持续沙埋胁迫下樟子松幼树的逆境生理响应变化

　　在我国北方风沙地区，植物经常受到风吹沙埋的胁迫[1 -2].在风沙活动强烈地区，由于风吹沙埋等恶劣环境的危害，大多数植物无法生存，因而植被稀疏，物种多样性很低。但是，即使在这样恶劣环境中，也仍然有少数植物能够正常生存和繁衍，为这些地区植被的恢复重建带来希望[2 -3].因此，近些年来随着人们对生态环境保护和恢复重建的日益重视，风吹沙埋对于植物的影响及其适应研究正受到更多重视。

　　关于沙埋对植物影响的研究，国内外已有很多报道。从现有文献看，研究焦点集中于沙埋对植物种子萌发、幼苗出土、存活和生长的影响[4 -5].例如，马红媛等[4]研究了四种沙埋深度对羊草（Leymus chinen-sis） 种子萌发和幼苗生长的影响，李秋艳等[5]等研究了五种荒漠植物幼苗出土及生长对沙埋深度的响应。

　　关于沙埋对植物存活、形态和繁殖影响的研究，也有一些报道，如赵文智和刘志民[6]研究了砂生槐（Sopho-ra moorcroftiana） 繁殖和生长对沙埋的响应，米志英等[7]研究了沙埋对沙柳形态特征的影响等。研究已经证实，由于沙埋可以改变地面光合有效辐射和土壤温度、水分、有机质含量等环境条件，因而可以显着影响植物种子萌发、幼苗存活、生长和植物形态特征[4 -7].但迄今为止，有关沙埋对于植物生长特性及其生理变化过程的研究还鲜有报道，对于持续沙埋胁迫下樟子松幼树的逆境生理响应变化规律还知之甚少。

　　1 研究方法

　　1. 1 研究区自然概况

　　研究区位于内蒙古通辽市奈曼旗境内，地处科尔沁沙地腹地（42°55' -42°57'N,120°41' -120°45'E,海拔 340 ~370m） .该区属温带半干旱大陆性气候，年均降水量 356. 9mm,年均蒸发量 1900mm,年均气温6. 5℃ ,≥10℃年积温 3190℃，无霜期 151d; 年平均风速 3. 4m·s- 1,年平均扬沙天气 20 ~30d.地貌以高低起伏的沙丘地和平缓草甸或农田交错分布为特征，土壤多为风沙土或沙质草甸土。研究区天然植物群落以中旱生植物为主，主要植物种有沙米（Agriophyllum squarrosum） 、大果虫实（Corispermum marocarpum） 、猪毛菜（Salsola collina） 、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla） 等，樟子松作为人工林常绿树种在当地广泛种植。

　　1. 2 试验材料和试验设计

　　试验地设置于中国科学院奈曼沙漠化研究站的水分平衡场内。试验材料为长势良好，高矮基本一致的 3 龄樟子松幼树，试验前一年秋季将其移栽至直径 30cm,深 35cm 的无底塑料花盆中，通过适时适量浇水和冬季防冻等措施保证其生长良好和安全越冬。试验设计为 A、B、C、D、E、F、G、H、I、J 和 K 等 11 个沙埋处理，其沙埋深度分别为株高的 25%、50%、75%、100% 和株高以上 2、4、6、8、10、15 和 20cm.另外，设置一个非沙埋处理作为对照（CK） .试验采用区组排列，每个处理 6 个重复，每个重复为 1 棵樟子松幼树。

　　沙埋试验于 2013 年春季樟子松顶芽萌长初期进行，沙埋前测定和挑选相同高度植株，使各处理植株高度差异不显着，其植株平均高度为 27. 2 ±1. 2cm.沙埋时，按照试验设计，下挖不同深度，然后将栽有幼苗的花盆放入，保持枝条延展保持原状，再用沙子小心埋到预设高度，使埋后沙面与地面平齐。沙子来源于周边流动沙丘上的流沙，埋后不进行灌水。

　　1. 3 测定内容与方法

　　在沙埋后分别于第14 天和第48 天将幼树小心挖出进行取样。其中，第1 次取样时，除 D 处理（100%沙埋） 和 E 处理（株高以上2cm 沙埋） 顶芽已出土外，其他完全沙埋处理植株顶芽均未出土，被埋叶片颜色变浅，但未发现叶片腐烂和死亡现象。第 1 次取样后，将其按原方法再次埋入，至第 2 次取样时，植株顶部少量叶片外，绝大多数被埋叶片已经腐烂，未出土的全埋植株濒临死亡。因此，将两次取样时间分别定义为沙埋初期和沙埋后期。

　　取样时，用剪刀剪取植株部分上部叶片，一部分材料即刻带回实验室测定细胞膜透性和叶片相对含水量，另一部分材料迅速用纸包裹置于液氮罐内，用于脯氨酸、可溶性糖含量，可溶性蛋白质、SOD 和 POD 活力的分析。测定方法： SOD 活性为氯化硝基四氮唑蓝光还原法，POD 活性为愈创木酚法，丙二醛（MDA） 为硫代巴比妥酸法，游离脯氨酸含量为茚三酮比色法，可溶性糖含量为蒽酮比色法，膜透性为电导率法，可溶性蛋白采用考马斯亮蓝 G -250 染色法[8].注： 不同小写字母和大写字母分别表示沙埋初期和后期 P < 0. 05 水平差异显着。

　　1. 4 数据分析方法

　　应用 SPSS13 软件进行数据的统计分析。采用单因素方差分析（One - WayANOVA ） 和最小显着差异法（LSD） 比较不同数据组间的差异，用 Pearson 相关系数评价不同因子间的相互关系。

　　2 结果和分析

　　2. 1 叶片相对含水量含量（RWC） 变化

　　沙埋初期，随着沙埋深度的增加，叶片 RWC 总体呈波动式增加。其中，除 E、F 和 K 等 3 个处理 RWC 显着高于 CK 外（P <0. 05） ,其他处理的 RWC 与 CK 差异未达到显着水平（P >0. 05） （图 1） .沙埋后期和沙埋初期一样，随着沙埋深度增加，其叶片 RWC 仍然呈波动式变化，但除了 A、B、C 处理和 F 处理的 RWC 与 CK 差异不显着外（P >0. 05） ,其他处理与 CK 差异均达到显着水平，其中 D、E、H、I、J、K 等 6个处理的 RWC 显着高于 CK（P >0. 05） .

　　2. 2 不同沙埋处理丙二醛（MDA） 含量和膜透性的变化

　　从图 2A 可以看出，随着沙埋深度的增加，两次测定的丙二醛含量均呈先增加后下降的变化趋势。其中，沙埋初期以 A 处理丙二醛含量最高，沙埋后期如果不考虑 G 处理的异常高值外，则以 B 处理丙二醛含量最高。沙埋后期和沙埋初期相比，除 C 处理和 H 处理外，其他处理沙埋后期的丙二醛含量均高于沙埋初期，其中除 A、B、D、E、G 处理两次测定的结果呈现显着差异。沙埋初期，从 A 处理到 D 处理膜透性趋于增加（图 2B） ,E 处理又大幅度下降，从 F 处理到 K 处理基本保持稳定。沙埋后期，膜透性呈波动式变化，其中 C、F、G、H 和 K 处理的膜透性显着高于 CK 处理，其他处理显着低于 CK 处理（P <0. 05） .

　　2. 3 可溶性糖和脯氨酸含量变化

　　从图 3A 可以看出，沙埋初期，从 CK 处理到 E 处理，可溶性糖含量趋于下降，在 F 处理有一个回升后又趋于下降。沙埋后期可溶性糖含量变化趋势和初期相似，但从 CK到 E 处理的下降幅度要小于沙埋初期，而从 F 处理到 K 处理的下降幅度要大于沙埋前期。随着沙埋深度增加，沙埋初期脯氨酸含量先增加（图 3B） ,在 F 处理达到最大值后又趋于下降，但各处理脯氨酸含量均高于 CK.沙埋后期，脯氨酸含量呈现较大波动，其中 B、E 和 D 处理显着低于 CK,而 F、G、H、I 和 K 处理显着高于 CK.两次测定相比，沙埋后期 B、D 和 E 处理脯氨酸含量显着低于沙埋前期，而 F、G、H、I 和 K处理相反。

　　2. 4 保护酶活性变化

　　从图 4A 可以看出，沙埋初期，超氧化物歧化酶（SOD） 先趋于增加，在 D 处理达到最大值后又趋于下降，其中从 A 到 E 处理 SOD 活性显着高于 CK,I、J 和 K 处理显着低于 CK.沙埋后期，SOD 活性呈现无规律的波动变化，其中 D、E、G 和 K处理 SOD 活性显着低于 CK,其他处理和 CK 差异不显着。沙埋后期和沙埋初期相比，绝大多数处理的SOD 活性均有所下降，其中一些处理的差异达到显着水平。沙埋初期POD 活性也是呈先增加后下降的变化趋势，而且各沙埋处理的 POD 活性均显着高于 CK（图 4B） .沙埋后期，从 A 处理到 D 处理的 POD 含量有所增高，但从 E 到 K 处理增加幅度更大。两次测定相比，从 A 处理到 E 处理的 POD 含量是沙埋前期显着高于后期，而从 F 到 K 处理是沙埋后期显着高于沙埋初期。

　　3 讨论和结论

　　3. 1 相对含水量、丙二醛、膜透性对沙埋响应的变化

　　研究表明，无论是沙埋前期还是后期，部分沙埋植株的 RWC 降低，全埋植株的 RWC 增加。这和干旱、高温、盐碱等造成植物 RWC 下降的研究结果显然不同，其原因可能是部分沙埋使植物叶片更靠近沙子表面，沙面高温促使其蒸腾加剧，导致 RWC 降低，而植株遭到全埋后，叶片水分散失受到抑制，导致RWC 增加[9].另据 Manu 等[10]研究，沙埋可以导致植物根系层温度降低和水分增加，这可能也是全埋条件下樟子松幼树 RWC 增加的另一原因。研究还表明，沙埋初期其体内并未发生严重的膜质过氧化，细胞膜也未受到损伤。这虽然和阎成仕[11]等有关干旱胁迫下丙二醛和膜透性变化规律不同，却和王进等[9]有关砂引草对沙埋胁迫逆境生理响应的研究结果一致，说明沙埋胁迫所造成的植物膜脂过氧化和膜透性变化与干旱、高温、盐碱等水分胁迫有很大差别。已有研究结果表明，沙埋下植物叶片丙二醛含量降低和细胞膜透性下降的原因可能是黑暗和缺氧抑制了光合过程中的光反应和细胞的呼吸作用，降低了氧自由基产生速率，而低温又降低了细胞的代谢强度，从而使沙埋叶片积累的氧自由基量减少，膜脂过氧化作用降低，细胞膜受损不明显[9 -10].沙埋后期，被埋植株叶片大部分腐烂，全埋植株濒临死亡，其丙二醛含量和膜透性较沙埋初期大幅度增加，且出现异常波动，说明此时其膜质过氧化加剧，细胞膜受到严重危害，显现死亡前的生理征兆[12].

　　3. 2 植物渗透调节物质对沙埋胁迫的响应

　　大量研究表明，脯氨酸和可溶性糖是植物体内理想的有机渗透调节物，在环境胁迫下这些物质能通过调节细胞质的渗透压以维持细胞膜受损情况下细胞质不外泄[12 -13].但也有研究表明，在不同环境胁迫下各种渗透调节物质含量变化有很大差别[14].沙埋初期，部分沙埋（A - C 处理） 和较深全埋处理（H - K 处理） 的脯氨酸含量与非沙埋对照没有显着差异，较浅全埋处理（D - G 处理） 的脯氨酸含量显着高于对照，而可溶性糖则随着沙埋深度的增加呈波动式下降，各沙埋处理的可溶性糖含量均显着低于非沙埋 CK.沙埋后期正常生长植株的脯氨酸含量较沙埋前期有所降低，可溶性糖含量较沙埋前期明显增加，而未能出土的全埋植株脯氨酸含量较对照大幅度增加，可溶性糖含量大幅度下降。这说明，沙埋初期正常生长植株主要是脯氨酸发挥着渗透调节作用，全埋植株以可溶性糖发挥主要渗透调节作用，而沙埋后期则正好相反[12,14].沙埋后期，未出土的全埋植株已濒临死亡，其可溶性糖较沙埋前期大幅度下降，脯氨酸的急剧升高，可能意味着维持其正常生存的能量已消耗殆尽，植物不得不依靠分解蛋白质来维持植物最后生存的需要[9,15].

　　3. 3 保护酶对沙埋胁迫的响应

　　沙埋初期，从 25%沙埋到株高以上 6cm 沙埋的 SOD 活性均高于非沙埋对照，株高以上 8 -20cm 沙埋的 SOD 活性均低于对照，而在沙埋后期绝大多数处理的 SOD 活性均较沙埋前期大幅度下降，且其活性或与对照无显着差异或低于对照。沙埋初期，随着沙埋深度增加，POD 也呈先增加后下降的变化，但所有处理的 POD 活性均高于对照很多。和沙埋前期相比，沙埋后期 25% 沙埋至株高以上 2cm 沙埋的 POD 大幅度下降，而其他处理 POD 大幅度增加，但除 25%处理外其他所有处理 POD 活性均显着高于对照。已有研究表明，在遭受环境胁迫后，植物体内活性氧大量积累，会诱导有关保护酶表达量的增加及活性的提高，以清除过多的活性氧，减轻其伤害作用。其中，SOD 是植物活性氧代谢中一种极为重要的酶，它歧化 O-2为H2O2和 O2,影响着植物体 O-2和 H2O2的浓度，而 POD 因对 H2O2具有较高的亲和力而可有效清除H2O2[13].而本研究一方面说明，沙埋初期，沙埋胁迫导致植物体内超氧物自由基（O-2） 不断增加，从而激活了保护酶 SOD 的活性，在一定沙埋程度下起到了活性氧的作用，但沙埋深度进一步增加后其作用降低，特别是沙埋后期其活性的大幅度降低，意味着其清除活性氧的作用降低[9,12]; 另一方面说明，无论是沙埋初期还是沙埋后期，POD 都在清除超氧自由基、过氧化氢和过氧化物等活性氧的过程中发挥着重要作用，尤其是对于濒死植株这种作用更为明显[14 -15].

　　参考文献：
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　　[3]吴春荣，金红喜，严子柱，等。 樟子松在西北干旱沙区的光合日变化特征[J]. 干旱区资源与环境，2003,17（6） : 144 -146.
　　[4]马红媛，梁正伟，闫超，等。 四种沙埋深度对羊草种子出苗和幼苗生长的影响[J]. 生态学杂志，2007,26 （12） : 2003 - 2007.
　　[5]李秋艳，赵文智。 五种荒漠植物幼苗出土及生长对沙埋深度的响应[J]. 生态学报，2006,26（6） : 1802 -1809.