干旱脅迫對鵝絨委陵菜根系特征和生理代謝的影響1)

付海靜 張靜 趙元洪 王依萍 肖逸菲 吳逸 吳建慧

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

水分是植物生長所必需的環(huán)境因子，它影響植物的分布區(qū)域、觀賞價值和生長發(fā)育[1]。同時，植物可以積極適應(yīng)干旱脅迫，并在長期的適應(yīng)過程中形成了一系列的生理生化代謝機(jī)制[2]。缺水是一個限制植物生長發(fā)育和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全球性問題，它的危害位于非生物脅迫之首[3]。研究表明，根系與植物的耐旱性關(guān)系十分密切，其是植物吸收水分的主要部位，也是對干旱脅迫最先起反應(yīng)的部位，且可通過釋放干旱信號調(diào)節(jié)氣孔開度，影響水分的散失[4]。馬艷紅[5]等發(fā)現(xiàn)，在不同干旱脅迫時間下蒙古冰草的根長存在顯著差異。對干旱脅迫下扁穗和細(xì)莖冰草等4種禾本科牧草根系抗旱性比較發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫強(qiáng)度加劇，4種牧草根系的相對電導(dǎo)率、丙二醛質(zhì)量摩爾濃度、游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和SOD活性明顯上升[6]。顯然缺水已嚴(yán)重影響植物的根系生長和生理特性，闡明植物抗旱機(jī)理和生理代謝特征是解決全球干旱問題的重要途徑。委陵菜屬(Potentilla)植物因其耐粗放管理、高度適應(yīng)不良環(huán)境的特征，已在城市綠化建設(shè)中逐漸被應(yīng)用[7]。鵝絨委陵菜是薔薇科委陵菜屬多年生草本植物，具有鮮黃色的花，且株型美觀和觀賞價值高，它可以用作低維護(hù)的草皮地面覆蓋物，尤其在東北寒地運(yùn)用較多。目前，針對鵝絨委陵菜的研究多集中在藥用價值的開發(fā)[8]、引種馴化[9]和組織培養(yǎng)[10]等方面，鮮少有對其抗旱性的研究。本研究通過自然控水的方法，測定干旱脅迫下鵝絨委陵菜的根系表型、結(jié)構(gòu)特征和復(fù)水后的生理指標(biāo)變化，得出鵝絨委陵菜的耐旱能力臨界值，旨在為耐旱品種的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以2年生的鵝絨委陵菜實生幼苗為材料，2018年3月份將生長正常且高度在15 cm左右的植株從苗圃地移植到直徑15 cm的花盆里，培養(yǎng)基為V(營養(yǎng)土)∶V(蛭石)=3∶1，在培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行栽培，培養(yǎng)室溫度為25 ℃/18 ℃(晝/夜)，光照強(qiáng)度為4 000 lx，光源為鈉燈，光照時間為16 h/8 h(光/暗)。

1.2 試驗方法

干旱脅迫開始前植株正常生長。試驗設(shè)定對照組(每天正常澆水)和脅迫組0、5、10、15、20、25 d。脅迫組分為兩組，連續(xù)25 d不澆水，對其中的一組在干旱脅迫0、5、10、15、20、25 d時分別取樣測定根系特征、結(jié)構(gòu)以及生理指標(biāo)變化，同時將另一組干旱脅迫5、10、15、20、25 d的植物進(jìn)行復(fù)水5 d后分別取樣測定各項生理指標(biāo)，每組脅迫20株幼苗，均重復(fù)3次。

土壤水分設(shè)置包括：自然狀態(tài)(田間最大持水量的75%～80%)、輕度干旱脅迫(田間最大持水量的60%～70%)、中度干旱脅迫(田間最大持水量的55%～60%)、重度干旱脅迫(田間最大持水量的40%～50%)[11-12]，在本試驗中，0 d為自然狀態(tài)，5 d為輕度脅迫，15 d為中度脅迫，25 d為重度脅迫。

1.3 指標(biāo)測定

根系表型特征測定：取植株的整個根系，用LA2400 Scanner植物根系分析儀，分析根系的總長度、總表面積、體積和平均地徑。

根系結(jié)構(gòu)特征測定：取距根尖1 cm左右的根系將其用FAA固定，用石蠟切片法制片觀察根系結(jié)構(gòu)變化。

生理指標(biāo)測定：丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度通過硫代巴比妥酸測定法測定，游離脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過茚三酮法測定，可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過考馬斯亮藍(lán)染色法測定，SOD活性通過氮藍(lán)四唑的方法測定，POD活性通過愈創(chuàng)木酚的方法測定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

Excel軟件用于處理數(shù)據(jù)制表，用SPSS20.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，差異顯著性通過ANOVA檢驗(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對鵝絨委陵菜根系表型特征的影響

干旱脅迫下，鵝絨委陵菜根系的總長度、總表面積、體積和平均地徑均隨著干旱脅迫時間的延長呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢(表1)。從脅迫0 d到脅迫5 d時，根系總根長增加的趨勢較慢，對照組和脅迫組之間的變化基本一致，從脅迫10 d開始，植株的根系總長開始快速增加，在25 d時達(dá)到最大值，且對照組的增加趨勢大于脅迫組。在整個變化過程中，對照組的根系總長增加了217.40%，脅迫組的根系總長增加了211.23%。根系體積、總表面積及平均地徑同樣隨著脅迫的延長而增加，其中脅迫組的根體積增加了100%，對照組的根體積增加了135.71%；脅迫組的根總表面積增加了175.14%，對照組的根總表面積增加了249.56%；脅迫組的平均地徑增加了46.03%，對照組的平均地徑增加了50.79%。通過數(shù)值比對可以看出，對照組的根系總長、總表面積、體積以及平均地徑的變化均大于脅迫的變化，說明干旱脅迫會影響植物根系的正常生長。

表1 自然失水脅迫對鵝絨委陵菜根系特征的影響

2.2 干旱脅迫對鵝絨委陵菜根系結(jié)構(gòu)特征的影響

如圖1所示，干旱脅迫下，植物根系的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的變化。對照組0 d中，周皮、初生韌皮部、次生韌皮部、形成層、次生木質(zhì)部和初生木質(zhì)部依次排列緊密，各結(jié)構(gòu)完整。輕度脅迫下結(jié)構(gòu)基本無明顯變化。中度脅迫下，初生韌皮部和次生韌皮部被破壞，形成層、次生木質(zhì)部和初生木質(zhì)部出現(xiàn)外擴(kuò)的現(xiàn)象，外層的周皮部分不明顯。重度脅迫下，細(xì)胞外源部分基本被破壞，次生韌皮和初生韌皮之間區(qū)分不明顯，形成層和木質(zhì)部嚴(yán)重外擴(kuò)，從細(xì)胞的中央位置擴(kuò)到細(xì)胞邊緣位置。

2.3 干旱脅迫及復(fù)水對鵝絨委陵菜丙二醛質(zhì)量摩爾濃度的影響

丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度通常用于判斷膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng)[14]，其可指示植物應(yīng)對干旱脅迫的程度(表2)。隨著干旱脅迫時間的延長、脅迫程度加大，鵝絨委陵菜根系MDA質(zhì)量摩爾濃度呈增加的趨勢，干旱脅迫開始階段無明顯變化，脅迫5 d后，MDA質(zhì)量摩爾濃度顯著上升，與對照相比有顯著差異(P<0.05)，并且在脅迫20 d后質(zhì)量摩爾濃度最大，趨于穩(wěn)定，脅迫20 d的MDA質(zhì)量摩爾濃度較對照0 d時的質(zhì)量摩爾濃度增加了182.39%，而對照組的MDA質(zhì)量摩爾濃度基本保持在一個水平。

復(fù)水后，脅迫5 d的植株根系MDA質(zhì)量摩爾濃度下降，恢復(fù)到正常水平，在脅迫10、15 d時植株根系MDA質(zhì)量摩爾濃度降低較少，不能恢復(fù)到正常水平，說明較長時間的干旱脅迫使植株根系受到傷害，但復(fù)水后植株生長狀況有所回轉(zhuǎn)，脅迫20、25 d的植株復(fù)水后根系MDA質(zhì)量摩爾濃度基本沒有變化，說明此時植株根系受到嚴(yán)重?fù)p傷，達(dá)到了不可逆恢復(fù)狀態(tài)。

2.4 干旱脅迫及復(fù)水對鵝絨委陵菜游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

干旱脅迫后，在鵝絨委陵菜根系的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體呈先上升后下降趨勢(表2)。脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在脅迫20 d時達(dá)到最大值，與其他脅迫之間存在顯著差異(P<0.05)，與脅迫0 d相比增長幅度為212.75%。在脅迫10 d時，脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)并無明顯變化，隨后脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速增加，并在脅迫20 d達(dá)最大，然后開始下降；對照組植株的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒有隨著時間的延長發(fā)生明顯的變化，基本與0 d時的水平一致。這些現(xiàn)象表明，植株的根系遭到嚴(yán)重破壞，但是在脅迫25 d時的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然高于脅迫初期(P<0.05)。目前，脯氨酸在干旱時的積累程度，已被用于判斷植物抗旱性的重要指標(biāo)[15]。在干旱脅迫初期，鵝絨委陵菜根系脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著上升，并且在嚴(yán)重干旱脅迫后(脅迫20 d)仍能保持一個比較高的水平，這表明鵝絨委陵菜具有很好的抗旱性。在復(fù)水之后，脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到一定程度恢復(fù)，但脅迫25 d后再復(fù)水已無法恢復(fù)到正常情況。

表2 自然失水脅迫及復(fù)水對鵝絨委陵菜根系生理指標(biāo)的影響

2.5 干旱脅迫及復(fù)水對鵝絨委陵菜可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

可溶性蛋白在水分減少的情況下起到保水作用[16]。隨著干旱程度的增強(qiáng)，鵝絨委陵菜根系內(nèi)部可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢，從脅迫0～10 d，可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升緩慢，從脅迫的10～20 d，可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅上升，脅迫20 d后又趨于緩慢增長的狀態(tài)，并在脅迫25 d時達(dá)到最大值，與脅迫0 d相比增長了435.23%，與脅迫前期存在顯著差異(P<0.05)。對照組的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)會有小幅度的升高或降低，但是變化趨勢小于脅迫組，這可能是與植株的生長發(fā)育時期相關(guān)。復(fù)水后，脅迫少于15 d的植株根系可溶性蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有相對明顯的降低，植株得到了恢復(fù)，而脅迫長于20 d的植株根系可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不明顯，說明植株已受到不可恢復(fù)的破壞。

2.6 干旱脅迫及復(fù)水對鵝絨委陵菜SOD活性的影響

SOD是植物體內(nèi)與活性氧相關(guān)的保護(hù)酶[17]。在植物體內(nèi)的SOD活性通常反映植物抵抗逆境的能力。如表2所示，干旱脅迫逐漸增強(qiáng)，SOD的活性先增大后減小，從脅迫0～15 d，呈逐漸增加的趨勢；從脅迫15～25 d，呈下降趨勢，脅迫15 d時活性值最大，成為轉(zhuǎn)折點。對照組的SOD活性并沒有較大的變化。SOD活性上升是因為植物遭受了脅迫，植物自我保護(hù)的一種體現(xiàn)，而后期活性下降是因為嚴(yán)重的干旱破壞了植物內(nèi)部酶系統(tǒng)，但是仍然高于對照組，所以鵝絨委陵菜具有較高的抗旱性。

復(fù)水后，脅迫5、10 d的活性值基本恢復(fù)到原來的狀態(tài)，脅迫15 d的活性有顯著下降，并沒恢復(fù)到原來的狀態(tài)，而脅迫20、25 d的活性變化不大，這是因為脅迫20、25 d的處理使得植物酶系統(tǒng)破壞，即使給水也難以恢復(fù)，但SOD活性在脅迫25 d時仍大于對照組。

2.7 干旱脅迫及復(fù)水對鵝絨委陵菜POD活性的影響

POD是植物體內(nèi)另一種保護(hù)酶[18]。隨脅迫強(qiáng)度的增加，POD活性先增大后減小，開始脅迫時逐漸增加，脅迫后期下降，在脅迫15 d時達(dá)到最大值，這是由于脅迫初期植物遭受外界壓力，通過增加POD的活性降低活性氧對植物的傷害，當(dāng)脅迫超過15 d時，POD活性值開始下降，這是因為嚴(yán)重脅迫會影響植物酶系統(tǒng)。

復(fù)水后，在脅迫5、10和15 d時POD活性開始下降，有所緩和，脅迫20 d和25 d的活性并沒有顯著減少，表明酶系統(tǒng)受到了影響。

3 結(jié)論與討論

作為感受土壤干旱的第一器官，植物的根系統(tǒng)與抗旱性具有密切的關(guān)系，并已成為抗旱性評價的一個重要指標(biāo)[17]。當(dāng)土壤干旱時，植物的根系感到壓力并發(fā)出信號，植物以根變化響應(yīng)干旱，同時植物還以根系的變化來適應(yīng)土壤干旱[18]。根長度是用于評價根吸收能力最常用的指標(biāo)，較長的根系可以讓植物吸收更多的水分[4，19]。由試驗結(jié)果可知，植物根系的總長度、總表面積、體積和根系的平均地徑隨著干旱脅迫程度的增加出現(xiàn)逐漸增加的趨勢，均在25 d時達(dá)到最大值，但是增加的幅度均小于對照組的增加幅度。這說明干旱脅迫會影響植物根系的生長，這與王瑾等[19]、張翠梅等[20]的研究結(jié)果一致。委陵菜屬植物的根系解剖結(jié)構(gòu)分為周皮、初生韌皮部、次生韌皮部、形成層、次生木質(zhì)部和初生木質(zhì)部。郭瑤[21]的研究中發(fā)現(xiàn)，植物根系由于缺水而導(dǎo)致內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生著變化，當(dāng)植物有充足水分時，結(jié)構(gòu)緊密而穩(wěn)定，當(dāng)植物遭受脅迫時，內(nèi)部的初生木質(zhì)部、韌皮部以及次生木質(zhì)部和韌皮部由于外部保護(hù)系統(tǒng)的破壞而發(fā)生移動，隨干旱程度的增加，移動越明顯甚至在重度脅迫時，植物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。在本試驗中，隨著干旱程度的增加，初生木質(zhì)部和次生木質(zhì)部的位置會發(fā)生明顯的移動，并且在重度脅迫下，細(xì)胞遭到嚴(yán)重破壞出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象，與郭瑤[21]的研究結(jié)果一致。

MDA是生物膜系統(tǒng)中膜脂過氧化的最終產(chǎn)物。當(dāng)植物處于脅迫狀態(tài)時，其質(zhì)量摩爾濃度代表膜脂過氧化強(qiáng)度和膜系統(tǒng)的損傷程度，這與植物抗逆性強(qiáng)度直接相關(guān)[21]。隨著干旱時間的延長，鵝絨委陵菜根系中MDA質(zhì)量摩爾濃度呈上升趨勢。復(fù)水后，丙二醛質(zhì)量摩爾濃度有所回落，干旱時間超過20 d的丙二醛質(zhì)量摩爾濃度變化不明顯，說明干旱脅迫20d對鵝絨委陵菜膜透性的傷害較大，不能恢復(fù)到正常的吸水狀態(tài)，吳建慧等[22]對委陵菜和翻白委陵菜的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的增加，MDA質(zhì)量摩爾濃度呈現(xiàn)增加的趨勢，通過變化幅度的比較，發(fā)現(xiàn)翻白委陵菜的變化幅度比委陵菜和鵝絨委陵菜的小，所以翻白委陵菜的抗旱性強(qiáng)于委陵菜和鵝絨委陵菜。

植物脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)也可以作為衡量植株抗旱能力的指標(biāo)[13]。本試驗的研究結(jié)果表明，鵝絨委陵菜根部脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和可溶性蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨干旱脅迫時間的延長而上升，并且增加幅度明顯。當(dāng)干旱脅迫20 d時，脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最高，然后下降?？扇苄缘鞍踪|(zhì)量分?jǐn)?shù)整體呈上升趨勢。劉菲等[23]在研究江南油杉時發(fā)現(xiàn)，游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)會隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸增加，沒有出現(xiàn)下降的趨勢；李鵬等[24]在研究絹毛委陵菜的耐旱能力時發(fā)現(xiàn)，植物在重度脅迫下脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈較大的上升趨勢，中度脅迫下呈較小的上升趨勢，這可能是因為江南油杉在PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、絹毛委陵菜在重度干旱脅迫下，自我調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，產(chǎn)生大量的脯氨酸，而鵝絨委陵菜脅迫25 d時，嚴(yán)重的干旱破壞了植物的滲透系統(tǒng)，滲透功能無法恢復(fù)正常。浦嬋等[25]研究PEG模擬干旱脅迫對黃竹影響中發(fā)現(xiàn)，隨著干旱質(zhì)量分?jǐn)?shù)和時間的增加，黃竹的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先增加后緩慢降低或波動較大的趨勢，說明嚴(yán)重的干旱已經(jīng)導(dǎo)致滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的紊亂，與本研究中前20 d的研究結(jié)果一致。

當(dāng)植物遭受外界壓力時，植物體內(nèi)的酶系統(tǒng)被激活，導(dǎo)致酶的活性增強(qiáng)以減少對植物的傷害。該研究中，POD和SOD的活性都表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在15 d時達(dá)到最大，從脅迫15～25 d，酶活性降低，此時與對照差異仍然明顯(P<0.05)，李楠等[26]在研究中發(fā)現(xiàn)，蛇含委陵菜、蔓委陵菜、莓葉委陵菜、伏委陵菜和三葉委陵菜的SOD、POD活性隨著干旱脅迫由輕度轉(zhuǎn)為中度再轉(zhuǎn)為重度，呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，這與本試驗的研究結(jié)果一致，這也與王劍毛等[27]對枇杷幼苗的研究結(jié)果一致，說明隨干旱脅迫程度的加重，委陵菜屬植物的保護(hù)酶系統(tǒng)的平衡遭到破壞，使活性氧積累，啟動并加劇膜脂過氧化而造成膜損傷。

綜合以上可知，隨著干旱程度的增加，鵝絨委陵菜根系表型特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化。通過生理指標(biāo)的測定，鵝絨委陵菜在干旱脅迫15 d和20 d后，仍然保持一定的活力，且在復(fù)水后有一定程度的恢復(fù)；在干旱脅迫25 d后再復(fù)水，植物無法恢復(fù)。因此，可以推測鵝絨委陵菜的耐旱臨界值超過20 d，具有較高的抗旱性，適于干旱地區(qū)的園林綠化。