火龍果的抗旱生長(zhǎng)及生理響應(yīng)

李莉婕，趙澤英，黎瑞君，馮恩英，岳延濱，袁 玲，聶克艷

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所，貴陽(yáng) 550006；2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716)

【研究意義】植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)是生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域[1]。火龍果(Hylocereuspolyrhizus)于20世紀(jì)90年代初引進(jìn)我國(guó)種植，因其生長(zhǎng)快，經(jīng)濟(jì)效益高，在川、黔、滇、桂等地的北盤(pán)江流域、紅水河流域、金沙江干熱河谷地區(qū)的種植規(guī)模迅速擴(kuò)展[2-3]。這些區(qū)域季節(jié)性干旱嚴(yán)重，水分是作物生長(zhǎng)的主要限制因素。因此，研究火龍果對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，對(duì)于指導(dǎo)其合理灌溉具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】火龍果葉片退化為刺，莖蔓呈肥厚肉質(zhì)狀，含有能夠貯存可溶性物質(zhì)和水的大液泡，以及大量能夠提高細(xì)胞滲透壓和保水性的晶細(xì)胞和粘液物質(zhì)[4]，可在土壤缺水的情況下長(zhǎng)時(shí)段供給植株光合作用所需水分[5]。作為景天酸代謝途徑植物，良好的灌溉能夠提高火龍果夜晚CO2吸收速率[6]，在商業(yè)化生產(chǎn)中需要充足的水分供應(yīng)才能滿足其生長(zhǎng)發(fā)育需求?；瘕埞? d需要攝入0.5 kg水分才能滿足火龍果生長(zhǎng)的需求[7]，70%～80%的土壤相對(duì)含水量適宜火龍果生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成[8]。火龍果適宜生長(zhǎng)在土壤較為潮濕的環(huán)境，對(duì)淹水脅迫有一定的適應(yīng)能力[9]，但淹水脅迫會(huì)導(dǎo)致根系缺氧爛根，枝條長(zhǎng)斑，嚴(yán)重影響其生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量。在模擬干旱條件下，火龍果組培苗和實(shí)生幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)都受到明顯的影響[10-11]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在氣候變暖背景下，干旱呈發(fā)生頻率高、分布地域廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、時(shí)空改變大等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[12]。實(shí)施精量灌溉是提高作物水分利用率和生產(chǎn)效率的重要途徑之一[13]。而目前有關(guān)火龍果長(zhǎng)期抗旱生長(zhǎng)及生理響應(yīng)的報(bào)道較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究長(zhǎng)期干旱、復(fù)水交替環(huán)境下火龍果1年生扦插苗生長(zhǎng)及生理指標(biāo)的影響，以期為闡明火龍果抗旱機(jī)制、確定火龍果需水閾值提供參考，為科學(xué)制定抗旱策略，精準(zhǔn)灌溉提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在貴州省惠水縣好花紅鎮(zhèn)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地的溫室中進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，北緯26°17′45″，東經(jīng)107°05′14″，試驗(yàn)地海拔956.0 m，年降水量1200～1300 mm，年均氣溫16.0 ℃，無(wú)霜期290 d。

1.2 材料

試驗(yàn)土壤為酸性黃壤(pH 5.50，有機(jī)質(zhì)35.03 g/kg，全氮2.33 g/kg，堿解氮157.1 mg/kg，有效磷19.40 mg/kg，速效鉀180.0 mg/kg，緩效鉀227.0 mg/kg。火龍果品種為紫紅龍，一年生紅皮紅肉火龍果扦插苗，主莖高50.5 cm。栽植容器為塑料盆，盆高38 cm，直徑34 cm。

1.3 方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 每盆裝土13 kg，施入復(fù)合肥20 g(15-15-15)，種植1株火龍果扦插苗，竹條支架固定，滴灌至充足水分?；瘕埞げ迕绶N植4周后(4月1日起)，模擬自然狀態(tài)，進(jìn)行降雨—干旱交替處理，設(shè)正常供水(CK，土壤含水量保持在田間持水量的80%)、輕度干旱脅迫(LD，土壤最低含水量為田間持水量的60%)、中度干旱脅迫(MD，土壤最低含水量為田間持水量的40%)和重度干旱脅迫(SD，土壤最低含水量為田間持水量的20%)4個(gè)處理，每個(gè)處理3盆，3次重復(fù)。各處理先澆足水分，利用TZS-5X土壤水分傳感器(浙江托普公司生產(chǎn))每3 d測(cè)量1次土壤含水量(10 cm深)，當(dāng)土壤水分降至臨界值時(shí)行滴灌至水從盆底流出時(shí)結(jié)束。6月灌水時(shí)將尿素(N 46.0%，15 g/盆)溶于水滴灌，其他管理按常規(guī)。各處理的灌水量及灌水次數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)各處理的灌水量和灌水次數(shù)Table 1 Irrigation amount and times of different treatments

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法 ①植株生長(zhǎng)和生物量。試驗(yàn)開(kāi)始后每間隔7 d測(cè)量新生莖蔓數(shù)量(以新芽長(zhǎng)出5.0 cm計(jì))和莖蔓長(zhǎng)度(當(dāng)莖蔓長(zhǎng)度增長(zhǎng)量連續(xù)3次測(cè)量低于0.5 cm即認(rèn)為該枝條生長(zhǎng)已達(dá)最大)。試驗(yàn)結(jié)束后，用游標(biāo)卡尺測(cè)定一級(jí)分枝(從主莖上直接發(fā)出的側(cè)枝)和二級(jí)分枝(從側(cè)枝上發(fā)出的新枝)的棱厚(莖蔓中部的棱邊緣至中央維管束之間中點(diǎn)的厚度)。將火龍果植株地上部分和根系稱鮮重后，用刀片將火龍果莖蔓肉質(zhì)皮層劃開(kāi)，與測(cè)定根系形態(tài)后的地下部分一起經(jīng)105 ℃殺青30min，再80 ℃烘干至恒重，計(jì)算含水量和根冠比。②植株養(yǎng)分。植株烘干粉碎后，用H2SO4-H2O2消煮，氮用凱氏法，磷用釩鑰黃比色法，鉀用火焰光度計(jì)法測(cè)定。③根系形態(tài)特征。將根系裝入70目的尼龍網(wǎng)袋中，浸泡30 min后用流水緩慢沖洗干凈。將根系樣本分解后放入裝有水的專用無(wú)色透明根盤(pán)，用鑷子調(diào)整根的位置盡量避免交叉重疊，用根系掃描儀(Epson Expression 11000XL，Epson company，日本，分辨率為300 dpi)對(duì)根系進(jìn)行掃描后，用根系掃描分析系統(tǒng)(WinRHIZO Pro LA 2400，Regent Instruments，加拿大)測(cè)量根系總長(zhǎng)度、根系總表面積、平均根系直徑和總根體積。④氣孔形態(tài)特征。剪下無(wú)任何表觀損傷的成熟肉質(zhì)莖，立刻用刀片將莖蔓切成4 mm×4 mm ×1 mm的組織塊，將其放入盛有2.5%戊二醛的離心管中固定24 h，然后經(jīng)PBS 緩沖液(0.1 mol/L，pH 6.8)清洗3次，分別用55%、65%、75%、85%、95%和100%的乙醇梯度脫水，每次脫水15 min。將脫水處理過(guò)的樣品冷凍干燥后，用導(dǎo)電膠粘在樣品臺(tái)上，離子濺射儀鍍金膜，然后用掃描電子顯微鏡(S3400，Hitachi，日本)進(jìn)行觀察和拍照。每個(gè)處理選取10個(gè)視野，用Image J軟件計(jì)算氣孔密度、氣孔大小(長(zhǎng)度×寬度)等。⑤生理指標(biāo)。將采集的莖蔓樣品經(jīng)液氮(-196 ℃)處理后置于超低溫冰箱(-80 ℃)中保存。采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司試劑盒進(jìn)行超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)的測(cè)定；采用露點(diǎn)水勢(shì)儀(WP4，Decagon，美國(guó))測(cè)定火龍果莖蔓水勢(shì)。以上指標(biāo)均重復(fù)3次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，SPSS 20.0 軟件進(jìn)行方差分析和顯著性測(cè)驗(yàn)，LSD法進(jìn)行多重比較，顯著水平為P≤0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)火龍果生長(zhǎng)的影響

2.1.1 對(duì)地上部生長(zhǎng)的影響 從表2可見(jiàn)，各干旱脅迫處理火龍果的新枝總長(zhǎng)均低于對(duì)照(CK)其中，MD處理下降6.22%，差異不顯著；MD和SD處理莖蔓生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制，分別比CK顯著下降25.61%和66.82%。輕、中度干旱對(duì)新枝數(shù)和二級(jí)分枝棱厚無(wú)顯著影響，但重度干旱使之顯著降低；在輕度干旱處理中，一級(jí)分枝棱厚和地上部干重與CK間無(wú)顯著差異，但中、重度干旱則顯著降低。說(shuō)明中度和重度干旱嚴(yán)重影響火龍果地上部分的正常生長(zhǎng)。

表2 干旱對(duì)火龍果地上部分生長(zhǎng)的影響Table 2 Effect of drought on the growth of above ground part of H. polyrhizus

2.1.2 對(duì)根系生長(zhǎng)的影響 由表3可知，與CK相比，除平均根系直徑外，隨干旱脅迫的加重，火龍果的總根長(zhǎng)、根系總表面積、總根體積和根干重均呈逐漸減少趨勢(shì)。干旱對(duì)根系平均直徑無(wú)顯著影響，輕、中、重度干旱條件下降幅為1.09～1.18 mm。輕度干旱處理火龍果的總根長(zhǎng)、根系總表面積、總根體積和根干重降幅未達(dá)顯著水平，而中度和重度干旱火龍果的總根長(zhǎng)、根系總表面積、總根體積和根干重均顯著低于CK。表明中度和重度干旱嚴(yán)重影響火龍果根系的生長(zhǎng)和擴(kuò)展。

表3 干旱對(duì)火龍果根系性狀的影響Table 3 Effect of drought on root characteristic of H. polyrhizus

2.1.3 對(duì)火龍果莖氣孔參數(shù)的影響 從圖2和表4可知，氣孔形態(tài)和氣孔參數(shù)對(duì)干旱脅迫有不同程度的響應(yīng)。輕、中度干旱脅迫下氣孔形態(tài)變化不明顯；重度干旱脅迫下氣孔形態(tài)發(fā)生顯著變化，氣孔明顯下陷，周?chē)植驾^多的針晶或棒狀晶體。重度干旱脅迫下氣孔密度顯著增加，而外部氣孔長(zhǎng)度、寬度、氣孔大小、內(nèi)部氣孔長(zhǎng)寬、氣孔孔徑均顯著減小；輕、中度干旱脅迫下氣孔密度、外部氣孔長(zhǎng)度和內(nèi)部氣孔長(zhǎng)度在變化不明顯，但氣孔外寬、內(nèi)寬和氣孔孔徑均顯著小于對(duì)照。輕度干旱脅迫下氣孔大小與對(duì)照無(wú)顯著差異，中度干旱脅迫下氣孔大小與對(duì)照有顯著差異。

表4 不同干旱脅迫處理火龍果的莖蔓表皮氣孔參數(shù)Table 4 Stomatal parameter of H. polyrhizu stem and epidermis treated with different drought levels

2.2 干旱脅迫對(duì)火龍果植株養(yǎng)分吸收的影響

由表5可知，植株養(yǎng)分含量中， N含量隨著干旱脅迫的加深呈先增加后降低趨勢(shì)，各干旱處理均高于對(duì)照，除輕度干旱處理顯著高于CK外，其余處理與CK間差異不顯著；植株P(guān)含量和K含量隨著干旱脅迫的加深均呈增加—降低—增加的趨勢(shì)，P、K含量除中度干旱低于CK外，輕度和重度干旱處理均顯著高于CK；說(shuō)明輕度干旱有利于氮和磷吸收，鉀含量則是隨著干旱程度增加整體顯著升高，與其他處理間差異顯著。火龍果植株氮、磷、鉀吸收量以輕度干旱處理(LD)的最高與其他處理間差異顯著；其次是中度干旱處理(MD)，與CK間差異不顯著，其中氮、鉀吸收量顯著高于重度干旱處理(LD)，磷吸收量與LD處理差異不顯著；重度干旱處理(SD)火龍果的氮、磷、鉀吸收量均最低比LD處理分別低21.23%、4.17%和17.55%。

表5 不同干旱脅迫處理火龍果的養(yǎng)分含量和吸收量Table 5 Nutrient content and absorption of H. polyrhizus treated with different drought levels

2.3 干旱對(duì)火龍果含水量和抗旱生理指標(biāo)的影響

2.3.1 含水量和水勢(shì) 由表6可見(jiàn)，一級(jí)分枝和二級(jí)分枝含水量均以輕度干旱脅迫(LD)處理的最高，其中，一級(jí)分枝各處理含水量表現(xiàn)為L(zhǎng)D≥CK≥MD≥SD，二級(jí)分枝為L(zhǎng)D>CK>MD>SD，說(shuō)明輕度干旱(LD)處理有利于火龍果莖儲(chǔ)存水分；隨旱情加重，含水量呈下降趨勢(shì)，表現(xiàn)出明顯的缺水現(xiàn)象；與CK相比，中度缺水(MD)的一、二級(jí)分枝含水量雖有降低但無(wú)顯著差異，但重度缺水的二級(jí)分枝與MD已存在顯著差異，說(shuō)明火龍果雖是耐旱植物，但嚴(yán)重干旱條件下新枝的水分蓄積受影響。一、二級(jí)分枝的水勢(shì)前LD、CK和MD處理間無(wú)顯著差異，但SD處理的水勢(shì)明顯降低，與CK相比，一、二級(jí)分枝的水勢(shì)分別降低31.87%和13.31%。

A、B、C、D分別為標(biāo)尺1000 SE 下:CK, LD, MD, SD的氣孔器形態(tài)；a、b、c、d分別為標(biāo)尺100 SE下CK, LD, MD, SD氣孔整體面觀A. B, C and D were stomatal apparatus morphology of CK, LD, MD and SD under 1000 SE scale; a,b,c and d were the overall view of H. polyrhizu stomatas of CK, LD, MD and SD under 100 SE scale圖2 掃描電鏡下火龍果莖蔓表皮氣孔0: 00的形態(tài)Fig.2 Stomatal micro-morphological features of stem and epidermis of H. polyrhizu at 0: 00 under SEM

表6 不同干旱脅迫處理火龍果莖蔓的含水量和水勢(shì)Table 6 Water content and water potential of H. polyrhizus stem and epidermis treated with different drought levels

2.3.2 抗氧化酶活性 由表7可見(jiàn)，4個(gè)處理中，火龍果莖蔓的SOD和POD活性表現(xiàn)為MD>LD>CK>SD，說(shuō)明輕度干旱對(duì)抗氧化指標(biāo)無(wú)影響，中度干旱啟動(dòng)了SOD和POD抗氧化保護(hù)機(jī)制，其酶的活性顯著升高，但在重度干旱脅迫下，SOD和POD活性明顯降低。CAT表現(xiàn)出在重度干旱條件下顯著升高，其他處理無(wú)差異。說(shuō)明抗氧化酶系對(duì)干旱程度的響應(yīng)存在差別。干旱脅迫處理丙二醛(MDA)含量均顯著增加，但各干旱處理間無(wú)顯著差異，MDA含量表現(xiàn)為MD>SD>LD>CK，與CK相比，增幅35.31%～56.60%。各處理脯氨酸(Pro)含量表現(xiàn)為MD>SD>LD>CK，中度干旱脯氨酸含量顯著增加，但嚴(yán)重干旱又下降，與對(duì)照相比，增幅為8.95%～113.11%。

表7 干旱脅迫下火龍果的抗氧化酶活性變化Table 7 Changes in activities of antioxidant enzymes in H. polyrhizus under drought stress

3 討 論

季節(jié)性干旱是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子之一，其微觀上抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，宏觀上降低植株的生長(zhǎng)速率[14]。因此，生物量和產(chǎn)量的變化是植株對(duì)干旱脅迫最直觀的反映。火龍果是貴州省干熱河谷新興的主栽經(jīng)濟(jì)作物，在植株一年的生長(zhǎng)過(guò)程中，5月中旬后生長(zhǎng)速率逐漸加快，6月初的新生枝條生長(zhǎng)速率達(dá)最大值，前期的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)為后期的生殖生長(zhǎng)奠定基礎(chǔ)。本研究發(fā)現(xiàn)，在充足供水條件下，5—6月火龍果莖枝生長(zhǎng)速率很快，類(lèi)似前人研究[15-16]。中、重度干旱脅迫下，火龍果的新枝總長(zhǎng)、一級(jí)分枝棱厚及地上部干重顯著下降，而輕度干旱的火龍果地上部分干重和一級(jí)分枝棱厚均為4個(gè)處理的最大值，可能輕度干旱有益于火龍果的生長(zhǎng)。對(duì)于重度干旱處理(土壤含水量為田間持水量的20%)，普通植物一般都難于忍受，但火龍果卻未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，說(shuō)明火龍果抗旱性極強(qiáng)，適宜種植在西南干熱河谷地區(qū)，但中、重度干旱顯著抑制火龍果的正常生長(zhǎng)，必然影響后期的生殖生長(zhǎng)和果實(shí)產(chǎn)量。因此，在干熱河谷種植火龍果的過(guò)程中，科學(xué)灌水可促進(jìn)火龍果營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、莖發(fā)育及干物質(zhì)積累，既能搭建植株骨架，也有利于增加結(jié)果量。

植物根系是吸收水分和養(yǎng)分的重要器官。隨旱情加重，火龍果根系總長(zhǎng)度、總表面積和總體積逐漸降低。但值得注意的是，在中度干旱條件下，火龍果根系總長(zhǎng)度、總表面積和總體積的降幅達(dá)顯著水平(與正常供水相比)，而只有在重度干旱條件下，火龍果新枝數(shù)、新枝長(zhǎng)度和生物量等與生長(zhǎng)相關(guān)的參數(shù)才顯著降低。此外，火龍果根系生物量?jī)H占總生物量的極少部分(3.22%～4.71%)，遠(yuǎn)低于一般植物[17-19]，說(shuō)明火龍果抗旱能力強(qiáng)非根系原因，而與地上部的生物學(xué)形態(tài)、水分保持和生理代謝等密切相關(guān)。

氣孔是CO2固定的主要通道，在干旱條件下，植物為保持水分減少氣孔開(kāi)放程度，增加氣孔密度，是適應(yīng)干旱脅迫環(huán)境的常用策略[20]。然而，氣孔導(dǎo)度的降低也限制了CO2的固定量，導(dǎo)致光合速率受到抑制和同化減少，并且在形態(tài)上表現(xiàn)為生長(zhǎng)抑制和產(chǎn)量損失[21]。輕度干旱脅迫下，細(xì)胞伸長(zhǎng)受到抑制，導(dǎo)致葉面積減少，單位面積氣孔數(shù)增加，氣孔密度增加；嚴(yán)重干旱脅迫下，葉片受到嚴(yán)重傷害，氣孔數(shù)量顯著減少，氣孔密度隨之降低[22-23]。本研究中，中度干旱脅迫已引起氣孔大小顯著減小，推測(cè)這是影響光合作用，導(dǎo)致生物量下降的原因之一；嚴(yán)重干旱脅迫下，莖表皮氣孔周?chē)霈F(xiàn)大量針晶，含晶異細(xì)胞的形成與干旱環(huán)境有關(guān)，可以提高植物的吸水和保水能力[24]，使火龍果具有強(qiáng)抗旱能力。

火龍果莖由表皮、皮層、維管束和髓組成。其中表皮為多層細(xì)胞組成的復(fù)表皮，皮層由外部的柵欄組織和內(nèi)層的儲(chǔ)水組織、粘液細(xì)胞組成[32]。隨干旱脅迫程度的增加，莖表皮厚度、儲(chǔ)水細(xì)胞數(shù)量增加，皮層及莖總厚度減小[4]。盡管干旱使火龍果含水量和細(xì)胞水勢(shì)降低，但降幅遠(yuǎn)低于一般植物[33-34]。在干旱條件下，較高的含水量和細(xì)胞水勢(shì)有益于維持光合作用和新陳代謝，并減輕傷害[35]。因此，從生理指標(biāo)看，適度干旱可提高火龍果新枝SOD、POD和CAT的活性。在植物體內(nèi)，SOD、POD、CAT可清除干旱產(chǎn)生的活性氧，避免膜脂過(guò)氧化[36]。干旱使植物體內(nèi)的細(xì)胞膜發(fā)生膜過(guò)氧化，產(chǎn)生丙二醛[37-38]；脯氨酸積累是干旱傷害程度的重要指標(biāo)之一，傷害愈重脯氨酸含量越高，可增加幾十甚至上百倍[39-40]。盡管干旱使火龍果新枝丙二醛和脯氨酸含量增加，但其增幅遠(yuǎn)低于普通植物[41-42]。因此，在干旱條件下，火龍果抗氧化酶活性提高，傷害程度減輕可解釋其抗旱較強(qiáng)的主要原因。今后將結(jié)合火龍果氣孔運(yùn)動(dòng)、光合作用等生理特征的研究，進(jìn)一步開(kāi)展火龍果蒸騰規(guī)律的探索，以期為火龍果的節(jié)水灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

研究發(fā)現(xiàn)，水分供應(yīng)水平顯著影響火龍果苗的新梢生長(zhǎng)速率、生物量、根系形態(tài)和抗性生理指標(biāo)?；瘕埞哂休^強(qiáng)的抗旱性，適宜種植于貴州省季節(jié)性干旱嚴(yán)重、土層淺薄的干熱河谷地區(qū)。輕度干旱脅迫下火龍果的生物量略高于正常供水處理，中、重度干旱顯著影響火龍果苗的新梢生長(zhǎng)速率、生物量、根系形態(tài)和酶活性，說(shuō)明間歇性輕度干旱有利于火龍果的莖蔓生長(zhǎng)，長(zhǎng)期重度干旱抑制其正常生長(zhǎng)。生產(chǎn)中，控制土壤相對(duì)含水量為60%左右有利于火龍果樹(shù)體的生長(zhǎng)發(fā)育。