植物实生苗生长阶段既是对水分最敏感的阶段，也是由于水分不足导致其死亡的重要时期^[1]。植物遭受干旱胁迫时，生长受到限制，一般表现为生物量下降^[2]，将有限的光合产物更多地分配给根系，以适应干旱^[3]。干旱胁迫会引起植物体内活性氧的过量累积，导致细胞膜脂过氧化^[4]，但植物为应对干旱胁迫而进化了酶促和非酶促抗氧化防御系统^[5]，其中以超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)为代表的酶类会通过协同作用清除过量的活性氧，减轻细胞的过氧化损伤^[6]，但因植物种类^[7]和干旱胁迫程度不同^[8-10]而存在差异。

裸果木(Gymnocarpos przewalskii)隶属石竹科裸果木属，起源于古地中海，是亚洲中部荒漠区稀有的第三纪孑遗植物种，耐干旱、耐瘠薄、耐风蚀沙埋，成为石质荒漠区重要的建群种之一，主要生长在海拔800~2 500 m的干河床、山前洪积扇及砾质戈壁滩等地，发挥着重要的防风固沙和水土保持作用^[11]。研究^[12]表明，裸果木的潜在适生区集中在西北荒漠区，年平均降水量40~200 mm，潜在蒸发率3~15之间，极端最高气温基本上在29.2~36.8 ℃之间，在气候变化的大背景下，对维护荒漠生态系统稳定具有不可替代的作用。由于其生存环境条件恶劣，以及人为活动的影响，导致其种群数量日益减小，自然繁殖能力受到明显限制，现今已处于濒危状态^[13]，被列为国家一级保护植物，亟待加强研究和保护。连转红^[14]研究自然干旱下裸果木成年植株叶片的生理响应，但是对干旱胁迫下幼苗叶片和根系生理响应的对比研究尚未见报道。笔者通过盆栽控制实验，研究不同干旱胁迫程度下裸果木幼苗生物量分配和抗氧化酶活性的变化，探究裸果木的抗旱生理机制。

以一年生裸果木实生苗为实验材料。种子采集于甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区自然分布的裸果木种群，育苗基质为泥炭:蛭石:珍珠岩=2:2:1，每个花盆(直径24 cm，高度35 cm)播种10粒，待成活稳定后，每盆保留3株，在甘肃农业大学林学院种苗室进行日常管护。2018年5月将花盆移至塑料大棚内，进行正常的水分管理，6月开始实施水分处理。

实验设对照(control，CK)、轻度干旱胁迫(light drought stress，LD)、中度干旱胁迫(moderate drought stress，MD)、重度干旱胁迫(severe drought stress，SD)，土壤含水量分别为田间持水量的45%~50%、30%~35%、15%~20%、5%~10%，每个处理10个重复，通过每2 d定时称量补充蒸发损失的水分，保持含水量恒定。控水90 d后开始取样，先摘取叶片，然后采集根样，置于密封袋，带回实验室后冲洗干净，将处理好的根系和叶片分成2份，1份用于生物量的测定，1份用于生理指标的测定。

生物量测定采用烘干称量法，将根、茎叶分别称其鲜质量，于烘箱中105 ℃杀青30 min，然后75 ℃下烘干至恒质量，分别称其干质量，计算根冠比。根冠比＝根干质量/茎叶干质量。MDA含量、SOD、POD、CAT活性分别采用硫代巴比妥酸法、氮蓝四唑法、愈创木酚法、紫外吸收法测定^[15]，APX活性参照张以顺的方法^[16]测定。

采用Excel 2010整理数据，SPSS 13.0统计分析软件进行单因素方差分析，用Duncan法进行多重比较，检测水平为0.05。

随着干旱胁迫的加剧，裸果木幼苗总生物量、地上及地下生物量均呈现下降趋势，地上部分占有更大比例(图 1)。干旱胁迫下总生物量和地上生物量均显著低于CK，随干旱程度的增大，LD、MD和SD地上部分生物量分别较CK下降了31.5%、66.0%、85.4%。LD处理下的根系生物量与CK差异不显著，MD和SD处理下降明显，降幅分别为39.3%和71.3%。干旱胁迫使地上部分生物量下降更为明显。

图 1(Fig. 1)

CK：对照.LD：轻度干旱胁迫；MD：中度干旱胁迫；SD：重度干旱胁迫。图中同类图柱字母不同时，表示处理之间差异显著(P < 0.05)，含相同字母表示差异不显著(P>0.05)，下同。 CK: Control. LD: Light drought stress. MD: Moderate drought stress. SD: Severe drought stress. Different letters in the same type of figures indicate significant difference among treatments (P < 0.05), the same letter indicates insignificant difference (P>0.05). The same below. 图 1 干旱胁迫对裸果木幼苗生物量和根冠比的影响 Fig. 1 Effects of drought stress on the biomass and root-shoot ratio of Gymnocarpos przewalskii seedlings

根冠比反映植物地下部分与地上部分的物质分配消长关系。随着干旱胁迫程度的加大，裸果木幼苗的根冠比呈上升趋势(图 1)。LD与MD处理下，根冠比与CK之间差异不显著，SD处理的根冠比明显高于CK和LD，分别为前两者的2.7倍和2.4倍。

干旱胁迫使裸果木叶片MDA含量持续增加(图 2)，在MD和SD处理下，MDA含量增加显著，增幅分别为68.9%和102.2%，不同胁迫处理之间MDA含量的差异均达显著水平。与CK相比，LD、MD和SD处理下根系MDA含量均增加显著，分别为CK的1.1、1.3和2.3倍，SD处理的MDA含量也显著高于LD和MD处理。当胁迫程度相同时，根系MDA含量的增幅显著高于叶片，表明水分胁迫对根系膜系统的伤害程度更大。

图 2(Fig. 2)

图 2 干旱胁迫对裸果木幼苗丙二醛质量摩尔浓度的影响 Fig. 2 Effects of drought stress on MDA content in Gymnocarpos przewalskii seedlings

裸果木幼苗叶片和根系SOD活性均随胁迫程度的增加先上升后下降，均在MD下达到最大值(图 3)。相较于CK，叶片的SOD活性在LD、MD下增加显著，增幅分别为58.1%、83.6%；SD处理的SOD活性显著低于CK，降幅为31.7%。对根系而言，干旱胁迫使SOD活性均显著升高，LD、MD和SD分别为CK的2.3、4.5、2.9倍。除SD处理外，在其他处理下叶片SOD活性均高于根系，表明在重度干旱胁迫下根系SOD清除活性氧的能力较强。

图 3(Fig. 3)

图 3 干旱胁迫对裸果木幼苗SOD活性的影响 Fig. 3 Effects of drought stress on SOD activity of Gymnocarpos przewalskii seedlings

干旱胁迫使叶片的POD活性显著增加(图 4)，SD下POD活性最高，为CK的2.7倍，不同胁迫处理之间POD活性差异也达显著水平。干旱胁迫使根系的POD活性均显著低于CK，且随着胁迫的加剧，POD活性显著地先降后升，MD处理下出现最小值，较CK降低73.0%。叶片和根系POD活性对水分胁迫的响应规律明显不同。

图 4(Fig. 4)

图 4 干旱胁迫对裸果木幼苗POD活性的影响 Fig. 4 Effects of drought stress on POD activity of Gymnocarpos przewalskii seedlings

干旱胁迫均使裸果木叶片和根系的CAT活性显著增强(图 5)。对叶片而言，随胁迫程度的加大，CAT活性持续上升，LD、MD和SD较CK分别增加76.7%、78.7%、116.1%，MD处理的CAT活性与LD、SD处理差异不显著。根系在胁迫过程中CAT活性变化规律与叶片一致，3个胁迫处理的CAT活性均显著高于CK，LD、MD和SD分别高出35.9%、62.7%和78.2%。相同的胁迫程度下，叶片CAT活性的增幅均高于根系，表现出更强的清除H₂O₂的能力。

图 5(Fig. 5)

图 5 干旱胁迫对裸果木幼苗CAT活性的影响 Fig. 5 Effects of drought stress on CAT activity of Gymnocarpos przewalskii seedlings

干旱胁迫下，裸果木幼苗叶片和根系APX活性均持续增加(图 6)。在LD处理下，叶片APX活性较CK变化不明显，MD、SD处理下，APX活性急剧增加，分别达到CK的4.8倍和7.8倍。根系APX活性在各胁迫处理间均存在显著差异。相较于CK，LD处理下APX活性较CK增加76.4%，MD、SD处理的APX活性分别为CK的4.7倍和8.9倍。SD处理下，根系APX活性增幅大于叶片，表现出较强的抗氧化作用。

图 6(Fig. 6)

图 6 干旱胁迫对裸果木幼苗APX活性的影响 Fig. 6 Effects of drought stress on APX activity of Gymnocarpos przewalskii seedlings

根系作为植物吸收水分的主要器官，对土壤水分变化非常敏感并会产生一系列生理应答，与植物的抗旱性密切相关^[17]。叶片则作为光合作用的主要部位，也会对水分亏缺产生生理响应。生物量是衡量植物幼苗生长状况的重要指标，干旱程度加剧时，植物幼苗会通过改变生物量和增加根冠比等方式来应对^[18]。本研究发现，裸果木幼苗地上生物量随着胁迫程度的加剧逐渐下降，LD和MD处理下降缓慢，在SD处理时，幼苗生物量急剧下降，表明干旱胁迫会明显影响裸果木幼苗生物量的生产，地上部分生物量下降更快，这与李冬梅等^[19]的研究结果相一致。植物增大根部光合产物的分配有利于其适应干旱环境^[20]，土壤水分减少时，裸果木幼苗就会将生长中心向根系转移，以吸收更多水分，尤其在SD处理下，通过这种方式来实现对有限水分的最大利用，以保证生存。

MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一，其含量的高低在一定程度上可以反映植物膜系统受伤害程度^[21]。干旱胁迫下，MDA含量的变化程度能很好地反映植物的抗旱性强弱^[22]。本研究中，MD和SD处理均使裸果木叶片中的MDA含量显著增加，对叶片的细胞膜系统造成明显伤害，莫荣利等^[23]研究水分胁迫下桑树MDA含量的变化，也得出相似的结论。根系MDA含量在LD处理时就显著升高，说明根系膜系统对干旱胁迫较为敏感，SD处理则造成膜系统伤害明显加剧，这与红砂根系MDA含量对干旱胁迫的响应规律一致^[24]。相同干旱胁迫条件下，裸果木根系MDA含量增幅明显高于叶片，说明根系对干旱胁迫更为敏感，根的质膜受损程度大于叶片，麻疯树幼苗对干旱胁迫也表现出相似的生理应答^[25]。

在遭受干旱胁迫时，植物会启动抗氧化酶防御系统，清除活性氧^[26]。SOD作为植物清除活性氧的第一道防线，通过歧化作用将O₂^-转化为H₂O₂^[6]。本研究结果发现，在LD、MD处理下，裸果木叶片和根系中的SOD酶有效地发挥了清除O₂^-的作用，但在SD处理下，SOD活性显著下降，干旱胁迫下花棒^[27]SOD活性也表现出类似的变化规律，表明SOD对植物体自由基的清除能力存在阈值，重度胁迫超出了SOD的作用范围。CAT、POD能够清除H₂O₂，使其转化为H₂O和O₂，通常与SOD酶协同作用进一步减轻活性氧的伤害^[6]。本研究发现，裸果木叶片POD和CAT活性随干旱胁迫加剧持续升高，明显地发挥了清除H₂O₂的作用，这与紫花苜蓿^[28]在干旱胁迫下的抗氧化作用方式相一致。连转红^[14]研究表明，随着干旱的持续，裸果木叶片POD活性则先下降后上升，与本研究结果略有不同，这可能是由于研究对象的年龄不同，胁迫程度存在差异。LD和MD胁迫使根系中POD活性显著下降，SD处理下又表现为上升，可能是因为逆境胁迫下POD具有双重作用：一方面具有抗氧化能力^[29]，另一面还可能参与不饱和脂肪酸的过氧化^[30]。说明POD并不是裸果木根系中清除H₂O₂的主要酶类，重度水分胁迫又加剧了质膜的过氧化。APX也是重要的H₂O₂清除酶，与CAT和POD共同构成了植物体内清除活性氧的第二道防线^[31]。本实验结果表明，MD和SD处理诱导裸果木叶片和根系中的APX活性显著增强，对清除H₂O₂发挥了积极作用，与光核桃根系^[32]APX活性对干旱胁迫的响应规律类似，而多年生的裸果木叶片中APX活性随干旱的加剧则表现出先升后降的趋势^[14]，与本研究结果不一致，可能是实验材料和干旱强度不同所致。

1) 干旱胁迫明显限制了裸果木幼苗生物量的积累，对地上部分的影响更大，幼苗能通过减少地上部分的水分散失，增加根系光合产物的分配比例以应对干旱。

2) 干旱胁迫对根系和叶片细胞膜系统均造成了明显的过氧化伤害，胁迫程度越大，膜伤害越严重，根系的抗氧化保护能力较叶片弱。

3) 叶片通过SOD、CAT、POD、APX酶的协同作用保护质膜系统，根系主要通过SOD、CAT、APX酶的保护减轻活性氧伤害，重度干旱胁迫超出了叶片和根系SOD酶清除自由基的作用范围。