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灌木铁线莲对水分胁迫的生理响应



全 文 :北方园艺2014(17):71~74 植物·园林花卉·
第一作者简介:刘雁南(1989-),女,硕士研究生,研究方向为水土
保持与荒漠化防治。E-mail:827684682@qq.com.
责任作者:王林和(1949-),男,博士,教授,现主要从事水土保持与
荒漠化防治的教学与科研工作。E-mail:wlinhe@hotmail.com.
基金项目:内蒙古自治区科技计划资助项目。
收稿日期:2014-04-21
灌木铁线莲对水分胁迫的生理响应
刘 雁 南1,王 林 和1,2,张 力 君3,韩 若 霜1,张 国 盛4
(1.内蒙古农业大学 生态环境学院,内蒙古 呼和浩特010019;2.内蒙古和信园蒙草抗旱绿化股份有限公司,内蒙古 呼和浩特010020;
3.内蒙古农业大学 农学院,内蒙古 呼和浩特010019;4.内蒙古农业大学 林学院,内蒙古 呼和浩特010019)
  摘 要:以灌木铁线莲为试材,采用盆栽方法,研究测定了水分亏缺对灌木铁线莲体内过氧
化物酶(POD)活性、脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔
导度(Gs)、叶绿素含量及植株冠幅增量的影响。结果表明:随着土壤相对含水量(RWC)下降,
MDA含量、POD活性与Pro含量表现为显著升高,净光合速率与蒸腾速率显著降低,冠幅面积净
增量显著减小,MDA、POD、Pro与RWC呈显著负相关,其中Pro对RWC下降变化最敏感。叶绿
素a+b含量对RWC下降变化最不敏感。
关键词:灌木铁线莲;水分胁迫;生理响应;冠幅生长
中图分类号:Q 949.746.5 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2014)17-0071-04
  耐旱植物的筛选应用是发展节水型园林重要技术
手段[1]。李芳等[2]、张奕勤等[3]曾指出应用耐旱乡土树
种改善干旱区城市环境。选用耐旱植物不仅经济、易成
活,而且能营造出与当地自然环境相融的植物景观[4]。
秦皇岛汤河公园利用生命力顽强的乡土野生草种改造
垃圾场,在较短时间内恢复了原生态景观[5]。
灌木铁线莲(Clematis fruticosa)属毛茛科铁线莲
属植物,主要分布于甘、陕、晋、冀、内蒙等地区,生于海
拔1 000~1 800m的山坡灌丛中或路旁[6],耐旱性强,具
观赏性[7],景观效果好。将其应用于干旱区园林建设
中,不仅可实现亲近自然的生态建设,还可增加园林植
物的多样性和景观效果。目前铁线莲属植物绣球藤、威
灵仙、秦岭铁线莲、圆锥铁线莲、大瓣铁线莲、须蕊铁线
莲、棉团铁线莲、大瓣铁线莲、黄花铁线莲、大叶铁线莲
等[8]已在园林建设中得到应用。
对灌木铁线莲耐旱节水规律的探索既具有实践
意义,也具有理论意义,应用抗氧化酶等理化指标考
察灌木铁线莲耐热、耐旱、耐寒特性[9]报道较少。该
研究拟对水分胁迫下灌木铁线莲净光合速率(Pn)、
过氧化物酶(POD)活性等生理响应进行综合分析,
探索灌木铁线莲对水分胁迫的响应规律。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试植物为灌木铁线莲;供试土壤为沙壤土,田间
持水量22.1%。花盆直径为30cm,高34cm。
1.2 试验方法
试验于2013年在呼和浩特市内蒙古农业大学塑料
大棚内进行。设4个处理,土壤含水量分别为12.0%、
7.6%、5.2%和2.9%,对应田间持水量为54.3%、
34.5%、23.5%和13.2%,每处理8次重复。
1.3 项目测定
选取功能叶在自然光下用Li-6400于10:00—12:00
测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)。
测量植株南北向(a)和东西向(b)冠径,计算冠幅面积S=
1/4πab。
丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸法;过氧
化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法;脯氨酸(Pro)含
量测定采用酸性茚三酮比色法;叶绿素含量测定采用紫
外分光光度法[10];土壤含水量测定采用TDR-300。
2 结果与分析
2.1 MDA、POD、Pro、叶绿素含量对干旱胁迫的响应
从图1可以看出,在土壤相对含水量(RWC)54.3%~
13.2%的范围,随着RWC的降低,水分亏缺的加剧使
MDA含量有升高的趋势,当RWC由23.5%降至13.2%
时,MDA含量随着RWC的降低升高不显著。从图2可
以看出,不同的水分胁迫对POD活性的影响表现出与
MDA相似的规律。在土壤相对含水量54.3%~13.2%
的范围,随着RWC的降低,POD活性呈升高的趋势,当
RWC降至23.5%时,POD活性不再继续升高。
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·园林花卉·植物 北方园艺2014(17):71~74
图1 不同水分梯度灌木铁线莲叶片MDA含量比较
Fig.1 Comparison of MDA content of C.fruticosaunder
diferent soil relative water content
图2 不同水分梯度灌木铁线莲叶片POD活性比较
Fig.2 Comparison of POD activity of C.fruticosaunder
diferent soil relative water content
  由图3可知,Pro含量在RWC 54.3%~13.2%的
范围,随RWC降低,除RWC 54.3%与RWC 34.5%之
间差异不显著外,其它则表现出显著的逐级上升。RWC
23.5%相 比 RWC 34.5%,Pro 含 量 增 加 约 2 倍;
RWC13.2%相比RWC 23.5%,Pro含量增加约3倍,即
RWC越低,Pro含量越高。图4表明,叶绿素总量在4
个处理间未表现出显著的逐级降低的趋势,表明不同水
分处理没有引起叶绿素含量的显著变化。
图3 不同水分梯度灌木铁线莲叶片Pro含量比较
Fig.3 Comparison of Pro content of C.fruticosaunder
diferent soil relative water content
图4 不同水分梯度灌木铁线莲叶片叶绿素总量比较
Fig.4 Comparison of chlorophyl a+b content of
C.fruticosaunder diferent soil relative water content
2.2 干旱胁迫对净光合速率、蒸腾速率的影响
从图5、6、7可以看出,Pn在4个处理间表现为
54.3%>34.5%>23.5%>13.2%。同时,Tr也表现出
54.3%>34.5%>23.5%>13.2%。这说明Pn与Tr均
随RWC下降而降低。该研究没有设计田间持水量作为
对照,RWC 54.3%也仅为对照的一半,属于中度的水分
亏缺,仍然表现出较高的光合作用和蒸腾速率,其它3
个处理已经严重制约其Pn和 Tr的提高。在 RWC
54.3%~13.2%范围,气孔导度与净光合速率、蒸腾速率
表现出一致的规律,即随RWC降低而不显著地降低。
可见,净光合速率、蒸腾速率下降与气孔导度下降密切
相关。
图5 不同水分梯度灌木铁线莲叶净光合速率比较
Fig.5 Comparison of net photosynthetic rate of
C.fruticosaunder diferent soil relative water content
图6 不同水分梯度灌木铁线莲叶蒸腾速率比较
Fig.6 Comparison of transpiration rate of C.fruticosaunder
diferent soil relative water content
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北方园艺2014(17):71~74 植物·园林花卉·
图7 不同水分梯度灌木铁线莲叶气孔导度比较
Fig.7 Comparison of the stomatal conductance of
C.fruticosaunder diferent soil relative water content
图8 灌木铁线莲单株冠幅面积净增量比较
Fig.8 Comparison of the net increase of
single plant crown area for C.fruticosa
2.3 不同水分梯度下冠幅面积净增量的变化
对于观赏植物而言,需要较大的营养面积保证其能
观赏。该试验中在 RWC 54.3%~13.2%范围,随着
RWC下降,冠幅面积净增量显著减小。RWC 34.5%冠
幅面积约为RWC 54.3%的0.8倍,RWC 23.5%约为
RWC 34.5%的0.5倍,RWC 13.2%约为RWC 23.5%的
0.4倍。可见RWC越低,对冠幅面积净增量的抑制越
大。所以为了节水,又不严重抑制冠幅面积增加,RWC
维持在34.5%较合适。
2.4 RWC、POD、MDA和Pro的Spearman相关性
对RWC与POD、MDA和Pro进行相关分析,由于
RWC这一变量不服从正态分布,所以使用Spearman方
法计算相关系数。由表1可知,MDA、POD、Pro 3个变
量与RWC均呈极显著负相关关系。其中,Pro与土壤
含水量相关系数绝对值最大,可见Pro对RWC变化敏
感。MDA与POD、Pro两两之间呈显著正相关关系。
这可能因为干旱胁迫下,产生的大量活性氧自由基作用
下,脂质过氧化作用的主要产物 MDA升高,POD作为
活性氧清除系统中一种抗氧化酶也升高,这可能是供试
植物为了避免、减轻伤害,进行自我保护适应干旱的策
略。在适应干旱过程中,Pro可能发挥了保持原生质与
环境渗透平衡的作用。
表1 RWC、POD、MDA和Pro的
Spearman相关系数
  Table 1 The Spearman correlations between
RWC with other physiological index of C.fruticosa Turcz
RWC  MDA  POD  Pro
RWC  1 -0.56** -0.48** -0.89**
MDA  1  0.53** 0.49*
POD  1  0.58**
Pro  1
  注:**在0.01水平下显著,*在0.05水平下显著。
Note:**shows significant at the 0.01level,*shows significant at the 0.05level.
3 讨论
MDA是脂质过氧化作用的主要产物之一,其含量
的高低在一定程度上反映脂膜过氧化程度,可间接反映
植物组织抗氧化能力的大小[10]。杨传杰等[11]指出
MDA含量可以用来表征棉花受干旱程度。
过氧化物酶(POD)是植物活性氧清除系统中一种
抗氧化酶,能维持活性氧自由基的产生与清除系统的平
衡[10]。POD与其它抗氧化酶活性测定相比,其操作方
法简单,得以广泛应用。张盼盼等[12]指出糜子叶片内
POD活性是抗旱性鉴定的有效指标之一,抗旱性强则品
种POD活性增加程度高。
在正常条件下Pro含量很低,干旱时大量积累,可
比正常条件下增加几十倍,具有保持原生质与环境渗透
平衡,防止失水等功能,可用作抗旱的生理指标[13]。吴
芹等[14]指出抗旱性较强的油松的Pro含量增幅较大,明
显大于抗旱性相对较弱的山杏和沙棘。
气孔导度(Gs)是对气孔张开或关闭程度的度量。
轻度水分亏缺使气孔导度减小或关闭,阻碍CO2 吸收,
即光合速率降低的原因是气孔因子。严重水分亏缺时,
叶绿体结构特别是光合膜系统受到损伤,还使PSⅡ失活
损伤等,即非气孔因子起决定因素[15]。植物在干旱胁迫
下,PSⅡ的活性降低导致激发能的上升就会发生能量过
剩,产生过量的活性氧,若不及时清除会造成氧化胁迫,
引起膜脂过氧化,导致膜系统受到破坏[16]。目前张仁和
等[17]指出活性氧自由基代谢失调而引发的生物膜结构
与功能的破坏,是光合作用非气孔限制的主要原因。但
并未指出具体抑制光合作用的哪些环节。
为了模拟供试植物自然生境的特点,试验中即使是
最高含水率也表现为中度水分胁迫。Pn与Tr在4个
处理间差异显著,二者均随RWC下降显著降低。这与
张慕黎[18]在刺槐和侧柏上的研究结果类似。在RWC
54.3%~13.2%范围,Gs与Pn、Tr表现出一致的规律,
即随RWC降低而不显著地降低。可见,Pn、Tr下降与
Gs下降密切相关。
当RWC 23.5%时,膜质过氧化产物 MDA含量显
著上升,此时Pn表现为下降。因此膜结构的损伤可能
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·园林花卉·植物 北方园艺2014(17):71~74
是Pn下降的原因。
有研究指出适当干旱胁迫下叶绿素含量并不降低
甚至有提高[19-20]。叶绿素总量在4个处理间差异不显
著,随着RWC下降,叶绿素总量并未显著下降。因此
Pn下降的原因可能不是叶绿素a+b含量的变化。
综上,水分亏缺条件下,可能由于气孔导度的下降,
阻碍CO2吸收,以及生物膜结构与功能的破坏引起了
Pn、Tr下降,从而导致植株生长变缓慢,冠幅面积净增量
下降。
参考文献
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Physiological Response of Clematis fruticosa Under Water Stress
LIU Yan-nan1,WANG Lin-he1,2,ZHANG Li-jun3,HAN Ruo-shuang1,ZHANG Guo-sheng4
(1.Colege of Ecological Environment,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot,Inner Mongolia 010019;2.Inner Mongolia Hexinyuan
Meng Cao Aforestation Co.Ltd,Hohhot,Inner Mongolia 010020;3.Colege of Agriculture,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot,
Inner Mongolia 010019;4.Colege of Forestry,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot,Inner Mongolia 010019)
Abstract:Taking Clematis fruticosaas test material,using pot experiment method,the efect of water stress on peroxidase
(POD)activity,proline(Pro)content,malondialdehyde(MDA)content,net photosynthetic rate,transpiration rate,
stomatal conductance chlorophyl content and crown growth of Clematis fruticosa was studied.The results showed that
as the soil relative water content(RWC)decreased,malondialdehyde(MDA)content,peroxidase(POD)activity and
proline(Pro)content significantly increased.Net photosynthetic rate and transpiration rate decreased significantly.The
content of chlorophyl in four RWC had no significant diference.As the RWC decreased,the net increase of single plant
crown area decreased significantly.The spearman correlation analysis indicated that RWC had a negative correlation with
Pro,POD and MDA.Pro content was sensitive to the change of the RWC,the content of chlorophyl a+b was not
sensitive to the change of the RWC.
Keywords:Clematis fruticosa;water stress;physiological response;crown growth
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