狭叶坡垒幼苗对PEG模拟干旱胁迫的生理响应
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摘要：以1年生狭叶坡垒（Hopea chinensis）幼苗为试材，采用聚乙二醇peg-6000模拟干旱胁迫的方法，设置轻度干旱胁迫（T1，100 g/L PEG）、中度干旱胁迫（T2，200 g/L PEG）和重度干旱胁迫（T3，300 g/L PEG）、对照（CK，未添加PEG）4个水分处理，研究了干旱胁迫对狭叶坡垒幼苗生理生化特性的影响。结果表明，随着干旱胁迫程度的加剧和胁迫时间的延长，狭叶坡垒幼苗叶片的相对含水量迅速降低，MDA含量逐渐升高；狭叶坡垒幼苗叶片叶绿素含量在T1处理下缓慢上升，T2、T3处理下先缓慢升高后降低；可溶性蛋白含量和可溶性糖含量的变化趋势相类似，均呈先升高后降低的趋势，但可溶性糖含量在前期（24 h）和中期（48 h）时增幅较大。说明在干旱胁迫下狭叶坡垒幼苗受到一定程度的伤害，但可以通过调节自身可溶性蛋白和可溶性糖等渗透调节物质的含量来提高其吸水和保水能力，可减轻干旱伤害。其中，可溶性糖可能是狭叶坡垒的重要渗透调节物质。
关键词：狭叶坡垒（Hopea chinensis）；聚乙二醇PEG-6000；干旱胁迫；生理特性
中图分类号：Q945.78；S432.2+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）24-6079-05
水分是植物生长发育的必要条件。近年来随着全球气候变暖，土壤沙漠化、强降雨增多、干旱频发已成为当今世界严重的生态环境问题，其中干旱现象尤为突出。干旱是限制植物生长发育、基因表达和产量的重要因子[1，2]。不同程度的干旱对植物造成一定胁迫，植物从形态结构、生理生化等多层次上会表现出相关的适应性[3]。目前关于植物在干旱胁迫下生理生化特性的研究较多，研究结果表明渗透调节是植物忍耐干旱的一种适应性反应[4]，渗透调节物质是植物抵御干旱胁迫的重要生理生化反应之一。植株会通过积累小分子渗透调节物质，降低细胞水势，提高细胞的吸水和保水能力，从而维持细胞膨压，保证植物生理代谢功能的正常进行[5]。
狭叶坡垒（Hopea chinensis）又名华南坡垒、龙袍树、万年木，属龙脑香科（Dipterocarpaceae）坡垒属（Hopea）常绿乔木，其材质坚硬、耐腐力强，埋入土中百年不腐，可作为军工、机械和高级家具等用材[6]。狭叶坡垒是我国特有种，属第三纪残留种，现仅分布于广西十万大山国家级自然保护区，呈岛屿状分布，据调查测算，十万大山的狭叶坡垒仅有5 162株[7-9]。由于过度利用，野外种群数量日渐减少，残存母树不多，被列为濒危物种，在国务院批准颁布的《国家重点保护野生植物名录（第一批）》中，狭叶坡垒被列为国家一级重点保护植物[10]。可见，狭叶坡垒有着重要的社会、经济、科研价值，对其加强保护和研究就显得尤为重要。目前，国内外对龙脑香科植物的研究报道较多[11]，而对狭叶坡垒的研究仅限于资源分布、种群生态、种子特性、光合生理、迁地保护的研究[12，13]，对其生理生化特性的研究鲜有报道。随着全球气候的变化，干旱频发，植物的生长发育经常受到干旱的影响，其幼苗往往更易受干旱的影响。狭叶坡垒通常生长于十万大山海拔600 m以下的山沟、山谷或山坡下部，喜温暖、湿润、排水良好和偏酸性的砖红壤中，温度和湿度对其影响颇大。狭叶坡垒繁殖为种子繁殖，种群中幼苗居多，水分亏缺对其幼苗影响较大。目前，有关狭叶坡垒幼苗在干旱胁迫下的生理特性变化还未见报道。本试验以狭叶坡垒实生幼苗为材料，通过聚乙二醇PEG-6000人工模拟干旱条件，研究不同干旱胁迫对狭叶坡垒幼苗生理生化特性的影响，为狭叶坡垒的迁地保护提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验于2012年4月在广西植物研究所种质资源实验室内进行，材料为盆栽1年生狭叶坡垒实生幼苗。采用上口径20 cm，下口径10 cm，高15 cm的塑料盆进行幼苗培养，基质为珍珠岩，营养液选用改良Hoagland配方[14]。
1.2 试验方法
在改良Hoagland配方营养液中加入聚乙二醇PEG-6000配成不同质量浓度的处理液模拟不同程度的干旱胁迫。各处理包括：轻度干旱胁迫（T1，100 g/L PEG），中度干旱胁迫（T2，200 g/L PEG），重度干旱胁迫（T3，300 g/L PEG），以不加PEG为对照（CK）。
选取生长健壮、整齐一致的狭叶坡垒植株，仔细剥落根系上的泥土，洗净后插入富含营养液的塑料盆中。幼苗在改良Hoagland营养液中恢复5 d后，再移入上述处理液中进行干旱胁迫。每个处理3次重复，每重复栽4盆，每盆2株幼苗。各处理分别在持续胁迫0、24、48、72 h时采集从幼苗基部起第3、4叶位成熟叶片，用蒸馏水冲洗干净，并吸干叶面水分，混合采集的叶片后进行各项生理指标的测定，每个指标3次重复。试验在室温下进行，室内温度为26 ℃左右，相对湿度70%～83%。
1.3 生理指标的测定
相对含水量（RWC）采用称量法测定[15]，叶绿素含量采用紫外分光光度计比色法测定[15]，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定[16]，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[14]，可溶性糖含量采用硫酸-蒽酮比色法测定[16]。
1.4 数据处理
采用SPSS 18.0和Microsoft Excel 2003软件进行统计分析并制图。
2 结果与分析
2.1 干旱胁迫对狭叶坡垒叶片相对含水量的影响
组织含水量是表征植物体水分状况的最直接指标之一，在干旱条件下，抗旱力强的植物可维持较多的水分，组织含水量比较高[17]。如图1所示，在干旱条件下，随着干旱胁迫的加剧和时间的持续，狭叶坡垒叶片的相对含水量大体上呈快速下降的趋势。其中，在胁迫24 h时，T1、T2、T3处理的相对含水量下降缓慢，之后快速下降；在胁迫48 h时，与CK相比，T1、T2、T3处理相对含水量分别减少了22.42、25.80、33.31个百分点，差异达极显著水平；在胁迫72 h时，与CK相比，T1、T2、T3处理相对含水量分别减少了36.11、41.80、45.23个百分点，差异达极显著水平。以上结果表明，干旱胁迫的程度和时间对狭叶坡垒幼苗叶片的相对含水量影响较大，其叶片保水能力较弱。
2.2 干旱胁迫对狭叶坡垒叶片叶绿素含量的影响
干旱胁迫下叶绿素含量的变化可以指示植物对干旱胁迫的敏感性[18]。如图2所示，在不同强度干旱胁迫下，随着时间的持续，狭叶坡垒幼苗叶片的叶绿素含量变化趋势略有不同。T1处理的叶绿素含量呈缓慢上升趋势，而T2、T3处理的叶绿素含量呈先上升后下降的趋势。在胁迫48 h时，T1、T2、T3处理的叶绿素含量分别比CK增加了26.79%、31.22%和27.34%，三者均与CK差异显著；在胁迫72 h时，T1处理的叶绿素含量比CK增加了30.37%，两者之间差异显著，而T2、T3处理的叶绿素含量与CK相比差异不显著。干旱胁迫引起光合作用下降导致叶绿素含量下降，与此同时，干旱胁迫也会引起叶片含水量下降从而引起单位鲜重的叶绿素含量相对升高，所以随着胁迫时间的延长，不同干旱胁迫强度对狭叶坡垒幼苗叶片叶绿素含量的影响有差异。
2.3 干旱胁迫对狭叶坡垒叶片MDA含量的影响
在干旱胁迫条件下，植物细胞中的活性氧逐渐积累，引发膜脂过氧化和膜脂脱氧化反应，从而导致过氧化产物丙二醛的产生[19]。如图3所示，随着干旱胁迫的加剧和时间的延长，导致狭叶坡垒幼苗叶片MDA含量呈现逐渐上升的趋势。其中，在胁迫24 h时，T1、T2、T3处理与CK相比，MDA含量分别增加了18.17%、25.12%和40.89%，差异均达极显著水平；在胁迫72 h时，各处理与CK相比，MDA含量分别增加了24.32%、41.27%和70.75%，差异均达显著水平。表明随着干旱胁迫的加剧和胁迫时间的延长，狭叶坡垒叶片膜脂过氧化和膜脂脱氧化作用逐渐加强，膜结构受损伤，膜透性增加，细胞内物质外渗程度加重。
2.4 干旱胁迫对狭叶坡垒叶片可溶性蛋白含量的影响
可溶性蛋白是植物重要的渗透调节物质，在干旱胁迫过程中可溶性蛋白可束缚更多的水分，增强抗旱性[19]。如图4所示，随着干旱胁迫的加剧，狭叶坡垒幼苗叶片的可溶性蛋白含量有所下降。在同一处理中，随着胁迫时间的持续狭叶坡垒幼苗叶片的可溶性蛋白含量呈先上升后下降的趋势。其中，在胁迫24 h时，T1处理与CK相比可溶性蛋白含量显著增加了24.08%，而T2、T3处理与CK相比可溶性蛋白含量差异不显著；在胁迫48 h时，T1、T2、T3处理与CK相比可溶性蛋白含量分别显著增加了30.94%、24.62%、10.74%；在胁迫72 h时，各处理与CK相比可溶性蛋白含量差异不显著。以上结果表明，在抵御干旱胁迫时，狭叶坡垒幼苗的可溶性蛋白起到了一定的调节作用，且随着干旱胁迫的增强调节作用有所减弱。
2.5 干旱胁迫对狭叶坡垒叶片可溶性糖含量的影响
在胁迫条件下，可溶性糖是植物细胞内的保护物质，可以有效地提高细胞的渗透浓度、降低水势、增强保水能力，对原生质体起到保护作用[20]。图5显示了干旱胁迫对各处理的可溶性糖含量的影响。随着胁迫时间的持续，T1、T2、T3处理的可溶性糖含量总体上呈先上升后下降的趋势，在胁迫24 h时T3处理可溶性糖含量达到峰值，而T1、T2处理在胁迫48 h时才达到峰值。在胁迫24 h时，T1、T2、T3处理与CK相比，可溶性糖含量分别显著增加了0.80、0.87、1.19个百分点；在胁迫48 h时，T1、T2、T3处理与CK相比，可溶性糖含量分别显著增加了1.65、2.25、0.54个百分点；在胁迫72 h时，各处理与CK相比可溶性糖含量差异不显著。结果表明，干旱胁迫下，狭叶坡垒叶片的可溶性糖急剧积累，降低了细胞渗透势，维持了膨压，对抵御干旱逆境发挥了重要的作用。
3 小结与讨论
水分是植物生命活动的重要物质，植物的水分状况与其抗旱性密切相关。叶片相对含水量能较好地反映植物水分状况[21]。本试验中，在不同干旱胁迫强度下，狭叶坡垒叶片相对含水量随着干旱胁迫程度的加剧和胁迫时间的延长呈快速下降的趋势，其降幅较大，说明狭叶坡垒幼苗对干旱胁迫很敏感，保水能力较弱。资料显示，野生狭叶坡垒通常分布于十万大山海拔600 m以下沟谷、溪边或山坡下部的常绿阔叶林中，对温度和湿度要求较高[22]。通过对桂林植物园迁地保护的狭叶坡垒生长环境长期观察发现，其幼苗在土壤湿润、空气湿度大的林下生长良好。狭叶坡垒幼苗喜温湿环境，干旱条件对其幼苗生长不利，与本试验初步结果相符。
叶绿素含量是植物对干旱胁迫反应敏感性的生理指标之一。干旱胁迫抑制叶绿素合成并加速其分解，导致叶绿素含量急剧下降[23]。黎祜琛等[24]研究认为干旱胁迫时光合作用的抑制有严重的滞后效应，Jeon等[25]研究认为干旱胁迫下叶绿素含量增加，原因可能与叶片含水量减小有关。本试验中，在不同干旱胁迫强度下，随着胁迫时间的延长狭叶坡垒叶片叶绿素含量变化趋势略有不同。T1处理的叶绿素含量呈缓慢上升趋势，而T2、T3处理的叶绿素含量呈先上升再下降的趋势。T1、T2、T3处理的叶绿素含量上升，可能是因为干旱胁迫下叶绿素的降解速度较慢，叶片含水量迅速下降，从而提高了单位鲜重中叶绿素的含量。T2、T3处理的叶绿素含量在胁迫后期迅速下降，可能是由于干旱胁迫下诱导叶绿体发生膜脂过氧化反应，产生活性氧、丙二醛使叶绿素受到破坏并加速其分解。
丙二醛含量的变化是反映膜脂过氧化作用的一个重要指标[26]。本研究结果表明，狭叶坡垒叶片的MDA含量随胁迫强度的增大和时间的延长呈上升趋势，可能由于干旱胁迫下保护酶活性减弱，活性氧的产生和清除平衡被打破，活性氧不断积累，导致膜脂质过氧化作用加强，膜透性增大，MDA不断积累。渗透调节是植物抗旱的一种重要方式，其能力的有无和强弱同胁迫条件下渗透调节物质的含量和持续时间密切相关，可溶性糖和可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质[27]，它们能维持植物细胞较低的渗透势，抵抗干旱引起的伤害。本研究结果表明，在干旱胁迫前期和中期，不同干旱胁迫强度下狭叶坡垒叶片的可溶性糖和可溶性蛋白含量有明显升高的现象，且可溶性糖含量增幅较大，而可溶性蛋白含量增幅较小，表明在干旱胁迫条件下狭叶坡垒具有一定的渗透调节能力，可以通过调节自身可溶性蛋白、可溶性糖含量增加细胞原生质，提高其吸水和保水能力，减轻干旱伤害。狭叶坡垒叶片的可溶性糖可能发挥着重要的渗透调节作用。
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