荒漠化地区降水量少、分布不均匀，植物可利用的水分非常少，加之近年来全球变暖导致干旱、高温等现象的发生频率增加，干旱对荒漠化地区植物个体生长、发育的影响愈发明显^[1]。干旱情况下土壤水分严重亏缺，尤其是荒漠化地区由于高温等蒸发强烈，因此土壤有效含水量非常低，进而直接或间接导致荒漠地区植物的光合作用效率低，植物细胞代谢发生紊乱并产生一系列生理生化反应，对植物的正常发育造成严重影响^[2]。荒漠植物为了适应这种生存环境，经过长期的自然选择和协同进化，在生理生化、形态结构等方面形成了很多对水分亏缺的响应机制和适应策略，以在严酷的自然条件下维持正常生长。鉴于气候干旱、水分亏缺对荒漠植物生长的严重制约开展荒漠植物在干旱胁迫下的控制试验，掌握干旱胁迫下植物叶片水分含量及酶活性、渗透调节物质等生理生化指标的响应特征，对全面掌握荒漠植物的抗旱机制，筛选和培养优良抗旱植物，促进生态环境建设可持续发展具有重要意义。

梭梭(Haloxylon ammodendron)是我国西北干旱荒漠区广泛分布的耐旱先锋植物，在生态保护和防风固沙方面起到极其重要的作用。目前关于干旱胁迫下梭梭生理生化方面的研究已有报道，杨司睿等^[3]研究表明，干旱胁迫下梭梭采用升高叶片内脱落酸(abscisic acid, ABA)含量的方式，减少水分散失的同时使自身生长速度减缓，以提高在逆境中的生存能力；也有研究^[4-6]通过测定不同干旱条件下梭梭的光能利用效率、气孔大小等生理指标，指出植物主要是通过关闭部分气孔来避免出现光抑制，进而提高光能利用率；赵长明等^[7]对典型荒漠植物梭梭、白刺(Nitraria spinosa)的叶绿素荧光参数和气体交换特征的日变化过程开展研究，结果表明白刺的叶绿素荧光参数和气体交换特征为其适应荒漠地区的环境提供了更好的条件。已有研究对开展干旱胁迫条件下梭梭的生理生化指标研究提供了良好的基础，但对土壤自然干旱过程中梭梭叶片水分特征、抗氧化酶活性及渗透调节物质变化特征的综合研究不够深入。此外，干旱胁迫下，梭梭生理生化指标的变化过程、对土壤水分的响应机制等问题尚不清楚。

因此，本研究参考吴芹等^[8]研究方法，以盆栽梭梭苗为试验材料，开展土壤自然干旱处理试验，在多级自然干旱梯度条件下，测定梭梭在土壤自然干旱过程中生理指标的变化特征，以期揭示其生理生化指标对土壤水分的响应过程，为掌握荒漠植物的抗旱机制和种质创新提供生理学依据。

1.   材料与方法

1.1   试验材料及设计

试验于2020年5月－8月在甘肃省治沙研究所荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地的苗圃地开展。以民勤地区的梭梭为研究对象，5月底选择大小基本一致、生长良好的二年生实生苗60株，移栽至花盆，为尽可能还原植物自然条件下的土壤环境，选择民勤治沙综合试验站梭梭实生苗生长地区的纯沙土为栽培基质，移栽后第1次充分浇透水，后期采取常规管理。沙土理化性质为全钾含量2.18%，全磷含量0.028%，全氮含量0.009%，全盐含量1.003%，有机质占含量0.314%；土壤中黏粒占1.639%，粉粒占4.239%，细砂粒占45.849%，粗砂粒占48.271% ^[9]。苗木经过2个月的适应期，于7月31日将所有花盆移入遮雨棚中，遮雨棚高2.5 m，上部覆盖透明聚乙烯材料，刚移入后浇一次透水，然后选择30盆开始断水，进行干旱控水试验，另外30盆作为对照(CK)正常浇水管理。此外，选取长势相近的5盆苗木挂标记牌，埋设EM50水分探头每隔1 h测定土壤温度及土壤含水率(体积含水率)。试验共进行30 d (30 d后植物叶片干枯)，每隔6 d于08:00－09:00用软毛刷和洗耳球冲刷叶片表面灰尘后进行植物叶片取样，取样后立即带回实验室，包入锡箔纸并做好标记后用液氮速冻，之后放入−80 ℃冰箱保存，备于含水量、电导率测定和其他生理指标分析。

1.2   测定项目与方法

植物叶片相对含水量(relative water content, RWC)、相对水分亏缺(relative water deficit, RWD)指标采用常规烘干法测定^[10]。

RWC = (叶鲜重 − 叶干重)/(叶饱和重 − 叶干重) × 100%；

RWD = (叶饱和重 − 叶鲜重)/(叶饱和重 − 叶干重) × 100%。

过氧化氢酶 (catalase, CAT) 活性采用高锰酸钾滴定法测定，过氧化物酶 (peroxidase, POD) 活性采用愈创木酚法测定，超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase, SOD) 活性采用氮蓝四措光还原法测定^[11]；相对电导率 (relative conductivity, REC)采用CD400电导率仪测定，可溶性糖(soluble sugar, SS)含量采用蒽酮比色法测定，丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定，脯氨酸(proline, Pro)含量采用茚三酮染色法测定，可溶性蛋白(soluble protein, SP)含量采用考马斯亮蓝G-250法测定^[10]。

1.3   数据处理

采用SPSS 19.0软件进行实验数据处理、ANOVA单因素(one-way ANOVA)方差分析、Duncan多重比较(α = 0.05)及作图，数据用平均值 ± 标准误表示。

2.   结果与分析

2.1   试验期间土壤含水率变化特征

CK处理期间土壤含水率稳定，而干旱处理期间土壤含水率变化很大，主要表现为随着处理天数的增加而逐渐降低，尤其是在处理0～18 d降低幅度较大，处理24～30 d仍在下降，但降幅较小，逐渐趋于平稳；与0 d相比，处理30 d时土壤含水率降低幅度达83.55% (表1)。

表  1  土壤含水率变化过程

Table  1.  Changes in soil moisture %

组别 Group	试验天数 Number of days experiment conducted/d
	0	6	12	18	24	30
对照组(CK) Control group	19.68	18.95	19.95	19.49	18.77	19.51
干旱组 Drought group	19.33	15.25	8.04	5.05	3.49	3.18

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2.2   自然干旱对梭梭叶片水分的影响

RWC随干旱天数增加而逐渐降低(图1)，除0 d外，其他处理天数时干旱组均显著低于CK组(P < 0.05)；干旱处理组，处理0～30 d RWC降低幅度约为26%，其中处理0～6 d，RWC降低趋势较为明显，处理12～24 d变化较为稳定，30 d时降至最低，为40.37%。自然干旱过程中，梭梭叶片RWD随干旱天数增加而缓慢增大，除0 d外，其他处理天数时干旱组均显著高于CK组(P < 0.05)。

图  1  梭梭叶片相对水分亏缺和相对含水量在自然干旱过程中的变化

不同字母表示差异显著(P < 0.05)，下同。

Figure  1.  Changes in the leaf relative water content and leaf relative water deficit in Haloxylon ammodendron during natural drought

Different letters indicate significant difference at the 0.05 level. This is applicable for the following figures and tables as well.

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2.3   自然干旱对梭梭幼苗保护酶活性的影响

自然干旱过程中梭梭氧化酶系统变化情况如图2所示，控水初期， CAT变化较为稳定，处理0～12 d干旱组与CK组间均无显著差异(P > 0.05)，随着土壤水分的持续降低，处理18～30 d干旱组均显著高于CK组(P < 0.05)，处理18 d时已经上升至较高水平，说明此时已经对植物细胞造成了损伤；POD随处理天数增加呈缓慢升高的趋势，除0 d外，其他处理天数干旱组均显著高于CK组(P < 0.05)；SOD随处理天数增加而波动式升高，30 d时达到峰值，除0 d处理外，6～30 d干旱组均显著高于CK组(P < 0.05)。

图  2  自然干旱过程中梭梭的抗氧化酶活性变化特征

Figure  2.  Changes in the antioxidant activity of enzymes of Haloxylon ammodendron during natural drought

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2.4   对细胞质膜透性和丙二醛含量的影响

梭梭REC随干旱天数增加而逐渐升高(图3)，30 d时达到峰值，处理6～18 d变化稳定，各处理天数间差异不显著(P > 0.05)，处理24～30 d干旱组均显著高于CK组(P < 0.05)，30 d时急剧增大，说明持续土壤水分降低已对梭梭细胞膜造成很大伤害；MDA含量对土壤水分变化较为敏感，自然干旱处理期间梭梭MDA含量呈波动式升高趋势，处理6 d时干旱组显著高于CK组(P < 0.05)，处理12 d时干旱组与CK组间差异不显著(P > 0.05)，这可能是植物体逐渐适应土壤干旱的阶段，之后随着土壤水分持续降低，梭梭MDA含量迅速升高，干旱组均显著高于CK组 (P < 0.05)，说明持续土壤水分降低造成梭梭MDA大量积累，已经对植物细胞造成损伤。

图  3  自然干旱过程中梭梭叶片相对电导率和丙二醛变化特征

Figure  3.  Changes in the relative conductivity and malondialdehyde in the leaves of Haloxylon ammodendron during drought stress

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2.5   对细胞渗透调节物质的影响

梭梭SS含量随自然干旱处理天数增加而逐渐升高，12 d时显著增加，12～30 d间均与CK组存在显著差异(P < 0.05)，30 d时达到峰值(图4)。自然干旱期间SP含量变化趋势较为平缓，30 d时急剧增加，0～24 d之间以及与CK组间均差异不显著(P > 0.05)，说明植物细胞中SPC对土壤干旱的敏感性较差。Pro含量随干旱天数增加呈先升高后降低的趋势，24 d时Pro含量达到峰值，处理6～30 d与CK组间均存在显著差异(P < 0.05)。

图  4  自然干旱过程中梭梭叶片渗透调节物质变化

Figure  4.  Changes in osmotic adjustment substances in the leaves of Haloxylon ammodendron during drought stress

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3.   讨论

非生物因素胁迫对植物生长发育产生极大地抑制并显著影响其生理过程，叶片的水分含量变化是植物在受到胁迫时的最初最直接的体现^[11]。研究认为，植物叶片的RWD和RWC是植物体内生理功能旺盛的重要特征，RWD和RWC的值越大，说明植物对干旱的适应能力越强^[12]。本研究中梭梭叶片RWC随土壤水分减少而持续降低，控水0～24 d时变化较为稳定，30 d时显著降低，说明干旱处理初期梭梭具有较高的水分利用效率，在土壤含水率较低的情况下植物体仍然能够调节自身体内的水分平衡。

逆境胁迫下植物体内会产生并积累有伤害性的氧自由基(reactive oxygen species，ROS)，导致膜脂过氧化，而CAT 、POD 和SOD 等抗氧化酶体系具有清除活性氧自由基的作用，SOD可通过歧化作用清除O²⁻·，将其转化为H₂O₂和O₂，减轻植物体的受伤害程度^[13]；但歧化作用产生的H₂O₂在植物体内积累之后会形成引起膜脂过氧化的·OH，而CAT和POD均有清除H₂O₂的能力，POD对H₂O₂有较高的亲和力，具有参与叶绿素的降解并引发膜脂过氧化的作用^[14]，以上物质在维持植物体内自由基代谢平衡及提高植物对逆境的耐受力方面至关重要。自然干旱过程中，梭梭 CAT、SOD均处于逐渐升高的状态，说明植物体具有主动进行生理调节以适应干旱胁迫的特点；干旱处理30 d时CAT、SOD两种酶含量均达到峰值，说明此时植物体内这两种酶都具有较高的生理活性，这充分体现了抗氧化酶活性减轻植物细胞伤害的适应性反应；干旱处理18 d时POD达到峰值，说明土壤水分降低后期CAT、SOD发挥了更大的作用，而POD在干旱处理早期发挥的作用较大。

细胞膜是防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，能保证细胞内环境的相对稳定^[15]，通过REC和MDA的变化可了解逆境条件下植物细胞膜的破坏程度及对逆境反应能力的强弱^[16]。REC是反映植物细胞膜状况的一个重要生理指标，植物的膜蛋白在逆境条件下易受损伤，膜蛋白受损后会引起胞液外渗，进而导致电导率增大。本研究中梭梭REC随干旱天数增加而缓慢升高， 0～24 d变化幅度最小，表明植物REC对较高的土壤含水率敏感性较差，干旱30 d时剧烈升高，此时其细胞膜已经受到了极大的损伤。干旱过程中MDA含量总体呈波动式升高趋势，处理12 d时变化幅度较小，这可能是植物体逐渐适应土壤干旱的阶段，由于梭梭体内的某些保护酶活性增强，对其生理机能起到暂时性的调节与修复作用，从而减小对其细胞膜完整性的破坏，在土壤干旱过程中表现出较强的耐受性，处理后期MDA大量积累，对植物细胞已造成损伤。

渗透调节也是植物适应干旱环境的一种重要生理机制，即植物体通过SS、SP及Pro的积累降低细胞原生质的渗透势，促使细胞从外界吸收水分，使植物体保持一定的含水量和膨压，减轻逆境胁迫对自身的伤害，增强其抗旱能力^{[13, 17]}。本研究中梭梭具有通过渗透调节适应和抵御逆境胁迫的能力，干旱0～24 d时SS和SP变化较为稳定，30 d时大量积累，说明梭梭体内这两种渗透调节物质对干旱的敏感性较差；干旱处理12～18 d时大量积累，说明在抵御干旱逆境时，梭梭体内Pro比SS和SP发挥着更大的渗透调节作用，同时也说明Pro可能是梭梭应对干旱逆境的主导性渗透调节物质；这与吴芹等在沙棘(Hippophae rhamnoides) 和油松(Pinus tabuliformis)^[8]以及黑果枸杞(Lycium ruthenicum)、柠条(Caragana korshinskii) 和花棒(Hedysarum scoparium)中^[18]的研究结果一致。

4.   结论

本研究结果表明在土壤自然干旱过程中，荒漠植物梭梭的幼苗主要通过叶片累积渗透物质的方式来维持细胞膨压、增加抗氧化酶活性，进而减轻或延缓细胞膜的伤害，增强对土壤干旱的适应能力，保证自身生理代谢活动的正常进行。但在具体的野外造林过程中，应将造林地的地形地貌特点、土壤盐碱性以及其他生理指标等(如水分生理、光合作用、光系统Ⅱ荧光参数等)进行综合考虑。

参考文献