李 碩, 李美玄, 劉英卉, 張友民

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與草學(xué)學(xué)院,吉林長春 130000)

干旱脅迫、低溫脅迫、高溫脅迫、鹽堿脅迫、重金屬脅迫等是嚴(yán)重影響植物生長的非生物脅迫,而在全球范圍內(nèi),干旱脅迫的地理分布最廣泛,同時也是危害植物生長最嚴(yán)重、限制農(nóng)作物產(chǎn)量最主要的環(huán)境因子[1]。目前,全球干旱越來越嚴(yán)重,2022年第27屆聯(lián)合國氣候變化大會上,正式成立了“全球抗擊干旱聯(lián)盟”以應(yīng)對全球旱災(zāi),2022年我國的平均降水量較常年同期減少了12.3%,雨量為近40年來最少[2]?？梢?干旱已經(jīng)成為影響作物產(chǎn)量、植物生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的全球性問題。

植物處在干旱脅迫時,根系活力會下降,其對土壤營養(yǎng)物質(zhì)的吸收會受阻,且植物體內(nèi)更多的營養(yǎng)物質(zhì)會向根系傳導(dǎo),從而影響植株的生長發(fā)育[3]。干旱脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)尤其是葉片水勢下降,影響水分代謝,進(jìn)而使植物的生理特性和光合作用效率下降。研究表明,干旱脅迫會影響植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化,積累大量的活性氧,破壞細(xì)胞的氧化應(yīng)激水平,使細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶和一些代謝酶活性降低,同時還會對葉片內(nèi)葉綠素含量產(chǎn)生一定的影響,而嚴(yán)重的干旱脅迫會導(dǎo)致植株萎蔫、枯萎甚至死亡[4-5]。當(dāng)植物經(jīng)過一段時間的干旱脅迫后,對其進(jìn)行復(fù)水處理,研究認(rèn)為大多數(shù)的植物會利用自身的代謝調(diào)節(jié)作用進(jìn)行自我恢復(fù)[6]。因此,研究干旱脅迫和旱后復(fù)水處理對植物的生理代謝和光合作用的影響,可以解析植物對逆境脅迫的響應(yīng)機制,一方面可以揭示植物對干旱脅迫的應(yīng)答機理,另一方面對植物的高效栽培和技術(shù)推廣有著重要作用。

文冠果(Xanthocerassorbifolium)是我國重要的生態(tài)經(jīng)濟樹種和園林觀賞樹種,同時也是特有的木本油料樹種,主要分布于我國較干旱、寒冷的北方地區(qū)[7]。其中吉林省西南部文冠果的種植面積排在全國前列,是最適合文冠果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要地區(qū)之一。目前,吉林省受全球氣候影響,年均降水量逐漸減少,水分蒸發(fā)量逐漸增大,同時隨著部分地區(qū)人口集中性增長,出現(xiàn)了不合理的資源開發(fā)利用現(xiàn)象,導(dǎo)致吉林省沙漠化土地面積逐漸增加,平均每年干旱期也越來越長,這對文冠果苗木的高效種植產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[8]。此外,由于吉林地區(qū)獨特的降雨格局,常常又會出現(xiàn)干旱與強降雨交替現(xiàn)象,使文冠果苗木在受到干旱脅迫的同時還會受到旱后復(fù)水的影響。因此,研究干旱脅迫和復(fù)水處理對文冠果苗木生長的影響,對深入了解文冠果苗木如何應(yīng)對干旱-復(fù)水脅迫具有重要意義。

因此,本研究通過對一年生文冠果實生苗進(jìn)行干旱脅迫和復(fù)水處理,模擬其從正常水分到干旱再經(jīng)過復(fù)水的生長過程,從根系活力、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、氧化應(yīng)激作用、葉綠素含量、光合作用等方面探究其體內(nèi)生理特性變化,以期為文冠果實生苗的干旱-復(fù)水抗逆性評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

文冠果種子來源于吉林省白城市洮南市,2021年4月6日在吉林省文冠果科技有限公司進(jìn)行育苗培養(yǎng),2022年5月9日,選取株高、長勢一致的一年生實生苗,全部移栽到育苗盆中,育苗盆規(guī)格為口徑23 cm、高度22 cm、底徑18 cm,裝土5 L,栽培土壤為泥炭土,有機質(zhì)含量為33.58 g/kg、有效鉀含量為86.78 mg/kg、速效鉀含量為115.73 mg/kg、全氮含量為1.23 g/kg、堿解氮含量為68.72 mg/kg、有效磷含量為9.03 mg/kg、速效磷含量為26.52 mg/kg,pH值為6.48,土壤含水量32%,每盆1株。試驗地為吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施生產(chǎn)基地溫室大棚(120.4°E,43.8°N)。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽苗常規(guī)管理1個月,期間土壤含水量在60%～75%,文冠果苗木成功定植后,進(jìn)行干旱脅迫試驗。利用TRASE土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)每天測量盆栽土壤含水量。設(shè)置干旱脅迫等級,含水量大于60%為正常對照組,含水量在50%～60%為輕度干旱,含水量40%～<50%為中度干旱,含水量在30%～<40%為重度干旱[9]。通過對土壤含水量測定預(yù)試驗,對同一盆栽土壤連續(xù)監(jiān)測含水量,確定盆栽土在第1天16:00時灌水,當(dāng)有水從底部漏出時測得土壤平均含水量為66%,盆栽苗維持不澆水管理,在第5天同一時間測得土壤平均含水量為55%(輕度干旱),在第7天同一時間測得土壤平均含水量為46%(中度干旱),在第10天同一時間測得土壤平均含水量為37%(重度干旱)。在第10天16:00測完土壤含水量后及時復(fù)水處理,復(fù)水處理后測得土壤平均含水量為64%,之后每天定時補充水分,使土壤含水量不低于60%,連續(xù)復(fù)水處理10 d。

因此,本試驗設(shè)置正常對照組(CK)和連續(xù)干旱-復(fù)水處理組,每組10盆為1個處理,3個重復(fù)。其中CK一直維持土壤含水量不低于60%。干旱-復(fù)水處理組分為2個階段,第1階段為干旱脅迫階段,設(shè)置輕度干旱組(D5)、中度干旱組(D7)、重度干旱組(D10);第2階段為復(fù)水處理階段,設(shè)置復(fù)水處理3 d組(R3)、復(fù)水處理5 d組(R5)、復(fù)水處理10 d組(R10)。同時在整個試驗過程中,確保CK組土壤含水量一直維持在65%～71%。

干旱-復(fù)水處理組樣品采集節(jié)點:在干旱脅迫前1天16:00時,記為0;干旱脅迫的第5天16:00輕度干旱時,記為D5;干旱脅迫的第7天16:00中度干旱時,記為D7;干旱脅迫的第10天16:00重度干旱時,記為D10;D10的16:00樣品采集后開始復(fù)水處理,復(fù)水處理后第3天16:00時采樣,記為R3;復(fù)水處理后第5天16:00時采樣,記為R5;復(fù)水處理后第10天16:00時采樣,記為R10。CK組一直維持正常水分管理,樣品采集節(jié)點同干旱-復(fù)水處理組。

在每個樣品采集節(jié)點上測定土壤平均含水量,測得0的含水量為67%,D5含水量為53%,D7含水量為48%,D10含水量為35%,R3含水量為67%,R5含水量為64%,R10含水量為65%,每個節(jié)點上的土壤含水量符合試驗設(shè)計。

1.3 試驗方法

1.3.1 根系活力測定 分別在正常水分0時,干旱脅迫的D5、D7、D10時和復(fù)水后R3、R5、R10時采集根系,同時在每個時期均采集CK組幼苗根系。將根系清洗干凈后用濾紙控干,稱取1 g根系,參照 2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC法)[10]測定根系活力。

1.3.2 葉片滲透物質(zhì)含量測定 分別在干旱脅迫前0和干旱脅迫后的D5、D7、D10和復(fù)水后R3、R5、R10時采集文冠果幼苗的功能性葉片,功能性葉片位于頂部葉心往下5～6 cm處。采集完后的葉片放入干冰保鮮盒中,在實驗室用無菌水清洗干凈,并用濾紙吸干表面水分,液氮冷凍后放入-80 ℃冰箱保存,備用待測。葉片脯氨酸(proline,簡稱Pro)、可溶性糖(soluble sugar,簡稱SS)、可溶性蛋白(soluble protein,簡稱SP)含量參考張治安等的方法[10]測定。

1.3.3 葉片葉綠素含量測定 按照“1.3.2”節(jié)的方法采集功能性葉片,采用葉片打孔器取樣,稱取 2 g 葉片,加入無水乙醇研磨,參考丙酮提取法,采用分光光度計比色,測定645、663 nm處吸光度,分別計算葉片中葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量[11]。

1.3.4 葉片丙二醛含量和抗氧化酶活性測定 稱取0.1 g待測葉片,加入1 mL預(yù)冷的磷酸鹽緩沖液,在冰上研磨,低溫離心,取上清液待測,丙二醛(malondialdehyde,簡稱MDA)含量和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,簡稱SOD)、過氧化氫酶(catalase,簡稱CAT)、過氧化物酶(peroxidase,簡稱POD)活性測定均采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司植物葉片測定試劑盒。

1.3.5 葉片光合參數(shù)測定 采用美國Li-cor 6400XT便攜式光合作用測定系統(tǒng),分別在干旱脅迫前0和干旱脅迫后的D5、D7、D10以及復(fù)水后R3、R5、R10的10:00—12:00,選取光照方向一致的文冠果幼苗頂部葉片,設(shè)置光照強度1 200 μmol/(m2·s),分別測定凈光合速率[net photosynthetic rate,簡稱Pn,單位μmol/(m2·s)]、氣孔導(dǎo)度[stomatal conductance,簡稱Gs,單位mol/(m2·s)]、蒸騰速率[transpiration rate,簡稱Tr,單位mmol/(m2·s)]、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,簡稱Ci,單位μmol/mol)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

全部數(shù)據(jù)均至少測量3次,采用Excel 2020對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,SPSS 22對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析,采用Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱-復(fù)水處理對文冠果幼苗根系活力的影響

由圖1可知,整個試驗期間,正常處理組(CK)的文冠果幼苗根系活力一直穩(wěn)定在4.0～4.5 mg/(g·h),而干旱-復(fù)水處理組中,隨著干旱脅迫程度的增加,根系活力呈現(xiàn)下降趨勢,與同時間節(jié)點的CK組相比,D5、D7、D10時的根系活力分別下降了10.48%、50.69%、75.34%,D5時的根系活力與CK組差異不顯著,而D7和D10時的根系活力與CK組存在極顯著差異,可見,文冠果幼苗具一定的耐輕度干旱作用,而中度干旱和重度干旱則會嚴(yán)重抑制根系活力。復(fù)水處理后的R3、R5、R10時,根系活力隨著復(fù)水天數(shù)的增加逐漸升高,此時R3、R5、R10時的根系活力分別為1.13、1.86、2.89 mg/(g·h),與重度干旱時相比,分別提高了4.63%、72.22%、167.60%。R10時的根系活力與CK組相比,仍存在極顯著差異,未恢復(fù)到干旱脅迫前水平,可見,復(fù)水能逐漸緩解干旱對根系活力的抑制,起到一定的補償作用,但根系活力的恢復(fù)需要一定的時間。

2.2 干旱-復(fù)水處理對文冠果幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖2-A可知,CK組文冠果葉片內(nèi)Pro含量維持在20～30 μg/g,含量相對穩(wěn)定;在干旱-復(fù)水處理組中,隨著干旱脅迫程度的增加,葉片內(nèi)Pro含量顯著增加,與同時期CK組相比,D5、D7、D10分別增加了34.49%、142.28%、313.06%。復(fù)水處理后,R3、R5、R10時,Pro含量呈直線下降,在R10時,葉片內(nèi)Pro含量恢復(fù)到了脅迫前的水平,與CK組差異不顯著。

由圖2-B可知,文冠果葉片中SS含量的變化趨勢與Pro大致相同,土壤干旱程度越大,SS含量越高,與CK相比,D5、D7、D10分別增加了33.02%、74.79%、141.69%。復(fù)水處理后,R3、R5、R10時,Pro含量均下降,同樣在R10時,葉片內(nèi)Pro含量與CK組差異不顯著。

由圖2-C可知,葉片中SP含量的變化趨勢與Pro和SS存在一定的差異,土壤干旱程度從輕度到中度時,葉片中SP含量顯著增大,然而在重度脅迫時,葉片中SP含量顯著下降,出現(xiàn)這一原因可能是在干旱初期,葉片中氧化自由基逐漸增多,為清除自由基,細(xì)胞內(nèi)一些抗氧化酶和蛋白質(zhì)隨之增多,然而在脅迫程度繼續(xù)增大時,大量的自由基抑制了抗氧化酶和蛋白質(zhì)的活性,使之急劇下降,從而導(dǎo)致葉片內(nèi)SP含量顯著降低[12]。在復(fù)水處理后,R3時SP含量立即恢復(fù)到了脅迫前水平,在R5時,葉片內(nèi)SP含量出現(xiàn)了超補償性增加,顯著大于同期CK組,在R10時,又恢復(fù)正常。

2.3 干旱-復(fù)水處理對文冠果幼苗葉片MDA含量的影響

研究表明,干旱脅迫會使植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的氧自由基,尤其是葉片細(xì)胞內(nèi)氧自由基會大量堆積,進(jìn)而攻擊細(xì)胞膜產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物丙二醛(MDA),一定程度上破壞葉片的光合作用,從而抑制植物的生長[13]。由圖3可以看出,在試驗期間,CK組文冠果葉片內(nèi)MDA含量有小幅的上升,但變化不顯著,而干旱-復(fù)水處理組文冠果在干旱脅迫階段,MDA含量呈現(xiàn)陡坡勢增加,與同期CK組相比,D5、D7、D10分別顯著或極顯著增加了59.89%、123.01%、198.06%。經(jīng)過復(fù)水處理后,從R3到R10,MDA含量顯著降低,與D10相比,R3降低了11.51%,R5降低了33.83%,R10降低了39.90%,此外,復(fù)水處理階段,R3、R5、R10與同期CK相比,仍存在顯著或極顯著差異。結(jié)果表明,干旱對文冠果的脅迫作用使葉片內(nèi)MDA含量顯著增加,通過復(fù)水處理可以降低MDA含量,然而需要一定恢復(fù)時間。

2.4 干旱-復(fù)水處理對文冠果幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

對干旱脅迫下體內(nèi)積累的氧自由基,植物有一套完整的抗氧化酶系統(tǒng),SOD、CAT、POD等組成了抗氧化酶系統(tǒng),在清除氧自由基過程中發(fā)揮著重要作用[14]。由圖4可以看出,CK組中文冠果葉片內(nèi)SOD、CAT、POD活性處在一個較穩(wěn)定的動態(tài)平衡中,而干旱-復(fù)水處理組中SOD、CAT、POD活性變化趨勢相似,在干旱脅迫階段,先升高后降低,在復(fù)水處理階段,同樣是先升高后降低。

在干旱脅迫階段,與同期CK相比,D5時,SOD、CAT、POD活性分別顯著或極顯著升高了18.04%、62.62%、22.59%,D7時,SOD、CAT、POD活性分別極顯著升高了43.23%、74.22%、44.54%,而在D10時,SOD、CAT、POD活性均呈現(xiàn)斷崖式下降,與D7時相比,分別降低了37.13%、31.99%、21.92%,這一結(jié)果與同期葉片內(nèi)SP含量下降趨勢相似,也進(jìn)一步驗證了SP含量下降的原因。

在復(fù)水處理階段,R3、R5、R10時,葉片內(nèi)SOD、CAT、POD活性均高于同期CK組,R3和R5時,SOD、CAT、POD活性均呈現(xiàn)升高趨勢,在R5時達(dá)到最大值,分別為177.63、612.47、21.85 U/mg,在R5到R10時,又呈下降趨勢,此時的SOD、POD均略高于CK組,但差異不顯著,而CAT則與CK組存在極顯著差異。出現(xiàn)這一結(jié)果原因可能是重度干旱期葉片內(nèi)氧自由基和MDA大量積累,使抗氧化酶活性顯著降低,在復(fù)水恢復(fù)階段,干旱脅迫逐漸解除,抗氧化酶活性逐漸增強以清除大量積累的氧自由基和MDA,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)積累的代謝產(chǎn)物被逐漸分解后,細(xì)胞的氧化應(yīng)激作用得到恢復(fù),從而使體內(nèi)抗氧化酶活性下降,慢慢恢復(fù)到正常水平[15]。上述結(jié)果表明,干旱脅迫初期顯著提高了抗氧化酶活性,在重度脅迫時,抗氧化酶活性顯著降低,這一結(jié)果在一定程度上反映了文冠果幼苗難以抵抗重度干旱,而復(fù)水處理可以緩解干旱的脅迫,通過提高抗氧化酶活性,使細(xì)胞內(nèi)氧化和抗氧化逐漸恢復(fù)到動態(tài)平衡,從而改善干旱對葉片細(xì)胞造成的氧化應(yīng)激損傷。

2.5 干旱-復(fù)水處理對文冠果幼苗葉片葉綠素含量的影響

植物的生長發(fā)育離不開光合作用,而葉綠素是光合作用的機器,可以將光能轉(zhuǎn)化為碳水化合物,為植物生長提高能量,在受到環(huán)境脅迫時,植物可以動態(tài)地調(diào)節(jié)葉綠素含量和比例,協(xié)調(diào)控制光合作用強弱[16]。因此,植物體內(nèi)葉綠素含量變化在一定程度上可以反映環(huán)境的脅迫作用。由圖5可以看出,葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量變化趨勢大致相同,隨著土壤干旱程度增加,其含量均先升高后降低,在輕度干旱時達(dá)到最高,分別為1.55、0.38、1.93 mg/g,與CK組相比,均存在顯著差異,在重度干旱時,含量均最低,分別為1.32、0.26、1.58 mg/g,同樣與CK組相比,均存在顯著差異。在復(fù)水處理后,R3到R10之間,葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量均先增加后降低,在R5時,其含量均出現(xiàn)了超補償效應(yīng),與CK組相比,分別增加了6.18%、12.9%、7.26%,在R10時,其含量又恢復(fù)到了CK組水平?？梢?文冠果在干旱-復(fù)水處理期間,葉片內(nèi)葉綠素含量一直在進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,經(jīng)過干旱脅迫后,復(fù)水處理可以促進(jìn)幼苗葉片內(nèi)葉綠素的合成,從而維持正常的光合作用。

2.6 干旱-復(fù)水處理對文冠果幼苗葉片光合參數(shù)的影響

由圖6-A可知,CK組的Pn在試驗期間波動較小,而干旱-復(fù)水處理組中,干旱和復(fù)水處理均對文冠果葉片Pn產(chǎn)生了較大影響。在干旱脅迫階段,隨著干旱脅迫程度的增加,Pn呈顯著下降趨勢,D5、D7、D10分別較同期CK組下降了20.65%、54.35%、67.49%。可見,干旱對文冠果葉片的光合作用具有顯著負(fù)影響。在復(fù)水處理階段,從D10開始復(fù)水到R10期間,Pn顯著增加,與D10相比,R3、R5、R10的Pn分別增加了1.05、1.64、2.24倍,在R10時,干旱-復(fù)水處理組Pn甚至高于CK組,但差異不顯著。可見,復(fù)水處理能充分緩解干旱對文冠果造成的脅迫作用,在經(jīng)過10 d的復(fù)水處理后,Pn出現(xiàn)了超補償現(xiàn)象。

由圖6-B可知,文冠果葉片的Gs變化趨勢與Pn相似,干旱和復(fù)水處理均對Gs造成了顯著影響。在干旱脅迫階段,土壤干旱程度越大,葉片Gs越小,這意味著葉片可通過關(guān)閉氣孔降低光合作用來響應(yīng)干旱脅迫作用。與同期CK組相比,D5、D7、D10的Gs分別下降了27.08%、58.82%、77.77%,與Pn相比,干旱脅迫下Gs的下降速度較快,說明在干旱脅迫過程中,葉片氣孔的關(guān)閉速度大于光合作用的下降速度。在復(fù)水處理階段,復(fù)水處理顯著或極顯著提高了葉片的Gs,隨著復(fù)水時間的增加,Gs逐漸升高,在R10時,干旱-復(fù)水處理組的Gs高于同期的CK組,可見,復(fù)水處理下文冠果葉片Gs同樣出現(xiàn)了超補償效應(yīng)。

由圖6-C和圖6-D可知,干旱處理下,葉片的Tr和Ci均顯著或極顯著降低,同樣隨著干旱脅迫程度的加深,Tr和Ci下降程度越大。在D5、D7、D10時,與同期CK相比,Tr和Ci分別下降了17.61%、58.28%、80.43%和17.17%、37.64%、63.31%。復(fù)水處理下,D10到R5時,葉片Tr和Ci呈現(xiàn)陡坡勢上升,在R5到R10時,葉片Tr和Ci上升幅度較小,與D10相比,R3、R5、R10時Tr和Ci分別提高了2.09、4.15、4.34倍和0.62、1.61、1.85倍,在R5、R10時,Tr和Ci與同期CK差異不顯著?？梢?復(fù)水處理5 d后,能使干旱脅迫下的Tr和Ci恢復(fù)到CK組水平。

2.7 干旱-復(fù)水處理下文冠果幼苗生理特性和光合參數(shù)的相關(guān)性分析

由圖7可知,4個樣本A、B、C、D分別在4個不同的象限內(nèi),組間樣本比較分散,而各組內(nèi)樣本之間距離很短,且所有樣本均在95%置信橢圓內(nèi),說明組間樣本可以通過變量區(qū)分開,組內(nèi)樣本間的重復(fù)性比較好,均具有統(tǒng)計學(xué)意義。從坐標(biāo)軸上可知,PC1的變異系數(shù)為70.4%,PC2的變異系數(shù)為23.8%,總共可以解釋94.2%以上的方差,說明主成分圖里顯示的文冠果生理特性指標(biāo)和光合參數(shù)指標(biāo)能夠比較好地對干旱-復(fù)水處理作出響應(yīng)。

從表1可以看出,SS含量與葉綠素含量、光合參數(shù)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān),SP與葉綠素含量呈現(xiàn)一定的正相關(guān),但相關(guān)系數(shù)均低于0.5,而與光合參數(shù)相關(guān)系數(shù)均低于0.25,顯示出較差的相關(guān)性;Pro、MDA含量均與葉綠素含量、光合參數(shù)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān),SOD、CAT活性與葉綠素含量呈正相關(guān)而與光合參數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),但相關(guān)性均不顯著。結(jié)果表明,葉綠素含量、光合參數(shù)、SS含量、Pro含量、MDA含量對干旱-復(fù)水處理下文冠果的響應(yīng)較大,干旱-復(fù)水處理下葉綠素含量、光合參數(shù)和SS、SP、MDA含量是耦聯(lián)在一起的。

3 討論

3.1 滲透調(diào)節(jié)作用對文冠果幼苗干旱-復(fù)水處理的響應(yīng)

滲透調(diào)節(jié)作用是植物應(yīng)對逆境脅迫維持正常生長的主要響應(yīng)機制之一,植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)有2種,一種是由Pro、SS和SP組成的有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),其主要通過調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)的滲透勢來緩解外界環(huán)境的脅迫作用;另一種是由大量無機離子組成的無機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),其主要通過調(diào)控?zé)o機離子濃度維持細(xì)胞的膨壓,從而提高植物的抗逆性[17]。研究表明,植物葉片中的滲透調(diào)節(jié)作用主要依靠有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),而植物根系中的滲透調(diào)節(jié)作用主要依靠無機離子[18]。干旱對植物造成的滲透脅迫,會使葉片中Pro、SS大量積累,從而提高細(xì)胞內(nèi)的滲透勢,保護(hù)細(xì)胞內(nèi)正常的活性代謝[19]。Wang等在研究干旱對番茄的脅迫作用時,發(fā)現(xiàn)干旱脅迫提高了葉片中Pro、SS含量,干旱程度越大,滲透物質(zhì)的積累越高[20];Shen等在研究干旱對越南紅山茶的作用機制時同樣發(fā)現(xiàn),干旱下葉片內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量明顯升高[21]。本研究的結(jié)果同樣顯示,干旱脅迫程度越大,文冠果葉片內(nèi)Pro、SS含量越高,這與上述學(xué)者研究干旱對植物葉片滲透的作用相似。另外,本研究中文冠果葉片中SP含量隨著土壤脅迫程度的升高而出現(xiàn)先升高后降低的趨勢,這主要是由于在重度干旱脅迫下,葉片內(nèi)積累的大量活性氧抑制了細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶和一些活性蛋白活性,從而導(dǎo)致SP含量下降,這一結(jié)果與Song等[22]、馬亞珺等[23]研究大豆、紫花苜蓿對干旱脅迫的響應(yīng)機制結(jié)果相同。結(jié)果表明,文冠果幼苗在受到干旱脅迫時,可通過調(diào)節(jié)葉片內(nèi)Pro、SS和SP的含量來響應(yīng)干旱的脅迫作用。

當(dāng)植物所處的逆境脅迫解除后,其獨特的自我調(diào)節(jié)能力和相應(yīng)的作用機制會發(fā)揮作用。研究表明,植物在干旱脅迫后進(jìn)行復(fù)水處理,一定程度上可以緩解幼苗的生長發(fā)育能力[24]。徐珍珍等研究顯示,紫花苜蓿在干旱脅迫后通過復(fù)水處理,其體內(nèi)Pro、SS、SP可以恢復(fù)到正常水平[25];胡艷等研究表明,在干旱脅迫后進(jìn)行復(fù)水處理,黑果腺肋花楸可通過自身調(diào)節(jié)作用來調(diào)控葉片內(nèi)滲透物質(zhì)含量,使其適應(yīng)土壤的干旱脅迫[26]。本研究結(jié)果與這些研究結(jié)果相似,在本研究中,文冠果在干旱復(fù)水處理后,葉片內(nèi)的Pro、SS和SP含量均逐漸恢復(fù)到正常對照組水平,結(jié)果表明,文冠果幼苗在受到一定程度的干旱脅迫后可通過復(fù)水處理進(jìn)行緩解,可見,文冠果具有一定的干旱適應(yīng)能力。

3.2 氧化應(yīng)激作用對文冠果幼苗干旱-復(fù)水處理的響應(yīng)

植物在干旱脅迫下,細(xì)胞內(nèi)會積累大量的氧自由基,產(chǎn)生氧化脅迫,使細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平急劇升高,另外,氧自由基還會誘發(fā)膜脂過氧化產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物丙二醛(MDA),導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損傷,從而導(dǎo)致植物的生長發(fā)育受到抑制。本研究中,文冠果幼苗在受到不同程度的干旱脅迫時,葉片內(nèi)MDA含量隨著干旱程度加深而逐漸升高,抗氧化酶活性則出現(xiàn)先升高后降低趨勢,這主要是因為在輕度干旱和中度干旱時,文冠果葉片內(nèi)積累的活性氧,使細(xì)胞內(nèi)氧化和抗氧化平衡被打破,氧化應(yīng)激水平升高,MDA含量隨之升高,為防止細(xì)胞受到氧化損傷,體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)會被激活,從而提高抗氧化酶(SOD、CAT、POD)活性來清除過多的活性氧,而當(dāng)文冠果在重度干旱脅迫時,大量積累的活性氧導(dǎo)致細(xì)胞受到嚴(yán)重的氧化損傷,抗氧化酶活性反而被抑制。邢鈺坤等研究顯示,干旱脅迫下內(nèi)蒙古文冠果幼苗葉片內(nèi)抗氧化酶活性會急劇上升[27];權(quán)伍榮研究同樣顯示,文冠果幼苗的抗氧化酶活性隨干旱程度的加深,抗氧化酶活性會逐漸降低[28]。本研究結(jié)果與上述學(xué)者的研究結(jié)果相似。

研究表明,植物經(jīng)過干旱脅迫后,采用復(fù)水處理,在短期內(nèi)可以提高抗氧化酶活性,清除過多的活性氧,降低細(xì)胞的氧化應(yīng)激水平,表現(xiàn)一定的緩解干旱脅迫的自我修復(fù)能力[29]。本研究結(jié)果顯示,文冠果在重度干旱后經(jīng)復(fù)水處理,葉片內(nèi)抗氧化酶活性急劇升高,隨著復(fù)水時間的延長,抗氧化酶活性又恢復(fù)到正常對照組水平。Mu等發(fā)現(xiàn),干旱脅迫初期激活了冬小麥的抗氧化酶活性,在脅迫后期抗氧化活性呈下降趨勢,在復(fù)水處理后,抗氧化酶活性先升高后降低[30];謝志玉等以二年生文冠果苗為試驗材料研究干旱和復(fù)水處理,結(jié)果顯示,隨著干旱脅迫程度提高,CAT活性先升高后降低,復(fù)水處理后,CAT活性顯著升高,后逐漸降低[31]。本研究結(jié)果均與這些研究結(jié)果一致。

3.3 光合作用對文冠果幼苗干旱-復(fù)水處理的響應(yīng)

在干旱脅迫下,保持較高的光合作用對維持植物的生長發(fā)育和作物產(chǎn)量具有重要意義。在逆境脅迫下,光合系統(tǒng)活性會被抑制,主要體現(xiàn)在水分利用率下降、光合速率下降、葉片氣孔導(dǎo)度關(guān)閉,蒸騰作用減弱,胞間CO2濃度降低等。研究表明,干旱脅迫會顯著降低植物的光合性能,且脅迫作用越強,光合性能下降趨勢越明顯,然而在復(fù)水后光合性能會產(chǎn)生過補償或補償效應(yīng)[32]。植物在輕度的干旱脅迫下,光合作用下降主要是葉片氣孔關(guān)閉所致,而在重度干旱時,則是由非氣孔因素引起。為了適應(yīng)干旱脅迫環(huán)境,植物通過降低蒸騰作用、關(guān)閉氣孔等來降低光合作用,對體內(nèi)的能量進(jìn)行重新分配。本研究結(jié)果顯示,隨著干旱脅迫程度增加,文冠果葉片的Pn、Gs均顯著降低,在輕度脅迫時,Gs的下降速度明顯快于Pn,此時氣孔因素是導(dǎo)致文冠果光合作用下降的主要因素,在重度脅迫時,觀察到Pn、Gs的下降速度較一致,這可能是由于體內(nèi)復(fù)雜的抗旱機制起著主要作用。Tr和Ci同樣隨著干旱程度的加大而逐漸降低,說明文冠果在受到干旱脅迫后可通過降低Tr和Ci來減少植物體內(nèi)水分的喪失,從而維持一定的光合作用,本研究結(jié)果與Hao等[33]、Wang等[34]對干旱復(fù)水下小?？Х群涂购档镜墓夂献饔媒Y(jié)果相似。在干旱后的復(fù)水處理階段,隨著復(fù)水時間的增加,文冠果Pn、Gs、Tr和Ci均逐漸恢復(fù)到同期對照組水平,可見,短期的重度干旱對文冠果的脅迫作用是可逆的。此外,文冠果在干旱脅迫下,葉綠素含量還會出現(xiàn)一定變化。本研究結(jié)果顯示,文冠果在干旱脅迫后,葉片內(nèi)葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量均發(fā)生了不同程度的變化,輕度干旱時,葉綠素含量出現(xiàn)小幅上升,在中度干旱和重度干旱時,葉綠素含量為下降趨勢,在復(fù)水處理后,葉綠素含量又呈現(xiàn)上升趨勢,在復(fù)水后10 d時,葉綠素含量維持在正常對照組水平。南思睿等研究表明,新疆大葉苜蓿在干旱7 d時,葉綠素含量隨著干旱脅迫程度升高而降低,在復(fù)水后3 d時,葉綠素含量與對照組差異不顯著[6],本研究結(jié)果與之類似?？梢?復(fù)水處理對干旱后文冠果葉綠素含量的恢復(fù)具有一定作用。

4 結(jié)論

隨著土壤干旱脅迫程度的增加,吉林文冠果幼苗的根系活力逐漸下降,葉片中Pro、SS、MDA含量逐漸升高,SP含量和SOD、CAT、POD活性以及葉綠素含量均先升高后降低,葉片光合參數(shù)Pn、Gs、Tr和Ci則逐漸下降,另外,通過相關(guān)性顯示,葉綠素含量、光合參數(shù)和SS、SP、MDA之間的耦聯(lián)較好。在復(fù)水后,根系活力逐漸上升,MDA含量逐漸下降,SOD、CAT、POD活性先升高后降低,但在復(fù)水10 d時,根系活力、MDA含量、CAT活性均未恢復(fù)到正常對照組水平,而葉片中Pro、SS、SP、葉綠素含量和SOD、POD活性以及光合參數(shù)均恢復(fù)到了同期對照組水平。結(jié)果表明,文冠果幼苗在復(fù)水處理后,其生理特性指標(biāo)均出現(xiàn)了補償或過補償現(xiàn)象,由此反映出吉林文冠果幼苗具有較強的干旱適應(yīng)性和復(fù)水后的自我調(diào)節(jié)能力。