輕度干旱時(shí)的氣孔限制原因轉(zhuǎn)為在中度和重度干旱時(shí)的非氣孔限制原因，并且在逆境中起主要作用的抗氧化酶為SOD 和APX，SOD 在逆境中反應(yīng)更為迅速。本研究結(jié)果可對(duì)巨龍竹苗的科學(xué)種植和水分管理提供理論依據(jù)，也可為竹類植物對(duì)干旱環(huán)境下的適應(yīng)性研究提供技術(shù)支持。