干旱脅迫及復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草生理特性的影響研究

方 娟，王曉紅，黃程前，鄭碩理，李立華，陳佳佳，胡靈璇

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省森林植物園，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 引言

隨著全球氣候變化引起的溫度升高、降雨增多和干旱頻發(fā)，且干旱區(qū)“干濕交替”現(xiàn)象加劇，非干旱地區(qū)也存在季節(jié)性干旱現(xiàn)象[1]。湖南省內(nèi)各地區(qū)季節(jié)性干旱嚴(yán)重，且降雨量分布不均勻，尤其是夏秋高溫少雨天氣導(dǎo)致的氣象干旱會(huì)限制植物生長(zhǎng)發(fā)育。干旱脅迫會(huì)引起細(xì)胞失水，破壞植物體內(nèi)水分代謝，導(dǎo)致植物體生理生化和光合特征發(fā)生重大變化[2]，甚至導(dǎo)致植物死亡。當(dāng)植物經(jīng)過(guò)一定程度的干旱脅迫后，對(duì)其進(jìn)行復(fù)水，一般認(rèn)為植物會(huì)利用其體內(nèi)的調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行自我修復(fù)[3]。因此研究土壤水分虧缺和旱后復(fù)水條件下對(duì)植物的生理生化及光合生理等方面的影響，探索植物體內(nèi)的相關(guān)響應(yīng)機(jī)制，不僅能揭示植物對(duì)干旱的適應(yīng)能力和抗旱機(jī)理，同時(shí)對(duì)植物的繁殖栽培及應(yīng)用有著重要意義。

萱草屬植物(Hemerocallisspp.)是多年生宿根花卉，全屬植物14種，我國(guó)11種和部分自然雜交變種[4，5]。萱草屬植物性強(qiáng)健、耐寒、耐熱、耐鹽堿、耐半陰、適應(yīng)力強(qiáng)、花色鮮艷、花期長(zhǎng)，對(duì)土壤要求不嚴(yán)，園林應(yīng)用中多用于叢植、路旁栽植或做地被應(yīng)用[6]。賈民隆[7]等采用田間自然干旱的方式對(duì)萱草進(jìn)行干旱脅迫；歐敏哲等[8]對(duì)大花萱草進(jìn)行持續(xù)干旱及復(fù)水的生理情況，篩選出兩個(gè)自我修復(fù)能力較強(qiáng)的大花萱草；李昊等[9]建立耐干旱萱草品種篩選的簡(jiǎn)易方法。但是對(duì)于旱后復(fù)水條件下萱草的生理生化及光合作用響應(yīng)機(jī)制的研究鮮有報(bào)道，本試驗(yàn)中選擇觀賞價(jià)值較高、湖南生長(zhǎng)良好、抗逆性普遍較強(qiáng)的“雪不凋”萱草進(jìn)行試驗(yàn)，揭示“雪不凋”萱草的耐旱性的生理及光合機(jī)制?？梢詾椤把┎坏颉陛娌萜贩N的園林推廣及其在干旱、半干旱地區(qū)的應(yīng)用上提供參考。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試材料為“雪不凋”萱草取自湖南省森林植物園萱草資源圃的多年生分株苗。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2020年5月份將萱草統(tǒng)一移植到上口徑18 cm、下口徑14.5 cm、高18.5 cm的塑料花盆中，栽培基質(zhì)為珍珠巖與泥炭土(1∶1)的混合基質(zhì)，每盆干土質(zhì)量為(1.6±0.2)kg，每盆種植一株。期間進(jìn)行正常水肥管理，促其成活。

試驗(yàn)采取溫室盆栽控水法，選取長(zhǎng)勢(shì)整齊且健康的試驗(yàn)材料各45盆，隨機(jī)分成5組，每組9盆。其中對(duì)照(CK)：每天澆水澆透，相對(duì)含水量為(65%±2%)；輕度干旱脅迫(LD)：相對(duì)含水量為(50%±2%)；中度干旱脅迫(MD)相對(duì)含水量為(35%±2%)；重度干旱脅迫(SD)相對(duì)含水量為(20%±2%)；自然干旱脅迫(ND)：試驗(yàn)開始時(shí)澆透水后不再澆水，直至干旱結(jié)束?？厮陂g，CK和ND進(jìn)行正常水分管理，其他處理自然干旱達(dá)到預(yù)設(shè)梯度后維持其含水量。試驗(yàn)期間每天17:00用電子秤稱重和高精度土壤水分測(cè)試儀JK-200F測(cè)量?jī)煞N方法對(duì)試驗(yàn)材料控水，使含水量維持在各預(yù)定脅迫水平。干旱脅迫試驗(yàn)持續(xù)21 d后開始復(fù)水。于旱脅迫 0、7、14、21 d和復(fù)水后第7 d采集葉片樣品，用于測(cè)量指標(biāo)。

2.3 指標(biāo)測(cè)定

相對(duì)電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀[10]測(cè)定；葉綠素含量測(cè)定采用丙酮提取法[11]；MDA含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定；超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原反應(yīng)[12]；游離脯氨酸的測(cè)定采用磺基水楊酸法；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定[3]。

光響應(yīng)曲線采用便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定儀LI-6400 ( LI-COR Lincoln，USA)于 干旱21 d和復(fù)水7 d時(shí)的9:00～17:00，選取選擇受光方向一致的萱草成熟葉片在光照強(qiáng)度1000 μmol/(m2·s)條件下測(cè)定光合參數(shù)，測(cè)定時(shí)由紅藍(lán)光源提供不同的 PAR：2000、1500、1200、1000、800、600、400、200、1000、50、20、0 μmol/(m2·s)。測(cè)定前對(duì)每個(gè)葉片進(jìn)行20 min的光誘導(dǎo), 葉室CO2濃度為380 μmol/mol。

2.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)修正直角雙曲線模型對(duì)萱草葉片光合作用-光響應(yīng)曲線進(jìn)行模擬?；緮?shù)據(jù)處理采用Excel進(jìn)行計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，光響應(yīng)曲線采用光合計(jì)算進(jìn)行雙曲線修正模型模擬；用SPSS26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，異性顯著水平為P<0.05用Origin2018制作圖表。

3 結(jié)果

3.1 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草生理指標(biāo)的影響

3.1.1 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量的影響

由圖1a和圖1b可知，“雪不凋”萱草葉片相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量隨著脅迫程度的加劇和脅迫時(shí)間的持續(xù)而不斷上升。脅迫21 d后，各處理組相對(duì)電導(dǎo)率都明顯上升，LD、MD、SD和ND分別比CK高21.89%、66.52%、 95.43% 和106.56%且均與CK差異顯著(P<0.05)；其中，LD和MD的丙二醛含量緩慢升高，SD和ND則表現(xiàn)為迅速升高，脅迫21 d時(shí)，LD、MD、SD和ND的丙二醛含量分別比CK高38.23%、64.26%、81.36%和91.62%且均與CK差異顯著(P<0.05)。

圖1 干旱和旱后復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛、可溶性蛋白、脯氨酸含量的變化

復(fù)水7d后，相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量和迅速降低，LD和 MD基本上恢復(fù)到對(duì)照水平，無(wú)明顯差異(P>0.05),但SD和ND仍高于CK，且有顯著差異，而各脅迫水平丙二醛含量基本上恢復(fù)到對(duì)照水平，與CK的差異均不顯著。

3.1.2 干旱脅迫和旱后復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草可溶性蛋白含量、脯氨酸含量的影響

由圖1可以看出，在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，隨著干旱脅迫時(shí)間的增加，各處理組均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，而各脅迫度的脯氨酸含量則表現(xiàn)為持續(xù)升高趨勢(shì)。在干旱處理21 d 時(shí)，LD和 MD處理下的萱草葉片的可溶性蛋白含量均顯著高于CK，分別比CK高16.80%、19.25%；SD和ND處理的萱草葉片的可溶性蛋白則顯著低于CK，與CK相比，分別下降了22.62%、27.51%。干旱0～7 d時(shí)，LD和ND脯氨酸含量與CK差異不顯著，當(dāng)干旱21 d時(shí)；各處理組的脯氨酸含量均上升為最大值且顯著高于CK，分別比CK增加了48.40%、60.99%、99.71%、108.42%；干旱21 d，萱草葉片脯氨酸含量下降，但仍顯著高于CK。復(fù)水7 d后，萱草可溶性蛋白及脯氨酸含量的LD和MD均恢復(fù)到對(duì)照水平。

3.1.3 干旱和旱后復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草SOD活性的影響

如圖2a可知，在干旱脅迫期間，CK的SOD活性基本保持穩(wěn)定，萱草干旱SOD活性整體呈先升高后降的上升趨勢(shì)。在干旱脅迫第14d時(shí)，LD和MD的SOD活性達(dá)到最大，分別比CK顯著高出47.21% 、69.52% 。在脅迫21 d后，各處理組的SOD活性均顯著低于對(duì)照水平。復(fù)水7 d后，各脅迫水平SOD活性基本上恢復(fù)到對(duì)照水平，與CK的差異均不顯著。

圖2 干旱和旱后復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草SOD活性、葉綠素、光響應(yīng)曲線的變化

3.2 干旱脅迫和旱后復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草光合作用的影響

3.2.1 干旱脅迫和旱后復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草葉綠素含量的影響

由圖2b可知，“雪不凋”萱草葉片中葉綠素含量隨著干旱脅迫程度的加劇和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)或者下降趨勢(shì)。其中LD和MD萱草的葉綠素含量是在干旱脅迫14 d后達(dá)到最大值，分別CK的116.15%、111.95%。在脅迫21 d后，各脅迫處理的葉綠素含量均有所下降，其中SD和ND處理組葉綠素含量分別為CK的138.99%、145.35%，且各干旱處理都和CK差異顯著(P<0.05)。復(fù)水7 d后，葉綠素含量迅速上升，LD和MD基本上恢復(fù)到對(duì)照水平，無(wú)明顯差異(P>0.05),但SD和ND仍高于CK，且有顯著差異。

3.2.2 干旱脅迫和旱后復(fù)水對(duì)“雪不凋”萱草光響應(yīng)曲線的影響

如圖2c和2d所示，無(wú)論是干旱脅迫21 d，還是復(fù)水7 d后，萱草各處理組的Pn隨著光強(qiáng)的增加逐漸升高，變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為低PAR(0～600 μmol/(m2·s))時(shí)Pn迅速增加，達(dá)到一定的PAR(600～1200 μmol/(m2·s))之后，Pn增幅變小，之后逐漸穩(wěn)定并出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象隨著干旱程度的加劇，曲線變化幅度表現(xiàn)為CK>LD>MD>SD>ND。不同的是，干旱21 d后，各處理與CK差異明顯，復(fù)水后，各組處理的變化曲線慢慢增大，與CK差異越來(lái)越小。

4 討論

干旱脅迫下,植物體內(nèi)的活性氧積累會(huì)對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)造成傷害，相對(duì)電導(dǎo)率可以用來(lái)判斷細(xì)胞膜受到損傷的嚴(yán)重程度[13]。丙二醛的積累和細(xì)胞膜透性變化可以反映細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用強(qiáng)弱和質(zhì)膜破壞強(qiáng)弱[14]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，萱草丙二醛含量和相對(duì)電導(dǎo)率顯著上升，說(shuō)明萱草葉片的膜脂過(guò)氧化程度加深,對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能造成了嚴(yán)重傷害，且葉片的丙二醛含量和相對(duì)電導(dǎo)率成正相關(guān)，這與何鳳[15]等對(duì)于杜仲(EucommiaulmoidesOliv.)扦插苗的研究結(jié)果相一致。復(fù)水后，輕度和重度干旱均能恢復(fù)到正常水平，而重度干旱還是顯著高于對(duì)照，這說(shuō)明重度脅迫下，萱草葉片膜系統(tǒng)受到的傷害較大，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)到正常水平。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累是植物適應(yīng)干旱脅迫的基本特征之一，其含量的積累可以在一定程度上表明植物滲透能力的強(qiáng)弱[16]。試驗(yàn)中，萱草葉片重度脅迫的可溶性蛋白和脯氨酸隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)先增高后下降，這說(shuō)明干旱前期，萱草主動(dòng)積累可溶性蛋白和脯氨酸含量發(fā)來(lái)降低滲透壓，增加了生物大分子的親水性[17]，以此抵抗干旱脅迫帶來(lái)的傷害。在試驗(yàn)后期，可能是持續(xù)脅迫下對(duì)萱草產(chǎn)生了一定的傷害，使萱草達(dá)到了耐受閾值，抑制了其蛋白質(zhì)和脯氨酸的合成，這與靳月等[18]閩楠(Phoebebournei)的研究結(jié)果基本一致。在復(fù)水7 d后，各干旱處理水平均恢復(fù)為對(duì)照水平，說(shuō)明萱草具有較強(qiáng)的耐旱性。

SOD被認(rèn)為是ROS清除系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶,是清除ROS的第一道防線[19]，其活性變化與膜脂過(guò)氧化程度有密切聯(lián)對(duì)活性氧的淸除能力時(shí)衡量植物抗逆性的重要指標(biāo)之一[20]。本實(shí)驗(yàn)中，短時(shí)間的干旱脅迫SOD活性增加，說(shuō)明萱草可以通過(guò)自身的防御系統(tǒng)來(lái)維持細(xì)胞正常代謝活動(dòng)；但隨著脅迫程度的加劇和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，超出了萱草葉片的耐受程度，SOD活性急速下降，這與肖鋼等[21]對(duì)夏玉米的研究結(jié)果基本一致。在復(fù)水7 d后，各干旱處理水平均恢復(fù)為對(duì)照水平，說(shuō)明萱草具有較強(qiáng)的耐旱性。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量高低是表征光合速率的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中，葉綠素含量前期的升高可能由于水分脅迫造成萱草葉片含水量下降，葉片擴(kuò)展生長(zhǎng)受阻，致使葉綠素含量出現(xiàn)輕微上升，而干旱脅迫后期葉綠素含量的下降可能是因?yàn)槌掷m(xù)干旱葉綠素的合成受到或者葉綠素分解。這與王寧等[22]對(duì)節(jié)節(jié)麥(AegilopstauschiiCoss)的研究結(jié)果一致。干旱脅迫解除后供水，輕度和重度干旱處理組均能恢復(fù)到正常水平，而重度干旱還是顯著高于對(duì)照。這說(shuō)明萱草葉片葉綠素的合成并未受到根本性破壞，在復(fù)水后可以通過(guò)自我調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行恢復(fù)。

5 討論

萱草在生理方面均對(duì)干旱脅迫和復(fù)水表現(xiàn)出顯著響應(yīng)，可以通過(guò)提高抗氧化酶活性和增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來(lái)適應(yīng)土壤水分虧缺，從而表現(xiàn)一定的耐旱能力。復(fù)水后，輕度和中度脅迫下萱草各指標(biāo)都能恢復(fù)正常水平，說(shuō)明旱后及時(shí)復(fù)水能緩解干旱脅迫對(duì)萱草生長(zhǎng)發(fā)育的負(fù)面效應(yīng)，具有一定的補(bǔ)償效應(yīng)，但其補(bǔ)償強(qiáng)度不足以彌補(bǔ)重度干旱脅迫下萱草的生長(zhǎng)發(fā)育。