全 文 :文章编号:1000-694X(2012)03-691-07
柠条适应极端干旱的生理生态机制
———叶片脱落和枝条中叶绿体保持完整性
收稿日期:2011-08-26;改回日期:2011-11-29
基金项目:国家自然科学基金项目(30900171)和博士后基金项目(20090450186)共同资助
作者简介:徐当会(1976—),女(汉族),甘肃正宁人,主要从事植物生理生态研究。Email:dhxu@lzu.edu.cn
徐当会1,2,方向文1,宾振钧1,王 刚1,苏培玺2
(1.兰州大学 生命科学学院/草地农业生态系统国家重点实验室,甘肃 兰州730000;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研
究所,甘肃 兰州730000)
摘 要:为了探讨柠条适应极端干旱的生理生态机制,对盆栽柠条停止浇水造成土壤持续干旱直到叶片完全脱落,
然后复水。干旱和复水期间,对土壤、叶片和枝条的相对含水量、叶片和枝条中的叶绿素含量以及超微结构进行了
测定和观察。结果表明,干旱脱水过程中叶片中的色素含量下降,枝条中类胡萝卜素含量下降。复水4d后,叶片
中色素含量和枝条中类胡萝卜素含量上升并逐步达到正常水平。超微结构研究表明,柠条嫩枝的亚细胞组织中普
遍含有叶绿体。正常条件下,无论是枝条还是叶片的亚细胞组织,叶绿体紧贴细胞壁。叶绿体中的类囊体排列整
体有序。随着干旱的加剧,叶绿体脱离细胞壁,向细胞中央靠近。严重干旱造成了叶片叶肉细胞和叶绿体结构不
可恢复性的破坏,包括外膜和膜片层结构,类囊体膜解体,淀粉粒消失,部分细胞器裂解成碎片。而嫩枝的亚细胞
组织和叶绿体都保持完整。因此,柠条通过叶片脱落减少光照面积来适应极端干旱对自身造成的伤害,通过保持
枝条中叶绿体的完整性和一部分叶绿素为复水条件下光合作用的快速恢复提供了保证。
关键词:柠条;极端干旱;叶片脱落;叶绿体超微结构
中图分类号:Q945 文献标识码:A
干旱造成的植物水分亏缺或水分胁迫达到一定
程度将破坏植物内部的生理过程[1]。光合作用对水
分胁迫更加敏感[2-3],它不仅受下降的气孔导度的
影响,而且还受严重胁迫下造成的叶绿体水平破坏
的影响[4-5]。通常,植物需要一种保护机制或对已
经造成的破坏进行修复的机制或者是此二者的结合
来度过胁迫环境[6-7]。不少研究认为,植物抵御夏
季干旱必须依赖于形态和生理特征的结合,如深的
根系[8]、叶片蒸腾速率的降低[9]、资源利用效率的提
高、渗透物质的大量累积以及耐脱水能力的提高
等[10-11]。近些年来许多研究则集中于植物在强光和
干旱双重胁迫下的光保护方面的研究[11-14],但对极
端干旱过程中叶片和枝条的超微结构研究很少,而且
无人研究旱生植物因干旱导致叶片脱落后其存活的
生理生态机理以及复水后重新生长的生理生态机理。
柠条(Caragana korshinskii Kom)是一种多年
生的能忍耐干旱的半灌木,生存于多种环境胁迫条
件下,这些胁迫包括可利用水分少、极端的温度波
动、高辐射以及营养匮乏等。其中水资源是限制植
物生长的最主要的因素。柠条在中国从东到西都有
分布[15]。对柠条的研究到目前为止集中于它的分
类、群落分布、生物和生态学特性以及物种多样
性[16-21]等,很少有研究重视它的抗胁迫机制和适应
干旱的策略。我们研究发现柠条在极端干旱环境
下,叶片枯萎死亡,随后植物的生长停止。复水后它
仍然能够长出新叶。本实验是为了研究柠条在持续
土壤干旱期间适应极端干旱和重新生长的生理机
制,通过研究植物个体水平上对干旱的响应策略来
提高对植物适应干旱环境机制的理解。
1 材料和方法
1.1 植物材料和生长环境
实验在兰州大学植物园进行。2005年3月在
盛花盆中种植3个柠条种子,盆的容积为6L,等到
出苗后每个花盆留下生长较好的一株。为了使植株
生长的环境接近自然环境,将花盆埋在事先挖好的
隧道中,花盆的上沿高出地面2~3cm。植株每隔
半月灌溉一次,待生长良好,选取30株旺盛生长的
植株于2006年5月18日灌溉后停止浇水进行自然
干旱处理。为防止植物吸收周围的水分,在花盆下
面的土壤层平铺两层厚塑料膜阻断地下水分,在地
第32卷 第3期
2012年05月
中 国 沙 漠
JOURNAL OF DESERT RESEARCH
Vol.32 No.3
May 2012
上用可移动的遮雨棚防止自然降雨。干旱处理的时
间从5月15日到植物叶片完全死亡进入休眠期后
(7月8日)共53d,然后再对植物浇水,到植物生长
正常8月18日,共40d,干旱和复水过程共94d。
1.2 土壤相对含水量和叶片相对含水量测定
土壤相对含水量(%)测定分为上下两层,上层
为0~15cm,下层为15~30cm,按照称重法测定
(Mao等,2004)。在每次测定的中午取3次不同位
置的土样称鲜土重,再置于105℃烘箱中烘干至恒
重称重计算相对含水量。叶片相对含水量的测定
为,从10~15株植物上取0.5g左右的叶片,立即
称重,计为FW(鲜重)。将立即称重过的叶片在室
温下浸泡过夜,吸取表皮的水分,称重,计为TW(饱
和鲜重)。将浸泡过夜的叶片置于80℃烘箱中烘
24h,称重,计为DW(干重),植物叶片含水量的测
定按照RWC=[(FW-DW)/(TW-DW)]×100。
1.3 总叶绿素含量测定
叶片中色素的提取按照Cooper等[22]的方法,
提取溶液的光谱吸收在647nm、663nm和470nm
下用分光光度计测定。色素含量根据Sims等[23]的
方法计算。
1.4 叶和枝条超微结构变化的观察
选取处理的材料分别取叶片和嫩枝,立即用
3%的戊二醛固定。固定24h后的上述材料用0.1
M的磷酸缓冲液(pH 7.2)漂洗两次各10min。然
后用1%四氧化锇固定过夜,再用磷酸缓冲液漂洗。
依次用50%,70%,80%,90%,100%的乙醇脱水各
20min,再用100%丙酮漂洗两次各20min。1∶1
的100%丙酮:Epon812浸透过夜。在35℃24h、
45°C 12h和65℃24h的条件下包埋。聚合后用
超薄切片机(瑞典LKB-V)作横截面切片(70nm),
将切片用3%~5%的醋酸双氧铀和柠檬酸铅双染
色,在透射电镜(日本JEM-1230)下观察照相。
2 结果
2.1 干旱和复水过程中土壤含水量和叶片、枝条相
对含水量的变化
图1是干旱和复水过程中土壤和叶片、枝条相
对含水量。干旱期间,0~10cm层土壤含水量从
87%下降到3.9%、10~25cm 层土壤含水量从
89%下降到13%(图1A)。与土壤含水量变化相
比,叶片和枝条的相对含水量下降较慢,干旱42d
图1 干旱和复水过程中土壤、叶片和枝条相对含水量的变化
Fig.1 Changes of relative water contents in soil,leaves and stems of Caragana
korshinskii during dehydration and rehydration process
296 中 国 沙 漠 第32卷
以后还保持在50%和68%左右,随着干旱时间的延
长,叶片很快脱落,枝条的相对含水量下降到10%
(图1C)。复水后土壤含水量很快恢复到80%以上
(图1B),而枝条相对含水量恢复相对很慢,直到长
出新的叶片时才恢复到正常状态(图1D)。
2.2 干旱和复水过程中叶绿素的变化
干旱脱水过程中叶片的叶绿素a、叶绿素b和
类胡萝卜素含量下降,枝条中类胡萝卜素含量也下
降,而在叶片脱落之前,枝条中叶绿素a、叶绿素b
保持不变,叶片脱落后,枝条中叶绿素a含量显著增
加。复水致使枝条中类胡萝卜素含量上升,但对叶
绿素a含量影响不大。叶片长出后,叶片中叶绿素
a、叶绿素b和类胡萝卜素含量在复水25d后达到
了正常水平。枝条中叶绿素a和类胡萝卜素含量分
别与复水后第15天和第9天恢复正常水平。在干
旱脱水和复水过程中枝条中叶绿素b含量保持不变
(表1)。
表1 干旱和复水过程中柠条叶片和枝条中叶绿素a,叶绿素b和类胡萝卜素含量的变化
Table 1 Changes of chlorophyl aand b,and carotenoid contents in C.korshinski
leaves and stems during progressive dehydration and rehydration process
处理 天数/d
干物质含量/(g·kg-1)
叶绿素a 叶绿素b 叶绿素a+b 类胡萝卜素(x+c)
干旱 3 叶片 1.572±0.005a 0.553±0.017a 2.126±0.013a 0.321±0.009a
枝条 0.115±0.008d 0.037±0.002d 0.143±0.012d 0.034±0.012c
42 叶片 0.975±0.007b 0.339±0.003b 1.314±0.011b 0.138±0.003b
枝条 0.098±0.004d 0.031±0.041d 0.131±0.024d 0.029±0.006d
53 枝条 0.085±0.003e 0.033±0.008d 0.113±0.006e 0.020±0.005d
复水 3 枝条 0.084±0.012e 0.031±0.003d 0.114±0.002e 0.014±0.000e
9 叶片 0.849±0.022c 0.256±0.025c 1.105±0.019c 0.131±0.015b
枝条 0.084±0.041e 0.033±0.024d 0.113±0.033e 0.020±0.005d
15 叶片 0.896±0.041c 0.372±0.03b 1.268±0.070b 0.128±0.008b
枝条 0.105±0.081d 0.038±0.007d 0.144±0.013d 0.017±0.000d
25 叶片 1.508±0.088a 0.532±0.036a 2.04±0.062a 0.300±0.024a
枝条 0.114±0.092d 0.049±0.006e 0.164±0.017d 0.024±0.003d
31 叶片 1.429±0.011a 0.559±0.019a 1.919±0.011a 0.282±0.010a
枝条 0.115±0.103d 0.041±0.008d 0.156±0.010d 0.034±0.004c
40 叶片 1.542±0.031a 0.566±0.004a 2.108±0.029a 0.290±0.010a
枝条 0.115±0.094d 0.050±0.005e 0.165±0.009d 0.029±0.006d
注:同列中相同小写字母表示不存在差异性显著(P<0.05)。
2.3 干旱和复水过程叶片和枝条超微结构的变化
通过透射电镜观察,结果表明,未处理材料叶片
的叶肉细胞,叶绿体依次紧贴细胞壁整齐排列并几
乎占满细胞壁空间,细胞以及叶绿体结构都完整,细
胞核可见(图2A)。叶绿体为椭圆形或长形,类囊体
膜排列整齐,由基质类囊体组成而很少见基粒类囊
体。处理42d后叶片的叶肉细胞里,部分叶绿体脱
离了细胞壁,向中央靠近。叶绿体膜完整可见,但类
囊体的有序性被打乱,其完整性仍然保存(图2B)。
即将脱落的叶片的叶肉细胞已经遭受相当程度的破
坏,叶绿体结构已经完全破坏并脱离细胞壁,叶绿体
膜散乱地分布在细胞中,部分叶绿体和一些细胞器
已解体(图2C)。新生长叶片的叶肉细胞里,叶绿体
依次紧贴细胞壁整齐排列并几乎占满细胞壁空间,
细胞以及叶绿体结构都完整,细胞核可见。叶绿体
中,类囊体膜完整,无论是基质类囊体还是基粒类囊
体,都整体排列。在柠条的叶绿体中,淀粉粒的数量
增加(图2D)。
然而,与叶片中完全不同的是,在枝条中(图
2E,2F,3E和3F),无论是干旱落叶后的还是未处理
的材料,其亚细胞的结构都保持完整。细胞中的液
泡(V),叶绿体(Cp)和线粒体(M)在两种材料中都
清晰可见并且结构完整。叶绿体的类囊体膜结构仍
396 第3期 徐当会等:柠条适应极端干旱的生理生态机制
然以基质类囊体膜排列,但脱水的枝条中叶绿体中 的淀粉粒数量增加。
图2 干旱和复水过程中柠条叶片叶肉细胞和枝条的亚细胞结构透射电镜观察
(A:处理3d的叶片;B:处理42d的叶片;C:即将脱落的叶片;D:新生长出的叶片;E:处理3d的枝条;F:处理53d的枝条)
Fig.2 Transmission electron microscopy of mesophyl cels in leaves and epidermis cel in stems of C.korshinskii
3 讨论
在自然生境下,可预见的季节性干旱造成植物
的落叶是普遍发生的,而由此引起蒸腾表面积的减
少通常被认为是一种重要的干旱响应策略[24]。我
们的研究发现柠条突然遭遇干旱引起的叶片脱落,
不同于生长季末期所观察到的落叶。干旱促使叶片
死亡脱落,叶片数量减少,这也是生长季末的典型特
征,但是这种死亡落叶在长日照条件下更加明显,而
秋季落叶主要是由短日照引起的。另一方面,一些
一年生作物的干旱落叶是随着植物个体发生的不同
而不同[25],但对于多年生植物,干旱速率相对于植
物生长的起始和终止时间更为重要。Nilsen等[26]
在对丛林灌木Lotus scoparius的研究中提出水分
胁迫的速率是叶片脱落的一个重要原因。同时,夏
季干旱在柠条的自然生境中随时可见,而这种干旱
496 中 国 沙 漠 第32卷
图3 干旱和复水过程中柠条叶片和枝条叶绿体变化的透射电镜观察
(A:处理3d的叶片;B:处理42d的叶片;C:即将脱落的叶片;D:新生长出的叶片;E:处理3d的枝条;F:处理53d的枝条)
Fig.3 Transmission electron microscopy of chloroplasts in leaves and stems of C.korshinskii
引起的叶片脱落降低了水分散失但并不损失植物潜
在的碳源。对于这类植物,在极端干热期的休眠或
落叶(枝)等,都是为了保护植物水分的收支平衡,适
应干旱的环境而具有的特征[27]。河西走廊生长的
棉刺(Potaninia mongolica Maxim)忍耐干旱的能
力并不强,在严重干旱下以“假死”休眠来逃避干
旱[28]。柠条遇旱休眠,遇水复苏,与复苏植物在干
旱和复水过程中形态特征变化一致。
干旱处理期间植物保持叶绿素含量和叶绿素
a/b比率的稳定说明捕光色素复合体(HLCⅡ)的破
坏很弱,因为有一定量的叶绿素b存在于 HLCⅡ
中[29]。这反过来会使植物在干旱期间维持一定的
光合能力。柠条适度干旱并不引起叶片叶绿素含量
的减少,只有在严重胁迫时叶绿素含量才减少。类
胡萝卜素是天线色素的重要成分,因此,类胡萝卜素
含量不变对于捕光色素复合体的稳定起很重要的作
用,它有利于多余的能量的耗散。柠条的枝条中含
有一定量的叶绿素,随着干旱胁迫的增加,枝条中叶
绿素的含量也有小幅度的增加,这为植物落叶后枝
条继续进行光合作用提供了保障。
柠条是荒漠地区旱生灌木的典型代表,在枝条
中相对含水量失去90%,土壤上下层相对含水量分
596 第3期 徐当会等:柠条适应极端干旱的生理生态机制
别降低到3.9%和12.89%的条件下,依然能够生
存。枝条和叶片的叶肉细胞和叶绿体的超微结构变
化表明,柠条通过保护部分细胞的完整性来实现在
脱水条件下的生存。因为即使在极端干旱条件下,
柠条枝条中的亚细胞和叶绿体都没有大的变化。叶
片叶绿体膜对干旱的伤害是非常敏感的[30-31]。在
干旱处理42d后,虽然类囊体膜没有太大的变化,
这中现象也在Talbotia elegans植物叶片中观察
到[32],但类囊体组织的有序性打乱了,形成大的、弯
曲的和楼梯状的基粒堆或基质堆。这种类囊体堆在
其他植物的干叶片中也观察到[33]。类囊体膜表面
的弯曲被认为是对干旱的一种适应[34]。在将要脱
落的叶片中,叶绿体和类囊体膜解体,淀粉粒消失。
在其他植物中也发现这一现象,被认为是保持细胞
完整性的一种机制,它与可溶性糖的合成有关。而
可溶性糖在保护类囊体膜和其他膜免受干旱伤害方
面是非常有用的[33,35-36]。
因此,在干旱脱水过程中,柠条通过外形和超微
结构的同时变化控制水分的丧失,防止和限制干旱
的破坏,因而在某些程度上维持了亚细胞的完整性。
复水后的快速长出叶片也是这一现象进一步得到了
证实。柠条在复水后的第4天新的叶片完全伸展
开,并且合成了大量的叶绿素。这样重新组织了光
合细胞器,这些功能的恢复为植物生存打下了良好
的基础。
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730000,China;2.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sci-
ences,Lanzhou,730000,China)
Abstract:In order to study the eco-physiological mechanism of C.korshinskii adaptation to extreme
drought stress,we investigated variations of relative water content,Chlorophyl aand b,and carotenoid
contents in leaves and stems of 2-year-old C.korshinskii and its chloroplast ultrastructure change during
progressive soil drought and rehydration process,and also investigated the variation of soil relative water
content during the process.Results showed that during dehydration process,contents of Chlorophyl aand
b,and carotenoid in leaf decreased,and carotenoid contents in stem decreased too.After rehydration for a-
bout 4 days,the contents of Chlorophyl aand b,and carotenoid in leaves and stems reached normal level a-
gain.In most case,chloroplasts appear in subcelular organization of C.korshinskiiand choroplasts cling
the cel wal,and chloroplasts are surrounded by apersistent envelope and with abundant and ordered thyla-
koid system.With the ongoing of drought stress,chloroplasts in leaves broke away from the cel wal and
appeared in the center of the cel.The mesophyl ultrastructure and chloroplasts configuration in leaves were
disturbed beyond retrieve in the leaves under severe drought stress,and the inner and outer membranes is
destroyed,hylakoid is disintegrated,starch grain disappeared and parts of cel tissue dismantled into debris.
But the mesophyl ultrastructure and chloroplasts configuration in stems remained complete.Caragana kor-
shinskii utilizes leaf abscission to reduce the surface area exposed to light to avoid the hurt from the ex-
treme drought stress,and retains chloroplast integrity and a considerable amount of chlorophyl to enable a
rapid recovery of photosynthesis under rehydration process.
Keywords:Caragana korshinskii;extreme drought stress;leaf abscission;chloroplast ultrastructure
796 第3期 徐当会等:柠条适应极端干旱的生理生态机制