張秀姣,吳 超*,王滿蓮,梁惠凌,劉寶玉,李 虹,王 琳

(1.廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所,廣西桂林 541006;2.廣西植物功能物質與資源持續(xù)利用重點實驗室,廣西桂林 541006;3.廣西師范大學,廣西桂林 541006)

全球氣候變化下干旱事件頻發(fā),導致土壤干旱程度加劇[1]。喀斯特巖溶地的保水能力極差,氣候變化背景下極端干旱事件(土壤含水量<12%)時常發(fā)生[2]。前人關于作物適應干旱方面的研究以主要農作物和部分園藝植物為主,但極端干旱下大部分植物難以存活,由于缺乏適應極端干旱研究的優(yōu)異物種和種質資源,有關作物響應極端干旱的研究較少,作物適應極端干旱的內在機理不夠深入[3]。地楓皮(IlliciumdifengpiB.N.Chang et al.)能適應喀斯特山頂極度干旱環(huán)境,是研究植物響應和適應極度干旱的優(yōu)異材料[4]。

地楓皮為五味子科(Schisandraceae)八角屬(Illicium)常綠灌木,是《中國藥典》收載的廣西特產中藥材,也是著名壯藥,其莖皮和根皮具有祛風除濕、行氣止痛等功效[5],是桂龍藥膏、桂龍藥酒及多種中成藥的主要原料。然而,地楓皮野生資源現(xiàn)處于瀕危狀態(tài)。一方面喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱,生境退化不利于地楓皮的繁育和生長;另一方面人為采挖導致其野生資源急劇下降[6]。

研究喀斯特生境植物地楓皮的適應機理將有助于該物種及該地區(qū)生物多樣性資源的有效保護和可持續(xù)利用。前期研究發(fā)現(xiàn),輕度和中度水分脅迫下地楓皮表現(xiàn)較強的耐旱能力[7],干旱復水后其光合能力迅速恢復[8]。但目前關于地楓皮響應極端干旱方面的研究較少,目前尚不清楚極端干旱下復水的植株是否仍具有較強的恢復能力。植物抗氧化物酶系統(tǒng)迅速響應逆境脅迫,是植物響應非生物逆境(干旱、澇漬、高溫、冷害等)的初始應激反應[9],但鮮有研究報道地楓皮抗氧化物酶系統(tǒng)在極端干旱及干旱復水后的響應特征。該研究以1年生地楓皮植株為材料,研究極端干旱及干旱后復水處理對地楓皮葉片含水量和抗氧化酶活性的影響,旨在從抗氧活性的角度揭示地楓皮適應極端干旱的生理機理,以期為喀斯特石漠化地區(qū)的生態(tài)恢復提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料試驗材料為大小長勢一致的1年生植株,均由采自廣西壯族自治區(qū)百色市靖西市同一野生種群的種子萌發(fā)而來。栽培容器為營養(yǎng)袋(直徑23 cm,高18 cm),每盆裝棕色石山土1.7 kg,每盆1株。試驗在廣西植物研究所的防雨棚中開展。該地區(qū)屬亞季風氣候區(qū),年平均氣溫23.5 ℃,年無霜期300 d,年日照時數(shù)1 680 h,年降水量1 949.5 mm,空氣濕度82%。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設計。試驗設3個水分處理,即干旱脅迫、干旱復水和正常澆水,每個處理4株。在統(tǒng)一等量澆水后進行干旱脅迫,以正常澆水(每2 d澆水一次)作為對照。干旱脅迫為不澆水自然干旱,干旱持續(xù)47 d后測定葉片含水量和抗氧化酶活性指標。干旱復水為不澆水,干旱持續(xù)45 d進行復水處理,澆透,直至盆底有水滲出,復水2 d后測定指標同干旱脅迫處理。

1.2.2葉片相對含水量測定和氣孔觀察。葉片相對含水量是早晨收獲的植株上部第2位和第3位功能葉中測定的。采集材料迅速稱葉片鮮重,然后將葉片放入裝有蒸餾水的標簽袋中浸泡12 h后取出,迅速用紙巾小心地吸干葉片,稱取獲得葉片飽和鮮重,放入紙袋中,然后置于烘箱50 ℃干燥葉片至恒重稱葉片干重。葉片相對含水量=(葉片鮮重-葉片干重)/(葉片飽和鮮重-葉片干重)×100%。

采集當年生成熟葉片,放入FAA固定液中固定,依次用70%、85%、90%、95%、100%乙醇各浸泡1 h脫水,100%乙醇浸泡過夜,CO2臨界點干燥儀干燥,離子濺射儀(108Auto Ted Pella,USA)鍍金。于卡爾·蔡司掃描電鏡(EVO18,German)500倍鏡下觀察并隨機選取5個視野照相。

1.2.3酶液制備和活性測定。干旱復水處理2 d后統(tǒng)一進行采樣,取葉位一致且完全成熟葉片迅速放入液氮速凍,置于-20 ℃冰箱保存。稱1 g葉片洗凈后放入預冷的研缽中,加9 mL pH 7.2～7.4(0.05 mol/L)的磷酸緩沖液,冰浴中充分研磨成勻漿,轉入離心管中在4 ℃下2 000 r/min離心20 min,所得上清液即粗酶液。使用ELISA試劑盒測定超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量。

1.2.4土壤含水量的測定。完成以上指標測定后,稱烘干前土壤重量,隨后放入鋁盒進行烘干至恒重稱烘干后土壤重量。土壤含水量=(烘干前土壤重量-烘干后土壤重量)/烘干后土壤重量×100%。

1.3 數(shù)據分析采用Excel 2007統(tǒng)計和計算試驗數(shù)據,SPSS 25.0進行方差分析(ANOVA),采用Duncan法在0.05水平進行多重比較,OriginPro 2021進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 干旱及干旱復水處理對土壤含水量和葉片相對含水量的影響由圖1～2可知,對照處理下的土壤含水量約為35.5%,干旱處理下的土壤含水量降低至10.5%,達到極端干旱水平;干旱脅迫下的地楓皮葉片相對含水量(63.4%)顯著低于對照(93.0%)。說明干旱造成了地楓皮植物體內水分虧缺嚴重,對土壤水分的消耗量增加,導致土壤含水量的降低。復水后,2個參數(shù)均顯著增加(P<0.05),達到對照水平。此外,極端干旱條件下(土壤含水量10.5%)葉片氣孔關閉,表明地楓皮具有較強的水分控制和適應能力(圖3)。

注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P <0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P <0.05).圖1 干旱復水對土壤含水量的影響Fig.1 Effect of drought rehydration on soil moisture content

注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P <0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P <0.05).圖2 干旱復水對地楓皮葉片相對含水量的影響Fig.2 Effects of drought rehydration on leaf relative water content of Illicium difengpi

圖3 干旱脅迫對地楓皮氣孔的影響Fig.3 Effects of drought stress on stomata of Illicium difengpi

2.2 干旱及干旱復水處理對地楓皮MDA含量和抗氧化酶活性的影響MDA是脂質過氧化的產物,膜脂質過氧化的程度可以通過MDA水平反映。由圖4可知,對地楓皮進行干旱脅迫后,MDA含量較對照上升了14.5%,但未達到顯著差異(P>0.05);復水后,地楓皮葉片MDA含量迅速恢復至對照水平。

圖4 干旱復水對地楓皮葉片MDA含量和抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effect of drought rehydration on MDA content and antioxidant enzymes activities in leaves of Illicium difengpi

植物體內的抗氧化酶SOD、CAT、POD通過協(xié)同作用,清除逆境所產生的活性氧。SOD催化植物體超氧陰離子(O2-)為毒性較小的過氧化氫(H2O2)和O2,進一步通過CAT、POD等其他抗氧化酶清除H2O2。CAT也是植物體內重要的抗氧化酶類之一,它能清除細胞內過多的H2O2,與SOD協(xié)同作用清除羥基自由基(·OH)。POD既可將H2O2轉化成H2O表現(xiàn)為保護效應,還可參與活性氧的形成表現(xiàn)為傷害效應。干旱處理下,地楓皮的SOD、CAT活性降低,較對照分別降低了4.8%、6.5%(P>0.05),而POD活性顯著降低(P<0.05)。復水后,地楓皮CAT活性迅速恢復至對照水平,SOD活性較對照降低了15.2%(P>0.05),POD活性并未恢復,表明POD清除氧的能力出現(xiàn)紊亂。

3 討論

葉片相對含水量代表植物的實際生長發(fā)育狀態(tài),反映植物的保水能力[10]。干旱處理的地楓皮葉片含水量下降,相對含水量維持在63.4%,表明干旱處理導致地楓皮細胞失水。干旱脅迫下紅樹莓(RubusidaeusL.)和鉤藤[Uncariarhynchophylla(Miq.)Miq.ex Havil.]的相對含水量均顯著降低[11-12]。與其他同屬或同種植物如八角(IlliciumverumHook.F.)、莽草(IlliciumlanceolatumA.C.Smith)等相比,在中度或輕度水分脅迫處理下,地楓皮表現(xiàn)出較強的耐旱能力,主要通過調控葉片氣孔減少水分流失[7,13-14]。與前人研究不同的是,該研究在極端干旱處理(土壤含水量10.5%)下發(fā)現(xiàn)地楓皮仍表現(xiàn)出較強的水分控制和適應能力,葉片氣孔關閉的現(xiàn)象。值得注意的是,干旱復水后地楓皮的葉片相對含水量迅速恢復到對照水平,表明地楓皮干旱復水后植株表現(xiàn)出極強的恢復能力,可能是地楓皮耐極端干旱的原因之一。

MDA含量被認為是衡量植物脂質過氧化的一個指標[15]。干旱脅迫下,MDA含量的變化程度可以反映植物的抗旱性強弱[16]。干旱處理誘導地楓皮的MDA含量增加,表明干旱處理下的地楓皮葉片細胞內活性氧的產生超過了抗氧化系統(tǒng)的解毒能力,導致膜脂過氧化,從而產生了MDA,對地楓皮造成了脅迫傷害。崔鵬等[17]研究干旱脅迫下裸果木(GymnocarposprzewalskiiBunge ex Maxim.)MDA含量的變化,也得出相似的結論。但復水后,MDA含量又迅速恢復到對照水平,一定程度上反映了地楓皮較強的抗旱能力。

植物受到干旱脅迫,體內活性氧產物(如O2-和H2O2)的增加會引起抗氧化酶活性的變化。抗氧化酶可以通過解毒過量的活性氧來維持活性氧形成和消除的平衡[9,18]。在酶系統(tǒng)中,SOD轉化O2-為H2O2[19],CAT和POD在不同的細胞位置將H2O2分解為H2O[20]。干旱脅迫后,蟛蜞菊[Wedeliachinensis(Osbeck.)Merr.]的SOD、CAT和POD活性均增加[21],黨參[Codonopsisradix(Franch.)Nannf.]的SOD活性無明顯變化[22];而極端干旱下,火龍果[Hylocereuspolyrhizus(F.A.C.Weber)Britton &Rose]的SOD、POD活性顯著降低,CAT活性顯著增加[23]。因此,植物抗氧化物酶對干旱響應的差異可能與活性氧產生的強度、脅迫的嚴重程度和植物種類有關[24-26]。干旱脅迫下,地楓皮的CAT、POD、SOD活性下降,表明在干旱脅迫前期,地楓皮的抗氧化系統(tǒng)先啟動,但隨著干旱程度加深,膜脂過氧化逐漸加重,活性氧的形成和清除系統(tǒng)的平衡被打破,抗氧化酶防御系統(tǒng)逐漸失去作用,MDA含量開始上升,植株受到一定損害[27]。這與田曉明等[28]對黃山紫荊(CercischingiiChun.)、易家寧等[29]對紫蘇[Perillafrutescens(L.)Britt]的研究結果一致。而韓愈[30]研究發(fā)現(xiàn),10%～20%土壤含水量地楓皮幼苗的SOD、POD活性顯著升高,這可能與試驗材料和干旱脅迫處理時長不同有關。復水后,除POD外,其余參數(shù)指標均恢復到對照水平或稍低于對照,說明旱后復水對地楓皮抗氧化系統(tǒng)具有一定補償作用。而POD活性未恢復,可能是干旱脅迫嚴重影響了細胞內POD的合成,復水未能緩解所受到的損傷,這提醒在日常的栽培管理中注意澆水,長時間的干旱會對地楓皮幼苗造成一定損害。

4 結論

綜上所述,喀斯特極度耐旱植物地楓皮葉片中過氧化物酶系統(tǒng)對干旱處理和干旱后復水處理均表現(xiàn)出一定程度的響應特征,可能參與其適應喀斯特極端干旱環(huán)境。該研究初步分析了喀斯特特色藥用植物地楓皮對干旱耐性的潛在響應機制,研究結果有望為理解植物耐極端干旱的機制提供新的見解。需要說明的是,該研究僅對1年生地楓皮在干旱和干旱后復水抗氧化系統(tǒng)的水分響應特征進行初步探討,而地楓皮全生育期的抗旱機理有待進一步研究。