干旱與復水對2種蟛蜞菊生長及生理生化特性的影響

趙 英,吳 敏,鄧 平,2,朱宇林,周興文，梁珠珠，韋銀霞

(1玉林師范學院，廣西 玉林 537000；2西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100；3廣西大學 林學院，廣西 南寧 530004)

干旱是影響植物分布和生長發(fā)育的主要環(huán)境因素，其危害程度居眾多非生物脅迫之首[1]。干旱脅迫實質是植物缺水，不僅發(fā)生在干旱半干旱地區(qū)，而且在濕潤和半濕潤地區(qū)也常發(fā)生不同程度的階段性干旱[2]。有研究表明，植物體內的抗氧化酶活性能在一定程度上反映其耐旱能力，抗氧化酶通過清除自由基，抑制脂質過氧化作用，從而保護植物細胞膜不受傷害[3]；而細胞內滲透調節(jié)物質的增減，可以調節(jié)細胞液滲透勢，維持細胞壁的彈性并保持膨壓，提高植物細胞吸水或保水能力[4]。此外，有研究表明，解除干旱復水后，一些植物體內水分運輸過程能否迅速恢復到脅迫前的狀態(tài)[5]，或在干旱復水后植物是否會出現(xiàn)生長加快、光合、蒸騰速率提高等補償效應現(xiàn)象[6]，也是評價植物耐旱性強弱的重要環(huán)節(jié)。因此，研究干旱與復水處理后，植物體內抗氧化酶活性和滲透調節(jié)物質含量的變化，可以了解植物在長期進化過程中的耐旱機制和策略。目前關于該方面的研究主要集中在農作物以及牧草[7-11]上，對于園林入侵植物的相關研究報道[12]較少。

三裂葉蟛蜞菊(Wedeliatrilobata(L.) Hitchc.)，菊科(Composite)，又稱南美蟛蜞菊，多年生草本，原產熱帶美洲，是南方廣大地區(qū)最具危害性的入侵雜草之一[13]，嚴重威脅廣西、廣東、海南等地本地物種的定居及生長，破壞園林綠地生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性[14]。蟛蜞菊(Wedeliachinensis(Osbeck. ) Merr.)與三裂葉蟛蜞菊同屬，原產我國，在廣西、廣東、海南等地分布[15]。二者生活史特征相似，但蟛蜞菊生長較慢，對自然生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性無危害，其在南方園林綠地中常作地被植物使用，而三裂葉蟛蜞菊的入侵，改變了當?shù)貓@林綠地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。目前，相關研究多集中在對比二者對其他物種或群落的化感作用[16-19]，入侵物種對根際土壤酶和土壤理化性質的影響[20-21]，應對高溫、酸雨和干旱等逆境時二者的表型可塑性、生物量分配、光合生理等[22-25]方面。而在干旱和復水處理下二者基本生理生化變化規(guī)律，揭示其耐旱能力與策略的研究[26]較少。

本研究通過自然干旱及復水處理，對比蟛蜞菊及三裂葉蟛蜞菊扦插苗生長、抗氧化酶、滲透調節(jié)物質、丙二醛和葉綠素含量的變化規(guī)律，探究二者對干旱脅迫環(huán)境的生理生態(tài)適應機理及其旱后恢復能力，以期為防止三裂葉蟛蜞菊入侵提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

于2018年5月20日清晨08:00，在廣西壯族自治區(qū)玉林市玉林師范學院苗圃(22°64′N，110°14′E)，選擇生長健壯的蟛蜞菊(W.chinensis)和三裂葉蟛蜞菊(W.trilobata)，采集長(35.13±0.85) cm(從匍匐莖頂芽向后測量)的匍匐莖各50枝，立刻用黑色塑料袋包裹，并將末端切口處浸置于水中，迅速帶回實驗室。分別將采集的試驗材料剪成約5 cm帶芽莖段(每個莖段保留2～3片葉子)，在100 mg/kg ABT生根溶液中浸泡5 min，在玉林師范學院玻璃溫室扦插苗床中進行軟枝扦插；經4～5周培養(yǎng)后，選取生長健壯、長勢基本一致的蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊扦插苗各60株，移栽到塑料花盆(上口徑×高×底徑：13 cm×13 cm×11 cm)中，每盆2株，各30盆。培養(yǎng)基質為營養(yǎng)土、蛭石、塘泥，按照1∶1∶1的體積比混合，緩苗3周后開始干旱脅迫試驗。為保證幼苗健康生長，育苗與緩苗期土壤含水量為(24.4±1.23)%。

1.2 試驗設計

2018年7月2日在廣西玉林師范學院玻璃溫室大棚中進行干旱脅迫試驗，棚內晝夜溫度分別為28和20 ℃，白天光強為800 μmol/(m2·s)，相對濕度保持在(60±2.5)%。蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊分別設置對照組和干旱處理組，其中對照組20株(10盆)，干旱處理組40株(共20盆，其中10盆用于復水試驗)。整個干旱處理試驗持續(xù)15 d，對照組土壤含水量保持在(24.4±1.23)%；干旱處理組采用自然干旱法；試驗結束測定各處理幼苗指標。第16天，選取蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊干旱處理另20株(10盆)幼苗進行3 d復水試驗，使其土壤含水量達到(24.4±1.23)%，即達到對照組水平。試驗第18天測定復水處理組(RT)相關指標。

1.3 試驗方法

1.3.1 生長指標的測定 測量株高后，采用便攜式葉面積儀(Yaxin-1241)，測定蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊莖干上、中、下部位各1片健康葉片的葉面積，每株3片葉子，每處理10株(5盆)，取平均值。然后，收獲整株植株的地上和地下器官并放置于牛皮紙袋中，放入烘箱于105 ℃下殺青10 min，再將溫度調至 80 ℃烘干至恒質量，測定地上和地下部分干質量；計算總生物量和根冠比。

1.3.2 生理生化指標的測定 分別采集每個處理其余10株(5盆)蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊莖干上、中、下部位健康新鮮葉片，均勻混合剪碎后稱取0.2 g，生理生化指標測定均參考李合生[27]的方法，每個指標測定3次，取平均值。

測定指標包括葉綠素、丙二醛(malondialdehyde，MDA)、可溶性糖、可溶性蛋白含量及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用 SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和 LSD檢驗蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊各處理間的差異顯著性(α=0.05)，采用獨立樣本T檢驗分析相同處理蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊種間的差異顯著性(α=0.05)。采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊生長的影響

由圖1可以看出，干旱脅迫處理下，蟛蜞菊、三裂葉蟛蜞菊的株高和單葉面積均低于對照組，其中三裂葉蟛蜞菊的株高和單葉面積下降更顯著(P<0.05)，分別比對照組降低了28.41%和51.39%；且蟛蜞菊的株高和單葉面積均顯著高于三裂葉蟛蜞菊。復水處理后，蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊的株高、單葉面積均有不同程度提高，其中蟛蜞菊株高、單葉面積和三裂葉蟛蜞菊的株高均恢復到對照水平(P>0.05)，而三裂葉蟛蜞菊的單葉面積則比對照組增加4.28%(P>0.05)；株高和單葉面積在兩物種間均無顯著差異(P>0.05)。

由圖1還可以看出，在干旱脅迫處理下，蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊的總生物量分別比對照組顯著降低31.55%和50.99%，根冠比則分別比對照組顯著提高14.53%和38.59%；且蟛蜞菊總生物量比三裂葉蟛蜞菊高出41.01%(P<0.01)，三裂葉蟛蜞菊根冠比則比蟛蜞菊高了31.00%(P<0.05)。在復水處理后，蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊的總生物量均高于干旱處理組，但均顯著低于對照組(P<0.05)；反之，根冠比較干旱處理時降低，但均高于對照組，且三裂葉蟛蜞菊的根冠比較對照組顯著提高14.97%(P<0.05)；盡管復水處理后，三裂葉蟛蜞菊的總生物量和根冠比均高于蟛蜞菊，但均無顯著差異(P>0.05)。

不同小寫字母表示相同物種不同處理間差異顯著(P<0.05)； 在相同處理不同物種間，**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)，ns表示差異不顯著(P>0.05)。下同Different lowercase letters indicate significant difference in same species among different treatments at P<0.05.In same treatment between different species,** indicates significant difference at P<0.01;* indicates significant difference at P<0.05;ns indicates no significant correlation at P>0.05.The same below圖1 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊生長的影響(n=10)Fig.1 Effects of drought and rehydration on growth of W.chinensis and W.trilobata (n=10)

2.2 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊葉綠素參數(shù)的影響

由圖2可以看出，干旱脅迫處理對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊葉綠素a(Chla)含量均有顯著影響(P<0.05)，而對葉綠素b(Chlb)含量無顯著影響(P>0.05)；在干旱脅迫處理下，蟛蜞菊Chla含量比對照組增加了8.06%，而三裂葉蟛蜞菊Chla含量比對照組減少了33.36%，且前者極顯著高于后者(P<0.01)。復水處理后，蟛蜞菊Chla含量減少并恢復到對照水平(P>0.05)，三裂葉蟛蜞菊Chla含量則迅速增加(P<0.05)，比蟛蜞菊Chla含量高出5.56%(P>0.05)；復水處理對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊Chlb含量均無顯著影響(P>0.05)；且Chla和Chlb含量在種間均無顯著差異(P>0.05)。

由圖2可知，在干旱脅迫處理下，蟛蜞菊葉綠素a/b(Chla/b)和葉綠素總量(Chl(a+b))含量均顯著高于對照組(P<0.05);三裂葉蟛蜞菊Chla/b和Chl(a+b)含量則均顯著低于對照組(P<0.05)，分別比對照組降低了31.69%和25.44%;且蟛蜞菊的Chla/b和Chl(a+b)含量分別比三裂葉蟛蜞菊極顯著提高了66.18%和45.69%(P<0.01)。在復水處理后，盡管蟛蜞菊Chla/b和Chl(a+b)含量均比干旱處理時顯著降低，但與對照組無顯著差異(P>0.05)；三裂葉蟛蜞菊Chla/b和Chl(a+b)均高于對照組，其中Chla/b比對照組增加了15.50%，差異達顯著水平(P<0.05)；且三裂葉蟛蜞菊Chla/b比蟛蜞菊高出13.23%，差異極顯著(P<0.01)。

圖2 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊葉綠素參數(shù)的影響(n=10)Fig.2 Effects of drought and rehydration on chlorophyll parameters of W.chinensis and W.trilobata (n=10)

2.3 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊MDA含量的影響

干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊丙二醛含量的影響見圖3。

圖3 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊丙二醛含量的影響(n=10)Fig.3 Effects of drought and rehydration on MDA content of W.chinensis and W.trilobata (n=10)

由圖3可知，在干旱脅迫處理下，蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊的丙二醛(MDA)含量均高于對照組，其中蟛蜞菊MDA含量與對照組之間無顯著差異(P>0.05)，三裂葉蟛蜞菊MDA含量比對照組顯著增加了49.67%(P<0.05)；且三裂葉蟛蜞菊MDA含量極顯著高于蟛蜞菊(P<0.01)。復水處理后，蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊MDA含量較干旱處理組均不同程度降低并恢復到對照水平(P>0.05)，其中三裂葉蟛蜞菊MDA含量下降更快，比復水前顯著降低了38.47%；且MDA含量在種間無顯著差異(P>0.05)。

2.4 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊滲透調節(jié)物質含量的影響

由圖4可以看出，在干旱脅迫處理下，蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊的可溶性糖、可溶性蛋白含量均顯著高于對照組(P<0.05)，其中蟛蜞菊可溶性糖和可溶性蛋白含量分別比對照組增加了175.00%和40.15%，三裂葉蟛蜞菊分別比對照組增加86.29%和107.00%；且蟛蜞菊可溶性糖含量比三裂葉蟛蜞菊高出34.86%(P<0.05)，而三裂葉蟛蜞菊可溶性蛋白含量比蟛蜞菊高出37.99%(P<0.01)。

在復水處理后，蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊的可溶性糖、可溶性蛋白含量較復水前均不同程度降低，其中蟛蜞菊可溶性蛋白和三裂葉蟛蜞菊可溶性糖、可溶性蛋白含量下降較快并恢復到對照組水平(P>0.05)，但復水后蟛蜞菊可溶性糖含量下降緩慢，仍顯著高于對照組；蟛蜞菊可溶性糖和可溶性蛋白含量分別比三裂葉蟛蜞菊高出80.02%(P<0.01)和21.11%(P<0.05)。

圖4 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊滲透調節(jié)物質含量的影響 (n=10)Fig.4 Effects of drought and rehydration on contents of osmoregulation substances of W.chinensis and W.trilobata (n=10)

2.5 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊抗氧化保護酶活性的影響

干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊4種抗氧化保護酶(SOD、POD、CAT和APX)活性的影響見圖5。

圖5 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊抗氧化保護酶活性的影響(n=10)Fig.5 Effects of drought and rehydration on protective enzyme activity of W.chinensis and W.trilobata (n=10)

由圖5可知，干旱脅迫處理下，蟛蜞菊4種抗氧化保護酶(SOD、POD、CAT、APX)活性均高于對照組，其中SOD活性與對照組無顯著差異(P>0.05)；三裂葉蟛蜞菊的SOD、POD和APX活性均顯著高于對照組(P<0.05)，分別比對照組增加156.00%，65.37%，63.08%，而CAT活性顯著低于對照組(P<0.05)；且三裂葉蟛蜞菊SOD活性極顯著高于蟛蜞菊(P<0.01)，而POD和CAT活性分別比蟛蜞菊低了51.92%和75.00%(P<0.01)。復水處理后，蟛蜞菊SOD、POD、CAT和APX活性均比復水前有不同程度下降，其中SOD、POD和CAT活性均恢復到對照水平(P>0.05)，APX活性仍顯著高于對照組43.12%(P<0.05)；三裂葉蟛蜞菊SOD、POD、APX活性均低于復水前，其中POD和APX活性均恢復到對照水平(P>0.05)，但SOD活性仍顯著高于對照組35.16%(P<0.05)，CAT活性上升，比對照組顯著增加了15.07%(P<0.05)；且在復水處理后，僅CAT活性在種間存在極顯著差異(P<0.01)，表現(xiàn)為三裂葉蟛蜞菊比蟛蜞菊高出24.37%。

3 結論與討論

3.1 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊生長的影響

干旱是影響植物生長發(fā)育的主要限制因子，生長及各器官之間生物量分配比例的變化是植物應對環(huán)境脅迫的基本響應機制之一[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫抑制了蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊的生長，單葉片面積減小，生物量顯著下降，苗高生長受限；同時，干旱脅迫下蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊根冠比增大，說明2種蟛蜞菊在一定程度上能通過增加根冠比調節(jié)地上和地下器官的生物量分配，以適應干旱環(huán)境。這與趙瑜琦等[29]對群眾楊(Populus)扦插苗的研究結論相似。對比蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊生長差異發(fā)現(xiàn)，盡管干旱處理下三裂葉蟛蜞菊根冠比增加更快，比蟛蜞菊高出31.00%，但并未顯著遏制干旱脅迫對株高和葉面積的抑制趨勢，甚至在干旱脅迫后期枯萎葉片數(shù)量明顯高于蟛蜞菊，總生物量累積極顯著低于蟛蜞菊。這與王寧等[30]對入侵植物節(jié)節(jié)麥(Aegilopstauschii)和何軍等[31]對互花米草(Spartinaalterniflora)的研究結論相反，表明三裂葉蟛蜞菊通過增加根冠比未能達到規(guī)避干旱脅迫的效果，說明其耐旱性較蟛蜞菊弱。復水處理后，2種蟛蜞菊總生物量、株高、葉面積、根冠比均有所恢復，說明解除干旱脅迫后蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊可以通過調節(jié)形態(tài)或生理生化反應恢復其生長[32]，其中三裂葉蟛蜞菊各指標在復水后變化幅度較大，甚至出現(xiàn)超補償效應，這可能是因為三裂葉蟛蜞菊葉面積和株高受干旱脅迫的抑制更嚴重，在復水后易產生超補償效應，使其最大限度地快速恢復損失的營養(yǎng)器官，保證植株存活生長。這與肖凡等[33]對黃瓜(CucumissativusL.)幼苗的研究結論一致。

3.2 干旱與復水對蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊生理代謝的影響

葉綠素含量是衡量植物光合生產潛力的一項重要生理指標，對植物光合速率、生物量生長等具有重要影響，也是衡量植物受環(huán)境脅迫程度的一項有效指標[34]。干旱脅迫后，蟛蜞菊主要通過提高Chla含量提高葉綠素總量，并在復水后保持較高的水平，這說明蟛蜞菊通過維持光合色素的穩(wěn)定，提高其耐旱能力，這與馮慧芳等[35]對楓香(Liquidambarformosana)幼苗的研究結果一致。在干旱脅迫處理下，三裂葉蟛蜞菊則通過適當縮減葉綠素含量，減小葉片面積，降低蒸騰耗水，削弱干旱脅迫的傷害，復水后其葉綠素含量迅速恢復至正常水平，且Chla與總葉綠素含量與蟛蜞菊無顯著差異，Chla/b顯著高于蟛蜞菊，說明三裂葉蟛蜞菊葉綠素的合成并未受到干旱脅迫的根本性破壞，復水后通過自身調節(jié)可迅速進行旱后恢復。

滲透調節(jié)作用是植物在干旱脅迫下降低水勢以及維持細胞膨壓，從而抵御逆境脅迫的一種重要方式，可溶性糖、可溶性蛋白為有效的滲透調節(jié)物質[36]。在干旱環(huán)境下，蟛蜞菊和三裂葉蟛蜞菊的可溶性糖、可溶性蛋白含量均顯著增加，說明2種蟛蜞菊在遭遇干旱脅迫時均可通過積累滲透調節(jié)物質，增大膨壓吸收水分。復水后，三裂葉蟛蜞菊可溶性糖、可溶性蛋白含量迅速恢復到對照水平，表明解除干旱脅迫后三裂葉蟛蜞菊能夠迅速恢復。蟛蜞菊復水后，可溶性糖含量雖略有降低但仍顯著高于對照，且蟛蜞菊可溶性糖和可溶性蛋白含量均顯著高于三裂葉蟛蜞菊，這與王好運等[37]對馬尾松(Pinusmassoniana)的研究結論相反，可能是由于復水時間較短，蟛蜞菊細胞還保留大量的滲透調節(jié)物質，因此可以保持較高膨壓吸收水分。

綜上所述，蟛蜞菊可以通過增加葉綠素含量，積累滲透調節(jié)物質，抗氧化保護酶系統(tǒng)的協(xié)調作用，降低丙二醛含量，從而抵御干旱環(huán)境，保證植株的生長發(fā)育；復水后其葉綠素、滲透調節(jié)物質含量以及抗氧化保護酶活性均下降，且大部分能恢復至正常水平，說明蟛蜞菊對干旱脅迫造成的損傷具有較高的修復能力。盡管外來入侵種三裂葉蟛蜞菊也可通過調節(jié)抗氧化保護酶系統(tǒng)、滲透調節(jié)物質、增加根冠比等協(xié)同作用抵抗干旱，但在干旱處理期間，其株高生長緩慢，莖干萎蔫，葉片枯黃且葉面積縮減明顯，說明其耐旱性較蟛蜞菊差，復水后其恢復能力較好。因此，建議今后在園林綠地管理中，可適當降低綠地土壤的含水率，從而抑制三裂葉蟛蜞菊的生長。