干旱脅迫對槭葉草生長及光合生理特性的影響

張 爽,董 然,董 妍,白盼盼,陳天宇

(1 吉林農(nóng)業(yè)大學 園藝學院,吉林 長春130118，2 長春友誼公園管理所 吉林 長春132000)

槭葉草(Mukdeniarossii(Oliv.)Koidz)是虎耳草科(Saxifragaceae)槭葉草屬(Mukdenia)多年生草本植物，主產(chǎn)于我國吉林省長白山區(qū)安圖等縣市，屬吉林省重點保護野生植物，其植株矮小，花穗大，美麗鮮艷，葉形奇特，秋季變紅，是優(yōu)良的野生地被植物[1]。目前，對槭葉草的研究主要集中在藥理藥效及繁殖技術(shù)等方面，對其在園林綠化中的應用研究較少，而生態(tài)適應性的研究更未見報道。有部分學者從槭葉草的原生境推測其具有抗旱性，宮敬利[2]在槭葉草引種馴化技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，槭葉草在炎熱干旱的天氣葉片容易過早老化；馬全等[3]認為,槭葉草應栽植于假山溪水的綠化區(qū)和綠化帶。但這些研究均缺乏理論依據(jù)。

為此，本研究通過盆栽控水試驗，研究土壤自然失水脅迫對槭葉草生長、生理及光合特性的影響，旨在探討槭葉草的耐旱性，為其引種馴化及確定其在園林中的應用范圍提供理論支持和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為長白山野生槭葉草的3年生種子苗，2013-03-10將具有相同芽數(shù)的根莖移栽到規(guī)格為20 cm×18 cm (直徑×高)的塑料盆中(盆內(nèi)所裝基質(zhì)由吉林農(nóng)業(yè)大學園林試驗基地內(nèi)園土、沙子和草炭按體積比為2∶1∶1混合而成，其田間持水量為39.26%，每盆土質(zhì)量為(1.5±0.2) kg)，置于吉林農(nóng)業(yè)大學園林試驗基地的溫室內(nèi)生長，期間根據(jù)溫室的條件進行正常肥水管理。

1.2 方 法

試驗在吉林農(nóng)業(yè)大學園林試驗基地內(nèi)進行。2013-05-17，選取長勢良好，株高、冠幅基本一致的槭葉草移入旱棚內(nèi)適應生長。2013-06-02開始干旱處理，采用人工給水后通過自然耗水的方法獲取土壤水分梯度。即將處理植株分為2組，一組為對照組(CK)，正常澆水；另一組為持續(xù)干旱組，試驗處理前充足灌水3 d使土壤水分飽和，以后不再澆水使其自然干旱；每組5次重復，每個重復15盆，共150盆。干旱脅迫開始前(處理0 d)，隨機選取5盆，用環(huán)刀在盆內(nèi)取0～5 cm土層的土樣20 g左右，分別裝入已知質(zhì)量的鋁盒中，蓋好蓋子(防止水分散失)，帶回實驗室測定土壤相對含水量(SRWC，土壤含水量占田間持水量的百分率)，結(jié)果取平均值；以后每隔5 d按此方法測定1次土壤SRWC，共處理30 d，獲得7個SRWC，分別為：93.35%(0 d)，55.8%(5 d)，36.49%(10 d)，18.49%(15 d)，13.42%(20 d)，12.46%(25 d)和11.01%(30 d)。同時每組選取成熟功能葉片各3片，3次重復，共18片，帶回實驗室測定其生理指標。天氣晴好時打開旱棚的塑料布，以保證試驗在自然條件下進行，下雨時則遮上塑料布。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤SRWC及槭葉草生長、生理指標 參考張治安等[4]的方法，土壤SRWC采用烘干法測定；葉片相對含水量(LRWC)采用飽和稱重法測定，自然水分飽和虧缺采用烘干稱重法測定，細胞膜透性采用電導率儀法測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定。株高為莖基部到生長點的距離，用直尺測量；葉面積參考丁愛萍等[5]的方法計算。葉綠素和類胡蘿卜素含量參考李合生[6]的方法測定。

1.3.2 光合參數(shù) 用美國 PP Systems 公司的CIRAS-2 型便攜式光合儀進行測定，用LED光源控制光合有效輻射為1 000 μmol/(m2·s)。測定前使槭葉草葉片得到充分的光適應；每個處理選3株，每株選取3片相同部位的葉片，共 9次重復。儀器自動記錄凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)，氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)等光合作用參數(shù)，計算水分利用率(WUE)：WUE=Pn/Tr，氣孔限制值(Ls)：Ls=1-Ci/Ca，其中Ca為空氣中的CO2濃度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003繪制折線圖；使用DPSv 7.05軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan’s新復極差法進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對槭葉草生長的影響

由圖1可知，槭葉草的株高和葉面積均隨干旱脅迫時間的延長呈先上升后下降的變化趨勢。干旱脅迫時間≤10 d時，槭葉草株高和葉面積與對照組差異較小，變化趨勢基本一致，均呈上升趨勢；隨著干旱脅迫時間的繼續(xù)延長，干旱組的株高和葉面積增長緩慢，與對照組的差異逐漸加大，至20 d時，其株高和葉面積分別較對照組下降了13.62%和26.69%；此后，干旱脅迫組的株高和葉面積均呈緩慢下降趨勢。

圖1 干旱脅迫下槭葉草株高(A)和葉面積(B)的變化

2.2 干旱脅迫對槭葉草葉片相對含水量和自然水分飽和虧缺的影響

由圖2可知，隨著脅迫時間的延長，槭葉草葉片相對含水量(LRWC)呈下降趨勢，自然水分飽和虧缺呈上升趨勢。干旱脅迫時間≤10 d時，槭葉草葉片LRWC下降不明顯，10 d時僅較對照組下降了5.12%；此后，LRWC急劇下降，與對照組差異顯著，至脅迫30 d時，干旱組LRWC較對照組下降了52.62%。干旱脅迫組槭葉草葉片自然水分飽和虧缺變化趨勢與LRWC相反，在干旱脅迫時間≤10 d時與對照組差異較小，而后與對照組差異逐漸加大，至脅迫30 d時，自然水分飽和虧缺是對照組的7.71倍。

圖2 干旱脅迫下槭葉草葉片相對含水量(A)和自然水分飽和虧缺(B)的變化

2.3 干旱脅迫對槭葉草葉片細胞膜透性和MDA含量的影響

干旱脅迫下，植物細胞膜透性增大，電解質(zhì)外滲，引起電導率增加；同時植物體內(nèi)活性氧增多，導致膜脂過氧化，產(chǎn)生MDA。由圖3可知，隨干旱脅迫時間的延長，槭葉草葉片相對電導率(REC)和MDA含量均呈上升趨勢。干旱脅迫時間≤10 d時，REC上升幅度較小，與對照組差異不大；此后，REC顯著升高，與對照組差異加大，至脅迫30 d時，REC是對照組的3.22倍。MDA含量在持續(xù)干旱15 d(SRWC為18.4%)時與對照組差異較?。淮撕?，MDA含量急劇升高，與對照組差異加大，至脅迫30 d時，其MDA含量是對照組的4.83倍。

2.4 干旱脅迫對槭葉草葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響

葉綠素是植物光合作用中最重要的色素，而類胡蘿卜素(Car.)既是光合色素又是內(nèi)源抗氧化劑，能夠消除活性氧，防止膜脂過氧化[7]。由表1可以看出，隨著干旱脅迫時間的延長，處理組槭葉草葉片中的葉綠素a (Chl a)、葉綠素b (Chl b)、葉綠素a+b (Chl a+b)、類胡蘿卜素含量和葉綠素a/b (Chl a/b)均不斷降低。干旱脅迫時間≤10 d，Chl a和類胡蘿卜素含量降幅較小，與對照組無顯著差異(P>0.05)；之后，Chl a、類胡蘿卜素含量均顯著或極顯著降低，至試驗結(jié)束時，均極顯著低于對照組(P<0.01)。干旱脅迫時間≤5 d，處理組槭葉草葉片中葉綠素b、a+b含量和葉綠素a/b與對照組無顯著性差異(P<0.05)，之后均顯著或極顯著降低，至試驗結(jié)束時，均極顯著低于對照組(P<0.01)。

圖3 干旱脅迫下槭葉草葉片 REC (A)和MDA含量 (B)的變化

表1 土壤干旱脅迫下槭葉草葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的變化

2.5 土壤干旱脅迫對槭葉草光合參數(shù)的影響

植物對干旱脅迫的光合生理響應在很大程度上反映了植物的抗旱性[8]。由表2可以看出，隨著干旱脅迫時間的延長，Pn、Gs、Tr呈下降趨勢，Ci呈先下降后上升的趨勢，WUE和Ls呈先上升后下降的趨勢。

表2 干旱脅迫下槭葉草葉片光合參數(shù)的變化

干旱脅迫時間≤5 d，處理組槭葉草葉片Pn下降幅度較小，與對照組無顯著性差異(P<0.05)；之后下降幅度增大，至試驗結(jié)束時，Pn極顯著低于對照(P<0.01)。干旱脅迫處理期間，干旱組Gs極顯著低于對照組(P<0.01)；Tr在協(xié)迫5 d時顯著低于對照組，之后極顯著低于對照組(P<0.01)。處理組Ci在干旱脅迫5和20 d時與對照組差異不顯著(P>0.05)，在10和15 d時極顯著低于對照組，在25和30 d時極顯著高于對照組(P<0.01)。干旱脅迫15 d以內(nèi)，干旱組WUE和Ls不斷升高，15 d時分別是對照組的1.86和2.8倍，差異極顯著(P<0.01)；之后，WUE和Ls則不斷下降。

3 討 論

水分是影響植物擴展生長的重要因素之一，水分虧缺能夠改變細胞壁的伸展性能，導致細胞壁的伸展因生長受抑而明顯降低[9]。有研究表明，干旱脅迫下，植株生長變緩，株高降低，植物葉面積減小，蒸騰失水減少[10]。本研究表明，在干旱脅迫10 d時，SRWC為36.49%，此時槭葉草株高和葉面積的生長較為穩(wěn)定，而此后均不斷減小，說明超出此干旱時間和土壤水分點后，植株的生長開始受到了抑制，這與李清明[9]的研究結(jié)果一致。

LRWC和自然水分飽和虧缺能夠反映植物體內(nèi)的水分狀況，是衡量植物抗旱能力強弱的重要指標[11]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫10 d時，槭葉草LRWC緩慢降低，自然水分飽和虧缺緩慢升高；干旱脅迫對槭葉草葉片生理指標的影響較大，說明槭葉草具有較強的保水能力。植物葉片在受到水分脅迫時，細胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，膜脂過氧化，細胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，從而導致植物葉片REC升高。MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物，是判斷膜脂過氧化程度的重要指標。本研究表明，槭葉草葉片REC和MDA隨脅迫時間的延長及LRWC的降低呈上升趨勢。干旱脅迫10 d時，槭葉草葉片REC緩慢升高，MDA變化不明顯，說明此時膜脂過氧化程度較低，細胞膜尚未受到嚴重破壞，表明槭葉草對干旱的耐受性較強。

光合色素是反映植物光合能力的一個重要指標，其含量的變化在一定程度上能夠反映植物的抗旱性[12]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫10 d時，槭葉草葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量降低幅度較小，說明此時槭葉草受到的影響較小。

干旱脅迫對植物光合作用的影響較大，通常影響光合作用的因素分為氣孔限制因素和非氣孔限制因素。Farquhar等[13]和許大全[14]認為，若Pn減小伴隨著Gs和Ci降低，而Ls升高，則Pn的減小是由氣孔限制因素引起的；而當Pn減小伴隨著Ci升高和Ls降低時，Pn的減小則是由非氣孔限制因素引起的。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫15 d以內(nèi)，Pn、Gs和Ci均隨脅迫時間的增加不斷下降，而Ls不斷升高，說明此時Pn的降低是由氣孔限制因素引起的，即輕度干旱引起氣孔開度減小甚至關(guān)閉，CO2進入葉片受阻，導致光合底物CO2不足，引起Pn減小。而此后，Pn繼續(xù)減小，同時伴隨著Ci升高和Ls降低，說明此時Pn的減小主要是由非氣孔限制因素引起的，即重度干旱脅迫引起葉肉細胞光合活性下降，同化CO2的能力降低，從而導致Pn減小。這與大多數(shù)的研究結(jié)果[15-16]一致。

WUE是衡量碳同化和水分消耗關(guān)系的重要指標[17]。干旱脅迫下，植物可以通過減小氣孔開度降低Tr，從而調(diào)節(jié)WUE的變化，這是植物的一種重要的抗旱機制[18]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫15 d時，Gs大幅減小，氣孔逐漸關(guān)閉，Pn和Tr都不斷下降，但Tr下降幅度大于Pn，從而導致WUE增加，即在此脅迫時間和土壤相對含水量范圍內(nèi)，槭葉草能夠維持較高的WUE，說明其具有較強的抗旱能力，這與裴斌等[19]對沙棘的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，槭葉草具有較強的抗旱能力。干旱脅迫10 d時(即基質(zhì)SRWC為36.49%時)，槭葉草能夠維持較高的Pn和WUE，生長較為穩(wěn)定，各生理指標均未出現(xiàn)明顯變化。干旱脅迫15 d時(即SRWC為18.49%時)，槭葉草Pn下降是由氣孔限制因素引起的，而此后，其Pn下降主要是由非氣孔限制因素引起的。綜合以上生長、生理及光合參數(shù)各指標分析認為，在發(fā)生持續(xù)干旱時，對槭葉草進行補水最好在干旱發(fā)生的15 d內(nèi)進行。

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