干旱脅迫對荊芥的形態(tài)及其生理指標(biāo)的影響

劉凱月，雷賽嬌，劉冬云

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與旅游學(xué)院，河北 保定071000；2.北京中外建建筑設(shè)計(jì)有限公司，北京100192)

干旱脅迫是植物最常見的逆境因子之一，干旱脅迫下，植物體內(nèi)的細(xì)胞在結(jié)構(gòu)和生理生化上會發(fā)生一系列的改變以適應(yīng)環(huán)境[1]，最終在植物的形態(tài)特性以及生長狀況上表現(xiàn)出來。干旱脅迫的研究對植物的引種、生長及繁育等方面產(chǎn)生重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

荊芥(Nepetacataria)為唇形科(Labiatae Juss)荊芥屬(Nepeta)多年生草本植物，株高40-100cm，花期5-9月。荊芥的適應(yīng)力很強(qiáng)，性喜陽光，因其觀賞性強(qiáng)和易管理等優(yōu)點(diǎn)，在園林綠化中的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。目前，關(guān)于荊芥的適應(yīng)性研究鮮有報(bào)道?，F(xiàn)通過人為控制水分，對荊芥進(jìn)行自然干旱脅迫試驗(yàn)，研究干旱脅迫對其形態(tài)表現(xiàn)及生理生化的影響，為荊芥的園林應(yīng)用管理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為荊芥3年生小苗，購自于北京綠普方圓有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

自然干旱脅迫試驗(yàn)在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)苗圃地進(jìn)行，試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。將試驗(yàn)地劃分為6個(gè)規(guī)格為1m×1m的正方形小區(qū)。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)四周鋪設(shè)塑料膜以防止側(cè)方滲水，并使各小區(qū)相對獨(dú)立、互不影響。試驗(yàn)地上方搭設(shè)遮雨棚，防止雨水進(jìn)入。2016年4月份選擇生長勢相對一致、植株健壯的幼苗進(jìn)行移栽，每小區(qū)種植10株苗，充分緩苗30d后，再在自然狀態(tài)下持續(xù)進(jìn)行干旱處理60d，對照區(qū)則正常澆水。每15d采樣1次，重復(fù)3次，共采樣5次(第5次采樣時(shí)，荊芥生長已經(jīng)受到抑制，多數(shù)葉片枯黃，故決定只采樣5次)，首次采樣為試驗(yàn)第1d，全部采樣結(jié)束后，對荊芥植株恢復(fù)澆水，并持續(xù)觀察荊芥的物候期。

1.3 測定方法

1.3.1 物候期觀測

采用宛敏渭等[2]的方法，在試驗(yàn)田內(nèi)觀察供試荊芥的物候期，包括現(xiàn)蕾期、始花期、盛花期、末花期、果熟期和枯萎期。判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：現(xiàn)蕾期指10%的植株露出花蕾；始花期指10%的植株開花；盛花期指25%的植株開花；末花期指10%的植株花還在開放；果熟期指10%的植株果實(shí)開始發(fā)黃而且伴隨輕微開裂；枯黃期為5%植株葉片開始變黃。采樣結(jié)束后，對干旱脅迫下的荊芥植株進(jìn)行復(fù)水處理，與CK同時(shí)觀測物候期。

1.3.2 生長動態(tài)觀測

采用定株觀測法，以10株植株作為標(biāo)準(zhǔn)苗，每15d測定荊芥植株的株高和冠幅。試驗(yàn)結(jié)束后，利用坐標(biāo)紙法計(jì)算荊芥的葉面積。

1.3.3 生物量的測定

試驗(yàn)結(jié)束后，把10株荊芥連根拔出，將植株清洗干凈后，測量荊芥的最大根長，將植株烘干后，稱量地上部分的干重和根的干重，計(jì)算其生物量。

1.3.4 旱害等級評定

每15d對植株葉片、新梢的受害情況進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)干旱脅迫危害程度分為以下5個(gè)級別，級別越小，抗性越強(qiáng)：1級為植株生長未受抑制，無受害癥狀；2級為植株生長受抑制較輕，葉片萎縮，并失去一定的光澤；3級為大部分植株生長受抑制，30%葉片萎縮枯焦；4級為植株生長受抑制，生長基本停止，大多數(shù)葉片失綠枯落；5級為植株生長完全停止，莖葉明顯萎縮，大多數(shù)葉片枯死。

1.3.5 生理指標(biāo)測定

土壤含水量的測定 采用土壤水分速測儀，每個(gè)分區(qū)測定3次，取其平均值。葉片含水量的測定：稱取新鮮葉片0.1g，80℃烘干24h后測定干質(zhì)量。葉片含水量(%)=(飽和鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)/飽和鮮質(zhì)量×100%；丙二醛(MDA)含量測定采用TBA法[3-4]；質(zhì)膜相對透性測定采用電導(dǎo)儀法[3-4]；脯氨酸含量的測定采用酸性茚三酮法[3-4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對荊芥物候期的影響

不同干旱脅迫處理下荊芥的物候期見表1。由表1可知，干旱處理下，荊芥的始花期和盛花期均晚于對照組，說明干旱會對荊芥的開花時(shí)間有一定影響，推遲荊芥的花期。不同處理下荊芥的現(xiàn)蕾期差別不大，干旱處理下的始花期比對照晚3d，對照的盛花期時(shí)間比干旱條件下的多6d，干旱區(qū)的果熟期比對照晚4d。

表1 干旱脅迫下荊芥的物候期Tab.1 The phenology period of Nepeta cataria under drought stress 月.日

2.2 干旱脅迫對荊芥生長動態(tài)的影響

2.2.1 對株高和冠幅增長率的影響

不同干旱脅迫處理下荊芥的株高和冠幅測量結(jié)果見表2。由表2可以看出，隨著干旱脅迫的加劇，荊芥的株高和冠幅增長率整體上呈下降趨勢。干旱組和對照組荊芥的生長高峰期集中在5月和6月。干旱區(qū)的整體增長率比CK區(qū)低，說明干旱脅迫對荊芥的株高和冠幅生長有一定影響。

表2 荊芥株高和冠幅的增長率Tab.2 The height and crown growth rate of Nepeta cataria %

2.2.2 對葉面積的影響

不同干旱處理下荊芥的葉面積見圖1。

圖1 荊芥的葉面積(cm2)Fig.1 The leaf area of Nepeta cataria

由圖1看出，干旱脅迫對荊芥的葉面積影響較大。干旱脅迫60d后，對照區(qū)荊芥葉面積顯著大于干旱區(qū)，為干旱區(qū)的1.63倍。

2.3 干旱脅迫對荊芥生物量的影響

不同脅迫處理下荊芥的生物量見表3。由表3可知，2種處理下，干旱試驗(yàn)區(qū)因供水量少，植物傾向于根系的生長發(fā)育，于是根生物量所占比例稍大于CK區(qū)，CK區(qū)的最大根長為干旱區(qū)的2.08倍。試驗(yàn)結(jié)果說明，干旱脅迫抑制荊芥生物量的累積，在一定程度上能抑制地上部分生長而促進(jìn)地下部分生長，并通過提高根冠比來適應(yīng)土壤干旱脅迫環(huán)境。

表3 不同處理下的生物量測定Tab.3 Determination of biomass under different treatments

2.4 荊芥旱害級別評定

干旱脅迫下植株的形態(tài)差異顯著，干旱區(qū)荊芥葉片逐漸萎縮，其枝條與對照相比也較纖細(xì)，冠幅也小于對照。在干旱處理后的27d、38d、60d時(shí)，其形態(tài)指標(biāo)分別達(dá)到1級、2級、3級，說明隨著干旱時(shí)間的延長，荊芥受害程度也逐漸加重。

2.5 干旱脅迫對荊芥生理指標(biāo)的影響

2.5.1 干旱脅迫對土壤含水量的影響

不同干旱脅迫處理下土壤的含水量見圖2。

圖2 干旱脅迫下土壤含水量的變化Fig.2 Change of soil water content under drought stress

由圖2可知，干旱脅迫下，土壤的含水量逐漸降低，干旱區(qū)的土壤含水量由32.65%下降為8.88%。在處理60d后，干旱區(qū)的含水量為8.9%，對照組為34.2%，兩者差異極顯著(P<0.01)。

2.5.2 干旱脅迫對葉片含水量的影響

葉片含水量能很好地反映植物細(xì)胞的水分生理狀態(tài)，缺水條件下，葉片含水量將逐漸下降。不同干旱脅迫處理下荊芥的葉片含水量見圖3。由圖3可知，干旱時(shí)間越長，荊芥葉片的含水量越低。處理60d后，干旱組荊芥葉片含水量為75%，低于對照組的79%，處理間差異顯著(P<0.05)。

圖3 干旱脅迫下荊芥葉片含水量的變化Fig.3 Change of water content under drought stress in leaves of Nepeta cataria

2.5.3 干旱脅迫對MDA的影響

植物器官在逆境條件下遭受傷害時(shí)，其細(xì)胞由于發(fā)生膜脂過氧化作用而產(chǎn)生丙二醛，其含量高低常用來說明氧化作用的程度。不同干旱脅迫處理下荊芥葉片的MDA測量結(jié)果見圖4。

圖4 干旱脅迫下荊芥葉片內(nèi)MDA含量的變化Fig.4 Change of MDA content under drought stress in leaves of Nepeta cataria

由圖4可知，隨著干旱時(shí)間的增加，MDA含量逐漸增加，干旱組MDA含量一直高于對照組，當(dāng)干旱脅迫60d時(shí)，干旱組MDA含量為對照組的1.34倍，這表明干旱脅迫對荊芥葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害隨著干旱時(shí)間的延長而加重。

2.5.4 干旱脅迫對電導(dǎo)率的影響

不同干旱脅迫處理下荊芥葉片的相對電導(dǎo)率測量結(jié)果見圖5。由圖5可知，荊芥葉片的相對電導(dǎo)率隨干旱時(shí)間的增加而逐漸上升。當(dāng)干旱時(shí)間為15d和30d時(shí)，干旱組與對照差異不顯著，表現(xiàn)為電導(dǎo)率上升幅度較小，說明葉片可能在干旱時(shí)間為15-30d時(shí)，細(xì)胞通過自我調(diào)節(jié)機(jī)制防止細(xì)胞膜的損害。當(dāng)干旱時(shí)間超過30d時(shí)，葉片相對電導(dǎo)率顯著增加。在干旱時(shí)間為45d時(shí)，對照的相對電導(dǎo)率為干旱處理的0.55倍(P<0.05)，在干旱60d時(shí)對照的相對電導(dǎo)率為干旱處理的0.50倍(P<0.01)，這說明，在干旱30d后，葉片受害嚴(yán)重，細(xì)胞液大量滲出，導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。

圖5 干旱脅迫下荊芥相對電導(dǎo)率的變化Fig.5 Change of relative conductivity under drought stress of Nepeta cataria

2.5.5 干旱脅迫對脯氨酸的影響

不同干旱脅迫處理下荊芥葉片的脯氨酸測量結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，隨著干旱時(shí)間的延長，脯氨酸含量逐漸增加。當(dāng)干旱15-30d時(shí)脯氨酸含量上升趨勢不顯著(P>0.05)。在干旱15d、30d時(shí)，對照區(qū)脯氨酸含量分別為2.21μg/g、3.72μg/g，干旱區(qū)分別為4.15μg/g、3.70μg/g，分別是對照的1.88倍、0.99倍。干旱時(shí)間在30-60d時(shí)脯氨酸的含量與對照差異較大(P<0.05)，表現(xiàn)為曲線上升幅度變大。干旱時(shí)間為45d、60d時(shí)，對照區(qū)脯氨酸含量分別為干旱區(qū)的0.33倍(P<0.05)、0.36倍(P<0.05)，表明當(dāng)干旱時(shí)間大于30d時(shí)，滲透調(diào)節(jié)起著重要作用，脯氨酸的增加降低葉片細(xì)胞的滲透勢，從而使葉片適應(yīng)干旱的脅迫。

圖6 干旱脅迫下荊芥葉片內(nèi)脯氨酸含量的變化Fig.6 Change of proline content under drought stress of Nepeta cataria

3 結(jié)論與討論

植物的外部形態(tài)特征可以較直觀地反映植物的抗旱能力。本試驗(yàn)對荊芥物候期、生長動態(tài)、生物量和形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在干旱條件下，干旱組和對照組在這些方面表現(xiàn)有所不同，對照組的生長指標(biāo)明顯高于干旱組。譚彥等[5]研究了5種園林地被的抗旱性，所有參試植物的外部形態(tài)特征變化與最終得出的綜合評價(jià)結(jié)果基本一致。

干旱條件下，土壤含水量會下降，從而會影響植物的葉片含水量。葉片含水量的高低可以反映植物的抗旱能力，植物的葉片含水量越高，持水能力越強(qiáng)，細(xì)胞膜受到干旱脅迫傷害的程度越低，植物抗旱力越強(qiáng)。柴勝豐等[6]研究了干旱脅迫對金茶花(Camelliapetelotii)幼苗葉片相對含水量的影響，結(jié)果表明，隨著干旱脅迫程度的加劇，金花茶幼苗葉片RWC顯著降低，在干旱脅迫條件下金花茶葉片的保水能力較差。該試驗(yàn)中，當(dāng)干旱脅迫60d后，對照組荊芥葉片含水量為干旱組的1.05倍，處理間差異顯著(P<0.05)。

丙二醛(MDA)是植物在遭受逆境脅迫時(shí)，膜脂過氧化物最終分解產(chǎn)物，其濃度高低可以指示細(xì)胞膜系統(tǒng)的受傷害程度，反映植物抗逆境能力的強(qiáng)弱[7]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫下，荊芥葉片的MDA含量逐漸上升，干旱60d后，與對照差異顯著(P<0.05)，說明荊芥膜系統(tǒng)受到一定傷害，這與趙嬋璞等[8]對匍枝委陵菜(Potentillaflagellaris)的研究結(jié)果相似。

細(xì)胞膜具有選擇性，各種逆境傷害都會造成細(xì)胞膜選擇透性的改變或喪失，導(dǎo)致大量離子外滲，從而使植物浸出液的相對電導(dǎo)率升高[9]。本研究中，干旱組荊芥葉片電導(dǎo)率，在前期上升幅度較小，當(dāng)干旱時(shí)間超過30d時(shí)開始明顯上升，說明隨著時(shí)間的延長，細(xì)胞膜受到的傷害程度也在加深。

脯氨酸在植物的滲透調(diào)解中起著重要作用，在植物體受到逆境脅迫時(shí)，脯氨酸可以提高細(xì)胞的保水能力，植物體內(nèi)的脯氨酸含量在一定程度上可以反映出植物體內(nèi)的水分狀況，因而可以作為植物缺水情況的參考性生理指標(biāo)[10]。本研究中，干旱脅迫下脯氨酸含量持續(xù)增加，前期增加較為緩慢，當(dāng)干旱脅迫30d后，脯氨酸含量大幅度增加，說明植物通過脯氨酸的增加來適應(yīng)外界的干旱環(huán)境。這與曹幫華等[11]對刺槐(Robinapseudoacacia)的研究結(jié)果一致?？梢钥闯銮G芥對干旱脅迫有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可在干旱區(qū)域擴(kuò)大種植。

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