侍新萍，魏林源，马 瑞，马彦军，张莹花，杨永义

（1. 甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃省治沙研究所 荒漠化与风沙灾害防治重点实验室，甘肃 兰州 730070）

风和风沙流在风大沙多的干旱、半干旱荒漠区频繁发生，破坏性极强[1]。由风力作用携带的沙粒运动过程中对植物顶芽、叶片、茎干造成击打、断稍、磨损等机械损伤，因而对其表观特征[2]、光合生理[3]、解剖结构[4-6]等产生明显影响。强风和风沙流甚至会导致植物幼嫩表皮细胞组织受损，膜透性增大，细胞液外流而死亡，且在风沙活动剧烈地区植物的分布、生长繁衍及其物种多样性受到抑制，加剧了土地荒漠化[2,7-8]。而植物在干旱、风沙等环境因子胁迫时，一般通过各种保护措施或自身修复能力缓解或抵抗胁迫造成的危害[9]。

不同植物在风沙环境中表现出来的形态、生理代谢等变化规律有所不同，反映出各植物抗风沙的能力也不尽相同。已有研究表明，风和风沙流胁迫的机械作用导致草本、灌木和作物幼苗的气孔关闭、叶温和胞间CO2浓度降低、蒸腾加快，使光合作用受抑制，导致植物生长减缓，同时水分利用效率和叶水势降低增加了对植物的干燥作用，而且风沙流胁迫下的植物叶片会卷曲、脱落，甚至出现断稍现象，一般灌木较草本具有更强的抗风沙性[10-11]。环境胁迫影响植物的生长发育过程，而植物在对环境的长期适应中逐步形成了保护酶系统和渗透调节系统。不同强度的风和风沙流胁迫下，植物通过增加酶活性清除体内多余活性氧，维持体内活性氧代谢的平衡以及增加其渗透调节物质含量降低渗透势，提高植物组织持水力，对细胞膜起保护作用，反映植物抗风沙逆境能力[10,12]。随着风和风沙流强度的增大，玉米(Zea mays)幼苗丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量下降，膜透性逐渐增加，过氧化物酶活性(soluble protein, POD)逐渐增强，过氧化氢酶(catalase, CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性、可溶性糖和脯氨酸含量呈波动变化[13]。不同风速持续吹袭下，樟子松(Pinus sylvestris)幼苗气孔导度和胞间CO2浓度的降低或增加是其光合速率和蒸腾速率降低或增加的主要原因，而水分利用效率却随风速增强呈先升高后降低趋势[14-15]。这些研究为揭示植物适应风沙环境的生理响应机制提供了一定的理论依据，也进一步说明植物对风沙逆境的耐受力以及其响应特征因植物种类、胁迫强度、持续时间而异。

黑果枸杞(Lycium ruthenicum)为茄科(Solanceae)枸杞属多棘刺灌木，适应性较强，主要以灌丛状分布在我国西北的干旱、盐碱的荒漠和半荒漠地区，是中国荒漠区特有的抗盐碱、耐旱，同时具有耐寒、耐沙埋、耐高温、繁殖速度快、生态幅宽、抗风固沙、保持水土等优点的生态树种[16-17]，也是集药用、经济、营养价值为一体的野生优良植物，药用、营养价值远远高于普通红枸杞，被誉为植物“软黄金”[18]。常生长于盐碱地、沙荒地或渠路两旁，干旱、盐碱、高温以及风沙等多重胁迫因子的影响是限制其生长发育的关键因素。目前，对黑果枸杞的研究主要集中在栽培技术[19]、耐盐碱、果实色素和多糖[20-21]等方面，而关于黑果枸杞在不同历时风和风沙流持续吹袭下的应急响应机制以及其是否可以通过调整生理指标的变化去适应风沙环境的抗逆性研究还很少。因此，本研究以民勤种源的二年生黑果枸杞盆栽苗为试验材料，采用风沙环境模拟试验，开展不同历时风和风沙流胁迫对黑果枸杞叶片膜透性影响及其膜保护系统响应的研究，分析测定不同历时风和风沙流胁迫下二年生黑果枸杞叶片的膜透性、保护酶活性、MDA 及渗透调节物质含量的变化规律，旨在揭示黑果枸杞适应风沙胁迫的生理调节机制，为荒漠区黑果枸杞植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

民勤荒漠区位于河西走廊东部，石羊河流域下游，地理坐标为101°49′ - 104°12′ E、38°3′ - 39°27′ N，海拔1 298～1 936 m。研究区属典型的温带大陆性干旱荒漠气候，年均气温8.0 ℃，年均降水量165 mm，年均蒸发量2 623 mm，无霜期162 d，昼夜温差较大。该区风沙大，沙尘天气频发，全年盛行西北风，5.0 m·s-1以上起沙风日数占全年有风日数的13.8%，年平均有风记录占99.23%，年均最大风速8.4 m·s-1，年均扬沙时间16 d。

1.2 试验设计

以二年生黑果枸杞盆栽实生苗为试验材料，其种子采自民勤县青土湖区的野生黑果枸杞。2018 年3 月将种子播种在拌有适量羊粪和荒漠风沙土的育苗钵中，待幼苗高度为10 cm 左右时，择优带土移栽到口径22 cm 的塑料花盆中继续培养，每盆1 株。在试验前一年(2018 年)秋季将花盆埋入试验地中，盆口与地表齐平，花盆之间留有适当的距离，避免苗木间互相干扰，影响生长，并通过适时适量浇水、做好冬季防冻措施等保证苗木安全越冬。风和风沙流吹袭试验前测定其株高、冠幅等生物学特性，然后选择株高25 cm 左右，生长均匀、长势较好、无病虫害且生物学特征无显著差异的二年生黑果枸杞植株作为试验材料。

风和风沙流模拟试验于2019 年8 月20 日在甘肃省治沙研究所武威绿洲站的风沙环境风洞实验室完成。该风洞为直流下吹式，轴线风速在4～30 m·s-1连续可调，洞口横截面为1.2 m × 1.2 m，洞体总长38.9 m，试验段长16 m。依据民勤季节性平均风速范围及以往风吹研究报道中不同强度的净风和风沙流对植物叶片的损害程度，选择能够引起胁迫效应但又不至于造成严重损伤甚至致死的中等强度的净风和风沙流胁迫[1-2,12,22-24]，即12 m·s-1的净风，以及相应的63.28 g·(cm·min)-1风沙流强度对黑果枸杞进行10、20 和30 min 的胁迫。试验前等量浇水一次，在风洞实验段内铺设厚度为10 cm 左右的沙漠沙，测定风洞实验室内实时温度和实时压强录入主控系统，每个胁迫时间分别选择长势一致的6 盆苗。进行净风胁迫试验前，将花盆呈两排三列摆放在试验段中间段位置；风沙流胁迫试验前，将花盆呈两排三列摆放在试验段下风向，且花盆均与洞口保持同一高度，保证苗在风沙流吹袭范围内。另外，考虑到不同植物种会因胁迫因子的差异形成不同的适应机制和响应方式，其膜结构完整性与膜保护系统主要生理指标的变化幅度及所起作用的大小也具有一定的差异性。为揭示黑果枸杞对不同历时净风和风沙流逆境胁迫的适应机制，于吹袭结束后，选择叶片膜透性和膜保护系统主要生理指标进行测定。即先将受胁迫植株放置在通风、阴凉的地方静置30 min，之后快速、随机剪取适量植株中上部叶片，部分叶片即刻带回实验室测定电导率，另一部分叶片用锡纸包裹经液氮罐转移至超低温冰箱保存，用于抗氧化酶活性、丙二醛和渗透调节物质含量的测定，每个处理6 个重复，以未受胁迫的植株作为对照(CK)。

1.3 指标测定

膜透性采用电导率法，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法测定，过氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性分别采用氯化硝基四氮唑蓝(NBT)光还原法、愈创木酚法和过氧化氢碘量法测定，脯氨酸(Pro)、可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)含量分别采用酸性茚三酮比色法、蒽酮比色法和考马斯亮蓝G-250 溶液测定[25-28]。

1.4 数据处理与分析

应用Excel 2010 和SPSS 24.0 软件对数据进行统计分析，采用双因素方差分析，不同处理间多重比较采用LSD 法(P＜ 0.05)。

2 结果与分析

2.1 净风和风沙流胁迫对黑果枸杞叶片生理指标的影响

如表1 所列，胁迫时间对黑果枸杞叶片MDA 含量无显著影响但对膜透性、SOD、POD 和CAT 活性及Pro、SS 和SP 含量间均存在极显著影响(P＜0.01)；净风和风沙流处理对膜透性和MDA、Pro 含量无显著影响，但对SOD、POD 和CAT 活性及SS 和SP 含量均存在极显著影响(P＜ 0.01)；时间 × 净风和风沙流处理对膜透性和MDA、Pro 和SS 含量无显著影响，但对SOD、POD 和 CAT 活性及可溶性蛋白含量具有极显著影响(P＜ 0.01)。需对上述存在极显著的指标进行多重比较。

表1 黑果枸杞叶片生理生化指标的方差分析Table 1 Variance analysis of Lycium ruthenicum leaf physiological and biochemical indices

2.2 丙二醛含量和膜透性变化

如图1 所示，在各胁迫时间下，净风和风沙流处理的MDA 含量均无显著差异(P＞ 0.05)；由表1可知，各个胁迫时间 × 净风和风沙流交互作用间亦无显著差异(P＞ 0.05)。12 m·s-1净风处理下，MDA含量随胁迫时间增加呈先降后升趋势，仅在30 min处理下较CK 增加了17.05%，差异均不显著(P＞ 0.05)。10、20 和30 min 风沙流处理的MDA 含量较CK分别增加了6.78%、33.94%和1.46%，仅在20 min 胁迫下存在显著差异(P＜ 0.05)。

图1 黑果枸杞叶片丙二醛含量和膜透性对净风、风沙流胁迫时间的响应Figure 1 The MDA content and membrane permeability of Lycium ruthenicum leaf response to net-wind and wind-sand flow with different time durations

胁迫时间 × 净风和风沙流交互作用对叶片膜透性均无显著差异(P＞ 0.05) (表1)。随着胁迫时间的增加，净风和风沙流处理的膜透性呈波动增加趋势，且各胁迫时间下净风和风沙流处理间均无显著差异(P＞ 0.05) (图1)。在10、20 和30 min 净风处理下，膜透性分别较CK 显著增加了71.82%、105.27%和79.38% (P＜ 0.05)；在10、20 和30 min 风沙流处理下，膜透性与CK 相比显著增加了82.85%、77.37%和87.44% (P＜ 0.05)。

2.3 抗氧化酶活性变化

如图2 所示，10、20、30 min 胁迫下，净风和风沙流处理的SOD、CAT 活性均存在显著差异(P＜0.05)，而POD 活性则均无显著差异(P＞ 0.05)。除CK外，胁迫时间 × 净风和风沙流交互作用对叶片的SOD 和CAT 活性均存在显著差异(P＜ 0.05) (表1)。随吹袭时间的增加，净风胁迫下的SOD 活性总体呈下降趋势，在10 min 处理下，SOD 活性较CK 增加了2.24%，与CK 无显著差异(P＞ 0.05)，20 和30 min处理下SOD 活性均较CK 显著降低(P＜ 0.05)。POD活性总体呈增加趋势，10、20 和30 min 胁迫下的POD 活性分别较CK 显著上升69.35%、82.35%和56.13% (P＜ 0.05)。CAT 活性随吹袭时间增加呈先升后降趋势，胁迫时间为10 min 时CAT 活性略高于CK，20 min 处理下较CK 显著增加34.49%，30 min处理下较CK 显著降低39.15% (P＜ 0.05)。

图2 黑果枸杞叶片抗氧化酶活性对净风、风沙流胁迫时间的响应Figure 2 The antioxidant enzyme activity of Lycium ruthenicum leaf responses to net-wind and wind-sand flow with different time durations

在风沙流胁迫下，随吹袭时间延长，SOD 活性呈先降后升趋势(图2)，10 min 胁迫处理较CK 显著降低34.98%，20 和30 min 胁迫处理较CK 显著增加了44.04%和30.32% (P＜ 0.05)。POD 活性呈先升后降趋势，但均大于CK，POD 活性在10、20 和30 min吹袭下分别较CK 显著增加了70.72%、122.35%和73.63% (P＜ 0.05)。CAT 活性呈波动式增加，10 min风沙流胁迫下CAT 活性最强，较CK 显著增加了54.74% (P＜ 0.05)，胁迫时间为20 和30 min 时CAT活性减弱，但仍较CK 有所增加，且30 min 处理与20 min 处理相近，与CK 无显著差异(P＞ 0.05)。

2.4 渗透调节物质含量变化

在各个时间胁迫下，净风和风沙流处理的Pro含量均无显著差异(P＞ 0.05) (图3)；净风和风沙流处理的SS 含量在20 和30 min 胁迫下差异显著，而SP 含量在10 和20 min 胁迫下差异显著(P＜ 0.05)。

图3 黑果枸杞叶片渗透调节物质含量对净风、风沙流胁迫时间的响应Figure 3 The osmotic regulation substance content Lycium ruthenicum leaf responses to net-wind and wind-sand flow with different time durations

在净风胁迫下，随风吹时间增加，Pro 含量呈波动上升趋势(图3)，20 min 胁迫下出现峰值，较CK增加了37.56% (P＜ 0.05)，10 和30 min 胁迫下，分别较CK 显著增加了3.36%和8.23% (P＞ 0.05)。SS 含量也呈波动上升趋势，10、20 和30 min 处理的SS 含量分别较CK 显著增加了36.90%、47.04%和21.92%(P＜ 0.05)。SP 含量逐渐下降，与CK 相比，10、20 和30 min 处理的SP 分别显著降低11.20%、16.82%和21.88% (P＜ 0.05)。

在风沙流胁迫下，随吹袭时间延长，Pro 含量呈波动增加(图3)，仅在20 min 胁迫时较CK 显著增加39.72% (P＜ 0.05)， 胁迫时间为10 和30 min时，Pro 含量减少，但仍较CK 增加了17.53%和19.30%，差异不显著(P＞ 0.05)。SS 含量呈波动增加趋势，10、20 和30 min 处理的SS 含量分别较CK 显著增加了37.69%、97.05%和61.52% (P＜ 0.05)。SP含量呈先降后升趋势，但均低于CK；与CK 相比，10、20 和30 min 处理的SP 含量分别显著降低47.92%、25.92%和27.88% (P＜ 0.05)。

3 讨论

MDA 含量可表示细胞膜脂过氧化作用的强弱和质膜受伤害程度。当植物受到逆境胁迫时，其体内活性氧大量积累，导致膜脂过氧化或膜脂脱脂化作用，使细胞膜结构的完整性遭到破坏[29-30]。本研究表明，12 m·s-1净风和风沙流胁迫均对黑果枸杞的叶片造成一定程度的机械损伤，使细胞膜透性显著增大。净风胁迫时，MDA 含量仅在30 min 胁迫下略高于CK，因为此时仅POD 活性显著升高，而膜透性在20 min 处理时达到最大值；风沙流胁迫时，MDA 含量总体呈上升趋势，在20 min 处理下显著高于CK，10 和30 min 处理均略高于CK，膜透性在30 min 处理时达到最大值。说明12 m·s-1净风和风沙流持续吹袭10、20 和30 min 均未导致明显的膜脂过氧化作用，其细胞膜结构的破坏可能并非源自膜脂过氧化，而是由于膜脂脱脂化或其他因素[31-32]，但在30 min 风沙流处理下的MDA 含量较10 和20 min降低，可能是因为植物在10 和20 min 风沙胁迫下的适应能力弱，MDA 含量升高，在30 min 胁迫下黑果枸杞对风沙环境逐渐形成了适应性，MDA 含量呈现降低趋势，这与李道明等[33]对重度风沙流胁迫后霸王膜透性显著增大导致MDA 含量下降的研究结果一致。

植物在遭受逆境环境胁迫时，随着体内活性氧的增加积累，其体内应对胁迫的保护酶系统会被激活，SOD、POD 和CAT 等抗氧化酶活性增强，并通过单独或协同作用起清除活性氧、保护细胞膜免受氧化损伤，以减轻逆境胁迫对植物的伤害，可以反映植物应对逆境胁迫的适应性和抵抗能力的强弱[31,34]。相关研究表明，酶活性的变化幅度及所起作用的大小与植物种类和持续时间长短、胁迫强度有关[12,35]。本研究表明，净风和风沙流胁迫时，SOD、POD 和CAT 活性因胁迫时间不同而表现出一定的差异性，而且这3 种酶在植物体内起作用的大小因胁迫时间而异。净风处理下，SOD、POD 和CAT 活性随胁迫时间延长均呈先升后降趋势，仅POD 一种酶活性均高于CK。其中在10 min 胁迫下，MDA 含量降低，SOD、POD 和CAT 活性均增加，起到减缓或避免膜脂过氧化的重要作用，20 min 胁迫时CAT 活性显著增加，协同POD 起保护作用，30 min 胁迫下SOD 和CAT 活性降低，MDA 呈上升趋势，膜透性达到最大值，但POD 活性仍显著增强[36]。这说明SOD 和CAT 活性减弱，在抵抗风沙胁迫时的保护能力有限，而POD 对黑果枸杞苗木起主要保护作用[35]。风沙流处理下，SOD 活性先减后增，POD和CAT 活性先增后减，但均高于CK，这与在玉米幼苗[37]上的研究结果一致。从胁迫时间与净风和风沙流交互作用角度而言，随着胁迫时间的增加，在整个胁迫过程中，20 min 净风处理下POD、CAT 活性增幅最大，20 min 风沙流处理下SOD、POD 活性均高于其他胁迫时间。这说明10 min 胁迫时SOD 活性显著降低可能是导致膜透性显著增加的原因之一[34]，而POD和CAT 是抵御风沙环境的主要酶活性，20 和30 min胁迫下3 种酶活性通过协调作用降低了风沙流胁迫对黑果枸杞造成的氧化损害，而且20 min 胁迫下的抗风沙能力最强。

渗透调节物质的积累对提高植物抗逆性有重要作用，植物在受到逆境胁迫时，可通过增加渗透调节物质含量保持细胞内的渗透势平衡，增强蛋白质与蛋白质间的水合作用，对细胞膜、酶和蛋白质活性起保护作用，以提高植物的抗逆性，其渗透调节物质含量的升高也可体现植物对逆境的应变能力[38]。本研究表明，10、20 和30 min 净风和风沙流处理下SP 含量均显著低于CK，而且风沙流胁迫时的下降幅度较大，说明风沙流对SP 含量影响较大，可能是因为此时的胁迫超过了黑果枸杞的耐受力，蛋白质水解加快，合成受阻，导致蛋白含量下降[39]。Pro 和SS 含量随净风和风沙流胁迫时间增加，均呈先上升后下降趋势，当胁迫时间为20 min 时Pro 和SS 含量均达到最大值，30 min 处理下均有所降低，但仍高于CK，且风沙流胁迫下的Pro 和SS 含量的上升幅度均高于净风胁迫，说明风沙流胁迫下SS 和Pro 的渗透调节作用更强，这与在樟子松[24]和玉米[34]上的研究结果一致。在胁迫时间与净风和风沙流交互作用中，随着胁迫时间的增加，20 min 净风和风沙流处理下Pro 和SS 含量均高于其他胁迫时间。说明，SP 未发挥渗透调节作用，Pro 和SS 起到不同程度的渗透调节作用，但在20 min 胁迫下的保护作用最强，并随胁迫时间的延长均表现出降低趋势，仍能起到一定的保护作用。

4 结论

综上所述，黑果枸杞膜系统在30 min 以内的风沙胁迫下表现出不同程度的应急响应，在20 min胁迫下的抗风沙能力最强，对荒漠植被的恢复具有一定的指导意义。表明未来黑果枸杞的种植，应结合干旱、高温以及风和风沙流等环境因子的综合影响，将其种植在较适宜的风沙环境中使荒漠植被的恢复和管理方面取得较好的生态和经济效益。