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马缨杜鹃幼苗生长对土壤水分胁迫的响应及其生理机制
植物生态学报
2025, 49 (3):
488-501.
DOI: 10.17521/cjpe.2023.0276
杜鹃(Rhododendron)是极具观赏价值的花卉, 中国是全世界杜鹃资源最丰富的国家, 对杜鹃资源的开发利用具有很大潜力。在全球变暖背景下, 杜鹃遭受水分胁迫的风险快速增大, 但关于水分胁迫对杜鹃生长及生理生态指标的影响尚缺乏深入研究。该研究通过马缨杜鹃(R. delavayi)幼苗的土壤水分梯度实验, 研究其株高及地径生长差异, 并建立与生理指标的统计关系, 以期为杜鹃保护与管理等提供理论基础。2022年3月11日至10月15日, 用马缨杜鹃的二年生幼苗进行盆栽实验, 设计的土壤水分含量分别为田间持水量的15%、25%、35%、50%、70%、90%。分别在3-5月上旬和下旬以及6、7、10月的中旬测量每株杜鹃的株高和地径, 并于6-8月在每个处理中随机选择5株马缨杜鹃测定叶片渗透调节物质(脯氨酸(Pro)、可溶性糖(Ss)、可溶性蛋白(Sp))含量、抗氧化系统(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量)指标、光合作用(净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr))指标。研究结果: 1)建立了各干旱水平下的马缨杜鹃株高及地径生长响应年序日(DOY)的生长方程, 拟合精度0.94-0.99; 比较发现田间持水量15%处理下植株死亡率最高; 2)建立了各时间段马缨杜鹃株高及地径相对累积生长量随土壤含水量增加而变化的方程, 表明株高相对累积增量方程呈单峰曲线变化; 但相对地径累积增长量在DOY 161之前随土壤相对含水量增加呈U形变化, DOY 161-201之间呈直线变化, DOY 201以后呈单峰曲线变化。3)随土壤含水量增加, SOD活性、CAT活性、POD活性、Pn、gs、Tr及Pro含量整体表现为先增后降, SOD、CAT、POD活性及Pro含量在田间持水量20%-30%达到最大值, Pn、gs、Tr在田间持水量60%-80%达到最大值; MDA含量整体表现为逐渐降低; Ci、Ss及Sp含量则呈先降后增的变化趋势, 整体表现为在田间持水量60%-80%时达到最低值。4)基于马缨杜鹃地径日增量与各生理指标的回归关系分析, 可知回归关系达到显著水平的生理指标包括MDA含量、Pn、gs、Tr及Ss含量, 除MDA含量与马缨杜鹃地径日增量存在一元二次函数关系外, 其余生理指标与其均为幂函数方程关系, 拟合精度为Tr > Pn > MDA含量> gs > Ss含量。马缨杜鹃幼苗在土壤含水量68%时累计生长量(地径增量)最大, 随着土壤水分含量的改变, 生长量主要受Tr、Pn、gs的显著促进作用和Ss含量的显著抑制作用, 以及MDA含量较低时的一定促进作用和超过33.53 nmol·g-1后的抑制作用, 进一步解释了水分胁迫下马缨杜鹃幼苗生长的生理机制。 ![]() View image in article
图3
马缨杜鹃幼苗不同时段的生理指标随相对土壤含水量的变化趋势(平均值±标准差)。Ci, 胞间CO2浓度; CAT, 过氧化氢酶活性; gs, 气孔导度; MDA, 丙二醛含量; Pn, 净光合速率; POD, 过氧化物酶活性; Pro, 脯氨酸含量; SOD, 超氧化物歧化酶活性; Sp, 可溶性蛋白含量; Ss, 可溶性糖含量; Tr, 蒸腾速率。
正文中引用本图/表的段落
图3为马缨杜鹃叶片各生理指标对土壤相对含水量增加的响应。由图3可见, 不同月的SOD活性变化趋势基本一致, 均表现为先增后减并在田间持水量的25%时达到最大; CAT活性在6、7月的表现与SOD基本一致, 但在8月表现为逐渐下降; POD活性在6月呈M形变化, 在7、8月呈先增后减并在田间持水量的35%时达到最大; MDA含量在6月表现为先增后减, 但在7、8月则为逐渐降低。
光合作用生理指标随相对土壤含水量增加的变化趋势, 其中Pn在3个月均表现先增后减, 但6月最大值对应田间持水量的50%, 7、8月的最大值对应田间持水量的70%; gs在6、8月均表现为逐渐增加, 但7月表现先增后减且最大值对应田间持水量的70%; Ci在6-8月均表现为先减后增, 最低值对应田间持水量的35%; Tr的变化趋势在6-8月基本一致, 均表现为先增后减, 最大值出现在田间持水量的70% (图3)。
渗透调节的相关生理指标随相对土壤含水量增加的变化趋势: Pro含量在6-8月均表现为先增后减, 但出现最大值的相对土壤含水量不同, 分别为田间持水量的25%、35%、50%; Ss含量的变化趋势在6-8月基本一致, 均为先降后增, 最低值出现在田间持水量的70%; Sp含量均表现为先降后增, 但各时段的最低值对应的土壤相对含水量不同, 6、7、8月分别为田间持水量的35%、70%、70% (图3)。
生理指标同
本研究比较了土壤水分梯度对马缨杜鹃幼苗叶片不同生理指标的影响, 其中属于抗氧化系统的SOD、CAT及POD可通过消除由逆境诱导产生的活性氧(ROC)使植物细胞免受伤害。部分未能被清除的活性氧仍会破坏细胞膜产生MDA (Signorelli et al., 2013), 其含量可直接反映干旱环境中的植物细胞膜受害程度。本研究表明, SOD、CAT及POD活性随土壤含水量增加先小幅上升, 最大值出现在田间持水量的25%-35%时, 之后大幅下降; 但MDA含量的变化趋势基本上是随土壤含水量增加而近线性地逐渐降低, 但在第一次生理指标测定期存在明显波动, 因为植物的酶活性在当时的极干旱条件下受到抑制(Wang et al., 2012; 贾学静等, 2013), 植物主要通过渗透调节缓解极度干旱影响(图3); 随着土壤含水量逐渐升高, 酶活性开始恢复, POD及MDA含量随之升高, 并转变为顺应土壤水分含量的趋势, 即随着土壤水分的增加, ROC的伤害逐渐降低, 抗氧化系统的酶及MDA含量也随之降低, 这与很多研究的结论(张燕红等, 2017; 许爱云等, 2020)是一致的。到第2、3次进行生理指标测定时, 随着土壤含水量增加, 水分胁迫减轻和干旱诱导产生的活性氧对细胞膜的破坏逐渐变小, 所以MDA含量成逐渐降低的变化趋势(柯世省和金则新, 2007; 丁玲等, 2015)。
本文的其它图/表
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