干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛成熟苗生理生化的影響

唐 慶，黃 欣，秦 波，李 冰，林 茂

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002）

【研究意義】干旱是影響植物生理生態(tài)特性及生長(zhǎng)發(fā)育過程的重要因子，也是制約花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全球性問題。近年來，在全球變暖的氣候背景下，極端天氣所造成的氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā)，干旱受災(zāi)區(qū)域逐漸由我國(guó)北部地區(qū)向南部地區(qū)蔓延。因此，如何提高植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)性一直以來都是花卉專家研究的熱點(diǎn)之一。干旱是限制桂葉山牽牛推廣應(yīng)用的逆境因素，由于這些地區(qū)水資源匱乏，限制了以灌溉途徑提高推廣面積［1-2］?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】大量研究表明，干旱脅迫對(duì)植物體內(nèi)水分的虧缺，導(dǎo)致植株矮小，葉片加速衰老和萎蔫等［3-4］。光合日變化特征是作物光合在一天中對(duì)特定環(huán)境作出的動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)［5-6］，抗旱是通過維持較低的蒸騰速率來減少水分的缺失［7］，適宜水分虧缺有利于提高水分利用效率［8］。在一定干旱脅迫下，葉綠體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的變化［9］。桂葉山牽牛植物屬于速生藤本，適宜在邊坡綠化、礦山修復(fù)等地種植，這不僅可以可以美化環(huán)境，提高綠地覆蓋率，具有較好的景觀效果；其次，邊坡綠化可以涵養(yǎng)水源，在一定程度上預(yù)防和減少水土流失、滑坡等現(xiàn)象的發(fā)生［10］。但是邊坡、礦山等地，地勢(shì)險(xiǎn)惡，土壤殘留量少，嚴(yán)重缺水，直接影響植物的生長(zhǎng)，因此研究桂葉山牽牛藤本植物具有生產(chǎn)指導(dǎo)實(shí)踐意義。目前，桂葉山牽牛成熟苗對(duì)干旱脅迫的生理生化及葉綠體超微結(jié)構(gòu)等這方面的研究尚未見報(bào)道，但有遮蔭對(duì)大花山牽牛和桂葉老鴉嘴生長(zhǎng)及葉片組織結(jié)構(gòu)影響的相關(guān)報(bào)道。【本研究切入點(diǎn)】本研究選擇桂葉山牽牛成熟苗為研究對(duì)象，采用盆栽控水法，以探討干旱對(duì)桂葉山牽牛成熟苗的生理生化的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過比較桂葉山牽牛在不同干旱脅迫條件下的形態(tài)、光合參數(shù)和葉綠體超微結(jié)構(gòu)，了解桂葉山牽牛對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制，為其抗旱栽培提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院園林花卉研究所（108°21′E，22°56′N），屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫20～21 ℃，≥10 ℃的年積溫7 206 ℃，一般年份有2～4 d 輕霜，年均降水量1 350 mm，5—9 月為雨季、月降雨量在100 mm 以上，10 月至翌年4 月雨量較少、月降雨量在80 mm 以下［11］。

供試材料為桂葉山牽牛成熟苗，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致、具有8～10 對(duì)葉片，根系發(fā)達(dá)、無病蟲害、株高190～200 cm 的優(yōu)良植株。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2020 年7 月10 日至2020 年8 月10日在廣西林科院園林花卉所基地進(jìn)行，采用高透光遮雨棚下盆栽試驗(yàn)。脅迫前將試驗(yàn)苗充分澆透水肥，使土壤含水量及營(yíng)養(yǎng)基本保持一致，待土壤自然干后，進(jìn)行干旱脅迫處理。參照Hsiao［12］的方法，試驗(yàn)設(shè)正常供水（CK）、中度干旱（MD）和重度干旱（SD）3 個(gè)水分處理，即土壤含水量分別控制在田間持水量的70（± 5）%、50（± 5）%和35（± 5）%。于每天早上8:00、中午12:00、下午18:00 這3 個(gè)時(shí)間段用WET-2 土壤水分溫度電導(dǎo)率速測(cè)儀測(cè)土壤含水量，水分不足時(shí)用有刻度的燒杯進(jìn)行補(bǔ)水，并記錄加水量。處理30 d 后，分別測(cè)定形態(tài)指標(biāo)、光合指標(biāo)并觀察葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo) 脅迫前2020 年7 月10 日、脅迫后8 月10 日分別測(cè)定株高、地徑、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)和葉寬、根系生物量（干鮮重）和地上部分生物量（干鮮重）等指標(biāo)。

株高、葉長(zhǎng)和葉寬：將試驗(yàn)植株水平放置，用卷尺測(cè)定株高（植株從基部至生長(zhǎng)點(diǎn)）、葉長(zhǎng)（從葉尖至葉柄）、葉寬（選取葉片最寬的位置測(cè)定）。

地徑：用電子游標(biāo)卡尺，輕輕卡住植株基部，測(cè)定地徑值。

根冠比：將不同干旱脅迫處理的桂葉山牽牛成熟苗從盆中取出，用流水沖洗干凈，將地上部分與地下部分分開，晾干并稱重，用錫箔紙包好，放入烘箱，120 ℃烘48 h 至恒重，再分別稱地上部和地下部分的干重。

根冠比＝地下部重量／地上部重量

1.3.2 光合特性指標(biāo) 2020 年7 月10 日至8 月10 日，在天氣晴朗的條件下連續(xù)測(cè)定。測(cè)定時(shí)間為9:00～19:00，每隔1 h 測(cè)定1 次，每個(gè)處理測(cè)定3 盆，每盆測(cè)定3～5 片成熟葉，用Li-6400xt 便攜式光合儀（Li-COR USA）測(cè)定葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、細(xì)胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）等生理指標(biāo)，同時(shí)記錄氣溫（Tair）、葉溫（Tleaf）及空氣相對(duì)濕度（RH）等參數(shù)。

1.3.3 葉片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)觀察 2020 年8 月10日以測(cè)定光合特性的葉片為材料，按要求截取葉片樣品大小為2 mm×2 mm，置于2.5%戊二醛中固定過夜，用0.1 mol/L 磷酸漂洗液漂洗3 次，每次15 min，將樣品放入1%鋨酸4 ℃冰箱中固定2 h；然后在0～4 ℃用50%、70%和90%乙醇逐級(jí)脫水，每次脫水時(shí)間15 min，再用100%乙醇和100%環(huán)氧丙烷分別脫水5 min，3 次重復(fù)；用環(huán)氧丙烷+包埋液（2∶1）包埋2 h，再用環(huán)氧丙烷+包埋液（1∶2）包埋3 h，純包埋液浸泡過夜，最后用純包埋液在室溫浸泡3～4 h。將樣品塊置于包埋模板內(nèi)，加入純包埋劑后放恒溫烘箱內(nèi)聚合，37 ℃ 12 h，45 ℃12 h，60 ℃48 h，半?。? um）定位及超薄切片機(jī)切片（70 nm），3%醋酸鈾-枸櫞酸鉛雙染色，透射電鏡觀察，拍片。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用Microsoft Office Excel 進(jìn)行整理與作圖，并進(jìn)行均值和方差分析。不同干旱脅迫桂葉山牽牛形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)等采用DPS 7.05軟件進(jìn)行單因素方差分析（one-Way ANOVA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛生物量及氣孔的影響

由表1 可知，桂葉山牽牛株高和葉片數(shù)隨著不同干旱脅迫程度而變化，差異顯著；MD 處理地徑、葉長(zhǎng)和葉寬與CK 差異不顯著，而SD 處理與CK 差異顯著；MD、SD 處理根系生物量（干重）、地上部分生物量（干重）、冠根比與CK差異顯著，MD 與SD 處理間差異不顯著，說明桂葉山牽牛成熟苗對(duì)不同干旱脅迫的生理調(diào)控機(jī)制，在形態(tài)上表現(xiàn)為桂葉山、牽牛成熟苗受到的干旱脅迫程度越大，生長(zhǎng)受到的抑制就越嚴(yán)重。干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛成熟苗造成一定的影響，尤其是MD、SD 處理，地上部分株高、地徑、葉片數(shù)和葉長(zhǎng)寬顯著降低，根冠比差異不顯著，表明桂葉山牽牛成熟苗通過不同生長(zhǎng)器官的結(jié)構(gòu)資源分配比例保證自身的生長(zhǎng)。桂葉山牽牛干旱脅迫前的生長(zhǎng)量與脅迫后的生長(zhǎng)量有顯著差異，CK株高增長(zhǎng)15.33 cm，而MD、SD 處理株高分別下降21.43、68.70 cm；地徑在正常供水（CK）和中度干旱（MD）脅迫下分別增加0.94、0.51 mm，而重度干旱（SD）的地徑下降0.30 mm，說明在重度干旱脅迫下桂葉山牽牛地徑的生長(zhǎng)受到一定的抑制；CK 桂葉山牽牛葉片數(shù)增加10 片，而MD、SD 處理的葉片數(shù)分別減少19 片和47 片，說明葉片是植物進(jìn)行物質(zhì)、能量及水氣交換的主要器官，對(duì)環(huán)境變化敏感、可塑性強(qiáng)，能夠影響植物的行為和功能。桂葉山牽牛干旱脅迫后的葉片大小均下降，這可能跟植物本身的生長(zhǎng)有關(guān)，盆栽試驗(yàn)的基質(zhì)以及營(yíng)養(yǎng)不足，導(dǎo)致葉片的營(yíng)養(yǎng)不足；干旱脅迫后根冠比增加，說明地下部分在增加，而地上部分減少。

表1 桂葉山牽牛脅迫前后的相關(guān)生長(zhǎng)量指標(biāo)Table 1 Growth indicators of Thunbergia laurifolia before and after stress

2.2 干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛的氣體交換參數(shù)日變化的影響

由表2 可知，隨著干旱程度的增加，桂葉山牽牛葉片瞬時(shí)凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率顯著降低，水分利用效率增加，氣孔限制值無顯著變化。其中，與對(duì)照相比，MD、SD 處理的凈光合速率分別下降2.22、2.87 μmol/m2·s，蒸騰速率分別下降5.14、5.83 mmol/m2·s，水分利用效率分別增加0.41、0.29 μmol/mmol。

表2 干旱脅迫下葉片瞬時(shí)氣體交換參數(shù)變化Table 2 Changes of instantaneous gas exchange parameters of leaves under drought stress

桂葉山牽牛凈光合速率的日變化如圖1A 所示，CK、MD 和SD 處理均存在光合“午休”現(xiàn)象，其中CK 的日變化為三峰曲線；MD 處理日變化為雙峰曲線，第1、2 峰值出現(xiàn)在12:00 與14:00，以13:00 左右的凈光合速率值最低；SD 處理的日變化不顯著。綜合分析，桂葉山牽牛凈光合速率以CK 顯著高于MD、SD 處理，依次為CK ＞MD＞SD，說明其凈光合速率隨著水分的降低而降低。

桂葉山牽牛蒸騰速率的日變化如圖1B 所示，CK 為三峰曲線，而MD、SD 處理的日變化均為雙峰曲線，在9:00 的蒸騰速率較低，之后隨著光合有效輻射的增加，氣孔導(dǎo)度的擴(kuò)張導(dǎo)致蒸騰速率增加，在13:00 和16:00 左右均出現(xiàn)雙峰。綜合分析，桂葉山牽牛的蒸騰速率以CK 顯著高于MD、SD 處理，依次為CK ＞MD ＞SD。

由圖1C 可知，桂葉山牽牛胞間CO2濃度日變化受到大氣中CO2濃度和氣孔導(dǎo)度的影響，CK和MD 處理的胞間CO2濃度在13:00 最低，而SD處理胞間CO2濃度在13：00 增加；CK 在9:00 和19:00 顯著高于其他時(shí)間段，而在18:00 下降，這可能是受到外界因素影響所致。

圖1D 顯示，不同干旱脅迫下桂葉山牽牛氣孔導(dǎo)度依次為CK ＞MD ＞SD，其中CK 的桂葉山牽牛氣孔導(dǎo)度日變化為三峰曲線，峰值出現(xiàn)在10：00、12：00 和14:00 左右；MD 處理出現(xiàn)明顯的雙峰；而SD 處理的氣孔導(dǎo)度變化不大，與凈光合速率呈正相關(guān)關(guān)系。

圖1 不同干旱脅迫桂葉山牽牛氣體交換參數(shù)日變化Fig.1 Diurnal variationof gas exchange parameters of Thunbergia laurifolia under different drought stress

2.3 桂葉山牽牛氣孔限制值和水分利用率的日變化

不同干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛氣孔限制值的日變化見圖2A，CK 桂葉山牽牛氣孔限制值在13:00呈單峰，而MD、SD 處理桂葉山牽牛氣孔限制值均在13:00 最低。水分利用效率的日變化（圖2B）均呈雙峰曲線，隨著凈光合速率的增加，桂葉山牽牛通過調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉的方式減少水分散失，在13:00 左右均出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象，此時(shí)水分利用效率的值最低，其中CK 的水分利用效率顯著高于MD、SD 處理，依次為CK ＞MD＞SD。

圖2 不同干旱脅迫桂葉山牽牛氣孔限制值和水分利用效率日變化Fig.2 Diurnal variations of stomatal limits and water use efficiency of Thunbergia laurifolia under different drought stress

2.4 干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響

由圖3A、D 可知，不同程度干旱脅迫下，桂葉山牽牛的葉綠體結(jié)構(gòu)均發(fā)生較明顯的變化。其中，CK 的桂葉山牽牛葉片類囊體片層排列整齊，層數(shù)多，淀粉粒多、飽滿、體積大，嗜鋨顆粒少、體積??；MD 處理的類囊體片層排列整齊，層數(shù)多，淀粉粒少、不飽滿、體積小，嗜鋨顆增多、體積增大；SD 處理的類囊體片層排列不整齊，層數(shù)多但不緊密，淀粉粒少、干癟、體積小，嗜鋨顆粒多、體積大。說明MD、SD 處理干旱脅迫嚴(yán)重影響葉綠體結(jié)構(gòu)類囊體結(jié)構(gòu)的排列，淀粉粒的減少、干癟以及內(nèi)含物增加。

圖3 不同干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effects of different drought stress on chloroplast ultrastructure in leaves of Thunbergia laurifolia

3 討論

3.1 干旱對(duì)桂葉山牽牛形態(tài)特征的影響

李穎慧等［13］認(rèn)為隨著干旱脅迫程度的加重，不同籽用西瓜品種間葉片出現(xiàn)萎蔫、變黃、褐化的程度不同；范蘇魯?shù)龋?4］認(rèn)為植物受到干旱脅迫時(shí)最直觀的反應(yīng)就是外部形態(tài)上的變化，干旱通常會(huì)導(dǎo)致植物水分虧缺，延緩或破壞植物的正常生長(zhǎng)。本試驗(yàn)中，干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛成熟苗的生長(zhǎng)造成一定的影響，MD、SD 處理地上部分株高、地徑、葉片數(shù)和葉長(zhǎng)寬顯著降低，根冠比差異不顯著，表明桂葉山牽牛成熟苗通過不同生長(zhǎng)器官的結(jié)構(gòu)資源分配比例保證自身的生長(zhǎng)。因此，桂葉山牽牛成熟苗對(duì)不同干旱脅迫的生理調(diào)控機(jī)制，表現(xiàn)在形態(tài)上便是桂葉山牽牛成熟苗受到的耐旱程度越大，生長(zhǎng)受到的抑制就越嚴(yán)重。

3.2 干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛光合指標(biāo)的影響

蕭自位等［15］認(rèn)為土壤水分含量的變化導(dǎo)致植株葉片光合的變化；崔瑩瑩［16］認(rèn)為不同植物葉片的凈光合速率對(duì)光質(zhì)的響應(yīng)機(jī)理并不完全相同；張志煥等［17］認(rèn)為輕度干旱脅迫時(shí)，光合作用下降的原因是氣孔限制，而在緩慢干旱、中度干旱和重度干旱時(shí)，光合作用下降是非氣孔限制。本研究中，以正常供水（CK）為對(duì)照，隨著水分的減少，桂葉山牽牛凈光合速率和蒸騰速率的日變化均存在下降趨勢(shì)，MD、SD 處理的凈光合速率分別下降2.22、2.87 μmol/m2·s，蒸騰速率分別下降5.14、5.83 mmol/m2·s，說明中度干旱和重度干旱時(shí)光合作用降低的原因由非氣孔限制所導(dǎo)致，同時(shí)也這表明當(dāng)水分嚴(yán)重虧缺時(shí)，桂葉山牽牛光合機(jī)構(gòu)受嚴(yán)重?fù)p害以致電子傳遞速率降低，與段娜等的［18］研究結(jié)果一致，即桂葉山牽牛成熟苗通過降低光合作用來提高抗旱能力。

3.3 干旱脅迫對(duì)桂葉山牽牛水分利用的影響

鄧沛怡等［19］認(rèn)為水分利用效率（WUE）是植物抗旱性的重要指標(biāo)，干旱脅迫有利于提高植物的水分利用效率；何平如等［20］認(rèn)為土壤水分下限過高，棉花單株有效鈴數(shù)降低，產(chǎn)量增加不再明顯，水分利用效率較低；郭賢仕等［21］、劉凱強(qiáng)等［22］認(rèn)為干旱能引起植物的水分利用效率增加并不是耗水絕對(duì)量的減少，而是干旱鍛煉增強(qiáng)了葉片的同化功能，其同化能力超過蒸騰速率的增加。本研究中，MD、SD 處理的水分利用率較高，分別為0.89、0.77 μmol/mmol，說明MD處理桂葉山牽牛水分利用效率較高，僅限于在一定的范圍內(nèi)能恢復(fù)植物受損的細(xì)胞，否則植物因光系統(tǒng)的損傷會(huì)導(dǎo)致植物凈光合速率處于較低水平，這與黃剛等的［23］研究結(jié)果一致，即桂葉山牽牛成熟苗通過提高水分利用效率來抵御抗旱。

4 結(jié)論

桂葉山牽牛成熟苗會(huì)通過降低光合作用、關(guān)閉氣孔及提高水分利用效率等方式來應(yīng)對(duì)環(huán)境惡劣的干旱條件。桂葉山牽牛在正常供水（CK）條件下長(zhǎng)勢(shì)較好，葉綠體結(jié)構(gòu)排列整齊，中度干旱（MD）脅迫下葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，而重度干旱（SD）脅迫下雖然葉綠體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，但是成熟苗未見有死亡，說明干旱脅迫處理桂葉山牽牛成熟苗的耐旱性較強(qiáng)，能夠在園林中應(yīng)用。