南方红壤侵蚀区芒萁对聚乙二醇6 000模拟干旱胁迫的响应

摘要 利用聚乙二醇（PEG）6 000模拟干旱胁迫，探讨了芒萁对干旱胁迫的响应。结果显示，干旱胁迫显著提高了芒萁的超氧化物歧化酶（SOD）、脯氨酸（Pro）、相对电导率（REC）和丙二醛（MDA）水平。过氧化物酶（POD）活性在10% PEG 6 000浓度下显著提高，但在较高浓度时下降。随着PEG 6 000浓度的增加，过氧化氢酶（CAT）活性先降低后升高。通过相关分析和主成分分析发现，在30% PEG 6 000浓度时芒萁表现出较强的抗旱性。综上，较高的SOD和CAT活性以及较高的Pro浓度共同提高了芒萁的抗旱性，是协助芒萁抵御季节性土壤干旱的主要因子，而极端干旱仍会破坏芒萁的抗旱生理活动。

关键词 干旱胁迫；聚乙二醇6 000；芒萁；水土流失；南方红壤侵蚀区

中图分类号 S157.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）20-0066-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.20.018

Responses of Dicranopteris pedata to Simulated Drought Stress with Polyethylene Glycol 6 000 in the Red Soil Erosion Area of Southern China

FENG Liu-jun1，2，CHEN Zhi-qiang1，2，CHEN Zhi-biao1，2 et al

（1.State Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology of the Ministry of Science and Technology and Fujian Province，Fujian Normal University，Fuzhou，Fujian 350007;2.School of Geographical Sciences，Fujian Normal University，Fuzhou，Fujian 350007）

Abstract This research investigated the response of D.pedata to drought stress using polyethylene glycol （PEG） 6 000.We examined several parameters such as superoxide dismutase （SOD），peroxidase （POD），catalase （CAT），proline （Pro），relative electrical conductivity （REC），and malondialdehyde （MDA） of D.pedata under drought stress induced by PEG 6 000.Exposure to drought stress significantly increased SOD，Pro，PEC，and MDA levels in D.pedata.POD expression was remarkably upregulated at 10% PEG 6 000 concentration but decreased at higher concentrations.CAT activity decreased at first but increased later as the concentration of PEG 6 000 increased.Strong drought resistance was observed at 30% PEG 6000 concentration by principal component analysis and correlation analysis.Pro was shown to perform a critical role in the response of D.pedata to drought stress.The results suggest that the higher activities of SOD and CAT and higher Pro concentration，which work together to improve the drought resistance，are the main components that facilitate the survival of D.pedata under seasonal drought environment and play a vital role in soil and water conservation.Nevertheless，extremely severe drought still destroys the physiological activities of D.pedata  further weakens its drought resistance.

Key words Drought stress;Polyethylene glycol 6 000;Dicranopteris pedata;Soil and water erosion;Red soil erosion region of southern China

干旱胁迫是降雨量不足或土壤水分不足的结果，是限制植物生长的最主要环境胁迫之一。干旱胁迫可以诱导植物产生各种生理生化反应，极大地限制了植物的生长［1-2］。已有研究表明，干旱胁迫破坏了活性氧（ROS）的合成和清除之间的平衡，如超氧阴离子自由基（O2-·）和过氧化氢（H2O2）等。过量的ROS可破坏细胞膜的结构和功能［3］，导致脂质过氧化和丙二醛（MDA）的积累，DNA和细胞蛋白质的氧化损伤，以及细胞内电解质的泄漏，相对电导率（REC）的上升［3］。植物的抗氧化防御系统促进超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的调节，降低活性氧的有害影响。SOD能够歧化O2-·，是植物抗氧化的第一道防线；POD和CAT能够分解H2O2，是植物抵御氧化损害的另一重要保护措施［4］。除了抗氧化防御系统外，渗透调节在植物抵抗干旱胁迫中同样发挥着关键作用，脯氨酸（Pro）在其中发挥着至关重要的作用［5］。Pro的积累能够降低细胞内的渗透势，增加细胞液的浓度，并提高细胞从外部吸收水分的能力，保持植物细胞的膨胀压力。因此，植物能够通过调节自身的抗逆生理活动，增强自身对干旱胁迫环境的适应。

南方红壤侵蚀区是我国仅次于黄土高原的第二大典型水土流失区。该区域土壤母岩主要为花岗岩，极易受到雨水飞溅和地表水流的侵蚀，尤其是在裸露的土地上；加上该区域降水时空分布不均、多暴雨、地势起伏等地理特征，水土流失严重。同时，人类不合理利用自然资源，进一步加剧了生态的破坏，极大制约了该区域的社会经济可持续发展［6］。植物在南方红壤侵蚀区水土保持和生态修复中起着关键作用［7］。芒萁［Dicranopteris pedata （Thunb.） Berhn.］为多年生里白科蕨类植物，常见于我国南方低山丘陵地区以及日本、越南、印度等国家，其耐酸且耐贫瘠，在生态破坏和退化过程中最后退出，而在生态恢复过程中最先进入生态系统［8］。因此，芒萁是南方红壤侵蚀区重要的水土保持植物，其生长和覆盖对南方红壤侵蚀区具有重要意义。由于季节性降水分布不均且多暴雨，夏秋尤其是秋季气温高而蒸发量大；暴雨后红壤易板结，渗透性减弱，降水多形成地表径流而不补充地下水；红壤黏粒比例高，比表面积大，牢牢吸附水分子，从而制约了植物对土壤水分的吸收；人类活动对土壤结构的破坏，红壤蓄水能力下降［9］等，南方红壤侵蚀区虽然降水较多，但季节性土壤干旱现象常见。前人研究表明，土壤水分是限制芒萁生长的主要因素［6］。然而，目前有关芒萁的相关研究主要集中在生长特性、培育、化感作用、生态化学计量学、生态恢复、分布、植物修复和药用价值，鲜有关于芒萁如何抵御季节性土壤干旱胁迫的报道。因此，研究芒萁的抗旱性是利用芒萁治理南方红壤侵蚀区水土流失和生态破坏的关键之一。笔者设计PEG 6 000模拟不同程度的干旱胁迫试验，通过分析干旱胁迫下芒萁的生理特性及增强芒萁抵御干旱胁迫能力的主要因子，探讨芒萁的抗旱机制，以期为利用芒萁治理南方红壤侵蚀区水土流失和生态修复提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 干旱胁迫处理

在福建师范大学地理科学学院采用盆栽方式种植60株生长状况相似的芒萁幼苗（43 cm×19 cm×14 cm），每株幼苗保留15 cm的地下茎和足够的细根，以确保存活。该试验所用土壤来自典型的红壤侵蚀区福建省长汀县河田镇。土壤经风干、过筛、充分混合后装入盆中，土壤养分情况：碳含量为5.50 g/kg，氮含量为0.60 g/kg，磷含量为0.16 g/kg，速效磷含量为1.73 mg/kg，铵态氮含量为16.16 mg/kg，硝态氮含量为5.79 mg/kg，速效氮含量为21.95 mg/kg，pH为4.68。每个花盆装7 kg土壤，每盆移栽1株幼苗。培养90 d后，选择45株生长状况较好且相似的植株，在福建省微生物研究所环境微生物实验室的光照培养箱中进行PEG 6 000模拟干旱胁迫试验。将芒萁转移到透明玻璃盆（25 cm×10 cm×10 cm）中，置于光照培养箱内，昼夜光照时间和温度设置分别为18 h/8 h和25 ℃/20 ℃。设计不同浓度的PEG 6 000（10%、20%、30%和40%）和对照（不含PEG 6 000的纯水）对45株芒萁植株进行处理，每种措施3个重复。10%、20%、30%和40%浓度PEG 6 000处理组和对照组分别命名为P10、P20、P30、P40和CK。干旱胁迫后，剪下叶片样品用液氮速冻，并储存在冰箱-80 ℃下待测。

1.2 样品处理

试验方法参照《植物生理学实验指南》［10-11］。采用氮蓝四唑法检测SOD，采用愈创木酚法检测POD，采用紫外分光光度计法检测CAT，采用磺基水杨酸法检测Pro，采用电导仪检测REC，采用硫代巴比妥酸法检测MDA。

1.3 数据分析

数据由MS EXCEL 2010收集和整理；采用IBM SPSS Statistics 22.0（IBM Corp.，Armonk，NY，USA）对试验数据进行分析；采用单因素方差分析（One-way ANOVA）统计显著性差异水平；在显著性水平P<0.05时，使用最小显著性差异检验组间平均值的差异；采用Pearson相关分析法对各指标进行相关分析，并采用主成分分析法评价不同PEG 6 000 浓度下芒萁的抗旱性；采用Origin 9.0制图。

2 结果与分析

2.1 REC和MDA含量比较

随着PEG 6 000浓度的升高，芒萁叶片MDA和REC逐渐增大。P10、P20、P30和P40处理的MDA含量和REC均显著高于CK（P<0.05）。P10、P20、P30和P40处理MDA含量分别是CK的1.39、1.64、1.62和1.60倍，REC分别比CK高61.93%、66.56%、69.27%和73.25%。然而，各处理间的MDA和REC均无显著差异（图1）。

2.2 抗氧化酶活性比较

随着PEG 6 000浓度的升高，SOD和POD活性呈先升高后降低的趋势。相反，CAT活性先降低后升高。与CK相比，不同浓度PEG 6 000处理显著提高了芒萁SOD活性（P<0.05），且P20处理达到最高（1 588.11 U/g），且高于P10、P30和P40处理。P10处理POD活性［0.74 U/（g·min）］显著高于CK（P<0.05），但P20、P30和P40处理显著低于CK（P<0.05）。P10、P20处理CAT活性与CK无显著差异（P<0.05）；P30和P40处理显著低于CK（P＜0.05）；P40处理CAT活性显著高于P30处理（P<0.05）（图2）。

2.3 Pro含量比较

随着PEG 6000浓度的增加，芒萁叶中Pro含量先缓慢增加，然后急剧上升再下降。方差分析结果表明，P10处理Pro含量与CK无显著差异，P20、P30和P40处理显著高于CK和P10处理（P<0.05）。P30处理Pro浓度达到最高，为CK的4.20倍（图3）。