蘇鐵生理特性對(duì)不同年齡凍害的響應(yīng)

蘇鐵生理特性對(duì)不同年齡凍害的響應(yīng)

作為一種古老的本土植物，它們?cè)陂L(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中形成了獨(dú)特的生態(tài)特征，適應(yīng)了各種不利的生態(tài)環(huán)境，表現(xiàn)出頑強(qiáng)的生命力。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)蘇鐵栽培技術(shù)的研究較多,但對(duì)蘇鐵耐旱、抗寒及光合生理方面研究較少,鑒于此,本課題通過(guò)對(duì)蘇鐵進(jìn)行干旱脅迫及人工模擬冷凍試驗(yàn),以揭示蘇鐵耐旱、抗寒及光合作用機(jī)理,為蘇鐵的引種和擴(kuò)大栽培區(qū)域提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)于1999年7月至8月進(jìn)行,用盆栽3年生蘇鐵生長(zhǎng)8天、15天、20天(葉片完全展開)、1年、2年及3年生的葉片為供試材料。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1水分脅迫及復(fù)水處理蘇鐵干旱脅迫試驗(yàn)選擇4個(gè)控水等級(jí)處理:輕度脅迫(相對(duì)含水量降低<10%)、中度脅迫(相對(duì)含水量降低10%-20%)、重度脅迫(相對(duì)含水量降低>20%)及正常供水蘇鐵1年生發(fā)育正常的葉片進(jìn)行耐旱和光合生理指標(biāo)測(cè)定,水分脅迫等級(jí)按Hsiao對(duì)中生植物的劃分標(biāo)準(zhǔn)。1.2.1.葉質(zhì)重的測(cè)定采用美國(guó)產(chǎn)LI-3000葉面積儀測(cè)定蘇鐵葉面積,隨后把測(cè)過(guò)葉面積葉片置烘干箱中烘至恒重,按下式計(jì)算葉質(zhì)重:葉質(zhì)重(g/dm2)=葉干重/葉面積1.2.1.2.水勢(shì)采用ZLZ-4型植物水分狀況測(cè)定儀,用壓力室法測(cè)定蘇鐵葉片水勢(shì)。1.2.1.3年蒸騰率用電子天平快速稱重法測(cè)定蘇鐵葉片蒸騰速率。1.2.1.4自然飽和損失采用Stocker法測(cè)定,按下式計(jì)算自然飽和虧:自然飽和虧(%)=(飽和含水量-自然含水量)/飽和含水量×100%1.2.2冷凍條件下人工模擬冷凍測(cè)定在正常供水條件下取不同葉齡蘇鐵葉片,采用人工模擬冷凍法,分別在-10℃、-5℃、5℃及室溫28℃模擬冷凍條件下放置5小時(shí)后,進(jìn)行下列指標(biāo)測(cè)定。1.2.2.1.由于電導(dǎo)率的原因，電導(dǎo)率儀被用來(lái)測(cè)量質(zhì)量膜的滲透性，并根據(jù)以下公式計(jì)算質(zhì)量膜的外滲率相對(duì)電導(dǎo)率(電解質(zhì)外滲率)=(第一次電導(dǎo)率值/第二次電導(dǎo)率值)×100%1.2.2.2.用阿貝折射法測(cè)定蜀蜀的水1.2.3測(cè)定了光的生理指標(biāo)1.2.3.1nr活力采用磺胺比色法測(cè)定。1.2.3.2.淺綠色采用丙酮乙醇混合液法測(cè)定。1.2.3.凈光合速率的測(cè)定采用中德合資生產(chǎn)的CXH-305紅外線CO2分析儀測(cè)定。在光合測(cè)定室內(nèi),把離體枝條迅速插入水中,預(yù)照光30分鐘,以消除光合作用滯后現(xiàn)象,用開放式氣路測(cè)定凈光合速率。以上各試驗(yàn)設(shè)計(jì)及生理指標(biāo)測(cè)定均重復(fù)3次,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2結(jié)果與分析2.1蘇鐵抗旱性研究2.1.1正常供水條件下不同葉齡蘇鐵葉片蒸騰速率的變化規(guī)律在正常供水條件下,不同葉齡蘇鐵葉片的自然含水量存在差異(表1)。幼齡蘇鐵葉片含水量較高,在77.59%-79.97%之間,而老齡蘇鐵葉片含水量稍低,為60.04%。不同葉齡蘇鐵葉片水勢(shì)明顯不同(表1)。隨蘇鐵葉片年齡的增加,蘇鐵葉片水勢(shì)呈下降趨勢(shì),至3年生時(shí)其水勢(shì)又有所上升,這說(shuō)明蘇鐵幼嫩葉片不僅自然含水量高,而且水勢(shì)也較高,其對(duì)環(huán)境水分需求相對(duì)較低,而蘇鐵老葉自然含水量低且水勢(shì)也較低,其對(duì)環(huán)境水分需求較高。與其它植物相比,蘇鐵葉片的水勢(shì)相對(duì)較低,本次試驗(yàn)測(cè)定蘇鐵葉片水勢(shì)在-0.83-1.32mPa之間,而正常供水條件下植物葉片水勢(shì)一般在-0.2-0.8mPa之間。這說(shuō)明蘇鐵葉片比其它樹種葉片更能利用環(huán)境中的水分。不同葉齡蘇鐵葉片的蒸騰速率在正常供水條件下同樣存在明顯差異(表1)。隨蘇鐵葉片葉齡增加,蘇鐵葉片的蒸騰速率呈增大趨勢(shì),至3年生時(shí)又有所下降,生長(zhǎng)8天葉片蒸騰速率為63.04mg.g-1.Fw.h-1,1年生葉片則升為189.61mg.g-1.Fw.h-1,2年生葉片升為288.75mg.g-1.Fw.h-1,3年生葉則降為246.92mg.g-1.Fw.h-1,可見蘇鐵幼葉蒸騰速率較慢,而蘇鐵老葉蒸騰速率相對(duì)較快。與其它樹種相比,蘇鐵葉片蒸騰速率相對(duì)較慢,這是因?yàn)橐环矫嫣K鐵葉片為革質(zhì),其氣孔陷在表皮層下,葉片蒸騰擴(kuò)散層加厚,蒸汽壓陡度小,蒸騰阻力大,故蘇鐵耐旱性較強(qiáng);另一方面蘇鐵羽狀葉片葉緣反卷及葉片在軸上成角度排列,具有減少蒸騰的避旱能力,因此蘇鐵葉片的蒸騰速率較低。自然飽和虧是林木水分平衡狀態(tài)的重要指標(biāo),是表示林木達(dá)到水分充分飽和時(shí)所需水分的絕對(duì)值,自然飽和虧越大,說(shuō)明林木水分虧缺越嚴(yán)重。從表1可看出,在正常供水條件下,隨蘇鐵生長(zhǎng)發(fā)育及葉齡增加,蘇鐵葉片的自然飽和虧呈明顯增加趨勢(shì)。生長(zhǎng)8天、15天及20天葉片的自然飽和虧分別為4.08%、4.97%和5.16%,而1年生、2年生及3年生葉片的自然飽和虧分別為8.96%、9.02%和8.79%,可見蘇鐵幼葉自然含水量高,蒸騰速率弱,自然飽和虧小,對(duì)水分需求相對(duì)較少,而老葉自然含水量較低,蒸騰速率高,自然飽和虧大,對(duì)水分需求更強(qiáng)烈。從這可看出蘇鐵葉片自然飽和虧是蘇鐵蒸騰作用的結(jié)果和反映。2.1.2干旱脅迫及時(shí)發(fā)現(xiàn)后蘇鐵內(nèi)部植被的變化從表2看出,蘇鐵的各項(xiàng)水分生理指標(biāo)對(duì)干旱脅迫反應(yīng)敏感,隨干旱脅迫的加劇,蘇鐵葉片自然含水量、水勢(shì)、蒸騰速率下降,而自然飽和虧增加。在輕度脅迫條件下,蘇鐵葉片自然含水量、水勢(shì)及蒸騰速率分別下降8.92%、6.14%和48.12%,自然飽和虧增加12.50%;在中度脅迫條件下,蘇鐵葉片自然含水量、水勢(shì)及蒸騰速率分別下降26.06%、30.70%和67.06%,而自然飽和虧增加45.53%;在重度脅迫條件下,蘇鐵葉片自然含水量、水勢(shì)及蒸騰速率分別下降50.94%、73.68%和82.17%,而自然飽和虧增加78.56%。這也是蘇鐵對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性調(diào)節(jié)反應(yīng),在脅迫條件下,其可通過(guò)降低水勢(shì)和蒸騰作用,增加自然飽和虧,來(lái)增加葉片對(duì)水分的吸收,以適應(yīng)干旱環(huán)境。綜上所述,蘇鐵植物具有明顯的旱生結(jié)構(gòu),主要表現(xiàn)在蘇鐵的耐旱能力及避旱能力均較強(qiáng)。一方面蘇鐵莖矮化膨大且皮層較厚,葉片革質(zhì),其葉片的氣孔陷在表皮層下,使得葉片蒸騰擴(kuò)散層加厚,蒸汽壓陡度小,蒸騰阻力大,其水勢(shì)及蒸騰速率較低,在干旱脅迫條件下,其通過(guò)降低水勢(shì)和蒸騰速率以適應(yīng)環(huán)境水分不足的能力較強(qiáng),故其耐旱性較強(qiáng);另一方面蘇鐵羽狀葉葉緣反卷及葉片在軸上成角度排列,可逃避陽(yáng)光,減少蒸騰,表現(xiàn)出較強(qiáng)的避旱能力。2.2蘇鐵抗寒性研究蘇鐵不耐寒冷氣候,在我國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)常受凍害,特別是受寒潮影響,即使在閩粵等省也可見凍害,因此開展蘇鐵抗寒性研究顯得極為迫切。2.2.1不同葉齡蘇鐵葉片電解質(zhì)外滲率的變化眾多研究表明:植物的抗寒性與其葉片原生質(zhì)透性呈密切直線相關(guān)關(guān)系。用植物葉片電解質(zhì)的外滲率可表示原生質(zhì)透性,據(jù)此可分析比較植物的抗寒性。因此根據(jù)人工模擬冷凍試驗(yàn)結(jié)果,采用Y=a+bx方程對(duì)植物葉片在不同溫度條件下與電解質(zhì)外滲率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合,以方程系數(shù)b的絕對(duì)值作為植物的凍害敏感指數(shù),凍害敏感指數(shù)越高,說(shuō)明植物對(duì)凍害越敏感,抗寒力越差。從表3看出,在不同溫度條件下,不同葉齡蘇鐵葉片的電解質(zhì)外滲率均隨葉齡的增加而呈明顯下降趨勢(shì),在-10℃、-5℃、5℃及28℃條件下,生長(zhǎng)8天葉片的電解質(zhì)外滲率分別為69.08%、56.23%、30.58%和20.69%,而3年生葉片則分別下降為50.49%、34.23%、15.47%和14.23%。而且同一葉齡葉片的電解質(zhì)外滲率也隨模擬溫度的升高而呈明顯下降趨勢(shì),說(shuō)明蘇鐵葉片受低溫處理后,其電解質(zhì)外滲率急劇增加。隨蘇鐵葉齡增加,蘇鐵葉片的凍害敏感指數(shù)下降,其抗寒力增強(qiáng),生長(zhǎng)8天、15天、20天、1年生、2年生及3年生葉片凍害敏感指數(shù)分別為1.197、1.130、0.996、0.937、0.893和0.823,因此蘇鐵北移栽培宜選擇生長(zhǎng)健壯的大齡蘇鐵。2.2.2束縛水含量及束縛水占總含水量的比較葉片束縛水與其總含水量的比例是衡量林木抗寒力大小的重要指標(biāo),也是了解原生質(zhì)水分狀態(tài)是否穩(wěn)定的抗冷性標(biāo)志,它隨林木抗寒力的減弱而遞減。從表4看出,在不同溫度條件下,隨蘇鐵葉齡增加,蘇鐵葉片束縛水含量及束縛水占總含水量的比值先呈明顯增加趨勢(shì),隨后略有下降。在-10℃條件下,生長(zhǎng)8天、15天、20天、1年、2年及3年生蘇鐵葉片的束縛水含量分別為10.15%、16.57%、20.62%、26.94%、28.12%和26.04%,束縛水占總含水量的比值分別為12.84%、21.02%、26.77%、41.81%、46.16%和43.06%,說(shuō)明隨蘇鐵葉片的生長(zhǎng)發(fā)育,蘇鐵葉片束縛水及束縛水占總含水量的比例增加,葉片親水膠體數(shù)量相對(duì)增加,蘇鐵葉片抗寒性增強(qiáng),這也說(shuō)明同一株蘇鐵不同年齡葉片的抗寒性也存在明顯差異。2.3對(duì)蘇鐵合金特征的研究2.3.1蘇鐵葉片葉綠素含量及nr活力葉質(zhì)重是單位葉面積的重量,可大致反映出植物葉片同化物的數(shù)量。在正常供水條件下,不同葉齡蘇鐵葉片的葉質(zhì)重存在差異(表5)。隨蘇鐵葉片的生長(zhǎng)發(fā)育,其葉質(zhì)重呈明顯增加趨勢(shì),變幅在0.436-1.779g/dm2之間,剛抽葉片葉質(zhì)重較少,1年后葉質(zhì)重急劇增大,3年后葉片葉質(zhì)重是剛抽8天葉片的4.08倍,不同葉齡蘇鐵葉片葉質(zhì)重差異與不同葉齡葉片光合產(chǎn)物的分配有關(guān),與其它樹種相比(如杉木苗葉質(zhì)重在0.830-0.916g/dm2之間),蘇鐵葉片葉質(zhì)重相對(duì)較大,說(shuō)明其單位葉面積光合產(chǎn)物較高。葉綠素是植物光合作用的基礎(chǔ)。在正常供水條件下,不同葉齡蘇鐵葉片葉綠素含量明顯不同(表5)。隨蘇鐵葉齡增加,其葉片葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總量均呈明顯增加趨勢(shì),2年生蘇鐵葉片葉綠素a、葉綠素b分別比8天生葉片增加127.97%和123.08%,至3年生時(shí)又略有下降,但仍明顯比幼齡葉片大,而葉綠素a/葉綠素b的比值先呈增加趨勢(shì),2年生時(shí)又呈下降趨勢(shì),其葉綠素總量變幅在0.196-0.443mg/g.Fw之間,其中2年生蘇鐵葉片葉綠素總量是抽8天葉片的2.26倍,可見隨蘇鐵的生長(zhǎng)發(fā)育,其葉片葉綠素含量逐漸增加,更有利于蘇鐵的光合作用。NR活力是反映林木對(duì)硝態(tài)N吸收同化水平的酶指標(biāo),NR酶是植物N代謝的關(guān)鍵酶。在正常供水條件下,蘇鐵不同年齡葉片的NR活力存在明顯差異(表5)。隨蘇鐵葉片葉齡增加,蘇鐵葉片NR活力呈明顯下降趨勢(shì),其變化幅度在0.20-6.05ug/g.Fw.h之間,剛抽蘇鐵葉片的NR活力極高,生長(zhǎng)8天、15天葉片的NR活力分別達(dá)6.05ug/g.Fw.h和5.12ug/g.Fw.h,抽20天葉片則降為1.43ug/g.Fw.h,1年生葉則急劇降為0.69ug/g.Fw.h,隨后葉片NR活力下降幅度變小。據(jù)研究蘇鐵珊瑚狀根具有顯著的固N(yùn)活性,能為蘇鐵生長(zhǎng)不斷提供N源。從上分析看出,蘇鐵幼葉的N代謝較旺盛,而老葉N代謝相對(duì)減弱。2.3.2光合生理特性指標(biāo)蘇鐵的光合生理特性指標(biāo)對(duì)干旱脅迫反應(yīng)敏感(表6)。隨干旱脅迫加劇,蘇鐵葉質(zhì)重、葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、NR活力及凈光合速率均呈下降趨勢(shì),而葉綠素a/葉綠素b的比值略呈增加趨勢(shì)。在輕度脅迫條件下,上述各生理特性指標(biāo)分別比對(duì)照下降0.91%、11.16%、9.35%、10.47%和13.24%,而葉綠素a/葉綠素b比值增加1.86%,可見在輕度脅迫條件下,蘇鐵各光合生理特性指標(biāo)下降幅度較小。在中度脅迫條件下,蘇鐵葉質(zhì)重、葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、NR活力及凈光合速率分別比對(duì)照下降1.83%、35.27%、25.90%、31.68%、42.39%和27.34%,而葉綠素a/葉綠素b比值增加12.42%,降幅略有增加。在重度脅迫條件下,蘇鐵葉質(zhì)重、葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、NR活力及凈光合速率分別比對(duì)照下降2.35%、54.02%、43.88%、50.14%、71.74%和57.84%,而葉綠素a/葉綠素b比值增加18.01%。可見在重度脅迫條件下,蘇鐵光合生理特性指標(biāo)降幅增大,在這些指標(biāo)中尤以NR活力對(duì)干旱脅迫反應(yīng)最為敏感,這可能與脅迫條件下蘇鐵體內(nèi)酶合成減少和通過(guò)導(dǎo)管由根部運(yùn)送到葉片含NO3-1液流的減少有關(guān)。但蘇鐵在干旱脅迫條件下仍能維持一定的光合作用,表現(xiàn)出較強(qiáng)的生命力。與其它樹種相比(杉木苗凈光合速率2.16-3.16mg/dm2.h之間,成林杉木凈光合速率在3.67-6.39mg/dm2.h之間,楊樹凈光合速率在10-19mg/dm2.h之間),蘇鐵的凈光合速率較低,特別是在不利環(huán)境下,這可能是蘇鐵生長(zhǎng)緩慢的原因之一,也是其在長(zhǎng)期自然競(jìng)爭(zhēng)中形成的一種適應(yīng)性,以渡過(guò)不利環(huán)境,蘇鐵生長(zhǎng)遲緩性具有其特殊的生物學(xué)意義。3干旱脅迫對(duì)蘇鐵抗旱性的影響3.1蘇鐵具有較強(qiáng)的抗旱能力,其主要表現(xiàn)在耐旱能力和避旱能力兩個(gè)方面,一方面蘇鐵莖矮化膨大且皮層較厚,葉革質(zhì),其氣孔陷在表皮層下,導(dǎo)致葉片蒸騰阻力大,其水勢(shì)及蒸騰速率低,水勢(shì)在1.32-0.83mPa之間,蒸騰速率在63.04-288.75mg/g.Fw.h之間,葉片具有明顯旱生結(jié)構(gòu),因此具有較強(qiáng)耐旱能力;另一方面,由于蘇鐵羽狀葉片葉緣反卷及葉片在軸成角度排列,有利于蘇鐵逃避干旱。3.2隨蘇鐵葉片的生長(zhǎng)發(fā)育,蘇鐵葉片自然含水量及水勢(shì)下降,而蒸騰速率及自然飽和虧增大,蘇鐵葉片抗旱性增強(qiáng)。在干旱脅迫條件下蘇鐵能通過(guò)其自身的調(diào)節(jié)機(jī)制適應(yīng)干旱脅迫的影響。隨干旱脅迫加劇,葉片含水量、水勢(shì)、蒸騰速率下降,葉片自然飽和虧增大,在重度脅迫條件下,蘇鐵葉片含水量、水勢(shì)、蒸騰速率分別下降50.94%、73.68%和82.17%,葉片自然飽和虧增加78.56%。蘇鐵對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)對(duì)于提高蘇鐵的抗旱性具有重要現(xiàn)實(shí)意義