水分脅迫對盆栽根顙苗生長的影響

水分脅迫對盆栽根顙苗生長的影響

水是植物生長的重要生態(tài)因素之一，影響著植物的生長發(fā)育、生理代謝和地理分布。水分脅迫是植物生長發(fā)育過程中經(jīng)歷的各種脅迫環(huán)境中最常見、最普遍的逆境因子之一。植物對土壤水分脅迫的響應(yīng)包含著極其復(fù)雜的生理生化變化,并形成了受遺傳性制約的適應(yīng)機制。按照Levitt的分類,水分脅迫包括干旱脅迫(水分虧缺)和水澇脅迫(洪澇)。兩者對植物生理代謝及生長發(fā)育均有很大影響,因此水分脅迫的研究對植物的栽培與生產(chǎn)有其重要的現(xiàn)實意義。目前對黃檗、冬青屬等植物進行了淹水與抗旱性評價,但迄今有關(guān)海州常山淹水與耐旱性方面的研究和評價尚未見報道。海州常山(ClerodendrumtrichotomumThumb)為馬鞭草科赪桐屬小喬木或灌木,原產(chǎn)我國,廣泛分布于我國華北、華東、中南和西南各省。海州常山花序大,花蕾嫩綠或粉紅色,花瓣潔白或帶紅暈,花萼艷紅,果實墨藍色,花萼殷紅宿存期長,花期和坐果期自6月至11月長達半年,具有極強的觀賞性。海州常山根系發(fā)達,適應(yīng)性強,耐干旱瘠薄,對鹽堿和濕澇有較強耐性,常野生分布于干旱瘠薄的沙石山、石灰?guī)r山地和南方貧瘠山地紅壤,是干旱山地、鹽堿地造林、城市綠化和溝渠綠化的理想樹種。本研究通過在模擬干旱和水澇環(huán)境脅迫下海州常山苗期生長和形態(tài)特征及氧化物歧化酶(SOD)活性、滲調(diào)物質(zhì)(可溶性糖、游離脯氨酸)、細胞膜透性、葉片相對含水量葉片水勢生理生化特性的變化,探討海州常山對水分逆境脅迫的生理生態(tài)適應(yīng)性機制,旨在為海州常山育苗及造林綠化提供科學(xué)依據(jù)。1試驗材料和方法1.1生長狀態(tài)試驗試驗地點位于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)基地林學(xué)站。采用盆栽試驗方法,盆體高30cm,直徑40cm,泥質(zhì),盆栽基質(zhì)為砂壤土。試驗材料為1年生海州常山健壯根蘗苗,高120cm,地徑1.2cm,3月下旬樹液流動前栽植,每盆2株。大田開溝,將盆栽試驗材料擺放其中,培土至盆體上沿3cm,采用常規(guī)管理方法至8月中旬盆栽材料進入正常生長狀態(tài),將盆栽試驗材料取出。試驗處理包括對照、干旱脅迫、濕害脅迫和澇害脅迫4種處理。對照(CK):正常管理,土壤田間持水量保持在60%～80%。濕害處理:將盆置于口徑大于盆下口徑的塑料盆中,從處理開始起保持塑料盆中水面3～4cm致使土壤自動吸水,以保證土壤含水量持續(xù)飽和狀態(tài)。澇害處理:將盆栽苗木置于口徑大于花盆上口徑的塑料桶中,從處理開始起保持盆中水面高于花盆土面3～4cm,試驗持續(xù)至苗木死亡。干旱脅迫處理:采用自然失水的方法,形成時間序列干旱脅迫土壤水分梯度,試驗直至苗木萎蔫不能夜間自行回復(fù),然后復(fù)水。上述試驗自處理后當(dāng)日起每隔3d取樣測試一次,重復(fù)5次。各處理每盆選擇1株,于每次測定當(dāng)日10:00am摘取2片正常功能葉片,置于0℃保溫桶內(nèi)帶回實驗室,測定各重復(fù)的葉片相對含水量、葉片水勢、細胞相對質(zhì)膜透性、脯氨酸與可溶性糖含量、SOD酶活性等項生化指標(biāo);另一株用于形態(tài)觀測和同步光合、蒸騰作用測定。1.2抗氧化酶活性測定蒽酮比色法測定可溶性糖含量,酸性茚三酮比色法測定游離脯氨酸含量,電導(dǎo)法(DDS-IIA電導(dǎo)儀)測定膜透性,超氧化物歧化酶(SOD)的活性采用氧化硝基四氮唑藍(NBT)法測定。葉片相對含水量用稱重法測定,計算公式:RWC/%=[(鮮樣質(zhì)量-干樣質(zhì)量)/(飽和鮮樣質(zhì)量-干樣質(zhì)量)]*100。葉片水勢(Lwp)用數(shù)顯式Psypro露點水勢儀測定,蒸騰速率(E)與凈光合速率(Pn)采用便攜式光合測定系統(tǒng)(TPS-1)于上午10:00～10:30測定。數(shù)據(jù)用Exce1、SPSS統(tǒng)計分析。2結(jié)果與分析2.1材料的持續(xù)濕害脅迫對苗木生長的影響在持續(xù)自然干旱脅迫下,前11d海州常山外部形態(tài)沒有明顯變化,其生長比對照稍微緩慢;第11d后中午葉片出現(xiàn)萎蔫,但來日凌晨能自動恢復(fù);第14d葉片9:30～10:00出現(xiàn)萎蔫并且不能自動恢復(fù);第15d復(fù)水后至第17d有6棵苗木的葉片恢復(fù),其余植株逐漸死亡。持續(xù)濕害脅迫下第7～10d,所有10株處理材料中有6株下部2～3片葉變黃,其中5棵苗木莖基部出現(xiàn)皮孔,以后外部形態(tài)沒再發(fā)生變化,并且對其生長沒有明顯的影響;澇害脅迫第4d,海州常山有8棵苗木下部2～3片葉變黃,第5d基部的出現(xiàn)肥大白色皮孔,第7d有4棵苗木出現(xiàn)葉片萎蔫,第8d葉全部萎蔫,甚至脫落,其根變褐色,毛細根有的變黑腐爛,說明海州常山耐澇能力較強,但沒有抗持續(xù)長時間水澇的能力。2.2葉片水勢和相對含水量的變化由圖1、2可知:在水分脅迫下對海州常山葉片水勢、葉片相對含水量有一定的影響,但是不同的水分脅迫處理對葉片水勢、相對含水量變化不同。與對照相比,干旱脅迫初期葉片水勢下降不明顯,8d以后葉片水勢和相對含水量開始急劇下降并與對照呈極顯著差異(P<0.01),復(fù)水后第3d,除了死亡植株以外,其余植株葉片水勢和相對含水量有所回升,至第6d回升至對照水平,表明海州常山具有很強的恢復(fù)干旱脅迫傷害能力。在濕害脅迫下,葉片水勢、相對含水量變化幅度甚微,水勢經(jīng)緩慢上升后又逐漸下降至對照水平,整個試驗期間,處理葉片水勢與對照差異不顯著(P>0.05),說明海州常山有較強的耐水濕能力。澇害脅迫下葉片水勢、相對含水量短期內(nèi)迅速上升,隨后持續(xù)急劇下降,與對照相比差異達極顯著水平(P<0.01)。2.3干旱脅迫對h由圖3顯示,盆栽海州常山從大田生長環(huán)境轉(zhuǎn)移到隔離生長環(huán)境以后,SOD酶活性短期內(nèi)(第5d)有較大幅度提高(CK、濕害和干旱處理),說明該樹種突發(fā)脅迫下存在一種自我應(yīng)激適應(yīng),在受到脅迫下可誘導(dǎo)合成或激活SOD;5d后對照和水濕處理的SOD酶活性逐漸下降,但下降幅度不大,且兩者之間差異未達到顯著水平;而持續(xù)干旱脅迫至11d,SOD酶活性依然維持較高水平,與對照未達顯著差異,此后開始大幅度下降,并與對照呈極顯著差異(P<0.01),說明該樹種具有較強的耐旱適應(yīng)能力;干旱處理復(fù)水后,海州常山SOD酶活性大幅度提高,在短期內(nèi)(3d)恢復(fù)至對照水平,這也說明該樹種具有很強的恢復(fù)干旱脅迫危害能力;海州常山在遭受澇害脅迫后,SOD酶活性呈線型持續(xù)大幅度下降,直至根系腐爛、植株死亡,說明該樹種缺少長期耐水澇能力。逆境脅迫導(dǎo)致植物產(chǎn)生大量氧自由基,加劇了膜脂過氧化從而導(dǎo)致膜系統(tǒng)受損,細胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性必然會受到影響,導(dǎo)致細胞質(zhì)外滲,破壞細胞的正常更能,最終影響植物的代謝活動和生長發(fā)育。從圖4中看出,水濕處理和干旱脅迫初期,海州常山細胞膜透性有小幅度增加,之后水濕處理的下降至對照水平,并隨之處理時間延長繼續(xù)維持平穩(wěn)水平,與對照之間未達顯著差異,而干旱脅迫處理的始終維持在較高水平,并隨時間脅迫時間延長小幅度緩慢增加,與對照差異顯著(P<0.05)。澇害脅迫下,細胞膜透性隨脅迫時間的延長大幅度升高,最大值與最小值相差33%,與對照之間差異極顯著(P<0.01),表明海州常山在水澇脅迫下細胞膜系統(tǒng)遭到明顯破壞,并受到致命的傷害。2.4干旱脅迫對葉片可溶性糖含量的影響從圖5看出,處理初期,不同處理之間游離脯氨酸含量差異很小,至第5d以后差異加大:其中水濕處理和對照之間差異不大,并且隨著時間的延長始終保持平穩(wěn)水平,與對照之間沒有顯著差異(P>0.05);而水澇脅迫和干旱脅迫處理隨著脅迫時間延長,游離脯氨酸含量持續(xù)大幅度上升,并與照呈極顯著差異(P<0.01);干旱脅迫處理復(fù)水后游離脯氨酸含量有所下降,但仍然明顯高于對照水平;澇害處理下游離脯氨酸隨脅迫時間的延長而升高,并且變化極顯著(P<0.01)。由圖6可以看出,各種脅迫處理后葉片組織可溶性糖含量的變化與游離脯氨酸含量的變化相似,其中干旱脅迫和水澇脅迫后隨著脅迫時間的持續(xù)和脅迫程度的加重,可溶性糖含量持續(xù)大幅度上升,并與對照之間形成極顯著差異(P<0.01);干旱脅迫復(fù)水后可溶性糖含量的變化也與復(fù)水后游離脯氨酸含量變化規(guī)律相似。不同之處在于,游離脯氨酸含量在脅迫處理后有一個短期內(nèi)的相對穩(wěn)定期,而可溶性糖含量卻在脅迫初期即有明顯變化,這可能與兩者的脅迫響應(yīng)機制差異有關(guān)。2.5葉片相對含水量、可溶性糖、pro.及養(yǎng)焦酶活性的關(guān)系由表1結(jié)果表明,葉片水勢與葉片相對含水量、SOD呈極顯著正相關(guān),與細胞膜透性、Pro.呈極顯著負相關(guān),與可溶性糖呈顯著負相關(guān);葉片相對含水量與可溶性糖、Pro.是極顯著負相關(guān),與細胞膜透性呈顯著負相關(guān);SOD與細胞膜透性、Pro是顯著負相關(guān);細胞膜透性與Pro、可溶性糖呈極顯著正相關(guān),Pro.與可溶性糖呈極顯著正相關(guān),可見,水分脅迫下所測的各個指標(biāo)具有極強的相關(guān)性,表明利用以上幾個指標(biāo)來評價海州常山抗逆性具有一定的力度,海州常山的變化是多因素共同綜合作用的結(jié)果。5干旱脅迫對葉片相對含水量和水勢的影響在干旱脅迫下,海州常山在脅迫第11d中午出現(xiàn)葉片萎蔫,但第12d早晨能自動恢復(fù),在第14d9:30～10:00葉片就出現(xiàn)萎蔫并且不能自動恢復(fù),但復(fù)水后又能恢復(fù)。因此海州常山在持續(xù)自然干旱14d后,出現(xiàn)暫時萎蔫,表明海州常山具有很強的抗旱性。在濕害與澇害試驗過程中,海州常山產(chǎn)生了白色肥大的皮孔,這是耐淹木本植物對淹水的標(biāo)志性形態(tài)反應(yīng)之一。耐淹植物通過形成肥大的皮孔,可以提高露于空氣中吸收O2組織的總面積,因此這是海州常山具有抗?jié)窈?、澇害能力的外在表現(xiàn);在濕害與澇害下前期海州常山下部葉片發(fā)黃原因可能涉及植物營養(yǎng)和激素水平的改變,在缺氧條件下,土壤對礦物質(zhì)的吸收大大減少,同時根部向上部運輸?shù)囊宜崤c脫落酸數(shù)量增加。海州常山在濕害后期外部形態(tài)沒有再發(fā)生,表明海州常山通過自身的調(diào)節(jié)適應(yīng)了這種環(huán)境,海州常山具有極強的持續(xù)抗?jié)窈δ芰?在澇害脅迫7～8d海州常山葉片出現(xiàn)萎蔫,最后植株死亡,是由于植物浸泡在大量水中根系的大量礦質(zhì)元素及重要中間產(chǎn)物淋溶丟失以及在無氧呼吸中產(chǎn)生的有毒物質(zhì),如乙醇、乙醛等使植物缺氧而死,說明海州常山耐澇能力較強,但沒有抗持續(xù)長時間水澇的能力。在干旱脅迫條件下,葉片相對含水量能真實的反映土壤缺水時植物體內(nèi)水分的虧缺程度,是植物抗旱性研究的生理指標(biāo)之一。在持續(xù)自然干旱脅迫下,海州常山葉片相對含水量、水勢隨著脅迫時間的延長而下降,可能是通過減小氣孔開度來減少水分散失,而使蒸騰速率下降,維持較低葉片水勢有利于形成較大的水勢梯度,以便植物從土壤中吸取水分,從而緩解水分不足對植株帶來的負面影響,這表明海州常山具有通過調(diào)節(jié)自身的葉片含水量、水勢提高抗旱的能力。在濕害、澇害脅迫下相對含水量、葉片水勢都有上升的趨勢,可能是由于根部周圍水勢上升,植物為提高適應(yīng)能力而發(fā)生的相應(yīng)變化,這與水澇脅迫下,Liao&Lin研究苦瓜(Momordicacharantia)時發(fā)現(xiàn)淹水使其氣孔導(dǎo)度降低,葉片水勢升高的結(jié)論一致。隨著脅迫時間的延長,在濕害脅迫下相對含水量、葉片水勢變化不顯著,而在澇害脅迫下葉片相對含水量、葉片水勢急劇下降,變化顯著,表明在濕害脅迫下對海州常山葉片水分影響不大,在澇害脅迫下海州常山在一定時間范圍內(nèi)可通過提高水勢、葉片相對含水量增強海州常山機體的忍受力,但植物機體的忍受力畢竟有一定限度,隨著澇害脅迫時間的延長,水勢、含水量的調(diào)節(jié)能力已超出了樹木本身所能調(diào)控的閥值范圍,造成植物失水。SOD是重要的活性氧防護酶,有效地阻止氧自由基在植物體內(nèi)的積累。逆境下植物產(chǎn)生更多的氧自由基,加劇了膜脂過氧化從而導(dǎo)致膜系統(tǒng)受損,最終組織受到破壞,細胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性必然會受到影響,膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定能力的大小直接影響到植物對抗逆性的強弱。與對照相比,在干旱脅迫下,SOD酶含量的變化、細胞膜透性破壞達到顯著水平,由于隨著干旱脅迫程度加重,植物體內(nèi)過多的活性氧自由基無法清除,導(dǎo)致SOD本身活性下降,在復(fù)水后,SOD含量有所回升,細胞膜破壞性降低,表明在干旱脅迫下對SOD酶活性、細胞膜具有很強的恢復(fù)能力;濕害脅迫下SOD酶含量的變化、細胞膜透性破壞不顯著,表明在濕害脅迫下對海州常山酶系統(tǒng)及膜系統(tǒng)未造成顯著的傷害,在澇害脅迫與干旱脅迫后期,SOD酶活性降低,細胞膜透性提高,表明在該脅迫下活性氧的積累水平已超出了樹木本身所能調(diào)控的閥值范圍,植物體內(nèi)過多的活性氧自由基無法清除,加劇了膜脂過氧化從而導(dǎo)致膜系統(tǒng)受損,最終組織受到破壞,從而導(dǎo)致細胞膜透性增加。植物滲透調(diào)節(jié)的主要方式是在細胞液泡中積累無機離子或合成有機溶質(zhì),其中可溶性糖、脯氨酸等是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)劑。在水分脅迫條件下,植物體內(nèi)游離脯氨酸會大量積累,如果其他條