水分胁迫对盆栽根颡苗生长的影响

水分胁迫对盆栽根颡苗生长的影响

水是植物生长的重要生态因素之一，影响着植物的生长发育、生理代谢和地理分布。水分胁迫是植物生长发育过程中经历的各种胁迫环境中最常见、最普遍的逆境因子之一。植物对土壤水分胁迫的响应包含着极其复杂的生理生化变化,并形成了受遗传性制约的适应机制。按照Levitt的分类,水分胁迫包括干旱胁迫(水分亏缺)和水涝胁迫(洪涝)。两者对植物生理代谢及生长发育均有很大影响,因此水分胁迫的研究对植物的栽培与生产有其重要的现实意义。目前对黄檗、冬青属等植物进行了淹水与抗旱性评价,但迄今有关海州常山淹水与耐旱性方面的研究和评价尚未见报道。海州常山(ClerodendrumtrichotomumThumb)为马鞭草科赪桐属小乔木或灌木,原产我国,广泛分布于我国华北、华东、中南和西南各省。海州常山花序大,花蕾嫩绿或粉红色,花瓣洁白或带红晕,花萼艳红,果实墨蓝色,花萼殷红宿存期长,花期和坐果期自6月至11月长达半年,具有极强的观赏性。海州常山根系发达,适应性强,耐干旱瘠薄,对盐碱和湿涝有较强耐性,常野生分布于干旱瘠薄的沙石山、石灰岩山地和南方贫瘠山地红壤,是干旱山地、盐碱地造林、城市绿化和沟渠绿化的理想树种。本研究通过在模拟干旱和水涝环境胁迫下海州常山苗期生长和形态特征及氧化物歧化酶(SOD)活性、渗调物质(可溶性糖、游离脯氨酸)、细胞膜透性、叶片相对含水量叶片水势生理生化特性的变化,探讨海州常山对水分逆境胁迫的生理生态适应性机制,旨在为海州常山育苗及造林绿化提供科学依据。1试验材料和方法1.1生长状态试验试验地点位于山东农业大学教学基地林学站。采用盆栽试验方法,盆体高30cm,直径40cm,泥质,盆栽基质为砂壤土。试验材料为1年生海州常山健壮根蘖苗,高120cm,地径1.2cm,3月下旬树液流动前栽植,每盆2株。大田开沟,将盆栽试验材料摆放其中,培土至盆体上沿3cm,采用常规管理方法至8月中旬盆栽材料进入正常生长状态,将盆栽试验材料取出。试验处理包括对照、干旱胁迫、湿害胁迫和涝害胁迫4种处理。对照(CK):正常管理,土壤田间持水量保持在60%～80%。湿害处理:将盆置于口径大于盆下口径的塑料盆中,从处理开始起保持塑料盆中水面3～4cm致使土壤自动吸水,以保证土壤含水量持续饱和状态。涝害处理:将盆栽苗木置于口径大于花盆上口径的塑料桶中,从处理开始起保持盆中水面高于花盆土面3～4cm,试验持续至苗木死亡。干旱胁迫处理:采用自然失水的方法,形成时间序列干旱胁迫土壤水分梯度,试验直至苗木萎蔫不能夜间自行回复,然后复水。上述试验自处理后当日起每隔3d取样测试一次,重复5次。各处理每盆选择1株,于每次测定当日10:00am摘取2片正常功能叶片,置于0℃保温桶内带回实验室,测定各重复的叶片相对含水量、叶片水势、细胞相对质膜透性、脯氨酸与可溶性糖含量、SOD酶活性等项生化指标;另一株用于形态观测和同步光合、蒸腾作用测定。1.2抗氧化酶活性测定蒽酮比色法测定可溶性糖含量,酸性茚三酮比色法测定游离脯氨酸含量,电导法(DDS-IIA电导仪)测定膜透性,超氧化物歧化酶(SOD)的活性采用氧化硝基四氮唑蓝(NBT)法测定。叶片相对含水量用称重法测定,计算公式:RWC/%=[(鲜样质量-干样质量)/(饱和鲜样质量-干样质量)]*100。叶片水势(Lwp)用数显式Psypro露点水势仪测定,蒸腾速率(E)与净光合速率(Pn)采用便携式光合测定系统(TPS-1)于上午10:00～10:30测定。数据用Exce1、SPSS统计分析。2结果与分析2.1材料的持续湿害胁迫对苗木生长的影响在持续自然干旱胁迫下,前11d海州常山外部形态没有明显变化,其生长比对照稍微缓慢;第11d后中午叶片出现萎蔫,但来日凌晨能自动恢复;第14d叶片9:30～10:00出现萎蔫并且不能自动恢复;第15d复水后至第17d有6棵苗木的叶片恢复,其余植株逐渐死亡。持续湿害胁迫下第7～10d,所有10株处理材料中有6株下部2～3片叶变黄,其中5棵苗木茎基部出现皮孔,以后外部形态没再发生变化,并且对其生长没有明显的影响;涝害胁迫第4d,海州常山有8棵苗木下部2～3片叶变黄,第5d基部的出现肥大白色皮孔,第7d有4棵苗木出现叶片萎蔫,第8d叶全部萎蔫,甚至脱落,其根变褐色,毛细根有的变黑腐烂,说明海州常山耐涝能力较强,但没有抗持续长时间水涝的能力。2.2叶片水势和相对含水量的变化由图1、2可知:在水分胁迫下对海州常山叶片水势、叶片相对含水量有一定的影响,但是不同的水分胁迫处理对叶片水势、相对含水量变化不同。与对照相比,干旱胁迫初期叶片水势下降不明显,8d以后叶片水势和相对含水量开始急剧下降并与对照呈极显著差异(P<0.01),复水后第3d,除了死亡植株以外,其余植株叶片水势和相对含水量有所回升,至第6d回升至对照水平,表明海州常山具有很强的恢复干旱胁迫伤害能力。在湿害胁迫下,叶片水势、相对含水量变化幅度甚微,水势经缓慢上升后又逐渐下降至对照水平,整个试验期间,处理叶片水势与对照差异不显著(P>0.05),说明海州常山有较强的耐水湿能力。涝害胁迫下叶片水势、相对含水量短期内迅速上升,随后持续急剧下降,与对照相比差异达极显著水平(P<0.01)。2.3干旱胁迫对h由图3显示,盆栽海州常山从大田生长环境转移到隔离生长环境以后,SOD酶活性短期内(第5d)有较大幅度提高(CK、湿害和干旱处理),说明该树种突发胁迫下存在一种自我应激适应,在受到胁迫下可诱导合成或激活SOD;5d后对照和水湿处理的SOD酶活性逐渐下降,但下降幅度不大,且两者之间差异未达到显著水平;而持续干旱胁迫至11d,SOD酶活性依然维持较高水平,与对照未达显著差异,此后开始大幅度下降,并与对照呈极显著差异(P<0.01),说明该树种具有较强的耐旱适应能力;干旱处理复水后,海州常山SOD酶活性大幅度提高,在短期内(3d)恢复至对照水平,这也说明该树种具有很强的恢复干旱胁迫危害能力;海州常山在遭受涝害胁迫后,SOD酶活性呈线型持续大幅度下降,直至根系腐烂、植株死亡,说明该树种缺少长期耐水涝能力。逆境胁迫导致植物产生大量氧自由基,加剧了膜脂过氧化从而导致膜系统受损,细胞膜结构的稳定性必然会受到影响,导致细胞质外渗,破坏细胞的正常更能,最终影响植物的代谢活动和生长发育。从图4中看出,水湿处理和干旱胁迫初期,海州常山细胞膜透性有小幅度增加,之后水湿处理的下降至对照水平,并随之处理时间延长继续维持平稳水平,与对照之间未达显著差异,而干旱胁迫处理的始终维持在较高水平,并随时间胁迫时间延长小幅度缓慢增加,与对照差异显著(P<0.05)。涝害胁迫下,细胞膜透性随胁迫时间的延长大幅度升高,最大值与最小值相差33%,与对照之间差异极显著(P<0.01),表明海州常山在水涝胁迫下细胞膜系统遭到明显破坏,并受到致命的伤害。2.4干旱胁迫对叶片可溶性糖含量的影响从图5看出,处理初期,不同处理之间游离脯氨酸含量差异很小,至第5d以后差异加大:其中水湿处理和对照之间差异不大,并且随着时间的延长始终保持平稳水平,与对照之间没有显著差异(P>0.05);而水涝胁迫和干旱胁迫处理随着胁迫时间延长,游离脯氨酸含量持续大幅度上升,并与照呈极显著差异(P<0.01);干旱胁迫处理复水后游离脯氨酸含量有所下降,但仍然明显高于对照水平;涝害处理下游离脯氨酸随胁迫时间的延长而升高,并且变化极显著(P<0.01)。由图6可以看出,各种胁迫处理后叶片组织可溶性糖含量的变化与游离脯氨酸含量的变化相似,其中干旱胁迫和水涝胁迫后随着胁迫时间的持续和胁迫程度的加重,可溶性糖含量持续大幅度上升,并与对照之间形成极显著差异(P<0.01);干旱胁迫复水后可溶性糖含量的变化也与复水后游离脯氨酸含量变化规律相似。不同之处在于,游离脯氨酸含量在胁迫处理后有一个短期内的相对稳定期,而可溶性糖含量却在胁迫初期即有明显变化,这可能与两者的胁迫响应机制差异有关。2.5叶片相对含水量、可溶性糖、pro.及养焦酶活性的关系由表1结果表明,叶片水势与叶片相对含水量、SOD呈极显著正相关,与细胞膜透性、Pro.呈极显著负相关,与可溶性糖呈显著负相关;叶片相对含水量与可溶性糖、Pro.是极显著负相关,与细胞膜透性呈显著负相关;SOD与细胞膜透性、Pro是显著负相关;细胞膜透性与Pro、可溶性糖呈极显著正相关,Pro.与可溶性糖呈极显著正相关,可见,水分胁迫下所测的各个指标具有极强的相关性,表明利用以上几个指标来评价海州常山抗逆性具有一定的力度,海州常山的变化是多因素共同综合作用的结果。5干旱胁迫对叶片相对含水量和水势的影响在干旱胁迫下,海州常山在胁迫第11d中午出现叶片萎蔫,但第12d早晨能自动恢复,在第14d9:30～10:00叶片就出现萎蔫并且不能自动恢复,但复水后又能恢复。因此海州常山在持续自然干旱14d后,出现暂时萎蔫,表明海州常山具有很强的抗旱性。在湿害与涝害试验过程中,海州常山产生了白色肥大的皮孔,这是耐淹木本植物对淹水的标志性形态反应之一。耐淹植物通过形成肥大的皮孔,可以提高露于空气中吸收O2组织的总面积,因此这是海州常山具有抗湿害、涝害能力的外在表现;在湿害与涝害下前期海州常山下部叶片发黄原因可能涉及植物营养和激素水平的改变,在缺氧条件下,土壤对矿物质的吸收大大减少,同时根部向上部运输的乙酸与脱落酸数量增加。海州常山在湿害后期外部形态没有再发生,表明海州常山通过自身的调节适应了这种环境,海州常山具有极强的持续抗湿害能力;在涝害胁迫7～8d海州常山叶片出现萎蔫,最后植株死亡,是由于植物浸泡在大量水中根系的大量矿质元素及重要中间产物淋溶丢失以及在无氧呼吸中产生的有毒物质,如乙醇、乙醛等使植物缺氧而死,说明海州常山耐涝能力较强,但没有抗持续长时间水涝的能力。在干旱胁迫条件下,叶片相对含水量能真实的反映土壤缺水时植物体内水分的亏缺程度,是植物抗旱性研究的生理指标之一。在持续自然干旱胁迫下,海州常山叶片相对含水量、水势随着胁迫时间的延长而下降,可能是通过减小气孔开度来减少水分散失,而使蒸腾速率下降,维持较低叶片水势有利于形成较大的水势梯度,以便植物从土壤中吸取水分,从而缓解水分不足对植株带来的负面影响,这表明海州常山具有通过调节自身的叶片含水量、水势提高抗旱的能力。在湿害、涝害胁迫下相对含水量、叶片水势都有上升的趋势,可能是由于根部周围水势上升,植物为提高适应能力而发生的相应变化,这与水涝胁迫下,Liao&Lin研究苦瓜(Momordicacharantia)时发现淹水使其气孔导度降低,叶片水势升高的结论一致。随着胁迫时间的延长,在湿害胁迫下相对含水量、叶片水势变化不显著,而在涝害胁迫下叶片相对含水量、叶片水势急剧下降,变化显著,表明在湿害胁迫下对海州常山叶片水分影响不大,在涝害胁迫下海州常山在一定时间范围内可通过提高水势、叶片相对含水量增强海州常山机体的忍受力,但植物机体的忍受力毕竟有一定限度,随着涝害胁迫时间的延长,水势、含水量的调节能力已超出了树木本身所能调控的阀值范围,造成植物失水。SOD是重要的活性氧防护酶,有效地阻止氧自由基在植物体内的积累。逆境下植物产生更多的氧自由基,加剧了膜脂过氧化从而导致膜系统受损,最终组织受到破坏,细胞膜结构的稳定性必然会受到影响,膜结构稳定能力的大小直接影响到植物对抗逆性的强弱。与对照相比,在干旱胁迫下,SOD酶含量的变化、细胞膜透性破坏达到显著水平,由于随着干旱胁迫程度加重,植物体内过多的活性氧自由基无法清除,导致SOD本身活性下降,在复水后,SOD含量有所回升,细胞膜破坏性降低,表明在干旱胁迫下对SOD酶活性、细胞膜具有很强的恢复能力;湿害胁迫下SOD酶含量的变化、细胞膜透性破坏不显著,表明在湿害胁迫下对海州常山酶系统及膜系统未造成显著的伤害,在涝害胁迫与干旱胁迫后期,SOD酶活性降低,细胞膜透性提高,表明在该胁迫下活性氧的积累水平已超出了树木本身所能调控的阀值范围,植物体内过多的活性氧自由基无法清除,加剧了膜脂过氧化从而导致膜系统受损,最终组织受到破坏,从而导致细胞膜透性增加。植物渗透调节的主要方式是在细胞液泡中积累无机离子或合成有机溶质,其中可溶性糖、脯氨酸等是植物体内重要的渗透调节剂。在水分胁迫条件下,植物体内游离脯氨酸会大量积累,如果其他条