干旱脅迫對紅樹莓幼苗生長及根系酶活性變化的影響

弓萌萌，張瑞禹，劉 洋，2，張培雁，李 寒，張雪梅，2，郭素萍，2，齊國輝，2

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學 林學院，河北 保定 071000；2. 河北省核桃工程技術研究中心，河北 邢臺 054000）

紅樹莓Rubus idaeus為薔薇科懸鉤子屬多年生落葉半灌木，地下部分為多年生，當年結果后地上部分枯死，俗稱托盤、山莓果、懸鉤子[1]。其果實酸甜，芳香味濃，營養(yǎng)豐富，被世界糧農(nóng)組織稱為“第3 代水果之王”[2]。除鮮食外，果實還可加工成果酒、果汁、果醬等，深受消費者青睞。紅樹莓果實除了富含蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等一般果蔬具備的營養(yǎng)成分外，還含有一些特殊的功能性成分，如黃酮類、鞣花酸、超氧化物歧化酶（SOD）、水楊酸等，在抗癌、防衰老和治療心腦血管栓塞等方面具有一定的醫(yī)療保健作用[3-6]。

干旱是影響植物正常生長的主要非生物脅迫之一[7]。不同植物在干旱環(huán)境下會有不同的生理特征，以抵抗惡劣環(huán)境，維持正常的生命活動[8]。受到干旱脅迫后，植株出現(xiàn)生長速度減慢、葉片失綠畸形萎蔫乃至植株死亡等問題。林姝婧等[9]的研究結果表明，隨著干旱脅迫程度的增加，長柄扁桃盆栽苗葉片SOD 活性、過氧化物酶（POD）活性、葉綠素含量、丙二醛（MDA）含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。王鑫等[10]的研究結果表明，干旱脅迫下，8 個平歐雜種榛品種的1 年生盆栽苗的高和葉片葉綠素含量均顯著下降，MDA含量顯著升高。王荔等[11]的研究結果表明，干旱脅迫限制火龍果品種‘紫紅龍’盆栽苗莖的伸長和增粗生長，促進根系的萌發(fā)和伸長生長。馬斌等[12]對武當木蘭、紅花木蓮、樂昌含笑和樂東擬單性木蘭4 種木蘭科植物進行了干旱脅迫，研究結果表明，隨著干旱脅迫程度的增加，4 種木蘭科樹種的根冠比均呈上升趨勢。在生長過程中紅樹莓幼苗對水分相當敏感，滯水或土壤通氣不良，會使植株衰弱，引起病害，破壞根細胞，尤其是水分虧缺時，幼苗葉片發(fā)黃、卷曲，植株生長嚴重受限。在我國北方地區(qū)，特別是在西北、華北及春季干旱少雨的地區(qū)，春季建園時合理的水分管理及選擇抗旱性較強的品種是提高紅樹莓植株成活率的主要措施。

本試驗中研究了持續(xù)干旱脅迫條件下3 個紅樹莓品種幼苗根系酶活性的變化以及地上部分的生長特性，采用隸屬函數(shù)法對不同紅樹莓幼苗的抗旱性進行綜合評價，以期為紅樹莓苗期適宜的水分管理及抗旱品種選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018 年6—8 月，在河北農(nóng)業(yè)大學標本園避雨棚中，選擇3 個紅樹莓品種‘海爾特茲’‘秋?！欣邸慕M培苗進行干旱脅迫試驗。苗高約15 cm，栽植在花盆中，每盆4 株。花盆上口徑44 cm、下口徑25 cm、高30 cm，盆內(nèi)填充20 kg 基質(zhì)（園土和沙子質(zhì)量比為2∶1）?；|(zhì)pH 為8.72，基質(zhì)中有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀的質(zhì)量分數(shù)分別為11.62、0.21、0.53、5.35 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀的質(zhì)量分數(shù)分別為56.93、8.34、57.25 mg/kg。

1.2 試驗設計

緩苗30 d 后進行持續(xù)干旱脅迫處理。干旱脅迫組，于脅迫前倒數(shù)第1 天灌透水（以花盆底部有水滲出為標準），之后持續(xù)脅迫，分別在脅迫進行了5、10、15、20 和25 d 時取樣；復水組，分別在脅迫進行了5、10、15、20 和25 d 時灌透水（以花盆底部有水滲出為標準），復水5 d 后取樣；正常管理組（對照），每天18:00 采用稱量法進行補水，使土壤含水量控制在田間持水量的60%～80%。每處理20 株，3 次重復。

采集紅樹莓苗的中部功能葉片置于冰盒，帶回實驗室清洗，待測；將整株幼苗從盆中取出分離根系，洗凈晾干，用液氮快速冷凍并置于-80 ℃冰箱，待測。

1.3 指標測定和分析

使用鋼卷尺測量株高生長量；采用比葉重法[13]測定葉面積；采用烘干稱量法測定并計算根冠比（地下部分和地上部分干質(zhì)量的比值）；采用丙酮乙醇混合液法[14]測定葉綠素含量；采用硫代巴比妥酸法[15]測定MDA 含量；采用氮藍四唑（NBT）光還原法[16]測定SOD 活性；采用愈創(chuàng)木酚法[17]測定POD 活性；采用過氧化氫法[16]測定過氧化氫酶（CAT）活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Duncan 新復極差法進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。采用隸屬函數(shù)法對3 個紅樹莓品種的抗旱性進行綜合評價，隸屬函數(shù)值越大，表明抗旱性越強。

式中：Xi為i指標的測定值；Xmax與Xmin分別為i指標對應的最大值與最小值；U(Xi)和U'(Xi)分別為i指標與抗旱性呈正相關和負相關時的隸屬函數(shù)值。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫及復水對紅樹莓地上部分生長的影響

2.1.1 干旱脅迫及復水對株高生長量的影響

干旱脅迫及復水處理下紅樹莓的株高生長量如圖1 所示。由圖1 可知，處理期間，正常管理組3 個紅樹莓品種的株高生長量為3.17 ～4.00 cm。隨著干旱程度的加劇，3 個紅樹莓品種株高生長量不斷減少，且下降幅度逐漸增加。脅迫處理15 d 時，‘海爾特茲’和‘秋?！闹旮呱L量均顯著低于CK，分別較CK 降低了37.5%、32.76%，復水處理5 d 后，其株高生長量與CK 和干旱組均無顯著差異。脅迫處理20、25 d 時，3 個紅樹莓品種的株高生長量均極顯著低于CK，復水處理5 d 后，株高生長量極顯著低于CK，與干旱處理無顯著差異。脅迫處理25 d 時‘海爾特茲’‘秋福’‘托拉蜜’的株高生長量最小，分別為1.23、1.17、1.07 cm，分別較CK 降低了66.96%、69.56%、66.32%。

圖1 干旱脅迫及復水處理下紅樹莓的株高生長量Fig. 1 Plant height and growth of red raspberry under drought stress and rehydration treatment

2.1.2 干旱脅迫及復水對單葉面積的影響

干旱脅迫及復水處理下紅樹莓的單葉面積如圖2 所示。由圖2 可知，正常管理組3 個紅樹莓品種的單葉面積均變化不大，且隨干旱持續(xù)單葉面積均有不斷減小的趨勢。脅迫處理20 d 時，3 個紅樹莓品種的單葉面積分別為62.34、60.16、61.14 cm2，均顯著低于CK，復水處理5 d 后，單葉面積較干旱處理分別增大了5.76%、6.16%、5.55%，與脅迫組無顯著差異，但顯著低于CK。脅迫處理25 d 時，3 個紅樹莓品種的單葉面積均最小，此時‘海爾特茲’‘秋?！欣邸膯稳~面積分別為55.56、53.91、55.41 cm2，均顯著低于CK，復水處理5 d 后，3 個紅樹莓品種的單葉面積均與干旱處理間無顯著差異，但顯著低于CK。

圖2 干旱脅迫及復水處理下紅樹莓的單葉面積Fig. 2 Single leaf area of red raspberry under drought stress and rehydration treatment

2.1.3 干旱脅迫及復水對根冠比的影響

干旱脅迫及復水處理下紅樹莓的根冠比如圖3所示。由圖3 可知，3 個紅樹莓品種的根冠比均隨干旱持續(xù)而增大。脅迫處理15 d 時，‘海爾特茲’和‘秋?！母诒确謩e為0.46、0.42，分別較CK 增加了23.41%、12.76%，均顯著高于CK，復水處理5 d 后，根冠比與脅迫處理無顯著差異。脅迫處理20、25 d 時，‘海爾特茲’‘秋福’‘托拉蜜’3 個紅樹莓品種的根冠比均顯著高于CK，并在脅迫處理25 d 時達最大值，最大值分別為0.51、0.48、0.46，分 別 較CK 增 加 了31.72%、26.04%、24.57%。脅迫處理25 d 的紅樹莓經(jīng)復水處理5 d 后，根冠比較干旱處理分別降低了7.76%、6.31%、5.36%，與干旱處理無顯著差異，但均顯著高于CK。

圖3 干旱脅迫及復水處理下紅樹莓的根冠比Fig. 3 Root shoot ratio of red raspberry under drought stress and rehydration treatment

2.1.4 干旱脅迫及復水對葉綠素含量的影響

干旱脅迫及復水處理下紅樹莓的葉綠素含量如圖4 所示。由圖4 可知：試驗期間，對照組3 個紅樹莓品種的葉綠素含量較穩(wěn)定；隨著干旱持續(xù)，3 個紅樹莓品種的葉綠素含量先上升后下降。脅迫處理15 d 時，‘海爾特茲’‘秋?！欣邸娜~綠素含量均達最大值，分別為2.58、2.53、2.48 mg/g，分別較CK 增加了13.17%、4.44%、5.83%，其中‘海爾特茲’的葉綠素含量顯著高于CK。脅迫處理20 d 時，3 個紅樹莓品種的葉片發(fā)黃萎蔫，此時‘秋?！娜~綠素含量為2.30 mg/g，較CK 降低了7.40%，與CK 存在顯著差異。脅迫處理25 d 時，3 個紅樹莓品種的葉片邊緣及前端枯萎，‘海爾特茲’‘秋?！欣邸娜~綠素含量分別為2.13、2.02、2.00 mg/g，分別較CK降低了15.86%、19.41%、11.22%，與CK 有顯著差異，復水處理5 d 后，3 個紅樹莓品種的葉綠素含量變化不大，顯著低于CK。

圖4 干旱脅迫及復水處理下紅樹莓的葉綠素含量Fig. 4 Chlorophyll content of red raspberry under drought stress and rehydration treatment

2.2 干旱脅迫及復水對紅樹莓根系MAD 含量和抗氧化酶活性的影響

2.2.1 干旱脅迫及復水對根系對MAD 含量的影響

干旱脅迫及復水處理下紅樹莓根系的MAD 含量如圖5 所示。由圖5 可知，對照處理下，3 個紅樹莓品種根系的MAD 含量相對穩(wěn)定。整個干旱脅迫過程中，3 個紅樹莓品種根系的MAD 含量均隨干旱持續(xù)而增加。脅迫處理10 d 時，‘秋?！汀欣邸档腗AD 含量顯著高于CK，復水處理5 d 后，根系MAD 含量與CK 無顯著差異。脅迫處理15、20 d 時，3 個紅樹莓品種根系的MAD 含量均顯著高于CK 和復水處理，復水處理5 d 后，3 個紅樹莓品種根系的MAD 含量均有不同程度降低，且均顯著高于CK。脅迫處理25 d 時，3 個紅樹莓品種根系的MAD 含量均達最大值，‘海爾特茲’‘秋福’‘托拉蜜’根系的MAD 含量最大值分別為5.88、6.15、6.52 μmol/g，分別較CK 增加了36.04%、41.27%、37.92%，復水處理5 d 后，根系MAD 含量分別為5.53、5.87、6.03 μmol/g，顯著高于CK，分別較脅迫處理降低了5.96%、4.59%、7.49%，與脅迫處理間無顯著差異。

圖5 干旱脅迫及復水處理下紅樹莓根系的MDA含量Fig. 5 MDA content of red raspberry roots under drought stress and rehydration treatment

2.2.2 干旱脅迫及復水對根系SOD 活性的影響

干旱脅迫及復水處理下紅樹莓根系的SOD 活性如圖6 所示。由圖6 可知，對照處理下，3 個紅樹莓品種根系的SOD 活性均相對穩(wěn)定。脅迫處理過程中，3 個紅樹莓品種根系的SOD 活性先上升后下降。‘海爾特茲’和‘秋?！档腟OD 活性均在處理15 d 時達最大值，最大值分別為6.28、6.06 U/(g·min)， 分 別 較CK 升 高 了15.34%、10.71%，均極顯著高于CK，復水處理5 d 后，‘海爾特茲’根系的SOD 活性為6.10 U/(g·min)，較干旱處理降低了2.97%，顯著低于干旱處理，‘秋?！档腟OD 活性為5.93 U/(g·min)，較CK 降低了2.16%，與干旱處理無顯著差異?！欣邸档腟OD 活性在脅迫處理10 d 時達最大值，為5.96 U/(g·min)，較CK 升高了8.06%，極顯著高于CK，復水處理5 d 后，根系SOD 活性較脅迫處理降低了3.70%，顯著低于干旱脅迫處理。

圖6 干旱脅迫及復水處理下紅樹莓根系的SOD活性Fig. 6 SOD activity of red raspberry roots under drought stress and rehydration treatment

2.2.3 干旱脅迫及復水對根系POD 活性的影響

干旱脅迫及復水處理下紅樹莓根系的POD 活性如圖7 所示。由圖7 可知，正常管理組3 個紅樹莓品種根系的POD 活性相對穩(wěn)定。干旱脅迫條件下，隨干旱持續(xù)3 個紅樹莓品種根系的POD活性均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。脅迫處理10 d 時，3 個紅樹莓品種根系的POD 活性均顯著高于CK，復水處理5 d 后，根系POD 活性與CK 和干旱脅迫處理均無顯著差異。脅迫處理15 d 時，‘海爾特茲’根系的POD 活性顯著高于CK，‘秋福’和‘托拉蜜’根系的POD 活性極顯著高于CK，復水處理5 d 后，‘海爾特茲’根系的POD 活性與CK 和干旱處理均無顯差異，‘秋福’和‘托拉蜜’根系的POD 活性顯著高于CK，與干旱處理無顯著差異。脅迫處理20 d 時，3 個紅樹莓品種根系的POD 活性均達最大值，最大值分別為114.56、88.75、128.27 U/(g·min)，分 別 較CK 增加了1.55、0.99、1.67 倍，復水處理5 d 后，POD活性均有不同程度降低，‘海爾特茲’和‘秋?！档腜OD 活性均極顯著高于CK，與干旱處理無顯著差異，‘托拉蜜’根系的POD 活性較干旱處理降低了14.41%，顯著低于干旱處理，極顯著高于CK。脅迫處理25 d 時，3 個紅樹莓品種根系的POD 活性均急劇下降，復水處理5 d 后，根系POD 活性顯著高于CK 和干旱脅迫處理。

圖7 干旱脅迫及復水處理下紅樹莓根系的POD活性Fig. 7 POD activity of red raspberry roots under drought stress and rehydration treatment

2.2.4 干旱脅迫及復水對根系CAT 活性的影響

干旱脅迫及復水處理下紅樹莓根系的CAT 活性如圖8 所示。由圖8 可知，正常管理組3 個紅樹莓品種根系的CAT 活性相對穩(wěn)定。隨干旱持續(xù)，3 個紅樹莓品種根系的CAT 活性呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。脅迫處理15 d 時，‘托拉蜜’根系的CAT 活性達最大值，為5.33 U/(g·min)，較CK 上升了130.77%，極顯著高于CK，復水處理5 d 后，根系CAT 活性為4.62 U/(g·min)，較干旱處理降低了13.33%，與干旱處理無顯著差異，極顯著高于CK。脅迫處理20 d 時，‘海爾特茲’和‘秋福’根系的CAT 活性最高，最大值分別為6.04、5.69 U/(g·min)，分別較CK 升高了142.85%、128.57%，極顯著高于CK，復水處理5 d 后，根系CAT 活性分別為5.33、4.98 U/(g·min)，分別較干旱處理降低了11.77%、12.50%，與脅迫處理無顯著差異，分別較CK 升高了114.28%、100%，顯著高于CK。

圖8 干旱脅迫及復水處理下紅樹莓根系的CAT活性Fig. 8 CAT activity of red raspberry roots under drought stress and rehydration treatment

2.3 各紅樹莓品種抗旱性的綜合評價

采用隸屬函數(shù)法可直觀全面地進行品種綜合特性評價，該方法被廣泛應用于指標評價。3 個紅樹莓品種幼苗抗旱性的綜合評價結果見表1。由表1可知，3 個紅樹莓品種按照抗旱性由強到弱排列依次為‘海爾特茲’‘秋?！欣邸?。

表1 干旱脅迫條件下不同紅樹莓品種各指標的隸屬函數(shù)值Table 1 Subordinate function values of different indicators of different red raspberry varieties under drought stress

3 結論與討論

本研究結果表明，干旱脅迫下紅樹莓幼苗通過抑制生長、調(diào)節(jié)光合色素合成及抗氧化酶活性協(xié)同作用適應干旱環(huán)境。脅迫15 d 的3 個紅樹莓品種經(jīng)復水處理5 d 后，幼苗生長與正常供水條件下無明顯差異，指標可基本恢復至對照水平；脅迫超過15 d 的紅樹莓復水后，植株葉片變黃、枯萎，生長狀況不良，無法恢復至正常狀態(tài)。3 個紅樹莓品種按照抗旱性由強到弱排列依次為‘海爾特茲’‘秋?！欣邸?。

干旱會直接抑制植物的生長，植物通過調(diào)整形態(tài)構造和各器官的生長速度來適應干旱脅迫[16]。本研究結果表明，隨著干旱脅迫持續(xù)，3 個紅樹莓品種的株高生長量和單葉面積均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，這與阿日文[18]、張彥妮等[19]的研究結果一致。王林龍等[20]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫增加了不同種源油蒿的根冠比。本研究結果顯示，3 個紅樹莓品種的根冠比均隨干旱脅迫持續(xù)而增大，這與何靜丹等[21]的研究結果相吻合。造成紅樹莓根冠比增大的原因可能是干旱脅迫下紅樹莓將較多生長所需養(yǎng)分分配到地下部，從而使得干旱對根系生長的抑制作用小于地上部。在受到干旱脅迫后，紅樹莓通過加快根系的生長，吸收更多的有機質(zhì)和水分，同時地上部器官干物質(zhì)的量逐漸減少，植株生長速度降低，葉面積減少，從而降低地上部水分的消耗。

干旱脅迫下葉綠素的含量不僅與光合能力有關，還與植物的耐旱性有一定關系[22]。干旱脅迫下植物體內(nèi)葉綠素含量的變化，指示植物對水分脅迫的敏感性，并直接影響光合產(chǎn)量。本研究結果表明，隨著干旱脅迫程度的加重，葉綠素含量表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，這與任迎虹等[23]關于桑樹的研究結果一致。脅迫前期，葉綠素含量升高，可能是由于紅樹莓幼苗在受到短期的干旱脅迫后產(chǎn)生了應激反應，通過增加葉綠素含量來緩解和降低干旱脅迫對紅樹莓幼苗本身的傷害；脅迫后期，葉綠素含量降低，可能是葉綠素合成受阻或葉綠素降解所致。

植物遭受逆境時，細胞產(chǎn)生大量羥基自由基和超氧陰離子自由基，這些自由基和細胞膜中的不飽和脂肪酸發(fā)生膜脂過氧化反應生成MDA[24]。對芍藥[25]、板栗[26]的研究結果表明，隨著干旱脅迫程度的加劇，MDA 含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。本研究結果表明，隨干旱脅迫持續(xù)，根系MDA 含量逐漸增加，這與彭少兵[27]對不同品種樹莓、黑莓的研究結果一致。干旱脅迫后復水可以緩解干旱脅迫造成的膜傷害與膜脂過氧化作用的影響，使植物細胞膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 積累降低。脅迫5、10、15 d 的紅樹莓經(jīng)復水處理5 d 后，根系MDA 含量均與對照無顯著差異，脅迫20、25 d 的紅樹莓經(jīng)復水處理5 d 后，根系MDA 含量極顯著高于對照。這可能是因為短期干旱脅迫引起的清除氧自由基酶類活性的喪失是可逆的，復水后即可恢復，而長期干旱脅迫引發(fā)了抗氧化酶的不可逆轉(zhuǎn)失活，即使復水也不能完全激活，使過剩的氧自由基不能及時被清除，從而使根系中有較多的MDA。

在正常生長發(fā)育過程中，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除處于平衡，當逆境脅迫來襲時，活性氧自由基增加，其濃度超過植物正常的生理代謝水平，影響植物生長，此時植物體內(nèi)抗氧化酶活性提高，有效清除活性氧，維持活性氧自由基的動態(tài)平衡。左小容等[28]的研究結果顯示，在干旱前期SOD、POD、CAT 活性均高于對照，在干旱后期酶活性下降，經(jīng)過復水后幼苗的抗氧化酶活性與對照處理無明顯差異。本研究結果表明，隨干旱脅迫的持續(xù)，根系中SOD、POD、CAT 活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，這與張希吏[29]的研究結果相吻合。3 個紅樹莓品種的根系SOD、POD、CAT 活性在不同時期達到最大值，這說明一定時間范圍內(nèi)，干旱脅迫能夠提高植物中抗氧化酶的活性，這是植物對外界干旱環(huán)境的一種應激反應，但隨著脅迫程度的增加，紅樹莓根系中SOD、POD、CAT 活性均迅速下降，此時干旱程度已經(jīng)超過了植物對損傷的抵御能力，抗氧化酶活性降低，細胞過氧化作用增強，產(chǎn)生大量自由基。

本研究中未能揭示不同紅樹莓品種對干旱脅迫及復水處理的分子響應機制。為全面掌握不同紅樹莓品種的抗旱性及其對復水處理的應答機制，后續(xù)將對相關作用的重要差異表達基因、代謝通路等進行檢測分析，為使用分子育種方法篩選培育抗旱性強的紅樹莓品種提供參考。