林业科学  2012, Vol. 48 Issue (11): 30-35   PDF    
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应叶青, 刘鹏, 王兴华, 张雪, 梅丽, 郁万文, 吴家胜
Ying Yeqing, Liu Peng, Wang Xinghua, Zhang Xue, Mei Li, Yu Wanwen, Wu Jiasheng
干旱对不同种源喜树苗木生长及叶片喜树碱产量的影响
Effect of Drought Stress on the Seedling Growth from Different Provenances and Camptothecin Yield in Leaves of Camptotheca acuminata
林业科学, 2012, 48(11): 30-35.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(11): 30-35.

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收稿日期:2012-05-02
修回日期:2012-07-03

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应叶青
刘鹏
王兴华
张雪
梅丽
郁万文
吴家胜

干旱对不同种源喜树苗木生长及叶片喜树碱产量的影响
应叶青1, 刘鹏1,2, 王兴华1, 张雪1, 梅丽1, 郁万文3, 吴家胜1    
1. 浙江农林大学 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地 临安 311300;
2. 衢州市园林管理处 衢州 324000;
3. 南京林业大学 南京 210037
摘要: 以长江以南8个不同种源的1年生喜树实生苗为研究对象,采用温室土培盆栽模拟干旱环境,研究干旱对不同种源喜树苗期生长的影响,同时利用超高效液相色谱测定干旱胁迫下各种源叶片喜树碱含量,计算单株叶片喜树碱产量。结果表明:干旱胁迫限制喜树苗期的生长,不同喜树种源地径和苗高的生长以及总生物量的积累均受到抑制,不同干旱处理间和种源间喜树的地径增粗、苗高增长、总生物量及叶产量等均存在显著差异(P < 0.05);干旱对叶片喜树碱含量有显著影响(P < 0.05),且不同种源之间存在显著差异(P < 0.05),随干旱处理程度加深,叶片喜树碱含量呈先升高后降低的变化趋势;干旱导致大部分种源的单株叶片喜树碱产量降低,仅有桂林种源和南京种源的单株叶片喜树碱产量在轻度干旱胁迫下有所升高,不同种源之间存在显著差异(P < 0.05),轻度干旱下种源桂林的喜树碱产量最高,达到27.904 mg。轻度干旱可以提高喜树苗木叶片喜树碱含量,同时种源桂林在所有受试种源中均有较高的叶片喜树碱含量和产量。
关键词:喜树    干旱胁迫    生长    喜树碱    
Effect of Drought Stress on the Seedling Growth from Different Provenances and Camptothecin Yield in Leaves of Camptotheca acuminata
Ying Yeqing1, Liu Peng1,2, Wang Xinghua1, Zhang Xue1, Mei Li1, Yu Wanwen3, Wu Jiasheng1    
1. The Nurturing Station for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture Zhejiang Agriculture and Forestry University Lin'an 311300;
2. Garden Administrative Office of Quzhou City Quzhou 32400;
3. Nanjing Forestry University Nanjing 210037
Abstract: A pot experiment in greenhouse was conducted to investigate the effect of drought stress on 1-year-old seedling growth of Camptotheca acuminata from 8 provenances. The camptothecin concentrations in leaves of the seedlings under drought stresses were determined by the ultra performance liquid chromatography (UPLC) and the yields of camptothecin per plant were subsequently calculated. Results showed that: The drought stress inhibited the seedling growth by decreasing the basal diameter and height increment, and decreasing total biomass of all seedlings from the 8 different provenances. The differences in the basal diameter and height increment, the total biomass, and the yield per plant were significant among different treatments and provenances (P < 0.05). Variance analysis indicated that the contents of camptothecin had significant difference among provenances and levels of soil moisture (P < 0.05), and the contents of camptothecin increased at first and then decreased in all the provenances with drought stress strengthening. Under drought stress, the yields of camptothecin per plant decreased in almost all provenances, but under light drought stress, the yields of camptothecin per plant increased in GL and NJ provenances, with the highest yield up to 27.904 mg per plant in GL provenance. The differences in the yields of camptothecin per plant were significant among different provenances. It is concluded that GL provenance had the highest content and yield of camptothecin per plant, and especially its yield was able to be improved under light drought stress. Thus this study would provide a theoretical basis for selective breeding as well as the establishment and management of leaf-producing plantation of C. acuminata.
Key words: Camptotheca acuminata    drought stress    growth    camptothecin    

喜树(Camptotheca acuminata)属珙桐科(Nyssaceae)旱莲属植物,落叶乔木。分布于我国长江流域及西南各省和印度部分地区,台湾、广西、河南等地也有栽培。因其提取物喜树碱具有抗癌活性,引起了人们的关注(Devi Sankar-Thomas et al., 2011;Trueman et al., 2011;吴家胜等,20052007应叶青等,2004冯建灿等,2002戴绍军,2002阎秀峰等,2002)。由于喜树幼年期叶片内喜树碱含量较高,我国长江以南一些地区陆续营建喜树叶用园以获取喜树碱提取原料(吴家胜等,2005),如何科学高效地经营喜树叶用园也成为研究的热点(吴家胜等,20052007应叶青等,2004)。

干旱胁迫能够提高喜树叶片中喜树碱含量(冯建灿等,2002戴绍军,2002),但在干旱胁迫下不同种源喜树苗期叶片中喜树碱产量的变化以及不同种源间是否存在差异尚不清楚。本文对干旱胁迫下不同种源喜树苗期的生长、生物量积累以及叶片中喜树碱含量进行分析,对干旱胁迫下不同种源喜树苗期叶片中喜树碱产量的变化进行研究,为喜树叶用园的良种选育及叶用园经营中如何通过水分管理提高喜树碱产量提供一定理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

以喜树自然分布区内8个不同地理种源为试验对象(表 1)。2009年3月31日在临安青山容器苗培育基地进行播种。2009年5月31日选取生长状况良好且大小基本一致的苗木移栽于容积为11 L的培养钵中,每盆1株,正常的水肥管理。基质为黄泥(过筛0.8 cm×0.8 cm)与珍珠岩按3:1比例混合,混合后土壤的pH为6.63,有机质含量为3.2 mg·kg-1,全氮含量为383.6 mg·kg-1,碱解氮含量为35.5 mg·kg-1,全磷含量为208.7 mg·kg-1,有效磷含量为2.26 mg·kg-1,全钾含量为13.73 mg·kg-1,移栽前在基质中施入适量缓释肥(爱贝施,4 kg·m-3),基质装盆质量为每盒6.8 kg,利用环刀法测定盆内基质平均田间持水量为49.8%。于2009年8月6日将苗木移至浙江农林大学温室大棚,每个种源选择54盆生长状况基本一致的喜树苗进行试验。

表 1 喜树参试种源的地理位置 Tab.1 Geographical site of the selected provenances of Camptotheca acuminata
1.2 试验方法 1.2.1 试验设计

采用双因素完全随机区组试验设计:因素A为土壤含水量(干旱处理),设置3个水平,即重度干旱SS(serious stress)(含水量为田间持水量的25%~30%)、轻度干旱LS(light stress)(含水量为田间持水量的45%~50%)、对照组CK(control check)(含水量为田间持水量的75%~80%);因素B为种源,设置8个水平(表 1);每个处理设置3次重复,每个重复6株苗。利用称质量法测量土壤水分含量,每天17: 30补充水分,使之处于控制的梯度范围。干旱处理30天(2009年10月1日,上午8: 00—9: 00),采集叶片并测定相关指标。

1.2.2 生长指标测定

1) 苗高的测量:分别于处理前和处理后用卷尺测量所有受试苗木的苗高(根基部到顶芽),苗高增量(seedling height increment)的计算方式为:处理后的苗高-处理前的苗高。

2) 地径的测量:分别于处理前和处理后用游标卡尺测量所有受试苗木的地径(每株苗十字交叉状测量2次,取平均值),地径增量(ground diameter increment)的计算方式为:处理后的地径-处理前的地径。

3) 生物量测定:每个处理选择3株生长均衡的喜树苗,从盆中取出,除去根部土壤,用水将根洗净,带回实验室,于烘箱中105 ℃杀青0.5 h后在80 ℃下烘至恒质量,计算其总生物量(total biomass)、叶片产量(leaf biomass)等。

1.2.3 喜树碱含量测定

阎秀峰等(2002)的方法测定。ACQUITY TM Ultra Performance LC超高效液相色谱系统(美国Waters公司),ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱(2.1 mm ×100 mm,1.8 μm),柱温25 ℃,流动相为乙腈-水(25:75,含0.2%的甲酸),流速0.2 mL·min-1,检测波长252.9 nm,进样体积2.0 μL。经测定喜树碱标准品和样品(以安徽黄山种源为例)的色谱图如图 1所示。经计算喜树碱质量浓度与峰面积的线性回归方程为:

图 1 喜树碱标准品(A)与喜树叶片样品(B)的色谱 Fig.1 Chromatograms of standard (A) and sample of leaves of C.acuminata (B)

y=2×107x-2.15×105r=0.999 8,回收率为95%,精密度RSD为2.1%。

喜树碱产量=单株叶片产量×喜树碱含量

1.2.4 数据处理

利用SAS 8.0统计分析软件和EXCEL数据处理软件。

2 结果与分析 2.1 干旱对不同种源喜树苗期生长的影响 2.1.1 干旱对不同种源喜树苗高和地径的影响

干旱胁迫限制了喜树苗木地径的生长(图 2),正常情况下地径平均增长3.95 mm,其中种源GL最大达到4.77 mm,种源CX增长最小为3.23 mm。轻度胁迫下喜树苗木地径的平均增长值为2.69 mm,是对照的68.11%,其中种源GL增长最多为3.34 mm,种源KM最小为2.24 mm。重度胁迫下地径的平均增长值为1.30 mm,仅为对照的33.04%,其中种源CX仅增长1.02 mm,为所有处理中地径增长最小值。方差分析表明:处理间和种源间喜树苗木地径的增长值均存在显著差异(P < 0.05)。

图 2 干旱对不同种源喜树苗高和地径增量的影响 Fig.2 Effect of drought stress on ground diameter increment and seedling height increment in different C.acuminata provenances

干旱胁迫下喜树苗高的增长受到限制(图 2),正常情况下各个种源的高增长量平均达到37.99 cm,其中种源HS, KM, SY的高增长量均超过了40 cm。随着干旱胁迫的加剧,喜树苗高增长值逐渐降低,轻度胁迫下平均增长19.50 cm,为正常处理的51.33%,在重度胁迫下平均增长4.96 cm,仅为正常处理的13.06%,其中种源HS的增长值最小仅有3.6 cm。

2.1.2 干旱对不同种源喜树苗期总生物量和叶产量的影响

随着干旱胁迫的加剧,喜树苗期总生物量逐渐降低(图 3),在轻度胁迫生物量最大的为种源SY(56.30 g),生物量最小的为种源HS(43.30 g),为种源SY的76.90%。与对照相比重度胁迫下喜树苗期的总生物量平均降低了54.92%,种源HS的降低幅度最大达到了62.83%。方差分析表明:种源间和干旱处理间总生物量具有显著差异(P < 0.05)。

图 3 干旱对不同种源喜树苗期总生物量和叶生物量的影响 Fig.3 Effect of drought stress on total biomass and leaf biomass in different C.acuminata provenances

随着干旱胁迫的加剧,不同种源喜树单株叶产量均呈现降低趋势(图 3)。在正常情况下,种源KM和CX的单株叶产量相对较高,分别为35.67 g和35.28 g,种源GY的单株叶产量最低为30.04 g。在轻度干旱胁迫下,不同种源单株叶产量平均降低27.72%,其中种源SY和GY的降幅相对较小,分别为12.26%和12.86%,降幅最大的为种源LQ和HS,分别降低45.01%和42.53%。重度胁迫下,单株叶产量平均降低61.72%,其中降幅最大的为种源CX(69.80%),其次为LQ(69.09%),降幅较小的为种源SY和NJ,分别降低51.89%和52.47%(图 2)。方差分析表明:种源间和干旱处理间喜树苗木的单株叶产量均存在显著差异(P < 0.05)。

2.2 干旱对不同种源喜树叶片中喜树碱产量的影响 2.2.1 干旱对不同种源喜树叶片中喜树碱含量的影响

不同种源喜树的喜树碱含量测定结果如表 2所示。随着干旱胁迫的加剧,叶片中喜树碱含量总体上呈现先上升后下降的变化趋势。正常情况下,种源GL的喜树碱含量最高为0.703‰,而种源LQ的最低为0.502‰。在轻度干旱胁迫下所有受试种源的喜树碱含量均有所升高,其中种源GL其含量最高达到1.20‰,其增幅最大为71.39%,而种源LQ的喜树碱含量最低为0.615‰。在重度胁迫下,除种源GY的喜树碱含量继续升高外,其他种源的喜树碱含量较轻度胁迫均有所降低,其中种源HS,NJ,KM,SY和CX的喜树碱含量均低于对照组(表 2)。方差分析表明:种源间和干旱处理间叶片喜树碱含量均有显著影响(P < 0.05)。

表 2 干旱胁迫下不同种源喜树碱含量的变化 Tab.2 Variation in contents of camptothecine of different C.acuminata provenances under drought stress
2.2.2 干旱对不同种源喜树叶片中喜树碱产量的影响

干旱处理下不同种源喜树叶喜树碱产量的变化如表 3所示。CK处理下,喜树碱产量最高的为种源HS,其次为种源GL,产量最小的为种源LQ。轻度干旱胁迫下,单株喜树碱产量的变化比较复杂,但其平均产量较对照组略有下降但幅度不大。CK的平均产量为20.31 mg,而LS处理的平均产量为19.47 mg,该处理下种源GL的产量最高,为所有处理中产量最高值。在重度胁迫下,喜树碱产量明显降低,其平均单株产量仅有6.50 mg,仅有CK平均值的32.00%,其中产量最低的为种源NJ。方差分析表明:种源间和干旱处理间叶片中喜树碱产量均存在显著差异(P < 0.05)。

表 3 干旱胁迫下不同种源喜树叶喜树碱产量的变化 Tab.3 Variation in yields of camptothecine of different C.acuminata provenances under drought stress
3 讨论

干旱胁迫对植物的形态和生理生化变化有重要的影响,干旱使林木苗期各部分的生长受到抑制(胡晓健等,2010)。本研究发现:喜树苗木在不同程度的干旱胁迫下,苗高和地径生长受到明显的影响,轻度干旱胁迫下喜树苗木苗高、地径和总生物量均低于对照,重度胁迫下地径、苗高和生物量的积累受到的抑制作用更大,干旱胁迫下的地径增量、苗高增量和总生物量与对照相比均存在显著差异。这与胡晓健等(2010)对马尾松(Pinus massoniana)的研究,谢会成等(2004)对栓皮栎(Quercus variabilis)苗期的研究,以及肖冬梅等(2004)对红松(Pinus koraiensis)等4个树种耐旱性的研究结果相似。而干旱胁迫下喜树不同种源苗期的地径增量、苗高增量、总生物量以及叶片产量的变化不一,则说明不同种源在不同干旱胁迫下表现出的耐旱能力存在一定差异。

喜树碱是从喜树中提取出的一种萜类生物碱,分子式C20H16N2O4,分子量348.34。喜树碱是淡黄色片状晶体,熔点264~267 ℃,在紫外光下呈强烈的蓝色荧光,喜树碱是一类具有抗癌作用的次生代谢物。植物次生代谢产物的合成和积累与生态环境因子密切相关,光、温、水、空气及土壤等因素都会对植物的次生代谢产生影响(粟君等,2011)。研究表明:喜树碱的合成亦受到诸多环境因素的影响,如水分、光照、土质、Cu2+等(Wang et al., 2004冯建灿等,2002马伟等,2007顾青等,2006)。Wang等(2004)研究表明一定的遮光条件会提高喜树叶片中的喜树碱含量。铵态氮/硝态氮的比例对喜树碱的合成与积累也有影响(Liu et al., 1999)。冯建灿等(2002)研究认为喜树碱是喜树应对干旱胁迫的一种产物,对喜树抵抗干旱有积极的意义,同时发现短时间的干旱胁迫诱导喜树叶片产生更多量的喜树碱。戴绍军等(2002)研究表明:不同程度的水分胁迫导致苗期叶片中喜树碱含量增高,但增高的幅度因苗期的不同生长时期而异。

本研究表明在轻度干旱胁迫下,不同种源喜树叶片的喜树碱含量与各自对照相比均有所升高,这与冯建灿(2002)戴绍军(2002)等的研究结果相似。在重度胁迫下,种源GY叶片的喜树碱含量持续升高,而种源GL,LQ与其各自对照相比有所升高,但与轻度胁迫相比却有所降低,其他种源与各自对照相比均有降低且低于轻度干旱胁迫,可见重度胁迫下喜树碱含量的变化趋势相对比较复杂,种源间喜树碱含量变化幅度差异较大,但总体有降低趋势,以往研究也有类似结果(冯建灿等,2002Liu et al., 2000),其研究表明长时间的严重干旱导致喜树叶片喜树碱含量的降低。重度胁迫下喜树叶片CPT含量下降的原因,可能是严重的干旱胁迫限制喜树碱合成过程中的某些必需的中间产物的合成或者减少其含量,致使喜树碱合成受阻,从而使喜树碱含量降低,具体原因有待进一步研究。不同种源间喜树碱含量存在差异,这种差异的产生与其各自遗传和生长环境等因素有关,张康健等(2002)研究认为对于一个植物群体而言,由于环境、遗传等因素的影响,引起了个体次生代谢物含量上的差异性。

不同种源喜树单株叶片喜树碱产量随着干旱的加剧总体上呈现降低趋势,但是种源GL和NJ在轻度胁迫下的喜树碱产量有所升高,其中轻度胁迫下种源GL的喜树碱产量在所有处理中最高。因此,在喜树叶用园营建时,可优先考虑选择种源GL和NJ的苗木作为种植材料。另外,由于轻度干旱胁迫可引起叶片喜树碱含量升高,在叶用园经营过程中,前期可以给予良好的水分条件以获取高的叶片产量,而叶子采收前可适当造成轻度干旱以促进叶片喜树碱含量的提高,从而提高单位面积喜树叶用园的喜树碱产量。

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