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重度干旱对3种桑树生物量及其生理生化影响的机理探索

2022-12-04 来源:钮旅网
西北林学院学报2018,33(4):44—51 Journal of Northwest Forestry University doi:10.3969/j.issn.1001—7461.2018.04.07 重度干旱对3种桑树生物量及其生理生化影响的机理探索 郑俊明 ,吕志强 ,孙志鸿 (1.浙江农林大学林业与生物技术学院,浙江l临安311300;2.浙江省农科院蚕桑研究所,浙江杭州310021) 摘 要:为探究桑(Morus alba)树在重度干旱下的生理生化响应和适应能力,以农桑14号、农桑12 号和强桑1号1年生盆栽苗为试验材料,采用盆栽称重控水的试验方法,控制3O 田间持水量处 理30 d,模拟重度干旱对3种桑树生长、气体交换和保护酶含量的影响。结果表明:1)重度干旱导 致3种桑树苗的净光合速率(P )、胞间二氧化碳浓度(Ci)、气孔导度(G。)、蒸腾速率(T )均有显著 下降,水分利用效率(wUE)、气孔限制值(L )均有显著上升。干旱胁迫导致3种桑树高生长速率 显著降低。农桑14号和农桑12号的根干重(R。M)、茎干重(So )、叶干重(LoM)、总干物质量 (T。M)均显著降低,而强桑1号对照与处理组之间无显著差异。农桑14号的超氧化物歧化酶 (SOD)显著下降,过氧化物酶(POD)活性显著上升,强桑1号的丙二醛(MDA)含量显著上升。2) 气孔关闭显著限制了3种桑树的净光合速率,而农桑14号和农桑12号同时存在非气孔因素的限 制。3)农桑14号和农桑12号通过有效的形态调节(基部脱叶)和较强的气孔调节来适应极端干旱 的环境,其水分利用方式更适合在湿润地区种植;强桑1号严格控制着各部分生物量的分配,相比 于农桑14号和农桑12号,强桑1号更适合在干旱地区种植。 关键词:桑树;重度干旱;保护酶;气体交换;生物量 中图分类号:S718.43 文献标志码:A 文章编号:1001—7461(2018)04—0044—08 Severe Drought Stress Mechanism of Biomass and Physiological—biochemical Characteristics in Three Varieties of Morus L. ZHENG Jun—ming ,Lt)Zhi—qiang。。SUN Zhi—hong (1.School of Forestry and Biotechnology,ZhejiangAgriculture and Forestry University,Lin'an,Zhejiang 311300,China 2.SericulturalResearch Institute,ZhejiangAcademy ofAgriculture Sciences,Hangzhou,Zhejiang 310021,China) Abstract:One—year—old potted seedlings of three mulberry varieties of Nongsang No.1 4,Nongsang No.1 2 and Qiangsang No.1 were investigated to estimate the effects of severe drought stress on plants,growth, leaf gas exchange and protective enzyme activity,to explore adaptive mechanisms of Morus L.to water stress.The soil moisture was controlled by weighting the pots.The pots relative soil water content came to the 30 of maximum field capacity of soi1 and kep one—month treatment.The results showed that 1)the drought treatment significantly decreased net photosynthetic rate(P ),stomatal conductance(G ),transpi— ration rate(T )and intercellular CO2 concentration(C。),however it improved water—use efficiency(WUE) and increased limiting value of stomata(L。).The severe drought stress decreased the relative height growth rate(RHG)for all three varieties.Moreover,the root dry mass(RDM),steam dry mass(SDM),leaf dry mass(LDM)and total dry mass(TDM)of Nongsang No.14 and Nongsang No.12 had a significant de— cline,however the decline was not found on Qiangsang No.1.The SOD activity of Nongsang No.1 4 de一 收稿日期:2017-10—31 修回日期:2017-12-23 基金项目:浙江农林大学科研发展基金项目(2014FR087);浙江省科技计划项目(2016C32018);浙江省农业新品种选育重大科技专项 (201 6C02054—17)。 作者简介:郑俊明,男,在读硕士,研究方向:植物逆境生理。E—mail:2390356532@qq.corn *通信作者:孙志鸿,女,教授,研究方向:BVOCs合成与调控。E—mail:sunzh656@163.corn 第4期 郑俊明等:重度干旱对3种桑树生物量及其生理生化影响的机理探索45 creased,while the POD activity of Nongsang No.14 increased.Heavy drought led to a significant higher MDA content in Qiangsang No.1.2)The stomatal limitation decreased the P significantly in three varie— ties of potted Morus L.seedlings,meanwhile the non—stomatal limitation also existed in Nongsang No14 .and Qiangsang No.1.3)Nongsang No.1 4 and Nongsang No.1 2 responded to heavy drought stress by effi— cient morphological adj ustment combined with strong stomatal conductance to control water use efficiencv under the severe drought stress,and this water—using strategy maybe more suitable for cultivating in humid regions.While Qiangsang No.1 water—using strategies were to control the biomass allocation,especially control above ground biomass,compared to Nongsang No.14 and Nongsang No.12,it maybe more suitable for cultivating in arid regions. Key words:Morus L.;severe drought stress;protective enzyme;leaf gas exchange;biomass 人类对自然资源的过度利用,导致全球气象格 局改变,极端干旱发生的频率和强度有着逐年增加 的趋势口],这也意味着陆地植物面临极端干旱的风 险更高了,由于自身的固定性,植物只能通过改变自 身的生理生长状态来适应恶劣环境。大量研究表 明,植物已逐步形成了许多抗旱适应机制,依靠光化 学和生化代谢调控系统来应对不良的环境胁迫。根 据干旱胁迫下植物适应特征的不同和干旱程度上的 差异,气孔限制和非气孔限制(光合机构活性降低) 是致使水分胁迫下光合作用下降的主要原因¨2],并 且一些研究认为轻度干旱胁迫下,光合速率下降主 要由气孔因素引起,而重度干旱胁迫下,非气孔因素 是引起光合速率下降的主要原因[3-43。但也有人提 出气孑L和非气孔因素共同限制了净光合速率的下 降,而利用胞间二氧化碳浓度(intercellular CO concentration,Ci)和气孑L限制值(stomatal limita— tion value,L )来判断光合限制的气孔和非气孑L因 素还未被一致认可。当前的研究多关注于植物对短 期干旱的应急生理生化响应,对干旱适应机制的讨 论还比较少,对重度干旱和极端干旱方面的研究也 大多局限于旱生的荒漠植物,如梭梭树,沙棘,柽柳 等。而在全球气温日益升高,干旱和半干旱区域有 着扩张趋势的背景下,原本水分充裕地区的植物也 会遭受极端干旱,所以对非旱生物种在重度干旱下 能够稳定存活,其形态和用水策略如何调整,光合产 物如何分配,生理响应和生化系统怎样调控等方面 的研究具有一定价值。 桑(Morus alba L.)自古以来就是我国重要的 经济树种,其生命力与环境适应能力很强,从高海拔 的青藏高原到四川盆地,从新疆和田沙漠到滨海地 区,从北部黑龙江省到海南岛均有分布 ]。目前关 于桑树在干旱胁迫下的研究多集中在其保护酶含量 变化,渗透物质积累等生理生化特性的改变,对桑树 在重度干旱环境下生理生态适应机制的研究还比较 少。本试验所选用的农桑14号、农桑12号和强桑 1号均由浙江省农科院蚕桑所杂交选育而成,3个品 种均具有生长势旺、农艺性状优良等特点 ,在浙 江省多地有推广种植。本试验通过人工控制土壤水 分含量模拟重度干旱,使处理组土壤水分保持在 2O ~3O 田间持水量水平30 d,测定光合速率、保 护酶含量和生物量积累等参数以研究3种桑树在重 度干旱下的形态、生理特征和酶系统响应与适应,为 桑树经营种植管理提供技术支持,为抗旱品种选育 提供参考。 1 材料与方法 1.1试验材料 试验于2016春季在浙江农林大学平山智能温 室大棚中进行,该地区属于中亚热带季风气候区,年 降雨量1 628.6 mm,年均气温16.4℃,年日照时数 1 847.3 h。以农桑14号(父母本为:实生桑一号舍 ×北区一号旱),农桑12号(桐乡青舍×北区一号 旱)和强桑1号(桐乡青舍×大种桑旱)为试验材料, 1年生的健康枝条采于浙江省农科院蚕桑所。枝条 于2月下旬扦插于浙江农林大学平山智能温室大棚 基质中,约3个月后,幼苗生长良好,用临安当地表 层黄壤土、发酵牛粪和珍珠岩均匀搅拌成混合土(黄 壤土:发酵牛粪:珍珠岩一32:16:5),选出健康 长势一致的3种桑树幼苗各5O株,农桑14号,农桑 12号和强桑1号的平均高度分别为(87.92±2.80) cm、(76.27±2.48)cm和(46.39±1.94)cm。用混 合土将它们移人花盆中(花盆内径22 cm,高24 cm),每盆约含干土4.4 kg,土壤最大田问持水量 (100 Field Capacity,100 9/6 FC)占干土质量的 46.11 ,土壤pH为7.2。盆栽缓苗2周后开始水 分处理。 1.2试验方法 试验采取双因素完全随机设计:3品种(农桑14 号、农桑12号和强桑1号)×2干旱水平(100 FC、30%FC),共6个处理。100%FC为对照组, 46 西北林学院学报 土壤水分始终保持100 FC;3O FC为处理组。 mass,SDM)、叶干重(1eaf dry mass,LDM)及总干物质 量(total dry mass,T。M)能反映桑树的生长状况,计 算出根冠比(ratio of root dry mass tO overground 对照组和处理组,除了控水外,其他生长条件一致。 试验开始前用室内测定法(环刀法)测定盆栽土壤的 最大田间持水量,以便之后对盆栽苗的含水量控制。 shoot dry mass,RRf,S)的数据能得出生物量分配的 情况,RR/s—RDM/(LDM+5DM)。 1.4数据处理 采用称重补水的方法控制处理组的土壤含水量(桑 树苗的质量忽略不计),于每天17:O0对盆栽苗进行 称重控水。处理组从第1天土壤100 FC开始控 制浇水,自然蒸发和植物叶片蒸腾使处理组的土壤 含水量逐步下降,用称重法控制处理组的土壤含水 采用Excel 2013记录并计算试验数据,用 SPSS 22对数据进行单因素方差分析(one—way, ANOvA),多重比较使用最小显著差数法(1east— significant difference,LSD)。用双因素方差分析 量保持一致,待土壤含水量达到30 FC后,并保持 30 d,然后进行气体交换和生理指标株高以及生物 量的测定,每个处理包括3个重复。 1.3测定指标与方法 1.3.1 气体交换测量采用GFS一3000便携式光 合一荧光测量系统(德国,WALZ)。30 FC处理3O d的盆栽苗于8:00—12:O0在实验室内进行测量。 从每个处理的生物学重复中选取3株,并选取各植 株上部第3、第4完全展开成熟叶叶中部测量。为 了使所有测量的叶片处于正常的状态下进行光合作 用,以代表其光合能力,将仪器的叶面温度统一设定 为28℃,光照强度设定为800/ ̄mol·m ·s ,相 对湿度控制在60 ,CO。浓度控制为(400±5)btmol ·tool~,选取净光合速率(Net photosynthesis rate,P )、气孔导度(Stomatal conductance,G )、蒸 腾速率(Transpiration rate,T )、C.以反映叶片的气 体交换情况,通过计算水分利用效率(water use ef— ficiency,wUE)和L 以研究水分利用及气孔限制 情况,其中,WUE—P /T ],L。===(C 一C。)× 100 /c Ⅲ9],C 为空气中CO 浓度。 1.3.2保护酶和丙二醛含量测定 以植物上部第 3~第5片成熟展开叶为测定对象,进行酶与丙二醛 的测量。测定超氧化物歧化酶(superoxide dis— mutase,SOD),过氧化物酶(peroxidase,POD)活性 来研究桑叶细胞的自由基清除与抗氧化能力,测定 丙二醛(ma1ondia1dehyde,MDA)含量以反映膜脂过 氧化程度。用试剂盒羟胺法(南京建成)测定SoD 活性,用愈创木酚法测定POD活性口 ,用硫代巴比 妥酸法测定MDA含量口 。 1.3.3 生物量测定 试验处理开始前对每盆盆栽 苗的株高进行测量,处理30 d后再次测量株高,幼 苗相对高度生长速率(relative height growth rate, RHG)为处理前后的高度差值除以处理天数(30 d)。待生理生化指标测定完成后,将盆栽苗倒出,去 除扦插时的营养体并保留根系部分,将一株盆栽苗 分为根、茎、叶放7O℃烘箱烘至48 h,称重获得的根 干重(root dry mass,RDM)、茎干重(steam dry (two—way,ANOVA)对品种和干旱的交互作用进行 检验。显著性设置PG0.05,利用SigmaPlot 12.5 软件作图。 2 结果与分析 2.1 干旱胁迫对桑树幼苗生长和生物量的影响 桑树幼苗的RHG在干旱胁迫下均显著下降(P G0.001),3个品种之间的RHG无显著差异(P= 0.175),干旱处理和品种间的交互作用对RHG无 显著差异(P一0.357)(图1)。表1中,与对照相比, 农桑14号和农桑12号在干旱胁迫下的T。M,R。M, SDM和LDM均有显著减少(PG0.01),而强桑1号处 理组与对照组之间各部分的干物质量均无显著差 异。农桑14号的R。M、S。M、L。M和T。M分别减少了 47.7 、46.9 、27.2 和41.5 ,其中R。M降低尤 其明显;农桑12号的R。M、S。 、L。M和T。M分别减少 23.7%、4O.0 、27.82 和32.76 。图1显示,农 桑12号和强桑1号的RR,s都有升高趋势,然而农桑 14号的R 有下降趋势,但是所有的趋势都不显著 (P一0.574)。此外,干旱处理和品种问的交互作用 对L。M、s。M和T。M的减少影响显著(P<0.01),对 RDM和RR/S不显著(P>0.05)。 2.2干旱胁迫对桑树幼苗气体交换特征的影响 桑树幼苗的P 、G。、丁 和C。在干旱胁迫下均显 著下降(PG0.001),L 和wuE均显著上升(PG 0.001)(图2)。表2中,农桑12号受干旱胁迫的影 响最大,P 、G 、Tr和C 分别下降了50.5 、 78.85 、73.9 和22.89 ;强桑1号的P 、G 、T 和c。分别下降了44.0 、75.91 、71.88%和 22.32 ;农桑14号下降的幅度相对较小,分别为 34.0 、58.74 、57.0 和14.04 。双因素方差 分析显示,不同品种之间的P 、G。和T 存在显著 差异(PG0.01),而Ci、L 和wUE在品种间不显著 (P>O.05)。对照组中农桑14号和农桑12号具有 较高的P 、 和T ,强桑1号相对较低;而在处理 组中,除了农桑14号和农桑12号的P 要高于强桑 第4期 郑俊明等:重度干旱对3种桑树生物量及其生理生化影响的机理探索 47 表1 干旱胁迫下桑树盆栽苗生物量的积累与分配(平均值士标准误差) Table 1 The biomass accumulation and allocation of potted Morus Lseedlings under the drought stress(mean41-SE) .注:FC,田间持水量,Pv,品种效应;Pd,干旱效应;PvX d,品种和干旱的交互效应。在每个柱上含有相同的字母代表同一性状的不同处理在P <O.05水平上差异不显著。表2同。 一对照0 5 口干旱 1 0 0.4 O 8 ● 吕 丑0.3 0 2 0.6 褂 0.4 0.1 罂 {唱 0.2 O.0 0.0 农桑l4号农桑l2号强桑1号 农桑t4-3农桑12号强桑1号 注:Pv,品种效应;Pd,干旱效应;Pv×d,品种和干旱的交互效应。 在每个柱上含有相同的字母代表同一性状的不同处理在P<0.05水平上差 异不显著。图2,图3同。 图1干旱胁迫下桑树盆栽苗根冠比(a)和株高增长速率(b)的变化(平均值士标准误差) Fig.1 The RR/S(a)and RHG(b)of potted Morus L.seedlings under the drought stress(mean:J=SE) 表2干旱胁迫下桑树盆栽苗气体交换生理指标(平均值土标准误差) Table 2 The gas exchange of potted Morus L.seedlings under the drought stress(mean+SE) 1号,G。、T 和Ci在品种间均无显著差异。此外,干 活性和MDA含量的差异与品种有关(P variety一 0.0l3,P variety<0.001),而S0D活性在品种之间 没有显著差异(P variety一0.113)。在干旱处理下 农桑14号的酶系统产生了响应,表现为S0D活性 旱处理和品种间的交互作用显著降低了P 和G。 (P一0.022,P一0.025),对T 、Ci、L 和WUE均不 显著(P>0.05)。 2.3干旱胁迫对桑树幼苗SOD活性、POD活性和 显著下降,POD活性显著上升,而强桑1号的细胞 膜透性增加,表现为MDA含量的显著上升。另外, 品种和处理之间的交互作用对叶片中显著降低了 SOD活性,提高了MDA含量(P<0.001和P一 0.046),而对POD活性无显著影响(P一0.515)。 MDA含量的影响 干旱处理显著影响了S0D活性(P dry一 0.022)和MDA的含量(P dry一0.028),而对POD 活性的影响还不显著(P dry-=0.072)(图3)。POD -48 西北林学院学报 一对照0.6 O.5 口干旱 l0 一 ∞.f1一\ IA一芑 口0∞ 2 2 l 1 趔O.4 啦 O 如 ∞ 如 ∞ 如 O 0 O O O 0.3 O.2 0 l 0.0 农桑l4号农桑l2号强桑1号 农桑l4号农桑l2号强桑l号 图2干旱胁迫下桑树盆栽苗气孑L限制值(a)和水分利用效率(b)的变化(平均值士标准误差) Fig.2 The Ls(a)and WUE(b)of potted Morus L.seedlings under the drought stress(mean ̄SE) 一 ∞I茸IA Q日口0 Ⅱ.1I—目\Q0司一\ 一对照口干旱 4 3 2 l (b) 0 0 0 O 0 5 O O _Pd:0.072 Pv×d:0 5l5 一 一0吕鲁.一0目 \附衽暖 8 6 4 2 * O 1}王 一 ∞.一0目 \苦0苫0o 0窆  农桑l4号农桑强桑 12号 l号 图3干旱胁迫下盆栽桑树苗超氧化物歧化酶活性(a)、过氧化物酶活性(b)和丙二醛含量(c)的变化(平均值±标准误差) 5 Fig.3 The SOD activity(a),POD activity(b)and MDA content(c)of potted Morus L.seedlings under the drought stress(meanfl_SE) 3 结论与讨论 干旱所引起的水分胁迫被认为是影响植物生长 和生产量的重要因素。在本研究中,对照组的农桑 14号和农桑12号有着更高的R。 、SDM、L。M和 T。 ;干旱胁迫下,农桑14号和农桑12号的RoM、 策略将使植物承受更大的风险。值得注意的是强桑 1号的P 在干旱胁迫下显著下降,但RoM、soM、Lo 和T。 却无显著变化。一方面意味着干旱组中强桑 1号的土壤水分有大量盈余,水分不是限制其生长 的因素;另一方面能说明在水分条件良好的情况下, 强桑1号未将大量光合产物用于植物组织的形成, 而是可能将一部分光合产物合成淀粉、果糖、葡萄 糖、蔗糖等非结构性碳物质储存起来,干旱来临时, 强桑1号将有限的光合产物优先满足于植物组织的 s。M、L。M和T。M有显著的下降,其中水分胁迫限制 了根的生长和株高的增长从而降低了RoM和soM。 研究发现LoM的降低主要是由于水分胁迫促使农桑 14号和农桑12号的叶基部一些功能较差,叶绿素 构建,非结构性碳物质所占的比例将减少。强桑1 号的这种用水方式和光合产物的分配方式由自身的 生存策略决定,这与荒漠地区植物水分利用方式相 似,即使在短期内水分充足的情况下,植物也不会大 量的形成组织,因为地上部分构建更多的植物组织 含量和光合效率较低的叶片脱落,这种在非生长季 的落叶正是为了减少蒸腾面积以降低水分的散失。 研究发现,柠条在极端干旱下其通过叶片脱落来保 持枝条中叶绿体的完整性_】 ,梭梭树在极端干旱下 甚至可以将同化枝脱落以保证存活的同化器官具有 光合能力E13]。多项研究表明,这种牺牲部分同化器 则要求地下部分的根系吸收到更多更稳定的水资 源口 。王翔l_1 对青海杨2个不同种群的研究发现, 来自湿润地区的杨树种群能快速生长,采用耗水策 略从而抗旱性低,而来自干旱地区的杨树生长缓慢, 采用节水策略从而抗旱性高,本文中的强桑1号也 有与干旱地区杨树相似的节水策略。另外根生物量 的结果显示,对照组中强桑1号的根生物量占总生 物量的22.6 ,而农桑14号和农桑l2号分别为 21.8 和21.2 9/6,干旱组中强桑1号的根生物量占 官以减少水分散失的形态调节是一种重要的干旱响 应策略 。农桑14号和农桑12号在水分充足的 条件下P 、G 、T 和生物量积累均更高,这意味着 它们能利用充足的水资源,加速消耗可利用的水分 以加快自身的生长,光合作用所固定的同化产物多 数用于地上植物组织的构建,这种策略适用于短期 干旱的竞争环境_】引,但在长期干旱地区,这种用水 第4期 郑俊明等:重度干旱对3种桑树生物量及其生理生化影响的机理探索 49 总生物量的24.2 ,农桑14号和农桑12号分别为 19.5 和24.1 ,从中可以看出强桑1号具有相对 更发达的根系,能利用更多土壤中的水。由以上植 株生长状况来看,3个品种中强桑1号更适合在干 旱地区生长。 水分是限制干旱地区植物生长的主要因素,然 而植物从来没有因水作为光合原料的不足而限制生 长,陆地植物仅有l ~5 的水分用于代谢,而绝 大部分的水以蒸腾的方式散失到体外L2引,其中气孑L 是控制着水蒸气、CO 等气体交换的主要通道。干 旱条件下,G 、丁 均降低,一方面气孑L的阻力增加使 植物体保留了更多的水分,另一方面G 的降低导致 细胞内CO 的减少,Ci下降,O 成为电子传递链受 干旱条件下,植物体内正常的水分平衡状态会 被打破,气孑L随之关闭,光合速率下降。随着干旱程 度加深,植物细胞内会产生大量活性氧,造成细胞膜 过氧化,膜的功能和结构遭到破坏,与此同时叶绿体 结构也被破坏,细胞内各细胞器和酶系统无法正常 体而形成氧自由基 2 ,进一步影响了植物的光系统 和酶系统,气孔对CO 的限制和活性氧导致的叶肉 工作,情况严重时还会使植物细胞死亡,最终导致植 物的死亡[1。 。SOD是植物在干旱胁迫下最先响 应的保护酶,在干旱处理30 d后,农桑14号的SOD 活性明显降低,而农桑12号和强桑1号SOD活性 无显著变化,研究表明,在重度干旱胁迫或者干旱胁 迫后期,植物体内的SOD活性会降低l_2 ,SOD中 含有金属辅基,活性氧对其有氧化作用。所以3个 品种的桑树在干旱胁迫下SOD活性均无显著上升, 推断干旱胁迫所造成的活性氧伤害已经突破sOD 这“第一道防线”。农桑14号在干旱胁迫下POD活 性显著上升,结合SOD活性的结果分析,认为SOD 催化氧自由基产生H O 和O ,POD则有分解 H O 的作用¨2 。 ,所以农桑14号在干旱胁迫期间 SOD清除大量氧自由基的同时产生大量H O ,当 胁迫时间增长,植物体内正常的代谢开始失控,SOD 活性开始下降,此时大量的H O 仍然诱导POD活 性的升高,而农桑12号和强桑1号的sOD活性还 未显著下降,其体内的H O 也处于不断堆积的阶 段,POD活性上升但不显著。刘芳l_2 ]对迷迭香的 研究发现,随着干旱胁迫时间的延长,迷迭香体内代 谢趋于混乱,SOD活性开始下降,而清除H o 的 CAT和POD活性继续升高,本研究的结果与此相 符。MDA是膜脂过氧化的主要产物,其含量可表 示细胞膜受损程度,本试验中强桑1号在干旱胁迫 下MDA含量显著上升,而农桑14号和农桑12号 MDA含量无显著变化,结合它们的生长状况分析, 一方面干旱时间延长使得桑树体内SOD活性开始 下降,但另一方面农桑14号和农桑12号通过在极 端干旱下脱落基部叶片,减缓了植物体水分吸收和 散失之间的不平衡,这种形态调整使剩余叶片的膜 系统受损会减轻。而强桑1号在干旱胁迫下各部分 生物量均无显著减少,在极端干旱下其体内水分的 亏缺程度必然远超农桑14号和农桑12号,所以其 MDA含量显著上升。根据保护酶活性和MDA含 量的结果,认为强桑1号叶肉细胞膜受损程度较高, 农桑14号其次,农桑12号受损相对较轻。 细胞光合活性降低均能显著影响P 。G.D.Farqu— har和T.D.Sharkey_2。 认为,植物叶片在气体交换 的过程中,P 下降时,Ci降低并且L 逐渐升高,那 么可认为气孔因素是主要原因。而P 下降的同时 ci升高或者不变,同时L 降低,则非气孔因素是主 要原因。本研究中3个品种的桑树在干旱胁迫下的 P 、G 、丁 均有显著下降,并且下降的幅度为农桑 12号>强桑1号>农桑14号,3种桑树在干旱胁迫 下c。显著下降,L。显著上升,根据P 下降的判断 依据,3种桑树光合速率下降的主要原因是气孔造 成的。但对酶系统和MDA含量的分析显示,农桑 14号sOD活性显著下降,POD活性上升,强桑1号 膜系统受损,MDA含量显著上升,这表明农桑14 号和强桑1号的叶肉细胞光合活性已受到损伤,非 气孔因素是存在的,但究竟是哪种因素对光合的限 制更大还无法判断。许大全_29]在对光合作用气孔 限制的分析中指出,引起P 下降的因素分为两类, 气孔部分关闭使c。降低,叶肉细胞光合活性下降使 Ci增高,c 的变化方向依赖于占优势的那个因素。 而本研究认为L。和C。可作为判断气孑L或非气孔因 素的方式,但是作为唯一的判断依据则过于片面。 原因如下:气孔因素和非气孔因素对P 限制并非 单独影响,2种因素对P 影响的方式和水平也互不 相同,即气孔的限制是优先对进入细胞中CO 含量 的限制,是一种由气孔关闭造成COz进入叶肉细胞 阻力增加的物理性限制,气孔的状态易受外界环境 因子的影响_3 ,植物的午休现象和叶片气孔的不均 匀关闭也会造成气孔因素的假象[3 。而非气孑L因 素则是光合作用对已进入细胞的co 固定消耗,由 叶肉细胞光合活性所控制的生物化学性限制,对于 P 下降则是2种因素所叠加产生的结果,C.的变化 方向可作为分析气孔和非气孑L因素的依据,但也仅 仅是对叶肉细胞中CO 动态变化的分析,这2种因 素对光合限制的“贡献值”还无法进行独立比较,所 以单凭Ci来判断哪一个因素是主要原因还不妥当。 总体来说,Ci有降低的趋势,则能说明的是气孔因 50 西北林学院学报 33卷 素是限制光合的主要因素之一,而非气孔因素是否 显著影响P ,一方面C 上升是判断依据之一,另一 方面需要结合叶绿素荧光动力和酶系统对叶肉细胞 光合能力和受损程度进行评估,这样才能得出更好 的结论。所以对3种桑树P 限制因素的结论为, 气孔因素均显著影响了3种桑树的P ,同时农桑14 号和强桑1号的非气孔因素也显著限制了P 。 综合分析,农桑14号和农桑12号具有生长势 旺的特点,它们能将有限的水分尽可能多地用于植 物组织的构建,适合在湿润地区的竞争环境生长。 而它们对土壤水分减少更为敏感(尤其是农桑14 号),不仅表现为各部分生物量的显著下降,并且通 过淘汰叶基部功能较差的叶片来减少叶片水分蒸 发,从而缓和植物体水分吸收和散失的不平衡,在重 度干旱胁迫下,农桑14号和农桑12号通过迅速的 形态调整和控制叶片气孔的水分散失来抵御干旱的 环境。强桑1号有着类似于某些干旱地区植物的用 水方式,与农桑14号和农桑12号不同,光合产物的 分配被严格控制,在重度干旱胁迫下各部分生物量 无显著减少,叶肉细胞膜所受损伤也更为严重,相比 于农桑14号和农桑12号,强桑1号更适合在干旱 地区生长,而若对强桑1号延长胁迫时间,其是否也 会有基部落叶的形态调整还有待继续研究。对光合 限制的因素分析认为,气孔因素均显著限制了P , 而非气孑L因素也显著影响了农桑14号和强桑1号 的P 。当前评价植物的抗旱性多关注于其短期内 保护酶含量,渗透物质等生理生化指标的研究,而事 实上植物不可能长期处于膜系统受损的代谢状况, 植物是否具有极为有效的形态调节来达到形态与环 境相适应,这种长期的生存适应能力也应作为抗旱 性能的评判因素之一。 参考文献: [1]沈永平,王国亚.IPCC第一工作组第五次评估报告对全球气候 变化认知的最新科学要点[J].冰川1冻土,2013,35(5):1068— 1076. SHEN Y P,WANG G Y.Key findings and assessment results of IPCC WGI Fifth Assessment Report EJ].Journal of Glaciol— ogy and Geocryology。2013,35(5):1068—1076.(in Chinese) [2]FLEXAS J,RIBASCARBO M,B0TA J,et a1.Decreased rubi— seo activity during water stress is not induced by decreased rel— ative water content but related to conditions of low stomatal conductance and chloroplast CO2 concentration[J].New Phy— tologist,2006,172(1):73—82. [33李泽,谭晓风,卢锟,等.干旱胁迫对两种油桐幼苗生长、气体交 换及叶绿素荧光参数的影响[J].生态学报,2017,37(5): 1515—1524. LI Z,TAN X F,LU K.eta1.Influence of drought stress on the growth,leaf gas exchange,and chlorophyll fluorescence in two varieties of tung tree seedlings[J].Acta Ecologica Sinica, 2O17,37(5):1515—1524.(in Chinese) [43裴斌,张光灿,张淑勇,等.土壤干旱胁迫对沙棘叶片光合作用 和抗氧化酶活性的影响[J].生态学报,2o13,33(5):1386— 1396. PEI B,ZHANG G C,ZHANG S Y, a1.Effects of soil drought stress on phot0synthetic characteristics and antioxi— dant enzyme activities in Hippophae rhamnoides Linn.seed— ings[J].Acta Ecologica Sinica,2013,33(5):1386—1396.(in Chinese) [5]秦俭,何宁佳,黄先智,等.桑树生态产业与蚕丝业的发展[J]. 蚕业科学,2010,36(6):0984—0989. QIN J,HE N J,HUANG X Z,et a1.Development of mulberry ecological industry and sericulture[J].Acta Sericologiea Sini— ca,2010,36(6):0984—0989.(in Chinese) E6]林寿康,吕志强,计东风,等.桑树新品种农桑12号、农桑14号 的育成[J].蚕业科学,2001,27(3):210—213. LIN S K,LV Z Q,JI D F,eta1.Breeding of new mulberry vari— eties—Nongsang 1 2 and Nongsang 1 4[J].Acta Sericologica Sin— ica,2001,27(3):210-213.(in Chinese) [73 吕志强,计东风,周勤,等.桑树新品种强桑1号的选育[J].蚕 业科学,2011,37(1):0009—0012. I V Z Q,JI D F,ZHOU Q,et a1.Breeding of a new mulberry variety,Qiangsang 1[J].Aeta Sericologica Sinica,2011,37 (1):0009—0012.(in Chinese) [83 NIJS I,FERRIS R,BLUM H,et a1.Stomatal regulation in a changing climate:a field study using free air temperature in— crease(FATI)and free air CO2 enrichment(FACE)[J]. Plant Cell and Environment,l997,20(8):1041—1050. [9]BIERHUIZEN J F,SLATYER R O.Effect of atmospheric con— centration of water vapour and COz in determining transpira— tion—ph0tosynthesis relationships of cotton leaves[J].Agricul— tural Meteorology,1965,2(4):259—270. [1O]李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:高等教育 出版社,2006:164—169. [11]邹琦.植物生理学实验指导[M].北京:中国农业出版社, 2000:173—174. [12]徐当会,方向文,宾振钧,等.柠条适应极端干旱的生理生态机 制——叶片脱落和枝条中叶绿体保持完整性[J].中国沙漠, 2O12,32(3):69i-697. xu D H,FANG X W,BING Z J,et a1.Eco—physiological mechanism of Careganna korshinskii Kom adaptation to ex— treme drought stress:leaf abscission and keeping chloroplast integrity in stem[J].Journal of Desert Research.2012,32 (3):691—697.(in Chinese) [13]许皓,李彦,邹婷,等.梭梭(Haloxylon ammodendron)生理与 个体用水策略对降水改变的响应[J].生态学报,2007,27 (12):5019-5028. XU H,LI Y,ZOU T,et a1.Ec0physiologica1 response and morphological adjustment of Haloxylon ammodendron to— wards variation in summer precipitation[J].Acta Ecologica Sinica,2007,27(12):5019-5028.(in Chinese) [14]CASPER B B,FORSETH I N,KEMPENICH H,et a1.Drought prolongs leaf life span in the herbaceous desert perennial Cryptan— 第4期 郑俊明等:重度干旱对3种桑树生物量及其生理生化影响的机理探索 51 tha mm[J].Functional Ecology,2001,15(6):740—747. [15] 杨帆,苗灵凤,胥晓,等.植物对干旱胁迫的响应研究进展EJ]. 应用与环境生物学报,2007,13(4):586-591. YANG F,MIA0 L F,XU X,et a1.Progress in research of plant responses to drought stress[J].Chinese Journal of Ap— plied Environmental Biology,2007,13(4):586-591.(in Chi— nese) [16] 陈珂,蒋祺,类延宝,等.植物对干旱胁迫的生理响应I-J].安徽 农业科学,2009,37(5):1907—1908. CHEN K,JIANG Q,LEI Y B,et a1.Physiological responses of plants to drought stress I-J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2009,37(5):1907—1908.(in Chinese) [17] 王翔,尹春英,李春阳.干旱胁迫对青海杨不同种群的影响 -IJ].应用与环境生物学报,2006,12(4):496—499. WANG X。YIN C Y,LI C Y.Population differences in adap— tive responses to drought stress in Populus przewalskii Max— im I-J].Chinese Journal of Applied Environmental Biology, 2006,12(4):496-499.(in Chinese) [i8] CHAVES M M,FLEXAS J,PINHEIR0 C.Ph0tosynthesis under drought and salt stress:regulation mechanisms from whole plant to cell EJ].Annals of Botany,2009,103(4):551— 56O. [19] MCDOWELL N,POCKMAN W T,ALLEN C D,eta1.Mech— anisms of plant survival and mortality during drought:why do some plants survive while others succumb to drought?[J]. New Phytologist,2008,178(4):719—39. [2O] 张凤良,毛常丽,李小琴,等.橡胶树优树无性系对干旱胁迫的 生理响应[J].西北林学院学报,2016,31(4):67—72. ZHANG F L,MAO C L,LI X Q,et a1.Physiological respon— ses of Hevea brasiliensis plus tree clones to drought stress [J].Journal of Northwest Forestry University,2016,31(4): 67—72.(in Chinese) [21] 王兴顺.黄芩(Scutellaria baicalensis)幼苗对干旱胁迫的生理 适应性反应[J].西北林学院学报,2014,29(1):55—59. WANG X S.Physiological responses of Scutellaria baicalen— sis seedlings under drought stress fJ].Journal of Northwest Forestry University,2014,29(1):55—59.(in Chinese) [22] 李春燕,王进鑫,薛设.干旱及复水对侧柏幼苗叶片抗氧化酶 活性的影响[J].西北林学院学报,2015,30(2):33—37. LI C Y,WANG J X,XUE S.Effect of drought and rewatering on the activity of protect enzymes in the lea,Tes of Platycladus orientalis seedlings I-J].Journal of Northwest Forestry Uni— versity,2015,30(2):33-37.(in Chinese) [23] 吴建华,张汝民,高岩.干旱胁迫对冷蒿保护酶活性及膜脂过 氧化作用的影响[J].浙江林学院学报,2010,27(3):329一 33. WU J H,ZHANG R M,GAO Y.Membrane lipid peroxidation and protective enzyme systems with drought stressed Artemi— sia frigida leaves[J].Journal of Zhejiang Forestry College, 2O10,27(3):329—333.(in Chinese) [24] 刘忠霞,刘建朝,胡景江.干旱胁迫对苹果树苗活性氧代谢及 渗透调节的影响[J].西北林学院学报,2013,28(2):15-19. LIU Z X。LIU J C,HU J J.Effects of drought stress on active oxygen metabolism and contents of osmotic adjustment sub— stances in the leaves of apple seedlings[J].Journal of North— west Forestry University,2013,28(2):15-19.(in Chinese) [25] 刘芳,左照江,许改平,等.迷迭香对干旱胁迫的生理响应及其 诱导挥发性有机化合物的释放[J].植物生态学报,2013,37 (5):454-463. LIU F,ZU0 Z J,XU G P,et a1.Physiological responses to drought stress and the emission of induced volatile organic compounds in Rosmarinus officinalis[J].Chinese Journal of Plant Ecology,2013,37(5):454—463.(in Chinese) [263 潘瑞炽.植物生理学[M].北京:高等教育出版社,2013:22— 23. [27] 姚庆群,谢贵水.干旱胁迫下光合作用的气孔与非气孔限制 口].热带农业科学,2005,25(4):80—85. YAo Q Q,XIE G S.The ph0tosynthetic stomatal and nonsto— matal limitation under drought stress I-J].Chinese Journal of Tropical Agriculture,2005,25(4):80—85.(in Chinese) [28] FARQUHAR G D,SHARKEY T D.Stomatal conductance and photosynthesis I-J].Annual Review of Physiology,1982, 33(3):317—345. [29] 许大全.光合作用气孔限制分析中的一些问题[J].植物生理 学通讯,1997,33(4):241-244. XU D Q.Some problems in stomatal limitation analysis of photosynthesis[J].Plant Physiology Communications,1997, 33(4):241-244.(in Chinese) [3O] 高冠龙,张小由,常宗强,等.植物气孔导度的环境响应模拟及 其尺度扩展[J].生态学报,2016,36(6):1491一I500. GA0 G L,ZHANG X Y,CHANG Z Q,et a1.Environmental response simulation and the up—scaling of plant stomatal con— ductance[J].Acta Ecologica Sinica,2016,36(6):149l_1500. (in Chinese) [31] 许大全.气孔的不均匀关闭与光合作用的非气孔限制[J].植 物生理学通讯,1995,31(4):246—252. XU D Q.Non-uniform stomatal closure and non-stomatal lim— itation of photosynthesis I-j].Plant Physiology Communica— tions,1995,31(4):246—252.(in Chinese) 

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