毛曉佩，孫永玉，戚建華，王順利，張春華

(1 西南林業(yè)大學 林學院，云南 昆明，650224；2 中國林業(yè)科學院高原林業(yè)研究所，云南 昆明，650233；3 國家林業(yè)局云南元謀荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站, 云南 昆明，650233)

高山栲(Castanopsisdelavayi)為殼斗科(Fagaceae)栲屬(Castanopsis)常綠喬木樹種，又名高山錐、白豬栗、滇錐栗等，是我國西南地區(qū)常綠闊葉林的主要優(yōu)勢種或常見種。主要分布在云南、四川和貴州海拔1 500～2 800 m的山地，在越南、緬甸、泰國亦有分布[1]。因其木材堅硬，是分布區(qū)域內(nèi)主要的新碳林樹種及天麻優(yōu)良種植原材料。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，生產(chǎn)力的快速增長，人類頻繁活動對自然環(huán)境的干擾不斷增加，加之全球氣候變暖、極端天氣頻繁發(fā)生以及水資源嚴重污染等生態(tài)問題日益凸顯，加劇了干旱對環(huán)境的威脅。目前研究干旱脅迫對植物生理生化的影響成為植物生理生態(tài)學研究的熱點問題之一[2-3]。有研究表明，植物在干旱脅迫下，不僅會在外觀形態(tài)上表現(xiàn)出一系列的變化，而且也會在生理、生態(tài)特性方面產(chǎn)生響應，導致植物光合作用受抑、代謝異常、呼吸紊亂等，直接影響植物的生長發(fā)育和生存[4-5]。此外，植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧自由基，為了清除多余的自由基，植物會增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化酶活性來降低干旱條件造成的傷害[6]。高山栲被國家林業(yè)和草原局列入國家儲備林建設樹種，現(xiàn)有的研究主要集中在種子庫、種群更新、種子保存、功能性狀、群落多樣性、種子性狀等方面[7-12]。目前，干旱對高山栲生理生化指標的影響及抗旱性優(yōu)良地理種源的篩選尚屬空白，綜合分析高山栲幼苗在不同干旱脅迫下生理生化和生長指標的動態(tài)變化，以期為高山栲抗旱種源篩選及人工林栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

地理種源選擇高山栲核心分布的賓川(BC)、劍川(JC)、云龍(YL)、鶴慶(HQ)、楚雄雙柏(SB)等5個種源，按種質(zhì)資源搜集方法，選取胸徑大于80 cm，樹干通直，無病蟲害的植株作為采種母樹，于2019年11月收集種子，除雜后在楚雄白依河國有林場進行1 年種苗培育。并于2020年11月選取大小基本一致，無病蟲害的苗栽入花盆中修養(yǎng)4個月待恢復后取回移至昆明，試驗用土取自白依河國有林場原生高山栲林下0～10 cm層土壤，飽和持水量33.5%。

表1 高山栲種源采集地基本信息Table 1 Information of Castanopsis delavayi provenance

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗地位于云南省昆明市中國林業(yè)科學院高原林業(yè)研究所苗圃地(E 102°45′，N 25°04′)。海拔1 891 m，年平均氣溫14.7 ℃，年均日照2 200 h左右，無霜期240 d以上，年降水量1 011.8 mm。本試驗采用重量法，設置4個水平的持續(xù)性干旱處理，土壤相對含水量分別為土壤飽和持水量的的65%～75%(對照W1)、55%～65%(輕度干旱脅迫W2)、45%～55%(中度干旱脅迫W3)、35%～45%(重度干旱脅迫W4)。每3 d進行每盆衡重1次，使各處理的土壤含水量維持在設定范圍內(nèi)，處理時間為2021年4月至5月。采用隨機區(qū)組試驗設計，每個處理10株，重復3次。

1.2 2 測定指標與方法 干旱處理前后分別用卷尺(精度0.1 cm)和游標卡尺(精度0.01 mm)測量冠幅、株高和地徑用于計算其苗木凈生長量。研究采用硫代巴比妥酸法、愈創(chuàng)木酚法、高錳酸鉀滴定法、酸性茚三酮比色法、蒽酮比色法分別測定高山栲葉片中丙二醛(MDA)含量，過氧化物酶(POD)活性，過氧化氫酶(CAT)活性，游離脯氨酸(Pro)含量，可溶性糖(SS)含量[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 23.0(IBM SPSS，USA，NY)進行統(tǒng)計分析及繪圖，采用單因素方差分析不同處理間的差異。

以不同種源高山栲幼苗生長及生理生化指標測定數(shù)據(jù)為基礎，按照模糊數(shù)學中隸屬函數(shù)法綜合評價不同地理種源高山栲幼苗對土壤干旱的適應能力[14]。

2 結果與分析

2.1 不同地理種源高山栲幼苗生長對干旱脅迫的響應

干旱脅迫對不同種源高山栲凈生長量的影響，見表2。

表2 干旱脅迫對不同種源高山栲凈生長量的影響Table 2 Effects of drought stress on net growth of Castanopsis delavayi in different provenances

由表2可知，隨著干旱脅迫程度的增加，各地理種源株高、地徑和冠幅等凈生長量指標總體為下降趨勢。在重度干旱脅迫下，云龍(YL)種源的株高生長量顯著高于賓川(BC)種源，賓川(BC)種源的地徑生長量顯著高于鶴慶(HQ)種源，賓川(BC)種源的冠幅生長量顯著高于劍川(JC)種源。相對于對照來看，賓川(BC)種源的株高生長量減幅最大(72.05%)，云龍(YL)種源的株高和冠幅生長量減幅最小(47.56%、32.41%)，雖然雙柏(SB)種源地徑下降較少(42.31%)，但雙柏(SB)種源的冠幅減幅最大(72.85%)。在重度干旱脅迫下，云龍(YL)種源的株高生長量處于最高水平(9.56 cm)，比最低水平的賓川(BC)種源高出4.13 cm，且賓川(BC)種源的地徑和冠幅生長量處于最大值(1.86 mm、8.98 cm)。方差分析表明，株高生長量除賓川(BC)種源的輕度干旱脅迫(W2)處理與對照差異不顯著外，其余種源的株高生長量在各處理與對照(W1)差異顯著(P<0.05)；雙柏(SB)和劍川(JC)種源3個干旱處理的冠幅生長量與對照存在顯著差異(P<0.05)，云龍(YL)和賓川(BC)種源的冠幅生長量在輕度干旱脅迫(W2)與對照(W1)間差異不顯著，鶴慶(HQ)種源的冠幅生長量在對照(W1)與重度干旱脅迫(W4)處理下差異顯著(P<0.05)；除鶴慶(HQ)種源外，其余4個種源的地徑生長量在中度和重度干旱脅迫處理與對照(W1)處理間差異顯著。(P<0.05)。劍川(JC)種源的株高和冠幅生長量在中度和重度干旱脅迫下差異不顯著。

2.2 不同地理種源高山栲幼苗MDA含量對干旱脅迫的響應

干旱脅迫對不同種源高山栲MDA含量的影響，見表3。

表3 干旱脅迫對不同種源高山栲MDA含量的影響Table 3 Effects of drought stress on MDA content of Castanopsis delavayi in different provenances

由表3可知，MDA含量隨著干旱脅迫程度的增加而呈上升趨勢，不同地理種源的MDA含量在不同干旱脅迫處理下的增幅存在差異，其中雙柏(SB)和云龍(YL)種源的增幅比較平穩(wěn)有規(guī)律，賓川(BC)、鶴慶(HQ)、劍川(JC)則增幅較大。在輕度干旱脅迫(W2)處理下，MDA的含量積累較緩慢，但隨著干旱脅迫程度的增加，MDA含量也在不斷積累，均在重度干旱脅迫(W4)處理下達到了最大值(54.47～69.55 nmol/g)。與對照(W1)相比較，在重度干旱脅迫下雙柏(SB)、云龍(YL)、賓川(BC)、鶴慶(HQ)、劍川(JC)種源的MDA含量分別增加了32.08%、20.66%、112.27%、45.17%、135.29%。方差分析表明，除云龍(YL)和鶴慶(HQ)種源外，其余3個種源的MDA含量在中度和重度干旱脅迫下與對照(W1)差異顯著(P<0.05)，云龍(YL)種源的MDA含量在4個干旱處理間差異不顯著。鶴慶(HQ)種源的MDA含量在重度干旱脅迫(W4)與對照(W1)差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同地理種源高山栲幼苗滲透物質(zhì)對干旱脅迫的響應

干旱脅迫對不同種源高山栲滲透物質(zhì)的影響，見表4。

由表4可知，不同地理種源高山栲苗木葉片中的脯氨酸含量隨土壤相對含水率減少而表現(xiàn)出不同程度的增加趨勢，5個種源均在重度干旱脅迫(W4)下達到最大值。相對于對照(W1)來看，脯氨酸含量增加最多的是云龍(YL)種源(257.69%)，賓川(BC)種源最少(46.64%)。在重度干旱脅迫下，云龍(YL)地理種源的脯氨酸含量顯著高于雙柏(SB)和鶴慶(HQ)種源。方差分析表明：賓川(BC)、鶴慶(HQ)和劍川(JC)種源的可溶性糖含量在中度和重度干旱脅迫下與對照(W1)差異顯著(P<0.05)，云龍(YL)種源各干旱處理下的可溶性糖含量與對照差(W1)異顯著(P<0.05)，雙柏(SB)種源的可溶性糖含量在各干旱處理與對照(W1)差異不顯著。

高山栲幼苗葉片的可溶性糖含量隨著干旱脅迫程度的加劇呈現(xiàn)上升的趨勢，且在重度干旱脅迫下達到最大值。在重度干旱脅迫(W4)下可溶性糖含量與對照(W1)相比，增幅最大的是劍川(JC)種源(46.72%)，最小的是雙柏(SB)種源(12.35%)。在重度干旱脅迫(W4)下，鶴慶(HQ)種源的可溶性糖含量最高(55.62 mg/g)，賓川(BC)種源最低(47.83 mg/g)。方差分析表明，除云龍(YL)種源外，其余4個種源的脯氨酸含量在中度和重度干旱脅迫下與對照(W1)差異顯著(P<0.05)，云龍(YL)種源的脯氨酸含量在各干旱處理與對照(W1)差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同地理種源高山栲幼苗酶活性對干旱脅迫的響應

干旱脅迫對不同種源高山栲滲透物質(zhì)的影響，見表5。

表5 干旱脅迫對不同種源高山栲幼苗酶活性的影響Table 5 Effects of drought stress on enzyme activities of Castanopsis delavayi seedlings

由表5可知，POD活性隨著干旱程度的增加而上升，中度干旱脅迫(W3)達最大值后隨著干旱程度加劇而降低。相對于對照(W1)，在中度干旱脅迫(W3)處理下POD活性分別增加了84.68%～465.80%。在重度干旱脅迫(W4)下，POD活性呈現(xiàn)一定幅度的下降，但顯著高于對照(W1)，其中賓川(BC)種源活性最高為150.66 △OD470/(min·g)，高出對照(W1)222.89%，劍川(JC)種源的最低為99.00 △OD470/(min·g)。CAT活性的變化與POD活性的變化基本一致，但CAT活性在輕度干旱脅迫(W2)下達到最大值，較對照(W1)有24.18%～87.82%的增量。隨干旱脅迫程度進一步加劇，CAT活性急劇下降，在重度干旱脅迫(W4)下達到最小值，但是賓川(BC)種源的CAT活性高于其余4個種源，相比對照減少了60.07%。方差分析表明，除劍川(JC)種源外，其余4個種源的POD活性在各干旱處理下與對照(W1)差異顯著(P<0.05)，劍川(JC)種源的POD活性在中度干旱脅迫(W3)與對照(W1)差異顯著(P<0.05)；5個種源的CAT活性在各干旱處理下與對照(W1)差異顯著(P<0.05)。

2.5 不同地理種源抗旱性綜合評價

2.5.1 土壤含水量與高山栲幼苗生長及生理生化指標的相關性 土壤含水量與高山栲幼苗生長及生理生化指標的相關性，見表6。

表6 土壤含水量與高山栲幼苗生長及生理生化的相關分析結果Table 6 Correlation between soil moisture content and seedling growth, physiology and biochemistry of Castanopsis delavayi

由表6可知，土壤含水量與高山栲株幼苗高生長量、POD活性呈極顯著正相關，與CAT活性呈顯著正相關；土壤含水量與高山栲幼苗可溶性糖、脯氨酸含量呈極顯著負相關；土壤含水量與冠幅生長量、地徑生長量、MDA含量相關不顯著。脯氨酸含量與株高生長量極顯著負相關，與可溶性糖含量呈顯著正相關；CAT活性與可溶性糖含量呈顯著正相關。

2.5.2 不同種源高山栲在重度干旱脅迫下抗旱性綜合表現(xiàn) 不同種源高山栲在重度干旱脅迫下抗旱性綜合表現(xiàn)，見表7。

表7 不同種源高山栲各指標隸屬函數(shù)值及抗旱性綜合評價Table 7 Membership function values of each index and comprehensive evaluation of drought resistance of Castanopsis delavayi in different provenances

由表7可知，不同地理種源在重度干旱脅迫條件下的生長、生理生化表現(xiàn)，通過隸屬函數(shù)計算得到高山栲各地理種源在重度干旱脅迫下的綜合表現(xiàn)值，以此得到各地理種源的抗旱性排序為：賓川(BC)>雙柏(SB)>劍川(JC)>鶴慶(HQ)>云龍(YL)。

3 結論與討論

3.1 討論

3.1.1 不同干旱脅迫梯度下植物生長變化 土壤有效水分的虧缺，會對植物的生長狀況產(chǎn)生顯著影響，也會在形態(tài)、生理生化等方面作出一系列變化來適應不良的環(huán)境[15-16]。研究結果表明，不同地理種源高山栲苗木生物量凈生長量隨著干旱脅迫程度的加劇而減少，說明在干旱脅迫下高山栲幼苗可以通過減慢生長以適應不同干旱環(huán)境，這和植物在遭受干旱脅迫時可能會通過調(diào)節(jié)生長量來適應脅迫環(huán)境情況較為一致[17]。

3.1.2 不同干旱脅迫梯度下植物滲透物質(zhì)的變化 在受到干旱脅迫時，植物通過滲透調(diào)節(jié)降低水勢來減少水分的損耗以進行正常的生命活動[18]。脯氨酸是具較強水合力的水溶性氨基酸，在植物受到干旱脅迫時，會通過增加脯氨酸來幫助細胞持水，防止植物脫水，使植株在干旱環(huán)境中能吸收足夠自由水維持正常生長發(fā)育[19]。本研究結果表明，隨著干旱脅迫的加劇，脯氨酸含量呈上升的趨勢，這與對江南油杉(Keteleeriacyclolepis)、多油辣木(Moringaoleifera)的研究結果一致[20-21]。在重度干旱脅迫(W4)處理下，5個地理種源植株的脯氨酸含量都急劇增加，這說明在重度干旱脅迫下，脯氨酸對降低滲透勢、維持膨壓的貢獻較大，說明高山栲幼苗都通過積累脯氨酸來提高細胞的滲透調(diào)節(jié)能力而適應土壤干旱。

可溶性糖的積累也是反映抗旱性強弱的有效指標之一，植物在遇到干旱脅迫環(huán)境時可以通過提高細胞內(nèi)可溶性糖的積累產(chǎn)生足夠低滲透勢以增強植物的保水和吸水能力[22-23]。隨著干旱脅迫程度的增加，高山栲幼苗葉片可溶性糖含量隨之增加，這與對赤皮青岡(Cyclobalanopsisgilva)在不同水分脅迫下的研究結果一致[23]。表明隨著干旱脅迫程度的增加，高山栲幼苗通過增加可溶性糖含量來提高細胞內(nèi)的濃度，進而減少細胞內(nèi)外的濃度差，有助于保持植物體內(nèi)的水分，這說明在干旱脅迫下高山栲幼苗可通過增加可溶性糖含量來增加對干旱環(huán)境的適應能力。

3.1.3 不同干旱脅迫梯度下植物MDA含量的變化 MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物之一，其含量的高低能夠反應細胞膜脂過氧化作用強弱和質(zhì)膜破壞程度[24]。本研究結果表明，隨著干旱脅迫程度的增加，MDA含量增加，這與張文輝、熊仕發(fā)等人的研究結果一致，表明其膜系統(tǒng)受傷害的程度隨著干旱脅迫的加劇而加重[25-27]。在輕度干旱脅迫(W2)下，各地理種源的MDA含量增長緩慢，可能是因為高山栲幼苗在受到脅迫時能夠自我調(diào)節(jié)與保護，對其生物膜系統(tǒng)的傷害不大[28]。在中度(W3)和重度(W4)干旱脅迫下，劍川、賓川、雙柏地理種源的MDA含量急劇增加，說明隨著干旱脅迫程度的增加，葉片中積累了較多的活性氧，導致MDA含量的增加，對葉片的膜系統(tǒng)造成了不可逆的損傷。

3.1.4 不同干旱脅迫梯度下植物保護酶活性變化 CAT、POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶系統(tǒng)，在植物受到干旱脅迫時可以保持體內(nèi)的代謝平衡[25]。本研究結果表明，隨著干旱脅迫程度的增加，5個地理種源的POD活性、CAT活性表現(xiàn)出先升后降的趨勢，這與大多數(shù)前人研究結果一致[25-26]。在W2、W3處理下，5個種源的CAT和POD酶活性達到了最大值，這表明在輕度和中度干旱脅迫下，POD、CAT協(xié)同作用清除活性氧的能力較強，能較好的維持細胞膜的穩(wěn)定性，這可能是高山栲幼苗為了減輕細胞傷害而進行生理調(diào)節(jié)來適應干旱環(huán)境。隨著脅迫程度的增加，5個地理種源的2種保護酶的活性出現(xiàn)了不同程度的下降，說明在重度干旱脅迫下，活性氧產(chǎn)生的速度超出了高山栲幼苗的耐受范圍，其抗氧化能力在衰退，對其幼苗的生長造成傷害，這表明55%～65%和45%～55%的土壤含水量是高山栲苗木CAT和POD活性的最大耐受值。

3.2 結論

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的加劇，5個種源高山栲幼苗的株高、地徑、冠幅凈生長量降低，葉片中MDA、脯氨酸含量、可溶性糖的含量升高，CAT、POD 2種酶活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢，分別在W2、W3處理下達最大值。在重度干旱脅迫下，云龍(YL)種源的株高生長量處于最高水平(9.56 cm)，比賓川(BC)種源高出4.13 cm，賓川(BC)種源的地徑和冠幅生長量處于最大值(1.86 mm、8.98 cm)，云龍(YL)種源的株高和冠幅生長量較對照減幅最少(47.56%、32.41%)，雙柏(SB)種源地徑較對照下降較少(42.31%)；劍川種源的MDA含量和可溶性糖含量較對照增加最多(135.29%、46.72%)，脯氨酸含量增加最多的是云龍(YL)種源(257.69%)；賓川(BC)種源的POD、CAT活性均處于最高水平(150.66 [△OD470/(min·g)]、493.58 [μmol/(min·g)]，POD相比對照增加了222.89%，CAT相比對照減少了60.07%。綜合其生長、生理生化和酶活性來看，不同地理種源的高山栲抗旱能力有著一定的差異，抗旱能力由大到小依次為：賓川(BC)、雙柏(SB)、劍川(JC)、鶴慶(HQ)、云龍(YL)。