李文楊，陳亞飛，何輝，鄭偉，孫耀清，尹娟

(信陽農(nóng)林學(xué)院林學(xué)院/信陽市林木遺傳育種重點實驗室，河南信陽 464000)

自然界中植物的生長往往會經(jīng)受多種逆境因子的共同影響。 植物在經(jīng)受住某種逆境后，可能會改變自身對其它逆境的敏感性或耐受性，這被稱為交叉適應(yīng)性(cross adaptation)[1]。 干旱脅迫處理后，孕穗期水稻(Oryza sativaL.)的抗高溫能力[2]提高；干旱可誘導(dǎo)茶樹(Camellia sinensis)對低溫脅迫的交叉適應(yīng)性[3]；熱激處理可提高水稻對干旱脅迫的抗性[4]；干旱脅迫下，高溫預(yù)處理提高玉米(Zea mays)的抗旱性[5]；前期熱激處理提高棉花(Gossypiumspp.)幼苗對后續(xù)漸進式土壤干旱的抗性并提高葉片的抗旱能力[6]。 可以看出，目前對植物交叉適應(yīng)性的研究主要集中在農(nóng)作物及部分常見經(jīng)濟林樹種[7]，對珍稀瀕危樹種的研究及報道較少。

南方紅豆杉(Taxus wallichianavar.mairei)為我國特有的一級重點保護瀕危植物，生長緩慢，分布疆域狹小[8]，但樹形優(yōu)美，是園林綠化、高級家具和抗癌藥物的原料樹種[9-12]。 因其優(yōu)良材性及較高觀賞價值和藥用利益的驅(qū)使，紅豆杉天然資源遭到嚴重破壞，導(dǎo)致需求短缺[13]，因此，亟須提高紅豆杉的栽培效率和擴大種植區(qū)域。 而人工鍛煉誘導(dǎo)紅豆杉產(chǎn)生交叉適應(yīng)性、提高抗逆性是一種兼顧經(jīng)濟效益、環(huán)保與節(jié)能的有效措施。 本試驗對南方紅豆杉高溫鍛煉后(以25 ℃培養(yǎng)為對照)再進行干旱脅迫處理，觀測其生長及生理生化指標的相應(yīng)變化，研究高溫鍛煉對南方紅豆杉抗旱性的影響，為珍稀瀕危樹種保護擴繁及干旱、半干旱地區(qū)高效種植南方紅豆杉提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021 年7 月在信陽農(nóng)林學(xué)院林學(xué)院所屬信陽市林木遺傳育種重點實驗室開展，選擇生長健康且修剪株型大小一致的五年生南方紅豆杉為材料。

1.2 試驗設(shè)計

高溫鍛煉:將供試南方紅豆杉分別放置在40、45、50 ℃的人工氣候箱中8 h 后轉(zhuǎn)至25 ℃恢復(fù)64 h，此為一輪，連續(xù)重復(fù)3 次完成高溫鍛煉。以25 ℃培養(yǎng)的南方紅豆杉為對照組(CK)。 各處理培養(yǎng)期間光周期和光照強度保持一致，均為光照12 h/黑暗12 h 和光照強度3 350 lx。 每個處理6 盆，每盆1 株，每個處理重復(fù)3 次。

對完成高溫鍛煉的南方紅豆杉進行熱害指數(shù)評定，同時和CK 一起開始停止供水。 當CK 和處理組土壤含水量達到田間最大持水量的30%±5%時記為干旱脅迫第1 天并開始取樣，直到處理組紅豆杉葉片出現(xiàn)明顯萎焉時結(jié)束葉片取樣，期間共采樣7 次，分別在干旱脅迫第1、3、5、7、9、14、21 天。 采集的樣品液氮速凍后放入-80℃低溫冰箱中冷藏，用于后期生理生化指標測定；第21 天全株采樣，測定南方紅豆杉葉片含水量、葉片相對含水量、生物量和根冠比。

1.3 南方紅豆杉熱害指數(shù)的評定

參考李小玲[14]和尹賢貴[15]等的方法制定南方紅豆杉熱害指數(shù)的評定方法。 分級標準:0 級，無熱害癥狀；Ⅰ級，嫩葉葉尖卷曲、發(fā)黃；Ⅱ級，新梢發(fā)黃、焦枯；Ⅲ級，半數(shù)以上葉片死亡；Ⅳ級，整株干枯甚至死亡。 熱害指數(shù)(%)＝Σ(各級株數(shù)×級數(shù))/(最高級數(shù)×總株數(shù))×100。

1.4 指標測定及方法

葉片含水量和相對含水量采用烘干法測定[16]，根冠比參考吳地等[17]的方法測定，生物量參考趙楚等[18]的方法測定。 光合色素采用分光光度比色法測定[19]。 丙二醛含量參考王曉雯[20]的方法測定；過氧化物酶(POD)活性使用北京索萊寶POD 活性檢測試劑盒測定；過氧化氫酶(CAT)活性使用南京建成生物工程研究所CAT可見光試劑盒測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2019 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與作圖，SPSS 19.0 軟件進行差異顯著性分析(Duncan’s，P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫鍛煉后南方紅豆杉的形態(tài)變化及熱害指數(shù)的評定

40 ℃處理后5/9 的南方紅豆杉植株出現(xiàn)嫩葉葉尖卷曲發(fā)黃；45 ℃處理后4/9 的植株新梢整體發(fā)黃焦枯，3/9 的植株嫩葉葉尖卷曲發(fā)黃，2/9的植株嫩葉尖發(fā)黃；50 ℃處理后7/9 的植株葉片焦枯，僅2/9 的植株少量葉片存活。 綜合上述表現(xiàn)來評定各組南方紅豆杉在不同溫度下的熱害指數(shù)，結(jié)果顯示，受熱害程度最大的是50 ℃處理過的南方紅豆杉，熱害指數(shù)為94.44%。 各處理熱害指數(shù)大小排序為50 ℃處理(94.44%)＞45 ℃處理(36.11%)＞40 ℃處理(13.89%)。 可見隨著處理溫度的升高，南方紅豆杉熱害程度不斷加深。

2.2 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片水分狀況和生物量的影響

由表1 可知，干旱脅迫后南方紅豆杉的葉片含水量和相對含水量均受到前期鍛煉溫度的影響，表現(xiàn)為鍛煉溫度越高其含水量越低。 其中，25 ℃時，南方紅豆杉的葉片含水量和相對含水量分別為75.64%和89.99%；40 ℃時，其葉片含水量和相對含水量與對照(CK)相比分別降了2.73 個和1.21個百分點，但差異均不顯著；45 ℃時，其葉片含水量和相對含水量顯著下降，分別降至59.81%和66.94%；50 ℃時，葉片含水量很低，僅為7.51%。干旱脅迫處理后，各組的根冠比出現(xiàn)差異，即隨著鍛煉溫度的升高，根冠比逐漸增大:40 ℃處理南方紅豆杉的根冠比與CK 差異不顯著，50 ℃處理的根冠比與CK、40 ℃處理相比差異顯著，根冠比值比兩者分別高出63.64%和60.00%。

表1 干旱脅迫后第21 天南方紅豆杉的葉片含水量和生物量

干旱脅迫第21 天時，40 ℃處理南方紅豆杉的葉生物量最高，比CK 高8.74%，45 ℃處理葉生物量比CK 低21.61%；50 ℃處理比40 ℃處理葉生物量顯著降低41.96%(P＜0.05)。 50 ℃處理莖和根生物量最高，但40、45、50 ℃處理南方紅豆杉的莖生物量、根生物量與CK 相比無顯著變化，只有葉生物量存在差異，因此南方紅豆杉植株生物量的積累受到抑制，3 個處理比CK 分別降低4.64%、6.59%和3.60%。

2.3 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片光合色素含量的影響

2.3.1 對葉綠素a 含量的影響 由圖1 可見，隨著干旱脅迫時間延長，對照(CK)南方紅豆杉葉片的葉綠素a 含量大致呈先增高后降低趨勢。 干旱脅迫第1、3、14、21 天，40 ℃與45 ℃處理葉片葉綠素a 含量均高于CK；第21 天，40 ℃處理葉片葉綠素a 含量比CK 高41.11%，45 ℃處理比CK高45.49%。 第3 天始，50 ℃處理葉片葉綠素a 含量各個采樣期均較低，與CK 和40、45 ℃處理相比均顯著減少。

圖1 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片葉綠素a 含量的影響

2.3.2 對葉綠素b 含量的影響 從圖2 可以看出，干旱脅迫第21 天與第1 天相比，對照(CK)和50 ℃處理南方紅豆杉葉片葉綠素b 含量明顯下降，分別降低66.69%和62.12%。 脅迫第1 天時，CK 和50 ℃處理葉綠素b 含量最高，均與40 ℃處理差異顯著。 干旱脅迫第14 天、第21 天，40 ℃和45 ℃處理葉片葉綠素b 含量均高于CK，且第21 天時比CK 分別高66.11%和123.39%(P＜0.05)。

圖2 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片葉綠素b 含量的影響

2.3.3 對類胡蘿卜素含量的影響 隨著干旱脅迫時間延長，對照(CK)和50 ℃處理南方紅豆杉葉片的類胡蘿卜素含量出現(xiàn)先降低后升高再下降的變化趨勢(圖3)。 干旱脅迫第1 天，CK 類胡蘿卜素含量顯著高于各高溫處理組，分別高26.06%、24.94%和20.23%。 第21 天時，40 ℃和45 ℃處理的類胡蘿卜素含量顯著高于CK，分別高出40.24%和46.09%。 從干旱脅迫第3 天開始，50 ℃處理的類胡蘿卜素含量大幅降低，且顯著低于其它處理組。

圖3 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片類胡蘿卜素含量的影響

2.3.4 對葉綠素總含量的影響 在干旱脅迫第9天后，對照(CK)南方紅豆杉葉片葉綠素總含量呈下降趨勢，而40 ℃和45 ℃處理的葉綠素總含量則呈上升趨勢(圖4)。 CK 和40、45 ℃處理的葉綠素總含量分別在第5、3、21 天時達到各組葉綠素總含量的最大值；第21 天，40 ℃和45 ℃處理的葉綠素總含量與CK 差異顯著，分別比CK 高40.84%和48.18%。 50 ℃處理的葉綠素總含量在整個干旱脅迫過程中幾乎處于不斷下降的趨勢，其中第21 天比第1 天的葉綠素總含量降了65.99%。

圖4 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片葉綠素總含量的影響

2.4 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片丙二醛含量的影響

從圖5 可以看出，干旱脅迫可使南方紅豆杉葉片丙二醛含量上升，但隨著干旱脅迫時間延長，50 ℃處理的丙二醛含量呈先降后升的變化趨勢。40 ℃和50 ℃處理的丙二醛含量在干旱脅迫第1天時達到最大，比CK 分別高27.36%和67.07%(P＜0.05)。 45 ℃處理的丙二醛含量第7 天時達到最大，比CK 高39.67%(P＜0.05)。 第21 天時，40 ℃和45 ℃處理的丙二醛含量顯著低于CK，分別低8.44%和11.46%。

圖5 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片丙二醛含量的影響

2.5 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片抗氧化酶活性的影響

2.5.1 對POD 活性的影響 如圖6 所示，對照(CK)南方紅豆杉葉片POD 活性從干旱脅迫第1天至第14 天呈緩慢上升趨勢，第21 天下降。40 ℃處理的POD 活性隨著干旱脅迫時間延長呈先降后增的變化趨勢，并在第21 天達到峰值，此時比CK 和45、50 ℃處理分別高79.08%和58.13%、91.60%(P＜0.05)。 45 ℃處理的POD 活性呈“升-降-升”的變化趨勢，也在第21 天出現(xiàn)峰值，比CK 高50.03%(P＜0.05)。 50 ℃處理的POD 活性呈“降-升-降”的變化趨勢，且在干旱脅迫第5天至第21 天內(nèi)POD 活性都顯著低于CK。

圖6 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片POD 活性的影響

2.5.2 對CAT 活性的影響 由圖7 可知，隨著干旱脅迫時間延長，對照(CK)南方紅豆杉葉片CAT活性基本呈逐漸上升趨勢，第21 天時顯著高于其他處理；40 ℃處理的CAT 活性表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，第3 天時最高，第1 天至第21 天其CAT 活性均高于45、50 ℃處理。 45 ℃處理的CAT 活性干旱脅迫第1 天、第3 天與CK 差異不顯著，第5 天至第21 天顯著低于CK。 50 ℃處理的CAT 活性在整個干旱脅迫過程中均低于其他處理。

圖7 高溫鍛煉對干旱脅迫下南方紅豆杉葉片CAT 活性的影響

3 討論

干旱脅迫下，植物葉片含水量是衡量植物抗旱能力比較穩(wěn)定的一個指標[21]，植物葉片相對含水量下降的幅度越小，說明其保水能力越強，同時也表現(xiàn)出較強的干旱脅迫適應(yīng)能力[22]。 本試驗中，不同高溫鍛煉后的南方紅豆杉在干旱脅迫下葉片含水量、相對含水量均低于對照(CK)，其中40 ℃處理與CK 差異不顯著；不同處理南方紅豆杉的葉片含水量與正常水分管理的南方紅豆杉[23]相比，40 ℃處理的葉片含水量、相對含水量降幅最小，相對穩(wěn)定。 植物可以通過調(diào)節(jié)地上部器官和地下部器官的生物量來增加根冠比，以便適應(yīng)干旱環(huán)境[24]。 干旱脅迫下植物生物量分配偏向于根部。 干旱脅迫結(jié)束后，各處理南方紅豆杉的根冠比與CK 相比均較大，推測干旱脅迫之后其生物量更多地分配到了根部。 各處理南方紅豆杉生物量一般會隨著干旱程度的加大而不斷減少，但50 ℃處理較40、45 ℃處理的高，推測可能是溫度過高導(dǎo)致其失水過快、葉片干枯較早而來不及過多消耗積累的有機物便發(fā)生萎蔫所致。

干旱脅迫會降低植物光合色素合成酶的活性，減少光合色素合成的量，從而使葉片中的光合色素含量降低[25]。 本試驗中，對照(CK)的南方紅豆杉葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素以及葉綠素總含量在干旱脅迫21 天時降至最低，而40 ℃和45 ℃處理的葉片光合色素含量變化相對穩(wěn)定，干旱脅迫后期還出現(xiàn)升高趨勢，第21 天時各光合色素含量顯著高于CK。 這與經(jīng)過非生物逆境鍛煉的作物在后期脅迫中表現(xiàn)出較高光合能力[26]的結(jié)果相符。 推測經(jīng)過高溫鍛煉的南方紅豆杉更能保持較穩(wěn)定的光合能力以適應(yīng)干旱環(huán)境。

丙二醛會破壞細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能，其積累量越高傷害程度越深，植物保護能力越低[27]。 本試驗中，干旱脅迫第21 天時，40、45 ℃處理南方紅豆杉葉片丙二醛含量低于CK，表明經(jīng)過適度高溫鍛煉的南方紅豆杉更能適應(yīng)持久的干旱環(huán)境，能夠緩解細胞膜脂過氧化的程度。

植物在長期適應(yīng)干旱的過程中逐漸形成了抗氧化酶保護系統(tǒng)，產(chǎn)生防御響應(yīng)，抗旱性得到提高[28-29]。 本研究發(fā)現(xiàn)，40 ℃高溫處理南方紅豆杉葉片POD 活性高于CK 和其他鍛煉溫度并持續(xù)高表達，其CAT 活性與CK 相比表現(xiàn)出干旱脅迫前期高后期低的現(xiàn)象，但始終高于45、50 ℃處理；高溫鍛煉的南方紅豆杉CAT 活性最大值表現(xiàn)較早，CK 的表現(xiàn)較晚。 有研究發(fā)現(xiàn)，在高溫和干旱脅迫下馬鈴薯(Solanum tuberosumL.) 幼苗POD、CAT 活性呈先降低后升高趨勢[30]。 不同高溫處理再干旱脅迫的繡球[Hydrangea macrophylla(Thunb.) Ser.]POD 活性變化趨勢不一致，其CAT 活性均呈先上升后下降趨勢[31]。 逆境脅迫的類型和植物的種類不同，都會導(dǎo)致植物抗氧化系統(tǒng)響應(yīng)的差異[32]。 適宜高溫鍛煉后，南方紅豆杉面對持久干旱環(huán)境能夠較好地保護膜以降低過氧化，保護酶POD 的高表達起到關(guān)鍵作用。

4 結(jié)論

本試驗從高溫鍛煉影響南方紅豆杉抗旱性的角度進行研究，結(jié)果表明:南方紅豆杉葉片含水量和相對含水量以及生物量(除50 ℃高溫鍛煉)隨著溫度和干旱程度的上升而不斷下降；南方紅豆杉的根冠比隨著鍛煉溫度和干旱程度的上升而不斷增大；干旱脅迫21 天時，40 ℃和45 ℃高溫處理葉片光合色素含量、POD 活性顯著高于對照、50 ℃處理，MDA 含量顯著低于CK；CAT 活性呈現(xiàn)干旱脅迫前期高后期低的現(xiàn)象。 綜上認為，南方紅豆杉存在溫度和干旱交叉適應(yīng)現(xiàn)象，適宜高溫鍛煉后的南方紅豆杉比未經(jīng)高溫鍛煉的更能適應(yīng)干旱環(huán)境。