全 文 ：第 30 卷 第 5 期 干 旱 区 资 源 与 环 境 Vol． 30 No． 5
2016 年 5 月 Journal of Arid Land Ｒesources and Environment May． 2016
文章编号:1003 － 7578(2016)05 － 180 － 05 doi:10． 13448 / j． cnki． jalre． 2016． 167
干旱胁迫下旱地油杉生理生化指标动态变化
*
牟凤娟1，陈丽萍2，李军萍2，李一果3
(1．西南林业大学林学院，昆明 650224;2．玉溪农业职业技术学院，玉溪 653106;3．昆明市生物资源开发创新办公室，昆明 650500)
提 要:对旱地油杉叶片水分、丙二醛、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等生化成分在干旱胁迫下的动态
变化规律进行了研究。结果表明:随着干旱胁迫强度的增加，各种指标表现出不同的变化规律，其中相对含水
量为略升高→下降;丙二醛含量为升高→下降;脯氨酸含量为下降→升高;可溶性糖含量为略升高→
急剧下降→略升高;可溶性蛋白质含量为下降→升高→下降。从多种生化成分的变化规律可知，旱地油杉
早期抗旱能力可能与可溶性糖和可溶性蛋白等成分有关，后期则主要与脯氨酸的渗透调节密切相关。
关键词:干旱胁迫;旱地油杉;生理生化指标;动态变化
中图分类号:Q142． 9 文献标识码:A
干旱是植物生活的重要限制因子之一，水分缺乏会严重阻碍植物的生长、发育。干旱、半干旱地区约
占世界陆地总面积的 33%，在我国则占到 45%［1］，主要分布在我国西部地区，在该地区干旱、半干旱地区
面积约占 83%。随着全球干旱化区域的扩大以及强度的增加，对水分胁迫影响植物的机理及抗旱种类的
选育研究日趋重要。因而，在我国西部干旱地区对植物抗旱机理、抗旱植物选育以及提高节水栽植技术进
行研究，于西部大开发及我国的生态环境建设均具有十分重要的意义。通过研究植物在干旱胁迫下的生
理生化变化规律是探求植物抗旱机理的重要内容之一，目前研究主要集中在不同种类间抗旱性的比
较［2 － 9］，而对同一种植物在不同水分胁迫压力下的动态变化规律则研究不多［10 － 14］。一般而言，裸子植物
较被子植物更能适应高温、干旱环境，其耐旱性也较强［15］。油杉属(Keteleeria)植物一般具有肉质粗壮的
根，大部分种类对干旱逆境具有一定的抵抗能力。旱地油杉(K． xerophila)仅分布于云南省元江上游干热
河谷的局部区域［16］，在长期进化中已适应干热河谷的特殊气候和土壤条件。研究旱地油杉的抗旱机制对
该物种及油杉属植物的抗旱育种和资源利用，以及干热河谷地区生态环境保护和抗旱育种具有重要意义。
文中对旱地油杉叶片水分及多种生化成分在干旱胁迫下的动态变化进行研究，以期从生理生化角度对其
抗旱机理进行初步探讨。
1 材料与方法
1． 1 实验材料
于 2011 年 11 月在云南省新平县水塘乡采集旱地油杉成熟球果，自然风干，种子带种翅低温保存;
2012 年 3 月种子剪除种翅后湿沙催芽，出芽后以红土:草泥炭 = 3:1 为基质进行播种育苗;幼苗常规管理。
1． 2 水分胁迫处理
2014 年 9 月将盆栽幼苗转移至温室管理。预备实验以 5d 为一个干旱处理梯度，发现自然干旱处理
20d后，2 年生幼苗基本表现出明显的受害症状，叶片干枯、脱落。实验期间环境温度为 13 ～ 30℃，空气相
对湿度为 33 ～ 69%。鉴于温度较冬季时明显回升，设每 4d 为一个干旱处理梯度。2015 年 4 月对幼苗一
次性充分浇水后于温室内自然失水，对照组于每次采样前一天浇透水。在干旱处理后的第 0d、4d、8d、
12d、16d、20d，分别取对照组和处理组植株上、中、下各部位叶片混匀，测定各项生理生化指标。
1． 3 实验方法
* 收稿日期:2015 － 6 － 10。
基金项目:云南省教育厅重点项目(2012Z07)资助。
作者简介:牟凤娟(1977 －) ，女，副教授，博士，主要从事植物分类及干旱逆境生态研究。E － mail:moufengjuan@ 126． com
叶片水分含量测定采用烘干法:含水量(%)=((鲜重 －干重) /鲜重)× 100%;相对含水量 ＲWC
(%)=((鲜重 －干重)/ (饱和重 －干重) )× 100%。丙二醛(MDA，malondialdehyde)含量测定采用硫代
巴比妥酸法［17］，脯氨酸(Pro，proline)含量采用茚三酮比色法测定，可溶性糖(SS，soluble sugar)含量测定采
用蒽酮比色法，可溶性蛋白质含量(SP，soluble protein)测定采用考马斯亮蓝 G －250 法测定［18］。每个处理
每个指标均重复测定三次，取平均值。
1． 4 数据处理
采用 Microsoft Excel软件计算、处理数据，并制作趋势图分析实验数据。
2 结果与分析
2． 1 含水量变化
植物叶片的相对含水量(ＲWC，relative water content)是其体内各种供水机制和保水机制综合作用的
结果。干旱条件下，当植物的 ＲWC较高时能较好地维持体内水分平衡，以保证各种生理生化代谢活动正
常进行，表现出较强的抗旱能力［19 ～ 20］。因此，可将叶片的相对含水量作为植物种质抗旱性鉴定的重要指
标［2，21］。
由图 1 和图 2 可知，旱地油杉对照组叶片含水量缓慢下降，而相对含水量逐渐上升，可能与温度逐渐
上升导致代谢活动加强有关。处理组叶片的含水量逐渐下降，在第 8d ～ 16d间下降极为明显;相对含水量
随着干旱胁迫的加深，表现为略升高→下降的趋势，在干旱处理第 4 ～ 8d 间达到最大值。两项水分指
标结果说明，随着干旱胁迫的加深，旱地油杉维持水分平衡的能力在第 4 ～ 8d 时达到最大，此时植物体受
干旱损害程度为最小;在第 8 ～ 16d间水分含量减少幅度最大时植株的耐旱能力弱。
图 1 叶片含水量变化
Figure 1 The change of water content of leaf
图 2 叶片相对含水量变化
Figure 2 The change of relative water content of leaf
2． 2 丙二醛含量变化
植物体内的丙二醛是细胞质膜过氧化作用的产物之一，可导致细胞膜透性增加，加剧质膜的损伤。
MDA含量的增加还可间接导致叶片相对含水量降低，相对电导率增高，从而使叶片萎蔫，表现出旱害症
状。干旱胁迫下若膜脂过氧化产物 MDA含量较低，细胞膜稳定性较高，则植物忍受体内水分亏缺的能力
较强，其抗旱性也较强;反之则弱。MDA含量的高低可反映质膜过氧化的程度，可作为植物抗旱性鉴定的
可靠指标［21］。
旱地油杉叶片 MDA含量在对照组呈现降低→上升→降低的变化，可能与昆明地区气温的急剧变
化有关。而处理组叶片 MDA含量却在干旱胁迫处理的前 12d 内急剧上升，其后急剧下降，呈现出升高
→降低的变化规律(图 3)。MDA含量的变化情况说明，旱地油杉的细胞质膜透性在干旱处理的第 12d
达到最大，此时干旱缺水造成的伤害最大;在干旱处理第 12d后，MDA值迅速下降。
2． 3 脯氨酸含量变化
脯氨酸是植物在干旱胁迫条件下的渗透调节物质，组织内脯氨酸含量增加，不仅使植物的渗透调节能
力增强，保持细胞与环境间的渗透平衡，防止植物体水分散失，还可能直接影响体内蛋白质的稳定性。因
此，将植物体内脯氨酸含量变化的大小作为其抗旱评价能力的指标具有一定的可行性［9］。
由图 4 可知，旱地油杉对照组叶片的脯氨酸含量受温度的影响较大;而随着水分胁迫程度的加深，旱
地油杉叶片内脯氨酸含量在处理的前 6 d内降低到最低值，其后逐渐上升，呈降低→上升的趋势。由此
可初步判断，脯氨酸在旱地油杉的渗透调节中发挥了较大作用。
2． 4 可溶性糖含量变化
·181·第 5 期 牟凤娟等 干旱胁迫下旱地油杉生理生化指标动态变化
图 3 叶片丙二醛含量变化
Figure 3 The change of MDA content of leaf
图 4 叶片脯氨酸含量变化
Figure 4 The change of proline content of leaf
随着体内可溶性糖浓度增高，植物的渗透势增大，其持水力增强，在逆境下细胞失水的可能性也越小，
说明植物的抗旱性能在逐渐增强。
随着温度逐渐升高，旱地油杉对照组叶片中可溶性糖含量呈逐渐升高的趋势;处理组的可溶性糖含量
在前 6d内缓慢上升，在第 6d到第 16d期间，可溶性糖含量急剧下降，之后又略上升(图 5)。处理组叶片
中可溶性糖含量表现出略升高→急剧下降→略升高的变化规律，说明可溶性糖成分可能在干旱初期参
与了旱地油杉的渗透调节活动。
图 5 叶片可溶性糖含量变化
Figure 5 The change of soluble sugar content of leaf
图 6 叶片可溶性蛋白质含量变化
Figure 6 The change of soluble protein content of leaf
2． 5 可溶性蛋白质含量变化
可溶性蛋白作为一种渗透调节物质，在植物细胞适应干旱胁迫中起着重要作用［22］;郭卫东等发现可
溶性蛋白在植物抵抗干旱环境过程中的作用与可溶性糖相似，可增强细胞的保水能力［23］。此外，植物在
遭受干旱胁迫后也会合成新的蛋白质以抵御逆境，抗旱能力强的种类或品种在较高胁迫强度下可溶性蛋
白质含量相对较高。
从图 6 可看出，旱地油杉叶片中可溶性蛋白质含量在前 4d 明显上升，从第 4d 到第 12d 间下降，从第
12d到第 16d间又上升，呈现出下降→升高→下降变化趋势。与对照相对比，可溶性蛋白质含量于水分
胁迫条件下在前 8d内表现为上升→下降，说明干旱胁迫下旱地油杉在前 4d 内合成了更多的蛋白质以
降低水分胁迫造成的伤害。
3 讨论
3． 1 干旱胁迫对水分生理的影响
植物体内相对含水量仅表明其受旱时的水分状况，可初步了解植物的受旱程度，但不能说明其抗旱能
力。在相同水分条件下，比较各植物间的相对含水量，可反映它们维持水分平衡的能力。相对含水量较小
时植物失水也较快［5］，白洁冰等研究发现在严重干旱 30d 后，食松(Pinus edulis)针叶相对含水量为 88．
15%，仍能保持体内相对较高的含水量，较樟子松(P． sylvestris var． mongolica)、油松(P． tabuliformi)具有
更强的保水、吸水和抗脱水能力［4］;柏科(Cupressaceae)中沙地柏(Sabina vulgaris)、桧柏(S． chinensis)和
刺柏‘蓝箭’(Juniperus formosana‘Blue Arrow’)3 个种类的相对含水量在水分胁迫下均表现为持续降低，
其中刺柏‘蓝箭’的下降幅度最大，表明其保水力不强;而沙地柏和桧柏的下降速度较为缓慢，说明其保水
力较‘蓝箭’强［11］。
一般而言，树种叶片的相对含水量在渗透胁迫期间随失水时间延长而降低，如长白落叶松(Larix ol-
gensis )、红皮云杉(Picea koraiensis )、樟子松、油松和水曲柳(Fraxinus mandschurica )［5］，北美香柏(Thuja
·281· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 30 卷
occidentalis)［14］及沙地柏、桧柏和刺柏‘蓝箭’［11］。云南红豆杉(Taxus yunnanensis)叶片相对含水量随着光
照增强而变大，其抗旱保水和抵御水分胁迫的能力随着光照强度的增强而变大［24］。旱地油杉相对含水量
在干旱处理下呈先上升后下降的趋势，研究结果与杉木(Cunninghamia lanceolata)10 个无性系的变化规律
相一致［7］。与大多研究结果不同的是，旱地油杉相对含水量在干旱处理的前 8d 呈现略上升的趋势，此变
化规律是否与叶片气孔关闭有关联，尚需从解剖学角度予以论证。
3． 2 干旱胁迫对丙二醛含量的影响
随着水分胁迫的增强，植物体内的 MDA 含量一般呈现升高→降低→升高的趋势，如红松(Pinus
koraiensis)幼苗叶中 MDA含量在干旱处理后第 3d迅速上升［25］。其他研究却发现在水分胁迫程度不断增
加的过程中，5 种云杉属和 4 种冷杉属植物的 MDA 含量以不同的速率逐渐增加［12 ～ 13］。旱地油杉叶片中
MDA含量随着体内含水量的减少表现出升高→降低的变化规律，并在干旱胁迫的第 12d 达到最大，细
胞质膜伤害在第 12d后趋于缓解。出现此种变化规律说明，此时由于旱地油杉启动的某种未知保护措施
降低了细胞质膜透性，减少了水分胁迫造成的质膜伤害。综合处理组和对照组数据，发现水分和温度的变
化均会影响旱地油杉体内 MDA含量。
3． 3 干旱胁迫对脯氨酸含量的影响
植物体内脯氨酸的积累既取决于水分的变化，同时也与其体内存在的抗旱机制有关［26］。此外，在渗
透胁迫下，植物在脯氨酸积累开始稳定或下降时才发生细胞质膜透性的改变［27］，说明脯氨酸可能具有清
除活性氧的作用［28］，利于提高植物抵抗干旱等逆境的能力。抗旱能力较强的植物，其脯氨酸含量高峰期
出现迟且含量高，反之高峰期出现早且含量低。
冯祥元等发现 5 种云杉叶片中脯氨酸含量在干旱胁迫过程中均呈现升高 －降低的趋势［12］，而其他
研究发现 4 种冷杉的脯氨酸含量并没有发生灵敏的变化［13］。本研究发现旱地油杉叶片中脯氨酸含量随
着干旱加剧而先降低后升高，说明在干旱处理的前 6d 内，脯氨酸在旱地油杉的抗旱生理活动中还未发挥
作用，其后作用逐渐增强。
3． 4 干旱胁迫对可溶性糖的影响
植物在严重干旱状态下，细胞中可溶性糖含量迅速增加，对细胞具有保护作用［29］。可溶性糖对细胞
的保护作用体现在两个方面:一方面通过玻璃态化，即糖类的积累可产生具有固体机械特性的超饱和液
体，避免细胞溶液结晶，防止细胞塌陷，限制大分子的混合，使细胞保持一种稳定的静止状态［30］;另一方
面，蔗糖、麦芽糖、海藻糖等二糖能在缺水状态下稳定酶的活性，同时还可保护膜结构［28］。由此可见，糖类
是植物体中一类重要的脱水保护剂。
研究发现，4 种冷杉和 5 种云杉可溶性糖含量随着水分胁迫的增加而呈逐渐增加的趋势［12 ～ 13］。在干
旱胁迫下，可溶性糖含量基本呈上升趋势，并在重度胁迫下达到最大值;而可溶性糖在干旱后期的大量积
累可能是脯氨酸含量下降的补偿策略［12］。旱地油杉叶片可溶性糖的含量在前 6d内随着干旱程度加深而
略上升，但在第 6d至第 16d间又急剧下降。说明在干旱初期，可溶性糖类可能参与了旱地油杉的渗透调
节，其后没有体现出可溶性糖的渗透调节作用。在本实验条件下发现，温度对旱地油杉可溶性糖含量的影
响较之水分有更明显的作用。
3． 5 干旱胁迫对可溶性蛋白质含量的影响
可溶性蛋白质含量变化因树种不同而有差异，仅通过蛋白质含量高低来断定植物的抗旱性是不合理
的，因为在水分胁迫条件下，蛋白质在含量变化的同时往往也伴随着其组分的变化，这种质变的作用很可
能在抗旱过程中起着更大的作用。红松幼苗可溶性蛋白含量随土壤含水量减少而下降，可能是在水分胁
迫下受到伤害的表现［24］。旱地油杉叶片中可溶性蛋白质含量于水分胁迫条件下在前 8 d 内表现为上升
→下降，说明干旱胁迫下旱地油杉在前 4 d内合成了更多的蛋白质以降低水分胁迫造成的伤害。
4 结论
随着干旱胁迫的增加，旱地油杉叶片中相对含水量随着干旱胁迫的加深，表现为略升高→下降的
走势，在干旱处理第 4 ～ 8d间达到最大值;丙二醛含量呈现出升高→降低的变化规律，在第 12d 达到最
大，其后迅速下降;脯氨酸含量呈降低→上升的趋势，可溶性糖含量表现出略升高→急剧下降→略升
高的变化规律，可溶性蛋白质含量呈现出下降→升高→下降变化趋势，其中可溶性糖和可溶性蛋白质
·381·第 5 期 牟凤娟等 干旱胁迫下旱地油杉生理生化指标动态变化
含量分别在干旱胁迫处理前 6d和前 4d内缓慢增加，而脯氨酸含量则在第 6d 后逐渐上升，说明在旱地油
杉受旱初期可能主要由可溶性糖类物质或可溶性蛋白质进行调节，其后则是脯氨酸的渗透调节在发挥作
用。
参考文献
［1］李燕，薛立，吴敏． 树木抗旱机理研究进展［J］． 生态学杂志，2007，26(11) :1857 － 1866．
［2］王庆彬，王恩妲，姜中珠，等． 黑土区常见树种水分生理适应性及抗旱特性［J］． 东北林业大学学报，2009，37(1) :8 － 9，14．
［3］杨俊，马健，王婷婷，等． 5 种荒漠植物抗旱性及其与抗旱指标相关性的定量评价［J］． 干旱区资源与环境，2009，23(6) :143 － 146．
［4］白洁冰，王志刚，陈飞，等． 食松、油松和樟子松抗旱水分生理比较研究［J］． 西北林学院学报，2008，23(1) :10 － 13．
［5］冯玉龙，王文章，敖红． 长白落叶松和樟子松等五种树种抗旱性的比较［J］． 东北林业大学学报，1998，26(6) :16 － 20．
［6］白金，赵瑾，金洪，等． 六个圆柏品种(系)抗旱性分析［J］． 林业科技开发，2007，21(3) :25 － 28．
［7］李树斌，丁国昌，曹光球，等． 不同杉木无性系模拟胁迫下抗旱性综合评价［J］． 福建农林大学学报:自然科学版，2012，41(5) :491 －
496．
［8］李夷平，孙慧珍，李海朝． 移栽兴安落叶松幼树水分饱和亏缺及保水力初步研究［J］． 林业科技，2009，34(6) :11 － 13．
［9］胡学俭． 10 树种苗期抗旱特性及抗旱评价指标体系的研究［D］． 泰安:山东农业大学，2005．
［10］肖姣娣． 合欢幼苗对干旱胁迫的生理生化响应［J］． 干旱区资源与环境，2015，29(8) :156 － 160．
［11］郑洁． 3 个柏科植物品种抗旱生理特性比较研究［D］． 呼和浩特:内蒙古农业大学，2012．
［12］冯祥元，于柱英，种培芳． 不同种源地云杉的苗期抗旱性评价［J］． 甘肃农业大学学报，2012，47(1) :95 － 102．
［13］奚晓军，曹静，张金凤，等． 科罗拉多冷杉的抗旱性［J］． 植物学通报，2008，25(6) :722 － 727．
［14］赵明晶，崔文山怫，李想，等． 渗透胁迫下北美香柏抗旱动态特征的研究［J］． 沈阳农业大学学报，2009，40(1) :30 － 33．
［15］包亚英，邓昊阳，朱伟玲，等． 苏北六种木本植物抗旱性能研究［J］． 北方园艺，2013(16) :76 － 78．
［16］薛纪如，火树华． 我国油杉一新种 －旱地油杉［J］． 云南植物研究，1981，3(2) :1 － 3．
［17］孙群，胡景江． 植物生理学研究技术［M］． 杨凌:西北农林科技大学出版社，2006:56 － 178．
［18］李合生． 植物生理生化实验原理和技术［M］． 北京:高等出版社，2006:182 － 260．
［19］张福锁． 环境胁迫与植物育种［M］． 北京:中国农业出版社，1993:66 － 137．
［20］贺少轩，梁宗锁，蔚丽珍，等． 土壤干旱对 2 个种源野生酸枣幼苗生长和生理特性的影响［J］． 西北植物学报，2009，29(7) :1387 －
1393．
［21］潘学军，张文娥，杨秀永，等． 贵州喀斯特山区野生葡萄实生苗抗旱机理研究［J］． 西北植物学报，2010，30(5) :955 － 961．
［22］孙宪芝，郑成淑，王秀峰． 木本植物抗旱机理研究进展［J］． 西北植物学报，2007，27(3) :629 － 634．
［23］郭卫东，沈 向，李嘉瑞，等． 植物抗旱分子机理［J］． 西北农业大学学报，1999，27(4) :102 － 108．
［24］苏磊，苏建荣，刘万德，等． 异质光环境下云南红豆杉的构型与叶构件水分特征［J］． 林业科学研究，2012，25(4) :505 － 509．
［25］阎秀峰，李晶，祖元刚． 干旱胁迫对红松幼苗保护酶活性及脂质过氧化作用的影响［J］． 生态学报，1999，19(6) :850 － 854．
［26］李德全． 植物渗透调节研究进展［J］． 山东农业大学学报，1991，22(1) :87 － 90．
［27］刘宁，高玉葆，贾彩霞，等． 渗透胁迫下多花黑麦草叶内过氧化物酶活性和脯氨酸含量以及质膜相对透性的变化［J］． 植物生理学通
讯，2000，36(1) :11 － 14．
［28］Smirno N． The role of active oxygen in the response of plants to water deficit and desiccation［J］． New Phytologist，1993，125:27 － 58．
［29］Ingram J，Bartels D． The molecular basis of dehydration tolerance in plants［J］． Annual Ｒeview of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，
1996，47:377 － 403．
［30］Koster K L． Glass formation and desiccation tolerance in seeds［J］． Plant Physiology，1991，96(1) :302 － 304．
The dynamics of physiological and biochemical indexes of Keteleeria xerophila
under drought stress
MOU Fengjuan1，CHEN Liping2，LI Junping2，LI Yiguo3
(1． Key Laboratory for Forest Ｒesources Conservation and Use in the Southwest Mountains of China，Ministry of Education，Southwest Forestry Univer-
sity，Kunming，Yunnan 650224，China;
2． Yuxi Agricultural Vocational Technical College，Yuxi，Yunnan 653106，China;
3． Biological Ｒesources Development Innovation Office of Kunming，Kunming，Yunnan 650500，China)
Abstract:The dynamic change rules of the water，the malondialdehyde，the proline，the soluble sugar and the
soluble protein in leaves of Keteleeria xerophila under the drought stress were comprehensively studied here． The
results showed that all indexes present the different rules with the enhancement of the draught stress． The relative
water content is slightly increasing to decreasing and the water saturation deficit is slightly decreasing to in-
creasing;the malondialdehyde content is increasing to decreasing;the proline content is decreasing to in-
creasing;the soluble sugar content is slightly increasing to sharply decreasing to slightly increasing;the sol-
uble protein content is decreasing to increasing to decreasing ． According to the change rules of various bio-
chemical components，it is found that the ability of K． xerophila to resist the drought in the preliminary stage is
relative to the soluble sugar and the soluble protein and in the later stage it is mainly associated with the osmoreg-
ulation of the proline．
Key words:drought stress;Keteleeria xerophila;physiological and biochemical indexes;dynamic changes
·481· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 30 卷