許翩翩， 王建柱

(三峽大學生物與制藥學院，湖北宜昌 443002)

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邊坡先鋒植物木豆的抗旱性

許翩翩， 王建柱*

(三峽大學生物與制藥學院，湖北宜昌 443002)

[目的]探究干旱脅迫對木豆光合及生理生化指標的影響，為水電邊坡生態(tài)修復(fù)中的物種篩選、植被群落的重建提供參考。[方法]采用盆栽控水法進行干旱脅迫，測定木豆葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、水分利用效率(Pn/Tr)、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)含量和可溶性糖含量8個抗旱指標的變化。[結(jié)果]木豆幼苗受水分變化的影響顯著，在干旱脅迫下Pn、Gs、Tr、Ci、Pn/Tr等光合指標均顯著下降，表現(xiàn)出不利的負向生理生態(tài)學響應(yīng)；木豆葉片MDA、Pro和可溶性糖含量均顯著增加以有效應(yīng)對干旱脅迫。[結(jié)論]木豆的抗旱能力較強，適應(yīng)于干熱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，是水電邊坡治理與開發(fā)的優(yōu)選灌木。

水電工程；干旱脅迫；光合特性；生理特性；木豆

出于對清潔能源的巨大需求，我國目前在金沙江的干熱河谷地區(qū)規(guī)劃或建設(shè)白鶴灘、烏東德等一系列水電工程[1]。這些水電工程所在地位于亞熱帶季風氣候區(qū)，具有云南高原氣候向四川盆地氣候過渡的氣候特點，兼具干旱河谷的生態(tài)特征[2]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)大型水電工程擾動區(qū)的生態(tài)環(huán)境十分惡劣，因大規(guī)模的開挖，其土壤物理結(jié)構(gòu)、土壤肥力、地下水路徑、地表覆蓋都受到嚴重破壞，植被的生態(tài)恢復(fù)難度較大[3-4]。一些抗逆性強的植物由于能在短時間內(nèi)形成植物群落，起到穩(wěn)固坡地、保持水土、改善生態(tài)環(huán)境的作用[5-7]，常被用作生態(tài)恢復(fù)工程中的先鋒物種。缺水和土地貧瘠是邊坡生態(tài)修復(fù)的限制問題，尤其是針對西南干熱河谷地區(qū)，因此，科學篩選抗旱植物是水電邊坡生態(tài)修復(fù)成功的關(guān)鍵和前提。植物的抗旱性是其在干旱環(huán)境下生長和繁殖的必要條件，是多種因素綜合作用的結(jié)果[8]，雖然目前有眾多的研究成果，但不同植物的抗旱機制不同，植物的自身形態(tài)和生理生化特征都與植物抗旱性有關(guān)[9]，對于干熱河谷地區(qū)邊坡生態(tài)修復(fù)植物，目前尚不能全面準確地描述各種植物的抗旱特征。

木豆(Cajanuscajan)，又稱豆蓉、扭豆，為豆科木豆屬灌木，株高可達3 m。木豆主要分布于我國云南、四川、廣東、廣西，熱帶和亞熱帶地區(qū)廣為栽培。木豆喜溫暖，耐干旱貧瘠，易繁殖，易于種植在鄉(xiāng)村及邊坡空地，既可增加生產(chǎn)，又可改良土壤，可作為先鋒恢復(fù)物種應(yīng)用到水電邊坡的生態(tài)恢復(fù)工程中。水分是重要的生態(tài)因子，植物的光合及水分生理特性可反映其生長狀況及其與生境的協(xié)調(diào)適應(yīng)情況[10-11]，可為研判先鋒群落的穩(wěn)定性和群落演替提供有益的信息[12]。鑒于此，筆者通過模擬水電邊坡不同水分特征，探究了木豆在干旱脅迫下的光合及生化指標變化，揭示了木豆的耐旱機理，并結(jié)合植株形態(tài)學變化特征對其適生性進行了綜合評價，以期為水電邊坡的先鋒植物篩選、植被恢復(fù)建設(shè)提供技術(shù)和理論支撐。

1　材料與方法

1.1材料試驗地點為湖北省宜昌市三峽大學的生態(tài)學試驗中心(111 18′64″ E、30°43′44″ N)，試驗所用木豆種子采購于四川省成都苗木基地。

1.2試驗設(shè)計挑選出籽粒飽滿、大小均勻且無損傷的種子，采用盆栽方式在恒溫透明的塑料溫棚進行試驗。供試土壤為邊坡典型黃棕壤，粉碎混勻后裝入盆中，每盆播種10粒種子，播種40盆。定期澆水，予以正常管理，培養(yǎng)一段時間后，每盆留取生長良好且高度相近的2株植株幼苗(苗長約20 cm)用于后續(xù)試驗。將40盆幼苗隨機分為4組進行4個水平處理。其中，CK組為對照組，土壤含水量為田間持水量的75%～80%，T1、T2、T3三組為干旱脅迫處理，分別控制土壤含水量為田間持水量的60%～75%(輕度干旱脅迫)、50%～55%(中度干旱脅迫)、35%～40%(重度干旱脅迫)。采取稱重法控制土壤含水量，每天定時對盆栽進行稱重、補水直至形成干旱脅迫水分梯度。保持設(shè)置的水分梯度15 d后，測定幼苗葉片的各光合參數(shù)值及相應(yīng)的生理生化指標。

1.3測定方法采用Li-6400便攜式光合分析儀分別測定木豆葉片Pn、Gs、Tr、Ci，并計算植物Pn/Tr。選取植株頂部從上到下的第3或第4片完全展開的健康成熟葉片，使用Li-6400便攜式光合分析儀的2 cm×3 cm標準紅藍光源葉室測定各處理組植株葉片的Pn、Tr、Gs、Ci等各項光合參數(shù)，每個處理重復(fù)測定10株植物。測定前，先用飽和光對植物進行30 min的光誘導(dǎo)，測定時將葉室溫度設(shè)為25 ℃，飽和光強控制在1 000 μmol/(m2·s)，CO2濃度控制在400 μmol/mol，所有測定均于9:00～11:00在室外25 ℃的環(huán)境下完成。生理生化指標的測定：采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定各處理水平的丙二醛含量；采用茚三酮法測定各處理水平的脯氨酸含量；采用蒽酮法測定各處理水平的可溶性糖含量。每一指標的測定均重復(fù)3次，且每一處理水平隨機選取5株與光合作用測定位置和成熟度近似的新鮮葉片進行測定。

1.4數(shù)據(jù)處理采用單因素方差分析法分析木豆種子光合及生理生化指標在不同干旱脅迫條件下的差異性，并進行LSD檢驗比較各組間差異顯著性，揭示木豆的光合作用對土壤干旱脅迫的響應(yīng)，并分析土壤干旱脅迫下木豆生理生化特征的變化規(guī)律。所有統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0和Excel 2003軟件進行。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤干旱脅迫對木豆光合特性的影響

2.1.1木豆葉片Pn的變化。木豆葉片的Pn隨干旱脅迫程度的加劇逐漸下降，干旱脅迫越劇烈，木豆葉片Pn降低的幅度越大(圖1)。在正常供水條件下，木豆葉片的Pn值為14.36 μmol/(m2·s)；在T1、T2和T3組Pn值顯著降低且與CK組存在顯著差異，分別較CK組下降了39.55%、69.99%和79.39%。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。　Note:Different letters indicated significant differences at 0.05 level between treatments. 圖1　不同干旱脅迫條件下木豆葉片Pn的變化Fig.1　Changes of Pn of C. cajan under different drought stresses

2.1.2木豆葉片Gs的變化。木豆在不同干旱脅迫條件下葉片的Gs均顯著降低，但T2和T3組差異不顯著(圖2)。正常土壤水分條件下木豆的葉片Gs為0.321 mol/(m2·s)，Gs隨著土壤含水量的減少而明顯下降，T1、T2和T3分別較CK下降了17.45%、48.60%和44.50%。不同干旱條件均使木豆氣孔活動程度明顯降低，以避免自身營養(yǎng)物質(zhì)過多損失。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著?！ote:Different letters indicated significant differences at 0.05 level between treatments.圖2　不同干旱脅迫條件下木豆葉片Gs的變化Fig.2Changes of Gs of C. cajan under different drought stresses

2.1.3木豆葉片Tr的變化。隨著土壤干旱脅迫程度的加劇，木豆葉片的Tr呈顯著下降趨勢，T2和T3組Tr差異不顯著。當土壤干旱脅程度增加，為有效減少葉片失水，木豆的葉片Tr均出現(xiàn)不同程度的下降，與Gs的變化趨勢基本一致。CK組葉片Tr是4.45 mmol/(m2·s)；T1、T2和T3組葉片的Tr分別為3.32、2.05、1.76 mmol/(m2·s)。隨著干旱脅迫程度的加重，木豆Tr有較大幅度的下降，但不同處理間Tr下降趨勢有差異，其中T3組木豆葉片Tr較CK下降了60.45%(圖3)。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著?！ote:Different letters indicated significant differences at 0.05 level between treatments.圖3　不同干旱脅迫條件下木豆葉片Tr的變化Fig.3　Changes of Tr of C. cajan under different drought stresses

2.1.4木豆葉片Ci的變化。T1、T2組Ci隨著土壤干旱脅迫程度的加劇而顯著下降，T3組Ci較T2組顯著上升，且與T1組無顯著性差異。說明T1、T2組木豆光合作用可能受光合作用限制，而T3組非氣孔限制占主導(dǎo)。CK組Ci值為246.32 μmol/(m2·s)；T1、T2和T3組木豆葉片Ci值分別是212.45、185.83、208.95 μmol/(m2·s)。木豆Ci隨著干旱脅迫的加劇呈先下降后上升的趨勢，T1、T2組明顯下降，在T3組Ci值又明顯上升，T1、T2和T3組木豆Ci較CK分別下降了13.75%、24.56%和15.17%(圖4)。

2.1.5干旱脅迫對木豆水分利用效率的影響。木豆葉片受干旱脅迫其水分利用效率均顯著降低。隨著土壤含水量的降低木豆葉片水分利用效率逐漸減小(圖5)。在正常土壤水分條件下，木豆葉片水分利用效率為4.15 μmol/mmol，隨著干旱脅迫的加重，木豆葉片水分利用效率在各干旱脅迫處理時均明顯下降，T1、T2和T3分別較CK下降了27.23%、52.30%和72.77%。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著?！ote:Different letters indicated significant differences at 0.05 level between treatments.圖4　不同干旱脅迫條件下木豆葉片Ci的變化Fig.4　Changes of Ci of C. cajan under different drought stresses

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著?！ote:Different letters indicated significant differences at 0.05 level between treatments.圖5　不同干旱脅迫條件下木豆葉片水分利用效率的變化Fig.5　Changes of water use efficiency of C. cajan under different drought stresses

2.2土壤干旱脅迫對木豆生理生化特性的影響木豆葉片在T1、T2和T3組MDA含量與CK組差異顯著。隨著土壤干旱脅迫程度的加大，木豆葉片的MDA含量逐漸上升。在CK組木豆葉片的MDA含量為17.28 mmol/g，木豆葉片在T1、T2和T3組MDA含量分別為CK組的1.20倍、1.47倍和2.02倍。當土壤含水量逐漸減小時，木豆細胞質(zhì)膜過氧化反應(yīng)程度加大，細胞膜受損程度不斷加深，嚴重干旱使得木豆植物嚴重受損，使其耐旱效果較差。

隨著干旱脅迫的增加，木豆葉片Pro含量顯著上升，而T2和T3組Pro含量差異不顯著。CK組木豆葉片Pro含量為31.54 μg/g，木豆葉片Pro含量在各脅迫處理中均遠高于CK組，而中度和重度干旱處理(T1、T2)間Pro含量相當，在T1、T2和T3組Pro含量分別是CK組的2.23倍、5.81倍和6.03倍。在T1和T2組，木豆葉片內(nèi)Pro含量顯著上升來調(diào)節(jié)植物滲透平衡，而T3組葉片Pro增加減緩其滲透調(diào)節(jié)能力降低，對干旱環(huán)境適應(yīng)性減弱。

木豆葉片在不同干旱脅迫下的可溶性糖含量均呈顯著上升趨勢。CK組木豆葉片可溶性糖含量為2.38 mg/g，T1、T2和T3組木豆葉片積累的可溶性糖含量分別是對照的1.67倍、2.29倍和3.10倍。通過對可溶性糖含量積累程度比較，發(fā)現(xiàn)不同程度的干旱脅迫均使木豆葉片可溶性糖含量增加；中度和重度干旱脅迫會導(dǎo)致木豆可溶性糖含量顯著升高。通過不同程度上可溶性糖的積累，可實現(xiàn)體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)的平衡(表1)。

3　結(jié)論與討論

在諸多環(huán)境因素當中，水分是影響植物生長發(fā)育和生存最重要因子之一。水分利用效率是植物物質(zhì)生產(chǎn)和水分消耗之間的重要綜合指標，不僅反映植物生理功能及其對環(huán)境的適應(yīng)性，也是植物對水分條件響應(yīng)的基礎(chǔ)研究指標[13]，蒸騰速率低、光合速率和水分利用效率高是抗旱物種的特性之一[14]。在不同的干旱脅迫條件下，木豆的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等光合指標值均呈現(xiàn)出不同的下降趨勢。凈光合速率是植物光合作用強弱的直接指標，其高低反映了植物積累營養(yǎng)物質(zhì)能力的大小，正常的水分條件有助于木豆的生長發(fā)育，水分不足會影響木豆凈光合產(chǎn)物的積累，且在T2和T3組更為顯著，木豆葉片的水分利用效率變化趨勢與凈光合速率基本一致。木豆的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率隨干旱脅迫的增加均減小，且T2和T3組無顯著性差異。木豆的生理代謝活動因氧氣的減少而降低，從而造成氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均明顯下降。在T1水平植株為阻止水分過度散失降低了氣孔導(dǎo)度水平使得蒸騰速率降低，在T2和T3水平則可能是非氣孔限制導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降且兩水平無顯著差異。胞間CO2濃度由CK到T2呈降低趨勢，但到T3增加，且T1和T3無顯著性差異。有研究認為，如果氣孔因素限制占主導(dǎo)，那么植物凈光合速率的下降伴隨著胞間CO2濃度的下降，如果非氣孔因素限制占主導(dǎo)，那么植物凈光合速率的下降就會伴隨著胞間CO2濃度的上升[15]。由CK到T2組由于氣孔導(dǎo)度降低致使環(huán)境中CO2濃度進入葉肉細胞減少，從而使胞間CO2濃度降低進而使凈光合速度降低。而T3組水分脅迫造成葉肉細胞光合活性的降低，從而導(dǎo)致光合作用利用的CO2量減少，而呼吸作用產(chǎn)生的CO2量不變，所以使胞間CO2增加，而凈光合速度始終呈現(xiàn)下降的趨勢。

表1　不同干旱脅迫條件下木豆葉片生理生化指標變化

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。

Note:Different letters indicated significant differences at 0.05 level between treatments.

丙二醛是植物細胞膜脂質(zhì)過氧化作用的產(chǎn)物，當植株處于干旱脅迫條件下時，植株體內(nèi)丙二醛含量就會增加，丙二醛含量的積累能破壞細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，引起細胞膜功能紊亂，其含量的高低可以反映植株生理代謝活動的強弱和植株遭受傷害的程度[16]。木豆在各干旱脅迫下葉片丙二醛積累含量都顯著增加，膜系統(tǒng)受傷害程度不斷加深，但在T1、T2水平增加幅度不大，在T3水平則顯著增加，表明木豆在一定干旱情況下膜脂過氧化程度變動不大，具備一定的抗旱性。脯氨酸是一種調(diào)節(jié)滲透的物質(zhì)，許多植物能通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來維持細胞一定的含水量和膨壓，從而維持細胞的正常生理功能[17]。研究表明，水分脅迫條件下植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖的增加可以降低植物體內(nèi)的滲透勢，有利于植物體在干旱逆境中維持體內(nèi)正常的所需水分，提高植物的抗逆適應(yīng)性[18]。 隨著干旱脅迫的增加木豆葉片脯氨酸含量和可溶性糖均顯著上升，這與李渡等[19]對苜蓿的研究結(jié)果一致。干旱脅迫條件下，木豆葉片內(nèi)游離脯氨酸和可溶性糖含量的大量積累是進行滲透調(diào)節(jié)的一種反應(yīng)，以維持細胞一定的含水量和膨壓勢，提高其自身抗逆適應(yīng)性。

通過對木豆光合及生理生化指標的分析發(fā)現(xiàn)其幼苗具有一定的抗旱能力，在輕度和中度干旱脅迫條件下，各項生化指標反應(yīng)良好，表現(xiàn)出較強的干旱適應(yīng)特征，適合栽種于西南干熱河谷地區(qū)，可作為水電邊坡生態(tài)修復(fù)的備選物種。但因地質(zhì)環(huán)境的差異及物種適應(yīng)性等因素還需結(jié)合其他物種進一步對比研究。

[1] 王傳華,曾春函,沈德嵩,等.云南干熱河谷水庫氣候效應(yīng)對車桑子幼苗生長發(fā)育的影響及其作用機制[J].生態(tài)學報,2016,36(17):1-10.

[2] 中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院. 金沙江向家壩水電站水土保持方案報告書[Z].2006.

[3] 曹永強,倪廣恒,胡和平.水利水電工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響分析[J].人民黃河,2005,27(1):56-58.

[4] 董哲仁.水利工程對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫[J].水利水電技術(shù),2003,34(7):1-5.

[5] 楊修,高林.德興銅礦礦山廢棄地植被恢復(fù)與重建研究[J].生態(tài)學報,2001,21(11):1932-1941.

[6] 李西,羅承德,陳其兵.巖石邊坡植被護坡植物選擇初探[J].中國園林,2004(9):52-53.

[7] ZHOU Z C,SHANGGUAN Z P.Effect of ryegrasses on soil runoff and sediment control[J].Pedosphere,2008,18(1):131-136.

[8] 孫彩霞,沈秀瑛.作物抗旱性鑒定指標及數(shù)量分析方法的研究進展[J].中國農(nóng)學通報,2002,18(1):49-51.

[9] 莊麗,陳亞寧,陳明,等.模糊隸屬法在塔里木河荒漠植物抗旱性評價中的應(yīng)用[J].干旱區(qū)地理,2005,28(3):367-372.

[10] 蔡錫安,孫谷疇,趙平,等.土壤水分對單性木蘭幼苗光合特性的影響[J].熱帶亞熱帶植物學報,2004,12(3):207-212.

[11] ZHANG S Y,XIA J B,ZHOU Z F,et al.Photosynthesis responses to various soil moisture in leaves ofWisteriasinensis[J].Journal of forestry research,2007,18(3):217-220.

[12] 趙平.退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)的生理生態(tài)學研究進展[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2003,14(11):2031-2036.

[13] 蔣高明,常杰,高玉葆,等.植物生理生態(tài)學[M].北京:高等教育出版社,2004:9-57.

[14] 熊偉,王彥輝,于澎濤.樹木水分利用效率研究綜述[J].生態(tài)學雜志,2005,24(4):417-421.

[15] FARQUHAR G D,SHARKEY T D.Stomatal conductance and photosynthesis[J].Annual review of plant physiology,1982,18(2):1-3.

[16] 湯章城.植物對水分脅迫的反應(yīng)和適應(yīng)性、抗逆性的一般概念和植物的抗?jié)承訹J].植物生理學通訊,1983(3):24-29.

[17] 丁玉梅,馬龍海,周曉罡,等.干旱脅迫下馬鈴薯葉片脯氨酸、 丙二醛含量變化及與耐旱性的相關(guān)性分析[J].西南農(nóng)業(yè)學報,2013,26(1):106-110.

[18] 柴成林,李紹華,徐迎春.水分脅迫期間及脅迫解除后桃樹葉片中的碳水化合物代謝[J].植物生理學通訊,2001,37(6):495-498.

[19] 李渡,賈秀峰,白慶武,等.干旱脅迫對苜蓿脯氨酸積累的影響[J].植物研究,2003,23(2):189-191．

Drought Resistance Research for Slope Pioneer PlantCajanuscajan

XU Pian-pian,WANG Jian-zhu*

(College of Biopharmaceutis,China Three Gorges University,Yichang,Hubei 443002)

[Objective] To explore the effects of drought stress on photosynthesis,physiological and biochemical indices ofCajanuscajan,and to provide scientific references for species screening and community reconstruction in ecological restoration of hydropower slope. [Method] Pot water control method was used for drought stress ofC.cajan. Changes of net photosynthetic rate (Pn),stomatal conductance (Gs),transpiration rate (Tr),intercellular CO2concentration (Ci),water use efficiency (Pn/Tr),malondialdehyde (MDA),proline (Pro) and soluble glucose content were detected inC.cajan. [Result]C.cajanseedlings were greatly affected by the moisture change. Under drought stress,thePn,Gs,Tr,CiandPn/Trall significantly decreased,showing a negative photosynthetic response to the drought stress. MDA,Pro and soluble glucose content significantly increased,so as to effectively respond to drought stress. [Conclusion]C.cajanhas strong draught tolerance,can adapt to the ecological environment of dry-heat area. It is the optimal shrub to control degraded mountain land.

Hydropower engineering; Drought stress; Photosynthetic characteristic; Physiological characteristics;C.cajan

國家自然科學基金項目(51179094)。

許翩翩(1987-)，女，湖北松滋人，碩士研究生，研究方向：恢復(fù)生態(tài)學。*通訊作者，副教授，博士，從事生態(tài)學研究。

2016-05-23

Q 945.78

A

0517-6611(2016)20-001-03