高溫脅迫下月季葉片含水量變化與電阻抗參數(shù)關(guān)系的研究

劉 柳，趙夢(mèng)雨，劉曙光，齊若衣，劉旭陽(yáng)，劉凱敏，孟 昱

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院，河北保定 0 710011）

月季為薔薇科薔薇屬植物，廣泛用于園藝栽培和切花，有“花中皇后”的美稱[1]。其適應(yīng)性強(qiáng)，耐寒耐旱，夏季高溫對(duì)開(kāi)花不利[2]。由于全球變暖，夏季持續(xù)高溫影響月季的正常生長(zhǎng)發(fā)育及開(kāi)花，從而每年都因?qū)Νh(huán)境變化的不適應(yīng)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。不同品種月季對(duì)高溫的忍受程度不同，在高溫脅迫下，其生理和形態(tài)的變化也不一致[4-5]。因此，加強(qiáng)對(duì)月季受高溫脅迫下生理指標(biāo)變化的研究，對(duì)耐熱月季品種選育和豐產(chǎn)栽培具有非常重要的意義[6-9]。

近年電阻抗圖譜（Electrical Impedance Spectroscopy，EIS）技術(shù)監(jiān)測(cè)植物在逆境條件下生長(zhǎng)及生理參數(shù)的變化呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果[10-11]。主要集中應(yīng)用在低溫脅迫、水分脅迫及鹽脅迫上，而對(duì)高溫脅迫的應(yīng)用研究較少[12-14]。并且在利用EIS 估測(cè)高溫脅迫下植物生理指標(biāo)的變化，主要集中于葉綠素含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量和蛋白質(zhì)含量等與EIS 參數(shù)相關(guān)性方面的研究，而月季在高溫下體內(nèi)含水量與EIS 之間的變化關(guān)系研究尚未見(jiàn)報(bào)道[15-17]。

植物的含水量可以反映植物水分的虧缺程度，也是表征抗逆性的重要生理指標(biāo)之一。逆境條件下植物器官含水量變化能夠反映出植物在干旱、高溫等條件下的生長(zhǎng)狀況及對(duì)逆境的適應(yīng)性強(qiáng)弱[18]。因此，準(zhǔn)確診斷植物體內(nèi)的含水量，對(duì)于了解植物對(duì)逆境脅迫適應(yīng)性有著重要意義。而植物體內(nèi)含水量的常規(guī)診斷使用烘干稱重法，由于這種方法要進(jìn)行組織烘干和稱重的測(cè)定，既耗時(shí)間又對(duì)植物組織造成損傷，難以滿足快速準(zhǔn)確的診斷要求。因此，本試驗(yàn)借助EIS 技術(shù)分析在高溫脅迫下月季1年生實(shí)生苗葉片含水量的變化，并從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度綜合分析EIS 參數(shù)與含水量之間的關(guān)系，篩選出的最佳EIS 參數(shù)表征含水量的變化，為促進(jìn)EIS 技術(shù)在月季高溫脅迫下體內(nèi)含水量變化實(shí)際應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年3～7月進(jìn)行。供試材料1年生月季品種加里瓦達(dá)取自河北省保定市順平縣花卉市場(chǎng)（113°40′～116°20′E，38°10′～40°00′N(xiāo)）。2018年3月15 日移栽30 株月季至河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院植物抗性生理實(shí)驗(yàn)室（河北省保定市，38°50′N(xiāo)，115°26′E）的人工氣候室內(nèi)（光照：3000Lx，晝夜溫度：25℃/15℃，濕度：80%，晝夜時(shí)長(zhǎng)：15h/9h）緩苗45d，緩苗期間正常管理。苗木栽植于上徑16cm、下徑13cm、高17.5cm 的塑料盆中，每盆1 株。栽培基質(zhì)土壤︰珍珠巖︰細(xì)沙=2︰2︰1。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置2 組處理：①對(duì)照處理：晝夜溫度設(shè)置為25℃/15℃；②高溫處理：晝夜溫度設(shè)置為40℃/30℃。于2018年5月2 日進(jìn)行高溫處理，每個(gè)處理15盆。于高溫處理第0d、3d、6d、9d 取樣并測(cè)定含水量及EIS 變化。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 電阻抗圖譜（EIS）及參數(shù)的測(cè)定。每個(gè)處理中隨機(jī)選取4 枚葉片進(jìn)行電阻抗測(cè)定，參照孟昱等方法[13]測(cè)定月季葉片的EIS，將上述測(cè)定的EIS 通過(guò)LEVM8.06 軟件擬合出EIS 參數(shù)胞外電阻率（re）、胞內(nèi)電阻率（ri）、弛豫時(shí)間（τ）和弛豫時(shí)間分布系數(shù)（ψ）。

1.3.2 含水量測(cè)定。與測(cè)定EIS 同步進(jìn)行。每個(gè)處理中隨機(jī)選取4 枚葉進(jìn)行含水量的測(cè)定，參照孟昱等方法[13]測(cè)定月季葉片的含水量。本次研究中，選用相對(duì)含水量RWC（Relative Water Content）來(lái)表征植被含水量。葉片含水量（Leaf water content，LWC）根據(jù)以下公式計(jì)算：

1.4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)電阻抗圖譜（EIS）與含水量的測(cè)定，最終得到葉片的EIS32 條，葉片的含水量數(shù)據(jù)32 個(gè)，將同一時(shí)期相同處理下測(cè)定的葉片EIS 的平均值為該時(shí)期下葉的EIS。將同一時(shí)期相同處理下測(cè)定的葉子含水量的平均值為該時(shí)期下葉子的含水量。用spss13.0 計(jì)算差異顯著性，并進(jìn)行回歸分析、相關(guān)性及通徑分析。給出回歸方程的決定系數(shù)R2、相關(guān)系數(shù)r 和通徑系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫脅迫對(duì)月季葉的含水量影響

隨著高溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，月季葉含水量均呈下降趨勢(shì)（圖1）處理到第3d、6d 和9d 高溫處理組的葉含水量分別比對(duì)照組顯著降低5.31%、9.94%和18.75%（P＜0.05）。

圖1 高溫脅迫下加里瓦達(dá)葉含水量的變化

圖2 高溫脅迫下不同時(shí)期加里瓦達(dá)月季的電阻抗圖譜（A）3天；（B）6天；（C）9天

2.2 高溫脅迫對(duì)葉的EIS 的影響

在高溫脅迫期間葉的EIS 形狀發(fā)生變化。EIS中弧大小的變化表明，在不同時(shí)期植物的解剖結(jié)構(gòu)及生理生化狀態(tài)發(fā)生了變化。如圖2 所示，葉的EIS 只有1 個(gè)弧。高溫處理組的葉EIS 中弧的大小隨高溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，而電抗值呈先減小后增大的趨勢(shì)，并且弧頂電抗值至第6天達(dá)到最小，約-263KΩ，比對(duì)照組低1.75 倍。表明在高溫脅迫期間月季通過(guò)自身的體內(nèi)調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)高溫脅迫，從而導(dǎo)致植物器官的阻抗發(fā)生變化。

2.3 高溫脅迫下葉的含水量與電阻抗參數(shù)的關(guān)系

由表1 可看出，高溫脅迫下，葉的含水量與一些EIS 參數(shù)存在相關(guān)性。弛豫時(shí)間τ 與含水量呈顯著的正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.801；弛豫時(shí)間分布系數(shù)ψ 與含水量呈顯著（P＜0.05）的負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.794。并且葉的含水量與τ、ψ 都呈二次多項(xiàng)式的關(guān)系，其決定系數(shù)分別0.784 和0.659。

表1 高溫脅迫下葉電阻抗參數(shù)與含水量的關(guān)系

為了進(jìn)一步明確高溫脅迫下，整個(gè)處理時(shí)期葉的電阻抗參數(shù)與含水量的關(guān)系，對(duì)電阻抗參數(shù)與含水量進(jìn)行了通徑分析。由表2 可得出，在整個(gè)處理時(shí)期，ψ對(duì)含水量直接影響最大，其直接通徑系數(shù)絕對(duì)值為0.523。

表2 高溫脅迫下月季葉的EIS 參數(shù)與含水量的通徑分析

3 討論與結(jié)論

電阻抗圖譜可以有效獲得植物在逆境脅迫下生理變化的信息[19-20]。本試驗(yàn)表明，隨著高溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，月季葉片的含水量發(fā)生變化，而EIS 弧的大小也發(fā)生了明顯的改變，并且弧頂電抗值呈先減小后增大的趨勢(shì)。這說(shuō)明葉片含水量的變化會(huì)導(dǎo)致總阻抗值的變化，而總阻抗是由胞內(nèi)和胞外電阻組成，由于低頻電流只從細(xì)胞間隙穿過(guò)，可以反映出胞間阻抗的變化，而高頻電流從細(xì)胞間隙和細(xì)胞內(nèi)部穿過(guò)，可以反映出胞內(nèi)阻抗值的變化。因此，月季葉片的含水量的變化都能夠在EIS 變化體現(xiàn)出來(lái)。

植物在非逆境條件下，其各項(xiàng)代謝生理生化過(guò)程都是趨于穩(wěn)定協(xié)調(diào)的，當(dāng)植物處于逆境脅迫時(shí)，由于植物體內(nèi)某一種因素的變化，影響體內(nèi)各項(xiàng)生理代謝活動(dòng)的失調(diào)，從而使植物體內(nèi)的生理指標(biāo)也會(huì)發(fā)生變化。前人研究認(rèn)為植物的含水量與其物質(zhì)代謝有著緊密的關(guān)系，而EIS 參數(shù)與植物細(xì)胞內(nèi)的生理指標(biāo)變化也有著密切的關(guān)系。本試驗(yàn)研究得出，隨著高溫脅迫的變化，葉片的含水量呈顯著下降趨勢(shì)，含水量與τ 相關(guān)性最高且呈二次多項(xiàng)式的關(guān)系。這表明由于高溫長(zhǎng)時(shí)間脅迫，會(huì)使月季體內(nèi)水分虧缺加劇會(huì)影響各種代謝活動(dòng)，從而使生理指標(biāo)產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響τ 的變化。也說(shuō)明含水量是影響τ 的一個(gè)因子，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果相同[21]。但是通過(guò)通徑分析和相關(guān)性分析得出，比τ 對(duì)含水量直接影響大，且τ 與含水量呈顯著的負(fù)相關(guān)。因此，表明τ 是表征高溫脅迫下月季葉中含水量變化的最佳EIS 參數(shù)，可通過(guò)τ 估測(cè)月季葉中含水量的變化。

以上研究結(jié)果表明，電阻抗圖譜能夠反映月季受到高溫脅迫時(shí)葉的含水量發(fā)生變化的情況，并找出了最佳EIS 參數(shù)用于估測(cè)高溫脅迫下月季葉含水量變化，為今后EIS 參數(shù)構(gòu)建估測(cè)高溫脅迫下月季體內(nèi)含水量的模型提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，也為EIS 技術(shù)在高溫脅迫下植物器官含水量診斷中的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。