全 文 ：第 23卷第 1期 干 旱 地 区 农 业 研 究 Vol. 23 No. 1
2005年 1月 Agricultural Research in the Arid Areas Jan. 2005
白刺花 ( Sophoraviciifolia )适应
土壤干旱的生理学机制①
王海珍 1, 2 ,梁宗锁 1, 3 ,郝文芳3 ,韩　路 2
( 1.中国科学院水利部水土保持研究所 ,陕西 杨凌　 712100; 2.塔里木大学植物科技学院 ,
新疆阿拉尔　 843300; 3.西北农林科技大学生命科学院 ,陕西 杨凌　 712100)
摘　要: 用盆栽的方法人工控制土壤干旱条件 ,研究白刺花天然实生幼苗适应土壤干旱的生理学机制。结果表
明: 随土壤含水量的减少 ,白刺花叶水势在胁迫前期下降缓慢 ,随胁迫时间的延长 ,水势大幅度下降。白刺花通过在
叶片内积累大量渗透保护性物质可溶性糖和 K+ ,增加细胞的保水力 ,维持细胞生长所需膨压。 白刺花游离脯氨酸
含量变化与水分关系不大 ,可溶性蛋白质含量随土壤含水量减少而下降 ,可能是水分胁迫下受伤害的表现。随土壤
水分含量的减少 ,白刺花 SOD的活性明显升高 , POD活性不高但随胁迫时间延长其活性较稳定 , CAT活性下降但
幅度不大 ,且 CAT活性变化趋势与 POD活性相反 ,说明三个保护酶能够相互配合协同作用 ,降低膜脂过氧化程
度 ,减少水分胁迫造成的伤害 ,提高质膜稳定性 ,维持细胞膜的完整性 ,表现出很强的抗旱适应性。
关键词: 白刺花 ;土壤干旱 ;渗透调节物质 ;保护酶系 ;生理机制
中图分类号: Q945. 17　　文献标识码: A　　文章编号: 1000-7601( 2005) 01-0106-05
　　白刺花 ( Sophorav iciifol ia)又名狼牙刺 ,为豆科
槐属小灌木 ,茎、叶、果和种子都含有苦参碱、槐果
碱、苦豆碱 [1 ]等多种生物碱 ,均可药用 [ 2]。白刺花在
黄土丘陵沟壑区向阳山坡、田埂均有大量分布 ,在阳
坡、半阳坡植物群落演替中处于中间灌丛阶段 ,是阳
坡、半阳坡主要的建群灌木 ,常形成单优群落类型 ,
在自然植物群落演替中 ,起着“承前启后”的作用 ,为
荒山的建群植物种之一 ,对黄土丘陵沟壑区生态恢
复具有建设性影响。侯庆春等分析了白刺花在黄土
丘陵沟壑区植物群落演替中的动态变化及其作用 ,
提出遵循植物群落的演替规律 ,在不破坏原有植被
的情况下 ,提高造林成活率 ,提高林分的水土保持效
益 ,促进森林的快速演替。 笔者利用盆栽的方法 ,人
工控制土壤水分 ,研究白刺花适应干旱的生理学机
制 ,为黄土高原植被建设树种的选择提供理论依据。
1　材料与方法
1. 1　试验材料
选用陕西省安塞县安塞水土保持试验站提供的
白刺花 ( Sophoravicifolia )天然实生幼苗 ,其平均株
高、地径分别为 23. 6 cm、 0. 57 cm。
1. 2　研究方法
1. 2. 1　试验设计　选择大小基本一致的苗木于
2002年 3月 27日植入高 27 cm、上口径 35 cm、下
口径 22 cm的塑料桶中 ,每桶 3株 ,每桶装过筛原状
土 14 kg ,土壤为土娄土 ,含水量 10. 75% ,田间持水量
26% 。在桶栽条件下设置 3个水分处理:适宜水分
( C1 , 70%～ 75%田间持水量 )、中度干旱 ( C2 , 50% ～
55%田间持水量 )、重度干旱 ( C3 , 40%～ 45%田间持
水量 ) ,土壤含水量分别为 18. 2% ～ 19. 5%、 13% ～
14. 3% 、 10. 4% ～ 11. 7%。各处理重复 3次。盆栽桶
放置于中国科学院水土保持研究所的可移动防雨棚
下 ,晴天正常照光 ,栽植苗木后正常浇水使之正常萌
芽。生长 2个月左右即从 6月 1日起 ,开始按试验设
计进行水分处理 ,适宜水分正常浇水 ;中度干旱和重
度干旱处理不浇水 ,待土壤水分自然消耗至设定标
准后 ,用称重法控制土壤含水量设定范围内 ,并补充
其水分消耗 ,准确记录加水量。
1. 2. 2　取样方法　在水分处理期间定期取供试苗
木中上部叶片 ,用保鲜袋带回 ,部分鲜叶立即置于
- 40℃超低温冰箱中存放 ,部分鲜叶用于测定有关
生理指标 ,剩余叶片 80℃下烘干用于测定 K+ 。
1. 2. 3　酶液制备　称取 - 40℃超低温冰箱中的鲜
叶 0. 5 g加 7 ml预冷的 50 mmo l /L、 pH 7. 8的磷酸
缓冲液 (内含 1%聚乙烯吡咯烷酮 ) ,冰浴研磨成匀
浆 ,于 - 4℃下 7 215 g离心 15 min,取上清液 ,即为
① 收稿日期: 2003-10-10
基金项目:中国科学院西部之光人才基金项目、知识创新项目 ( KZCX01-6)
作者简介:王海珍 ( 1971- ) ,女 ,甘肃成县人 ,讲师 ,硕士 ,主要从事植物水分生理生态研究。
通讯联系人:梁宗锁 , E-mail: Liangzs819@ 163. net
酶粗提液 ,用于保护酶活性和丙二醛 ( MDA)含量测
定。
1. 3　测定指标及方法
1. 3. 1　叶水势及叶片持水力　早上 9∶ 00～ 10∶
00采样 ,用小液流法测定叶水势 ;离体叶片持水力
用自然干燥称重法。
1. 3. 2　脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质含量　脯
氨酸采用磺基水杨酸提取茚三酮显色法测定 ;可溶
性糖测定采用硫酸蒽酮比色法 ;可溶性蛋白质测定
采用考马斯亮蓝 G- 250染色法。
1. 3. 3　保护酶活性　氮蓝四唑光还原法测定 SOD
活性 ;愈创木酚显色法测定 POD活性 ;紫外吸收法
测定 CAT活性。
1. 3. 4　细胞质膜透性　 DDS-11A电导仪测定。
细胞膜相对透性 (% )= L1
L2
× 100%
细胞膜伤害率 (% )= 1-
1-
T1
T2
1-
D1
D2
× 100%
式中: L1表示叶片杀死前外渗液的电导值 ; L 2
表示叶片杀死后外渗液的电导值 ; D1表示对照叶片
杀死前外渗液的电导值 ; D2表示对照叶片杀死后外
渗液的电导值 ; T 1表示处理叶片杀死前外渗液的电
导值 ; T2表示处理叶片杀死后外渗液的电导值。
以上各项生理指标测定均参照高俊凤主编《植
物生理学实验技术》 [5 ]介绍的方法进行。
1. 3. 5　丙二醛 ( MDA)　硫代巴比妥酸比色法测
定 ,具体过程参照上海植物生理研究所主编《现代植
物生理学实验指南》 [6 ]。
1. 3. 6　 K+ 离子　火焰光度法测定。
2　结果与分析
2. 1　不同土壤干旱条件下白刺花叶水势及离体叶
片持水力变化
植物叶水势代表植物水分运动的能量水平 ,反
映了植物组织水分状况 ,是衡量植物抗旱性的一个
重要生理指标 [7 ]。由图 1可见 ,白刺花叶水势在土壤
中度及重度干旱 50 d时下降幅度不大 ,但随胁迫时
间的延长 ,叶水势大幅度下降。在干旱胁迫 90 d(即
8月底 )降至低谷后快速回升 ,胁迫 120 d ( 10月初 )
又下降 ,整个水势变化图形呈“M”形 ,且无论在哪种
水分条件下趋势均一致。 水势如此剧烈的变化说明
树种叶水势的变化除受土壤水分含量直接影响外 ,
还受自身调节能力的影响。
图 2是白刺花离体叶片含水量变化趋势图 ,可
以看出 ,在干旱胁迫 45 d时 ,不同土壤水分条件下
离体叶片保水力差异不大 ,离体 10 h叶片相对含水
量仍然保持在 35%以上 ,且彼此相差不大 ,保持相
同的变化趋势。说明其叶片失水速率很慢 ,具有很强
的持水力。
图 1　土壤干旱下白刺花叶水势变化
Fig. 1　 Changes o f wa ter po tential in the leaves of
Sophorav iciifolia unde r soil drought
　
图 2　土壤干旱下白刺花离体叶片含水量变化 (处理 45 d)
Fig . 2　 Changes of w ater content in the excised
leaves o f Sophoraviciif olia under
so il drought ( 45 day trea tment)
2. 2　不同土壤干旱条件下白刺花叶片游离脯氨酸
及 K+ 含量变化
由图 3可见 ,白刺花叶片游离脯氨酸含量随时
间的变化幅度很大。重度干旱下脯氨酸含量持续上
升 ,适宜水分下脯氨酸也基本上保持较高水平 ,且高
于干旱条件下的脯氨酸含量。适宜水分下脯氨酸含
量高于干旱条件下可能与蛋白质的活跃合成有关。
白刺花脯氨酸含量变化过程说明其与水分关系不
大 ,不能作为白刺花的抗旱生理指标。
K
+ 是渗透调节物质中一种重要的无机离子 ,在
水分胁迫时含量增加 [8, 9 ]。 K+ 与气孔调控有关 ,主要
参与调节保卫细胞的渗透势。 图 4表明白刺花在重
度干旱前期 K+ 含量有所增加 ,随胁迫时间延长中
度干旱下 K+也同样增加 ,但后期 K+ 含量均下降 ,
可能与 K+的再分配转移有关。
107第 1期 王海珍等:白刺花 ( Sophorav icii folia )适应土壤干旱的生理学机制
2. 3　不同土壤干旱条件下白刺花保护酶活性变化
植物体内的保护酶防御体系包括超氧化物歧化
酶 ( SOD )、过氧化物酶 ( PO D)和过氧化氢酶
( CAT) ,它们协同清除体内产生的自由基 ,减少逆
境伤害。白刺花的 SOD活性较高 ,其活性在土壤干
旱下急剧升高 ,然后下降到与适宜水分下相当的水
平 ;而适宜水分下 SOD活性一直呈上升趋势 (图
5)。白刺花 POD活性始终不高 ,适宜水分下 POD的
活性也呈波状变化 ,推测 PO D对苗木自身生长节律
进程较为敏感。中度干旱下 POD活性稳定 ,重度干
旱下在中后期能保持较高的活性 (图 6)。
　　白刺花 SO D的活性很高但 POD的活性不高 ,
可能暗示其清除 H2O2还有 CAT的参与。 CAT可
以将 H2O2直接转化为 H2O,与 SOD协同反应 ,使
活性氧维持在较低的水平 [ 13]。由图 7可见 ,白刺花
的 CAT活性在中度干旱下一直呈上升趋势 ,但在
重度干旱下先上升后下降 ,刚好与 POD活性变化相
反。综合分析 POD和 CAT以及 SOD活性变化情
况 ,我们可以认为白刺花的 POD和 CAT是协同作
用的 ,能够高效清除 H2O2 ,确保膜脂过氧化水平较
低 ,以维持细胞膜的完整性。
2. 4　不同土壤干旱条件下白刺花可溶性糖及蛋白
质含量变化
可溶性糖是一种较为有效的渗透保护剂。在干
旱条件下 ,随干旱时间的延长和胁迫程度加大 ,可溶
108 　　 干旱地区农业研究　　　　　 第 23卷
性糖含量增加。在水分处理 60 d时测定的可溶性糖
和可溶性蛋白质含量见表 1。由表 1可见 ,在土壤干
旱条件下 ,白刺花可溶性糖含量增加很多 ,中度和重
度干旱下其含量分别是适宜水分下的 3. 09和 3. 78
倍 ;随土壤水分含量减少 ,白刺花可溶性蛋白质含量
降低。说明干旱胁迫下 ,蛋白质的合成受阻或蛋白质
分解加速 ,导致含量下降 ,其含量变化可能是土壤干
旱造成的伤害反应。
2. 5　不同土壤干旱条件下白刺花叶细胞质膜稳
定性
由图 8可以看出 ,在水分胁迫处理 45 d时 ,白
刺花 MDA含量较适宜水分下有所提高 ,且重度干
旱下高于中度干旱下的水平。随时间延续 ,干旱条件
下 MDA上升后总体呈下降趋势 ,且重度干旱下的
变化趋势与适宜水分下相似 ;中度干旱下 MDA含
量变化幅度较小 ,且后期维持在最低水平 ,表明白刺
花对中等程度的干旱具有较强的适应性。用电导仪
测定细胞外渗液电导率的变化可以反映出质膜受伤
害的程度。由表 1可看出 ,在水分处理 60 d后不同
叶片的电导率随土壤水分含量的减少 ,叶细胞膜相
对透性的增加幅度很大 ,在 45%左右。 但从细胞膜
伤害率来看 ,白刺花在土壤干旱下的细胞伤害率却
很低 ,平均仅为 2. 76% ,即使在严重干旱下也仅为
2. 84% ,表现出极强的膜稳定性。结合保护酶活性变
化可以认为 ,在保护酶系的协同作用下降低了白刺
花体内的活性氧含量 ,使膜脂过氧化程度较低 ,膜完
整程度高 ,伤害率低。
表 1　土壤干旱下白刺花可溶性糖、可溶性蛋白质含量及细胞膜稳定性
Table 1　 So luble sugar content、 pro tein content and cell membrane
permeability o f Sophoraviciif olia under soil drough t
处　理
Treatment
细胞膜相对透性
Mem bran e perm eabi lit y
of cell (% )
伤害率
In jury ratio
(% )
可溶性糖含量 ( DW )
Solu ble sugar con tent
(% )
可溶性蛋白质 ( FW )
Soluble protein
( mg /g)
C1 37. 82 0. 00 0. 26 32. 26
C2 54. 50 2. 68 0. 79 28. 37
C3 55. 49 2. 84 0. 97 24. 29
3　结论与讨论
植物对干旱胁迫的一种反应是通过许多生理生
化代谢途径 ,在细胞质中合成和积累非毒性的渗透
保 护 剂 ( Osmoprotectants ) 或 亲 和 性 溶 质
( Compatible solutes)
[15, 16 ] ,这种生理生化代谢途径
的主要特征是产生渗透物质和特定蛋白 ,以控制细
胞的离子和水流 [17, 18 ]。在水分胁迫下这些渗透物质
主要是有机小分子物质 ,如氨基酸、 ABA、可溶性
糖、甜菜碱等 ,还有无机离子如 K+ 、 Ca2+ 等 ,其中一
些渗透保护剂在植物中能够保护酶和细胞膜免受高
盐浓度的伤害 ,另一些则能防止活性氧的伤害 [16 ]。
研究最广泛的亲和性溶质是脯氨酸 ,但脯氨酸能否
作为抗旱生理指标 ,不同研究以不同的材料得出不
同的结论。白刺花在黄土区自然分布较广泛 ,表现出
很强的抗旱适应性。本试验通过测定白刺花相关生
理指标 ,初步探讨白刺花适应干旱的生理学机制。
白刺花在土壤干旱条件下可以通过在体内积累
大量可溶性糖和 K+ ,增强气孔的调节能力 ,增加细
胞的渗透调节能力。胁迫前期白刺花叶水势下降缓
慢 ,可使叶片中积累更多的可溶性糖 ,随胁迫时间的
延长 ,在水势大幅度下降的同时使渗透势降低 ,可以
维持植株正常生长所需的膨压 [ 12] ,说明积累可溶性
糖是白刺花在水分亏缺时的保护性反应。 对白刺花
游离脯氨酸含量变化研究表明其与水分关系不大 ,
不能作为白刺花抗旱的生理指标。本试验结果表明 ,
白刺花可溶性蛋白含量随土壤含水量减少而下降 ,
可能是水分胁迫下受到伤害的表现。这一结果与阎
秀峰 [11 ]、孙国荣 [ 10]对红松、白桦幼苗在干旱胁迫下
的研究结果类似。可溶性蛋白质含量变化因不同树
种而有差异 ,不能仅通过蛋白质含量高低来断定树
种的抗旱性。因为在水分胁迫条件下 ,在蛋白质含量
变化的同时 ,往往也伴随着蛋白质组分的变化 ,这种
质变的作用很可能在抗旱过程中起着更大的作
用 [10 ]。
在适应环境条件变化时 ,植物总有一套产生与
清除活性氧的平衡机制 ,包括酶性和非酶性的防御
体系 ,若这种平衡被打破则会发生膜脂过氧化 ,进一
步造成更大的伤害。 SO D是防御超氧阴离子自由基
对细胞伤害的抗氧化酶 ,其活性高低是植物抗旱性
的重要指标 [19 ]。 SOD可以将 O2·歧化成 H2O2 ,从而
影响植物体内 O2和 H2O2浓度 ,所以 SOD可能在
保护酶系统中处于核心地位。白刺花 SOD的活性很
高但 POD的活性不高 , CAT活性刚好与 POD活性
变化趋势相反 ,综合 SOD、 POD和 CAT活性变化
规律 ,可以说白刺花的保护酶系相互配合协同作用 ,
能够高效清除 H2O2 ,确保较低的膜脂过氧化水平 ,
以维持细胞膜的完整性 ,降低膜伤害率 ,表现出很强
的抗旱适应性。影响酶活性的因素很多 ,酶活性变化
敏感 ,不仅与水分关系大 ,还与树种、苗木的生长状
109第 1期 王海珍等:白刺花 ( Sophorav icii folia )适应土壤干旱的生理学机制
况、生育进程、叶片的成熟度等有关。 所以不能单以
一种或两种酶活性的高低来判定植物的抗旱性强
弱 ,还要结合其它生理指标综合评价 ,否则会造成偏
差。白刺花在土壤干旱条件下的细胞伤害率很低 ,平
均仅为 2. 76% ,表现出极强的膜稳定性。结合保护
酶活性变化可以认为 ,在保护酶系的协调作用下 ,白
刺花体内的活性氧水平很低 ,使细胞膜脂过氧化程
度较低 ,膜的完整程度高 ,伤害率低 ,从而对干旱表
现出较强的适应性 ,这也是白刺花能够广泛分布于
黄土高原的生理原因。 白刺花的耗水量高峰期与黄
土区的降雨高峰期同步 ,抗旱性强 ,生长期长 ,生长
量大 ,可利用白刺花快速恢复生态系统。
参 考 文 献:
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Physiological mechanism of Sophoraviciifolia to adapt to soil drought
W ANG Hai-zh en
1, 2 , LIANG Zong-suo
1, 3 , HAO Wen-fang
3 , HAN Lu
2
( 1. I nstitute of Soil and Water Conservation , Chinese Academy of Science and Ministry of W ater
Resources , Yangling , Shaanx 712100, China; 2. Institute of Plants Science and Technology of Tarim
University , Alar , X injiang , 843300, China; 3. College of Lif e Science of Northwest Sci-Tech
University of Agriculture and Forestry , Yangling , Shaanx i 712100, China )
Abstract: Wi th pot cul ture experiments simulating dif ferent soil drough t, physio logical mechanism of
Sophoravicii folia seeding to adapt to soil drough t w as studied. The result show ed that w ater po tential of
Sophoravicii folia decreased slow ly in the early stag e of st ress and the soil wa ter content and la ter w ater
potential decreased sharply wi th time. It accumulated much o smotic regulating substances ( soluble sugar,
K
+ ) to increase leaf w ater retaining capability and maintain g row th turg or. It was no t related to Pro
change and siol wa ter. Soluble sugar content decreased wi th soil wa ter decrease and i t could be injured
under soil drought. SOD activ ity rose significantly and POD activi ty keptstable wi th st ress time and CAT
activi ty decreased. Change t rend of CAT was no t same as that of POD. It demonst rated that three-cell
defense enzymes could cooperate to reduce lipid pero xida tion deg ree, decrease cell w ound, promote
pro toplasm membrane stabi li ty and maintain cell membrane integ ri ty. Sophoravici ifolia has stronger
drought resisting adaptabi li ty.
Key words: Sophoraviciifol ia; soi l drought; osmo tic regula ting substance; lipid peroxidation;
physio logical mechanism
110 　　 干旱地区农业研究　　　　　 第 23卷