植物生長(zhǎng)延緩劑對(duì)花棒葉片生理生化特征調(diào)控作用的研究

李婉嬌，馮 靜，鐘鑫鑫，任懷新，姜文嬌

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010052；2.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010；3.正藍(lán)旗水利事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 027200)

花棒(Hedysarum scoparium)為豆科(Leguminosae)巖黃耆屬(Hedysarum)落葉灌木，廣泛分布于內(nèi)蒙古西部地區(qū)。因其具有較強(qiáng)的抗風(fēng)蝕能力，常被用于營(yíng)建防護(hù)林?；ò粼诮ㄖ?～3 a后冠幅可達(dá)2～3 m，其高大的冠幅需大量水分供給來(lái)維持健康生長(zhǎng)[1]。在干旱半干旱地區(qū)惡劣的自然環(huán)境中，水分條件的虧缺成為該地區(qū)植物生長(zhǎng)和恢復(fù)的主要限制因子?；ò敉ㄟ^(guò)提高葉片保水力和降低葉片相對(duì)含水量使體內(nèi)水分達(dá)到平衡，通過(guò)積累脯氨酸、可溶性糖等物質(zhì)進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)以維持細(xì)胞膨壓，通過(guò)增加葉綠素A的比重以提高光能利用率等來(lái)抵抗干旱脅迫[2]。一般來(lái)說(shuō)，植物自身的調(diào)控是一個(gè)漫長(zhǎng)的生態(tài)過(guò)程。因此，如何通過(guò)人工調(diào)控進(jìn)而有效、快速地使植物更好地適應(yīng)惡劣環(huán)境，對(duì)保護(hù)沙區(qū)沙生植物資源具有現(xiàn)實(shí)意義。

在干旱脅迫下，植物細(xì)胞常處于水分虧缺狀態(tài)，植物體內(nèi)的氧代謝出現(xiàn)失調(diào)現(xiàn)象，導(dǎo)致OH-、H2O2和蛋白質(zhì)等含量快速增加，同時(shí)植物體內(nèi)的葉綠素含量減少。但植物生長(zhǎng)延緩劑能夠有效增加葉綠素含量來(lái)提高光合作用能力，同時(shí)使植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及抗氧化物酶活性的增加，有利于延緩膜脂過(guò)氧化和維持較高的保水能力，使得植物具有較強(qiáng)的抗逆生長(zhǎng)能力，更好地適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境的干旱脅迫[3]。多效唑和矮壯素(PP333、CCC)與其他植物生長(zhǎng)延緩劑相比，施用方式更靈活，水溶性較好，同時(shí)在土壤中殘留量少，對(duì)植物次年生長(zhǎng)不產(chǎn)生藥害反應(yīng)。多效唑和矮壯素提高植物抗旱性的研究已有較多報(bào)道。在干旱脅迫下，施加多效唑可顯著提高毛竹實(shí)生苗葉片相對(duì)含水量、脯氨酸含量及氧化酶活性，顯著降低MDA含量。范志霞等[3]發(fā)現(xiàn)通過(guò)施加多效唑可減緩可溶性蛋白含量的減少、增加可溶性糖的含量以減緩葉片相對(duì)含水量的下降進(jìn)而增強(qiáng)葉片保水力，同時(shí)增加葉綠素的含量以提高光合作用進(jìn)而增強(qiáng)紫穗槐的抗旱性。張馨馨[4]發(fā)現(xiàn)，外援施用多效唑可提高干旱脅迫下多年生黑麥草的可溶性糖含量和葉片含水量?？梢?jiàn)，PP333、CCC可以通過(guò)調(diào)控植物的生理生化特性來(lái)有效保護(hù)植物免受干旱脅迫，從而有效提高其耐旱性。

有關(guān)植物延緩劑對(duì)沙生植物抗旱性生理機(jī)理影響的相關(guān)研究罕見(jiàn)報(bào)道，基于此，本研究以荒漠區(qū)典型固沙植被(花棒)為研究對(duì)象，選用多效唑和矮壯素(PP333、CCC、PP333+粘著劑)作為主要施用藥劑，在多因素(施藥方式、施藥濃度、施藥頻次)作用下對(duì)其進(jìn)行人工調(diào)控，采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，測(cè)定花棒的生理特征及光合作用等指標(biāo)，探究植物生長(zhǎng)延緩劑對(duì)花棒的生理調(diào)控效應(yīng)。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)篩選出人工調(diào)控植物適應(yīng)環(huán)境脅迫的最佳施藥方案，為提高花棒在荒漠地區(qū)的生存能力進(jìn)而更好地發(fā)揮固沙作用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善左旗吉蘭泰鎮(zhèn)北部5 km的鹽湖，地理坐標(biāo)為39°38′～39°49′N，105°35′～105°46′E，該試驗(yàn)區(qū)為典型的溫帶大陸性干旱氣候，具有夏季酷熱冬季嚴(yán)寒、自然降雨量稀少、風(fēng)大沙多等氣候特征。極端最低氣溫為-31.2 ℃，極端最高氣溫為40.9 ℃，年均氣溫為8.6 ℃；年均降水量為117.1 mm，年均潛在蒸發(fā)量為3 006 mm，降水多集中在7—8月，占全年降水量的83%；常見(jiàn)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，平均風(fēng)速為3.5 m/s[11]。土壤為風(fēng)沙土，呈堿性(pH值8.9)[12-13]。植物主要以耐干旱、耐鹽堿的沙生植物為主，具體包括：花棒(Hedysarum scoparium)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、白刺(Nitraria tangutorum)、沙拐棗(Calligonum mongolicum)等[14]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2019年3月中旬進(jìn)行苗木栽植工作，苗木培育種植采用水沖打穴法，選取長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良、大小均一的1年生花棒苗木，種植規(guī)格為1 m×2 m，共種植100株。試驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)因素，每個(gè)因素下選取了3個(gè)水平條件：施藥方式(葉噴、根施、葉噴+根施)、施藥次數(shù)(進(jìn)行1次施藥2019-05-07、進(jìn)行2次施藥2019-05-07+2019-05-27、進(jìn)行3次施藥2019-05-07+2019-05-27+2019-06-17)、施藥類型(多效唑、矮壯素、多效唑+粘著劑)和施藥濃度(450 mg/L、600 mg/L和750 mg/L)。試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取9種組合處理進(jìn)行人工調(diào)控實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表1)，并以蒸餾水作為對(duì)照組(CK)，每個(gè)處理重復(fù)3次。施藥量分別為葉噴250 mL、灌根250 mL、葉噴100 mL+根施150 mL。在施藥前(2019-05-05)對(duì)花棒苗木生理指標(biāo)基底值進(jìn)行測(cè)定；待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后在生長(zhǎng)末期(2019-09-01)再次測(cè)定其生理指標(biāo)。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

于2019-09-01在每一種處理方式下選擇5叢植株，在植株E、W、S、N 4個(gè)方向的上、中、下3個(gè)位置分別選取3枝生長(zhǎng)健壯、無(wú)病蟲害的枝條，每枝摘取5片成熟葉片，進(jìn)行樣品標(biāo)記和迅速冷藏等處理，再帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。超氧化物歧化酶活性(SOD)采用氮藍(lán)四唑法；丙二醛含量(MDA)和可溶性糖含量(Ss)測(cè)定采用硫代巴比妥酸法；游離脯氨酸含量(Pro)測(cè)定采用酸性茚三酮法；葉綠素含量(ChL)測(cè)定采用浸提法；用LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(美國(guó)LICOR公司)于晴天上午10：00測(cè)定葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

本文所用數(shù)據(jù)均為各指標(biāo)增長(zhǎng)量，即生長(zhǎng)末期指標(biāo)測(cè)定值與施藥前測(cè)定生長(zhǎng)基底值的差值。

Mi=MXi-MYi

(1)

Ki=Mi-CKi

(2)

式中：

Mi——i指標(biāo)生長(zhǎng)期的增長(zhǎng)量；

Ki——i指標(biāo)施藥后相對(duì)增長(zhǎng)量(與對(duì)照組相比)。

MXi——i指標(biāo)人工調(diào)控處理后2019-09生長(zhǎng)末期指標(biāo)測(cè)定值；

MYi——i指標(biāo)2019-05施藥前期指標(biāo)基底值；

CKi——i指標(biāo)對(duì)照組的指標(biāo)值。

采用Excel 2010對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，Origin 2018軟件作圖，SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和主成分分析，不同處理間采用Duncan法進(jìn)行多重比較 (α=0.05)。文中k值表示任一列上水平號(hào)為i時(shí)，所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和；R表示極差，在任一列上R=Max(ka)-Min(kb)；P表示各因素0.05水平下顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)控方式對(duì)花棒抗性生理的影響

9種施藥方式對(duì)花棒葉片的超氧化物歧化酶活性(SOD活性)均有促進(jìn)作用(見(jiàn)圖1a)，T8處理下，SOD活性的相對(duì)增長(zhǎng)量達(dá)到最大值，為676.62 U/g，較對(duì)照組增加了5.01倍；方差分析結(jié)果表明，在施藥方式(A)下，Ak3水平下SOD活性的相對(duì)增長(zhǎng)量最大，為552.70 U/g；在施藥類型(C)條件下Ck1水平下SOD活性相對(duì)增長(zhǎng)量最大，為532.53 U/g(見(jiàn)圖1b)。

a

由圖2a可知，T1～T9處理均能抑制花棒葉片中丙二醛含量(MDA含量)。與對(duì)照組相比，MDA含量相對(duì)變化量分別為1.36 μmol/L、0.51 μmol/L、1.08 μmol/L、1.37 μmol/L、1.17 μmol/L、1.42 μmol/L、0.99 μmol/L、1.47 μmol/L和1.29 μmol/L；且對(duì)MDA含量相對(duì)變化量的效果為T8>T6>T4>T1>T9>T5>T3>T7>T2。在施藥方式(A)調(diào)控下，Ak2水平下MDA含量相對(duì)變化量最大，為1.23 μmol/L；施藥次數(shù)(B)在各水平間無(wú)顯著差異；在施藥類型(C)調(diào)控下，Ck1水平下MDA含量相對(duì)變化量最大(1.26 μmol/L)；在施藥濃度(D)調(diào)控下，Dk3水平下MDA含量相對(duì)變化量最大(1.26 μmol/L)(見(jiàn)圖2b)。

a

2.2 不同調(diào)控方式對(duì)花棒滲透調(diào)節(jié)能力的影響

9種調(diào)控方式對(duì)花棒可溶性糖含量(Ss含量)均有促進(jìn)增長(zhǎng)作用(見(jiàn)圖3)，Ss含量與同期對(duì)照組相比分別增加了741%、717%、666%、338%、610%、969%、891%、1469%和419%。4種因素(施藥方式A、施藥次數(shù)B、施藥類型C、施藥濃度D)分別在Ak3、Bk3、Ck2和Dk1調(diào)控Ss含量效果最佳。

同時(shí)，花棒葉片游離脯氨酸含量(Pro含量)表現(xiàn)為明顯的抑制作用(見(jiàn)圖4)。與對(duì)照組相比，不同處理下Pro含量變化大小為T8>T6>T7>T1>T2>T5>T3>T9>T4，最大值為16.78 μg/g；最小值為6.32 μg/g。在施藥方式(A)和施藥次數(shù)(B)影響下，各水平間無(wú)顯著差異(p>0.05)；施藥類型(C)最佳調(diào)控水平為Ck1；施藥濃度(D)最佳調(diào)控水平為Dk2。

2.3 不同調(diào)控方式對(duì)花棒葉綠素的影響

不同施藥組合對(duì)花棒葉片葉綠素含量(Chl含量)均有促進(jìn)調(diào)控作用(見(jiàn)圖5)，T1～T9調(diào)控下花棒Chl含量增長(zhǎng)量較對(duì)照組分別增加了4.58 mg/g、3.84 mg/g、6.14 mg/g、1.01 mg/g、1.76 mg/g、2.77 mg/g、2.89 mg/g、3.28 mg/g和2.23 mg/g。

a

2.4 不同調(diào)控方式對(duì)花棒幼苗光合作用及水分利用效率的影響

由圖6a可知，調(diào)控后花棒的凈光合速率的相對(duì)增長(zhǎng)量最大值為T9處理(2.42 μmolCO2/(m2·s))，最小值為T5處理(0.02 μmolCO2/(m2·s))。在不同施藥方式(A)條件下各水平間均存在顯著差異(p<0.05)。不同調(diào)控方式下氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)含量表現(xiàn)一致，T3處理下相對(duì)含量均最高，分別為0.37 mol/(m2·s)、2.83 mmol/(m2·s)和32.06 μmol/mol(見(jiàn)圖6c、圖6e、圖6g)。就施藥方式(A)而言，調(diào)控花棒蒸騰速率和胞間CO2濃度采用葉噴(Ak1)優(yōu)于葉噴+灌根(Ak3)和灌根(Ak2)；施藥濃度(D)在Dk3水平下蒸騰速率和胞間CO2濃度相對(duì)增長(zhǎng)量達(dá)到最大值，分別為1.98 mmol/(m2·s)(見(jiàn)圖6f)和19.98 μmol/mol(見(jiàn)圖6h)。水分利用效率(WUE)相比于對(duì)照組，T1～T9大部分表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)(見(jiàn)圖6i)，但T2(A1B2C2D2)、T6(A2B3C1D2)和T9(A3B3C2D1)處理下水分利用效率的值大于對(duì)照組，且水分利用效率相對(duì)增長(zhǎng)量分別為0.21、0.20、0.65。施藥方式(A)和施藥濃度(D)調(diào)控花棒水分利用效率最優(yōu)水平均為第1水平；而施藥次數(shù)(B)和施藥類型(C)的最優(yōu)水平均為第3水平(見(jiàn)圖6j)。

圖6 9種處理方式對(duì)花棒幼苗光合作用、水分利用效率及k值的影響示意

2.5 不同調(diào)控方式對(duì)花棒生理及光合作用影響的綜合評(píng)價(jià)

利用SPPS 19.0對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，研究結(jié)合考慮特征值、方差貢獻(xiàn)率和碎石圖，選定3個(gè)主成分，第1主成分貢獻(xiàn)率為34.02%，第2主成分貢獻(xiàn)率為23.22%，第3主成分貢獻(xiàn)率為19.95%，三者共解釋了77.19%的原變量(見(jiàn)表3)，且碎石圖前3個(gè)主成分連線較為陡峭(見(jiàn)圖7)，即前3個(gè)主成分對(duì)解釋變量的貢獻(xiàn)最大，因此，提取3個(gè)主成分最合適[16]。

圖7 主成分分析碎石示意

表3 不同調(diào)控處理下各指標(biāo)的主成分分析

由圖8得出，第1主成分(PC1)中SOD活性、Ss含量、葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度負(fù)荷均在0.85以上，解釋了大部分的變異，并且這些指標(biāo)在第1主成分上均呈正向分布，PC1越大，這些指標(biāo)的值越大；Pro含量為逆向指標(biāo)，主成分分析前先將容重進(jìn)行了正向化處理，即PC1越大，Pro含量正向化的值越大，Pro含量值越小，其表現(xiàn)越好。蒸騰速率和分水利用效率在第2主成分(PC2)中占較大的負(fù)荷，位于第2主成分正軸；即在PC2坐標(biāo)上值越大，蒸騰速率和分水利用效率取值越大。凈光合速率在第3主成分(PC3)中占較大的負(fù)荷，位于第3主成分正軸；而MDA含量和胞間CO2濃度在第3主成分負(fù)軸，PC3越大，其正向化值取值越小。T8處理在PC1軸上得分最高，T3處理在PC2軸上得分最高，T9處理在PC3軸上得分最高。

圖8 不同因素處理下花棒各指標(biāo)的主成分分析示意

根據(jù)主成分綜合得分模型，計(jì)算綜合主成分得分值，并將9種處理調(diào)控方式進(jìn)行排序，對(duì)不同處理調(diào)控方式下花棒抗旱能力的累積效應(yīng)做出綜合評(píng)分(見(jiàn)圖9)，主成分綜合得分越高，表明該處理下的花棒對(duì)環(huán)境因子的脅迫反應(yīng)表現(xiàn)越不敏感，即能表現(xiàn)出較好的抗逆性；反之，則表現(xiàn)敏感，抗逆性較差[17]。各處理的綜合主成分順序?yàn)門3>T8>T9>T1>T6>T7>T2>T5>T4，表明在T3時(shí)花棒生理指標(biāo)及光合作用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)最佳，即最佳調(diào)控方式為T3處理(A1B3C3D3)。

圖9 不同調(diào)控處理下的綜合得分示意

3 討論與結(jié)論

利用植物生長(zhǎng)延緩劑可以有效調(diào)控植物的生理特征及光合作用能力，從而提高植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)能力[5]。大多數(shù)研究表明，植物的超氧化物歧化酶活性對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)[6-7]。本研究表明，9種處理在一定程度上均提高了SOD活性，較對(duì)照組增加了235.79～676.62 U/g，保證了花棒葉片細(xì)胞生理代謝的正常進(jìn)行。這與柳延濤[8]、安玉艷[24]等的研究結(jié)果一致。3種植物生長(zhǎng)延緩劑在9種處理下均降低了花棒葉片MDA的含量，且在濃度為750 mg/L的PP333進(jìn)行3次根施處理下效果最好，說(shuō)明此處理下可有效提高花棒抗膜脂過(guò)氧化水平，維持其在逆境條件下膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性[9]，這與李婉嬌[10]研究結(jié)果相同。光合作用是植物體內(nèi)極為重要的代謝過(guò)程，對(duì)水分缺失反應(yīng)十分敏感，植物的抗逆能力與光合作用的強(qiáng)弱更是密切相關(guān)[11、12]。本研究發(fā)現(xiàn)，9種調(diào)控下花棒葉綠素含量顯著大于對(duì)照組，表明9種處理方式均能促進(jìn)花棒幼苗中葉綠素的含量，增強(qiáng)植物的光合作用能力；表明植物生長(zhǎng)延緩劑可顯著改善干旱脅迫下花棒幼苗的光抑制，使葉片的PN加快，GS增加，有助于吸收更多的CO2，以促進(jìn)葉綠素合成、光合同化力增加和碳同化酶活化，使植物在逆境下的光合效率顯著增加。

本研究中主成分綜合得分顯示9種處理對(duì)干旱脅迫的調(diào)控能力表現(xiàn)為T3處理高于其他處理，這與試驗(yàn)中測(cè)定的主要生理生化指標(biāo)變化規(guī)律中反映出的結(jié)果相一致，表明基于主成分分析法對(duì)SOD活性等10個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)植物抗性結(jié)果是可靠的，主成分分析可以適用于植物生長(zhǎng)延緩劑對(duì)花棒調(diào)控抵御干旱脅迫的綜合評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

T1-T9處理方式下對(duì)花棒葉片的超氧化物歧化酶活性(SOD)、可溶性糖含量(Ss)、葉綠素含量(ChL)、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、和胞間CO2濃度(Ci)均有促進(jìn)調(diào)控作用，對(duì)丙二醛含量(MDA)和游離脯氨酸含量(Pro)表現(xiàn)為明顯的抑制作用；9種組合調(diào)控方式中T3處理(A1B3C3D3)對(duì)花棒生理生化調(diào)控最佳，可增強(qiáng)花棒對(duì)干旱逆境的耐受性。