杨树种间耐旱性差异的生理生化基础研究

1杨树种间耐旱性差异的生理生化基础研究（作者：陈少良 指导教师：王沙生教授）摘要 作为“提高中国速生树种在逆境下生产力”(德国以色列农业研究协定，GIARA)科研项目的一部分，本文对不同种类杨树耐旱性的生理生化基础进行了研究研究材料涉及：I-214 杨( Populus ×euramericana cv. I-214)，健杨(Populu×euramericana Guinir cv. robusta), 小叶杨与钻天杨的杂交种——群众杨( P. popularis 35-44), 苦杨与钻天杨的杂交种——中东杨( P. berolinensis)等四种杨树 在控制土壤湿度条件下比较了一年生插条苗受旱后生长、光合作用、水分状况等方面的变化; 分析了限制杨树光合作用的气孔因素和非气孔因素；研究了土壤水分亏缺和 ABA 对多胺、乙烯生物合成的影响及其与叶片衰老脱落的关系首次从根冠通讯的角度揭示了不同耐旱性杨树适应水分逆境差异的机制，提出并初步证明了根冠通讯复合化学信号的假说另外，还在分子水平上初步研究了不同耐旱性杨树逆境胁迫蛋白的差异具体研究结果简述如下：1.在土壤水分充足供应的条件下(90%田间持水量，FFC，土壤水势为 -0.082MPa)大气水分亏缺显著抑制了四种杨树的净光合速率(Pn)。

但比较而言，中东杨忍耐大气干旱的能力最强，在大气干旱条件下 Pn 和水分利用效率(WUE)最高，原因在于气孔对低湿空气反应的不灵敏性2.在高土壤湿度下(70～100%FFC，土壤水势为-0.056 ～ -0.122MPa)，I-214 杨的 Pn 和生长速率最高，健杨次之但土壤干旱对这两种杨树影响最大：当土壤湿度降至 40%FFC(土壤水势为-0.824MPa)时，I-214 杨和健杨的 Pn 即有显著降低，严重干旱(30%FFC，土壤水势为-2.108MPa)时，Pn 受到严重抑制；并使叶面积生长下降 51%和37%，高生长基本或接近停顿，自下而上落叶达全株总量的 1/4～1/3群众杨和中东杨在严重干旱时 Pn 才显著下降，Pn 在受旱后第八天有明显回升, 分别恢复至对照水平的 88%(群众杨)和 78%(中东杨)，并且未导致落叶总之，在 30%FFC 条件下，群众杨在四种杨树中生产力水平最高，而 I-214 杨则最低 3.研究干旱胁迫(30%FFC)对四种杨树受旱苗木光合作用和叶绿素 a 活体荧光的影响，结果显示，恒定荧光未受影响，而最大荧光有所提高, 并导致可变荧光与恒定荧光的比值较对照提高 20～50%。

鉴于光抑制是以最大荧光或可变荧光的下降为特征的, 因此得出 PSⅡ光反应中心未受伤害的结论试验结果显示, 不耐旱杨树(I-214 杨和健2杨)受旱后 Pn 剧烈下降的原因，主要是非气孔因素影响，即 RuBP 羧化酶活性的降低而对于耐旱杨树，受旱后 Pn 下降幅度较小，气孔因素和非气孔因素的限制作用大体相当 4.监测土壤干旱(30%FFC)期间受旱植株叶片含水量、凌晨水势、中午水势的结果显示，不耐旱杨树(I-214 杨和健杨)叶片分亏缺程度高于耐旱的群众杨和中东杨其中，群众杨叶片持水力以及苗木维持水分平衡的能力最强, 细胞壁弹性最大，即其维持膨压的能力最强干旱胁迫使群众杨叶片脯氨酸水平增高 40%，表明在干旱初始阶段有较明显的渗透调节发生中东杨的细胞壁弹性仅次于群众杨，土壤干旱使束缚水含量提高 18%，并且膨压最大时的渗透势和膨压为零时的渗透势分别降低 0.08 和0.07MPa，因此，这种杨树具有较强的渗透调节能力不耐旱的 I-214 杨和健杨的细胞壁弹性最小，但干旱可诱导其提高这两种杨树受旱伊始，即发生严重的水分亏缺(凌晨水势比对照降低 0.4～0.5MPa)，脱落部分叶片后，水分状况才得以恢复。

5.干旱胁迫对 I-214 杨多胺和乙烯生物合成途径的影响，可分为两个阶段： 第一阶段：在中度干旱(40%FFC)处理初期，多胺生物合成受到影响，表现在腐胺(Put)和精脒(Spd)水平的明显下降和精胺(Spm)的消失由于 Spd 和 Spm 合成受阻，使 SAM 累积而使乙烯生物合成途径加强，乙烯释放量显著提高，但 ACC/MACC 比值始终在 1 以下，即 ACC 合成酶活性提高的同时，ACC 丙二酰转移酶活性也有所提高 第二阶段：严重干旱(30%FFC)时，SAM 合成也受到抑制，但 ACC/MACC 却大幅度上升至 1 以上多胺生物合成受到进一步削弱, Spd 消失, 此时发生老叶自下而上的脱落木质部导入的 ABA(10ml 200M)能诱导 I-214 杨叶片的多胺和乙烯生物合途径发生类似于干旱胁迫下的变化和落叶 严重干旱(30%FFC)条件下，群众杨不落叶，多胺生物合成受影响较小，Spd 不消失；ACC/MACC 始终保持在 1 以下，并且干旱植株乙烯释放速率的变化幅度小，乙烯的生物合成处于相对不活跃的状态根据在严重干旱条件下落叶的 I-214 杨和不落叶的群众杨的多胺及乙烯生物合成方面所表现出的差异，初步结论是，当干旱胁迫使多胺生物合成途径削弱到组织内精脒消失，并且乙烯合成相对增强到 ACC/MACC 比值超过 1时，落叶发生。

6.通过木质部导入 ABA 和细胞分裂素(Cyt)以模拟干旱胁迫条件下蒸腾流中这两类激素浓度的变化，研究 ABA 和 Cyt 对气孔行为的调控结果显示，随蒸腾流导入的3ABA 可以诱导气孔关闭，而与 ABA 共导入或分别导入的 Cyt 可以降低气孔对 ABA 的敏感性过去的研究已经证明，水分胁迫条件下根系合成 ABA 能力提高的同时，Cyt 的合成及运输受阻所以在根冠通讯中，是根源 ABA 和 Cyt 共同调控气孔运动因此根冠通讯的化学信号是一复合信号，即 ABA 与 Cyt 比例的高低决定着气孔行为通过比较玉米素、激动素和 BA 等不同种类细胞分裂素与 ABA 的相互作用，结果表明激动素与植物内源激素玉米素的作用相同，也能拮抗 ABA 对气孔运动的影响，而 BA 的作用相反7.群众杨在受旱第一天，根系中 ABA 的水平即达到峰值，为对照处理的 4.0 倍，木质部汁液中 ABA 的浓度［ABA］也随之达到对照水平的 4.5 倍由于内源 ABA 水平的提高是在植物体水分状况没有发生明显亏缺的情况下发生的，因此这种根冠通讯属前胁迫反应I-214 杨内源 ABA 水平的提高发生在植株水分状况出现显著下降(受旱植株凌晨水势低于对照处理 0.50MPa)时，并随胁迫时间而持续上升，第三天才达到峰值，分别为对照水平为 7.0 倍(根系)和 10.0 倍(木质部［ABA］)。

因此这种根冠通讯属于胁迫反应群众杨适应干旱的前胁迫反应机制表明根系在干旱初始阶段即能感知土壤水分亏缺并合成化学信号 ABA 上运至叶片，实现对气孔行为的调控，可能与其它适应性调节(如渗透调节)一起建立新的水分平衡随后 ABA 水平逐渐降低并恢复至对照水平，叶片的气孔导度和气体交换也随之明显回升I-214 杨对干旱胁迫反应机制表明根系是在植株发生显著水分亏缺时才大幅度增加 ABA 的合成，到第 3 天达到引起落叶的水平，因此主要是通过脱落部分叶片来重建水分平衡的8.在地上部对 ABA 应答方面，群众杨气孔对 ABA 反应最敏感，I-214 杨次之，中东杨的敏感性最低在生长反应方面, 木质部导入的 ABA(10ml，200M)显著抑制了 I-214 杨高及叶面积生长，而群众杨则基本未受影响ABA 所诱导的 I-214 杨的落叶量为18%(70%FFC+ABA)和 37%(40%FFC+ABA),分别高于群众杨的落叶量：10%(70%FFC+ABA)和25%(40%FFC+ABA)因此，群众杨气孔对 ABA 的反应阈值低，而生长和落叶则对 ABA 的反应阈值高I-214 杨的情况刚好相反 9.在分子水平上初步研究了不同耐旱性杨树逆境胁迫蛋白的差异。

热激处理能诱导群众杨叶片合成特异性蛋白质，分子量分别为 70.7Kda、48.4KDa 和 12.9KDa水分胁迫处理也能诱导 70.7KDa 多肽的出现而相应的处理并未诱导 I-214 杨叶片产生特异性蛋白质因此，新蛋白质的诱导产生对于耐旱的群众杨适应干旱逆境以及与之相Comment [W1]: Page: 44关的高温逆境可能是很重要的PEG 处理能诱导根系合成多种新的蛋白质，并且 I-214杨、中东杨和群众杨的情况近似但耐旱的群众杨和中东杨的 PEG诱导蛋白具有一定的热稳定性，而 I-214杨的诱导蛋白则是热不稳定性的关键词：杨树，抗旱性，根冠通讯，ABA，细胞分裂素Genotypic Differences of Populus in Physiologicaland Biochemical Mechanisms of Drought resistance(Chen Shaoliang, Directed by Prof. Wang Shasheng)ABSTRACT As one part of GIARA (German-Israeli Agricultural Research Agreement) project “Improving productivity of fast-growing trees under adverse conditions in China” , this paper aimed at elucidating the genotypic difference of Populus in physiological and biochemical mechanisms of drought resistance. Experiments were carried out in pots with 1-year-old rooted cuttings of four poplar genotypes: Populus  euramericana cv. I-214 (Italica); Populus  euramericana Guinir cv. robusta (Robusta); P. berolinensis (Berolinensis), the hybrid of P. laulifolia  P.nigra var. italica; P. popularis 35-44 (Popularis), the hybrid of P. simonii  (P. pyramidalis + Salix matsudana). The effects of water stress on growth, photosynthesis and water status were investigated, and stomatal, non-stomatal limitation of CO2 assimilation of the four genotypes were analyzed. The influence of water stress and external ABA application on polyamine, ethylene biosynthesis and their relationship with leaf abscission were examined. Genotype-specific differences in mechanisms of root-shoot communication of poplar in respon。