亞低溫與干旱脅迫對(duì)百合生長(zhǎng)及葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

宗建偉 黃培璐 楊雨華 黃小迪

（河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院藝術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

百合 (Lilium browniivar.viridulum)是百 合科百合屬多年生草本球根植物，不僅是世界著名的切花品種[1]，也是重要的盆栽花卉，在園林綠化發(fā)揮著重要作用。亞低溫和干旱脅迫是華北地區(qū)常見(jiàn)的非生物脅迫，影響百合生長(zhǎng)、發(fā)育，是降低百合觀賞價(jià)值的主要原因[2]。百合屬植物的地下鱗莖對(duì)水分比較敏感，水分過(guò)多鱗莖容易腐爛，而水分過(guò)少，又導(dǎo)致其生長(zhǎng)發(fā)育不良。因此，水分是影響百合正常生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素之一。關(guān)于干旱對(duì)百合的影響已有研究報(bào)道，當(dāng)土壤水分不足時(shí)，植株生長(zhǎng)減弱，株高、地上部分和地下部分產(chǎn)量都顯著降低[3-4]。干旱脅迫對(duì)植株的影響在形態(tài)上表現(xiàn)為減少葉片數(shù)量及單葉葉面積等[5]，在葉片解剖結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為柵欄組織厚度、海綿組織厚度和柵海比等的改變[6-7]。

低溫是作物栽培中常發(fā)的自然災(zāi)害，不僅會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量的降低，嚴(yán)重時(shí)造成植株死亡[8]。在我國(guó)華北地區(qū)冬春季設(shè)施栽培中，生產(chǎn)者為節(jié)省成本通常不采用或較少采用加溫措施，導(dǎo)致設(shè)施內(nèi)常處于 8～15 ℃ 的亞低溫環(huán)境[9]。亞低溫會(huì)抑制植物根系和葉片生長(zhǎng)，造成生物量和葉面積的下降[10]。曹紅星等[11]研究發(fā)現(xiàn)亞低溫造成椰子葉片厚度變薄、柵欄組織減少、海綿組織疏松、柵海比減少、細(xì)胞間隙變大。關(guān)于百合亞低溫脅迫的研究，葛蓓蕾等[12]研究指出，不同生長(zhǎng)期的“羅賓娜”百合在低溫脅迫后，通過(guò)增溫補(bǔ)償可以降低其傷害。Vallarino等[13]的研究則發(fā)現(xiàn)，低溫會(huì)抑制百合鱗莖的生長(zhǎng)。因此，研究百合對(duì)亞低溫和干旱的適應(yīng)情況，對(duì)減輕百合亞低溫干旱脅迫和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

在自然條件下，植物常常面臨多種脅迫，目前，對(duì)單一脅迫（如干旱、低溫）下百合的抗逆生理研究比較多, 如Tian等[14]、王玲麗等[15]和黃彥瑋等[16]對(duì)低溫脅迫的研究和Li等[17]、魏傳斌等[18]對(duì)干旱脅迫的研究，但是關(guān)于亞低溫和干旱交互脅迫對(duì)百合生長(zhǎng)和葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響尚不明確。因此，本試驗(yàn)選用百合品種黃美人為材料，研究亞低溫和干旱脅迫對(duì)百合生長(zhǎng)和葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響，分析植物的不同部位在亞低溫和干旱脅迫環(huán)境下響應(yīng)的異同和聯(lián)系，評(píng)價(jià)2種脅迫對(duì)百合的影響程度，以期為百合的養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

于2019年12月1日，試驗(yàn)選在河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院園林實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試材料選用生長(zhǎng)健壯、無(wú)病蟲害且大小均勻的百合品種‘黃美人’（L. longiflorum×L. Asiatic）鱗莖。鱗莖購(gòu)于中國(guó)白碗窯百合種質(zhì)資源圃。將其鱗莖（平均質(zhì)量65 g）種植在塑料盆中，盆的規(guī)格為15 cm（高） × 10 cm（內(nèi)徑），盆底有3個(gè)小孔以保證下層土壤通氣性，每個(gè)盆中種植1個(gè)種球。栽培基質(zhì)體積比為3∶1的椰磚和營(yíng)養(yǎng)土，pH = 6.15，每盆裝基質(zhì)約350 g。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 亞低溫和干旱處理

于2019年12月10日選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致且無(wú)病蟲害的百合幼苗共60株，培養(yǎng)7 d后置于人工氣候箱中緩苗。期間環(huán)境條件設(shè)置為：晝溫(25 ±1) ℃，夜溫(18 ± 1) ℃，光照強(qiáng)度12 000 lx，光周期12 h/12 h（晝/夜），相對(duì)濕度60 %。緩苗2 d后開(kāi)始處理，處理時(shí)間30 d，每個(gè)處理重復(fù)5盆試驗(yàn)設(shè)2個(gè)溫度處理組，具體見(jiàn)表1。灌溉量控制采用稱重補(bǔ)足法[19]。

表 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experiment design

1.2.2 形態(tài)指標(biāo)觀察

記錄處理后10、15、20、25、30 d時(shí)每株百合的生長(zhǎng)指標(biāo)，測(cè)定同葉位的葉片。具體形態(tài)指標(biāo)包括：株高、莖粗、葉長(zhǎng)、葉寬，并按公式（1）[20]計(jì)算葉面積。

式中：L為葉長(zhǎng)。

1.2.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)觀察

處理30 d后，參照周乃富[21]的方法，采用改進(jìn)的番紅-固綠雙重染色技術(shù)對(duì)樣本進(jìn)行石蠟切片分析。用Motic Image Plus 2.0測(cè)量軟件測(cè)量葉片厚度、柵欄組織、海綿組織的厚度，每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)均為20視野范圍內(nèi)測(cè)定的平均值。按公式（2）～（3）[22]計(jì)算葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度（CTR）和疏松度（SR）。

1.2.4 生物量指標(biāo)測(cè)定

每個(gè)處理取5株，取樣后分別稱取鱗莖、根、莖、葉的鮮質(zhì)量，然后在100～105 ℃烘箱中殺青10 min，轉(zhuǎn)為80 ℃烘干，冷卻后稱干質(zhì)量，按公式（4）～（5）計(jì)算根冠比、折干率等。公式中地上部分指百合葉片，地下部分指百合的鱗莖和根。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 進(jìn)行整理數(shù)據(jù)和制作圖表，SPSS 22軟件進(jìn)行方差分析，相關(guān)性分析及主成分分析。采用雙因素分析法分析并結(jié)合 LSD 差異性檢驗(yàn)對(duì)組間差異進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，進(jìn)行主成分分析（PCA），得出各指標(biāo)特征值并計(jì)算各處理的綜合得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞低溫和干旱脅迫下百合幼苗生長(zhǎng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)變化

由圖1～2可知，隨著處理天數(shù)的增加百合株高、莖粗、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。CK和NT + WS的植株生長(zhǎng)狀況良好，而低溫干旱（LT + WS）處理明顯延緩了百合的生長(zhǎng)。處理前期，CK的株高增長(zhǎng)速率顯著高于其他組（P＜0.05），而處理后期干旱（NT + WS）的株高增長(zhǎng)速率顯著高于CK（P＜ 0.05），亞低溫處理和亞低溫干旱交互處理僅為CK的0.57倍和0.31倍（圖1）。由圖2可知，CK的葉片長(zhǎng)度和寬度最大，其次是LT + WW、NT + WS，且LT + WS的數(shù)值最小。

圖 1 亞低溫、干旱處理對(duì)百合莖的影響Fig. 1 The effects of sub-low temperature and drought on stems of lily

圖 2 亞低溫、干旱處理對(duì)百合生長(zhǎng)葉的影響Fig. 2 The effects of sub-low temperature and drought on leaves of lily

2.2 亞低溫和干旱脅迫下百合幼苗的莖生長(zhǎng)、葉生長(zhǎng)和生物量積累變化

由表2可知，在處理30 d時(shí)，與CK相比，百合株高、莖粗、葉面積在 LT + WW分別下降了24.69 %、9.90 %、3.38 %，在NT + WS分別下降了8.03 %、9.9 %、1.13 %，在LT + WS分別下降了41.31 %、17.82 %、48.31 %。CK百合生長(zhǎng)狀況優(yōu)于其他組，可見(jiàn)亞低溫和干旱脅迫對(duì)百合的生長(zhǎng)均有抑制作用，且交互脅迫抑制作用更強(qiáng)。NT + WS的株高、葉面積均高于LT + WW，反映了干旱脅迫對(duì)百合生長(zhǎng)的影響小于亞低溫脅迫。葉片長(zhǎng)寬比表現(xiàn)為L(zhǎng)T + WS ＞ LT + WW ＞ CK ＞NT + WS，即從CK到單一脅迫、復(fù)合脅迫，長(zhǎng)寬比依次遞增。亞低溫干旱處理的長(zhǎng)寬比顯著大于其他3組（P＜ 0.05），葉片形態(tài)明顯狹長(zhǎng)，葉面積更小。

表 2 亞低溫、干旱處理對(duì)百合植株生長(zhǎng)和葉片形態(tài)的影響Table 2 The effects of sub-low temperature and drought on growth and leaf morphology of lily

由表3可知，CK和NT + WS的葉生物量和根生物量大于其他2組，而鱗莖生物量小于其他2組。因此，CK和NT + WS消耗的鱗莖干物質(zhì)最多，葉和根的生長(zhǎng)也是最大的。 LT + WS處理下根冠比最低，是CK的1.81倍。低溫處理的根冠比更大。由此可見(jiàn)，復(fù)合脅迫促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)成分向根系轉(zhuǎn)移。低溫比干旱對(duì)植物地上部分的抑制作用更嚴(yán)重。

表 3 亞低溫、干旱處理對(duì)百合植株生物量分配的影響Table 3 The effects of sub-low temperature and drought on biomass distribution of lily

由表4可知，水分、溫度及其交互作用對(duì)葉寬的影響均達(dá)到顯著水平（P＜ 0.05）。溫度處理對(duì)株高、葉寬、長(zhǎng)寬比、根冠比都有顯著影響（P＜ 0.05），而水分處理只對(duì)葉寬有顯著影響，對(duì)株高、長(zhǎng)寬比、生物量、根冠比未產(chǎn)生顯著影響。水分和溫度的交互作用對(duì)葉片長(zhǎng)寬比的影響達(dá)到顯著水平（P＜ 0.05）。

表 4 百合幼苗株高、葉片形態(tài)和生物量的雙因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA of plant height, leaf morphology and biomass in lily seedlings

2.3 亞低溫和干旱脅迫下百合葉片解剖結(jié)構(gòu)的變化

從圖3和表5可以看出，處理30 d，亞低溫（LT + WS）處理中百合葉片厚度為157 μm左右，海綿組織厚度大約為102 μm，柵欄組織的厚度為52 μm，柵海比為0.51，是數(shù)值最低的處理。在2種單一脅迫的環(huán)境中，LT + WW和NT +WS海綿組織的厚度較CK分別增加了15.72 %和17.06 %，而柵欄組織的厚度分別增加了18.84 %和19.34 %。亞低溫干旱復(fù)合處理的柵欄組織細(xì)胞相互融合而變粗，長(zhǎng)度縮短，排列不整齊，細(xì)胞間隙增寬。

表 5 亞低溫和干旱處理30d百合葉片的解剖結(jié)構(gòu)Table 5 Leaf anatomical structure of lily at 30d under sub-low temperature and drought

圖 3 亞低溫和干旱處理下百合葉片解剖結(jié)構(gòu)Fig. 3 Leaf anatomical structure under sub-low temperature and drought of lily

由表6可知，干旱脅迫下海綿組織厚度與葉片厚度呈極顯著正偏相關(guān)（P＜ 0.01），亞低溫脅迫下柵欄組織、海綿組織厚度與柵海比呈顯著正偏相關(guān)（P＜ 0.01）和顯著負(fù)偏相關(guān)（P＜ 0.05）。綜合簡(jiǎn)單相關(guān)和偏相關(guān)結(jié)果，在干旱和亞低溫脅迫條件下，組織結(jié)構(gòu)緊密度和組織結(jié)構(gòu)疏松度均與柵海比呈顯著正相關(guān)、負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

表 6 亞低溫和干旱處理下百合解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 6 Pearson correlation coefficients between anatomical structure indexes of lily under sub-low temperature and drought

2.4 不同生長(zhǎng)指標(biāo)和葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)之間主成分分析

對(duì)百合亞低溫和干旱脅迫下的18個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1的2個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到 89.326 %。由表7可知，第1主成分（PC1）中得分排名前3的指標(biāo)分別是根生物量、株高和葉生物量，主要反映了生長(zhǎng)特征，方差貢獻(xiàn)率為51.076 %；第2主成分（PC2）中得分排名前3的指標(biāo)分別是柵欄組織厚度、海綿組織厚度和柵海比，反映了解剖結(jié)構(gòu)，方差貢獻(xiàn)率為38.250 %。由表8可知，百合各處理下的綜合得分分別為37.136、6.861、48.078、-92.075。

表 7 亞低溫和干旱處理下百合生長(zhǎng)指標(biāo)和葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)的主成分分析Table 7 Principal component analysis of growth and leaf anatomical structure indexes of lily under sub-low temperature and drought

表 8 各處理的主成分綜合得分及排序結(jié)果Table 8 Principal components comprehensive scores and ranking of each treatment

3 結(jié)論和討論

逆境環(huán)境（低溫、干旱等）對(duì)百合的植株高度、莖粗、葉面積等指標(biāo)具有負(fù)面影響[22]。Correia等[23]和Pandey等[24]的研究表明，復(fù)合脅迫對(duì)植物的影響可能不是單一脅迫的總和，而是兩種脅迫因子的協(xié)同或頡抗作用。本研究發(fā)現(xiàn)，4種脅迫處理下百合的形態(tài)特征存在顯著差異，CK的株高、莖粗顯著大于其他3組，這說(shuō)明亞低溫和干旱脅迫降低了百合的生長(zhǎng)速度。生長(zhǎng)后期干旱處理的株高生長(zhǎng)速率顯著高于CK，說(shuō)明輕度干旱脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響較小，這與張敏[25]等的研究結(jié)果是一致的。在葉片形態(tài)方面，黃璇[26]和張曦[27]的研究指出，低溫和干旱處理會(huì)使植物葉片的長(zhǎng)寬比下降，而本研究則發(fā)現(xiàn)，與其他三組相比，亞低溫和干旱復(fù)合處理的長(zhǎng)寬比與CK相比顯著增大。雙因素方差分析表明，亞低溫和干旱及其交互作用顯著影響了百合葉片的葉寬，對(duì)葉長(zhǎng)的影響則不顯著。

植物干物質(zhì)分配被認(rèn)為是植物適應(yīng)逆境脅迫的重要策略之一[28]。CK和干旱處理的葉、根生物量大于其他組，而鱗莖生物量小于其他兩組，反映出百合在苗期通過(guò)消耗鱗莖干物質(zhì)以保證地上部分生長(zhǎng)[29]，外界脅迫越小，這種生長(zhǎng)特性越明顯。本試驗(yàn)中，亞低溫和干旱脅迫下百合的根冠比存在不同程度的下降，這表現(xiàn)了植物通過(guò)增加根系降低地上部分干物質(zhì)以適應(yīng)干旱和低溫[30-31]。雙因素方差分析表明，亞低溫顯著影響了百合的根冠比，干旱的影響則不顯著。與單一脅迫相比，復(fù)合脅迫處理根冠比下降最多，說(shuō)明共同脅迫對(duì)百合的生長(zhǎng)抑制更嚴(yán)重。

葉片結(jié)構(gòu)變化對(duì)外界環(huán)境的反應(yīng)是最早且最為敏感的[32]。光合能力與葉片解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，葉片柵欄組織厚度的增加，能夠提高植物對(duì)光能的利用效率[33]。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低溫和干旱單一脅迫處理導(dǎo)致百合葉片柵欄組織和海綿組織增厚，葉片厚度也變厚。相關(guān)性分析表明，干旱脅迫下海綿組織厚度與葉片厚度呈極顯著正偏相關(guān)，亞低溫脅迫下柵欄組織厚度和海綿組織厚度與葉片厚度呈顯著正相關(guān)。單一脅迫下葉片厚度和柵欄組織厚度增加能使葉片更高效地運(yùn)輸水分，緊密的上表皮細(xì)胞也有利于防止水分的過(guò)度蒸騰[34]。當(dāng)亞低溫和干旱脅迫共同作用于百合植株時(shí)，柵欄組織和海綿組織變薄，葉片厚度也變薄，其原因可能是亞低溫和干旱脅迫下植株水分代謝受到影響，水勢(shì)降低，細(xì)胞生長(zhǎng)分裂受阻，葉片生長(zhǎng)受限。該結(jié)果與孫三杰等[35]在亞低溫和干旱條件下番茄幼苗葉片解剖結(jié)構(gòu)變化研究結(jié)果基本一致。單一脅迫和復(fù)合脅迫下葉片解剖結(jié)構(gòu)存在差異，這說(shuō)明亞低溫和干旱脅迫下百合采取的不完全是被動(dòng)適應(yīng)，而是增強(qiáng)適應(yīng)能力[36]。

綜合生長(zhǎng)形態(tài)和葉片解剖指標(biāo)，亞低溫和干旱環(huán)境都會(huì)對(duì)百合的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，由于處理強(qiáng)度不同，對(duì)百合的抑制有差別。根據(jù)主成分分析可知，亞低溫和干旱脅迫下，生長(zhǎng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率更大。4種處理下百合的綜合得分由大到小依次為NT + WS ＞ CK ＞ LT + WW ＞ LT + WS。因此，百合在輕度干旱脅迫下可以通過(guò)減少地上生物量，抑制蒸騰作用等保護(hù)自身免遭干旱脅迫的傷害[37-38]，而7/12 ℃的亞低溫和亞低溫干旱交互處理會(huì)明顯抑制百合的生長(zhǎng)，改變百合葉片的解剖結(jié)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可通過(guò)觀察百合長(zhǎng)勢(shì)，了解植株是否存在亞低溫和干旱脅迫，并采取相應(yīng)對(duì)策滿足植物對(duì)溫度和水分的需求，減少經(jīng)濟(jì)損失。