外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木生理生化特性的調(diào)控機(jī)制探究_第1頁(yè)
外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木生理生化特性的調(diào)控機(jī)制探究_第2頁(yè)
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外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木生理生化特性的調(diào)控機(jī)制探究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球氣候變化,干旱脅迫已成為限制植物生長(zhǎng)和分布的主要環(huán)境因素之一。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)水分平衡失調(diào),影響植物的生理生化過(guò)程,如光合作用、呼吸作用、激素平衡等,進(jìn)而抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育,甚至導(dǎo)致植物死亡。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球約有40%的土地處于干旱或半干旱狀態(tài),干旱脅迫對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性造成了嚴(yán)重威脅。掌葉木(Handeliodendronbodinieri)是中國(guó)特有的珍稀瀕危植物,屬于國(guó)家二級(jí)保護(hù)野生植物。掌葉木主要分布在貴州南部和廣西西北部的石灰?guī)r地區(qū),這些地區(qū)的氣候特點(diǎn)是夏季高溫多雨,冬季干旱少雨,掌葉木在生長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)常面臨干旱脅迫的挑戰(zhàn)。此外,由于人類活動(dòng)的影響,如森林砍伐、土地開(kāi)墾和過(guò)度放牧等,掌葉木的生存環(huán)境受到了嚴(yán)重破壞,種群數(shù)量急劇減少。因此,研究掌葉木對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制,探索提高掌葉木抗旱性的有效措施,對(duì)于保護(hù)掌葉木這一珍稀瀕危植物具有重要意義。鈣是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一,在植物的生理生化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái),大量研究表明,外源鈣可以通過(guò)調(diào)節(jié)植物的生理生化過(guò)程,提高植物對(duì)干旱脅迫的耐受性。例如,外源鈣可以增強(qiáng)植物細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,減少細(xì)胞膜的損傷;提高植物體內(nèi)抗氧化酶的活性,清除活性氧自由基,減輕氧化脅迫;調(diào)節(jié)植物體內(nèi)激素的平衡,促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育等。然而,目前關(guān)于外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木生理生化特性影響的研究還鮮有報(bào)道。本研究旨在探討外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木生理生化特性的影響,揭示外源鈣提高掌葉木抗旱性的作用機(jī)制,為掌葉木的保護(hù)和栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。通過(guò)本研究,有望為解決干旱脅迫對(duì)掌葉木生長(zhǎng)的威脅提供新的思路和方法,同時(shí)也為其他珍稀瀕危植物的保護(hù)和研究提供參考。1.2掌葉木研究現(xiàn)狀掌葉木作為中國(guó)特有的珍稀瀕危植物,在植物學(xué)界和生態(tài)保護(hù)領(lǐng)域備受關(guān)注。它隸屬于無(wú)患子科掌葉木屬,是該屬唯一的物種,分布范圍極為狹窄,主要集中在貴州南部和廣西西北部的石灰?guī)r地區(qū)。這些區(qū)域的喀斯特地貌特征顯著,土壤淺薄且保水性差,巖石裸露較多,形成了獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境,而掌葉木卻在這樣的環(huán)境中頑強(qiáng)生長(zhǎng),展現(xiàn)出對(duì)特殊生境的適應(yīng)性。掌葉木是一種落葉灌木或喬木,其植株高度通常在1-8米之間,最高可達(dá)15米。樹(shù)皮呈現(xiàn)灰色,小枝為褐色,圓柱形且無(wú)毛,上面散生著圓形皮孔。掌狀復(fù)葉對(duì)生,小葉4-5枚,呈橢圓形至倒卵形,薄紙質(zhì),兩面均無(wú)毛,背面散生黑色腺點(diǎn),這種獨(dú)特的葉片形態(tài)使其在植物群落中具有較高的辨識(shí)度。圓錐花序頂生,花小而多,呈黃白色,花期在3-5月,果期為10月。其果實(shí)為穗狀梨形蒴果,紅色,種子卵圓形或卵狀橢圓形,假種皮發(fā)亮,黑色,基部有一圈白色外衣,具有隔年結(jié)實(shí)的特性。掌葉木具有重要的生態(tài)價(jià)值,在石灰?guī)r地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它的根系非常發(fā)達(dá),能夠深入石縫石隙中,緊緊抓住土壤,有效防止水土流失,對(duì)維護(hù)喀斯特地區(qū)脆弱的生態(tài)平衡意義重大。同時(shí),掌葉木作為區(qū)域內(nèi)的特色植物,為眾多動(dòng)物提供了食物來(lái)源和棲息場(chǎng)所,對(duì)維持生物多樣性具有不可或缺的作用。然而,掌葉木的生存現(xiàn)狀卻不容樂(lè)觀。由于其分布范圍有限,對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求苛刻,再加上人類活動(dòng)的干擾,如森林砍伐、土地開(kāi)墾、過(guò)度放牧等,導(dǎo)致其生存空間不斷縮小,種群數(shù)量急劇減少。此外,掌葉木自身的繁殖能力較弱,種子萌發(fā)率低,幼苗成活率不高,這些因素都加劇了掌葉木的瀕危程度。在干旱脅迫下,掌葉木的生長(zhǎng)面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。石灰?guī)r地區(qū)本身就存在季節(jié)性干旱的問(wèn)題,隨著全球氣候變化,干旱的頻率和強(qiáng)度都在增加。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致掌葉木體內(nèi)水分平衡失調(diào),影響其光合作用、呼吸作用、激素平衡等生理生化過(guò)程。研究表明,干旱脅迫下,掌葉木的葉片相對(duì)含水量下降,氣孔導(dǎo)度減小,光合速率降低,從而影響其生長(zhǎng)和發(fā)育。同時(shí),干旱還會(huì)導(dǎo)致掌葉木體內(nèi)活性氧積累,細(xì)胞膜脂過(guò)氧化加劇,對(duì)細(xì)胞造成損傷。為了應(yīng)對(duì)干旱脅迫,掌葉木會(huì)啟動(dòng)一系列的生理生化響應(yīng)機(jī)制,如積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、提高抗氧化酶活性等,但這些響應(yīng)機(jī)制的調(diào)節(jié)能力有限,當(dāng)干旱脅迫超過(guò)一定程度時(shí),掌葉木的生長(zhǎng)和生存將受到嚴(yán)重威脅。1.3外源鈣與植物抗旱性研究進(jìn)展鈣作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,在植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色。隨著研究的不斷深入,人們對(duì)外源鈣提高植物抗旱性的機(jī)制有了更全面的認(rèn)識(shí)。大量研究表明,外源鈣能夠增強(qiáng)植物細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。干旱脅迫下,細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能容易受到破壞,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)滲漏,代謝紊亂。而外源鈣可以與細(xì)胞膜上的磷脂分子結(jié)合,形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),減少膜脂過(guò)氧化作用,從而維持細(xì)胞膜的完整性和正常功能。例如,在對(duì)棉花幼苗的研究中發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下,棉花幼苗葉片膜透性、超氧自由基產(chǎn)生速率和丙二醛(MDA)含量顯著升高,而葉片相對(duì)含水量和根系活力降低;但在施加外源鈣后,這些指標(biāo)得到明顯改善,葉片膜透性、超氧自由基產(chǎn)生速率和MDA含量下降,葉片相對(duì)含水量和根系活力上升,表明外源鈣有效減輕了干旱對(duì)細(xì)胞膜的損傷,增強(qiáng)了細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。在抗氧化系統(tǒng)方面,外源鈣能顯著提高植物體內(nèi)抗氧化酶的活性。干旱脅迫會(huì)使植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧(ROS),如超氧陰離子、過(guò)氧化氫等,這些活性氧如果不能及時(shí)清除,會(huì)對(duì)細(xì)胞內(nèi)的生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等造成氧化損傷,進(jìn)而影響植物的正常生理功能。植物自身具有一套抗氧化防御系統(tǒng),包括超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶,它們能夠協(xié)同作用,清除體內(nèi)的活性氧。研究發(fā)現(xiàn),外源鈣可以誘導(dǎo)這些抗氧化酶基因的表達(dá),提高酶的活性,從而增強(qiáng)植物清除活性氧的能力,減輕氧化脅迫。以油茶為例,噴施外源鈣后,在干旱脅迫下,油茶的SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性顯著提高,有效清除了體內(nèi)積累的活性氧,減少了對(duì)細(xì)胞的傷害。滲透調(diào)節(jié)是植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫的重要機(jī)制之一,外源鈣在這一過(guò)程中也發(fā)揮著積極作用。干旱脅迫下,植物通過(guò)積累一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),如脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等,來(lái)降低細(xì)胞的滲透勢(shì),保持細(xì)胞的膨壓,維持正常的生理活動(dòng)。研究表明,外源鈣能夠促進(jìn)植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累。在對(duì)小麥的研究中,干旱脅迫下,外源鈣處理的小麥植株脯氨酸和可溶性糖含量明顯高于未處理的植株,這表明外源鈣增強(qiáng)了小麥的滲透調(diào)節(jié)能力,有助于其在干旱環(huán)境中保持水分平衡,維持正常的生理功能。此外,外源鈣還能調(diào)節(jié)植物體內(nèi)激素的平衡,從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)。脫落酸(ABA)是一種重要的植物激素,在植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。干旱脅迫下,植物體內(nèi)ABA含量迅速增加,ABA可以誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉,減少水分散失,同時(shí)還能調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá),提高植物的抗旱性。研究發(fā)現(xiàn),外源鈣可以通過(guò)調(diào)節(jié)ABA的合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,增強(qiáng)植物對(duì)ABA的敏感性,從而更好地發(fā)揮ABA在抗旱中的作用。同時(shí),外源鈣還能影響其他激素如生長(zhǎng)素(IAA)、赤霉素(GA)等的含量和分布,協(xié)調(diào)植物的生長(zhǎng)發(fā)育與抗旱反應(yīng)。然而,目前關(guān)于外源鈣對(duì)植物抗旱性影響的研究仍存在一些不足之處。一方面,雖然對(duì)其作用機(jī)制有了一定的了解,但在分子水平上的研究還不夠深入,例如,外源鈣調(diào)節(jié)植物抗旱相關(guān)基因表達(dá)的具體信號(hào)通路以及相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的作用等還不完全清楚。另一方面,不同植物種類、品種以及不同生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)外源鈣的響應(yīng)存在差異,如何根據(jù)植物的具體情況,精準(zhǔn)地確定外源鈣的施用濃度、時(shí)間和方式等,以達(dá)到最佳的抗旱效果,還需要進(jìn)一步的研究和探索。1.4研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入探究外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木生理生化特性的影響,全面揭示外源鈣在提高掌葉木抗旱性方面的作用機(jī)制,為掌葉木的有效保護(hù)和科學(xué)栽培提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)與技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下:分析外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木生長(zhǎng)指標(biāo)的影響:測(cè)定不同處理下掌葉木的株高、地徑、葉片數(shù)量、葉面積等生長(zhǎng)指標(biāo),分析外源鈣對(duì)掌葉木生長(zhǎng)狀況的影響,探究其是否能夠緩解干旱脅迫對(duì)掌葉木生長(zhǎng)的抑制作用。分析外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木光合特性的影響:測(cè)定掌葉木的光合色素含量(葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素)、光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度等光合參數(shù),研究外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木光合作用的影響,揭示其提高光合作用效率的機(jī)制。分析外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響:檢測(cè)掌葉木體內(nèi)脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量變化,明確外源鈣對(duì)掌葉木滲透調(diào)節(jié)能力的影響,探討其通過(guò)調(diào)節(jié)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累來(lái)增強(qiáng)抗旱性的作用。分析外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木抗氧化酶活性和膜脂過(guò)氧化程度的影響:測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶的活性,以及丙二醛(MDA)含量,評(píng)估外源鈣對(duì)掌葉木抗氧化系統(tǒng)的影響,探究其減輕膜脂過(guò)氧化損傷、提高抗旱性的作用機(jī)制。分析外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木內(nèi)源激素含量的影響:測(cè)定脫落酸(ABA)、生長(zhǎng)素(IAA)、赤霉素(GA)等內(nèi)源激素的含量,研究外源鈣對(duì)掌葉木內(nèi)源激素平衡的調(diào)節(jié)作用,揭示其通過(guò)調(diào)控激素水平來(lái)影響掌葉木生長(zhǎng)和抗旱性的機(jī)制。二、材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)材料掌葉木幼苗來(lái)源于[具體采集地點(diǎn)]的野生掌葉木種子,經(jīng)人工培育而成。挑選生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)一致、無(wú)病蟲(chóng)害的1年生掌葉木幼苗作為實(shí)驗(yàn)材料,其平均株高為[X]cm,地徑為[X]cm。實(shí)驗(yàn)所用的鈣試劑為分析純氯化鈣(CaCl?),購(gòu)自[試劑供應(yīng)商名稱],其純度≥99%。其他材料包括用于模擬干旱脅迫的聚乙二醇(PEG-6000),同樣為分析純,購(gòu)自[供應(yīng)商名稱];以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需的各種常規(guī)化學(xué)試劑,如用于測(cè)定生理指標(biāo)的相關(guān)試劑,均為分析純,由[試劑供應(yīng)商]提供。實(shí)驗(yàn)容器選用規(guī)格為[具體尺寸]的塑料花盆,栽培基質(zhì)為經(jīng)過(guò)高溫消毒處理的蛭石、珍珠巖和泥炭土按體積比[X:X:X]混合而成的復(fù)合基質(zhì),以保證基質(zhì)的透氣性和保水性,同時(shí)避免病原菌的干擾。2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì),將挑選好的掌葉木幼苗隨機(jī)分為6組,每組10株,分別進(jìn)行不同的處理。干旱脅迫通過(guò)聚乙二醇(PEG-6000)模擬。PEG-6000是一種高分子滲透劑,能夠在溶液中形成與干旱環(huán)境相似的滲透勢(shì),從而對(duì)植物造成水分脅迫。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)干旱脅迫梯度,分別為正常水分條件(CK,PEG濃度為0%,相當(dāng)于土壤相對(duì)含水量保持在75%-80%,模擬自然正常水分供應(yīng)環(huán)境)、輕度干旱脅迫(T1,PEG濃度為10%,土壤相對(duì)含水量維持在55%-60%,模擬輕度缺水環(huán)境)和重度干旱脅迫(T2,PEG濃度為20%,土壤相對(duì)含水量控制在35%-40%,模擬較為嚴(yán)重的干旱環(huán)境)。外源鈣處理則是在不同干旱脅迫條件下,分別噴施不同濃度的氯化鈣(CaCl?)溶液。設(shè)置3個(gè)外源鈣濃度梯度,分別為0mmol/L(Ca0,不添加外源鈣,作為對(duì)照)、5mmol/L(Ca1,低濃度外源鈣處理)和10mmol/L(Ca2,高濃度外源鈣處理)。將CaCl?溶解于去離子水中,配制成相應(yīng)濃度的溶液,使用背負(fù)式噴霧器對(duì)掌葉木幼苗進(jìn)行葉面噴施,以葉片表面均勻附著小液滴但不滴落為宜,每周噴施2次,持續(xù)處理8周。具體的對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組設(shè)置如下:對(duì)照組:CK-Ca0,在正常水分條件下,不噴施外源鈣,作為空白對(duì)照,用于反映掌葉木幼苗在正常生長(zhǎng)環(huán)境下的生理生化特性。實(shí)驗(yàn)組:T1-Ca0:輕度干旱脅迫下,不噴施外源鈣,用于探究輕度干旱脅迫對(duì)掌葉木幼苗的影響。T1-Ca1:輕度干旱脅迫下,噴施5mmol/L外源鈣,研究低濃度外源鈣在輕度干旱脅迫下對(duì)掌葉木幼苗的作用。T1-Ca2:輕度干旱脅迫下,噴施10mmol/L外源鈣,分析高濃度外源鈣在輕度干旱脅迫下對(duì)掌葉木幼苗的影響。T2-Ca0:重度干旱脅迫下,不噴施外源鈣,考察重度干旱脅迫對(duì)掌葉木幼苗的影響程度。T2-Ca1:重度干旱脅迫下,噴施5mmol/L外源鈣,探討低濃度外源鈣在重度干旱脅迫下對(duì)掌葉木幼苗的作用效果。T2-Ca2:重度干旱脅迫下,噴施10mmol/L外源鈣,研究高濃度外源鈣在重度干旱脅迫下對(duì)掌葉木幼苗的作用機(jī)制。2.3測(cè)定指標(biāo)與方法生長(zhǎng)指標(biāo):每隔15天,使用精度為0.1mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量掌葉木幼苗的地徑,測(cè)量部位為幼苗基部距離地面1cm處;使用精度為1mm的鋼卷尺測(cè)量株高,從幼苗基部地面測(cè)量至植株頂端;統(tǒng)計(jì)葉片數(shù)量,直接計(jì)數(shù)每株幼苗的葉片總數(shù);采用葉面積儀(型號(hào):[具體型號(hào)])測(cè)定葉面積,將葉片平鋪于葉面積儀的掃描臺(tái)上,確保葉片完全覆蓋掃描區(qū)域,進(jìn)行掃描測(cè)定。相對(duì)含水量:采用烘干稱重法測(cè)定葉片相對(duì)含水量。隨機(jī)選取掌葉木幼苗的成熟葉片,迅速稱取鮮重(FW);然后將葉片浸入蒸餾水中,在黑暗條件下浸泡4-6h,使葉片充分吸水達(dá)到飽和狀態(tài),取出用吸水紙吸干表面水分,稱取飽和鮮重(TW);最后將葉片放入105℃烘箱中殺青30min,再于80℃烘至恒重,稱取干重(DW)。相對(duì)含水量(RWC)計(jì)算公式為:RWC=(FW-DW)/(TW-DW)×100%。光合參數(shù):利用便攜式光合測(cè)定儀(型號(hào):[具體型號(hào)]),選擇晴朗無(wú)云的上午9:00-11:00,測(cè)定掌葉木幼苗頂端完全展開(kāi)的健康葉片的光合參數(shù)。測(cè)定時(shí),將葉室?jiàn)A在葉片上,確保葉室密封良好,測(cè)定光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定5次。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量:脯氨酸含量采用酸性茚三法測(cè)定。稱取0.5g葉片,加入5ml3%磺基水楊酸溶液,研磨成勻漿,于沸水浴中提取10min,冷卻后過(guò)濾。取2ml濾液,加入2ml冰醋酸和3ml酸性茚三試劑,于沸水浴中顯色30min,冷卻后加入5ml甲苯,振蕩萃取,取甲苯層在520nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算脯氨酸含量??扇苄蕴呛坎捎幂毂壬y(cè)定。稱取0.5g葉片,加入10ml蒸餾水,研磨成勻漿,于沸水浴中提取30min,冷卻后過(guò)濾。取1ml濾液,加入5ml蒽試劑,于沸水浴中顯色10min,冷卻后在620nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算可溶性糖含量??扇苄缘鞍缀坎捎每捡R斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定。稱取0.5g葉片,加入5ml0.1mol/L磷酸緩沖液(pH7.8),研磨成勻漿,于4℃、10000r/min離心15min,取上清液。取0.1ml上清液,加入5ml考馬斯亮藍(lán)G-250試劑,搖勻,靜置5min,在595nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算可溶性蛋白含量。抗氧化酶活性和膜脂過(guò)氧化程度:超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定。稱取0.5g葉片,加入5ml預(yù)冷的50mmol/L磷酸緩沖液(pH7.8,含1%聚乙烯吡咯烷酮),研磨成勻漿,于4℃、10000r/min離心20min,取上清液作為酶液。反應(yīng)體系包括50mmol/L磷酸緩沖液(pH7.8)、13mmol/L甲硫氨酸、75μmol/LNBT、10μmol/LEDTA-Na?、2μmol/L核黃素和適量酶液,總體積為3ml。將反應(yīng)體系置于光照條件下反應(yīng)20min,然后在560nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度。以抑制NBT光化還原50%的酶量為一個(gè)SOD活性單位(U),計(jì)算SOD活性。過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定。反應(yīng)體系包括50mmol/L磷酸緩沖液(pH7.0)、2%愈創(chuàng)木酚、0.75%過(guò)氧化氫和適量酶液,總體積為3ml。在37℃條件下反應(yīng)5min,然后在470nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度,以每分鐘吸光度變化0.01為一個(gè)POD活性單位(U),計(jì)算POD活性。過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測(cè)定。反應(yīng)體系包括50mmol/L磷酸緩沖液(pH7.0)、10mmol/L過(guò)氧化氫和適量酶液,總體積為3ml。在240nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度,以每分鐘吸光度變化0.1為一個(gè)CAT活性單位(U),計(jì)算CAT活性。丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法測(cè)定。稱取0.5g葉片,加入5ml10%三***乙酸(TCA)溶液,研磨成勻漿,于4℃、10000r/min離心10min,取上清液。取2ml上清液,加入2ml0.6%TBA溶液,于沸水浴中反應(yīng)15min,冷卻后于4℃、10000r/min離心10min,取上清液在532nm、600nm和450nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度,根據(jù)公式計(jì)算MDA含量。內(nèi)源激素含量:脫落酸(ABA)、生長(zhǎng)素(IAA)、赤霉素(GA)含量采用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-MS/MS)法測(cè)定。稱取0.5g葉片,加入5ml預(yù)冷的80%甲醇,在冰浴條件下研磨成勻漿,于4℃黑暗條件下浸提12h,期間振蕩數(shù)次。然后于4℃、10000r/min離心15min,取上清液,用氮?dú)獯蹈桑昧鲃?dòng)相(甲醇:水=40:60,含0.1%甲酸)定容至1ml,過(guò)0.22μm濾膜,采用HPLC-MS/MS測(cè)定內(nèi)源激素含量。色譜柱為[具體型號(hào)]反相C18柱,流動(dòng)相為甲醇和含0.1%甲酸的水,梯度洗脫。質(zhì)譜條件為電噴霧離子源(ESI),多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式(MRM),正離子模式檢測(cè)IAA和GA,負(fù)離子模式檢測(cè)ABA。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算內(nèi)源激素含量。2.4數(shù)據(jù)處理與分析本研究采用Excel2021軟件對(duì)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性,繪制直觀的圖表,如柱狀圖、折線圖等,以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的觀察和比較,初步分析各處理組之間的差異趨勢(shì)。使用SPSS26.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行深入的統(tǒng)計(jì)分析,通過(guò)單因素方差分析(One-WayANOVA),在設(shè)定的顯著性水平α=0.05下,檢驗(yàn)不同處理組間各項(xiàng)指標(biāo)的差異顯著性,明確不同干旱脅迫程度和外源鈣濃度處理對(duì)掌葉木生理生化指標(biāo)的影響是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。若方差分析結(jié)果顯示存在顯著差異,進(jìn)一步采用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較,確定具體哪些處理組之間存在顯著差異,從而更精確地了解不同處理對(duì)掌葉木各項(xiàng)指標(biāo)的影響程度。此外,為了探究各生理生化指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系,采用Pearson相關(guān)性分析方法,分析生長(zhǎng)指標(biāo)、光合參數(shù)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、抗氧化酶活性、膜脂過(guò)氧化程度以及內(nèi)源激素含量等指標(biāo)之間的相關(guān)性,明確各指標(biāo)之間的相互關(guān)系,揭示外源鈣影響干旱脅迫下掌葉木生理生化特性的潛在機(jī)制。三、干旱脅迫對(duì)掌葉木生理生化特性的影響3.1對(duì)水分狀況的影響3.1.1葉片相對(duì)含水量變化葉片相對(duì)含水量是衡量植物水分狀況的重要指標(biāo),它反映了植物葉片實(shí)際含水量與飽和含水量的相對(duì)關(guān)系,對(duì)植物的生理功能和生長(zhǎng)發(fā)育有著關(guān)鍵影響。在干旱脅迫下,掌葉木的葉片相對(duì)含水量會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著干旱脅迫程度的加劇,土壤水分含量逐漸降低,掌葉木根系從土壤中吸收水分的難度增大,導(dǎo)致植物體內(nèi)水分虧缺,葉片相對(duì)含水量下降。研究表明,在輕度干旱脅迫(T1)下,掌葉木葉片相對(duì)含水量與正常水分條件(CK)相比,下降幅度相對(duì)較小,但仍達(dá)到了[X]%;而在重度干旱脅迫(T2)下,葉片相對(duì)含水量急劇下降,下降幅度高達(dá)[X]%。這種葉片相對(duì)含水量的下降,主要是由于干旱脅迫破壞了植物的水分平衡。一方面,干旱導(dǎo)致土壤水勢(shì)降低,根系與土壤之間的水勢(shì)差減小,根系吸水能力減弱;另一方面,葉片的蒸騰作用仍在持續(xù)進(jìn)行,水分不斷散失,使得植物體內(nèi)水分入不敷出。同時(shí),干旱脅迫還會(huì)影響植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能,導(dǎo)致細(xì)胞失水,進(jìn)一步降低葉片相對(duì)含水量。葉片相對(duì)含水量的降低對(duì)掌葉木的生長(zhǎng)產(chǎn)生了多方面的不利影響。首先,水分虧缺會(huì)導(dǎo)致葉片細(xì)胞膨壓下降,使葉片生長(zhǎng)受到抑制,表現(xiàn)為葉片變小、變薄,葉面積減小。其次,葉片相對(duì)含水量的降低會(huì)影響光合作用的正常進(jìn)行。水分是光合作用的原料之一,缺水會(huì)導(dǎo)致光合反應(yīng)無(wú)法順利進(jìn)行;同時(shí),水分虧缺還會(huì)引起氣孔關(guān)閉,限制二氧化碳的進(jìn)入,降低光合速率,進(jìn)而影響植物的物質(zhì)生產(chǎn)和積累,最終導(dǎo)致掌葉木的生長(zhǎng)減緩,生物量下降。3.1.2水分利用效率改變水分利用效率是指植物消耗單位水量所生產(chǎn)的同化產(chǎn)物的量,它反映了植物在水分利用方面的能力和效率,是衡量植物抗旱性的重要指標(biāo)之一。在干旱脅迫下,掌葉木的水分利用效率會(huì)發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn),隨著干旱脅迫程度的增加,掌葉木的水分利用效率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫(T1)初期,掌葉木為了適應(yīng)水分虧缺的環(huán)境,會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)自身的生理過(guò)程來(lái)提高水分利用效率。例如,掌葉木會(huì)降低氣孔導(dǎo)度,減少水分蒸騰散失,同時(shí)保持相對(duì)較高的光合速率,從而使得光合速率與蒸騰速率的比值增大,水分利用效率提高。有研究表明,在輕度干旱脅迫處理初期,掌葉木的水分利用效率較正常水分條件下提高了[X]%。然而,當(dāng)干旱脅迫進(jìn)一步加劇,進(jìn)入重度干旱脅迫(T2)階段時(shí),由于植物受到的水分脅迫超過(guò)了其自身的調(diào)節(jié)能力,光合作用受到嚴(yán)重抑制,光合速率大幅下降。此時(shí),雖然蒸騰速率也有所降低,但光合速率下降的幅度更大,導(dǎo)致光合速率與蒸騰速率的比值減小,水分利用效率降低。在重度干旱脅迫下,掌葉木的水分利用效率較正常水分條件下降低了[X]%。這種水分利用效率的變化對(duì)掌葉木具有重要的生態(tài)意義。在干旱環(huán)境中,提高水分利用效率有助于掌葉木在有限的水分條件下維持自身的生長(zhǎng)和生存。通過(guò)減少水分散失,提高光合產(chǎn)物的積累,掌葉木能夠更好地適應(yīng)干旱脅迫,增加在干旱環(huán)境中的生存機(jī)會(huì)。然而,當(dāng)干旱脅迫超過(guò)一定限度時(shí),水分利用效率的降低表明掌葉木的生理功能受到了嚴(yán)重?fù)p害,生長(zhǎng)和發(fā)育受到極大限制,這也進(jìn)一步說(shuō)明了干旱脅迫對(duì)掌葉木生存的威脅。3.2對(duì)光合作用的影響3.2.1光合參數(shù)變化光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ),光合參數(shù)的變化直接反映了植物光合作用的效率和能力。在干旱脅迫下,掌葉木的光合參數(shù)發(fā)生了顯著變化。凈光合速率(Pn)是衡量植物光合作用能力的重要指標(biāo),它反映了植物在單位時(shí)間內(nèi)單位葉面積上吸收二氧化碳并固定為有機(jī)物的量。隨著干旱脅迫程度的加劇,掌葉木的凈光合速率呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫(T1)下,凈光合速率較正常水分條件(CK)下降了[X]%;而在重度干旱脅迫(T2)下,凈光合速率急劇下降,降幅達(dá)到了[X]%。這主要是因?yàn)楦珊得{迫導(dǎo)致氣孔關(guān)閉,限制了二氧化碳的進(jìn)入,使得光合作用的底物供應(yīng)不足,從而影響了光合碳同化過(guò)程;同時(shí),干旱還會(huì)破壞光合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能,如葉綠體的膜結(jié)構(gòu)受損,光合色素含量下降,光合電子傳遞受阻等,進(jìn)一步降低了凈光合速率。氣孔導(dǎo)度(Gs)是指單位時(shí)間內(nèi)單位葉面積上通過(guò)氣孔擴(kuò)散的氣體量,它反映了氣孔的開(kāi)放程度,對(duì)二氧化碳的供應(yīng)和水分的散失起著關(guān)鍵作用。干旱脅迫下,掌葉木的氣孔導(dǎo)度顯著降低。在輕度干旱脅迫下,氣孔導(dǎo)度下降了[X]%;在重度干旱脅迫下,氣孔導(dǎo)度下降幅度更大,達(dá)到了[X]%。氣孔導(dǎo)度的降低是植物對(duì)干旱脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng),通過(guò)減少氣孔開(kāi)放,降低水分蒸騰散失,以維持植物體內(nèi)的水分平衡。然而,氣孔導(dǎo)度的降低也會(huì)導(dǎo)致二氧化碳供應(yīng)不足,從而限制光合作用的進(jìn)行。胞間二氧化碳濃度(Ci)是指葉片細(xì)胞間隙中二氧化碳的濃度,它與氣孔導(dǎo)度和光合速率密切相關(guān)。在干旱脅迫初期,由于氣孔導(dǎo)度降低,二氧化碳進(jìn)入葉片受阻,胞間二氧化碳濃度會(huì)下降。但隨著干旱脅迫的加劇,當(dāng)光合機(jī)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞,光合速率大幅下降時(shí),植物對(duì)二氧化碳的同化能力減弱,胞間二氧化碳濃度反而會(huì)升高。研究發(fā)現(xiàn),在輕度干旱脅迫下,掌葉木的胞間二氧化碳濃度先下降后略有上升;而在重度干旱脅迫下,胞間二氧化碳濃度顯著升高。這表明在干旱脅迫下,掌葉木的光合作用受到了氣孔限制和非氣孔限制的雙重影響,在脅迫初期,氣孔限制起主導(dǎo)作用;而在脅迫后期,非氣孔限制成為影響光合作用的主要因素。蒸騰速率(Tr)是指植物在單位時(shí)間內(nèi)單位葉面積上散失水分的量,它與植物的水分平衡和熱量調(diào)節(jié)密切相關(guān)。干旱脅迫下,掌葉木的蒸騰速率明顯下降。在輕度干旱脅迫下,蒸騰速率下降了[X]%;在重度干旱脅迫下,蒸騰速率下降幅度更大,達(dá)到了[X]%。蒸騰速率的降低是植物減少水分散失的一種重要方式,有助于維持植物體內(nèi)的水分平衡。然而,蒸騰速率的過(guò)度降低也會(huì)影響植物的熱量調(diào)節(jié)和物質(zhì)運(yùn)輸,進(jìn)而對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響。3.2.2葉綠素含量變化葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要色素,它能夠吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能,對(duì)光合作用的光反應(yīng)過(guò)程起著關(guān)鍵作用。在干旱脅迫下,掌葉木的葉綠素含量發(fā)生了顯著變化。隨著干旱脅迫程度的加劇,掌葉木葉片中的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫(T1)下,葉綠素a含量較正常水分條件(CK)下降了[X]%,葉綠素b含量下降了[X]%,總?cè)~綠素含量下降了[X]%;在重度干旱脅迫(T2)下,葉綠素a含量下降幅度達(dá)到[X]%,葉綠素b含量下降幅度為[X]%,總?cè)~綠素含量下降幅度高達(dá)[X]%。這主要是因?yàn)楦珊得{迫會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧積累,引發(fā)氧化脅迫,使葉綠素合成受阻,同時(shí)加速葉綠素的分解。此外,干旱還會(huì)影響植物對(duì)鎂、氮等葉綠素合成所需元素的吸收和運(yùn)輸,進(jìn)一步降低葉綠素含量。葉綠素a/b比值是反映植物光合機(jī)構(gòu)狀態(tài)的重要指標(biāo)。在正常水分條件下,掌葉木的葉綠素a/b比值約為[X]。隨著干旱脅迫程度的增加,葉綠素a/b比值呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫下,葉綠素a/b比值升高至[X],這可能是由于葉綠素b對(duì)干旱脅迫更為敏感,其含量下降幅度相對(duì)較大,導(dǎo)致葉綠素a/b比值升高。而在重度干旱脅迫下,葉綠素a/b比值又下降至[X],這表明光合機(jī)構(gòu)受到了嚴(yán)重破壞,葉綠素a和葉綠素b的含量均大幅下降,且葉綠素a的下降幅度相對(duì)較大。葉綠素含量的降低對(duì)掌葉木的光合作用產(chǎn)生了顯著的限制作用。葉綠素含量的減少會(huì)導(dǎo)致植物對(duì)光能的吸收和利用能力下降,使光合電子傳遞速率減慢,光化學(xué)反應(yīng)效率降低。同時(shí),葉綠素含量的降低還會(huì)影響光合碳同化過(guò)程中相關(guān)酶的活性,進(jìn)一步降低光合作用效率。因此,在干旱脅迫下,掌葉木通過(guò)降低葉綠素含量來(lái)減少光能的吸收,以避免過(guò)多的光能轉(zhuǎn)化為活性氧,對(duì)光合機(jī)構(gòu)造成損傷。但這種適應(yīng)性反應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致光合作用能力下降,影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。3.3對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響3.3.1脯氨酸含量變化脯氨酸是植物體內(nèi)一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在干旱脅迫下,掌葉木體內(nèi)的脯氨酸含量會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著干旱脅迫程度的加劇,掌葉木葉片中的脯氨酸含量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫(T1)下,脯氨酸含量較正常水分條件(CK)增加了[X]倍;而在重度干旱脅迫(T2)下,脯氨酸含量進(jìn)一步大幅上升,增加了[X]倍。脯氨酸在干旱脅迫下大量積累,主要有以下幾個(gè)原因。首先,干旱脅迫會(huì)抑制脯氨酸的氧化分解。脯氨酸的代謝途徑包括合成和分解兩個(gè)過(guò)程,在正常條件下,這兩個(gè)過(guò)程處于平衡狀態(tài)。但在干旱脅迫下,脯氨酸氧化酶的活性受到抑制,使得脯氨酸的分解代謝受阻,從而導(dǎo)致脯氨酸在體內(nèi)積累。其次,干旱脅迫會(huì)促進(jìn)脯氨酸的合成。干旱誘導(dǎo)了脯氨酸合成相關(guān)基因的表達(dá),使脯氨酸合成酶的活性增強(qiáng),促進(jìn)了脯氨酸的合成。例如,在干旱脅迫下,谷氨酸途徑和鳥(niǎo)氨酸途徑中關(guān)鍵酶的活性升高,使得谷氨酸和鳥(niǎo)氨酸等底物更多地轉(zhuǎn)化為脯氨酸。此外,干旱脅迫還會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)氮代謝的改變,使更多的氮素流向脯氨酸的合成,進(jìn)一步促進(jìn)了脯氨酸的積累。脯氨酸在掌葉木的滲透調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。一方面,脯氨酸具有很強(qiáng)的親水性,能夠大量結(jié)合水分子,從而降低細(xì)胞的滲透勢(shì),使細(xì)胞在干旱條件下能夠保持較高的膨壓,維持細(xì)胞的正常生理功能。例如,在干旱脅迫下,掌葉木細(xì)胞內(nèi)脯氨酸含量的增加,使得細(xì)胞能夠從周圍環(huán)境中吸收水分,保持細(xì)胞的飽滿狀態(tài),防止細(xì)胞因失水而發(fā)生皺縮。另一方面,脯氨酸還可以作為一種抗氧化劑,清除細(xì)胞內(nèi)的活性氧自由基,減輕氧化脅迫對(duì)細(xì)胞的損傷。研究表明,脯氨酸能夠與活性氧發(fā)生反應(yīng),將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害的物質(zhì),從而保護(hù)細(xì)胞內(nèi)的生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等免受氧化損傷。此外,脯氨酸還可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu),維持其正常功能。在干旱脅迫下,脯氨酸能夠與蛋白質(zhì)分子相互作用,形成氫鍵或其他化學(xué)鍵,增強(qiáng)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性,防止其變性失活;同時(shí),脯氨酸還可以與細(xì)胞膜上的磷脂分子結(jié)合,增加細(xì)胞膜的流動(dòng)性和穩(wěn)定性,減少膜脂過(guò)氧化作用,保護(hù)細(xì)胞膜的完整性。3.3.2可溶性糖含量變化可溶性糖是植物體內(nèi)另一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在干旱脅迫下,掌葉木體內(nèi)的可溶性糖含量也會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著干旱脅迫程度的增加,掌葉木葉片中的可溶性糖含量呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫(T1)初期,可溶性糖含量迅速上升,較正常水分條件(CK)增加了[X]%;但隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),可溶性糖含量逐漸下降,在重度干旱脅迫(T2)后期,可溶性糖含量較輕度干旱脅迫初期降低了[X]%。在干旱脅迫初期,掌葉木體內(nèi)可溶性糖含量升高,主要是由于以下幾個(gè)方面的原因。一方面,光合作用產(chǎn)生的碳水化合物在體內(nèi)積累。雖然干旱脅迫會(huì)抑制光合作用,但在脅迫初期,光合作用仍能進(jìn)行,且由于呼吸作用受到一定程度的抑制,碳水化合物的消耗減少,使得光合產(chǎn)物在體內(nèi)積累,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可溶性糖。例如,在輕度干旱脅迫下,掌葉木葉片中的淀粉等多糖類物質(zhì)會(huì)被水解為可溶性糖,導(dǎo)致可溶性糖含量增加。另一方面,干旱脅迫誘導(dǎo)了植物體內(nèi)糖代謝相關(guān)基因的表達(dá),使參與可溶性糖合成的酶活性增強(qiáng),促進(jìn)了可溶性糖的合成。同時(shí),干旱還會(huì)抑制可溶性糖的運(yùn)輸和利用,使得可溶性糖在葉片中積累。然而,隨著干旱脅迫的加劇,可溶性糖含量逐漸降低。這主要是因?yàn)樵谥囟雀珊得{迫下,植物的光合作用受到嚴(yán)重抑制,光合產(chǎn)物的合成大幅減少,無(wú)法滿足可溶性糖合成的需求。同時(shí),植物為了維持自身的生命活動(dòng),會(huì)消耗大量的可溶性糖作為能量來(lái)源,導(dǎo)致可溶性糖含量下降。此外,干旱脅迫還會(huì)破壞植物體內(nèi)的糖代謝平衡,使可溶性糖的合成和分解過(guò)程紊亂,進(jìn)一步降低了可溶性糖的含量??扇苄蕴呛康淖兓c掌葉木的抗旱性密切相關(guān)。在干旱脅迫初期,可溶性糖含量的升高有助于掌葉木降低細(xì)胞的滲透勢(shì),增強(qiáng)細(xì)胞的保水能力,維持細(xì)胞的膨壓和正常生理功能,從而提高掌葉木的抗旱性。例如,在輕度干旱脅迫下,掌葉木通過(guò)積累可溶性糖,保持了細(xì)胞的水分平衡,減少了水分散失,使得植物能夠在一定程度上適應(yīng)干旱環(huán)境。但當(dāng)干旱脅迫超過(guò)一定限度時(shí),可溶性糖含量的降低表明植物的生理功能受到了嚴(yán)重?fù)p害,抗旱能力下降。在重度干旱脅迫下,由于可溶性糖含量不足,掌葉木無(wú)法維持細(xì)胞的正常滲透調(diào)節(jié),導(dǎo)致細(xì)胞失水、代謝紊亂,生長(zhǎng)和發(fā)育受到極大限制。3.4對(duì)抗氧化系統(tǒng)的影響3.4.1抗氧化酶活性變化在正常生理狀態(tài)下,植物細(xì)胞內(nèi)的活性氧(ROS)產(chǎn)生與清除處于動(dòng)態(tài)平衡,以維持細(xì)胞的正常生理功能。然而,干旱脅迫會(huì)打破這種平衡,導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)ROS大量積累,如超氧陰離子(O_2^-)、過(guò)氧化氫(H_2O_2)等。這些過(guò)量的ROS具有很強(qiáng)的氧化活性,會(huì)攻擊細(xì)胞內(nèi)的生物大分子,如蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等,導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、核酸損傷和膜脂過(guò)氧化,從而對(duì)細(xì)胞造成嚴(yán)重的氧化損傷。為了應(yīng)對(duì)干旱脅迫下ROS的積累,植物進(jìn)化出了一套復(fù)雜的抗氧化防御系統(tǒng),其中超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶發(fā)揮著關(guān)鍵作用。SOD是植物抗氧化防御系統(tǒng)中的第一道防線,它能夠催化超氧陰離子發(fā)生歧化反應(yīng),將其轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫和氧氣,從而有效地清除超氧陰離子,減輕其對(duì)細(xì)胞的氧化損傷。POD和CAT則主要負(fù)責(zé)清除SOD作用產(chǎn)生的過(guò)氧化氫,將其分解為水和氧氣,進(jìn)一步降低細(xì)胞內(nèi)過(guò)氧化氫的濃度,防止其積累對(duì)細(xì)胞造成傷害。在干旱脅迫下,掌葉木的抗氧化酶活性會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著干旱脅迫程度的加劇,SOD活性呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫(T1)初期,為了應(yīng)對(duì)ROS的積累,掌葉木通過(guò)誘導(dǎo)SOD基因的表達(dá),提高SOD活性,以增強(qiáng)對(duì)超氧陰離子的清除能力。研究表明,在輕度干旱脅迫處理的前[X]天,掌葉木葉片中的SOD活性較正常水分條件(CK)顯著升高,增幅達(dá)到[X]%。然而,當(dāng)干旱脅迫持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)或脅迫程度加重,進(jìn)入重度干旱脅迫(T2)階段時(shí),由于植物受到的干旱脅迫超過(guò)了其自身的調(diào)節(jié)能力,細(xì)胞內(nèi)的代謝紊亂,導(dǎo)致SOD活性下降。在重度干旱脅迫處理后期,SOD活性較輕度干旱脅迫初期降低了[X]%。POD活性在干旱脅迫下也呈現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫下,POD活性迅速升高,這是因?yàn)楦珊嫡T導(dǎo)了POD基因的表達(dá),使POD合成增加,同時(shí)POD的活性中心被激活,從而提高了POD對(duì)過(guò)氧化氫的清除能力。在輕度干旱脅迫處理[X]天后,POD活性較正常水分條件下增加了[X]倍。但隨著干旱脅迫的加劇,POD活性在重度干旱脅迫后期逐漸下降,這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間的干旱脅迫導(dǎo)致POD蛋白的結(jié)構(gòu)和功能受到破壞,或者是POD合成所需的底物和輔酶供應(yīng)不足,影響了POD的活性。CAT活性在干旱脅迫下同樣先升高后降低。在干旱脅迫初期,CAT活性的升高有助于及時(shí)清除細(xì)胞內(nèi)積累的過(guò)氧化氫,保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷。在輕度干旱脅迫處理[X]天后,CAT活性較正常水分條件升高了[X]%。然而,在重度干旱脅迫下,由于過(guò)氧化氫的大量積累,超過(guò)了CAT的清除能力,導(dǎo)致CAT活性下降,同時(shí),干旱脅迫還可能影響了CAT基因的表達(dá)和CAT蛋白的穩(wěn)定性,進(jìn)一步降低了CAT的活性。在重度干旱脅迫處理后期,CAT活性較輕度干旱脅迫初期降低了[X]%。抗氧化酶活性的變化對(duì)掌葉木在干旱脅迫下的生存具有重要意義。在干旱脅迫初期,抗氧化酶活性的升高有效地清除了細(xì)胞內(nèi)積累的ROS,減輕了氧化脅迫對(duì)細(xì)胞的損傷,使得掌葉木能夠在一定程度上適應(yīng)干旱環(huán)境。然而,當(dāng)干旱脅迫超過(guò)一定限度時(shí),抗氧化酶活性的下降表明掌葉木的抗氧化防御系統(tǒng)受到了嚴(yán)重破壞,無(wú)法有效地清除ROS,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧化損傷加劇,從而影響掌葉木的生長(zhǎng)和發(fā)育,甚至威脅其生存。3.4.2丙二醛含量變化丙二醛(MDA)是植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的最終產(chǎn)物之一,其含量高低是衡量植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度和細(xì)胞受氧化損傷程度的重要指標(biāo)。在正常生理?xiàng)l件下,植物細(xì)胞內(nèi)的膜脂過(guò)氧化作用較弱,MDA含量維持在較低水平。然而,在干旱脅迫下,由于植物細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)大量積累,引發(fā)了膜脂過(guò)氧化作用,導(dǎo)致MDA含量顯著升高。隨著干旱脅迫程度的增加,掌葉木葉片中的MDA含量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫(T1)下,MDA含量較正常水分條件(CK)增加了[X]%;而在重度干旱脅迫(T2)下,MDA含量急劇上升,增加幅度達(dá)到[X]%。這表明干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致掌葉木細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度加劇,細(xì)胞受到的氧化損傷加重。膜脂過(guò)氧化是指生物膜中的不飽和脂肪酸在ROS的攻擊下發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng),形成過(guò)氧化脂質(zhì),進(jìn)而分解產(chǎn)生MDA等有害物質(zhì)的過(guò)程。在干旱脅迫下,ROS的積累會(huì)首先攻擊細(xì)胞膜上的不飽和脂肪酸,使其雙鍵被氧化,形成脂質(zhì)自由基。這些脂質(zhì)自由基非常不穩(wěn)定,會(huì)進(jìn)一步與氧氣反應(yīng),生成過(guò)氧化脂質(zhì)自由基,引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng),導(dǎo)致更多的不飽和脂肪酸被氧化。最終,過(guò)氧化脂質(zhì)分解產(chǎn)生MDA,MDA可以與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),改變它們的結(jié)構(gòu)和功能,從而對(duì)細(xì)胞造成嚴(yán)重的損傷。MDA含量的升高對(duì)掌葉木的細(xì)胞膜和細(xì)胞生理功能產(chǎn)生了多方面的負(fù)面影響。首先,MDA會(huì)破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能,使細(xì)胞膜的流動(dòng)性降低,通透性增加,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)滲漏,細(xì)胞代謝紊亂。研究表明,隨著MDA含量的升高,掌葉木葉片細(xì)胞膜的相對(duì)電導(dǎo)率顯著增加,這表明細(xì)胞膜的完整性受到了破壞,細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)大量外滲。其次,MDA還會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)的酶活性和信號(hào)傳導(dǎo)途徑,抑制植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。MDA可以與一些酶分子中的活性基團(tuán)結(jié)合,使酶失活,從而影響細(xì)胞內(nèi)的代謝過(guò)程。同時(shí),MDA還可能干擾植物體內(nèi)的激素信號(hào)傳導(dǎo),影響植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)和適應(yīng)。此外,MDA含量的升高還與掌葉木的抗氧化防御系統(tǒng)密切相關(guān)。當(dāng)MDA含量升高時(shí),表明植物細(xì)胞內(nèi)的氧化損傷加劇,此時(shí)植物會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)抗氧化酶的活性,以清除ROS,減輕膜脂過(guò)氧化作用。然而,當(dāng)干旱脅迫超過(guò)一定程度時(shí),抗氧化酶的活性可能無(wú)法滿足清除ROS的需求,導(dǎo)致MDA含量持續(xù)升高,形成惡性循環(huán),最終對(duì)掌葉木的生長(zhǎng)和生存造成嚴(yán)重威脅。四、外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木生理生化特性的影響4.1對(duì)水分狀況的調(diào)節(jié)作用4.1.1提高葉片相對(duì)含水量在干旱脅迫下,外源鈣能夠顯著提高掌葉木的葉片相對(duì)含水量,有效緩解水分虧缺對(duì)植物造成的傷害。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在輕度干旱脅迫(T1)下,未施加外源鈣的掌葉木(T1-Ca0)葉片相對(duì)含水量為[X]%,而噴施5mmol/L外源鈣(T1-Ca1)后,葉片相對(duì)含水量提高至[X]%,噴施10mmol/L外源鈣(T1-Ca2)時(shí),葉片相對(duì)含水量進(jìn)一步提高至[X]%。在重度干旱脅迫(T2)下,這種差異更為明顯,T2-Ca0處理的葉片相對(duì)含水量?jī)H為[X]%,而T2-Ca1和T2-Ca2處理的葉片相對(duì)含水量分別提高到了[X]%和[X]%。外源鈣提高葉片相對(duì)含水量的作用機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面。首先,外源鈣能夠增強(qiáng)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。鈣作為細(xì)胞膜的重要組成成分,與細(xì)胞膜上的磷脂分子結(jié)合,形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),降低細(xì)胞膜的透性,減少細(xì)胞內(nèi)水分的外流。研究表明,在干旱脅迫下,外源鈣處理能夠顯著降低掌葉木葉片細(xì)胞膜的相對(duì)電導(dǎo)率,表明細(xì)胞膜的完整性得到了更好的保護(hù),水分散失減少。其次,外源鈣可以促進(jìn)根系的生長(zhǎng)和發(fā)育,增強(qiáng)根系的吸水能力。鈣能夠刺激根系細(xì)胞的分裂和伸長(zhǎng),增加根系的表面積和根長(zhǎng),使根系能夠更好地吸收土壤中的水分。此外,外源鈣還可以調(diào)節(jié)根系中離子的吸收和運(yùn)輸,維持根系細(xì)胞的滲透勢(shì),促進(jìn)水分的吸收。例如,外源鈣處理能夠增加掌葉木根系對(duì)鉀離子的吸收,提高根系細(xì)胞的滲透勢(shì),從而增強(qiáng)根系的吸水能力。最后,外源鈣可能通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的激素平衡,影響氣孔的開(kāi)閉,減少水分的蒸騰散失。脫落酸(ABA)是一種重要的植物激素,在干旱脅迫下,植物體內(nèi)ABA含量增加,誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉,減少水分散失。研究發(fā)現(xiàn),外源鈣可以提高植物對(duì)ABA的敏感性,增強(qiáng)ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉的作用,從而減少掌葉木葉片的水分蒸騰,保持較高的葉片相對(duì)含水量。4.1.2改善水分利用效率外源鈣對(duì)掌葉木水分利用效率的改善作用顯著,在干旱脅迫條件下,這種作用尤為突出。在輕度干旱脅迫(T1)下,未施加外源鈣的掌葉木(T1-Ca0)水分利用效率為[X]μmolCO?/mmolH?O,施加5mmol/L外源鈣(T1-Ca1)后,水分利用效率提高至[X]μmolCO?/mmolH?O,當(dāng)外源鈣濃度增加到10mmol/L(T1-Ca2)時(shí),水分利用效率進(jìn)一步提升至[X]μmolCO?/mmolH?O。在重度干旱脅迫(T2)下,T2-Ca0處理的水分利用效率為[X]μmolCO?/mmolH?O,而T2-Ca1和T2-Ca2處理的水分利用效率分別達(dá)到了[X]μmolCO?/mmolH?O和[X]μmolCO?/mmolH?O。外源鈣改善掌葉木水分利用效率的機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一方面,外源鈣通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度,在保證一定光合速率的前提下,減少水分的蒸騰散失。在干旱脅迫下,植物為了減少水分散失,會(huì)降低氣孔導(dǎo)度,但這也會(huì)限制二氧化碳的進(jìn)入,從而影響光合作用。外源鈣能夠調(diào)節(jié)氣孔保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度,通過(guò)鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,影響氣孔的開(kāi)閉。研究表明,外源鈣處理可以使掌葉木氣孔導(dǎo)度在干旱脅迫下保持在一個(gè)較為適宜的水平,既減少了水分的蒸騰,又保證了足夠的二氧化碳供應(yīng),從而提高了光合速率與蒸騰速率的比值,即提高了水分利用效率。另一方面,外源鈣有助于維持光合機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能,提高光合作用效率。在干旱脅迫下,光合機(jī)構(gòu)容易受到損傷,導(dǎo)致光合色素含量下降,光合電子傳遞受阻,從而降低光合作用效率。外源鈣可以穩(wěn)定葉綠體的膜結(jié)構(gòu),保護(hù)光合色素和光合酶的活性,維持光合電子傳遞的正常進(jìn)行。例如,外源鈣處理能夠使掌葉木在干旱脅迫下保持較高的葉綠素含量,增強(qiáng)光合電子傳遞鏈中關(guān)鍵酶的活性,提高光合碳同化效率,進(jìn)而提高水分利用效率。此外,外源鈣還可能通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的碳代謝和氮代謝,影響光合產(chǎn)物的合成和分配,進(jìn)一步提高水分利用效率。在干旱脅迫下,外源鈣處理可以促進(jìn)掌葉木體內(nèi)碳水化合物的積累,提高可溶性糖和淀粉等光合產(chǎn)物的含量,同時(shí)優(yōu)化氮素的分配,使更多的氮素用于合成與光合作用相關(guān)的蛋白質(zhì),從而提高光合作用效率,改善水分利用效率。4.2對(duì)光合作用的促進(jìn)作用4.2.1優(yōu)化光合參數(shù)外源鈣能夠顯著優(yōu)化干旱脅迫下掌葉木的光合參數(shù),有效提高其光合作用效率。在輕度干旱脅迫(T1)下,未施加外源鈣的掌葉木(T1-Ca0)凈光合速率為[X]μmolCO??m?2?s?1,氣孔導(dǎo)度為[X]molH?O?m?2?s?1,胞間二氧化碳濃度為[X]μmolCO??mol?1,蒸騰速率為[X]mmolH?O?m?2?s?1。而噴施5mmol/L外源鈣(T1-Ca1)后,凈光合速率提高至[X]μmolCO??m?2?s?1,氣孔導(dǎo)度增加到[X]molH?O?m?2?s?1,胞間二氧化碳濃度保持在較為適宜的水平,為[X]μmolCO??mol?1,蒸騰速率則維持在[X]mmolH?O?m?2?s?1。當(dāng)外源鈣濃度增加到10mmol/L(T1-Ca2)時(shí),凈光合速率進(jìn)一步提升至[X]μmolCO??m?2?s?1,氣孔導(dǎo)度達(dá)到[X]molH?O?m?2?s?1。在重度干旱脅迫(T2)下,外源鈣對(duì)光合參數(shù)的優(yōu)化作用更為顯著。T2-Ca0處理的凈光合速率僅為[X]μmolCO??m?2?s?1,氣孔導(dǎo)度為[X]molH?O?m?2?s?1,胞間二氧化碳濃度升高至[X]μmolCO??mol?1,蒸騰速率下降至[X]mmolH?O?m?2?s?1。而T2-Ca1和T2-Ca2處理的凈光合速率分別提高到了[X]μmolCO??m?2?s?1和[X]μmolCO??m?2?s?1,氣孔導(dǎo)度分別增加到[X]molH?O?m?2?s?1和[X]molH?O?m?2?s?1,胞間二氧化碳濃度得到有效調(diào)節(jié),分別為[X]μmolCO??mol?1和[X]μmolCO??mol?1,蒸騰速率也維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平,分別為[X]mmolH?O?m?2?s?1和[X]mmolH?O?m?2?s?1。外源鈣優(yōu)化光合參數(shù)的作用機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先,外源鈣能夠調(diào)節(jié)氣孔的開(kāi)閉,維持氣孔導(dǎo)度的穩(wěn)定。在干旱脅迫下,植物為了減少水分散失,氣孔會(huì)關(guān)閉,但這也會(huì)限制二氧化碳的進(jìn)入,從而影響光合作用。外源鈣可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度,激活鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,使氣孔保持適當(dāng)?shù)拈_(kāi)放程度,保證二氧化碳的供應(yīng),同時(shí)減少水分的過(guò)度散失。研究表明,外源鈣處理能夠增加掌葉木氣孔保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度,使氣孔的開(kāi)度增大,從而提高氣孔導(dǎo)度,促進(jìn)二氧化碳的進(jìn)入,為光合作用提供充足的底物。其次,外源鈣有助于維持光合機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能。在干旱脅迫下,光合機(jī)構(gòu)容易受到損傷,導(dǎo)致光合電子傳遞受阻,光合酶活性降低。外源鈣可以穩(wěn)定葉綠體的膜結(jié)構(gòu),保護(hù)光合色素和光合酶的活性,維持光合電子傳遞的正常進(jìn)行。例如,外源鈣能夠與葉綠體膜上的磷脂分子結(jié)合,增加膜的穩(wěn)定性,防止膜結(jié)構(gòu)的破壞;同時(shí),外源鈣還可以激活光合電子傳遞鏈中的關(guān)鍵酶,如細(xì)胞色素b?f復(fù)合體、ATP合酶等,提高光合電子傳遞效率,促進(jìn)光合作用的進(jìn)行。此外,外源鈣還可能通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的碳代謝和氮代謝,影響光合產(chǎn)物的合成和分配,進(jìn)一步提高光合作用效率。在干旱脅迫下,外源鈣處理可以促進(jìn)掌葉木體內(nèi)碳水化合物的積累,提高可溶性糖和淀粉等光合產(chǎn)物的含量,同時(shí)優(yōu)化氮素的分配,使更多的氮素用于合成與光合作用相關(guān)的蛋白質(zhì),從而提高光合作用效率。4.2.2維持葉綠素含量在干旱脅迫下,外源鈣對(duì)維持掌葉木葉綠素含量發(fā)揮著關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,在輕度干旱脅迫(T1)下,未施加外源鈣的掌葉木(T1-Ca0)葉綠素a含量為[X]mg/g,葉綠素b含量為[X]mg/g,總?cè)~綠素含量為[X]mg/g。噴施5mmol/L外源鈣(T1-Ca1)后,葉綠素a含量提高至[X]mg/g,葉綠素b含量增加到[X]mg/g,總?cè)~綠素含量上升至[X]mg/g。當(dāng)外源鈣濃度增加到10mmol/L(T1-Ca2)時(shí),葉綠素a含量進(jìn)一步提升至[X]mg/g,葉綠素b含量達(dá)到[X]mg/g,總?cè)~綠素含量達(dá)到[X]mg/g。在重度干旱脅迫(T2)下,外源鈣對(duì)葉綠素含量的維持作用更為明顯。T2-Ca0處理的葉綠素a含量?jī)H為[X]mg/g,葉綠素b含量為[X]mg/g,總?cè)~綠素含量為[X]mg/g。而T2-Ca1和T2-Ca2處理的葉綠素a含量分別提高到了[X]mg/g和[X]mg/g,葉綠素b含量分別增加到[X]mg/g和[X]mg/g,總?cè)~綠素含量分別上升至[X]mg/g和[X]mg/g。外源鈣維持葉綠素含量的生理機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面。首先,外源鈣能夠增強(qiáng)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,減少細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)的積累。在干旱脅迫下,植物細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的ROS,這些ROS會(huì)攻擊葉綠素分子,導(dǎo)致葉綠素降解。外源鈣可以與細(xì)胞膜上的磷脂分子結(jié)合,形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),降低細(xì)胞膜的透性,減少ROS的進(jìn)入,從而保護(hù)葉綠素分子免受氧化損傷。研究表明,外源鈣處理能夠顯著降低掌葉木葉片細(xì)胞膜的相對(duì)電導(dǎo)率,減少ROS的積累,從而維持葉綠素含量的穩(wěn)定。其次,外源鈣可以促進(jìn)葉綠素的合成。鈣是葉綠素合成過(guò)程中某些關(guān)鍵酶的激活劑,如δ-氨基酮戊酸脫水酶(ALAD)、鎂離子螯合酶等。在干旱脅迫下,外源鈣可以提高這些酶的活性,促進(jìn)葉綠素的合成。例如,外源鈣處理能夠增加掌葉木葉片中ALAD和鎂離子螯合酶的活性,使葉綠素合成的前體物質(zhì)δ-氨基酮戊酸(ALA)和鎂原卟啉Ⅸ(Mg-ProtoⅨ)的含量增加,從而促進(jìn)葉綠素的合成。此外,外源鈣還可能通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的激素平衡,影響葉綠素的合成和降解。脫落酸(ABA)是一種重要的植物激素,在干旱脅迫下,植物體內(nèi)ABA含量增加,會(huì)抑制葉綠素的合成,促進(jìn)葉綠素的降解。研究發(fā)現(xiàn),外源鈣可以降低植物體內(nèi)ABA的含量,提高植物對(duì)ABA的敏感性,從而抑制ABA對(duì)葉綠素合成的抑制作用,促進(jìn)葉綠素的合成。同時(shí),外源鈣還可以調(diào)節(jié)其他激素如生長(zhǎng)素(IAA)、赤霉素(GA)等的含量和分布,協(xié)調(diào)植物的生長(zhǎng)發(fā)育與葉綠素的合成和降解過(guò)程,維持葉綠素含量的穩(wěn)定。4.3對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響4.3.1調(diào)節(jié)脯氨酸合成與積累在干旱脅迫下,外源鈣能夠顯著調(diào)節(jié)掌葉木體內(nèi)脯氨酸的合成與積累,增強(qiáng)其滲透調(diào)節(jié)能力,提高抗旱性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在輕度干旱脅迫(T1)下,未施加外源鈣的掌葉木(T1-Ca0)葉片脯氨酸含量為[X]μg/g,施加5mmol/L外源鈣(T1-Ca1)后,脯氨酸含量增加至[X]μg/g,當(dāng)外源鈣濃度增加到10mmol/L(T1-Ca2)時(shí),脯氨酸含量進(jìn)一步提高至[X]μg/g。在重度干旱脅迫(T2)下,T2-Ca0處理的脯氨酸含量為[X]μg/g,而T2-Ca1和T2-Ca2處理的脯氨酸含量分別達(dá)到了[X]μg/g和[X]μg/g。外源鈣調(diào)節(jié)脯氨酸合成與積累的機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面。首先,外源鈣通過(guò)激活脯氨酸合成相關(guān)的酶,促進(jìn)脯氨酸的合成。在干旱脅迫下,植物體內(nèi)的脯氨酸合成主要通過(guò)谷氨酸途徑和鳥(niǎo)氨酸途徑進(jìn)行。外源鈣可以提高這兩條途徑中關(guān)鍵酶的活性,如Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和鳥(niǎo)氨酸轉(zhuǎn)氨酶(OAT)等。研究表明,外源鈣處理能夠顯著增加掌葉木葉片中P5CS和OAT的活性,使谷氨酸和鳥(niǎo)氨酸等底物更多地轉(zhuǎn)化為脯氨酸,從而促進(jìn)脯氨酸的合成。其次,外源鈣可能通過(guò)調(diào)節(jié)脯氨酸合成相關(guān)基因的表達(dá),來(lái)影響脯氨酸的合成。在干旱脅迫下,外源鈣可以誘導(dǎo)脯氨酸合成相關(guān)基因如P5CS1、P5CS2等的表達(dá)上調(diào),使這些基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生更多的mRNA,進(jìn)而翻譯合成更多的P5CS酶,促進(jìn)脯氨酸的合成。此外,外源鈣還可以抑制脯氨酸的氧化分解,減少脯氨酸的消耗,從而促進(jìn)脯氨酸的積累。在正常情況下,植物體內(nèi)的脯氨酸會(huì)通過(guò)脯氨酸脫氫酶(ProDH)的作用被氧化分解。而在干旱脅迫下,外源鈣可以抑制ProDH的活性,使脯氨酸的氧化分解受阻,從而導(dǎo)致脯氨酸在體內(nèi)積累。研究發(fā)現(xiàn),外源鈣處理能夠顯著降低掌葉木葉片中ProDH的活性,減少脯氨酸的氧化分解,促進(jìn)脯氨酸的積累。4.3.2影響可溶性糖含量外源鈣對(duì)干旱脅迫下掌葉木可溶性糖含量的影響顯著,能夠有效調(diào)節(jié)其滲透調(diào)節(jié)能力,增強(qiáng)抗旱性。在輕度干旱脅迫(T1)下,未施加外源鈣的掌葉木(T1-Ca0)葉片可溶性糖含量為[X]mg/g,施加5mmol/L外源鈣(T1-Ca1)后,可溶性糖含量提高至[X]mg/g,當(dāng)外源鈣濃度增加到10mmol/L(T1-Ca2)時(shí),可溶性糖含量進(jìn)一步上升至[X]mg/g。在重度干旱脅迫(T2)下,T2-Ca0處理的可溶性糖含量為[X]mg/g,而T2-Ca1和T2-Ca2處理的可溶性糖含量分別達(dá)到了[X]mg/g和[X]mg/g。外源鈣影響可溶性糖含量的作用機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一方面,外源鈣能夠促進(jìn)光合作用,增加光合產(chǎn)物的積累,為可溶性糖的合成提供更多的底物。在干旱脅迫下,外源鈣通過(guò)維持光合機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能,提高光合速率,使植物能夠固定更多的二氧化碳,合成更多的碳水化合物。這些碳水化合物在體內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列的代謝轉(zhuǎn)化,最終形成可溶性糖,從而增加了可溶性糖的含量。例如,外源鈣可以穩(wěn)定葉綠體的膜結(jié)構(gòu),保護(hù)光合色素和光合酶的活性,維持光合電子傳遞的正常進(jìn)行,提高光合碳同化效率,促進(jìn)光合產(chǎn)物的合成和積累。另一方面,外源鈣可能通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的糖代謝途徑,影響可溶性糖的合成和分解。在干旱脅迫下,外源鈣可以促進(jìn)蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)等參與可溶性糖合成的關(guān)鍵酶的活性,使更多的葡萄糖和果糖合成蔗糖等可溶性糖。同時(shí),外源鈣還可以抑制淀粉酶等參與可溶性糖分解的酶的活性,減少可溶性糖的分解,從而增加可溶性糖的含量。此外,外源鈣還可能通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的激素平衡,影響可溶性糖的積累。脫落酸(ABA)是一種重要的植物激素,在干旱脅迫下,植物體內(nèi)ABA含量增加。研究發(fā)現(xiàn),外源鈣可以提高植物對(duì)ABA的敏感性,增強(qiáng)ABA對(duì)糖代謝的調(diào)節(jié)作用,促進(jìn)可溶性糖的積累。同時(shí),外源鈣還可以調(diào)節(jié)其他激素如生長(zhǎng)素(IAA)、赤霉素(GA)等的含量和分布,協(xié)調(diào)植物的生長(zhǎng)發(fā)育與糖代謝過(guò)程,增加可溶性糖的含量。4.4對(duì)抗氧化系統(tǒng)的強(qiáng)化作用4.4.1增強(qiáng)抗氧化酶活性在干旱脅迫下,外源鈣能夠顯著增強(qiáng)掌葉木的抗氧化酶活性,從而有效清除細(xì)胞內(nèi)過(guò)量積累的活性氧(ROS),減輕氧化脅迫對(duì)細(xì)胞的損傷。在輕度干旱脅迫(T1)下,未施加外源鈣的掌葉木(T1-Ca0)超氧化物歧化酶(SOD)活性為[X]U/g,過(guò)氧化物酶(POD)活性為[X]U/g,過(guò)氧化氫酶(CAT)活性為[X]U/g。而噴施5mmol/L外源鈣(T1-Ca1)后,SOD活性提高至[X]U/g,POD活性增加到[X]U/g,CAT活性上升至[X]U/g。當(dāng)外源鈣濃度增加到10mmol/L(T1-Ca2)時(shí),SOD活性進(jìn)一步提升至[X]U/g,POD活性達(dá)到[X]U/g,CAT活性達(dá)到[X]U/g。在重度干旱脅迫(T2)下,外源鈣對(duì)抗氧化酶活性的增強(qiáng)作用更為顯著。T2-Ca0處理的SOD活性僅為[X]U/g,POD活性為[X]U/g,CAT活性為[X]U/g。而T2-Ca1和T2-Ca2處理的SOD活性分別提高到了[X]U/g和[X]U/g,POD活性分別增加到[X]U/g和[X]U/g,CAT活性分別上升至[X]U/g和[X]U/g。外源鈣增強(qiáng)抗氧化酶活性的信號(hào)傳導(dǎo)途徑主要包括以下幾個(gè)方面。首先,外源鈣作為一種重要的信號(hào)分子,能夠激活植物細(xì)胞內(nèi)的鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。當(dāng)植物感受到干旱脅迫時(shí),細(xì)胞外的鈣離子會(huì)通過(guò)鈣離子通道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度瞬間升高。這種鈣離子濃度的變化被細(xì)胞內(nèi)的鈣結(jié)合蛋白感知,如鈣調(diào)蛋白(CaM)、鈣依賴蛋白激酶(CDPK)等。CaM是一種廣泛存在于植物細(xì)胞中的鈣結(jié)合蛋白,它可以與鈣離子結(jié)合形成Ca2?-CaM復(fù)合物,該復(fù)合物能夠激活一系列下游的靶蛋白和酶,包括抗氧化酶基因的轉(zhuǎn)錄因子。研究表明,在干旱脅迫下,外源鈣處理能夠增加掌葉木細(xì)胞內(nèi)CaM的含量,提高Ca2?-CaM復(fù)合物的活性,進(jìn)而激活抗氧化酶基因的表達(dá),如SOD、POD和CAT等基因,使這些抗氧化酶的合成增加,活性提高。其次,外源鈣可能通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的激素平衡,間接影響抗氧化酶活性。脫落酸(ABA)是一種重要的植物激素,在植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。干旱脅迫下,植物體內(nèi)ABA含量增加,ABA可以通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,調(diào)節(jié)抗氧化酶基因的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn),外源鈣可以提高植物對(duì)ABA的敏感性,增強(qiáng)ABA誘導(dǎo)抗氧化酶基因表達(dá)的作用。例如,外源鈣處理能夠增加掌葉木細(xì)胞內(nèi)ABA受體的數(shù)量或活性,使細(xì)胞對(duì)ABA的信號(hào)響應(yīng)更加靈敏,從而促進(jìn)ABA信號(hào)通路中相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子與抗氧化酶基因啟動(dòng)子區(qū)域的結(jié)合,激活抗氧化酶基因的轉(zhuǎn)錄,提高抗氧化酶活性。此外,外源鈣還可能通過(guò)調(diào)節(jié)其他激素如生長(zhǎng)素(IAA)、赤霉素(GA)等的含量和分布,影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和抗氧化防御系統(tǒng),間接增強(qiáng)抗氧化酶活性。最后,外源鈣還可能通過(guò)調(diào)節(jié)抗氧化酶的翻譯后修飾,影響其活性。在植物體內(nèi),抗氧化酶的活性不僅受到基因表達(dá)水平的調(diào)控,還受到翻譯后修飾的影響,如磷酸化、泛素化等。研究表明,外源鈣可以影響抗氧化酶的磷酸化水平,從而調(diào)節(jié)其活性。在干旱脅迫下,外源鈣處理能夠激活細(xì)胞內(nèi)的蛋白激酶,使抗氧化酶發(fā)生磷酸化修飾,改變其活性中心的結(jié)構(gòu)和功能,提高抗氧化酶的活性。同時(shí),外源鈣還可能通過(guò)抑制抗氧化酶的泛素化降解,延長(zhǎng)其半衰期,增加抗氧化酶的含量,從而增強(qiáng)抗氧化酶活性。4.4.2降低丙二醛含量在干旱脅迫下,外源鈣能夠顯著降低掌葉木葉片中的丙二醛(MDA)含量,有效減輕膜脂過(guò)氧化程度,保護(hù)細(xì)胞膜的完整性和功能。在輕度干旱脅迫(T1)下,未施加外源鈣的掌葉木(T1-Ca0)葉片MDA含量為[X]μmol/g,施加5mmol/L外源鈣(T1-Ca1)后,MDA含量降低至[X]μmol/g,當(dāng)外源鈣濃度增加到10mmol/L(T1-Ca2)時(shí),MDA含量進(jìn)一步下降至[X]μmol/g。在重度干旱脅迫(T2)下,T2-Ca0處理的MDA含量為[X]μmol/g,而T2-Ca1和T2-Ca2處理的MDA含量分別降低到了[X]μmol/g和[X]μmol/g。外源鈣降低MDA含量,減輕膜脂過(guò)氧化的作用機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面。首先,外源鈣能夠增強(qiáng)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,減少活性氧(ROS)對(duì)細(xì)胞膜的攻擊。鈣是細(xì)胞膜的重要組成成分,它可以與細(xì)胞膜上的磷脂分子結(jié)合,形成穩(wěn)定的鈣磷脂結(jié)構(gòu),增加細(xì)胞膜的流動(dòng)性和穩(wěn)定性,降低細(xì)胞膜的透性。在干旱脅迫下,外源鈣處理能夠使掌葉木細(xì)胞膜的磷脂雙分子層排列更加緊密,減少膜脂的過(guò)氧化位點(diǎn),從而降低ROS對(duì)細(xì)胞膜的氧化損傷,減少M(fèi)DA的產(chǎn)生。研究表明,外源鈣處理能夠顯著降低掌葉木葉片細(xì)胞膜的相對(duì)電導(dǎo)率,表明細(xì)胞膜的完整性得到了更好的保護(hù),膜脂過(guò)氧化程度減輕。其次,外源鈣通過(guò)增強(qiáng)抗氧化酶活性,有效清除細(xì)胞內(nèi)的ROS,減少膜脂過(guò)氧化的引發(fā)劑。如前文所述,外源鈣能夠激活鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,調(diào)節(jié)植物激素平衡,以及影響抗氧化酶的翻譯后修飾,從而顯著提高SOD、POD和CAT等抗氧化酶的活性。這些抗氧化酶能夠協(xié)同作用,及時(shí)清除細(xì)胞內(nèi)積累的超氧陰離子(O_2^-)、過(guò)氧化氫(H_2O_2)等ROS,阻止ROS引發(fā)的膜脂過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng),減少M(fèi)DA的生成。例如,SOD可以將超氧陰離子歧化為過(guò)氧化氫和氧氣,POD和CAT則可以將過(guò)氧化氫分解為水和氧氣,從而有效降低細(xì)胞內(nèi)ROS的濃度,減輕膜脂過(guò)氧化程度。此外,外源鈣還可能通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的抗氧化物質(zhì)含量,增強(qiáng)植物的抗氧化能力,減少膜脂過(guò)氧化。除了抗氧化酶系統(tǒng)外,植物體內(nèi)還存在一些非酶抗氧化物質(zhì),如抗壞血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)等,它們?cè)谇宄齊OS、減輕氧化脅迫方面也發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn),外源鈣處理能夠增加掌葉木葉片中AsA和GSH的含量,提高AsA-GSH循環(huán)中相關(guān)酶的活性,如抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)等。這些酶能夠利用AsA和GSH作為底物,將過(guò)氧化氫還原為水,同時(shí)再生AsA和GSH,維持細(xì)胞內(nèi)抗氧化物質(zhì)的水平,增強(qiáng)植物的抗氧化能力,減少膜脂過(guò)氧化,從而降低MDA含量。五、外源鈣緩解掌葉木干旱脅迫的作用機(jī)制5.1鈣信號(hào)傳導(dǎo)途徑在干旱脅迫下,掌葉木細(xì)胞能夠感知外界環(huán)境中的水分虧缺信號(hào),進(jìn)而引發(fā)一系列復(fù)雜的生理生化反應(yīng),以適應(yīng)干旱環(huán)境。鈣信號(hào)傳導(dǎo)途徑在這一過(guò)程中起著關(guān)鍵作用,它作為細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),能夠?qū)⒏珊得{迫信號(hào)從細(xì)胞表面?zhèn)鬟f到細(xì)胞內(nèi)部,調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá),從而使植物做出相應(yīng)的生理響應(yīng)。當(dāng)掌葉木感受到干旱脅迫時(shí),首先會(huì)激活細(xì)胞表面的受體,這些受體可以是離子通道、蛋白激酶等。受體被激活后,會(huì)引起細(xì)胞膜上鈣離子通道的開(kāi)放,導(dǎo)致細(xì)胞外的鈣離子(Ca2?)迅速進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),使胞質(zhì)中Ca2?濃度瞬間升高。研究表明,在干旱脅迫初期,掌葉木細(xì)胞內(nèi)的Ca2?濃度可在短時(shí)間內(nèi)升高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。這種Ca2?濃度的變化作為一種重要的信號(hào),被細(xì)胞內(nèi)的鈣結(jié)合蛋白所感知。鈣調(diào)蛋白(CaM)是一種廣泛存在于植物細(xì)胞中的鈣結(jié)合蛋白,它在鈣信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中發(fā)揮著核心作用。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2?濃度升高時(shí),Ca2?會(huì)與CaM結(jié)合,形成Ca2?-CaM復(fù)合物。Ca2?-CaM復(fù)合物具有高度的活性,能夠與多種靶蛋白相互作用,激活一系列下游的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。在掌葉木中,Ca2?-CaM復(fù)合物可以激活蛋白激酶,如鈣依賴蛋白激酶(CDPK)。CDPK是一類Ser/Thr蛋白激酶,它含有一個(gè)與CaM相似的結(jié)構(gòu)域,能夠直接與Ca2?結(jié)合并被激活。激活后的CDPK可以磷酸化下游的靶蛋白,如轉(zhuǎn)錄因子、離子通道蛋白等,從而調(diào)節(jié)基因的表達(dá)和離子的跨膜運(yùn)輸。研究發(fā)現(xiàn),在干旱脅迫下,掌葉木中一些與抗旱相關(guān)的基因表達(dá)受到鈣信號(hào)的調(diào)控。例如,一些編碼滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成酶的基因,如脯氨酸合成酶基因(P5CS)、蔗糖合成酶基因(SS)等,其表達(dá)水平在干旱脅迫下會(huì)被鈣信號(hào)誘導(dǎo)上調(diào)。這是因?yàn)镃a2?-CaM復(fù)合物激活的CDPK可以磷酸化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子,使其與這些基因的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合,從而促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。這些基因表達(dá)的上調(diào),會(huì)導(dǎo)致脯氨酸、蔗糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成增加,從而提高掌葉木的滲透調(diào)節(jié)能力,增強(qiáng)其抗旱性。此外,鈣信號(hào)還可以調(diào)節(jié)掌葉木中抗氧化酶基因的表達(dá)。在干旱脅迫下,掌葉木細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧(ROS),如超氧陰離子(O_2^-)、過(guò)氧化氫(H_2O_2)等。這些ROS會(huì)對(duì)細(xì)胞造成氧化損傷,而抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)等可以清除ROS,保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷。研究表明,鈣信號(hào)可以通過(guò)Ca2?-CaM復(fù)合物激活相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子,與SOD、POD、CAT等抗氧化酶基因的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合,促進(jìn)這些基因的表達(dá),從而提高抗氧化酶的活性,增強(qiáng)掌葉木的抗氧化能力。除了CaM和CDPK,植物細(xì)胞中還存在其他的鈣信號(hào)感受器和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。例如,類鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶B亞基蛋白(CBL)和CBL相互作用蛋白激酶(CIPK)組成的CBL-CIPK信號(hào)系統(tǒng),也是植物響應(yīng)逆境脅迫的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之一。在掌葉木中,CBL-CIPK信號(hào)系統(tǒng)可能也參與了對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞感受到干旱脅迫時(shí),CBL蛋白會(huì)與Ca2?結(jié)合,發(fā)生構(gòu)象變化,然后與CIPK蛋白相互作用,激活CIPK的激酶活性。激活后的CIPK可以磷酸化下游的靶蛋白,如離子通道蛋白、轉(zhuǎn)錄因子等,從而調(diào)節(jié)離子的跨膜運(yùn)輸和基因的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn),在一些植物中,CBL-CIPK信號(hào)系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)氣孔的開(kāi)閉,通過(guò)調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞中的離子平衡,影響氣孔的運(yùn)動(dòng),從而減少水分的散失,提高植物的抗旱性。在掌葉木中,CBL-CIPK信號(hào)系統(tǒng)是否也通過(guò)類似的機(jī)制調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)閉,還需要進(jìn)一步的研究。5.2對(duì)細(xì)胞膜穩(wěn)定性的保護(hù)在干旱脅迫下,細(xì)胞膜作為細(xì)胞與外界環(huán)境的屏障,其穩(wěn)定性對(duì)細(xì)胞的正常功能和植物的生存至關(guān)重要。外源鈣在維持掌葉木細(xì)胞膜穩(wěn)定性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,主要通過(guò)以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。首先,外源鈣可以與細(xì)胞膜上的磷脂分子結(jié)合,形成穩(wěn)定的鈣磷脂結(jié)構(gòu)。細(xì)胞膜主要由磷脂雙分子層和鑲嵌其中的蛋白質(zhì)組成,在干旱脅迫下,細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能容易受到破壞,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)滲漏,代謝紊亂。鈣作為二價(jià)陽(yáng)離子,能夠與磷脂分子的極性頭部結(jié)合,增強(qiáng)磷脂分子之間的相互作用,使細(xì)胞膜的磷脂雙分子層排列更加緊密,從而增加細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。研究表明,在干旱脅迫下,外源鈣處理能夠顯著降低掌葉木葉片細(xì)胞膜的相對(duì)電導(dǎo)率,表明細(xì)胞膜的完整性得到了更好的保護(hù),細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的滲漏減少。這是因?yàn)殁}與磷脂分子結(jié)合后,形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),降低了細(xì)胞膜的透性,阻止了細(xì)胞內(nèi)離子和小分子物質(zhì)的外流。其次,外源鈣能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞膜上離子通道的開(kāi)閉,維持細(xì)胞膜的離子平衡。在干旱脅迫下,細(xì)胞膜上的離子通道功能會(huì)受到影響,導(dǎo)致離子失衡,進(jìn)一步破壞細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。鈣可以與離子通道蛋白相互作用,調(diào)節(jié)離子通道的活性,使細(xì)胞膜能夠維持正常的離子運(yùn)輸和平衡。例如,鈣可以調(diào)節(jié)鉀離子通道的開(kāi)閉,促進(jìn)鉀離子的吸收和積累,維持細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度。鉀離子在細(xì)胞內(nèi)具有重要的生理功能,它參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢(shì)、維持細(xì)胞膜的電位差以及激活多種酶的活性等。通過(guò)維持細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度,外源鈣有助于保持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,保證細(xì)胞的正常生理功能。此外,外源鈣還可以通過(guò)增強(qiáng)抗氧化酶活性,減少活性氧(ROS)對(duì)細(xì)胞膜的氧化損傷,從而保護(hù)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。如前文所述,在干旱脅迫下,植物細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的ROS,這些ROS具有很強(qiáng)的氧化活性,會(huì)攻擊細(xì)胞膜上的不飽和脂肪酸,導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化,使細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能受到破壞。外源鈣能夠激活鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,調(diào)節(jié)植物激素平衡,以及影響抗氧化酶的翻譯后修飾,從而顯著提高超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶的活性。這些抗氧化酶能夠協(xié)同作用,及時(shí)清除細(xì)胞內(nèi)積累的ROS,阻止ROS引發(fā)的膜脂過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng),減少丙二醛(MDA)等膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物的生成,從而保護(hù)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。研究表明,外源鈣處理能夠顯著降低掌葉木葉片中的MDA含量,表明膜脂過(guò)氧化程度減輕,細(xì)胞膜的穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)。5.3對(duì)植物激素平衡的調(diào)節(jié)植物激素在植物生長(zhǎng)發(fā)

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