六種野生廣義菊屬植物對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)

郭彥宏，張晶星，楊永娟，陳俊通，孫 明，*，廖 晶

(1.花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家花卉工程技術(shù)研究中心，城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，林木花卉遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，北京 100083； 2.葫蘆島市園林管理處，遼寧 葫蘆島 125000)

隨著全球氣候的變化和水資源的虧缺，城市園林景觀對(duì)抗旱節(jié)水觀賞植物的需求越來越大。我國菊花資源豐富，品種眾多，干旱脅迫成為限制露地菊花推廣的主要因素之一。關(guān)于菊花抗旱性的研究多集中在切花菊和栽培品種上，孫靜等[1]以20個(gè)切花菊品種為材料，測(cè)定了干旱脅迫下，切花菊形態(tài)指標(biāo)及生理指標(biāo)的變化，篩選出優(yōu)異的抗旱切花菊種質(zhì)；孔德政等[2]以2個(gè)秋菊品種為材料，研究了不同程度干旱脅迫下葉片的光合生理特性；張常青等[3]通過對(duì)地被菊自然失水及PEG脅迫處理后的形態(tài)和生理指標(biāo)測(cè)定，建立了地被菊幼苗耐旱性評(píng)價(jià)體系；袁曉晶[4]從形態(tài)指標(biāo)方面對(duì)六個(gè)菊花品種的抗旱性進(jìn)行研究。在廣義菊屬中，很多種質(zhì)多分布在干旱及半干旱地區(qū)，年降雨量不到300 mm，這些種質(zhì)(如亞菊屬、太行菊屬、短舌菊屬植物)兼具觀賞價(jià)值且與菊屬親緣關(guān)系較近，具有良好的開發(fā)利用前景，是良好的抗旱育種種質(zhì)。

本研究對(duì)山西、寧夏、內(nèi)蒙、河南、河北、福建等沿海地區(qū)的16種廣義菊屬抗旱資源進(jìn)行調(diào)查和收集，在其適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，對(duì)干旱脅迫前后抗旱種質(zhì)的光合及生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，并利用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)其抗旱性大小，旨在篩選廣義菊屬優(yōu)異抗旱種質(zhì)，為抗旱育種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

廣義菊屬種質(zhì)大部分均分布于干旱、荒漠或高原高山地帶等人跡罕至地區(qū)，在引種過程中，有些種如柳葉亞菊、賀蘭山女蒿、蓍狀亞菊、星毛短舌菊等因引種地環(huán)境與原生境差異較大，從而造成植株生長(zhǎng)不良、花量嚴(yán)重減少，甚至死亡的情況。本研究選擇在北京引種生長(zhǎng)良好的太行菊(Opisthopappustaihangensis，OT)，灌木亞菊(Ajaniafruticulosa，AF)，線葉菊(Filifoliumsibiricum，F(xiàn)S)，蒙菊(Chrysanthemummongolicum，CM)，野菊(Chrysanthemumindicum，CI)，甘菊(Chrysanthemumlavandulifolium，CL)6個(gè)種作為抗旱評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)材料。

取生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)一致的插穗，以體積比為2∶1的蛭石珍珠巖混合基質(zhì)進(jìn)行扦插，待其生根后，將扦插苗定植于12 cm×12 cm的營(yíng)養(yǎng)缽中，待幼苗長(zhǎng)出10片真葉時(shí)進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)。

干旱脅迫采用盆栽模擬干旱法，試驗(yàn)共設(shè)置兩個(gè)處理，對(duì)照組正常供水，土壤含水量為75%，干旱處理組的土壤含水量為30%～35%，脅迫7 d后，取相同葉位的葉片進(jìn)行各項(xiàng)光合及生理指標(biāo)的測(cè)定，3次重復(fù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

植物在干旱脅迫下的形態(tài)指標(biāo)、細(xì)胞膜透性、抗氧化物質(zhì)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、光合參數(shù)等都是反映植物抗旱性的重要指標(biāo)。因此，本研究對(duì)干旱脅迫下6個(gè)野生種的光合及生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，從而對(duì)其抗旱性強(qiáng)弱進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.1 光合特性指標(biāo)

采用Li-6400光合系統(tǒng)分析儀于上午9:00—11:00，室內(nèi)維持1 800 μmol CO2·m-2·s-1有效光合輻射，在與當(dāng)時(shí)氣溫相同的溫度下，測(cè)定植株上部、葉位相同的功能葉的光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)等指標(biāo)。

1.2.2 生理生化指標(biāo)

葉綠素含量參照文獻(xiàn)[5]的方法進(jìn)行測(cè)定。葉片游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法進(jìn)行測(cè)定[6]。葉片相對(duì)電導(dǎo)率用DDS-IIA型直讀電導(dǎo)儀測(cè)定[7]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用統(tǒng)計(jì)軟件Excel 2003和SPSS 10.0對(duì)上述各項(xiàng)指標(biāo)的變化幅度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，用隸屬函數(shù)法對(duì)6個(gè)不同種的干旱適用性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)6種廣義菊屬種質(zhì)光合特性的影響

光合作用是植物生物量形成的基礎(chǔ)，干旱脅迫是制約光合作用的一個(gè)重要環(huán)境因素[8-9]，它的強(qiáng)弱對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及抗旱性都有重要的影響，因而光合作用參數(shù)可用作判斷植物生長(zhǎng)和抗旱性強(qiáng)弱的指標(biāo)。干旱脅迫下不同種表現(xiàn)出不同程度的耐受性。種間的3項(xiàng)光合特性指標(biāo)的變化幅度存在顯著性差異，如表1所示。結(jié)果表明光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度三者之間呈極顯著相關(guān)，變化趨勢(shì)相一致(表1)。

在干旱脅迫下，太行菊等6個(gè)種的光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)均比對(duì)照低，但其下降幅度因種的不同而表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)(圖1)。其中，甘菊與野菊的光合速率、蒸騰速率以及氣孔導(dǎo)度的降低幅度均較大，分別為36%、34%；75%、71%；90%、88%，對(duì)干旱脅迫的耐受性較低。而太行菊、線葉菊、灌木亞菊以及蒙菊這4個(gè)種，在干旱脅迫后，其光合指標(biāo)的降低幅度較小，受干旱脅迫影響較小。

2.2 干旱脅迫對(duì)6種廣義菊屬種質(zhì)生理生化特性的影響

對(duì)6種材料葉片的相對(duì)電導(dǎo)率、脯氨酸以及葉綠素含量進(jìn)行測(cè)定(表2)，從表2中可以得知，在干旱脅迫后，6個(gè)種的葉片相對(duì)電導(dǎo)率均有所增加，但增加的幅度有差異。太行菊、線葉菊、灌木亞菊和蒙菊這4個(gè)種之間的相對(duì)電導(dǎo)率變化并無顯著差異，細(xì)胞膜透性增加的幅度明顯小于另外兩個(gè)種；野菊和甘菊在水分脅迫下的相對(duì)電導(dǎo)率比CK分別增加到4.8倍和5.6倍，表明植株的質(zhì)膜透性顯著增加，細(xì)胞膜受到較大程度的破壞。

表1 光合指標(biāo)相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of photosynthetic character

**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。
** represents the significant correlation at the 0.01 level (2-tailed).

圖1 六種廣義菊屬種質(zhì)干旱脅迫光合指標(biāo)的變化Fig.1 Changes of photosynthetic indexes in six species under drought stress

葉片的脯氨酸含量是反映干旱脅迫下植物葉片適應(yīng)逆境脅迫的重要指標(biāo)[10]，干旱脅迫后，6個(gè)種的游離脯氨酸含量均有所增加，甘菊、蒙菊和野菊這3個(gè)種增幅較大，增加了90%～168%，另外3個(gè)種之間的葉片脯氨酸含量增加幅度相對(duì)較小。表明在干旱脅迫下，6個(gè)野生種主要是通過誘導(dǎo)脯氨酸含量的增加，從而降低細(xì)胞滲透勢(shì)，保持細(xì)胞含水量以提高植物的抗逆能力。

在自然狀態(tài)下，線葉菊與野菊的葉綠素含量較高，分別為1.54、1.32 mg·g-1。葉綠素是衡量葉片光合作用的重要指標(biāo)之一，葉綠素含量的提高有利于植物積累更多的光合產(chǎn)物，從而提高植物的抗逆能力[11]。干旱脅迫后，6個(gè)野生種葉片的葉綠素含量均出現(xiàn)不同程度的下降，但下降幅度均較?。汗嗄緛喚?太行菊<線葉菊<蒙菊<甘菊、野菊，說明干旱對(duì)甘菊及野菊的影響程度較大。處理后，線葉菊與太行菊仍具有較高的葉綠素含量，分別為1.34和1.14 mg·g-1，葉綠素含量高，表明其在干旱脅迫下具有較強(qiáng)的光合作用能力，有較強(qiáng)的干旱耐受能力。

2.3 六種廣義菊屬種質(zhì)綜合抗旱能力評(píng)價(jià)

植物受到干旱脅迫后，不同種或品種在抗旱適應(yīng)上存在差異，依靠單一的生理指標(biāo)很難反映植物真實(shí)的抗旱本質(zhì)。采用多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)方法，用隸屬函數(shù)法進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，得到各品種的隸屬函數(shù)值和綜合評(píng)價(jià)值(隸屬函數(shù)平均值)，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值評(píng)價(jià)6個(gè)野生種的抗旱性強(qiáng)弱，從而較客觀地反映不同種之間抗旱性的差異[12]。比較太行菊等6個(gè)種的指標(biāo)隸屬值的平均值，平均值越大，表明其適應(yīng)性越強(qiáng)。如表3中所示，6個(gè)廣義菊屬野生種的抗旱性從強(qiáng)到弱依次為：太行菊、線葉菊、灌木亞菊、野菊、蒙菊、甘菊。

表2 六種廣義菊屬種質(zhì)抗性生理指標(biāo)Table 2 Changes of resistance physiological indexes of six species

表3 六種廣義菊屬種質(zhì)隸屬函數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of subordinate function values of six species

3 結(jié)論與討論

菊花抗旱資源的篩選與鑒定是菊花抗旱育種的基礎(chǔ)，植物通過一系列的生理代謝反應(yīng)來提高耐受干旱的能力，主要是通過代謝反應(yīng)阻止、降低或者修護(hù)由水分虧缺造成的損傷，使其保持較正常的生理狀態(tài)[13]。不同植物種類及品種對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)不同，但都是通過維持體內(nèi)充足的水分供應(yīng)來保障生理代謝過程的完成[14]。本研究對(duì)6個(gè)廣義菊屬的野生種進(jìn)行光合指標(biāo)和生理指標(biāo)的評(píng)價(jià)，不同種對(duì)干旱表現(xiàn)出不同程度的耐受性。

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，同時(shí)也是受干旱脅迫影響最為顯著的生理過程之一。干旱脅迫下，植物光合速率會(huì)降低，限制光合速率的因素可歸納為兩大類：氣孔因素和非氣孔因素[11]。在干旱脅迫初期，氣孔限制是光合速率下降的主要原因，隨著水分脅迫的加劇，非氣孔限制逐漸成為主要因子[15-17]。植物受到脅迫后，葉片水勢(shì)降低，保衛(wèi)細(xì)胞失水，通過降低氣孔導(dǎo)度(Gs)來降低蒸騰速率(Tr)，使胞間CO2濃度降低，凈光合速率(Pn)也有所降低[18-21]。在相同生長(zhǎng)條件和處理?xiàng)l件下，干旱脅迫后，甘菊的光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度變化最明顯，相對(duì)于太行菊、線葉菊和灌木亞菊而言，其對(duì)干旱脅迫的耐受性相對(duì)較差。

植物受到干旱脅迫時(shí)，可通過滲透調(diào)節(jié)來維持正常的生理過程，脯氨酸作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物抗逆生理方面發(fā)揮著重要的作用。前人研究認(rèn)為，脯氨酸是一種理想的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，用來保持原生質(zhì)與環(huán)境之間的滲透平衡，其積累的多少與品種的抗旱性呈正相關(guān)，抗旱性強(qiáng)的品種能夠累積較多的脯氨酸，可將其作為抗旱性鑒定的生理指標(biāo)[20-24]。干旱脅迫后，甘菊、蒙菊和野菊的脯氨酸含量顯著增加，對(duì)干旱脅迫的應(yīng)答較為強(qiáng)烈，其余3個(gè)野生種的脯氨酸含量增加幅度相對(duì)較小。干旱脅迫后，野菊和甘菊的相對(duì)電導(dǎo)率增加最為明顯，細(xì)胞膜透性顯著增加，受干旱脅迫影響最大，而變化量最小的為太行菊、線葉菊、灌木亞菊和蒙菊，其耐受性優(yōu)于其他兩種。

植物的抗旱機(jī)制較為復(fù)雜，通過單一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)具有片面性，因此將光合與生理指標(biāo)相結(jié)合，利用隸屬函數(shù)法對(duì)材料的多指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出抗旱能力最強(qiáng)的種質(zhì)為太行菊，而甘菊的抗旱能力最弱。因此，太行菊可作為較為優(yōu)良的抗旱種質(zhì)資源進(jìn)行下一步的研究及應(yīng)用。

廣義菊屬中有很多優(yōu)良的抗性育種材料，不僅具有優(yōu)良的抗性資源，且有很多具有較好的觀賞性。例如花型美觀，花期長(zhǎng)的有太行菊、小紅菊；株型整齊，或植株特殊的有銀背菊，其葉背和莖上的白色絨毛可以豐富景觀層次，增加觀賞性，而甘菊和野菊作為廣布種，對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性較好，管理粗放，可節(jié)約管理成本。在后期的研究和選育過程中，要加強(qiáng)對(duì)廣義菊屬種質(zhì)的開發(fā)利用，注意原地及引種保護(hù)，推進(jìn)珍稀、難繁種質(zhì)的繁殖栽培研究，對(duì)其萌發(fā)、成苗特性和引種馴化規(guī)律進(jìn)行探索，形成切實(shí)可行的引種栽培技術(shù)，從而保證這些資源的有效開發(fā)利用。