干旱脅迫下美國薄荷幼苗形態(tài)與生理特性研究

孫海博，任瑞芬，郭芳，尹大芳，楊秀云

(山西農業(yè)大學 林學院，山西 太谷 030801)

目前我國建設園林城市過程中，“有形有色有味”植物選擇的比重正不斷加大[1]。在當前各地爭創(chuàng)園林城市的背景下，具有獨特性質的芳香植物得到了更廣泛的應用[2]。在芳香植物類群中，因唇形科植物氣味獨特，所以其應用廣泛。其中，美國薄荷(Monardadidyma)為常見的唇形科植物，其形態(tài)淡雅、容易種植。但是目前關于美國薄荷園林中應用方面的研究較少[3～5]。

植物對水分脅迫的抗性與植物本身有密切的關聯(lián)[6]。而對多半植物來說，幼苗生長發(fā)育時最易受脅迫影響，所以把植物幼苗期的形態(tài)變化及生理變化作為植物耐旱性評價的因素[7]。本研究采用稱重控水的方法對美國薄荷幼苗進行處理，從生長指標、葉片相對含水量、光合色素及不同部位脯氨酸、可溶性蛋白、丙二醛含量及抗氧化酶活性等方面，探討美國薄荷對不同強度干旱脅迫的形態(tài)與生理響應，以期對芳香植物的應用提供一些根據。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇1 a生的美國薄荷幼苗作為試驗材料，選擇細沙與園土比例為1∶2配置沙壤土作為栽培基質。

1.2 方法

1.2.1 試驗方法

試驗選取生長狀態(tài)良好且長勢一致的美國薄荷植株，采用稱重控水干旱法進行試驗。設4個水分梯度進行試驗，土壤相對含水量(土壤含水量占田間持水量的百分數)為75%～85%(CK)、60%～65%(輕度脅迫)、40%～50%(中度脅迫)和25%～35%(重度脅迫)[8]。每個處理樣本容量為30盆。試驗在山西農業(yè)大學林學院苗圃溫室進行，保證試驗條件基本一致。按土壤含水量每日減少7%～10%的脫水速率，于2016年8月8日進行干旱處理，在適宜的土壤水分情況下，首先對需要進行重度脅迫處理的植株自然干旱，之后每隔5 d依次對中度、輕度進行自然干旱。于8月23日，用土壤水分測定儀(WKT-M3)對CK、輕度、中度和重度脅迫進行土壤水量的測定，經過計算，各處理下的土壤相對含水量的平均數值為：82%、64%、46%和30%。結果顯示不同處理于8月23日同時達到設定的水分梯度。設定8月23日為第0天，并在處理后的第0、7、14、21天進行指標檢測，共4次[8]。試驗期間，每天17: 00 用電子秤測試重量來計算植物消耗的水分，并補充相應消耗的水分，使試驗的土壤含水量在一定合理區(qū)間。

形態(tài)指標的測定：株高采用直尺測量并記錄數據，隨機選擇3組植株，用直尺(40 cm)測量植株最高處的葉片葉尖至土壤基質表面的距離；根冠比采用烘干測重法計量[9]；葉面積的測量采用圖像掃描法，將植株葉掃描成圖后導入CAD(2016)，利用其描圖像功能對葉的圖像進行描繪，得出植株葉面積；葉片相對含水量的測定參照李合生[9]的方法進行。

生理指標的測定：超氧化物歧化酶活性測定采用氮藍四唑光還原法[9]、可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍染色法[10]、葉綠素含量測定采用丙酮浸提法[10]、丙二醛含量測定采用硫代巴比妥酸比色法[10]、脯氨酸含量測定采用茚三酮顯色法[11]。

1.2.2 數據分析

運用WPS 2014進行數據計算；應用SPSS 17.0分析差異顯著性分析和相關性；用平均數±標準誤差表示各單因素方差分析，然后做多重比較(LSD法)，設定顯著水平0.05。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對美國薄荷形態(tài)指標的影響

隨著處理的進行，各處理下的株高均有增長。但相同時間下，干旱水平越深，株高越低(表1)。在試驗進行7 d后，中度、重度脅迫與CK間差異均顯著(P<0.05)。輕度脅迫比CK減少了4.46%、中度脅迫比CK減少了6.53%、重度脅迫比CK減少16.28%；試驗進行14 d時，在干旱水平提高的情況下，植高顯著降低；試驗進行21 d，與同期對照，輕度、中度和重度脅迫下植株高度分別下降了13.08%、23.54%、33.44%。隨著脅迫時間的增加，各處理梯度下植株的葉面積均呈增加趨勢(表1)。美國薄荷在脅迫21 d之后，輕度脅迫下葉面積比同期CK下降了7.15%、中度脅迫比CK下降了56.3%、重度脅迫比CK下降了64.8%。

在輕度、中度和重度干旱脅迫下，美國薄荷的根冠比增加(表1)。在處理14 d前，重度處理下根冠比比CK組高56.24%，達到最高。在試驗進行的14 d至21 d，重度干旱下的根冠比低于中度干旱，植株比同期CK增加49.85%。

表1 不同干旱處理下美國薄荷的形態(tài)指標Table 1 The morphological indexes of Monarda didyma under different treatments of drought stress

注:表中數據為平均值±標準差，不同小寫字母間差異顯著(P<0.05)。下同

Notes：Date in the table as mean±SE, Different small letters indicate significant difference at 0.05 level. The same below

2.2 干旱脅迫對美國薄荷葉片相對含水量的影響

干旱脅迫下植物組織的自由水減少。而葉組織內水量減少最明顯，葉的相對含水量可作為植株在干旱脅迫后保持正常代謝的指標。植株幼苗葉的相對含水量在試驗期間均隨著干旱水平增加而減少，同一處理下隨處理進行持續(xù)減少(表2)。剛進行脅迫處理時，美國薄荷試驗組間差異不顯著(P<0.05)，在21 d植株在重度脅迫下比CK降低44.4%。在脅迫加重的情況下，植株葉片的相對含水量減少速率增加、變幅增大，表明了葉片與干旱水平是正相關。在試驗期，植株部分葉發(fā)生焦枯、掉落甚至死亡的情況。

表2 不同干旱處理下美國薄荷葉片相對含水量的變化Table 2 The changes of relative water content of Monarda didyma under different treatments of drought stress

2.3 干旱脅迫對美國薄荷光和色素含量的影響

在試驗剛開始時，葉綠素a含量增加，在試驗7 d和14 d植株葉綠素a含量呈現(xiàn)“先升后降”的趨勢，中度處理下比同期 CK升高了11.0%，重度處理升高了2.85%。在試驗進行21 d葉綠素a含量均有減少，其中輕度處理比CK降低了9.06%、中度處理降低16.2%、重度處理降低20.9%(圖1-A)。葉綠素b含量為“上升-先升后降-先升后降-下降”(圖1-B)。在14 d，植株葉綠素b含量在中度處理下比CK增加20.9%、重度處理增加14.3%，在脅迫21 d，重度處理下減少CK的27.5%。植株中葉綠素含量隨處理進行呈“下降-先升后降-先升后降-下降”型(圖1-C)。在處理第7天，中度處理下葉綠素含量達到峰值，比CK上升了43.08%，脅迫14 d和21 d，葉綠素的含量為輕度>中度>重度。植株中類胡蘿卜素含量隨試驗進行呈 “上升-上升-先升后降-下降”型(圖1-D)，14 d中度處理下增加是CK的14.8%，重度脅迫為對照的5.63%，在處理21 d時，重度脅迫下比CK減少30.5%。

2.4 美國薄荷不同部位脯氨酸含量受干旱脅迫的影響

美國薄荷葉片中脯氨酸含量隨處理時間的延長和處理水平的加深也隨之增加(圖2-A)。在試驗第14天，重度處理下脯氨酸含量是CK的5.47倍，達到最高。隨處理的進行，中度處理的葉片中脯氨酸含量一直增加，處理21 d時，比CK增進了5.50倍。在試驗進行14 d，CK處理下植株莖中的脯氨酸含量是重度脅迫的16.7%，試驗的后期，重度處理莖的脯氨酸含量與處理時間成負相關(圖2-B)。CK植株根中的脯氨酸含量低于各干旱處理下植株根中的脯氨酸含量(圖2-C)，并在14 d時達到最高，其中，CK組植株根的脯氨酸含量是重度處理的27.8%。試驗后期重度處理下脯氨酸含量有所降低，但仍高于CK。

圖2 不同干旱脅迫對美國薄荷脯氨酸含量的影響Fig.2 Effect of different drought stress on the proline content of Monarda didyma

2.5 干旱脅迫對美國薄荷不同部位可溶性蛋白含量的影響

試驗過程中，植株葉中可溶性蛋白含量為 “上升-上升-先升后降-先升后降”型(圖3-A)。14 d時，CK分別為同期中度和重度處理的0.9%、1.3%。在中度干旱下，葉中可溶性蛋白含量到達最高。植株莖中的可溶性蛋白表現(xiàn)為一直升高的趨勢，干旱處理21 d時，比CK增加了83.5%(圖3-B)。植株根中可溶性蛋白在處理21 d則呈上升趨勢，在重度處理下分別比同期CK上升125%(圖3-C)。

2.6 干旱脅迫對美國薄荷超氧化物歧化酶活性的影響

在處理初期(0 d和7 d)，植株葉片SOD的含量減少，但變化幅度較小，在處理14 d時，隨干旱水平的增強而增高，美國薄荷在重度處理下分別較CK增加22.7%。脅迫21 d時，中度干旱SOD活性比CK升高了16.1%，達到最高(圖4-A)。美國薄荷莖中SOD的變化趨勢為 “上升-下降-上升-先升后降”型(圖4-B)，處理進行7 d，重度處理是CK的0.73倍，在14 d時，重度處理下較CK增量為42.6%，在21 d時，中度和重度處理較CK升高21.6%、9.16%。美國薄荷在處理21 d時，根中SOD呈現(xiàn)“先升后降”型，中度脅迫下為同期CK的31.37%(圖4-C)。

2.7 干旱脅迫對美國薄荷不同部位丙二醛含量的影響

在中度和重度處理下植株葉中的MDA含量先增加后減少，干旱脅迫14 d時，中度處理下植株葉中MDA含量最高，其中CK組植株是中度處理的2.26倍。而干旱脅迫7 d時，CK是重度處理的1.74倍，同時達到最高(圖5-A)。說明在重度脅迫下，葉中的丙二醛開始消解。美國薄荷植株莖中MDA含量在輕度干旱處理，隨試驗的進程而提高，中度和重度處理下則表現(xiàn)出先升后降的趨勢(圖5-B)。植株則在脅迫7 d和14 d時重度處理達到峰值，脅迫21 d時輕度處理達到峰值。試驗中中度和重度干旱下植株根中的MDA含量在14 d到達最高，低于CK的35.9%和45.1%，表現(xiàn)為先增加后減少(圖5-C)。

圖3 不同干旱脅迫對美國薄荷可溶性蛋白含量的影響Fig.3 Effect of different drought stress on the soluble protein content of Monarda didyma

圖4 不同干旱脅迫對美國薄荷超氧化物歧化酶活性的影響Fig.4 Effect of different drought stress on the SOD activity of Monarda didyma

圖5 不同干旱脅迫對美國薄荷丙二醛含量的影響Fig.5 Effect of different drought stress on the MDA content of Monarda didyma

3 結論與討論

3.1 干旱脅迫對美國薄荷形態(tài)指標的影響

干旱環(huán)境下植株為了最大的維持體內水分，保持存活，植物會改變有關分子、細胞、代謝和生理等方面。在這一系列改變中植株的形態(tài)(葉和莖)生長變化最為直觀[12,13]。這個觀點，俞麗蓉[14]在干旱對沙漠豆的生理影響的試驗中也有發(fā)現(xiàn)。有些學者在研究逆境下植株根系的分布和生長量時，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對根系的狀況有一定影響[15]。本次試驗結果顯示，受到干旱脅迫脅迫植株表現(xiàn)為葉片低垂、枯黃、干枯，生長速率受抑制、葉面積減小。在試驗進行7 d時，發(fā)現(xiàn)CK葉面積明顯高于中度及重度脅迫，直到處理后期。并且隨著干旱水平的加大，試驗植株的株高增量下降，隨著試驗的進行株高增量下降趨勢增大。這顯示了干旱脅迫會對植株的葉和莖造成直接影響，使葉表現(xiàn)為垂落，莖表現(xiàn)長勢不良。這與陳寶兒[8]在對薄荷和絞股藍進行干旱脅迫時，植株的表現(xiàn)一致。而在本次試驗的前期，植株在中度和重度干旱處理下根冠比持續(xù)增加，根冠比顯著增大(P<0.05)。這是由于干旱促進了植株根系對營養(yǎng)物質的吸收，促進了根系的生成和發(fā)育，但同時抑制了植株地上部分的生長導致了根冠比的顯著增大。

3.2 干旱脅迫對美國薄荷葉片相對含水量的影響

在干旱逆境條件下，植物各營養(yǎng)器官內的水分減少，植株正常生長受到限制。在植物的營養(yǎng)器官中，葉內的水分減少最多，所以常將葉的相對含水量作為植物保水能力的指標。相關試驗證實，在逆境下，某些強抗旱性的植物組織內仍然保持一定的含水量，以減弱干旱脅迫帶來的損害[16]。本次試驗過程中，葉片相對含水量隨著干旱水平的加深和干旱天數的延長而減少。并且在脅迫末期，各個處理之間葉片的相對含水量均顯著降低(P<0.05)，這是因為隨著干旱脅迫的加深和時間的延長，導致植株本身生長發(fā)育不良，葉長勢衰落，甚至發(fā)生死亡，使葉內的水分含量減少。

3.3 干旱脅迫對美國薄荷光和色素含量的影響

光合作用是植物體內一系列的化學反應，其中光合色素的種類和含量對植物的生理生態(tài)改變以適應干旱逆境有十分重要的作用。在本次試驗中，脅迫前期植株的葉綠素a含量上升，中期為先升后降，后期表現(xiàn)為下降。葉綠素b含量的變化與葉綠素a一致。植株總的葉綠素含量在脅迫初期有輕微的下降趨勢，之后則先升后降。在試驗的前期，類胡蘿卜素含量表現(xiàn)為上升，中期時為先增后減，試驗后期表現(xiàn)為下降。試驗結果證明干旱脅迫處理下，美國薄荷的光合色素含量變化具有多樣性，但總體上表現(xiàn)為先升后降。其中光和色素含量先上升可能是因為干旱逆境減少了植株體內的相對含水量，光合色素相對含量升高所致。在研究逆境對大麥的影響中，Stewar發(fā)現(xiàn)干旱逆境會抑制大麥葉綠素的產生并且加速其分解[17]，并且類胡蘿卜素對葉綠素可以起到保護作用[15]。在本次脅迫后期，由于胡蘿卜素的減少，從而導致了葉綠素含量的降低，可能是試驗后期植株的光和色素含量減少的原因。

3.4 干旱脅迫對美國薄荷不同部位脯氨酸含量的影響

脯氨酸作為植株組織中調節(jié)逆境脅迫常見的活性大分子，是植物代謝過程中重要的物質。在干旱脅迫下，脯氨酸可以穩(wěn)定生物大分子結構，并且因為其水合作用強，可以調節(jié)細胞滲透壓，減少植株體內的水分流失以應對干旱脅迫[18,19]。在本次試驗中，在脅迫14 d時植株葉片中脯氨酸的含量增加顯著，同期CK僅為重度脅迫的18.3%。莖中的脯氨酸含量在7 d時達到最高，然后有所降低。在試驗進行14 d時，重度干旱下根中的脯氨酸含量是CK的3.60倍到達最高，隨后也有所下降。在本次試驗中后期，植株莖和根中的脯氨酸含量下降，原因可能是在干旱脅迫下植株受脅迫嚴重，植株的代謝減弱甚至停止，同時植株根和莖中的脯氨酸發(fā)生了降解或者轉換成了其他物質。

3.5 干旱脅迫對美國薄荷不同部位可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白是植物氮代謝的重要產物，其含量變化可反映細胞內蛋白質的合成、變性及降解等多方面的信息?？扇苄缘鞍踪|對植物的細胞膜有保護作用，其含量是植物抗旱性的重要指標之一。在對苜蓿葉片形態(tài)變化的研究中，康俊梅[20]發(fā)現(xiàn)干旱脅迫可以通過促進逆境蛋白合成和不溶性蛋白的轉變，進而增加可溶性蛋白的含量[14]。在本次試驗中，美國薄荷各營養(yǎng)器官中的可溶性蛋白含量變化不同，葉中變化為“上升-先升后降”型，根中僅在試驗前期表現(xiàn)為“先增后減”，莖中含量一直增加。試驗出現(xiàn)這種結果可能是因為植株在一定干旱范圍內可以產生適量的抗逆蛋白，用來促進可溶性蛋白含量的增加，以減弱干旱脅迫的影響，而隨著干旱水平的加深和干旱時間的延長，使植株的蛋白酶活性得到提升，從而降低了可溶性蛋白的含量。

3.6 干旱脅迫對美國薄荷不同部位超氧化物歧化酶活性的影響

SOD作為生物體內參與氧化代謝的酶，是氧化脅迫中的第一保護，在植株抗旱性方面有很大的作用。在本試驗中，SOD活性在葉、莖、根中沒有出現(xiàn)統(tǒng)一的變化規(guī)律，試驗初期，葉中SOD活性與脅迫水平成負相關，隨著干旱的加深SOD的活性降低；試驗中期，SOD活性上升；試驗后期，為先上升后降低；莖中變化同葉中。根中的植株SOD活性在脅迫前期呈穩(wěn)定狀態(tài)，中期時先降后升，后期時為先升后降。試驗過程中，可能是因為植株為了適應干旱脅迫進行生理代謝調節(jié)，所以干旱下植株根莖葉中SOD活性有所升高。但是相關試驗證明，因為植物的種類不同，其抗旱能力不同，干旱脅迫會降低某些植物的SOD活性[21]。本次試驗中可能是因為干旱脅迫時間的延長和程度的加深，導致了美國薄荷SOD活性的下降。

3.7 干旱脅迫對美國薄荷不同部位丙二醛含量的影響

丙二醛含量是作為檢測膜脂過氧化程度最適宜的指標[10]，其含量越多表示植物的生物膜受損害程度越大。在本次試驗中，各梯度下干旱脅迫的初期和中期，植株葉、莖和根中的丙二醛含量隨試驗進行而升高，這顯示了植株營養(yǎng)器官的細胞膜受損害嚴重，并且在試驗過程中受到的傷害不斷加大。在試驗的后期，中度干旱下植株內的丙二醛含量高于重度干旱。這是因為重度脅迫下的植株受脅迫嚴重，生理發(fā)生紊亂，導致丙二醛降解。在對有關干旱條件下春大豆的生理生化影響的試驗中，趙坤[22]證明在干旱逆境先對植株的根系進行信號傳導，然后植株自身才進行代謝調節(jié)，以減弱干旱脅迫的影響。但是韓德梁[23]在研究干旱脅迫對紫花苜蓿葉的影響中，發(fā)現(xiàn)植株葉首先干旱脅迫做出應對。目前對干旱脅迫中植株的信號轉導，莖的應對機制相對較少。

綜上所述，美國薄荷幼苗形態(tài)及生理指標均對干旱脅迫表現(xiàn)出了積極的響應。并且在輕度干旱脅迫下，幼苗可以進行正常生長；中度干旱下，幼苗生長雖然受到影響，但是仍可以進行生長發(fā)育，表現(xiàn)出較強的抗旱能力。對美國薄荷的繁殖培育、栽培管理和園林應用等有實際的指導意義。

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