石漠化是喀斯特地区土地退化的极端形式，石质荒漠化地区土层浅薄、渗漏严重、保水性差，经常出现临时性干旱现象，因此地质性干旱是石漠化地区植被恢复与重建的首要限制因素^[1-5]。大量研究表明，植物幼苗期的生理活动与干旱胁迫有密切关系^[6-8]：随着干旱胁迫的加剧，质膜相对透性上升, 渗透调节物质可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸含量等均有所增加，保护酶超氧化物歧化酶(SOD)活性表现先增加后减少，脂质过氧化物丙二醛(MDA)含量呈现逐渐上升趋势。

圆叶乌桕Triadica rotundifolia为大戟科乌桕属乔木树种，自然分布在中国南部与西南部喀斯特地区，是石灰岩地区的特有植物^[9-10]。圆叶乌桕喜生于阳光充足的石灰岩山地，叶片Ca含量和吸收Ca能力较高，是嗜钙型植物也是钙质土的指示植物^[11-12]。圆叶乌桕的叶解剖研究表明, 叶表皮具有较厚的角质层与蜡质层，表皮细胞小且排列紧密，气孔小且无规则形态，栅栏组织和海绵组织发达，栅栏组织细胞内叶绿体发达等适应石灰岩旱生环境的结构特征^[13-15]。另外，圆叶乌桕枝叶凋落物的养分含量高，降解速率快，是喀斯特地区退化土地植被重建与土壤养分恢复较好的树种^[16-17]。本研究选用圆叶乌桕为材料，通过盆栽试验研究干旱胁迫对圆叶乌桕幼苗生理生化指标的影响，探讨圆叶乌桕对干旱胁迫的生理响应机制，对认识石灰岩特有植物圆叶乌桕的抗旱性能有重要意义，为石漠化地区选择抗旱及耐旱性能好的植物材料提供理论支持与科学依据。

1.   材料与方法

1.1   试验材料

试验地设在华南农业大学林学院六楼南面的教学苗圃内，试验材料为石漠化地区树种圆叶乌桕2年生播种苗。于2014年3月采用25 cm×23 cm规格的花盆进行移植，每盆1株，移植40株，培养基质为V(河沙):V(黄心土):V(泥炭土)=5:3:2，基质土壤密度为(1.27±0.12)g·cm^-3，田间持水量为(28.38±4.66)%。经过4个月的缓苗生长，苗木均长势良好，幼苗生长基本情况为苗高(23.04±4.19)cm、地径(14.11±1.71)mm。

1.2   试验设计

于2014年7月23日对所有供试苗木浇透水后，选取长势良好、生长情况相近的圆叶乌桕苗木30株，将花盆用塑料袋完全套住(从苗木根茎处覆盖整个表面，并密封花盆底部)，以防止土壤的水分蒸发，并于当天第1次采样作为供试苗木正常水分条件对照，此后停止浇水进行自然干旱胁迫，在干旱第3、6、9、12、15、18、21、24、28、32天采样，进行各项生理指标测定。试验当天早上08:00，任意选取4株未挂牌幼苗上叶位相同(第3~5轮)的新鲜功能叶片共计8片，蒸馏水冲洗2~3次，吸水纸吸干叶表面水分后进行各项生理指标测定，每个指标设3个重复。随着干旱胁迫的进行，选用挂牌且未被破坏取样的6株圆叶乌桕幼苗定期检测土壤含水量。一般认为土壤质量含水量占田间持水量80%以上为正常水分条件(CK)，50%~70%为轻度干旱(LD)，30%~50%为中度干旱(MD)，低于30%为重度干旱(SD)^[18]。根据本试验测定的土壤含水量，最终确定封盆后的0~3 d为正常水分时期，此时土壤质量含水量占田间持水量的80%~100%，当土壤含水量下降至田间持水量的51%~70%(封盆后6~9 d)、32%~45%(封盆后12~18 d)、15%~26%(封盆后21~32 d)时，分别视为轻度干旱、中度干旱和重度干旱时期。

1.3   测定指标与方法

采用FOM/mts便携式土壤湿度计快速测定土壤体积含水量。土壤质量含水量(%)=体积含水量(%)/土壤容重(g·cm^-3)。采用简易浸泡法测定叶片相对电导率^[19]；用硫代巴比妥酸(TBA)比色法测定丙二醛(MDA)含量^[20]；采用氯化硝基四氮唑蓝(NBT)光化还原法测定SOD活性^[21]；用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白质含量^[21]；用酸性茚三酮法测定脯氨酸含量^[20]。

1.4   数据处理与分析

采用Excel 2007作图，SPSS 19.0进行AVOVA方差分析和Duncan’s多重比较。

2.   结果与分析

2.1   干旱胁迫对圆叶乌桕幼苗叶片相对电导率的影响

由图 1A可以看出，圆叶乌桕的叶片相对电导率随着干旱胁迫程度的加剧呈阶梯形升高的趋势。在正常水分时期(0~3 d)及轻度干旱时期(6~9 d)，叶片相对电导率略微上升，但不显著且保持稳定，分别维持在8.5%和10.6%，在中度干旱时期(12~18 d)叶片相对电导率显著增大后维持在稳定水平(P＜0.05)，是正常水分条件的2.5倍，在重度干旱末期(28~32 d)叶片相对电导率再次显著提高(P＜0.05)，与正常水分条件相比增加了3.3倍。

图  1  干旱胁迫下圆叶乌桕叶片相对电导率(A)、MDA(B)、脯氨酸(C)和可溶性蛋白质含量(D)的变化

各曲线数据点上方凡是有一个相同小写英文字母者，表示差异不显著(Duncan’s法，P>0.05)。

Figure  1.  Changes of electrolyte leakage rate(A), MDA(B), proline(C) and soluble protein contents(D) in leaves of Triadica rotundifolia under drought stress

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2.2   干旱胁迫对圆叶乌桕幼苗叶片MDA含量的影响

从图 1B可以看出，随着干旱胁迫的进行，叶片MDA含量呈现先上升后下降的趋势。圆叶乌桕叶片MDA质量摩尔浓度在第0天为1.84 nmol·g^-1，在轻度干旱时期(6~9 d)略微上升，在中度干旱和重度干旱时期(12~21 d)急剧上升，在第21天达到峰值51.36 nmol·g^-1后显著下降并维持在较高水平(31.88~32.84 nmol·g^-1)。

2.3   干旱胁迫对圆叶乌桕叶片渗透调节物质含量的影响

如图 1C所示，圆叶乌桕叶片脯氨酸含量随着干旱胁迫程度的加剧呈持续上升的趋势。其中，在干旱第0天脯氨酸质量分数为14.72 μg·g^-1，在轻度干旱与中度干旱时期(6~20 d)上升缓慢(P＜0.05)，在重度干旱时期(21~32 d)急剧上升(P＜0.05)，第32天比第0天的叶片脯氨酸含量增加了12.4倍。由此说明，随着干旱胁迫的发展，尤其在干旱胁迫的后期，圆叶乌桕幼苗叶片脯氨酸积累现象越来越明显。

图 1D显示了干旱胁迫下圆叶乌桕叶片可溶性蛋白质的变化情况。其中第0天可溶性蛋白质质量分数为1.34 mg·g^-1，在干旱处理后的前21 d内，可溶性蛋白质随着胁迫程度的加深，其含量逐渐升高，在第21天时，可溶性蛋白质质量分数达到峰值2.31 mg·g^-1，比第0天显著上升了172.18%(P＜0.05)，此后可溶性蛋白质含量在重度干旱时期呈显著下降趋势。

2.4   干旱胁迫对SOD活性的影响

随着干旱胁迫的发生，叶片SOD比活力呈现先上升后下降再上升的变化(图 2)，干旱第0天为72.35 U·mg^-1，干旱第18天时达到峰值，为92.77 U·mg^-1，干旱第21天达到最低值后显著上升；叶片SOD活性在第0天为97.22 U，随着干旱时间的持续而逐步增加(图 2)，在第18天达到峰值159.19 U，比第0天活性增加63.7%，随后，SOD活性显著下降(P＜0.05)，并维持在较高的水平。

图  2  干旱胁迫下圆叶乌桕叶片SOD活性的变化

图中同一条曲线的数据点上，凡是有一个相同小写英文字母者，表示差异不显著(Duncan’s法，P>0.05)。

Figure  2.  Changes of SOD activities in leaves of Triadica rotundifolia under drought stress

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3.   讨论与结论

3.1   干旱胁迫下圆叶乌桕幼苗叶片相对电导率的变化特征

植物在逆境条件下，细胞质膜透性变化敏感，通过测定叶片电解质出率，在一定程度上可以了解植物组织受损伤的程度及膜的稳定性^[22]。许多研究证实^[23-24]：植物叶片相对电导率随着干旱胁迫程度的增加而逐渐上升，抗旱性较强的植物叶片相对电导率变化幅度较小。本试验结果表明，干旱胁迫初期对圆叶乌桕叶片相对电导率影响不大，随着干旱胁迫的进一步发展，部分电解质外渗，相对电导率升高，但此时渗透调节物质脯氨酸大量积累和SOD活性明显提高，有效维持了细胞膜的正常功能，有效抑制了膜质过氧化作用，使干旱中期叶片相对电导率仍能维持稳定，表明圆叶乌桕在一定程度的干旱胁迫下具有忍耐干旱的能力。这与赵家梅等^[25]对道真润楠Machilus dauzhenensis的研究结果一致。

3.2   干旱胁迫下圆叶乌桕幼苗叶片渗透调节物质含量的变化特征

渗透调节是植物应对干旱胁迫的一种适应性生理机制。可溶性蛋白质具有亲水性胶体的性质，是一种重要的渗透调节物质^[26]。干旱胁迫下可溶性蛋白质可以增强细胞的保水能力，以维持其正常的代谢活动，从而增强植物体的抗旱能力^[26]。有研究表明^[27-28]，当受到干旱胁迫时，有些植物的可溶性蛋白质呈现先上升后下降的单峰曲线，可能是因为在水分亏缺的条件下，水解酶活性提高，使蛋白质合成受阻，产生游离氨基酸或被特定基因表达形成多肽(如干旱逆境蛋白质)。本试验中，圆叶乌桕幼苗叶片可溶性蛋白质含量在轻度和中度干旱胁迫下持续增加，表现出一定的耐受能力，而其可溶性蛋白质含量在重度胁迫时达峰值后急剧下降，可能是由于水解酶活性提高或特定多肽的产生，导致可溶性蛋白质含量显著下降(P＜0.05)。这与鸭茅Dactylis glomerata和欧美Ⅰ-107杨Populus×euramericana cv. Neva的研究结果^[27-28]一致。

脯氨酸是植物对干旱胁迫反应敏感的有机调节物质。大量研究表明，随着干旱胁迫的加重，植物体内脯氨酸含量大量累积，降低了渗透势，在一定范围维持膨压稳定^[28-29]。本研究表明，在整个干旱胁迫时期，圆叶乌桕幼苗叶片通过快速积累脯氨酸，起到保护该树种免受渗透胁迫伤害的作用，表现出较强的耐旱潜力。

3.3   干旱胁迫下圆叶乌桕幼苗MDA含量和SOD活性的变化特征

超氧化物歧化酶(SOD)是保护酶系统中的关键酶之一，具有快速清除超氧自由基和有效控制膜质过氧化的功能^[30-32]。在干旱条件下，SOD活性的变化因树种及其受到胁迫方式、程度的不同而不同。前人研究表明，在干旱胁迫初期，植物SOD活性提高，从而抵御逆境，但随着胁迫程度加深，植物代谢发生紊乱，特别是在胁迫中后期，SOD活性显著降低^{[30-31, 33]}。这与本试验研究结果一致，随着干旱程度的加重，圆叶乌桕叶片SOD活性显著提高，虽然在重度胁迫时期其酶活性出现下降，但仍高于对照，说明圆叶乌桕通过增强SOD酶活性，有效地清除代谢失调而产生的过剩自由基，提高了圆叶乌桕适应干旱胁迫的能力。

丙二醛(MDA)是膜质氧化降解的主要产物，其含量的变化直接反映了植物受逆境的程度。有研究表明，膜质过氧化产物与保护酶活性存在一定的相关性^{[32, 34]}。本研究中圆叶乌桕叶片的MDA含量在中度和重度干旱胁迫下都显著提高，且重度干旱胁迫的MDA含量低于中度干旱胁迫, 说明圆叶乌桕可能由于前期适应干旱的锻炼，形成了一定的抗旱机制，这与红花玉兰Magnolia wufengensis^[35]和荒漠植物红砂Reaumuria soongorica^[30]的研究结果相似。

3.4   不同干旱时期圆叶乌桕的生理响应机制不同

综上所述，圆叶乌桕的生理代谢受到土壤水分亏缺的显著影响，其对干旱的适应能力也较强。圆叶乌桕在面对不同程度干旱胁迫时响应机制不同，当圆叶乌桕处于轻度干旱和中度干旱时，主要体现为叶片相对电导率的增加、膜质过氧化程度加剧、活性氧自由基增加，但由于植物体内渗透调节物质(脯氨酸、可溶性蛋白质)含量的增加和SOD酶积极抵御活性氧伤害的协同作用，有效缓解了水分亏缺对圆叶乌桕幼苗造成的伤害；而当圆叶乌桕处于重度干旱时，胁迫程度超过了保护酶SOD积极防御的范畴，其活性下降，此时主要的生理响应机制是通过提高渗透物质的含量，增强圆叶乌桕的叶片保水性从而提高抵抗干旱的能力。

本研究各生理指标的测定结果初步证明，圆叶乌桕幼苗对干旱胁迫响应积极，表现出一定的耐旱潜力，从这个角度来看，圆叶乌桕对水分亏缺具有较强的生态适应能力，可在石漠化地区进行生态恢复时作为重点考虑树种。