沙拐棗屬5種植物抗旱能力評價研究

倪細爐 王繼飛 李靜堯

摘要：本文以沙拐棗屬5種植物為研究材料，采用干旱脅迫模擬實驗，研究沙拐棗屬植物抗旱特征及其能力綜合評價。結(jié)果表明：在干旱脅迫條件下，沙拐棗屬植物生長量指標都有明顯的降低趨勢;除無葉沙拐棗和紅果沙拐棗外，葉綠素含量和光合參數(shù)有降低的趨勢;除淡枝沙拐棗外，保護酶系統(tǒng)的SOD、POD的活性呈增高趨勢;丙二醛含量和葉綠素熒光值也呈增高的趨勢?；疑P(guān)聯(lián)度分析可知：葉綠素熒光和生長量等作為沙拐棗屬植物抗旱性鑒定的初級指標，并結(jié)合飽和含水量、POD、鮮重、干重、Chl和SOD等指標綜合鑒定。5種植物抗旱性強弱的順序依次為：淡枝沙拐棗 > 喬木狀沙拐棗 > 紅葉沙拐棗 > 無葉沙拐棗 > 頭狀沙拐棗。

關(guān)鍵詞：沙拐棗屬;抗旱;綜合評價;隸屬函數(shù)法

一、前言

干旱是限制植物生長發(fā)育的重要影響因子之一。全球土地有1/3屬于干旱或半干旱地區(qū)，在長期進化過程中，植物為了適應(yīng)干旱脅迫，在植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長發(fā)育、生理響應(yīng)、代謝、營養(yǎng)、激素變化、基因等不同層次、不同水平發(fā)生了一系列生物學適應(yīng)機制[1-5]，各種適應(yīng)方式相互聯(lián)系、相互制約，共同調(diào)節(jié)植物的整體抗旱性，因此，植物對干旱脅迫適應(yīng)性及其抗旱能力的研究具有重要意義。

沙拐棗屬（Calligonum）植物是主要生長于荒漠化或半荒漠化環(huán)境的優(yōu)勢灌木資源，在我國干旱荒漠區(qū)廣泛分布[6]，多生于流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、沙地、沙礫質(zhì)荒漠和礫質(zhì)荒漠的粗沙積聚處，是優(yōu)良的防風固沙先鋒植物。具有生長快、易繁殖、抗風蝕、耐沙埋、耐旱的特點，是該地區(qū)最為重要的防風固沙先鋒種[7]。目前對沙拐棗屬植物的研究主要集中在果實形態(tài)結(jié)構(gòu)及分類[8-9]、種子庫及種子萌發(fā)[10]、生理生態(tài)學[11]等方面，而對沙拐棗屬植物抗旱能力綜合評價的研究卻鮮有報道。為此，我們對5種沙拐棗屬植物抗旱特性等進行室內(nèi)外控制實驗，以期對沙拐棗屬植物抗旱能力進行評價，探討沙拐棗屬植物的抗旱特征以及對干旱脅迫的適應(yīng)對策。

二、材料與方法

（一）實驗材料

5種沙拐棗屬（Calligonum）植物分別為：淡枝沙拐棗（C. leucocladum）、紅果沙拐棗（C. rubicundum）、喬木狀沙拐棗（C. arborescens）、頭狀沙拐棗（C. caput-medusae）和無葉沙拐棗（C. aphyllum）。5種植物于2010年年從新疆吐魯番植物園引種到銀川植物園內(nèi)種植，2016年11月剪取其枝條在銀川植物園內(nèi)進行扦插繁殖，2017年4月開始萌芽生長，5種供試材料均為二年生植物，同時植于銀川植物園內(nèi)。

（二）實驗處理

移栽苗經(jīng)過緩苗期后，水分梯度試驗從2018年8月1號開始，到2018年9月30號結(jié)束。通過人工控制水分設(shè)置正常處理（土壤含水量為田間持水量的70%～80%）和干旱處理（土壤含水量為田間持水量的40%～50%）。每梯度處理下各供試品種均設(shè)6次重復。每天下午17：00采用稱重法控制土壤含水量，從盆上部加水到設(shè)計上限，補充其水分消耗。實驗環(huán)境的光照強度為6萬～10萬lx，溫度為19～33℃，相對濕度為25%～58%。每次補水時間為近日落時，以使水分充分滲到土壤中。待干旱脅迫處理28 d后測定各項指標。

（三）實驗方法

葉綠素含量采用乙醇浸提比色法[12];質(zhì)膜透性采用電導率法[13];丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[14];超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性采用氮藍四唑（nitroblue tetrazolium，NBT）法[15];過氧化物酶（peroxidase，POD）活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法[16];過氧化氫酶（catalase，CAT）活性采用紫外吸收法[14];鮮重、飽和水重和干重等指標用稱重法測定;光合參數(shù)（Pn：光合速率，E：蒸騰速率，C：氣孔導讀）采用GFS-3000光合儀（Heinz Walz GmbH公司，德國）測定;葉綠素熒光值（Chl flu.）采用OS-30P手持式熒光儀進行測定。

植物各指標的耐旱系數(shù)（drought-tolerance coefficient，DTC）按照公式計算：DTC=處理測定值/對照測定值。

（四）評價方法

1. 評價指標的選取

評價方法中選取了生長指標、光合生理指標及常規(guī)生理指標等三大類，對5種沙拐棗屬植物進行抗旱性綜合分析。這三大類指標分別是：生長指標（葉片鮮重、葉片飽和水重、葉片干重、生長量）、光合生理指標（光合速率、蒸騰速率等）、常規(guī)生理指標（葉綠素含量、丙二醛含量、保護酶系統(tǒng)活性和葉綠素熒光值）。

2. 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法進行抗旱性鑒定指標的排序和篩選，弄清各因素對抗旱性影響的主次關(guān)系，對于科學評價植物的抗旱性具有重要意義。

參考數(shù)列的構(gòu)建：灰色關(guān)聯(lián)分析的關(guān)鍵是參考數(shù)列的確定，葉綠素熒光（Chl flu.）值是植物逆境下反應(yīng)最為靈敏的指標之一，因此本文在抗旱系數(shù)的選擇上采用Chl flu.作為參考數(shù)列。

比較數(shù)列的構(gòu)建：在比較數(shù)列中必須采用和參考數(shù)列具有關(guān)聯(lián)性的數(shù)列進行分析。我們選用各指標耐旱系數(shù)作為比較數(shù)列。

3. 隸屬函數(shù)分析法

隸屬函數(shù)分析是在各項生理指標測定的基礎(chǔ)上對植物本身特性進行綜合評價，將它應(yīng)用于抗旱植物的篩選和抗旱能力比較是一種可靠的方法，多指標的評價能從不同角度反映植物抗旱特性的實質(zhì)[17]。

隸屬函數(shù)值計算公式：

R（Xt）=（Xt-Xmin）/（Xmax-Xmin）

式中，Xt為各指標測定值，Xmin、Xmax為所有參試材料某一指標的最小值和最大值。如果某一指標與抗旱能力成負相關(guān)，則用反隸屬函數(shù)進行轉(zhuǎn)換，計算公式為：

R’（Xt）=1-（Xt-Xmin）/（Xmax-Xmin）

三、研究結(jié)果

（一）干旱脅迫下沙拐棗的生理參數(shù)

在干旱脅迫條件下，5種沙拐棗屬植物的鮮重、飽和水重、干重、生長量、葉綠素含量、氣孔導度和葉綠素熒光值等都有明顯的降低趨勢;MDA含量、POD和SOD酶活性等呈升高的趨勢;紅皮沙拐棗、喬木沙拐棗和無葉沙拐棗的凈光合速率呈升高的趨勢，但白皮沙拐棗和頭狀沙拐棗的凈光合速率呈降低的趨勢;紅皮沙拐棗、頭狀沙拐棗和無葉沙拐棗的蒸騰速率呈升高的趨勢，但白皮沙拐棗和喬木沙拐棗的蒸騰速率呈降低的趨勢（表1）。

（二）沙拐棗屬植物耐旱系數(shù)分析

在干旱脅迫條件下，生長指標耐旱系數(shù)（葉片鮮重、葉片飽和水重、植株干重和生長量等）都小于1，表明在干旱脅迫下，5種沙拐棗屬植物生長受到抑制，各生長指標呈降低的趨勢，其中，喬木沙拐棗降低的幅度最大，淡枝沙拐棗和無葉沙拐棗;無葉沙拐棗葉綠素含量的耐旱系數(shù)大于1，其他4種沙拐棗屬植物耐旱系數(shù)均小于1，其中，頭狀沙拐棗降低的幅度最大;紅果沙拐棗、喬木沙拐棗和無葉沙拐棗光合速率的耐旱系數(shù)大于1，但淡枝沙拐棗和頭狀沙拐棗光合速率耐旱系數(shù)小于1;5種沙拐棗屬植物MDA耐旱系數(shù)均大于1，其中，紅果沙拐棗增幅最大，頭狀沙拐棗和無葉沙拐棗的增幅最小;5種沙拐棗屬植物保護酶活性（POD和SOD）和葉綠素熒光值的耐旱系數(shù)均大于1，其中，無葉沙拐棗的增幅最大，喬木沙拐棗的增幅最?。ū?）。

（三）5種沙拐棗屬植物抗旱指標進行排序和篩選

采用灰色關(guān)聯(lián)度分析的方法對沙拐棗屬5種植物12個抗旱性鑒定指標進行了分析和篩選?；疑到y(tǒng)理論將5個供試品種的抗旱系數(shù)及各指標的變化率視為一個整體，即灰色系統(tǒng)。首先將數(shù)據(jù)標準化處理，計算得出抗旱系數(shù)與其他性狀的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計算抗旱系數(shù)與各性狀的灰色關(guān)聯(lián)度。從而建立一個優(yōu)化的指標體系。

1. 標準化處理和絕對值差

將數(shù)據(jù)進行標準化處理（表略），并根據(jù)標準化處理結(jié)果求參考數(shù)列（X0）與比較數(shù)列（Xi）標準化結(jié)果的絕對值。得到的矩陣如下（表3）。

2. 關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)公式Ri=1/N∑λi（K）分別求出各指標變化率（Xi）與（X0）的關(guān)聯(lián)度，并按照關(guān)聯(lián)度大小進行排序（表3），以反映各指標在耐旱性評價的強弱。結(jié)果表明，在干旱處理下，生長量、飽和含水量、POD、鮮重、干重、Chl和SOD等指標的變化與抗旱系數(shù)相關(guān)度較大。而E、Pn、C、MDA指標的變化與抗旱系數(shù)的相關(guān)度較?。ū?）。

3. 抗旱性鑒定指標體系的建立

沙拐棗屬植物密切相關(guān)的抗旱指標中，首先可以將葉綠素熒光和生長量等作為抗旱性鑒定的初級指標;其次可以按照植株形態(tài)、生理、生化等次級指標的測定。如：飽和含水量、POD、鮮重、干重、Chl和SOD等多項指標綜合鑒定。

（四）沙拐棗屬植物抗旱能力綜合評價

多指標綜合評價方法是把多個被評價事物不同方面且量綱不同的統(tǒng)計指標，轉(zhuǎn)化成無量綱的相對評價值，并綜合這些評價值以得出對該事物一個整體評價的方法。

1. 耐旱指標的無量綱化處理

根據(jù)各植物正常供水和干旱處理下各生理指標的變化率來評價植物抗旱的大小，5種植物形態(tài)、生理指標的無量綱化處理可用以下公式進行計算（表5）。計算公式：ΔΨ=Χij/Χimax

2. 權(quán)重值的分配

5種植物各個生理生化指標的貢獻是不均等的，因此應(yīng)賦予不同的權(quán)重（加權(quán)賦值）才符合實際，計算出權(quán)重系數(shù)，最后得出各性狀的加權(quán)關(guān)聯(lián)度。權(quán)重值的計算公式為： ? ? ? ? ? ?;

其中：Wj為第j個指標的權(quán)重，γj為各指標關(guān)聯(lián)度的大小。各指標的權(quán)重值如表6所示。

3. 隸屬函數(shù)值計算

根據(jù)隸屬函數(shù)或反隸屬函數(shù)的公式干旱脅迫下各指標進行隸屬函數(shù)的計算，從而評價5種沙拐棗屬5種植物的抗旱能力大小。

由表7可知，淡枝沙拐棗的各指標隸屬值最大，說明它是抗旱性較強的品種，頭狀沙拐棗的各指標隸屬值最小，說明它是抗旱性較弱的品種。沙拐棗屬5種植物按照平均隸屬函數(shù)值大小反映了其抗旱性強弱的順序，依次為：無葉沙拐棗>紅果沙拐棗>淡枝沙拐棗>喬木沙拐棗>頭狀沙拐棗。

四、討論

植物生長量是植物獲取能量能力的主要體現(xiàn)，對植物的發(fā)育和結(jié)構(gòu)的形成具有十分重要的影響，干旱脅迫下，苗木的生長對水分很敏感[18-19]。在生長發(fā)育中，植物要不斷調(diào)整其生長和干重的分配策略來適應(yīng)環(huán)境變化，植物通過調(diào)整生物量分配將逆境傷害降低到最小來適應(yīng)環(huán)境脅迫[20]。植物具有最大的生產(chǎn)力是抗旱育種的根本目的，高生長量是樹木抗旱育種的重要選擇指標。本研究中，5種沙拐棗屬植物在干旱脅迫下的生物量都呈降低的趨勢，表明水分脅迫顯著抑制了5種苗木的生長，根據(jù)耐旱系數(shù)來判斷這5種苗木的抗旱生產(chǎn)力，則大小順序是無葉沙拐棗 > 淡枝沙拐棗 > 紅果沙拐棗 > 頭狀沙拐棗 > 喬木沙拐棗。

葉綠素含量是評價植物抗旱能力的重要生理指標之一[21]。逆境脅迫使葉綠素的合成受阻，葉綠素含量下降，葉綠體超微結(jié)構(gòu)及精細結(jié)構(gòu)的形成受阻。張景云等[22]認為脅迫對葉綠體的膜系統(tǒng)產(chǎn)生傷害，片層逐漸解體，外形輪廓發(fā)生變化，內(nèi)部片層排列方向發(fā)生改變，基粒數(shù)目減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨向簡單，以至瓦解，最終導致葉綠素含量下降。本試驗中淡枝沙拐棗、紅果沙拐棗、頭狀沙拐棗和喬木沙拐棗的葉綠素含量都呈降低的趨勢，但無葉沙拐棗的葉綠素含量呈增高的趨勢，表明無葉沙拐棗在干旱脅迫下葉綠體膜系統(tǒng)沒有受損。

丙二醛含量的變化可以作為衡量植物在鹽脅迫下受傷害程度的重要指標，鹽堿脅迫導致植物中MDA含量增加的報道已有很多，其含量越高，表明植物受傷害的程度就越大[23]，這與本實驗結(jié)果一致，表明本試驗中5種沙拐棗屬植物在干旱脅迫下的細胞膜系統(tǒng)受到一定的破壞。

水分脅迫會擾亂植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的平衡，引起活性氧的積累，造成植物細胞受到傷害。細胞內(nèi)廣泛存在清除活性氧的保護酶系統(tǒng)，它們的協(xié)調(diào)作用可以清除過剩的氧自由基，防止細胞受到傷害。干旱脅迫下保護酶對植物的保護作用已經(jīng)有了大量的研究：Dhindsa等發(fā)現(xiàn)苔蘚耐旱品種在緩慢干旱和快速干旱過程中 SOD 和 CAT 活性上升，而不耐旱品種活性下降[24]。王寶山等發(fā)現(xiàn)小麥無論在輕度和嚴重干旱脅迫下，POD 和 CAT 活性均呈上升趨勢，抗旱品種上升幅度大[25]。本研究結(jié)果表明：5種沙拐棗屬植物POD和SOD活性都呈升高的趨勢，無葉沙拐棗的增幅最大，頭狀沙拐棗的增幅最小。從這一結(jié)果看，本研究結(jié)果與前人的結(jié)果一致。應(yīng)該看出在脅迫的條件下，保護酶酶活性增加是植物適應(yīng)水分脅迫條件下O2和H2O等增多、維持細胞內(nèi)活性氧累積與清除系統(tǒng)平衡的一種適應(yīng)性調(diào)節(jié)，是減輕細胞傷害的一種反饋性代謝變化。

光合作用是干物質(zhì)生產(chǎn)的主要途徑，與生長的關(guān)系十分密切。在干旱、半干早地區(qū)，干旱是植物生長和光合能力的限制因子。葉片光合產(chǎn)物是各器官生長的物質(zhì)基礎(chǔ)。在一定的環(huán)境條件下，林木光合生產(chǎn)量取決于葉片吸收的光合有效輻射和葉片的光合特性。研究在不同水分條件下的植物光合作用變化對于了解植物的耐旱性能有一定的幫助[26] 。本實驗中，無葉沙拐棗、紅果沙拐棗和喬木沙拐棗的光合速率增高，表明這3種沙拐棗屬植物抗旱能力較強，而淡枝沙拐棗和頭狀沙拐棗抗旱能力較弱。

隸屬函數(shù)分析是在各項生理指標測定的基礎(chǔ)上對植物本身特性進行綜合評價，將它應(yīng)用于抗鹽植物的篩選和抗鹽能力比較是一種可靠的方法[27]，多指標的評價能從不同角度反映植物抗鹽特性的實質(zhì)，本實驗四種鹽生植物抗鹽能力依次為：無葉沙拐棗 > 紅果沙拐棗 > 淡枝沙拐棗 > 喬木沙拐棗 > 頭狀沙拐棗。

五、結(jié)論

第一，在干旱脅迫條件下，沙拐棗屬植物生長量指標（葉片鮮重、葉片飽和水重、植株干重和生長量等）都有明顯的降低趨勢;初無葉沙拐棗和紅果沙拐棗外，葉綠素含量和光合參數(shù)有降低的趨勢;除淡枝沙拐棗外，保護酶系統(tǒng)的SOD、POD的活性成增高的趨勢;丙二醛含量也呈增高的趨勢;5種沙拐棗屬植物的葉綠素熒光值呈增高的趨勢。

第二，沙拐棗屬植物密切相關(guān)的抗旱指標中，可將葉綠素熒光和生長量等作為抗旱性鑒定的初級指標;并結(jié)合飽和含水量、POD、鮮重、干重、Chl和SOD等多項指標進行綜合鑒定。

第三，沙拐棗屬5種植物抗旱性強弱的順序依次為：淡枝沙拐棗 > 喬木狀沙拐棗 > 紅葉沙拐棗 > 無葉沙拐棗 > 頭狀沙拐棗。

參考文獻：

[1]Breshears D D， McDowell N G， Dayem K E， et al. Foliar absorption of intercepted rainfall improves woody plant water status most during drought. Ecology， 2008，89（1）：41-47.

[2]Yang H， Wu M， Liu W， et al. Community structure and composition in response to climate change in a temperate steppe. Global Change biology， 2011，17（1）：452-465.

[3]Salve R， Sudderth E A， Clair S B S， et al. Effect of grassland vegetation type on the responses of hydrological processes to seasonal precipitation pattern. Journal of hydrology. 2011，410（1/2）：51-61.

[4]孫巖，何明珠，王立.降水控制對荒漠植物群落物種多樣性和生物量的影響.生態(tài)學報， 2018，38（7）：2425-2433.

[5]任磊，趙夏陸，許靖，張宏毅，郭彥宏，郭福龍，張春來，呂晉慧.4種茶菊對干旱脅迫的形態(tài)和生理響應(yīng)[J].生態(tài)學報， 2015，35（15）：5131-5139.

[6]解婷婷，蘇培璽，周紫鵑，等.荒漠綠洲過渡帶沙拐棗種群結(jié)構(gòu)及動態(tài)特征[J].生態(tài)學報， 2014，34（15）：4272-4279.

[7]時永杰.沙拐棗屬植物的種類分布及其在生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的作用[J].中國獸醫(yī)醫(yī)藥雜志， 2003（S1）：37-39.

[8]古麗努爾·沙比爾哈孜，潘伯榮，尹林克.不同居群塔里木沙拐棗（Calligonum roborowskii） 果實形態(tài)變異研究[J].植物研究，2010，30（1）：65-69.

[9]古麗努爾·沙比爾哈孜，潘伯榮，段士民.塔里木盆地塔里木沙拐棗群落特征[J].生態(tài)學報， 2012，32（10）：3288-3295.

[10]Clobert J，Danchin E，Dhondt AA，et al. Dispersal[M].Oxford： ?Oxford University Press， 2001.

[11]趙丁潔，紀永福，張瑩花，等.沙拐棗幼苗生理特性對風速變化的響應(yīng)[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境， 2019，33（9）：196-201.

[12]李志丹，韓瑞宏，廖桂蘭，張美華.植物葉片中葉綠素提取方法的比較研究[J].廣東第二師范學院學報， 2011，31（3）：80-83.

[13]Su LY，Dai ZW，Li SH，Xin HP.A novel system for evaluating drought-cold tolerance of grapevines using chlorophy II fluorescence[J]. BMC Plant Biolopy， 2015，82（15）：1-12.

[14]Tauqeer H M，Ali S，Rizwan M，Ali Q，Saeed R，Iftikhar U，Ahmad R，F(xiàn)arid M，Abbasi G H.Phytoremediation of heavy metals by Alternanthera bettzickiana： growth and physiological response[J].Ecotoxicology and Environmental Safety， 2016，126：138-146.

[15]李合生.植物生理生化試驗原理和技術(shù)[M].北京：高等教育出版社， 2000.

[16]Guo T R，Zhang G P，Zhou M X，Wu F B，Chen J X. Effects of aluminum and cadmium toxicity on growth and antioxidant enzyme activities of two barley genotypes with different Al resistance[J].Plant and Soil， 2004，258（1）：241-248.

[17]仝倩，施明，賀建勛，徐美隆.5種葡萄砧木耐旱性評價及鑒定指標的篩選[J].核農(nóng)學報， 2018，32（09）：1814-1820.

[18]宇萬太，于永強.植物地下生物量研究進展[J].應(yīng)用生態(tài)學報[J]. 2001，12（6）：927-932.

[19]Zhaner R. Water deficits and growth of trees[C]. In” Water Deficit and Plant Growth”. （T. T. Kozlowski， ed）. 1968，2：191-254.

[20]]謝會成，朱西存.水分脅迫對栓皮櫟幼苗生理特性及生長的影響[J].山東林業(yè)科技， 2004，（2）：6-7.

[21]克熱木，侯江濤，買合木提，等.鹽脅迫對扁桃光合特性和葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響[J].西北植物學報， 2006，26（11）：2220-2226.

[22]張景云，吳鳳芝.鹽脅迫對黃瓜不同耐鹽品種葉綠素含量和葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響[J].中國蔬菜， 2009（10）：13-16.

[23]DEM IY， KOCACALISKAN I. Effect of NaCl and proline on bean seed-lings cultured in vitro[J]. Biologia Plant arum， 2002，45（4）：597-599.

[24]Dhinds RS， Matowe W. Drought to letance in two mosses：correlated with enzymatic defense against lipid peroxidation[J]. J. Exp. Bot， 1981，32：79～91.

[25]王寶山，趙思齊.干旱對小麥幼苗膜脂過氧化及保護酶的影響[J].山東師范大學學報（自然科學版）， 1987，2（2）：29.

[26]王曉江.庫布齊沙漠幾種沙生灌木光合、耗水及耐旱生理生態(tài)特性研究[D].北京林業(yè)大學， 2008.

[27]陳榮敏，楊學舉，梁鳳山等.利用隸屬函數(shù)法綜合評價冬小麥的抗旱性[J].河北農(nóng)業(yè)大學學報. 2002，2（25）：7～9.

1.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地/西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 750021

2.寧夏賀蘭山國家級自然保護區(qū)管理局/寧夏賀蘭山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，寧夏 750021