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土壤水分是影响植物体内水分状况的重要因素。干旱引起植物细胞失水,导致植物体形态、生理生化发生重大变化,限制许多物种的生长范围和生存空间[1-2]。干旱条件下,植物体内产生一系列生理和生化变化来适应干旱胁迫生境,主要表现在通过积累渗透调节物质来保持一定的膨压,质膜透性抗氧化保护酶系统清除活性氧等[3]。随着全球气候变暖干热化,干旱胁迫普遍存在,而且呈加剧的趋势[4],而良好的抗旱性是绿化植物渡过高温干旱等特殊天气的基本条件,应用抗旱性强的树种有助于提高园林绿化效果并降低管护成本。小叶蚊母Distylium buxifolium,厚皮香Ternstroemia gymnanthera和轮叶蒲桃Syzygium grijsii是华东地区优新的乡土园林地被植物。小叶蚊母树形紧凑,枝叶繁茂,生态适应性强;厚皮香枝叶平展成层,树冠浑圆,叶厚光亮,花果皆适宜观赏;轮叶蒲桃枝叶密集、冠形紧凑,具较高观赏价值。目前,国内外对轮叶蒲桃、小叶蚊母和厚皮香的研究主要集中在繁育方面的研究[5-9],在抗盐性[10]、光合作用[11]等方面有少量报道。本实验通过盆栽控水试验研究了小叶蚊母、厚皮香和轮叶蒲桃等2年生扦插苗在不同干旱胁迫下的生理响应,以探讨3个树种对不同土壤水分条件的适应能力,为苗木培育和园林绿化及其管护提供科学依据。
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3种植物叶片相对含水量均随着干旱胁迫程度的加剧而显著下降(P<0.05,表 1)。胁迫处理30 d时,重度干旱处理下小叶蚊母、厚皮香和轮叶蒲桃叶片相对含水量分别为(53.38 ± 2.60)%,(46.61 ± 0.52)%和(44.65 ± 1.73)%,与对照相比分别下降了23.77%,27.73%和30.84%。3个树种叶片细胞膜透性均随干旱胁迫程度的加剧而上升(P<0.05)。胁迫处理30 d,小叶蚊母叶片细胞膜透性增幅最小,仅为22.06%;厚皮香其次,增加42.78%;轮叶蒲桃最大,达到47.92%。小叶蚊母叶片细胞膜透性在4个水分处理下均存在显著差异,而厚皮香和轮叶蒲桃在轻度干旱胁迫处理与适宜水分处理间的差异不显著,其他处理下均存在显著差异(P<0.05)。
3个树种叶绿素质量分数随干旱胁迫程度的加深而下降,与叶片相对含水量的变化趋势一致,且在不同水分供应条件下均达到差异显著性(P<0.05)。其中小叶蚊母叶绿素质量分数降幅最小,仅为27.17%;厚皮香次之,为31.80%;轮叶蒲桃下降幅度最大,达到42.00%。
表 1 干旱胁迫对 3 种乡土园林地被植物叶片相对含水量 、 细胞膜透性和叶绿素的影响
Table 1. Effect of drought stress on leaf relative water content, membrane permeability and chlorophyll content of three native garden ground cover plants
树种 处理 叶片相对含水量 /% 叶片细胞膜透性 /% 叶绿素 /(mg·g-1) 小叶蚊母 ck 58.57±2.15 a 18.10±0.37 c 2.80±0.07 a T1 56.29±1.35 b 21.31±0.49 b 2.53±0.12 b T2 53.22±1.95 c 21.57±0.23 b 2.15±0.09 c T3 44.65±1.73 d 22.09±0.61 a 2.04±0.30 d 厚皮香 ck 73.86±1.49 a 11.49±0.38 c 2.93±0.22 a T1 70.33±2.86 b 11.61±0.13 c 2.58±0.11 b T2 66.64±2.71 c 12.28±0.17 b 2.17±0.06 c T3 53.38±2.60 d 16.40±0.05 a 2.00±0.07 d 轮叶蒲桃 ck 67.40±0.96 a 7.58±0.31 c 2.61±0.25 a T1 62.13±1.70 b 7.68±0.11 c 2.49±0.07 b T2 60.58±1.34 c 10.87±0.21 b 2.20±0.04 c T3 46.61±0.52 d 11.22±0.16 a 1.51±0.12 d 说明 :不同小写字母表示处理间存在显著差异 (P<0.05)。 -
3种植物叶片游离脯氨酸、可溶性蛋白质、可溶性糖质量分数均随干旱胁迫程度的加剧而增加(表 2)。小叶蚊母在4个处理下游离脯氨酸、可溶性蛋白质、可溶性糖质量分数均达到差异显著(P<0.05);厚皮香仅可溶性蛋白质质量分数在轻度干旱和中度干旱条件下差异不显著,其余均达到差异显著;轮叶蒲桃在游离脯氨酸和可溶性蛋白质质量分数在适宜水分和轻度干旱条件下差异不显著,其余均达到差异显著。不同干旱条件下,3个树种的渗透调节物质以游离脯氨酸质量分数增幅最大,小叶蚊母、厚皮香和轮叶蒲桃在重度干旱条件下分别达到31.5,26.1和14.2 g·kg-1,分别是适宜水分的3.09,1.96和1.92倍;可溶性糖质量分数增幅其次,增幅分别为1.65,1.21和1.42倍;可溶性蛋白质质量分数增幅最小,增幅分别为1.24,1.19倍和1.11倍。说明游离脯氨酸是3种植物抵御干旱最敏感的渗透调节物质。
表 2 干旱胁迫对 3 种乡土园林地被植物渗透调节物质的影响
Table 2. Effect of drought stress on contents of osmotic adjustment substances of three native garden ground cover plants
树种 处理 游离脯氨酸 /(g·kg-1) 可溶性糖 /(mg·g-1) 可溶性蛋白质 /(mg·g-1) 小叶蚊母 ck 10.2±3.4 d 77.80±3.80 d 44.25±0.89 d T1 11.7±4.4 c 85.37±5.91 c 47.51±0.11 c T2 13.6±1.4 b 107.23±1.96 b 51.32±0.75 b T3 31.5±3.8 a 128.28±1.85 a 54.89±0.25 a 厚皮香 ck 13.3±3.3 d 14.90±1.06 c 21.55±3.05 c T1 15.2±1.4 c 16.07±1.37 b 23.99±0.20 b T2 16.4±1.4 b 17.77±0.63 ab 24.02±0.48 b T3 26.1±3.8 a 18.04±0.63 a 25.72±0.17 a 轮叶蒲桃 ck 7.4±0.9 c 123.17±4.85 d 21.63±0.67 c T1 8.9±0.5 c 125.72±4.62 c 21.98±0.32 c T2 12.7±3.8 b 139.63±9.76 b 23.54±0.94 b T3 14.2±1.4 a 174.62±4.07 a 24.60±0.57 a 说明 :不同小写字母表示处理间存在显著差异 (P<0.05)。 -
在干旱胁迫下,3种植物叶片丙二醛质量摩尔浓度均随着干旱胁迫程度的增加而升高(P<0.05,表 3)。重度干旱胁迫下,小叶蚊母、厚皮香和轮叶蒲桃叶片丙二醛质量摩尔浓度分别比适宜水分条件下高42.88%,31.42%和57.80%。随干旱胁迫程度的增加,小叶蚊母3种保护酶均显著上升,而厚皮香超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性先上升,在重度干旱胁迫下显著降低;而轮叶蒲桃3种保护酶在适宜水分、轻度干旱、中度干旱下随着干旱程度的增加而上升,在重度干旱条件下,显著下降。说明小叶蚊母和厚皮香保护酶系统对干旱胁迫的主动适应能力较强,轮叶蒲桃保护酶系统在重度干旱胁迫下最先达到能调节的极限值,抗氧化能力减弱。
表 3 干旱胁迫对 3 种乡土园林地被植物叶片保护酶活性和丙二醛质量摩尔浓度的影响
Table 3. Effect of drought stress on protective enzyme activity and MDA content of three native garden ground cover plants
树种 处理 丙二醛 /(mmol·g-1) 超氧化物歧化酶活性 / (x16.67 nkat·g-1·h-1) 过氧化物酶活性 / (μg.g-1·min-1) 过氧化氢酶活性 / (x16.67 nkat·g-1·min-1) 小叶蚊母 ck 8.86±0.75 d 838.61±51.54 d 21.35±1.20 d 18.36±1.69 d T1 9.36±0.34 c 1 127.74±118.51 c 25.98±0.24 c 26.79±1.78 c T1 10.79±0.49 b 1 294.21±114.53 b 35.81±1.07 b 28.31±1.28 b T3 12.66±1.17 a 1 381.08±136.14 a 38.98±1.68 a 31.54±0.52 a 厚皮香 ck 6.12±0.23 d 2 022.56±91.52 d 28.82±2.01 d 16.96±1.33 c T1 7.57±0.65 c 2 099.77±28.08 c 36.32±0.44 c 22.23±1.05 b T2 8.38±0.14 b 2 624.32±74.47 a 46.20±0.99 a 24.99±2.56 a T3 10.05±0.36 a 2 427.84±161.12 b 43.98±1.91 b 24.66±1.08 a 轮叶蒲桃 ck 13.34±1.47 d 603.58±83.55 d 22.98±1.68 d 10.46±0.55 d T1 16.30±0.54 c 667.02±36.57 c 24.32±0.80 c 11.87±0.18 c T2 18.94±0.86 b 866.96±11.72 a 36.51±1.20 a 16.15±0.23 a T3 21.05±0.70 a 760.79±23.0 0 b 32.18±1.36 b 14.98±0.68 b 说明 :不同小写字母表示处理间存在显著差异 (P<0.05)。 -
植物对干旱胁迫的响应是一个由多因素控制的复杂性状,利用某一指标单独评价树种的抗旱能力有很大的局限性。利用模糊数学隶属函数法是目前被普遍应用于树种抗旱性评价的一种方法[17-18]。利用上述10个生理指标的隶属函数法对3个乡土园林地被植物耐旱性进行综合评价,表明耐旱性强弱顺序为小叶蚊母>厚皮香>轮叶蒲桃(表 4)。其中,小叶蚊母在中度和重度干旱条件下的综合隶属函数值分别达到0.53和0.52,耐旱性最强,轮叶蒲桃的综合隶属函数值为0.46,耐旱性最差。
表 4 3 种乡土园林地被植物抗旱性综合评价
Table 4. Comprehensive evaluation on the drought resistance of three native garden ground cover plants
处理 树种 叶片相对含水量 (+) 细胞膜透性(一) 叶绿素 (+) 脯氨酸 (+) 可溶性糖 (+) 可溶性蛋白质(+) 超氧化物歧化酶活性 (+) 过氧化物酶活性 (+) 过氧化氢酶活性 (+) 丙二醛(一) 综合隶属函数值 抗旱性 T2 小叶蚊母 0.45 0.55 0.37 0.56 0.56 0.67 0.42 0.47 0.65 0.64 0.53 1 厚皮香 0.55 0.51 0.40 0.56 0.50 0.64 0.44 0.51 0.55 0.42 0.51 2 轮叶蒲桃 0.48 0.38 0.35 0.46 0.38 0.35 0.59 0.61 0.62 0.40 0.46 3 T3 小叶蚊母 0.58 0.51 0.50 0.46 0.52 0.65 0.44 0.46 0.48 0.56 0.52 1 厚皮香 0.42 0.57 0.60 0.50 0.44 0.45 0.66 0.50 0.57 0.32 0.50 2 轮叶蒲桃 0.40 0.45 0.38 0.44 0.53 0.54 0.58 0.27 0.49 0.52 0.46 3 说明 : “+” 表示该指标与抗旱性成正相关 , “-” 表示该指标与抗旱性成负相关 。
Physiological response of three native garden ground cover plant seedlings to increasing drought stress
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摘要: 为了更好地开发利用小叶蚊母Distylium buxifolium,厚皮香Ternstroemia gymnanthera和轮叶蒲桃Syzygium grijsii等3种优新乡土园林地被植物,采用盆栽试验研究了3种植物2年生幼苗对适宜水分、轻度干旱、中度干旱和重度干旱(土壤田间持水量的75%~80%,55%~60%,40%~45%和30%~35%)条件下的生理响应。结果表明:随着干旱胁迫程度的增加,3个树种的叶片相对含水量、叶绿素质量分数急剧下降;叶片细胞膜透性和丙二醛(MDA)质量分数急剧上升(P<0.05);游离脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白质等渗透调节物质质量分数快速上升,其中游离脯氨酸对抵御干旱起到重要的渗透调节作用。小叶蚊母叶片超氧化物歧化酶(SOD),过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性显著升高(P<0.05),表明小叶蚊母对干旱的主动响应调节能力较强;而轮叶蒲桃和厚皮香先上升,在重度干旱胁迫后下降,这时可能达到植物耐受干旱的极限,清除氧自由基的能力降低。通过隶属函数法分析得出3种乡土园林地被植物的抗旱性强弱顺序为小叶蚊母> 厚皮香> 轮叶蒲桃。Abstract: To develop and utilize three native garden ground cover plants (Distylium buxifolium, Ternstroemia gymnanthera, and Syzygium grijsii), a water controlling experiment was conducted to measure the physiological responses of soil water conditions to differing soil water contents:suitable soil moisture (field moisture capacity of 75%-80%), mild drought (55%-60%), medium drought (40%-45%), and severe drought (30%-35%). A subordinate function method was used to rank drought-resistance. Results showed that as drought stress increased, the content of leaf relative water and chlorophyll for the three plants decreased rapidly, but membrane permeability and malondialdehyde (MDA) content increased rapidly. The content of free proline, soluble sugar, and soluble protein increased with free proline playing a key role in resisting drought stress. With an increase in drought stress, the superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), and catalase (CAT) activity of D. buxifolium increased; however, T. gymnanthera and S. grijsii only increased with suitable soil moisture to medium drought conditions, and decreased with severe drought. The subordinate function method ranking drought-resistance was D. buxifolium > T. gymnanthera > S. grijsii. Thus, D. buxifolium could conduct physiological regulation by antioxidant enzyme systems; whereas T. gymnanthera and S. grijsii reached a tolerable limit where the ability to scavenge oxygen free radicals decreased rapidly.
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表 1 干旱胁迫对 3 种乡土园林地被植物叶片相对含水量 、 细胞膜透性和叶绿素的影响
Table 1. Effect of drought stress on leaf relative water content, membrane permeability and chlorophyll content of three native garden ground cover plants
树种 处理 叶片相对含水量 /% 叶片细胞膜透性 /% 叶绿素 /(mg·g-1) 小叶蚊母 ck 58.57±2.15 a 18.10±0.37 c 2.80±0.07 a T1 56.29±1.35 b 21.31±0.49 b 2.53±0.12 b T2 53.22±1.95 c 21.57±0.23 b 2.15±0.09 c T3 44.65±1.73 d 22.09±0.61 a 2.04±0.30 d 厚皮香 ck 73.86±1.49 a 11.49±0.38 c 2.93±0.22 a T1 70.33±2.86 b 11.61±0.13 c 2.58±0.11 b T2 66.64±2.71 c 12.28±0.17 b 2.17±0.06 c T3 53.38±2.60 d 16.40±0.05 a 2.00±0.07 d 轮叶蒲桃 ck 67.40±0.96 a 7.58±0.31 c 2.61±0.25 a T1 62.13±1.70 b 7.68±0.11 c 2.49±0.07 b T2 60.58±1.34 c 10.87±0.21 b 2.20±0.04 c T3 46.61±0.52 d 11.22±0.16 a 1.51±0.12 d 说明 :不同小写字母表示处理间存在显著差异 (P<0.05)。 表 2 干旱胁迫对 3 种乡土园林地被植物渗透调节物质的影响
Table 2. Effect of drought stress on contents of osmotic adjustment substances of three native garden ground cover plants
树种 处理 游离脯氨酸 /(g·kg-1) 可溶性糖 /(mg·g-1) 可溶性蛋白质 /(mg·g-1) 小叶蚊母 ck 10.2±3.4 d 77.80±3.80 d 44.25±0.89 d T1 11.7±4.4 c 85.37±5.91 c 47.51±0.11 c T2 13.6±1.4 b 107.23±1.96 b 51.32±0.75 b T3 31.5±3.8 a 128.28±1.85 a 54.89±0.25 a 厚皮香 ck 13.3±3.3 d 14.90±1.06 c 21.55±3.05 c T1 15.2±1.4 c 16.07±1.37 b 23.99±0.20 b T2 16.4±1.4 b 17.77±0.63 ab 24.02±0.48 b T3 26.1±3.8 a 18.04±0.63 a 25.72±0.17 a 轮叶蒲桃 ck 7.4±0.9 c 123.17±4.85 d 21.63±0.67 c T1 8.9±0.5 c 125.72±4.62 c 21.98±0.32 c T2 12.7±3.8 b 139.63±9.76 b 23.54±0.94 b T3 14.2±1.4 a 174.62±4.07 a 24.60±0.57 a 说明 :不同小写字母表示处理间存在显著差异 (P<0.05)。 表 3 干旱胁迫对 3 种乡土园林地被植物叶片保护酶活性和丙二醛质量摩尔浓度的影响
Table 3. Effect of drought stress on protective enzyme activity and MDA content of three native garden ground cover plants
树种 处理 丙二醛 /(mmol·g-1) 超氧化物歧化酶活性 / (x16.67 nkat·g-1·h-1) 过氧化物酶活性 / (μg.g-1·min-1) 过氧化氢酶活性 / (x16.67 nkat·g-1·min-1) 小叶蚊母 ck 8.86±0.75 d 838.61±51.54 d 21.35±1.20 d 18.36±1.69 d T1 9.36±0.34 c 1 127.74±118.51 c 25.98±0.24 c 26.79±1.78 c T1 10.79±0.49 b 1 294.21±114.53 b 35.81±1.07 b 28.31±1.28 b T3 12.66±1.17 a 1 381.08±136.14 a 38.98±1.68 a 31.54±0.52 a 厚皮香 ck 6.12±0.23 d 2 022.56±91.52 d 28.82±2.01 d 16.96±1.33 c T1 7.57±0.65 c 2 099.77±28.08 c 36.32±0.44 c 22.23±1.05 b T2 8.38±0.14 b 2 624.32±74.47 a 46.20±0.99 a 24.99±2.56 a T3 10.05±0.36 a 2 427.84±161.12 b 43.98±1.91 b 24.66±1.08 a 轮叶蒲桃 ck 13.34±1.47 d 603.58±83.55 d 22.98±1.68 d 10.46±0.55 d T1 16.30±0.54 c 667.02±36.57 c 24.32±0.80 c 11.87±0.18 c T2 18.94±0.86 b 866.96±11.72 a 36.51±1.20 a 16.15±0.23 a T3 21.05±0.70 a 760.79±23.0 0 b 32.18±1.36 b 14.98±0.68 b 说明 :不同小写字母表示处理间存在显著差异 (P<0.05)。 表 4 3 种乡土园林地被植物抗旱性综合评价
Table 4. Comprehensive evaluation on the drought resistance of three native garden ground cover plants
处理 树种 叶片相对含水量 (+) 细胞膜透性(一) 叶绿素 (+) 脯氨酸 (+) 可溶性糖 (+) 可溶性蛋白质(+) 超氧化物歧化酶活性 (+) 过氧化物酶活性 (+) 过氧化氢酶活性 (+) 丙二醛(一) 综合隶属函数值 抗旱性 T2 小叶蚊母 0.45 0.55 0.37 0.56 0.56 0.67 0.42 0.47 0.65 0.64 0.53 1 厚皮香 0.55 0.51 0.40 0.56 0.50 0.64 0.44 0.51 0.55 0.42 0.51 2 轮叶蒲桃 0.48 0.38 0.35 0.46 0.38 0.35 0.59 0.61 0.62 0.40 0.46 3 T3 小叶蚊母 0.58 0.51 0.50 0.46 0.52 0.65 0.44 0.46 0.48 0.56 0.52 1 厚皮香 0.42 0.57 0.60 0.50 0.44 0.45 0.66 0.50 0.57 0.32 0.50 2 轮叶蒲桃 0.40 0.45 0.38 0.44 0.53 0.54 0.58 0.27 0.49 0.52 0.46 3 说明 : “+” 表示该指标与抗旱性成正相关 , “-” 表示该指标与抗旱性成负相关 。 -
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