全 文 ：陈 莹，钟 理，赵丽丽，等． 截叶铁扫帚种子萌发期对岩溶生境高钙干旱的生理生化反应［J］． 江苏农业科学，2014，42(9):335 － 339．
截叶铁扫帚种子萌发期对岩溶生境
高钙干旱的生理生化反应
陈 莹1，钟 理1，赵丽丽2，王普昶1，莫本田1，龙忠富1
(1．贵州省草业研究所，贵州贵阳 550006;2．贵州大学动物科学学院，贵州贵阳 550025)
摘要:中国西南岩溶地区生态脆弱，石漠化问题严重，高钙干旱生境是限制该地区植被恢复与重建的最主要因素。
为了探讨岩溶地区乡土灌木对岩溶生境高钙干旱环境的适应方式，本试验分析了不同强度钙盐(0、10、50、100、
150 mmol /L)、不同强度干旱(CK、5% PEG、10% PEG、15% PEG)胁迫及它们的交互作用下铁扫帚种子萌发期的生理生
化指标变化。结果表明，随着 PEG浓度的增大，SOD(超氧化物歧化酶)活性呈对数函数变化(P ＜ 0． 05)，POD(过氧化
物酶)活性呈指数函数变化(P ＜ 0. 01)，CAT(过氧化氢酶)活性呈对数函数变化(P ＜ 0． 01)，GSH(谷胱甘肽)和可溶
性蛋白含量呈二次曲线变化，表明 SOD、POD、CAT、GSH和可溶性蛋白质含量均能够较好地指示干旱胁迫对种子萌发
期的生理生化伤害程度;随着 Ca2 +浓度的增大，SOD活性呈线性下降趋势(P ＜ 0． 01)，POD活性呈指数函数变化(P ＜
0． 01)，CAT活性无明显规律，GSH含量呈现对数函数变化(P ＜ 0． 01) ，可溶性蛋白呈二次曲线变化(P ＜ 0． 01) ，表明
SOD、POD、GSH和可溶性蛋白质含量均能够较好地指示钙盐胁迫对种子萌发期的生理生化伤害程度，但 CAT活性则
无法指示;交互作用分析表明中高浓度钙可增强截叶铁扫帚对中度干旱的忍耐性，轻度干旱可增强其对中高浓度钙的
忍耐性，重度干旱可增强其对中高浓度钙的忍耐性。说明截叶铁扫帚在长期的干旱富钙环境中，通过高钙干旱交互增
效作用来提高其对环境的适应性。
关键词:Ca2 +胁迫;干旱胁迫;铁扫帚;生理指标;环境适应性
中图分类号:Q945． 78 文献标志码:A 文章编号:1002 － 1302(2014)09 － 0335 － 05
收稿日期:2014 － 01 － 24
基金项目:国家自然科学基金(编号:31260572);贵州省农业攻关
(编号:黔科合 NY 字［2010］3045 号);贵州省自然科学基金(编
号:黔科合 J字［2012］2198);贵州省农业科学院基金(编号:黔农
科合(基金)2010023)。
作者简介:陈 莹，女，贵州独山人，研究实习员，主要从事草地植物
生理生态研究。E － mail:cy860803@ 163． com。
通作作者:钟 理，硕士，助理研究员，主要从事作物遗传育种及生理
生态研究。E － mail:zhongliycy@ 126． com。
中国西南岩溶地区面积达 50 多万 km2，是全球岩溶集中
分布区面积最大、岩溶发育最强烈、景观类型复杂、生物多样
性丰富、生态系统极为脆弱的典型地区［1］。西南岩溶地区广
泛分布着以石灰土为主的非地带性土壤，因基岩多为碳酸盐
(CaCO3)等可溶性盐类而具富钙特征
［2 － 4］。同时，由于岩溶
土层浅薄和岩石的高渗透性，使其土壤持水能力差，土壤频繁
干旱。因此，干旱和高钙已成为岩溶地区鲜明的生境特征，同
时也成为影响该地区植物生理特征及分布情况的重要环境因
素之一［5］。
针对植物物种对干旱、高钙逆境的生存差异，国内外学者
开展了较多研究。关于干旱胁迫对植物的影响一直是国内外
学者研究的热点，并已有了深入的研究［6 － 10］。关于高钙胁迫
对植物的影响近年来成为学者研究的热点，如刘明久等研究
了钙对小麦种子活力的影响，发现低浓度的钙离子提高小麦
种子发芽率及种子活力的原因之一是其提高了种子淀粉酶的
活力，高浓度则对其有抑制作用［11］。陈健等研究发现，低浓
度的钙离子对玉米种子的发芽率和活力均有提高作用，随着
浓度升高作用减弱［12］。张显强研究了伞花木和大白杜鹃在
不同 Ca2 +浓度下的生长情况，发现高浓度促进伞花木的生
长，对大白杜鹃的生长却有抑制作用［13］;当外源 Ca2 +浓度低
于 20 mmol /L 时，2 个树种的 POD活性随着时间的延长不断
提高。张宇斌等比较研究了云贵鹅耳枥和油茶在不同钙浓度
下 POD活性变化，发现当外源 Ca2 +浓度低于 20 mmol /L时，2
个树种的 POD活性随着时间延长不断提高，当外源 Ca2 +浓度
高于 20 mmol /L 后，2 个树种的 POD 活性变化出现显著差
异［14］。张习敏比较研究了云贵鹅耳枥和油茶在高钙处理下
细胞内 Ca2 +定位变化情况，发现与云贵鹅耳枥相比，油茶的
细胞器更容易受高浓度 Ca2 + 的破坏［15］。目前关于植物高
钙、干旱适应机制的研究主要集中在外源钙提高植物抗旱性
方面，而关于植物对高钙、干旱适应的互作机制还鲜有报道。
西南岩溶地区属亚热带气候，太阳辐射能量较高，降水充
沛，水热条件匹配，其地带性植被为常绿阔叶林［16］。但由于
地质运动、气候水文因素和人为多种形式的干扰、破坏和不合
理使用，使得森林植被消失，灌木植物优势相对突出，形成了
以适应嗜钙性、耐旱性和石生性特征强的灌木林［17］。灌丛植
被已成为西南喀斯特地区最具代表性亦最普遍的植被类
型［18］，也是该区石漠化治理的重要物种。截叶铁扫帚
(Kochia scoparia)为豆科胡枝子属多年生小灌木，是西南岩溶
地区广泛分布的乡土灌木之一，由于其具有突出的耐干旱、耐
贫瘠、耐火烧、耐践踏、耐刈割等生态特性，而成为该区石漠化
植被恢复过程的先锋物种。基于此，本试验选取岩溶地区乡
土灌木截叶铁扫帚为研究对象，分析其种子萌发期对钙盐、干
旱及交互作用的生理响应，以期为理解岩溶地区乡土灌木对
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干旱高钙环境的适应机理和岩溶退化生态系统植被恢复过程
中物种配置提供理论参考。
1 材料与方法
1． 1 培养试验
本试验采用贵州本地截叶铁扫帚种子，于 2012 年 4 月在
贵州省草业研究所进行培养。挑选籽粒饱满、大小一致的铁
扫帚种子，用 0． 1%高锰酸钾消毒 15 min，用蒸馏水清洗数
遍，待洗净后用蒸馏水浸种 1 h。
1． 2 高钙与干旱处理
1． 2． 1 Ca 盐胁迫处理 配制 0、10、50、100、150 mmol /L 的
CaCl2溶液，每个培养皿选取 60 粒健康饱满的种子，放入恒温
培养箱中进行培养，每个处理 3 次重复，每日定时定量浇水，
出芽后选取长势一致的健康种子进行试验。
1． 2． 2 PEG － 6000 设置对照、轻度、中度、重度 4 个干旱程
度，分别对应 0%、5%、10%、20% PEG － 6000，配制完成后放
入培养皿中，每个培养皿选取 60 粒健康饱满的种子，每个处
理 3 次重复，种子培养方法同上。
1． 2． 3 交叉胁迫处理 处理如表 1(T1 表示 Tp5 × Ca10，即 5%
PEG与 10 mmol /L Ca交叉胁迫处理，其余类推)，种子培养方
法同上。
表 1 试验交叉处理
PEG
(%)
Ga(mmol /L)
10 50 100 150
5 T1 T2 T3 T4
10 T5 T6 T7 T8
15 T9 T10 T11 T12
1． 3 粗酶液的制备
称取不同处理的铁扫帚种苗各 0． 5 g，用蒸馏水洗净，加
入预冷的提取液 9 mL，冰浴充分研磨，以 10 000 r /min冷冻离
心 20 min，取上清液装入编好号的收集管中，放入 － 20 ℃冰
箱冷藏备用。
1． 4 生理指标的测定
超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定采用氮蓝四唑光还
原法［19］;可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝 G － 250 染
色法;过氧化物酶(POD)活性的测定以每分钟吸光度
(D470 nm)变化 0． 01 为 1 个活力单位;过氧化氢酶(CAT)的活
性以每 1 min分解 1 μmol的过氧化氢为 1 个 CAT活性单位;
谷胱甘肽(GSH)含量测定按刘萍等的方法［20］。以上指标均
用紫外分光光度计测定。
1． 5 统计方法
数据的分析与处理采用 Excel 软件，方差分析与显著性
检验采用 SPSS软件。
2 结果与分析
2． 1 不同 PEG浓度下种子萌发期生理指标变化
不同 PEG浓度下截叶铁扫帚种子萌发期生理指标变化如
图 1所示。SOD活性随 PEG浓度的增大呈对数函数变化趋势
(P ＜0． 05)，POD 活性随 PEG 浓度的增大呈指数函数变化趋
势(P ＜0． 01)，而 CAT活性随 PEG 浓度的增大呈对数函数变
化趋势(P ＜0． 01)，说明随干旱胁迫强度的增强，截叶铁扫帚
体内的抗氧化酶系统被激活，使这 3 种保护酶活性上升。GSH
和可溶性蛋白含量随 PEG 浓度增大的变化幅度不大，呈现正
二次曲线变化趋势，即在轻度干旱(5% PEG)胁迫下，能刺激
植物体内产生较多的 GSH和可溶性蛋白，随着干旱程度加深，
GSH和可溶性蛋白的含量受到抑制。不同 PEG浓度下截叶铁
扫帚种子萌发期生理指标变化综合分析表明，SOD、POD、CAT、
GSH和可溶性蛋白质含量均能够较好地指示干旱胁迫对种子
萌发期的生理生化伤害程度，同时 GSH和可溶性蛋白质含量
还可以反映萌发期种子开始受胁迫伤害的干旱水平。
2． 2 不同 Ca2 +浓度下种子萌发期生理指标变化
不同 Ca2 +浓度下截叶铁扫帚种子萌发期生理指标变化
见图 2。SOD 活性随 Ca2 + 浓度的增大呈线性下降趋势
(P ＜ 0． 01)，POD活性随 Ca2 +浓度的增大呈指数函数变化趋
势(P ＜ 0． 01)，CAT 活性随着 Ca2 +浓度的增大无明显规律，
说明高浓度 Ca2 +对萌发期截叶铁扫帚种子 SOD 活性有抑制
作用，却能提高 POD 活性。GSH 含量随 Ca2 +浓度增大呈现
对数函数变化趋势(P ＜ 0． 01)，说明随 Ca2 +浓度升高，能刺激
植物体内产生 GSH。可溶性蛋白随 Ca2 +浓度增大呈正二次
曲线变化趋势(P ＜ 0． 01)，当 Ca2 +浓度达到 50 mmol /L时，铁
扫帚种子可溶性蛋白含量达到最低，随后大幅上升。不同
Ca2 +浓度下截叶铁扫帚种子萌发期生理指标变化综合分析表
明，SOD、POD、GSH和可溶性蛋白质含量均能够较好地指示
钙盐胁迫对萌发期种子的生理生化伤害程度，同时 GSH和可
溶性蛋白质含量还可以反映萌发期种子开始受胁迫伤害的干
旱水平，但是 CAT活性则无法指示。
2． 3 高钙干旱交互作用下种子萌发期生理指标变化
由图 3 可以看出，不同交互作用下 SOD 活性表现为
Tp10 × Ca100处理对截叶铁扫帚 SOD 活性有减弱作用，Tp15 × Ca10处
理则有增强作用;不同交互作用下 POD活性表现为 Tp5 × Ca10和
Tp5 × Ca50处理对 POD 活性有减弱作用，Tp10 × Ca50、Tp10 × Ca100、
Tp10 × Ca150、Tp15 × Ca10、Tp15 × Ca50、Tp15 × Ca100和 Tp15 × Ca150处理则有增强
作用;不同交互作用下 CAT 活性表现为 Tp5 × Ca10处理对 CAT
活性有减弱作用，Tp5 × Ca100、Tp5 × Ca150和 Tp10 × Ca150处理则有增强
作用。不同交互作用下 GSH 含量表现为 Tp5 × Ca100、Tp10 × Ca10、
Tp10 × Ca100和 Tp15 × Ca150处理对 GSH 含量有减少作用，Tp5 × Ca150、
Tp15 × Ca10、Tp15 × Ca50和 Tp15 × Ca100处理则有增多作用;不同交互作
用可溶性蛋白质含量表现为 Tp5 × Ca10、Tp5 × Ca50、Tp5 × Ca100 和
Tp5 × Ca150处理对可溶性蛋白质含量有增多作用，而在其他处理
下均不明显。进一步分析发现，Tp5 × Ca100处理增强 CAT和可溶
性蛋白，Tp5 × Ca150处理增强 CAT和可溶性蛋白，Tp10 × Ca150处理增
强 POD和 CAT，Tp15 × Ca10处理增强 SOD、POD 和 GSH，Tp15 × Ca50
处理增强 POD 和 GSH;Tp10 × Ca100处理降低了 SOD 和 GSH，
Tp5 × Ca10处理降低了 POD和 CAT。
结合不同 PEG浓度下种子萌发期生理指标变化分析发
现，中高浓度的钙可增强截叶铁扫帚对轻度干旱的忍耐性，高
浓度的钙可增强截叶铁扫帚对中度干旱的忍耐性;结合不同
Ca2 +浓度下种子萌发期生理指标变化分析发现，重度干旱可
增强截叶铁扫帚对低中浓度钙的忍耐性，轻度干旱可增强截
叶铁扫帚对中高浓度钙的忍耐性。综合分析发现，中高浓度
钙可增强截叶铁扫帚对中度干旱的忍耐性，轻度干旱可增强
其对中高浓度钙的忍耐性，重度干旱可增强其对中高浓度钙
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的忍耐性。说明截叶铁扫帚在长期的干旱富钙环境中，通过
高钙干旱交互增效作用来提高其对环境的适应性。
3 讨论
西南岩溶地区石漠化日趋严重，富钙缺水的环境特征对
植物的生长发育影响重大，给石漠化治理带来很大困难，因
此，为恢复石漠化地区的生态系统，研究石漠化地区植物的抗
逆响应机制已成为当今人们关注的热点问题。关于抗旱方面
的研究已有很多报道，如鞠乐等研究发现随着干旱程度的增
加，大麦种子萌发期的 SOD 活性与可溶性蛋白升高，而 POD
与 CAT的活性先升后降［21］。本研究发现随干旱程度的增
加，截叶铁扫帚 SOD活性呈对数函数变化趋势，POD 活性呈
指数函数变化趋势，而 CAT 活性呈对数函数变化趋势，GSH
和可溶性蛋白含量变化幅度不大，呈现正二次曲线变化趋势。
这与鞠乐等人的研究结果类似，但是又有不同，可能是由于不
同植物对干旱胁迫的响应有所差异。因此可以看出 SOD、
POD、CAT、GSH和可溶性蛋白质含量均能够较好地指示干旱
胁迫对种子萌发期的生理生化伤害程度，同时 GSH和可溶性
蛋白质含量还可以反映萌发期种子开始受胁迫伤害的干旱
水平。
围绕钙功能方面的研究也很多，发现钙不仅是植物生长
发育所必需的营养元素，还可作为胞内生理生化反应的第二
信使与耦联胞外信号［22 － 24］;但是直接以钙作为胁迫因子的研
究却很少。廖汝玉等研究表明，与 0． 4 mmol /L 对照处理相
比，枇杷小苗培养 60 d 时，3． 2 mmol /L 胁迫处理枇杷小苗
SOD活性下降，CAT 活性处于动态平衡状态，GSH 含量下
降［23］。而本研究发现随 Ca2 +浓度的增大，截叶铁扫帚 SOD
活性呈线性下降趋势，POD 活性呈指数函数变化趋势，CAT
活性无明显规律;GSH 呈现对数函数变化趋势，可溶性蛋白
随 Ca2 +浓度增大呈正二次曲线变化趋势。说明 SOD、POD、
GSH和可溶性蛋白质含量均能够较好地指示钙盐胁迫对萌
发期种子的生理生化伤害程度，同时 GSH和可溶性蛋白质含
量还可以反映萌发期种子开始受胁迫伤害的干旱水平，但是
CAT活性则无法指示，结果与廖汝玉等的研究结果［23］基本一
致。这可能与钙信使功能有关，每种植物对钙信使的敏感程
度不同，而钙的浓度过高或过低都会直接影响钙的信使功能，
有关钙信使对活性氧伤害的调控作用还需要深入研究。
在自然的环境里，植物受到的胁迫并不是单一存在的，高
钙、干旱是石漠化地区最常见的环境特征，关于高钙、干旱单
一胁迫下的植物生理响应机制研究得很多，而外源钙对植物
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抗逆生理响应机制最近也成为许多学者关注的焦点。诸多报
道表明施加外源钙能有效缓解逆境胁迫(如干旱、低温、高
温、盐害等)对植物造成的伤害，改变 Ca2 +浓度而使钙信使调
控相关基因的表达与一些蛋白和酶的活性从而提高植物对逆
境胁迫的适应性。一些学者对外源钙能提高植物对许多非生
物逆境的适应性做了很多相关研究，发现当植物遭遇干旱胁
迫时，施加一定量的外源钙对膜脂过氧化保护系统的酶活性
具有诱导作用，能提高植物对自由基的清除能力［22 － 24］。此
外，也有学者从植物高钙适应方式角度研究植物的适应性，并
发现专性钙生植物种高钙适应方式和广布植物种高钙适应方
式各不相同，且是各种适生行为共同作用的结果，但不同植物
种所起的主导行为不同［25］。本研究从植物对干旱与高钙的
互作机制角度分析了截叶铁扫帚对高钙干旱生境的生理生
化行为，发现中高浓度钙可增强截叶铁扫帚对中度干旱的
忍耐性，轻度干旱可增强其对中高浓度钙的忍耐性，重度干
旱可增强其对中高浓度钙的忍耐性。说明截叶铁扫帚在长
期的干旱富钙环境中，通过高钙干旱交互增效作用来提高
其对环境的适应性。
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