水分脅迫下4 種觀賞草的生理特性

蔣 倩，張 瑞，李 翔，高靜雅，王 寧，張朝鋮，蔣 凱

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

觀賞草作為園林景觀設(shè)計(jì)的新材料，可以豐富城市景觀，提高城市生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性，加上其對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境具有極廣泛的適應(yīng)性，是我國(guó)園林界新興的景觀植物。由于其觀賞價(jià)值高、抗逆性好、耐瘠薄、抵御病蟲(chóng)害、養(yǎng)護(hù)管理成本低等優(yōu)點(diǎn)而被受關(guān)注，故國(guó)內(nèi)對(duì)觀賞草抗性的研究葉也越來(lái)越多[1]。如今園林景觀建設(shè)已經(jīng)成為衡量一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)[2]，但是，伴隨著全球氣候日漸變暖[3]，水資源的短缺已經(jīng)成為了跨越國(guó)界日益嚴(yán)重的世界性難題。有專家提出了建設(shè)可持續(xù)旱景園林的構(gòu)想[4]，來(lái)減輕城市綠地用水困難等問(wèn)題，可大大節(jié)約水資源，為抗逆性強(qiáng)的觀賞草提供了廣闊的應(yīng)用前景，促進(jìn)了觀賞植物的推廣應(yīng)用[5]。因此，加強(qiáng)對(duì)觀賞草的抗逆機(jī)制的研究和探討，評(píng)價(jià)、篩選、引進(jìn)并推廣抗性好的多年生觀賞植物，對(duì)我國(guó)西北地區(qū)城市園林景觀的發(fā)展具有重要意義[6]。

水是植物體的重要組成部分，水分能否滿足植物的需要，既決定了生長(zhǎng)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，又可衡量該地區(qū)是否具備良性發(fā)展，因此根據(jù)具體的生態(tài)環(huán)境而選擇合適的植物，是目前生態(tài)造林和植被恢復(fù)工作中急需解決的首要問(wèn)題[7]。水分脅迫已成植物最易遭受的逆境，嚴(yán)重影響植物的正常發(fā)育。植物在水分脅迫下不僅會(huì)造成植物細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷，影響其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化[8]，以及正常的生理代謝[9]，還會(huì)對(duì)其觀賞效果產(chǎn)生了巨大影響，導(dǎo)致綠化效果差，從而影響整體園林景觀。眾多研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫是導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)膜受到傷害的重要原因之一[10]，細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行能量交換、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和信息交流是通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜來(lái)完成的，所以其穩(wěn)定性是細(xì)胞正進(jìn)生長(zhǎng)和生理功能的基礎(chǔ)，直接影響到植物的耐旱程度，與其耐旱性緊密相關(guān)。張智等[11]研究了3 種觀賞草在干旱脅迫下的生理變化，結(jié)果表明，3 種觀賞草的游離脯氨酸含量、相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量均隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，且與枯葉率顯著正相關(guān)，其中抗旱性最強(qiáng)的為狼尾草(Pennisetum alopecuroides)，斑葉芒(Miscanthus sinensis‘Zebrinus’)次之，矮蒲葦(Cortaderia selloana)最差。郭星等[12]研究表明， 盆栽土培的細(xì)葉芒(Miscanthus sinensis)對(duì)水分脅迫具有一定的適應(yīng)性，其相對(duì)含水量降低，SOD 活性和Pro 呈上升趨勢(shì)。崔婷茹等[13]研究表明，水分脅迫可提高狼尾草根系的保護(hù)酶活性與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，故對(duì)干旱地區(qū)生態(tài)修復(fù)、園林綠化具有重要意義。觀賞草種類(lèi)多種多樣，且在不同的氣候環(huán)境下其耐旱性表現(xiàn)也存在差異，但是西北地區(qū)觀賞草的應(yīng)用和研究比南方要少[14]。張智等[15]采用自然失水方法對(duì)斑葉芒和燈芯草(Juncus effusus)進(jìn)行了耐旱性的研究，結(jié)果表明：電解質(zhì)外滲率、枯葉率、游離脯氨酸含量在脅迫前期沒(méi)有顯著性變化，而到脅迫后期急劇上升，枯葉率與生理指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系，綜合評(píng)價(jià)表明斑葉芒耐旱性弱于燈芯草。焦樹(shù)英和韓國(guó)棟[16]在干旱脅迫下采用了PEG-6000 模擬盆栽控水方法，探究了3 種狼尾種子從萌發(fā)到苗期生長(zhǎng)的狀況，結(jié)果顯示，一定濃度的PEG 促進(jìn)了狼尾草種子的萌發(fā)，小穗狼尾草在苗期抗旱結(jié)果與種子期抗?jié)B透脅迫能力表現(xiàn)一致，且在3 種狼尾種子中表現(xiàn)出抗旱性最強(qiáng)?？滋m靜等[17]采用盆栽控水法模擬干旱條件，探究了蒲葦(Cortaderia selloana)、彎葉畫(huà)眉草(Eragrostis curvula)、狼尾草3 種觀賞草在土壤干旱脅迫下的生理響應(yīng)，綜合評(píng)價(jià)分析后發(fā)現(xiàn)，彎葉畫(huà)眉草抗旱性最弱，蒲葦?shù)目乖缧宰顝?qiáng)。本研究選用西北園林中常見(jiàn)的4 種觀賞植物細(xì)葉芒、狼尾草、拂子茅(Calamagrostis epigeios)和披針葉苔草(Carex lanceolata)，采用盆栽控水法進(jìn)行水分脅迫處理，分析不同觀賞草在水分脅迫下的生理變化，并對(duì)其抗逆性做出比較，篩選出適合西北地區(qū)耐旱性較強(qiáng)的品種，以期能為西北地區(qū)觀賞草的抗旱性研究做出貢獻(xiàn)，將對(duì)觀賞草的推廣應(yīng)用、節(jié)水抗旱栽培具有重要理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用材料為兩年生的細(xì)葉芒、狼尾草、拂子茅和披針葉苔草。細(xì)葉芒多年生草本，葉纖細(xì)直立，頂生圓錐花序[18]。狼尾草多年生植物，須根較粗壯，稈直立[19]。拂子茅多年生，具根狀莖，稈直立，平滑無(wú)毛或花序下稍粗糙[20]。披針葉苔草多年生草本，葉片質(zhì)軟，扁平，直立，根狀莖粗短，稈扁三棱形[21]。以上材料均由北京野草之美園林綠化有限公司提供。于2017 年5 月10 日至11 日將長(zhǎng)勢(shì)一致的二年生草種移栽到塑料盆(21 cm ×19 cm)中，每盆1 株?；|(zhì)由泥炭土∶蛭石∶珍珠巖∶田園土 = 3∶1∶1∶1 的比例混合而成，在裝入基質(zhì)之前將盆底墊一層紗布，以便排水。在試驗(yàn)前的準(zhǔn)備過(guò)程中隨時(shí)拔除雜草，目測(cè)植株干旱時(shí)澆灌自來(lái)水以補(bǔ)充水分，整個(gè)試過(guò)程中不再追肥。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017 年7 月將植株放置于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)遮雨棚內(nèi)開(kāi)始水分脅迫處理，隨機(jī)選擇生長(zhǎng)一致、無(wú)病蟲(chóng)害的試驗(yàn)材料單株，以單因素盆栽控水法，設(shè)置水分脅迫與正常澆水對(duì)照(CK)兩組處理，每組處理重復(fù)3 次。試驗(yàn)前土壤相對(duì)含水量(relative water content, RWC) (土壤含水量占田間持水量的百分?jǐn)?shù))為85%～90%，日最高氣溫和最低氣溫如圖1 所示。試驗(yàn)開(kāi)始后，對(duì)照組正常澆水，水分脅迫組停止?jié)菜?，以正常澆? d 后作為脅迫基點(diǎn)，處理時(shí)間分別為1 (CK)、5、9、13 和17 d，每隔4 d 觀察一次植株失水形態(tài)，并采集葉片測(cè)定生理指標(biāo)，所有指標(biāo)測(cè)定3 次，取平均值。葉片采用混合法[9]隨機(jī)取樣，均在每天08:00-09:00 采樣，待采葉片清潔后摘取，重復(fù)組每個(gè)植株的中上部2～6 片完整功能葉，混合后迅速用液氮處理速凍，并保存于 -80 ℃冰箱備用。

圖 1 試驗(yàn)期間試驗(yàn)地溫度Figure 1 Temperature of the experimental field during the study period

1.2 測(cè)定方法

枯葉率即葉片50%面積出現(xiàn)干枯癥狀的數(shù)量與葉片總數(shù)的百分比[22]，葉片相對(duì)含水量采用烘干稱重法[23]測(cè)定，細(xì)胞質(zhì)膜透性采用電導(dǎo)率儀(DDS-307)法[24]測(cè)定，超氧化物歧化酶活性采用劉曉東[25]的方法測(cè)定，游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮顯色法[26]測(cè)定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定[27]。

1.3 分析方法

各指標(biāo)用于分析的隸屬函數(shù)值[X(u1)，X(u2)]轉(zhuǎn)化方程為：

式中：X 為各鑒定觀賞草品種的某一指標(biāo)測(cè)定值，Xmax為所有鑒定品種此指標(biāo)的最大值，Xmin為所有鑒定品種此指標(biāo)的最小值。若所測(cè)指標(biāo)與植物的抗旱性呈正相關(guān)關(guān)系，則采用式(1)計(jì)算隸屬值，反之則用式(2)。累加各品種中各指標(biāo)具體隸屬值，求出平均值后進(jìn)行對(duì)比。平均值越大，植物的抗旱性會(huì)越強(qiáng)[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0 單因素ANOVA 進(jìn)行分析，采用LSD 比較各指標(biāo)在4 種觀賞草中的差異顯著性水平(α = 0.05)，采用EXCEL (2010 版)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對(duì)4 種觀賞草枯葉率的影響

隨水分脅迫強(qiáng)度的增加，4 種觀賞草的枯葉率都呈上升趨勢(shì)(圖2)。細(xì)葉芒增加幅度最小，狼尾草的上升程度最大，其次為拂子茅和披針葉苔草。水分脅迫至9 d 時(shí)，狼尾草枯葉率相對(duì)于CK顯著上升，到13 d 時(shí)其枯葉率為29.14%，脅迫末期其枯葉率為37.14%，達(dá)到最大，葉片明顯枯黃；拂子茅少數(shù)葉片出現(xiàn)枯黃萎蔫，至脅迫末期拂子茅枯葉率達(dá)27.86%；披針葉苔草和細(xì)葉芒隨水分脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，枯葉率均有不同程度的升高，但明顯低于狼尾草和拂子茅，脅迫末期枯葉率分別為16.34%和10.21%。因此，水分脅迫對(duì)狼尾草的外部形態(tài)具有嚴(yán)重?fù)p害。

圖 2 水分脅迫下觀賞草枯葉率變化Figure 2 Changes in withered leaf rate under drought stress

2.2 水分脅迫對(duì)4 種觀賞草葉片相對(duì)含水量的影響

在1～17 d 水分脅迫條件下，4 種觀賞草種葉片相對(duì)含水量(RWC)均呈下降趨勢(shì)(圖3)。其中，狼尾草的RWC 下降幅度最大，其次為披針葉苔草，細(xì)葉芒下降最慢。隨脅迫時(shí)間的增長(zhǎng)，不同植物間的差異越來(lái)越明顯。脅迫9 d 后，相比CK，狼尾草、拂子茅的RWC 均顯著下降，細(xì)葉芒和披針葉苔草的RWC 下降程度緩慢，至脅迫末期狼尾草、拂子茅、細(xì)葉芒、披針葉苔草的RWC 較CK 的下降率分別為52.88%、36.48%、22.40%、22.97%。因此，干旱脅迫嚴(yán)重抑制了狼尾草、拂子茅對(duì)水分的吸收。

圖 3 水分脅迫下觀賞草葉片相對(duì)含水量變化Figure 3 Relative water contents of the leaves of four ornamental grasses under drought stress

2.3 水分脅迫對(duì)4 種觀賞草葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響

水分脅迫環(huán)境下4 種觀賞草的相對(duì)電導(dǎo)率(REC)都呈上升趨勢(shì)，不同品種間上升的速率不同(圖4)。脅迫5 d后，4 種觀賞草的REC 出現(xiàn)先緩慢上升后急劇上升的趨勢(shì)，在脅迫13～17 d 上升幅度最大，水分脅迫末期，狼尾草、拂子茅、細(xì)葉芒、披針葉苔草的REC 分別為68.43%、59.97%、49.87%、56.84%，4 種草的REC 上升幅度由大到小依次表現(xiàn)為狼尾草 ＞ 披針葉苔草 ＞ 拂子茅 ＞ 細(xì)葉芒。因此，干旱脅迫嚴(yán)重?fù)p害了觀賞草的膜透性。

2.4 水分脅迫對(duì)4 種觀賞草葉片超氧化物岐化酶活性的影響

在水分脅迫環(huán)境下，狼尾草的超氧化物歧化酶(SOD)活性呈先上升后下降的趨勢(shì)，細(xì)葉芒、拂子茅和披針葉苔草在脅迫17 d 時(shí)達(dá)到峰值，分別為906、810 和839 U·g-1；狼尾草的SOD 活性在脅迫13 d 達(dá)到峰值為740 U·g-1，且明顯低于其他3 種觀賞草(圖5)。4 種觀賞草的SOD 活性增幅從大到小依次為拂子茅、披針葉苔草、細(xì)葉芒、狼尾草。

2.5 水分脅迫對(duì)4 種觀賞草葉片游離脯氨酸含量的影響

狼尾草、拂子茅、細(xì)葉芒和披針葉苔草4 種觀賞草在水分脅迫下游離脯氨酸(Pro)含量均呈上升的趨勢(shì)，干旱脅迫至17 d 時(shí)均達(dá)到最大值，脅迫5～17 d 處 理 較CK 分 別 升 高 了46.61%、47.36%、49.19%和62.00% (圖6)。細(xì)葉芒的Pro 含量高于其他3 種觀賞草。

圖 4 水分脅迫下觀賞草葉片相對(duì)電導(dǎo)率變化Figure 4 Relative electric conductivities of the leaves of four ornamental grasses under drought stress

圖 5 水分脅迫下觀賞草葉片SOD 活性變化Figure 5 Superoxide dismutase activity of four ornamental grasses under drought stress

圖 6 水分脅迫下觀賞草葉片脯氨酸含量變化Figure 6 Free proline contents of four ornamental grasses under drought stress

2.6 水分脅迫對(duì)4 種觀賞草葉片可溶性蛋白含量的影響

隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，4 種觀賞草可溶性蛋白含量都呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)(圖7)。拂子茅的可溶性蛋白含量在脅迫13 d 時(shí)達(dá)到峰值，隨后逐漸降低；狼尾草、細(xì)葉芒和披針葉苔草的可溶性蛋白含量則呈上升趨勢(shì)。4 種草可溶性蛋白含量的增加量由大到小依次為細(xì)葉芒、披針葉苔草、拂子茅、狼尾草。方差分析表明，狼尾草、拂子茅與細(xì)葉芒、披針葉苔草的可溶性蛋白差異顯著(P＜0.05)。

圖 7 水分脅迫下觀賞草可溶性蛋白含量變化Figure 7 Soluble protein contents of four ornamental grassesunder drought stress

2.7 利用隸屬函數(shù)對(duì)4 種觀賞草葉片的綜合評(píng)價(jià)

觀賞草抗逆性的強(qiáng)弱是多種因素綜合作用的結(jié)果。因此，多種因素綜合分析可提高觀賞草抗旱性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性[28]。本研究采用隸屬函數(shù)分析法對(duì)4 種觀賞草的枯葉率、RWC、REC、Pro、可溶性蛋白、SOD 活性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。4 種觀賞草的的隸屬函數(shù)值存在差異，根據(jù)隸屬函數(shù)值越大，抗旱性越強(qiáng)的原則，本研究中抗旱性強(qiáng)弱依次為細(xì)葉芒 ＞ 披針葉苔草 ＞ 拂子茅 ＞ 狼尾草(表1)。

表 1 4 種觀賞草的隸屬函數(shù)值Table 1 The membership function value of the ornamental grasses in the fourth middle school

3 討論

在水分脅迫環(huán)境下，受到直接影響的是植物葉片[29]，葉片相對(duì)含水量可以很好地衡量植物的水分情況，耐旱性好的植物組織含水量更高，并且在水分脅迫環(huán)境下下降速度也較慢[30]。細(xì)葉芒、狼尾草、拂子茅和披針葉苔草這4 種觀賞草在西北地區(qū)園林應(yīng)用中具有一定的觀賞價(jià)值，因此在水分脅迫下的表現(xiàn)也應(yīng)當(dāng)給予一定考慮。本研究以枯葉率作為外部形態(tài)指標(biāo)，因?yàn)榭萑~率可以作為觀賞草耐旱性研究的形態(tài)判斷指標(biāo)，在外部形態(tài)上一定程度地反映植物的耐旱性[11]。在4 種觀賞草中，狼尾草對(duì)水分脅迫最為敏感，枯葉率增加量最多；拂子茅次之；再次為披針葉苔草；細(xì)葉芒對(duì)脅迫最不敏感，枯葉率增加量少。在干旱脅迫下，為了適應(yīng)缺水環(huán)境，4 種試驗(yàn)草的葉片相對(duì)含水量均呈下降趨勢(shì)，這與陳敏等[31]的研究結(jié)果一致。4 種草種的葉片相對(duì)含水量降幅依次表現(xiàn)為狼尾草 ＞ 拂子茅 ＞ 披針葉苔草 ＞ 細(xì)葉芒，且與植物抗旱能力負(fù)相關(guān)。細(xì)葉芒和披針葉苔草葉片含水量降低幅度接近，表明這兩種觀賞草的保水能力相近。隨干旱脅迫天數(shù)的增加，狼尾草葉片相對(duì)含水量下降最快，降幅最大，說(shuō)明狼尾草葉片保水能力最差。

細(xì)胞膜是細(xì)胞維持穩(wěn)定胞內(nèi)代謝環(huán)境的必要屏障，其選擇透過(guò)性可以調(diào)節(jié)物質(zhì)的進(jìn)出。由于離子毒害、pH 和滲透脅迫作用，干旱脅迫對(duì)于植物膜系統(tǒng)的危害是一個(gè)很重要的方面[32]。本研究中，4 種觀賞草草種葉片相對(duì)電導(dǎo)率都升高，而且耐旱性越弱的植物電導(dǎo)率升高越快；耐旱性越強(qiáng)的植物電導(dǎo)率升高越慢[33]，這與馬芳雷等[10]研究芒屬觀賞草水分脅迫生理響應(yīng)的研究結(jié)果一致。狼尾草的SOD 酶活性呈先升后降的趨勢(shì)，前期可能是為了清除過(guò)氧化氫而升高，但脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)致植株體內(nèi)各器官衰老，產(chǎn)生大量活性氧，使細(xì)胞膜系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p傷，故呈下降趨勢(shì)，影響了其正常的生理活動(dòng)[10]。因此，拂子茅、細(xì)葉芒、披針葉苔草可通過(guò)抗氧化酶系統(tǒng)適應(yīng)脅迫環(huán)境。

有研究表明，在干旱環(huán)境中，耐旱性強(qiáng)的草種其保護(hù)酶活性較高，且其SOD 活性降低比抗性弱的草種緩慢[34]。可溶性蛋白含量升高可使植物細(xì)胞維持在一個(gè)較低的滲透勢(shì)水平上，保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并延緩衰老，以抵御干旱脅迫所引起的傷害[35]。本研究中，細(xì)葉芒SOD 活性一直維持在較高水平，且在水分脅迫階段持續(xù)上升，拂子茅和披針葉苔草SOD 變化趨勢(shì)相似，但披針葉苔草峰值略高于拂子茅。水分脅迫條件下4 種觀賞草的可溶性蛋白含量升高，狼尾草和拂子茅先達(dá)到峰值，說(shuō)明耐旱性越強(qiáng)的草種其可溶性蛋白含量積累的越多。脯氨酸是一種很好的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物受到逆境脅迫時(shí)，滲透勢(shì)會(huì)降低，所以通過(guò)積累體內(nèi)脯氨酸來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)中的滲透勢(shì)，同時(shí)也可對(duì)酶活性和膜的穩(wěn)定起到保護(hù)作用[36]，可作為比較逆境環(huán)境下植物抗性大小的參考指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，觀賞草脯氨酸合成和積累的量越多，耐旱性越強(qiáng)，反之越弱，這與孫璐等[37]在拂子茅和早熟禾的灌溉比較研究中的結(jié)果一致，對(duì)于其積累的量與耐旱性的關(guān)系，尚需進(jìn)一步研究。

利用隸屬函數(shù)對(duì)4 種觀賞草的抗逆指標(biāo)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，將隸屬值累加取平均值后進(jìn)行比較，可以消除單方面指標(biāo)反映耐性的片面性，以評(píng)定其抗旱性[38]。本研究最終根據(jù)隸屬函數(shù)值，綜合分析4 種觀賞草對(duì)土壤水分脅迫的反應(yīng)，細(xì)葉芒的耐旱性最強(qiáng)，在長(zhǎng)期水分脅迫環(huán)境下能夠保持較高的葉片含水量；披針葉苔草次之；狼尾草對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)最敏感。4 種草的耐旱性大小依次為細(xì)葉芒 ＞ 披針葉苔草 ＞ 拂子茅 ＞ 狼尾草。因此，細(xì)葉芒能更好適應(yīng)西北干旱地區(qū)。