不同脅迫下海灣山林形態(tài)和生理生化變化

不同脅迫下海灣山林形態(tài)和生理生化變化

通州常山是馬鞭草科的一個(gè)小群體。它是中國(guó)的抽樣植物。植株繁茂,花序大,花果艷麗,花、花萼、果可共存于同一樹(shù)上,白、紅、蘭3種顏色交替生輝,觀賞期長(zhǎng)達(dá)半年,極具觀賞價(jià)值,廣泛應(yīng)用于各種類型園林綠地的綠化、美化。另外,海州常山適應(yīng)性強(qiáng),在干旱瘠薄的沙石山、石灰?guī)r山地和南方貧瘠山地紅壤等地有野生資源分布,近年來(lái)已廣泛用于園林綠化和公路兩旁的行道樹(shù),前景十分廣闊。有關(guān)抗性生理,大多只是研究植物對(duì)單一脅迫的反應(yīng)。事實(shí)上在自然界大多數(shù)植物是同時(shí)或相繼經(jīng)受多種環(huán)境脅迫,因而研究在幾種逆境脅迫下植物生理響應(yīng)就更具有現(xiàn)實(shí)意義。海州常山雖有發(fā)達(dá)的根系,并具有一定的抗逆性,但其在多種逆境脅迫下的生理響應(yīng)未見(jiàn)系統(tǒng)研究報(bào)道?，F(xiàn)通過(guò)模擬水分、鹽等逆境脅迫,測(cè)定海州常山幼苗的細(xì)胞膜透性、滲調(diào)物質(zhì)(游離脯氨酸)以及SOD酶活性的變化,探討在逆境脅迫下海州常山生理生態(tài)的變化,旨在為海州常山的品種選育、引種栽培、適栽區(qū)劃分提供理論指導(dǎo)。1材料和方法1.1泥質(zhì)瓦盆試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行。試材為1a生海州常山根蘗苗,于2008年3月下旬樹(shù)液流動(dòng)前將生長(zhǎng)勢(shì)一致、高120cm的海州常山栽植到泥質(zhì)瓦盆中,盆體高30cm,直徑40cm,基質(zhì)為砂壤土,每盆栽2株。然后將盆培土至盆體上沿3cm,常規(guī)管理,至8月中旬將盆取出準(zhǔn)備試驗(yàn)。1.2水分脅迫處理試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理:對(duì)照組(正常生長(zhǎng)組)、水分處理組和鹽處理組,每處理5盆。各處理每盆選擇1株,于每次測(cè)定當(dāng)日上午9:00選取從上至下的第3～5片完全展開(kāi)葉作為生理生化指標(biāo)的測(cè)定樣品,3次重復(fù),盆中另外1株用于形態(tài)觀測(cè)。水分處理組設(shè)置干旱、濕害、澇害3種處理。干旱處理:向處理植株加水至最大田間持水量,讓土壤水分自然消耗,干旱至苗木不能恢復(fù),進(jìn)行復(fù)水解除脅迫;濕害處理:把處理苗木盆放于塑料盆中,并且塑料盆中保持水深為3～4cm,使土壤含水量保持飽和狀態(tài);澇害處理:把處理苗木盆放于塑料桶中,使桶中水位持續(xù)高于花盆土面3～4cm,直至苗木死亡。上述每個(gè)處理均隔3d取樣測(cè)定1次。鹽分處理參照毛貴蓮等的方法,設(shè)置5個(gè)梯度進(jìn)行鹽脅迫處理,即0(CK)、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。上述每個(gè)處理隔1d取樣進(jìn)行測(cè)定,直至某梯度苗木死亡無(wú)法測(cè)定為止。1.3項(xiàng)目測(cè)量游離脯氨酸采用酸性茚三酮比色法測(cè)定,細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)法測(cè)定,SOD酶活性采用氧化硝基四氮唑藍(lán)(NBT)法測(cè)定。1.4數(shù)據(jù)的方差分析數(shù)據(jù)用Exce1、SPSS統(tǒng)計(jì)分析,所有數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值,部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著。2結(jié)果與分析2.1不同鹽分處理對(duì)3d苗木葉片的生長(zhǎng)特性海州常山具有一定的抗逆性,在逆境脅迫初期其外部未發(fā)生明顯變化,但隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)和脅迫程度加大,外部形態(tài)變化顯著。海州常山在干旱脅迫下第11天中午功能葉片出現(xiàn)失水,次日早晨功能葉恢復(fù),但干旱持續(xù)14d后,功能葉早晨出現(xiàn)失水,次日并不能恢復(fù),接著復(fù)水解除干旱,復(fù)水后3d有60%苗木葉片能自行恢復(fù);在濕害處理的第7天,海州常山下部葉片開(kāi)始變黃,至第10天,苗木下部2～3片葉變黃的株數(shù)達(dá)到60%,個(gè)別莖基部開(kāi)始出現(xiàn)皮孔,其它外部形態(tài)與對(duì)照組相比沒(méi)有明顯變化;澇害處理的第4、5天,海州常山下部葉片開(kāi)始變黃,苗木基部出現(xiàn)肥大白色的皮孔,所有葉片在第8天萎蔫,個(gè)別脫落,根系變褐,有的毛細(xì)根腐爛變黑。與對(duì)照相比,海州常山在0.2%NaCl處理下其外部形態(tài)無(wú)明顯變化,隨著鹽分濃度的增加,葉脈變褐、失綠、脫落。在0.4%NaCl處理的第12天,只有40%的苗木部分功能葉片葉脈變成褐色;在0.6%NaCl處理的第6天就有嫩葉出現(xiàn)失綠現(xiàn)象,第11天個(gè)別葉片焦邊并且葉脈變褐色,第12天有40%的苗木葉片脫落,且生長(zhǎng)勢(shì)明顯下降;在0.8%鹽脅迫的第6天,嫩葉和部分功能葉失水,80%葉片變褐色,脅迫至8d所有苗木葉出現(xiàn)失水、變色、脫落。2.2干旱脅迫對(duì)葉片透性變化的影響細(xì)胞膜主要功能之一是與外界聯(lián)系,環(huán)境脅迫對(duì)植物的影響首先是對(duì)膜系統(tǒng)的影響。在逆境脅迫時(shí),膜的結(jié)構(gòu)破壞或功能受損,透性增大,通常以測(cè)定電解質(zhì)外滲濃度作為細(xì)胞膜受傷害的程度。未經(jīng)水分與鹽脅迫(對(duì)照組)時(shí),海州常山葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性基本沒(méi)有變化,而經(jīng)脅迫處理后,細(xì)胞膜透性均較有所升高,而且脅迫時(shí)間越長(zhǎng),強(qiáng)度越高,細(xì)胞膜透性也越大(圖1)。不同水分脅迫處理方式不同,膜透性變化幅度不同。隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),濕害脅迫下葉片細(xì)胞膜透性變化幅度不大,最大值與最小值相差7.46%;而在干旱脅迫下,細(xì)胞膜透性比對(duì)照高,但是隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),變化幅度不明顯;與對(duì)照組相比,澇害脅迫初期細(xì)胞膜透性變化幅度不顯著,隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)(5d以后),細(xì)胞膜透性明顯增大,脅迫至第11天細(xì)胞膜透性達(dá)到最大,最大值為52.54%,變化幅度達(dá)到極顯著差異(P<0.01),表明在澇害脅迫后期海州常山細(xì)胞膜系統(tǒng)遭到致命傷害。不同鹽分脅迫對(duì)膜透性影響不同。在0.2%、0.4%濃度鹽處理下,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),變化幅度不明顯,與對(duì)照相比未達(dá)到顯著水平(P>0.05),可能在這2個(gè)鹽濃度下脅迫對(duì)葉片細(xì)胞膜造成一定的傷害,但對(duì)膜系統(tǒng)沒(méi)有造成明顯的傷害;而在高鹽度(0.6%、0.8%)脅迫下,在脅迫初期就開(kāi)始急劇上升,最大值是對(duì)照平均值的3倍多,可能是海州常山在高鹽度脅迫下膜系統(tǒng)遭到明顯破壞甚至是致命傷害。2.3干旱脅迫對(duì)葉片sod活性的影響環(huán)境脅迫下會(huì)導(dǎo)致活性氧的增加,過(guò)多的活性氧可誘導(dǎo)SOD酶活性的合成,以提高自身的免疫能力,SOD活性高低與植物的抗逆性大小相關(guān)。在水分脅迫與鹽脅迫前5d,海州常山葉片中SOD酶活性處于上升趨勢(shì)(圖2),說(shuō)明海州常山在受到脅迫下可誘導(dǎo)SOD的增加,但隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)及不同脅迫的處理,SOD的變化有所差異。在干旱脅迫前11d,與對(duì)照相比SOD酶活性有顯著的提高(P<0.05),之后出現(xiàn)下降趨勢(shì),解除干旱脅迫后,海州常山葉片內(nèi)SOD酶活性在短期內(nèi)大幅度提高,最后與對(duì)照相接近,說(shuō)明海州常山在干旱脅迫條件下能夠激活體內(nèi)SOD的增加,提高自身免疫能力,解除脅迫后海州常山具有能夠迅速恢復(fù)的能力;水濕處理的SOD酶活性逐漸上升后又有所下降,但下降幅度不大,表明海州常山在水濕脅迫下通過(guò)自身調(diào)節(jié)又適應(yīng)了此種環(huán)境;在澇害脅迫后期,SOD酶活性呈現(xiàn)顯著下降,最大值與最小值相差63.58U/gFW,表明該樹(shù)種不適宜在長(zhǎng)期澇害脅迫下栽植。經(jīng)0.2%和0.4%NaCl處理,SOD酶活性出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),但變化均不顯著(P>0.05),表明海州常山在這2個(gè)鹽度脅迫下經(jīng)過(guò)自身抵抗系統(tǒng)的調(diào)整,能夠很快適應(yīng)該種脅迫下的環(huán)境;在0.6%與0.8%鹽處理下,SOD酶活性出現(xiàn)先升高后大幅度下降的趨勢(shì),變化達(dá)到極顯著水平(P<0.01),表明海州常山在高鹽度脅迫下可在短期內(nèi)提高SOD的活性增強(qiáng)自身的抵抗力,但隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),海州常山生理生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞,SOD酶活性也相應(yīng)地下降。2.4干旱、澇害脅迫對(duì)葉片游離脯氨酸含量的影響植物細(xì)胞在遭受逆境脅迫時(shí)都會(huì)大量積累脯氨酸,避免細(xì)胞受滲透脅迫的影響。在干旱、澇害、濕害脅迫5d以前,不同處理之間對(duì)海州常山葉片內(nèi)的游離脯氨酸含量變化均不大,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),濕害處理與對(duì)照之間沒(méi)有顯著差異(P>0.05),干旱與澇害脅迫下海州常山體內(nèi)游離脯氨酸一直上升,達(dá)到最大值3.022mg/g,在干旱、澇害脅迫后期,游離脯氨酸含量的變化達(dá)到顯著水平(P<0.05)。在不同梯度鹽處理組,葉片內(nèi)的游離脯氨酸含量隨鹽濃度的增加而增加,0.2%與0.4%鹽脅迫下,與對(duì)照相比,游離脯氨酸含量變化不顯著;而0.6%鹽脅迫至6d以后,游離脯氨酸顯著提高,最大值達(dá)到8.58mg/g,0.8%鹽脅迫下游離脯氨酸一直處于急劇上升狀態(tài),與對(duì)照相比達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。3不同脅迫對(duì)州山水勢(shì)的影響海州常山是最近幾年新興的園林綠化樹(shù)種,由于其觀賞期長(zhǎng)、抗逆性強(qiáng)而備受歡迎,但由于對(duì)海州常山的生態(tài)適應(yīng)性及抗逆性未進(jìn)行系統(tǒng)研究,在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)盲目栽種致使死樹(shù)的現(xiàn)象。海州常山作為行道樹(shù)遭遇的不僅僅是單一環(huán)境脅迫,而是幾種環(huán)境脅迫的同時(shí)或相繼出現(xiàn),因此有必要對(duì)海州常山在逆境下的生理反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)探討。SOD是植物體內(nèi)最重要的活性氧清除酶之一,能有效地阻止氧自由基的積累,保護(hù)膜系統(tǒng)免受損傷,酶活力與植物抗逆性關(guān)系密切。該試驗(yàn)表明在水分與鹽脅迫初期海州常山體內(nèi)的SOD酶活性均表現(xiàn)上升的趨勢(shì),細(xì)胞膜透性變化不顯著,表明在脅迫初期,激活了海州常山體內(nèi)SOD酶保護(hù)系統(tǒng),通過(guò)自身的防御功能,細(xì)胞膜系統(tǒng)未受到嚴(yán)重傷害,但是在強(qiáng)度脅迫后期(澇害脅迫、干旱脅迫及0.6%、0.8%鹽脅迫),細(xì)胞膜透性大幅度提高,SOD酶積累急劇下降,表明在高強(qiáng)度脅迫下海州常山生理生化系統(tǒng)發(fā)生急劇變化,SOD酶積累的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能清除過(guò)多的活性氧自由基,致使膜系統(tǒng)遭到進(jìn)一步破壞。植物在逆境脅迫時(shí),脯氨酸在細(xì)胞質(zhì)中會(huì)大量積累達(dá)幾十倍甚至幾百倍以進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加不但能維持細(xì)胞膨壓,降低滲透勢(shì),而且能保證植物體內(nèi)正常的所需水分,提高植物抵抗逆境的能力。脯氨酸積累是植物為了對(duì)逆境脅迫而采取的一種保護(hù)性措施。該試驗(yàn)結(jié)果表明,在脅迫初期脯氨酸含量變化不顯著,表明此時(shí)未對(duì)海州常山體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)造成顯著的影響,未激起滲調(diào)物質(zhì)的增加,但在高強(qiáng)度脅迫后期(干旱脅迫、澇害脅迫、高鹽度脅迫),游離脯氨酸劇烈升高,表明在高強(qiáng)度脅迫下,自我平衡的滲透調(diào)節(jié)受到了破壞,通過(guò)大幅度增加游離脯氨酸的含量提高細(xì)胞質(zhì)的滲透勢(shì)。不同逆境脅迫對(duì)海州常山生長(zhǎng)和形態(tài)影響不同,在持續(xù)自然干旱14d后上午9:00～10:00出現(xiàn)暫時(shí)萎蔫,之前雖出現(xiàn)萎蔫但能自動(dòng)恢復(fù),復(fù)水后有60%的苗木葉片能夠恢復(fù),表明海州常山具有一定的抗旱性,并且具有干旱脅迫解除后大部分苗木能夠恢復(fù)的能力。在濕害與澇害處理過(guò)程中,海州常山苗木的基部出現(xiàn)皮孔,這可以增大露于空氣中吸收氧的總面積,是耐淹木本植物對(duì)淹水的標(biāo)志性形態(tài)反應(yīng)之一,表明海州常山具有通過(guò)自身的調(diào)節(jié)來(lái)抵抗這種逆境脅迫的能力。在長(zhǎng)時(shí)間淹水脅迫下,土壤缺氧影響根部對(duì)礦物質(zhì)的吸收,同時(shí)土壤乙烯積累,根中及地上部乙烯和脫落酸含量會(huì)顯著上升,因此在濕害與澇害脅迫下海州常山下部葉片發(fā)黃主要原因是植物營(yíng)養(yǎng)和激素水平的改變。隨著濕害脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),海州常山外部形態(tài)未再有顯著變化,表明試驗(yàn)材料通過(guò)自身保護(hù)機(jī)制適應(yīng)了這種環(huán)境;而隨著澇害脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),葉片出現(xiàn)失水、干枯,根系變色、腐爛,最終試材全部死亡,主要原因可能是淹水造成土壤缺氧,根系進(jìn)行無(wú)氧呼吸,產(chǎn)生有毒物質(zhì)如乙醇、乙醛等致使植物缺氧而死,綜合以上表明,海州常山具有較強(qiáng)的耐水濕和耐澇能力,但沒(méi)有抵抗持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間耐澇的能力。植物對(duì)鹽脅迫的反應(yīng)不同,每種植物都有一個(gè)抑制其生長(zhǎng)的臨界閾值。五葉地錦(Parthenocissusquinqucfolia)在等于或大于100mmol/L