免费文献传递   相关文献

干旱胁迫对小蓬竹生理生化特性的影响



全 文 :西北农业学报 2013,22(9):153-157
Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica  doi:10.7606/j.issn.1004-1389.2013.09.025
干旱胁迫对小蓬竹生理生化特性的影响
收稿日期:2013-03-13  修回日期:2013-04-23
基金项目:贵州省国际科技合作计划项目[(2013)7010]。
第一作者:刘济明,男,博士,教授,从事植物生态学研究。E-mail:karst0623@163.com
刘济明1,李 鹏1,廖小锋2,赵晓鹏1,
文 萍1,池 馨1,颜 强1
(1.贵州大学 林学院,贵阳 550025;2.贵州科学院 贵州省山地资源研究所,贵阳 550001)
摘 要 以小蓬竹幼苗为试验材料,采用人工控水的方法,设置田间持水量的60%(轻度干旱,LD)、40%(中
度干旱,MD)、20%(重度干旱,SD)3个水分胁迫梯度,以田间持水量的80%为对照(CK),研究了小蓬竹生理
生化特性对水分胁迫的响应情况。结果表明,经过70d水分胁迫试验,可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量,
在LD条件下呈上升趋势,MD、SD条件下,上升显著,且脯氨酸含量持续累积。随着干旱胁迫的增强,MDA
含量缓慢下降,质膜透性变化不明显,SOD活性变化幅度较小,CAT活性表现为先升后降趋势,但是上升幅
度较小,POD活性逐渐上升。研究认为,小蓬竹通过体内的生理生化机制,尤其通过增加渗透调节物质的含
量及保护酶间的协调作用,以降低膜脂过氧化程度,实现对干旱胁迫较强的忍耐性和较好的适应性。
关键词 小蓬竹;干旱胁迫;MDA;保护酶活性;膜脂过氧化
中图分类号 Q945.78   文献标志码 A     文章编号 1004-1389(2013)09-0153-05
Effect of Drought Stress on Physiological and Biochemical
Characteristics in Drepanostachyum luodianense
LIU Jiming1,LI Peng1,LIAO Xiaofeng2,ZHAO Xiaopeng1,
WEN Ping1,CHI Xin1 and YAN Qiang1
(1.Forestry of Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Institute of Mountain
Resources,Guizhou Academy of Sciences,Guiyang 550001,China)
Abstract Taken the seedlings of Drepanostachyum luodianense as the materials,the indexes of phys-
iological and biochemical characteristics were analyzed under different water treatments,including
60%(low drought stress,LD),40%(moderate drought stress,MD),20%(severe drought stress,
SD)of field capacity,and 80%(control,CK)of field capacity as the control.After 70days of drought
stress,the results showed that the osmotic substances including soluble sugar,soluble protein and
proline presented ascending trend under LD,the ascending range was significant under LD or SD,and
proline had obvious accumulation.With the increasing of drought stress,the content of MDA declined
slowly,the plasma membrane of D.luodianense did not change obviously;the activities of SOD re-
mains almost the same;the activities of POD rose gradualy;the activity of CAT rose at first and low-
ered later,the increasing extent was relatively smal.We concluded that D.luodianense could endure
and adapt to drought stress in some extents through physiological and biochemical mechanisms,espe-
cialy through increasing the content of osmotic substances and coordinating the activity of protective
enzymes.
Key words Drepanostachyum luodianense;Drought stress;MDA;Activity of protective enzyme;
Membrane lipid peroxidation
  水分是构成植物的必要成分,也是树木赖以
生存的必不可少的因子之一。地球上有1/3以上
的土地面积属于干旱、半干旱地区[1],研究植物对
干旱胁迫的适应性及其机制,日益受到国内外学
者的重视。在长期进化过程中,植物为了适应干
旱胁迫,发生一系列生理生化反应,并逐渐形成一
些特异耐旱机制。干旱胁迫下植物膜脂过氧化作
用及保护酶系统活性,如超氧化物歧化酶(SOD)、
过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等的变化
已经广泛用于植物对逆境的反应机制研究[2]。生
物自由基伤害学说认为,在逆境条件下,细胞内自
由基代谢的平衡被破坏将会引发自由基的积
累[3],过剩的自由基会引发膜脂过氧化作用,其最
终分解产物丙二醛(MDA)含量也会增加,会造成
细胞膜系统破坏,严重时导致植物死亡[4]。保护
酶系统能有效地清除 O2-· 、OH-、H2O2-等自由
基,防御膜脂过氧化,从而使细胞膜免受其伤害。
小蓬竹(Drepanostachyum luodianense)又
名“藤竹”系竹亚科镰序竹属植物,竹体圆筒状,竹
秆下部直立,上部悬垂呈藤本状,地径 4~
15mm,高或长可达10m,以克隆繁殖为主,是中
国特产的一次性开花结实的合轴丛生型竹种,在
《中国物种红色名录》中被列为极危种。小蓬竹种
群主要分布于罗甸县、长顺县、紫云苗族布依族自
治县、望谟县的喀斯特山地[5],它不仅具有经济和
社会效益,如造纸、编织凉椅及农具等,且其株型
美观,整株植株可用作优良的梯度绿化及园林绿
化竹种,具有良好的开发前景。
小蓬竹在喀斯特生态系统中发挥着水源涵
养、水土保持、养分平衡等生态功能[6],而喀斯特
环境下由于降水分布的时空不均匀性,土体的不
连续性,植被覆盖率低导致的涵养水源功能较差
等方面的原因,使得整个喀斯特区域针对植物的
临时性干旱事件频发[7]。同时,干旱胁迫对小蓬
竹生理生化特性影响的研究却鲜有报道,而明确
渗透调节物质、MDA、保护酶系统等对干旱胁迫
的反应是从机制上了解小蓬竹适应喀斯特生境的
重要内容。为此,本试验通过70d的盆栽控水试
验,研究小蓬竹对干旱胁迫的响应,旨在探讨干旱
胁迫对小蓬竹相关生理生化特性与抗旱性的关
系,为小蓬竹耐旱机制的研究提供一定的理论
支撑。
1 材料与方法
1.1 供试材料
2009年7月中旬从原生地贵州罗甸县董架
乡将长势较为一致的野生小蓬竹竹丛截杆(地上
部分保留0.8m长度)后移栽至贵州大学林学院
苗圃。移栽竹丛于9月长出新叶,次年8-9月发
笋,成功进行更新繁殖。2010年12月将成活的
长势较为一致的小蓬竹竹丛进行分蔸繁殖。分蔸
时,将竹丛于圃地挖出,尽量避免伤害根系,于自
来水下冲洗掉竹篼附带的泥土,用枝剪剪出根系
较完整的小蓬竹无性系分株。选取根系较为一致
的分蔸后的小蓬竹植株,种植于规格一致的聚丙
烯花盆内(底部内径24cm,盆口内径29cm,盆高
22cm),土壤统一采用经多菌灵消毒后的喀斯特
石灰土,而后进行常规的统一水肥管理。小蓬竹
分蔸盆栽后老叶逐渐脱落,于当年冬季置温室内
越冬,春季气温回暖后搬出大棚置开阔处自然状
态下,盆栽苗于2011年3月长出新枝叶。
1.2 试验设计
干旱胁迫试验时段设置为7月底至10月初,
以 Hsiao[8]在1973年提出的中生植物水分梯度
的划分为基本依据。设置4个土壤水分梯度:其
土壤质量含水量分别为田间持水量的 80%
(CK)、60%(轻度胁迫,LD)、40%(中度胁迫,
MD)、20%(重度胁迫,SD),每处理3个重复,每
重复3盆。
2011-07-25开始控水处理,采用盆栽称量控
水法[9]。试验于贵州大学林学院苗圃大棚内进
行,为避免降水对试验的影响,每天17:00-18:
00称量并调节水分状况(电子称,感量5g),至8
月5日各处理组均达到设定的水分条件,至10月
18日胁迫处理结束,期间不施肥并随时拔除杂
草。
1.3 测定项目及方法
叶片中可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝
G-250染色法,可溶性糖和可溶性淀粉含量采用
蒽酮比色法,游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮显
色法,上述指标均参照邹琦[10]方法进行测定。
叶片质膜透性采用邹琦的方法,用DDS-11A
型电导率仪测定,以相对电导率表示。叶片
MDA含量采用 TBA 显色法测定,SOD活性用
NBT光还原法测定,CAT 活性采用 H2O2 还原
·451· 西 北 农 业 学 报 22卷
法[10]测定,POD活性采用愈创木酚氧化法[11]测定。
1.4 数据处理
采用SPSS17.0软件对数据进行统计分析,
采用新复极差法(s-n-k)进行差异显著性检验,用
Excel 2003软件进行图表处理。
2 结果与分析
2.1 干旱胁迫对小蓬竹渗透调节作用的影响
表1显示,小蓬竹叶片可溶性蛋白质含量大
小为SD>MD>LD>CK,干旱胁迫下普遍高于
CK,其中 MD、SD相对于CK、LD有极显著提高;
可溶性淀粉与可溶性蛋白质含量相反,不但 MD、
SD极显著低于CK和LD,且SD也极显著低于
MD;可溶性糖与游离脯氨酸含量大小均为SD>
MD>LD>CK,除CK与LD外,各处理间差异极
显著。此外,脯氨酸含量在MD胁迫下,表现急剧上
升的趋势且逐渐累积,其含量约是LD的3.5倍。
2.2 干旱胁迫对小蓬竹质膜透性与 MDA含量
的影响
由图1可看出,LD处理下小蓬竹相对电导
率(0.224 0)略小于 CK(0.237 4),而 MD
(0.247 2)、SD(0.250 6)略大于CK,且各处理间
差异均不显著。表明小蓬竹细胞原生质膜受到的
伤害并不明显。
图2显示,LD处理下小蓬竹叶片 MDA含量
与CK 间差异很小 (分别为 24.44 与 24.22
μmol/g);MD处理下 MDA含量(22.27μmol/g)
比CK和LD略有下降但差异不显著;而SD处理
下小蓬竹叶片 MDA含量(18.13μmol/g)极显著
低于前3者。干旱胁迫下的膜质过氧化产物
MDA含量反而低于CK,表明干旱胁迫下小蓬竹
叶片细胞膜伤害程度较轻,这正好印证了质膜相
对透性与CK差异较小的结果。
2.3 干旱胁迫对小蓬竹抗氧化物酶活性的影响
图3显示,胁迫处理结束时LD、MD、SD处
理下小蓬竹叶片内SOD活性(分别为274.11、
306.45、284.78U/g)比CK(291.94U/g)略低或
略高,但差异不显著。总体来看,经过70d不同
程度的干旱胁迫,各处理的SOD活性维持在与
CK同一水平,这一结果与板栗幼苗遭受2月不
同程度干旱胁迫后的SOD活性类似[12]。作为诱
导酶,SOD活性受底物O2-· 浓度的影响[13],干旱
胁迫70d时小蓬竹叶片内SOD活性与CK间也
无显著差异,可能由于O2-· 在胁迫过程中被几种
保护酶协同清除所导致。
表1 干旱胁迫小蓬竹叶片渗透调节物质
Table 1 Effects of drought stresses on osmotic adjustment substance in leaves of D.luodianense
处 理
Treatment
可溶性蛋白质含量/(mg/g)
Soluble protein content
可溶性淀粉含量/(mg/g)
Soluble starch content
可溶性糖含量/(mg/g)
Soluble sugar content
游离脯氨酸含量/(μg/g)
Free proline content
CK  8.98±0.10aA  20.48±1.05aA  7.96±0.22aA  37.42±3.38aA
LD  9.68±0.41aA  19.53±0.73aA  8.19±0.20aA  45.79±4.46aA
MD  12.09±0.18bB  14.65±1.12bB  11.87±0.51bB  159.56±11.53bB
SD  12.74±0.56bB  9.27±0.50cC  14.22±0.23cC  267.38±31.41cC
注:同列不同小写字母间表示差异显著(P<0.05),不同大写字母间表示差异极显著(P<0.01)。下同。
Note:The different lowercase letters in the same column mean significant difference(P<0.05),the different capital letters in the same
column mean extremely significant difference(P<0.01).The same below.
图1 干旱胁迫下小蓬竹质膜相对透性
Fig.1 The relative permeability of plasma membrane
of D.luodianense under drought stress
图2 干旱胁迫下小蓬竹 MDA含量
Fig.2 The MDA content of D.luodianense
under drought stress
·551·9期 刘济明等:干旱胁迫对小蓬竹生理生化特性的影响
  图4显示,随着干旱胁迫程度的加重,小蓬竹
叶片CAT活性逐渐下降,但LD(899.21U/g)处
理下几乎与 CK(897.67U/g)无差异,仅 MD
(734.58U/g)、SD(683.33U/g)处理下CAT活
性极显著低于CK,脂松苗木针叶CAT活性经历
近1个月不同程度干旱胁迫后与小蓬竹有类似结
果[14],更多的研究显示植物叶片CAT活性在干
旱胁迫下会升高[15-17]。
图3 干旱胁迫下小蓬竹SOD活性
Fig.3 SOD activity of D.luodianense
under drought stress
图4 干旱胁迫下小蓬竹CAT活性
Fig.4 CAT activity of D.luodianense under drought stress
图5 干旱胁迫下小蓬竹POD活性
Fig.5 POD activity of D.luodianense under drought stress
  从图5可以看出,POD活性在干旱胁迫结束
后表现出的差异与CAT活性相反,POD活性随
着胁迫程度的加重逐渐升高,LD(935.63U/g)、
MD(970.94U/g)处理下显著高于CK(762.08
U/g),SD(1 129.06U/g)处理下极显著高于
CK,且显著高于LD及 MD。表明,小蓬竹叶片内
POD在干旱胁迫下维持较高的活性,这一结果与脂
松[14]、黄檗[15]、金叶榆[18]的抗旱研究结果一致。
3 讨 论
经过70d的盆栽控水处理,各处理下小蓬竹
质膜相对透性与 CK 间差异不显著(图1),而
MDA含量逐渐下降,其中SD处理下降显著(图
2)。质膜相对透性以及细胞膜过氧化程度可反映
植物原生质膜的受害强度[10],说明干旱胁迫下小
蓬竹叶片细胞质膜透性没有发生实质性改变,细
胞膜受害较轻。仅从试验条件与研究深度可以看
出,在干旱胁迫下,小蓬竹至少从以下2个方面进
行了调节,以适应干旱环境。
小蓬竹通过提高细胞内渗透调节的主要物质
可溶性糖和游离脯氨酸含量,主动进行渗透调节,
维持水分平衡[19-20]。小蓬竹游离脯氨酸含量的积
累,不仅提高细胞的渗透压,也能帮助清除体内产
生的过多活性氧[21];而可溶性淀粉含量的下降可
能是因为淀粉被降解为其他可溶性糖类[22];可溶
性蛋白的积累(表1)可能与调渗蛋白 Osm 蛋
白[20]以及高度亲水蛋白Lea蛋白[23]的诱导合成
有关。
小蓬竹对抗氧化酶活性进行协调,包括对
SOD活性的维持、CAT活性的降低和POD活性
的提高,保证对干旱胁迫下加速产生的活性氧的
有效清除,降低活性氧对细胞原生质膜的伤害。
干旱胁迫下,植物需要维持甚至提高体内抗氧化
保护酶活性或抗氧化剂含量来清除积累的活性
氧,且保护酶类之间的协同作用也尤为重要[24-25]。
小蓬竹保护酶类活性上的协同变化,有助于对干
旱诱导加速产生的活性氧的清除。
本试验研究表明,小蓬竹作为喀斯特适生竹
种,经过长期的环境适应,其对喀斯特地区频发的
临时性干旱已有良好的适应性。在70d的轻度
干旱(LD)下,小蓬竹并未表现出不适应状况,其
他植物的类似研究也显示,适度干旱胁迫能增强
植物对干旱的适应性[26];在中度干旱(MD)及重
度干旱(SD)条件下,小蓬竹一些生理生化指标相
·651· 西 北 农 业 学 报 22卷
对于CK均发生显著或极显著的变化,但植株依
然能够维持生命。表明小蓬竹对中度干旱及重度
干旱有一定耐受性。鉴于小蓬竹的这种表现,笔
者认为小蓬竹基本能够适应轻度干旱环境,能在
该环境下良好地生长;而对于中度干旱及重度干
旱环境,小蓬竹的维持时间在70d以上,但具体
耐受时间还有待进一步研究。
Reference(参考文献):
[1] Guo W H,Li B,Huang Y M,et al.Effects of different water
stresses on eco-physiological characteristics of Hippophae
rhamnoides seedlings[J].Acta Botanica Sinica,2003,45
(10):1238-1244.
[2] Bowler C,Montagu M V,Inze D.Superoxide dismutase and
stress tolerance[J].Annual Review of Plant Physiology and
Plant Molecular Biology,1992,43:83-116.
[3] Mccord J M,Fridovich J.Superoxide dismutase:An enzymic
function for erythrocuprein(Hemocaprein)[J].Journal of
Biological Chemistry,1969,224:6049-6055.
[4] Fridorich I.Superoxide dismutase[J].Annual Review of Bi-
ochemistry,1975,44:147-159.
[5] LIU Jiming(刘济明).Study on the ecological characteristics
of Drepanostachyum luodianense in Guizhou Karst area
[D].Beijing:Beijing Forestry University(北京林业大学),
2010(in Chinese with English abstract).
[6] MENG Chaoyang(蒙朝阳).The research on community
ecology and breeding cultivation techniques of Drepanos-
tachyun luodianense in Karst area[D].Guiyang:Guizhou
University(贵州大学),2008(in Chinese with English ab-
stract).
[7] ZHU Shouqian(朱守谦).The research on Karst rocky
mountain water characteristics in Wujiang drainage area(乌
江流域喀斯特石质山地水分特征研究)[M].Guiyang:
Guizhou Techn-ology Press,2003:30-37(in Chinese).
[8] Hsiao T C.Plant responses to water stress[J].Annual Re-
view of Plant Physiology,1973,24:519-570.
[9] GUO Lin(国 琳),ZHANG Jinsong(张劲松),MENG Ping
(孟 平),et al.The effect of soil water stress on photosyn-
thetic and water use characters of Cornus officinalis[J].
Journal of Agricultural University of Hebei(河北农业大学
学报),2010,33(1):21-26(in Chinese with English ab-
stract).
[10] ZOU Qi(邹 琦).The Guide of Plant Physiology Experi-
ment(植物生理学实验指导)[M].Beijing:China Agricul-
ture Press,2000:11-12,23-24,62-63,72-75,110-114,127-
130,159-168,173-174(in Chinese).
[11] CHEN Jianxun(陈建勋),WANG Xiaofeng(王晓峰).The
Guide of Plant Physiology Experiment(植物生理学实验指
导)[M].Guangzhou:South China University of Technolo-
gy Press,2002:119-122(in Chinese).
[12] SHI Zhongjie(时忠杰),DU Apeng(杜阿朋),HU Zhesen
(胡哲森),et al.Effect of soil water stress on active oxy-
gen metabolism of chestnut seedling leaves[J].Forest Re-
search(林业科学研究),2007,20(5):683-687(in Chinese
with English abstract).
[13] HU Guoxia(胡国霞),MA Lianju(马莲菊),CHEN Qiang
(陈 强),et al.Research progress on the response of
plant antioxidant system to water stress and rewatering
[J].Anhui Agricultural Sciences(安徽农业科学),2011,39
(3):1278-1280,1282(in Chinese with English abstract).
[14] LIU Yali(刘亚丽),WANG Qingcheng(王庆成),LIU
Shuang(刘 爽),et al.Effects of water stress on plasma
membrane permeability and protective enzyme activities of
red pine seedlings needles[J].Buletin of Botanical Re-
search(植物研究),2011,31(1):49-55(in Chinese with
English abstract).
[15] LI Xia(李 霞),YAN Xiufeng(阎秀峰),YU Tao(于 
涛).Effects of water stress on protective enzyme and lipid
Phellodendron amurense seedlings[J].Chinese Journal of
Applied Ecology(应用生态学报),2005,16(12):2353-
2356(in Chinese with English abstract).
[16] WANG Zhucheng(王竹承),LIANG Zongsuo(梁宗锁),
DING Yonghua(丁永华).Effect of water stress on growth
and physiological characteristics of Isatis tindigotica root
[J].Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica(西北农
业学报),2010,19(12):98-103(in Chinese with English
abstract).
[17] QI Jianbo(齐建波),RONG Xinmin(荣新民),CHEN Hu
(陈 虎),et al.Effect of different water stress quantity on
leaf water potential and the physiological indexes of grape
[J].Journal of Shihezi University:Natural Science Edition
(石河子大学学报:自然科学版),2011,29(4):437-441(in
Chinese with English abstract).
[18] SHI Baosheng(史宝胜),LIU Dongyun(刘冬云),ZHANG
Xiaolei(张晓磊),et al.Effects of water stress on water
content,relative membrane permeability and activity of an-
tioxidant enzymes of Chinese golden leaf elm[J].Acta Ag-
riculturae Boreali-occidentalis Sinica(西北农业学报),
2010,19(9):88-92(in Chinese with English abstract).
[19] Bohnert H J,Jensen R G.Stratigies for engineering water-
stress solerance in plants[J].Trend in Biontechnology,
1996,14:89-97.
[20] PU Guanglan(蒲光兰),YUAN Dagang(袁大刚),HU
Xuehua(胡 学 华),et al.Characteristics of Prunes ar-
menaaca against Drought[J].Journal of Northwest For-
estry University(西北林学院学报),2005,20(3):40-43(in
Chinese with English abstract).
[21] HAN Ruilian(韩蕊莲),LI Lixia(李丽霞),LIANG Zong-
suo(梁宗锁).Seabuckthorn relative membrane conductivi-
ty and osmotic adjustment under drought stress[J].Acta
Botanica Boreali-occidentalia Sinica(西北植物学报),2003,
23(1):25-27(in Chinese with English abstract).
[22] CHAI Chenglin(柴成林),LI Shaohua(李绍华),XU Ying-
chun(徐迎春).Carbohydrate metabolism in peach leaves
during water stress and after stress relief[J].Plant Physi-
ology Communications(植物生理学通讯),2001,37(6):
495-498(in Chinese with English abstract).
[23] Singh N K,Nelson D E,Kuhn D,et al.Molecular Cloning
of Osmotin and Regulation of Its Expression by ABA and
Adaptation to Low Water Potential[J].Plant Physiology,
1989,90(3):1096-1101.
[24] Yamasaki H,Uefuji H,Sakihama Y.Bleaching of the red
anthocyanin induced by superoxide radical[J].Arch Bio-
chem Biophys,1996,332(1):183-186.
[25] Mittler R,Vanderauwera S,Golery M,et al.Reactive oxy-
gen gene network of plants[J].Trends in Plant Science,
2004,9:490-498.
[26] JI Kongshu(季孔庶),SUN Zhiyong(孙志勇),FANG Yan
(方 彦).Research advance on the drought resistant in
forest[J].Journal of Nanjing Forestry University:Natural
Sciences Edition(南京林业大学学报:自然科学版),2006,
30(6):123-128(in Chinese with English abstract).
·751·9期 刘济明等:干旱胁迫对小蓬竹生理生化特性的影响