野菊幼苗對(duì)自然干旱脅迫的生理響應(yīng)

何 淼,李文鶴,卓麗環(huán),2

(1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；2.上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 201600)

野菊花(Dendranthemaindicum)為菊科菊屬多年生草本植物，高0.25～1.00 m，有地下長或短匍匐莖。莖直立或鋪散，分枝或僅在莖頂有傘房狀花序分枝。莖枝被稀疏的毛，上部及花序枝上的毛稍多或較多[1]。野生于山坡草地、河邊濕地、濱海鹽漬地及路旁，廣布于中國東南部各地。隨著城鎮(zhèn)綠地生態(tài)環(huán)境建設(shè)的快速發(fā)展，綠地面積和灌溉用地不斷增加，加劇了水資源匱乏地區(qū)與農(nóng)、林、工業(yè)等的競爭用水，使水資源匱乏與人類需水量增加的矛盾越來越嚴(yán)重。因此，篩選具有良好觀賞性狀和抗旱性的綠化地被種類，應(yīng)用于城市綠化建設(shè)，對(duì)于節(jié)約淡水資源、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義[2]。

研究植物在干旱條件下的生長、生理反應(yīng)及其抗旱的生理機(jī)制顯得尤為重要。迄今為止，已經(jīng)有許多關(guān)于植物抗旱生理方面的研究[3-9]，馮佰利等[10]發(fā)現(xiàn)小麥(Triticumaestivum)開花后的葉片可溶性蛋白含量會(huì)下降，但不同品種葉片之間可溶性蛋白存在明顯差別。王啟明[11]、沈秀瑛等[12]做的許多研究已證實(shí)過氧化物酶(POD)的活性能反映植物的生長發(fā)育特點(diǎn)及體內(nèi)代謝狀況，可以作為植物生長和分化過程的一個(gè)指標(biāo)，但有關(guān)干旱脅迫下野菊的生理適應(yīng)性的研究鮮見報(bào)道。因此，本研究以遼寧本溪采得的野菊種子為材料，對(duì)其幼苗進(jìn)行干旱脅迫，探討干旱脅迫過程中各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化,分析其生理響應(yīng)機(jī)制,以期為野菊的養(yǎng)護(hù)管理、抗旱新品種的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用野菊種子于2009年11月采自遼寧省本溪市,經(jīng)精選后的種子保存于4 ℃冰箱中。2010年6月在東北林業(yè)大學(xué)溫室進(jìn)行播種育苗，2010年8月移至園林學(xué)院實(shí)驗(yàn)室。

1.2試驗(yàn)方法 用規(guī)格一致的塑料花盆裝入栽培基質(zhì)(由4∶1∶1的粘土、珍珠巖、蛭石構(gòu)成)。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理組：Ⅰ組為對(duì)照組，正常澆水保證植株正常生長；Ⅱ組為復(fù)水組，進(jìn)行干旱脅迫10 d后開始正常澆水；Ⅲ組為干旱組，從7月3日開始干旱脅迫，脅迫20 d后，干旱組的幼苗出現(xiàn)重度萎蔫，失去觀賞價(jià)值，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)選30株大小均勻一致的植株。干旱脅迫分4個(gè)階段，設(shè)停水5、10、15、20 d脅迫處理。在處理5、10、15、20 d后分別測定各個(gè)處理的植株生理指標(biāo)。

1.3測定方法 可溶性糖含量測定用蒽酮比色法；可溶性蛋白測定用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法；丙二醛(MDA) 測定用硫代巴比妥酸顯色法；細(xì)胞質(zhì)膜透性測定采用電導(dǎo)儀法；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法；POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法；過氧化氫酶(CAT)測定采用高錳酸鉀滴定法[13]。所有成分的含量均以干質(zhì)量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

1.4數(shù)據(jù)處理 對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,處理間的差異顯著性用多重比較(LSD)檢驗(yàn)。整個(gè)計(jì)算過程在SPSS 13.0和Excel 2003軟件系統(tǒng)下完成。

2 結(jié)果

2.1干旱脅迫下可溶性糖的變化 隨著植物生長量的增加，對(duì)照組在試驗(yàn)的20 d內(nèi)，可溶性糖的含量呈平穩(wěn)的增長趨勢(圖1)。脅迫10 d時(shí)，復(fù)水組與干旱組野菊幼苗葉片的可溶糖含量急劇增加，與對(duì)照呈極顯著差異(P<0.01)。隨著時(shí)間的增加，兩處理組的可溶性糖含量均呈遞減的趨勢，但是復(fù)水組下降的速度更快。15 d時(shí)，3組之間的可溶性糖含量呈顯著差異(P<0.05),其中干旱組含量最高，為0.039 5 mg/g，對(duì)照組含量為0.034 5 mg/g，復(fù)水組含量最低，為0.026 9 mg/g。到脅迫20 d時(shí)，復(fù)水組的可溶性糖的含量升高，其含量與對(duì)照接近，說明可溶性糖對(duì)于野菊外界環(huán)境變化比較敏感。干旱組的可溶性糖含量一直呈下降趨勢，脅迫20 d時(shí)，極顯著低于對(duì)照組和復(fù)水組(圖1)。

圖1 干旱脅迫對(duì)野菊幼苗葉片可溶性糖含量的影響

2.2干旱脅迫下可溶性蛋白的變化 隨著時(shí)間的增加，對(duì)照組野菊幼苗葉片的可溶性蛋白基本保持不變(圖2)。但是前10 d內(nèi)，復(fù)水與干旱組的可溶蛋白含量變化呈均勻下降的趨勢，其含量均極顯著低于對(duì)照組(P<0.01)。10 d后開始復(fù)水，復(fù)水組的可溶性蛋白含量緩慢恢復(fù)，直到試驗(yàn)結(jié)束，仍然極顯著低于對(duì)照組。干旱組可溶性蛋白含量在10 d后開始迅速增加，15 d時(shí)仍顯著低于對(duì)照(P<0.05)，到20 d時(shí)與對(duì)照組間無顯著差異(P>0.05)(圖2)。

圖2 干旱脅迫對(duì)野菊幼苗葉片可溶性蛋白含量的影響

2.3干旱脅迫下相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛的變化 對(duì)照組的電導(dǎo)率在試驗(yàn)期間基本保持不變，復(fù)水組與干旱組的變化前10 d基本一致呈上升趨勢，前5 d兩處理組均顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，到脅迫10 d時(shí)差異達(dá)極顯著(P<0.01)(圖3)。從脅迫10 d開始，復(fù)水組的相對(duì)電導(dǎo)率開始下降，與對(duì)照接近，干旱組則急劇增高，到脅迫20 d時(shí)已經(jīng)約為74.6%，極顯著高于對(duì)照組和復(fù)水組(圖3)。說明可能在干旱脅迫10 d開始，原生質(zhì)膜透性變化較大，造成細(xì)胞內(nèi)離子大量外滲，相對(duì)電導(dǎo)率劇增。

圖3 干旱脅迫對(duì)野菊幼苗葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響

不同的處理方法，野菊體內(nèi)產(chǎn)生MDA含量相差很大。隨著時(shí)間的增加，對(duì)照組MDA的含量呈不明顯的上升趨勢(圖4)。處理的前5 d，復(fù)水組與干旱組處理的MDA變化一致，與對(duì)照無顯著差異(P>0.05)。10 d時(shí)在復(fù)水組復(fù)水之前與干旱組MDA的變化仍然一致，呈上升趨勢，且極顯著高于對(duì)照組(P<0.01)。15 d時(shí)復(fù)水組的MDA含量下降為稍低于對(duì)照組，且與對(duì)照之間無顯著差異；干旱組的幼苗葉片中MDA的含量開始急劇上升，是對(duì)照的6倍左右(圖4)。

圖4 干旱脅迫對(duì)野菊幼苗葉片MDA含量的影響

2.4干旱脅迫下保護(hù)酶的響應(yīng) 隨著干旱脅迫時(shí)間及植物生長量的增加，對(duì)照組的野菊葉片SOD活性呈現(xiàn)緩慢的增長趨勢，復(fù)水組和干旱組的SOD活性呈先增加后降低再增加的趨勢(圖5)。在干旱脅迫的前5 d，SOD活性先升高是因?yàn)橹参镌谠庥瞿婢硶r(shí)隨著超氧自由基的增加進(jìn)行的一種保護(hù)性應(yīng)激反應(yīng)。到干旱脅迫10 d時(shí)，SOD活性又降低并極顯著低于對(duì)照組(P<0.01)。表明這個(gè)時(shí)候干旱脅迫加劇，超氧自由基的產(chǎn)生速率超過了機(jī)體自身的清除能力，表現(xiàn)出SOD活性降低。在脅迫15 d時(shí)，復(fù)水組與干旱組的SOD活性增加，兩者都高于對(duì)照，且3組之間呈極顯著差異，其中復(fù)水組最大。到脅迫20 d時(shí)，復(fù)水組與干旱組的SOD活性仍然呈穩(wěn)步的增高，但復(fù)水組增長趨勢要低于干旱組。這種變化可能是在經(jīng)歷了前段時(shí)間的干旱脅迫后，植物已經(jīng)產(chǎn)生了對(duì)此的適應(yīng)能力，從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱能力。

圖5 干旱脅迫對(duì)野菊幼苗葉片SOD酶活性的影響

圖6 干旱脅迫對(duì)野菊幼苗葉片POD酶活性的影響

對(duì)照組野菊幼苗葉片的POD活性在試驗(yàn)期間活性比較穩(wěn)定，復(fù)水組與干旱組的POD活性的變化趨勢與SOD相同。隨著脅迫時(shí)間的增長，對(duì)照組的CAT活性呈穩(wěn)步上升的趨勢，復(fù)水組與對(duì)照組的CAT活性變化則與SOD和POD相同，呈先升高再降低再升高的趨勢(圖7)。干旱脅迫5 d時(shí)，復(fù)水組與干旱組的CAT活性達(dá)最高值，且極顯著高于對(duì)照組(P<0.01)。脅迫10 d時(shí)，復(fù)水組與干旱組的CAT活性下降，并極顯著低于對(duì)照組。復(fù)水之后，復(fù)水組的野菊幼苗葉片CAT活性含量開始穩(wěn)步上升，到脅迫20 d時(shí)CAT活性開始恢復(fù)，但仍然極顯著低于對(duì)照組。干旱組在脅迫10 d后仍然呈下降趨勢，但是下降趨勢有所減緩，到脅迫15 d時(shí)CAT的活性開始升高，直到脅迫20 d時(shí)，其活性與對(duì)照無顯著差異。這可能是因?yàn)橹参镏饾u對(duì)干旱產(chǎn)生了適應(yīng)性有關(guān)。

圖7 干旱脅迫對(duì)野菊幼苗葉片CAT酶活性的影響

3 討論與結(jié)論

當(dāng)植物遇到干旱脅迫時(shí)，便會(huì)在體內(nèi)積累低分子量的代謝物，使細(xì)胞能夠維持較高的細(xì)胞質(zhì)滲透壓，有利于植物在干旱條件下吸收水分，植物的這種調(diào)節(jié)被稱為滲透調(diào)節(jié)。參加植物的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)環(huán)境中的無機(jī)離子和小分子的代謝物，包括脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖、可溶性蛋白等?？扇苄蕴堑脑黾幽芴岣呒?xì)胞原生質(zhì)濃度、細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和植株的保水性，從而增強(qiáng)抗旱能力。同時(shí)植物在逆境條件下，體細(xì)胞內(nèi)的活性氧不斷積累加速膜脂過氧化的反應(yīng)，會(huì)有丙二醛等對(duì)膜脂和細(xì)胞中許多生物功能分子有害的物質(zhì)積累，降低膜的穩(wěn)定性，破壞膜的功能，所以其含量的變化可以反映出細(xì)胞膜的受損程度[14]。植物的細(xì)胞膜具有選擇透過性，起到保護(hù)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)不會(huì)大量外泄的作用。當(dāng)植物遇到干旱等脅迫時(shí)，原生質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能就會(huì)發(fā)生明顯變化或是遭到破壞，細(xì)胞內(nèi)含物質(zhì)就會(huì)大量外滲，導(dǎo)致植物電導(dǎo)率增大。相對(duì)電導(dǎo)率可以反映出植物細(xì)胞膜透性。在本研究中，隨著干旱時(shí)間的延長，相對(duì)電導(dǎo)率的增大，野菊幼苗的滲透調(diào)節(jié)物可溶性蛋白含量在前期一直低于對(duì)照，可能逆境條件阻礙了可溶蛋白質(zhì)的正常合成。后期開始上升向?qū)φ湛拷?，可溶性糖與之相反，處理前期急劇上升后期開始下降。整體上可溶性糖與可溶性蛋白變化趨勢相反，這說明了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在應(yīng)激干旱脅迫時(shí)所起作用和調(diào)節(jié)機(jī)制存在一定的差異性，其原因還有待于進(jìn)一步研究。一般來說，抗旱性強(qiáng)的植物丙二醛含量增長慢[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫中野菊幼苗的丙二醛含量與電導(dǎo)率的變化趨勢整體上相同。說明干旱脅迫會(huì)加劇丙二醛等對(duì)細(xì)胞膜有害物質(zhì)的積累，對(duì)膜造成損害。干旱脅迫10 d后野菊幼苗的滲透調(diào)節(jié)發(fā)生轉(zhuǎn)折。在這一時(shí)間對(duì)幼苗進(jìn)行復(fù)水，所測指標(biāo)并沒有明顯的回歸，其中可溶性糖與丙二醛的含量降低到對(duì)照之下。出現(xiàn)以上結(jié)果，可能是因?yàn)橐熬照幱谏砘謴?fù)時(shí)期，又沒有外界產(chǎn)生的抗逆的適合條件，所以有些指標(biāo)反而過低，但是植物仍可自行修復(fù)。當(dāng)?shù)矫{迫20 d時(shí)，細(xì)胞膜的功能已經(jīng)遭到抑制或是破壞。丙二醛的增加說明膜脂過氧化的反應(yīng)加劇，而且可溶性糖和可溶性蛋白的含量下降，都反映了這時(shí)野菊幼苗的整體上的衰敗。

由于本研究所用的野菊是幼年期容器苗，所以耐旱程度不如露地苗，但本研究結(jié)果表明，適度干旱環(huán)境下野菊幼苗的生長良好，說明野菊耐旱性較好，是園林景觀應(yīng)用中地被材料的良選。

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