全 文 :林业科学研究 2014,27(3):423 428
ForestResearch
文章编号:10011498(2014)03042306
干旱胁迫对桐花树生长和生理指标的影响
刁俊明1,曾宪录1,陈桂珠2
(1.嘉应学院生命科学学院,广东 梅州 514015;2.中山大学环境科学与工程学院,广东 广州 510275)
收稿日期:20130926
基金项目:广东省科技计划项目“红树植物桐花树治理城乡河涌污染的技术研究与应用”(2010B031900044)和“红树植物的生态应用
和技术开发及其环境适应的研究”(2009198)资助
作者简介:刁俊明(1958—),男,广东兴宁人,教授,主要从事植物生理生态学研究.Email:djmg@jyu.edu.cn
通讯作者:chenguizhu@yeah.netTel:02084039737
关键词:桐花树;干旱胁迫;生长和生理;渗透调节;保护酶活性
中图分类号:S722.3 Q945.1 文献标识码:A
EfectsofDroughtStressontheGrowthandPhysiologicalCharacteristics
ofAegicerascorniculatum
DIAOJunming1,ZENGXianlu1,CHENGuizhu2
(1.ColegeofLifeScience,JiayingUniversity,Meizhou 514015,Guangdong,China;
2.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SunYatSenUniversity,Guangzhou 510275,Guangdong,China)
Abstract:Taking3yearoldAegicerascorniculatumastestmaterial,and4gradientsofsimulatedsoildrought(soil
moisture100%,70%—80%,40%—50% and20%—30%,)weresettostudytheefectofdroughtstressonthe
growthandphysiologicalcharacteristicsofA.corniculatum.Theresultsindicatedthatastheseverityofdroughtin
creased,thenumberoffalenleavesincreasedsignificantlywhilethesurvivalrateofA.corniculatumdecreasedsig
nificantly;theactivityofnitratereductasedeclinedgradualy,thecontentsoffreeproline,solubleprotein,malondi
aldehydeandmembranepermeabilityinleafalshowedatrendofrisewiththeincreaseofdroughtstressseverity,
whereasthechlorophylcontent,SODactivity,PODactivityandrootactivityshowedatrendofrisingfirstthende
clining.Inconclusion,A.corniculatumisabletogrowwelonfreshwaterlandwitharangeofsoilmoistureof
70%—80%,butitsgrowthandphysiologicalcharacteristicswilbesignificantlyimpairedbydroughtstresswhen
soilmoistureisbelow50%.
Keywords:Aegicerascorniculatum;droughtstress;physiologicalcharacteristics;osmoticadjustment;protective
enzymeactivities
桐花树(Aegicerascorniculatum(L.)Blanco)属
较耐低温、广布的红树植物,能形成单种群落或作
为其他红树植物乔木种的下层灌木,适于河口滩涂
种植[1]。目前,在桐花树的人工造林、生长发育特
性和对环境的适应能力等方面[2-8]已进行了广泛
的研究,其中,桐花树的抗寒能力研究结果表明其
具有很强的抗寒能力,其半致死温度为 -9.0℃左
右[9-10];其耐淹性也很强,在为期1a的淹水胁迫
下,桐花树幼苗有较高的叶片保存率,幼苗在中等
高程水淹生境中保持较大生物量[11];刘亚云等[12]
的研究结果显示,一定浓度的 PCBs对桐花树的光
合作用影响不大。陈桂珠等[13]研究表明,低浓度
的人工污水可以促进桐花树的生长。桐花树对生
活污水的适应能力较强,利用其净化生活污水是可
行的[14]。桐花树还具有重金属富集能力[15],轻度
的铅污染有利于桐花树的生长[16]。桐花树对淡水
林 业 科 学 研 究 第27卷
湿地也表现出较强的适应性[17-20],但它能否在淡
水陆地上种植?适宜桐花树种植的土壤含水量是
多少等仍是空白。因此,开展桐花树在淡水环境中
的干旱胁迫研究具有十分重要的理论和实践意义。
关于淡水环境中干旱胁迫对桐花树生理生态的影
响未见报道。本试验通过设置土壤含水量为
100%、70% 80%、40% 50%、20% 30%,研
究桐花树对干旱胁迫的生理生态响应,以确定桐花
树的抗旱能力,为确定适宜桐花树种植的土壤含水
量,扩大其应用范围提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
选取淡水培养下平均株高 50 56cm、基径
241 2.76cm、叶片数190 206片的生长发育良
好、植株大小基本一致的3年生盆栽桐花树苗为试
验材料。
1.2 试验方法
试验在广东省梅州市嘉应学院生命科学学院
实验楼阳光瓦简易种植大棚中进行。设置4个土
壤含水量梯度:(1)土壤含水量为 100%(对照,
CK);(2)土壤含水量为 70% 80%(轻度干旱,
A);(3)土壤含水量为 40% 50%(中度干旱,
B);(4)土壤含水量为 20% 30%(重度干旱,
C),每处理12株,种植在墨绿色塑料盆(高34.50
cm,盆口直径 36.50cm,底部直径 30.00cm)中,
每盆1株。在盆底用渔网铺垫并且包裹植株,以便
收集落叶。用土壤水分测定仪每15d测定1次土
壤含水量。刚植入植株时 CK组保持在淡水中淹
浸种植,其他3组都用水浇透,达到干旱梯度之后,
CK组保持水浸种植,A组每2d浇1次水,B组每
4d浇1次水,C组每8d浇1次水,保持土壤含水
量梯度。每60d用 5g·kg-1复合肥溶液对土壤
进行1次施肥。试验时间为180d。
1.3 指标测定方法
1.3.1 生长指标的测定 每60d收集1次各组的
落叶,计算落叶数量,测定落叶干质量,并记录幼苗
存活株数和死亡株数及死亡症状等,计算存活率。
1.3.2 生理指标的测定 在第180天,采取桐花树
苗成熟叶片,剪去粗大的叶脉并剪成碎块等前期处
理后,按张志良[21]的方法测定如下指标,每处理重
复3次。
过氧化物酶(POD)活性采用比色法测定;超氧
化物歧化酶(SOD)采用四氮唑蓝法测定;丙二醛
(MAD)采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定;游离脯氨
酸采用酸性茚三酮法测定;相对电导率采用 DDS
307型电导仪测定;硝酸还原酶活性采用磺胺(对氨
基苯磺酸胺(Sulfanilamide))比色法:可溶性蛋白质
采用考马斯蓝测定;根系活力采用 α萘胺法测定;
叶绿素a、b的测定,采用 UV2800型紫外可见分光
光度计分别在663nm和645nm处测定叶绿体色素
提取液(浓度大时需稀释)的光吸收值。
叶绿素总量=叶绿素a+叶绿素b。
1.4 数据统计分析
采用 Excel和 SPSS13.0软件对所得数据进行
单因素方差分析(onewayANOVA),若差异达到显
著,则进行 Duncan多重比较,P<0.05为差异
显著。
2 结果与分析
2.1 干旱胁迫对桐花树落叶数量及干质量的影响
不同干旱胁迫下,桐花树的落叶数量及其干质
量均存在显著差异(表1)。从表1可知:C组和 B
组的落叶数量及其干质量均显著大于 CK组,C组
的落叶数量及其干质量分别比 CK组的提高了
20217%和152.94%。可见,干旱胁迫对桐花树叶
片生长有显著的影响;随着干旱程度的加剧,桐花树
的落叶不断增加,且重度干旱的 C组在180d后有
植株死亡。
表1 不同干旱胁迫下桐花树的落叶数量及其干质量(180d)
处理 落叶数量/片 落叶干质量/g
CK 92.00±3.05cB 9.54±0.39cB
A 144.67±26.72bcB 13.93±1.53bcB
B 185.67±27.00bAB 16.83±0.99bAB
C 278.00±33.87aA 24.13±2.59aA
注:表中数据为平均值±标准差,同列不同小写字母表示差异显
著(P<0.05);同列不同大写字母表示差异极显著(P<0.01),下同。
2.2 干旱胁迫对桐花树存活率的影响
从图1可知:干旱胁迫处理180d,CK组和A组
的存活率均为100%,而 B组和 C组的存活率均显
著下降,且C组的存活率最低。B组和 C组的存活
率较 CK组和 A组的分别降低了 16.67% 和
4167%。可见,中度干旱胁迫即可引起桐花树存活
率的显著降低。
424
第3期 刁俊明等:干旱胁迫对桐花树生长和生理指标的影响
图1 干旱胁迫对3年生桐花树存活率的影响
2.3 干旱胁迫对桐花树硝酸还原酶活性的影响
由图2可看出:当土壤含水量为70% 80%,
即在轻度干旱情况下,桐花树叶片的硝酸还原酶活
性开始下降;随着干旱程度的加剧,硝酸还原酶活性
呈下降的趋势,CK组的硝酸还原酶活性最高,而重
度干旱C组的硝酸还原酶活性最低,存在显著差异。
当土壤含水量为40% 50%(即中度干旱)时,酶活
性显著下降。可见,中度干旱胁迫可引起桐花树叶
片硝酸还原酶活性的显著降低。
2.4 干旱胁迫对桐花树根系活力的影响
由图3可知:在轻度干旱胁迫下,根系活力略有
提高,可能是桐花树产生应急效应,以促进其根系对
土壤中水分的吸收;但随着干旱程度的加剧,中度干
旱B组和重度干旱C组的根系活力显著下降,重度
干旱 C组的根系活力下降尤为显著,其与 CK组和
轻度干旱A组存在显著差异。可见,中度干旱胁迫
即可引起桐花树根系活力的显著降低。
2.5 干旱胁迫对桐花树叶片过氧化物酶(POD)、
超氧化物歧化酶(SOD)活性和可溶性蛋白含量的
影响
从表2可看出:随着干旱胁迫程度的加深,桐花
树叶片 POD和 SOD活性均呈先升后降的趋势,其
中,POD和SOD的活性在轻度干旱胁迫下均最大,
而在中度干旱胁迫下开始下降。各干旱胁迫处理
图2 干旱胁迫对3年生桐花树硝酸还原酶活性的影响
图3 干旱胁迫对3年生桐花树根系活力的影响
下,SOD活性存在显著差异,而 POD活性差异不显
著。可见,轻度干旱胁迫可使桐花树叶片的抗氧化
酶POD、SOD活性上升,可能是桐花树对干旱胁迫产
524
林 业 科 学 研 究 第27卷
生的应急响应;然而,重度干旱胁迫可能抑制了POD
和SOD活性,使之下降。从表2还可看出:桐花树
在干旱胁迫下叶片的可溶性蛋白含量显著提高,且
各胁迫处理下其含量存在显著差异。
表2 干旱胁迫下3年生桐花树叶片过氧化物酶(POD)、
超氧化物歧化酶(SOD)活性和可溶性蛋白含量的变化
处理
POD/
(μ·g-1·min-1)
SOD/
(μ·g-1·min-1)
可溶性蛋白含量/
(mg·g-1)
CK 5313.18±102.22a 106.43±0.22b 978.78±0.17d
A 5326.15±58.83a 113.17±0.24a 985.75±0.21b
B 5298.74±92.19a 98.98±0.27c 981.18±0.23c
C 5287.26±73.95a 87.86±0.30d 989.67±0.39a
2.6 干旱胁迫下桐花树叶片丙二醛含量和相对电
导率的变化
从图4可知:桐花树在干旱胁迫下叶片的丙二
醛含量显著增大,其中,重度干旱处理的丙二醛含量
急剧增加,且极显著高于对照组。
从图5可知:随着土壤含水量的降低,桐花树叶
片的相对电导率总体呈上升趋势;轻度和中度干旱
胁迫处理的相对电导率增幅不大,与对照组的差异
不显著;而重度干旱胁迫处理的相对电导率则呈急
剧上升,显著高于其他处理组。
图4 干旱胁迫下3年生桐花树丙二醛含量的变化
图5 干旱胁迫对3年生桐花树幼苗相对电导率的影响
2.7 干旱胁迫对桐花树游离脯氨酸含量的影响
从图6可知:中度、重度干旱胁迫处理组的游离
脯氨酸含量显著高于对照组和轻度干旱胁迫处理
组。可见,桐花树为了抵御干旱环境,通过增加游离
脯氨酸来降低细胞的渗透势,以保持其生长活动的
正常进行。
图6 干旱胁迫对3年生桐花树游离脯氨酸含量的影响
2.8 干旱胁迫下桐花树叶绿素含量的变化
从表3可看出:轻度干旱、中度干旱和重度干旱
组的叶绿素a含量均显著比对照的高,而在干旱胁
迫下,叶绿素a含量表现为先升后降的趋势。叶绿
素总量和叶绿素 a/b也表现为先升后降的趋势,且
各处理间差异显著。在干旱胁迫下,叶绿素 b含量
呈逐渐上升趋势。总的来说,在干旱胁迫下,叶绿素
含量均显著高于对照组,叶绿素含量始终维持在一
个较高的水平上。
表3 干旱胁迫下桐花树叶绿素含量的变化
处理
叶绿素a 叶绿素b 叶绿素a+b
(mg·g-1)
叶绿素a/b
CK 2.35±0.13c 1.12±0.39b 3.47±0.49c 2.09±0.69b
A 4.26±0.08a 1.14±0.22b 5.40±0.30b 3.73±1.31a
B 4.90±0.20a 2.37±0.25a 7.27±0.42a 2.49±2.10b
C 3.73±0.10b 2.69±0.27a 6.42±0.36b 1.38±1.03c
3 结论与讨论
本研究表明,不同程度的干旱胁迫对桐花树的
生长和生理有显著的影响。焦娟玉等[22]研究表明,
随土壤含水量的降低,麻疯树(JatrophacurcasL.)的
株高、叶片生物量等均呈下降趋势。孙敏红等[23]对
菲油果(FeijoaselowianaL.)幼苗的研究表明:在土
壤含水率达到或小于20%时,植株生长受到抑制,
叶片数显著减少。本试验结果与上述研究结论相
似,即在干旱胁迫下,桐花树落叶显著增加,重度干
旱胁迫可导致其死亡,其存活率显著下降。在中度
和重度干旱胁迫下,桐花树的生长发育受到明显的
624
第3期 刁俊明等:干旱胁迫对桐花树生长和生理指标的影响
抑制。
硝酸还原酶是植物氮代谢中一个重要的调节酶
和限速酶[24],在调节植物对硝酸盐的还原与氮素吸
收利用及维持植物体内多种生理代谢平衡有重要的
调节作用[25]。敖日格尔[26]研究发现,干旱胁迫可
引起小麦叶硝酸还原酶活性逐步下降;斯琴巴特尔
等[27]研究表明,玉米(ZeamayL.)幼苗经过不同的
干旱胁迫处理后,其叶片的硝酸还原酶活性显著下
降。本试验研究结果与上述研究结论相符,即对照
组叶片的硝酸还原酶活性最高,而重度干旱组酶活
性最低,差异极显著。
根系活力的大小可直接影响植株的生长发育,
且是衡量根系抗御干旱能力的重要指标之一[28-29]。
俞建妹等[30]研究发现,桂花(Osmanthusfragrans
L.)苗的根系活力在土壤含水量60%时最大,而在
土壤含水量10%时最低。本试验结果与此相似,在
轻度干旱胁迫(土壤含水量为70% 80%)时,桐花
树的根系活力最大;当土壤含水量低于40% 50%
时,根系活力逐渐下降;在重度干旱(土壤含水量为
20% 30%)时根系活力最低。这表明,桐花树能通
过提高根系活力来抵御轻度干旱胁迫。
超氧化物歧化酶(SOD)是细胞抵御活性氧伤害
的酶保护系统,在清除超氧自由基、控制膜脂的过氧
化作用、保护细胞膜正常代谢等方面起重要作
用[31]。麻疯树的SOD活性表现为随土壤含水量的
下降而显著降低[22];菲油果幼苗的SOD活性随着土
壤含水率的下降而降低[23];土壤水分胁迫28d,槟
榔(ArecacatechuL.)叶片的SOD活性随土壤相对含
水量减少而降低[32]。本试验结果与上述研究结论
相似,在干旱胁迫条件下,桐花树叶片的 SOD活性
的整体变化趋势是先升后降;轻度干旱(土壤含水量
70% 80%)下,SOD活性显著高于对照组,是干旱
胁迫使植物体内产生较多的活性氧,诱导 SOD活性
提高以清除活性氧,从而减轻对细胞膜的伤害,这是
植物的自我保护机制[33];但随着干旱胁迫程度的加
剧,SOD活性显著下降。这是由于植物体内严重缺
水使植物细胞内代谢失调,自由基大量积累,膜质过
氧化作用加大,导致 SOD失活下降。本试验表明,
桐花树叶片的 SOD活性变化对不同土壤含水量的
变化较敏感。
过氧化物酶(POD)与植物的抗逆性有关,是植
物体内重要的保护酶之一[34],对环境变化的反应敏
感,各种逆境环境(干旱等)都会引起其活性的变
化。本试验中,桐花树叶片的 POD活性呈先升后降
的趋势,但变化幅度较小,各处理间差异不显著,这
与陈歆等[32]对槟榔叶片的研究结果不一致,而且桐
花树叶片的POD活性一直保持在较高的水平,这表
明桐花树对干旱胁迫有一定的抵御能力。
植物体内的可溶性蛋白质含量变化可作为衡量
植物抗逆性的重要生理指标[35]。李妮亚等[36]研究
发现,植物在逆境条件下可诱导出新的蛋白质或使
原有蛋白质含量增加。本试验表明,在干旱胁迫下,
桐花树叶片的可溶性蛋白含量逐渐增加,可能是干
旱胁迫使植物体内的不溶蛋白转变为可溶性蛋白以
增加渗透调节能力,这与李妮亚等的研究结果相似。
相对电导率的大小是膜伤害的重要标志,而丙
二醛(MDA)的含量可作为衡量膜脂过氧化作用程
度的一种重要指标[37-38]。Tomlinson[39]的研究表
明,相对电导率的大小与细胞膜的受伤程度成正相
关。随着干旱胁迫的加剧,槟榔叶片的MDA含量显
著增高[32]。本试验结果与上述研究结论相似,即在
重度干旱胁迫下,桐花树叶片的MDA含量和相对电
导率显著升高;而在轻度干旱和中度干旱胁迫下,桐
花树叶的相对电导率增幅很小,与对照的差异均不
显著,这又表明桐花树对干旱环境有一定的适应
能力。
脯氨酸含量的增加可作为植物在干旱胁迫下的
生理响应指标[30]。本试验表明,干旱胁迫下,桐花
树叶片中脯氨酸含量显著增加,这与槟榔叶片在干
旱胁迫下的响应一致[32]。渗透调节物质中的脯氨
酸具有易于水合的趋势或具有较强的水合力,能防
止原生质体的水分散失,桐花树在受到干旱胁迫时
脯氨酸的增加,可能有助于细胞或组织的持水,防止
脱水[40]。
桐花树在轻度和中度干旱胁迫下,叶绿素 a/b
值比对照组的高,这与藏柏在干旱胁迫下的响应相
似[41]。在干旱胁迫下,桐花树的叶绿素含量呈上升
趋势,这与麻疯树[22]、楸树(CatalpabungeiL.)[42]
叶片在干旱胁迫下的响应一致。在重度干旱胁迫
下,桐花树叶片的光合色素受到一定程度的破坏,所
以叶绿素含量会下降;而在轻度干旱和中度干旱的
环境中,桐花树具有较高的叶绿素含量,这表明桐花
树具有一定的抗旱能力。
试验表明,桐花树在轻度干旱环境里可通过提
高根系活力、增强 SOD和 POD的活性、增加脯氨酸
含量和具有较高的叶绿素含量等来抵御干旱环境,
724
林 业 科 学 研 究 第27卷
表现出生长发育良好,存活率为100%;而中度和重
度干旱环境对桐花树的各项生理指标均有显著的影
响,存活率显著下降。本研究认为,桐花树能适应一
定程度的干旱环境,能够在土壤持水量为 70%
80%及以上的淡水陆地上种植。
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