冬季干旱脅迫后復(fù)水對鼠茅草生理特性的影響

曹雨欣，張廣娜,*，王蕓，林祥杰，于軍香，鄭亞琴

（1.臨沂大學(xué)農(nóng)林科學(xué)學(xué)院，山東臨沂 276005；2.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東臨沂 276005；3.臨沂大學(xué)藥學(xué)院，山東臨沂 276005）

干旱脅迫對植物的外部形態(tài)、內(nèi)源激素、光合作用等多方面產(chǎn)生影響[5-6]。長期而嚴(yán)重的干旱脅迫可抑制植株生長，并引起外觀形態(tài)和生物量的變化，甚至?xí)?dǎo)致植物死亡[7]；而短期干旱脅迫后復(fù)水，使部分生理指標(biāo)得到不同程度的恢復(fù)，既保證了植物的生長發(fā)育需求，又做到了節(jié)水[8-9]。國內(nèi)外關(guān)于干旱脅迫對植物影響的研究主要集中在膜結(jié)構(gòu)與功能、光合作用、細(xì)胞器超微結(jié)構(gòu)、酶活性及物質(zhì)代謝等生理過程及生理機(jī)制方面，并取得了明顯的進(jìn)展[10-12]。近幾年的研究結(jié)果表明，植物會作出包括基因表達(dá)在內(nèi)的各種適應(yīng)性調(diào)節(jié)反應(yīng)，使自身作出最優(yōu)化的選擇來提前抵御干旱脅迫造成的植物各器官的損傷。因此，干旱會觸發(fā)植物抵御干旱脅迫的主動(dòng)保護(hù)機(jī)制，并誘導(dǎo)植物各組分含量的變化。植物因水分脅迫引起了代謝上的變化與調(diào)整，可能與自身相關(guān)基因的調(diào)控有關(guān)[13-14]。前人對鼠茅草的研究多集中于鼠茅草作為生草品種對果園土壤及小氣候的影響方面[15-17]，而對于鼠茅草本身受環(huán)境影響而產(chǎn)生變化的研究較少。

臨沂市是山東省果業(yè)大市，水果種植面積大，產(chǎn)量高。截至2017 年，山東省臨沂市水果園面積10.8 萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)到299 萬t。其中主栽果樹面積如下：桃4.67 萬hm2、蘋果2.53 萬hm2、山楂0.68 萬hm2、葡萄0.39 萬hm2、梨0.34 萬hm2、櫻桃0.27 萬hm2。近年來，臨沂市在多個(gè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系示范推廣基地進(jìn)行了鼠茅草生草示范，但因果園多分布在丘陵山地，冬季灌溉條件差。本文針對鼠茅草生草冬季缺水問題，設(shè)計(jì)了鼠茅草冬季斷水試驗(yàn)，探討了鼠茅草冬季斷水后復(fù)水對鼠茅草生理指標(biāo)的影響，以期為鼠茅草后期在丘陵山地的推廣提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，對于解決鼠茅草在干旱脅迫條件下的越冬問題，指導(dǎo)果園實(shí)際生產(chǎn)及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為鼠茅草，種子購于嘉禾源碩公司購得。PVC 管內(nèi)徑25 cm，采用商品花卉用栽培基質(zhì)，根據(jù)PVC管高度適當(dāng)填充。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

盆栽試驗(yàn)于2018 年10 月中旬在室外種植。設(shè)置干旱脅迫、正常水分處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次，每管播種20粒，每15 d 澆水一次，每次200 mL。1 月中旬臨沂市各地最低氣溫降至0 ℃以下，結(jié)冰狀態(tài)下丘陵山地?zé)o法進(jìn)行冬季灌溉時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)行斷水，對照處理（水分處理）仍隔15 d 澆水200 mL，干旱脅迫處理不澆水。鼠茅草干旱脅迫處理斷水60 d 后，干旱脅迫處理與對照處理均每隔15 d 澆水200 mL，復(fù)水35 d（復(fù)水后澆水兩次，第二次澆水后第5 d），采集鼠茅草葉片測定各項(xiàng)生理指標(biāo)，如葉綠素含量、電解質(zhì)滲透率、丙二醛（MDA）含量和可溶性蛋白含量，并測定地上部分及地下部分生物量，每個(gè)重復(fù)采集一株鼠茅草進(jìn)行根系掃描。

1.3 鼠茅草生長生理指標(biāo)測定

采集干旱脅迫后復(fù)水處理（DF）及正常水分處理（WF）的鼠茅草樣品，鼠茅草葉片葉綠素含量采用95%的乙醇避光浸提，用Agilent Cary 100 紫外-可見分光光度計(jì)在波長665 nm 和649 nm 處測定吸光度，通過計(jì)算得出葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量[18]。可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法測定[19]；葉片電解質(zhì)滲透率采用電導(dǎo)法測定[20]；MDA 含量采用硫代巴比妥酸法（TBA）進(jìn)行測定[21-22]；鼠茅草地上部、地下部生物量參考楊麗輝等[23-24]的方法測定；鼠茅草根系采用EPSON Expression 1680 根系掃描儀進(jìn)行掃描，WinRHIZO Pro 2005 軟件進(jìn)行根系形態(tài)與結(jié)構(gòu)分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析與作圖

葉綠素含量計(jì)算公式見式（1）（2）（3）。葉綠體色素的含量計(jì)算公式見式（4）。

式中，Chla、Chlb分別為葉綠素a、b 的含量，Chl為總?cè)~綠素的含量；A665nm和A649nm分別為葉綠體色素提取液在波長665、649 nm 處的吸光度。

采用軟件SPSS 16.0 對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理間各指標(biāo)差異采用t 檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季干旱脅迫后復(fù)水對鼠茅草葉片葉綠素的影響

植物體進(jìn)行光合作用的強(qiáng)弱可以通過測定植物體內(nèi)葉綠素含量的變化進(jìn)行推斷。因此，葉綠素含量是反應(yīng)植物光合效率的重要指標(biāo)[25]，不僅可以體現(xiàn)干旱脅迫下光合作用受到抑制的程度，也可以體現(xiàn)植株在復(fù)水后恢復(fù)能力的大小。圖1 顯示了干旱脅迫復(fù)水后與正常水分處理下鼠茅草葉片葉綠素含量，由圖可知，在干旱復(fù)水后，鼠茅草葉片的葉綠素a 和總?cè)~綠素含量均顯著低于同期對照處理下的鼠茅草葉片的葉綠素含量，分別減少了53.53%、25.84%；兩處理的葉綠素b 含量差異不顯著。

當(dāng)今中國社會提倡“全民創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”，高職院校應(yīng)積極響應(yīng)，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿人才培養(yǎng)全過程, 以學(xué)生創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，組建創(chuàng)新型社團(tuán)，結(jié)合高職院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課堂主渠道作用，促進(jìn)專業(yè)教育與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育有機(jī)融合，深化課上、課下融通改革，提高學(xué)生的實(shí)踐與就業(yè)能力、創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力，學(xué)生整體素質(zhì)全面提升的同時(shí)，促進(jìn)了校園文化建設(shè)。

2.2 冬季干旱脅迫后復(fù)水對鼠茅草可溶性蛋白的影響

植物體內(nèi)積累的可溶性蛋白越高，細(xì)胞的滲透勢就會越低，并有利于抵抗干旱脅迫中水分虧缺對植物生命活動(dòng)的威脅。由圖2 可知，干旱脅迫復(fù)水后鼠茅草葉片可溶性蛋白含量顯著高于對照處理，DF 處理葉片可溶性蛋白含量高出WF 處理的49.3%。

2.3 干旱協(xié)迫后復(fù)水對鼠茅草電解質(zhì)滲透率的影響

電解質(zhì)滲透率的大小反映了細(xì)胞膜破壞程度大小和植株受損程度的高低。電解質(zhì)滲透率越大說明膜透性越大，細(xì)胞膜的流動(dòng)性越差，植物損傷越嚴(yán)重。由圖3 可知，復(fù)水后的鼠茅草葉片電解質(zhì)滲透率顯著高于同期對照的，增加了65.30%，說明干旱脅迫對植株造成的傷害在復(fù)水后未完全緩解。植株的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制在干旱脅迫下受到了一定程度的損傷，復(fù)水后并不能迅速恢復(fù)。

2.4 冬季干旱脅迫后復(fù)水對鼠茅草丙二醛含量的影響

MDA 含量的高低在一定程度上能反映膜脂過氧化作用水平和膜結(jié)構(gòu)受害程度的大小。因此膜的受損程度可以通過MDA 含量間接推測出來。MDA 大量增加時(shí)，表明干旱脅迫越嚴(yán)重，對細(xì)胞膜傷害程度也就越嚴(yán)重，體內(nèi)細(xì)胞受損程度越高。由圖4 可知，復(fù)水處理的鼠茅草葉片中過氧化物MDA 的含量顯著大于同期對照，表明干旱引起細(xì)胞氧化作用，復(fù)水后細(xì)胞內(nèi)環(huán)境還不夠穩(wěn)定，自身調(diào)節(jié)機(jī)制受損，不能很快恢復(fù)到正常水平。

2.5 冬季干旱脅迫后復(fù)水對鼠茅草生物量的影響

生物量是植物生長狀況的綜合反映。如圖5 所示，復(fù)水后鼠茅草地上部分的生物量與地下部分的生物量均顯著低于同期對照組的生物量。地下部分的生物量DF 處理和WF 處理相差3.7 倍，地上部分兩處理間相差1.7倍，地下部生物量受干旱脅迫影響更明顯，說明即使經(jīng)過復(fù)水，干旱對根系生物量的抑制作用還是很大，且程度遠(yuǎn)大于對地上部分的抑制作用。

2.6 冬季干旱脅迫后復(fù)水對鼠茅草根系的影響

根據(jù)表1、2（見下頁）可以看出，復(fù)水后干旱脅迫處理鼠茅草根長及根面積均顯著低于對照處理，且3.5～4 mm 和4～4.5 mm 根徑范圍的根長有缺失。由表2 可知，干旱協(xié)迫處理中較粗根系的根表面積未檢測出，說明干旱脅迫影響了鼠茅草根系的伸長和變粗，植株正常的生理生長活動(dòng)受到了損害，即使在復(fù)水后仍無法迅速恢復(fù)到正常水平。

3 討論

葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的場所，葉綠素是參與光合作用的主要色素?？赡苁怯捎诟珊得{迫導(dǎo)致植物失水，從而促進(jìn)葉綠素a 的分解且影響葉綠素的合成，即葉綠素a 的合成減少和分解加速是葉綠素a 含量在干旱脅迫下降低的主要因素，干旱導(dǎo)致植物葉片葉綠素a 含量降低且復(fù)水后并沒有得到及時(shí)的恢復(fù)。復(fù)水后葉綠素b的含量高于對照15.29%，可能是因?yàn)楦珊得{迫抑制了葉片的生長，對葉綠素b 的合成受阻或分解程度影響較小，導(dǎo)致葉綠素b 產(chǎn)生濃縮現(xiàn)象[26]，但是與正常水分處理相比，試驗(yàn)處理下未達(dá)到顯著差異。由此可以推斷干旱脅迫對鼠茅草葉綠素a 的破壞程度比較高，葉片葉綠素a含量恢復(fù)難度較大；對葉綠素b 的破壞程度較小，葉片葉綠素b 的含量恢復(fù)較容易。由于葉綠素a 的功能主要是將收集來的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而葉綠素b 的功能則是收集光能[27]?？梢酝茰y，干旱脅迫期間光合器官及功能受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致光合速率受到影響后可恢復(fù)程度比較差。復(fù)水后，鼠茅草葉片可以正常對光能進(jìn)行捕獲，但不能將光能完全轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，致使光合機(jī)構(gòu)受到光氧化的破壞，降低了轉(zhuǎn)化效率，從而導(dǎo)致光合速率與光合生產(chǎn)力下降，造成恢復(fù)困難。

植物在受到干旱脅迫時(shí)，植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成受到抑制且蛋白質(zhì)的降解速度加快，同時(shí)植物體會被誘導(dǎo)產(chǎn)生一些抗逆蛋白質(zhì)，這些新增加蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量與植物的抗旱性密切相關(guān)。王林蒿等[28]的研究顯示，干旱脅迫下，可溶性蛋白含量增加的原因可能是細(xì)胞內(nèi)合成了更加穩(wěn)定的同工酶。作為調(diào)節(jié)滲透的物質(zhì)之一，可溶性蛋白具有很強(qiáng)的吸水性，以小分子狀態(tài)溶于水或其他溶解劑，并作為一種重要的有機(jī)溶劑存在于細(xì)胞質(zhì)中。細(xì)胞維持較低的滲透勢可以通過提高可溶性蛋白的含量、細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度、增強(qiáng)蛋白與蛋白之間的水合作用、降低水勢等方法，使細(xì)胞能從外界繼續(xù)吸水，抵抗水分脅迫帶來的傷害?？扇苄缘鞍椎姆€(wěn)定有利于創(chuàng)造一種起保護(hù)作用的水相環(huán)境，使植物能正常生長[29]。復(fù)水后的鼠茅草葉片中可溶性蛋白含量大于同期對照，說明復(fù)水后并沒有完全消除干旱脅迫對鼠茅草內(nèi)部環(huán)境的損傷。

滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)是植物受到干旱脅迫時(shí)最重要的自我調(diào)節(jié)途徑之一，各項(xiàng)生理活動(dòng)的有序進(jìn)行依賴滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電解質(zhì)滲透率是能夠反映植物細(xì)胞膜透性的重要指標(biāo)。細(xì)胞電解質(zhì)外滲是干旱脅迫下細(xì)胞膜受傷后細(xì)胞溶質(zhì)向外滲漏的現(xiàn)象。植物受到逆境傷害時(shí)，細(xì)胞膜是植物受害的主要部位。自由基生成與膜保護(hù)反應(yīng)之間的動(dòng)態(tài)平衡受到破壞，膜脂由液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)，使得膜流動(dòng)性下降，透性增加，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外滲，電解質(zhì)滲透率增加，細(xì)胞功能下降[30]。電解質(zhì)滲透率的大小反映了細(xì)胞膜破壞程度大小、植株的受損程度的高低。電解質(zhì)滲透率越大說明膜透性越大，細(xì)胞膜的流動(dòng)性越差，植物受損傷越嚴(yán)重。復(fù)水后的鼠茅草葉片電解質(zhì)滲透率顯著高于同期對照的電解質(zhì)滲透率，說明干旱脅迫對植株造成的傷害在復(fù)水后未完全緩解，植株不能迅速恢復(fù)。

表1 不同處理?xiàng)l件下鼠茅草根系長度Table 1 The root length of Vulpia myuros C.Gmelin under DF and WF treatments

表2 不同處理?xiàng)l件下鼠茅草根表面積Table 2 The root surface area of Vulpia myuros C.Gmelin under DF and WF treatments

受到干旱脅迫后，植物體內(nèi)就會因?yàn)榛钚匝醯漠a(chǎn)生與清除之間的平衡遭到破壞而產(chǎn)生過量的活性氧[31]。若不及時(shí)清除會引起膜脂發(fā)生過氧化反應(yīng)，從而破壞細(xì)胞膜。細(xì)胞膜不僅作為動(dòng)態(tài)屏障處于細(xì)胞內(nèi)部和外部環(huán)境之間，還承擔(dān)著信息傳遞與物質(zhì)交換的作用。MDA 是植物細(xì)胞膜脂過氧化反應(yīng)產(chǎn)生的高活性過氧化物之一，會引起蛋白質(zhì)、核酸等生命大分子的交聯(lián)聚合，并影響構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)膜包括葉綠體片層膜在內(nèi)的物質(zhì)組分，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)改變，影響膜的流動(dòng)性及其與酶的結(jié)合力[32]；且MDA具有細(xì)胞毒性，能夠破壞膜系統(tǒng)，使膜透性增大，并損傷多種酶的生理功能。MDA 含量的高低在一定程度上能反映膜脂過氧化作用水平和膜結(jié)構(gòu)受害程度的大小。復(fù)水處理的鼠茅草葉片中MDA 的含量顯著大于同期對照，表明干旱引起細(xì)胞氧化作用，復(fù)水后自身調(diào)節(jié)機(jī)制受損，不能很快恢復(fù)到正常水平。

生物量是植物生長狀態(tài)的綜合反映。干旱脅迫之所以能抑制植物的生長、發(fā)育，進(jìn)而影響植物的產(chǎn)量，主要是通過抑制植物的光合作用、降低光合效率來實(shí)現(xiàn)的[33]。受到干旱脅迫并復(fù)水后，雖然地上部分生長受到抑制，降幅較小，但是地下部分根系受到干旱脅迫影響可能更大更直接，所以導(dǎo)致總生物量降幅較大。地下部降幅較大，這可能是在旱脅迫條件下，植物根系吸收不到足夠的水分和養(yǎng)分，各器官的生長發(fā)育都受到限制，導(dǎo)致地下部分生長受到更大的抑制，鼠茅草生物量更偏向于分配到葉片，增加光的接收面積，從而有效提升地上部分的光合作用效率，產(chǎn)生更多的干物質(zhì)供生長發(fā)育使用，幫助植株更好的恢復(fù)，并使根系保持一定的活力。同時(shí)，在土壤水分虧缺條件下植物傾向于將更多的資源分配給地上部分，或從地下部分轉(zhuǎn)移到地上部分，以提高競爭生長的能力，故地上部分生物量受影響相對較小[34]。植物對于一定程度的干旱脅迫和復(fù)水會做出相應(yīng)的適應(yīng)過程，一般為生理上的補(bǔ)償。但由于復(fù)水后鼠茅草地下部分沒有得到更好的發(fā)育，導(dǎo)致地上部分進(jìn)行光合作用等各項(xiàng)生理活動(dòng)時(shí)所需營養(yǎng)與水分不能通過根系傳遞上來，因此鼠茅草復(fù)水后并不能很快的恢復(fù)，需要一定的時(shí)間與過程。

根系是鼠茅草吸收水分的主要器官，干旱來臨時(shí)最先感知，并迅速產(chǎn)生化學(xué)信號向上傳遞，以促使氣孔關(guān)閉，減少水分散失，影響著整株的生理生化特性[35]。植物的生理變化也會受到周圍環(huán)境的影響，一方面環(huán)境影響了植物的生理變化，另一方面通過植物的生理變化，使其對于周圍環(huán)境的適應(yīng)性加強(qiáng)。因此，植株作為一個(gè)整體，需要自身各部分協(xié)同作用對外界做出響應(yīng)，從而更好地適應(yīng)環(huán)境。各個(gè)生理生化特性間相互協(xié)調(diào)、相互制約、相互影響，構(gòu)成了一個(gè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[36]。因此根系的生長狀況可以反映出植株的生長狀況。

4 結(jié)論

通過模擬冬季干旱脅迫后復(fù)水對鼠茅草生長發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)冬季干旱脅迫復(fù)水后對鼠茅草有顯著抑制作用，且對根系的抑制比對地上部分的抑制作用強(qiáng)。即使春季復(fù)水，冬季干旱脅迫處理仍然對鼠茅草生理指標(biāo)有顯著影響，如顯著增加了電解質(zhì)滲透率、MDA 含量、可溶性蛋白含量，對鼠茅草地上和地下部生物量有顯著抑制作用，說明復(fù)水后干旱脅迫對鼠茅草的影響仍然存在。本文研究結(jié)果表明在不具備冬季灌溉條件的果園，鼠茅草生草后可冬季適當(dāng)斷水，對其生命不存在較大影響，但春季來臨后，應(yīng)及時(shí)灌水以增加鼠茅草的光合作用，促進(jìn)其生長發(fā)育。