干旱脅迫對菊花‘千紗’光合生理特性影響

武術杰，丁曉雙

(長春大學 園林學院，長春 130022)

菊花為菊科、菊屬多年生宿根草本，在園林中廣泛用于花叢配植、花壇密植、花徑、農業觀光園等，亦用于盆栽租擺、菊花切花中。水資源缺乏影響了城市綠化的發展，發掘、篩選、培育抗旱性強的菊花品種有著重要的意義。菊花品種繁多，有學者針對不同品種菊花進行了干旱脅迫對凈其光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶可溶性蛋白質含量、可溶性糖含量、葉綠素含量、脯氨酸含量等指標的影響研究，結果因品種不同，表現不一，差異大[1-4]。不同品種菊花對干旱脅迫表現出不同的響應機制[5],有關菊花‘千紗’對干旱脅迫的生理響應研究尚未見報道。

本研究以菊花‘千紗’(ChrysanthemummorifoliumRamat.‘Chispa’)為試材，對其進行了不同程度的干旱脅迫，測定其光合指標及抗氧化指標，探討其對干旱脅迫的響應機制，對選育、豐富菊花抗逆品種，為旱區菊花品種的栽培及推廣應用給予指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以菊花‘千紗’(ChrysanthemummorifoliumRamat.‘Chispa’)扦插生根苗為試材，在長春大學園林學院實驗中心進行。

1.2 試驗方法

選取30盆長勢一致的健康植株，進行自然干旱脅迫﹐持續脅迫21d為止。據菊花‘千紗’長勢并結合菊花幼苗耐旱性評價[6]和土壤干旱程度，確定CK組(土壤含水量為65%～75%)、輕度脅迫(土壤含水量為50%～65%)、中度脅迫(土壤含水量為30%～45%)、重度脅迫(土壤含水量在15%～25%)。干旱脅迫開始后,每隔4 d選取中上部3～5片完全展開葉測定指標。Pn、Tr、Gs、Ci等以便攜式光合儀測定；用紫外分光光度計測定葉綠素(Chl)含量；稱重法測定鮮重和葉片相對含水量(RWC)；酸性茚三酮法測定Pro含量；蒽酮-硫酸法測定SS含量；考馬斯亮藍法測定(SP)；氮藍四唑法測定SOD；高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫含量及過氧化氫酶(CAT)活性；愈創木酚顯色法測定過氧化物酶(POD)活性等。3個生物重復，3次技術重復。

1.3 數據處理

數據處理采用 Microsoft Excel 2019，數據分析采用SPSS25。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’光合特性的影響

干旱脅迫對ChrysanthemummorifoliumRamat. ‘Chispa’葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度的影響結果見圖1～4。

圖1 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的Pn變化

圖2 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的Tr變化

圖3 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的Gs變化

圖4 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的Ci變化

由圖1～4可知，隨著干旱脅迫的加劇，其Pn、Tr、Gs、Ci逐漸降低。至中度干旱脅迫下，凈光合速率下降了20.94%、蒸騰速率下降了25.38%、氣孔導度下降了18.83%、胞間CO2濃度下降了23.59%；至重度干旱脅迫下，其凈光合速率下降了62.57%、蒸騰速率下降了44.92%、氣孔導度下降了40.27%、胞間CO2濃度下降了36.42%。

凈光合速率反映植物光合作用積累有機物的程度，氣孔導度下降亦表明氣孔限制是干旱脅迫下凈光合速率下降的原因之一，干旱脅迫下的葉片胞間CO2濃度高低反映了植物光合作用過程中CO2的耗散與積累，其高低也直接影響了光合速率[7-8]。干旱脅迫導致了菊花‘千紗’氣孔導度下降、胞間CO2濃度降低，有機物的積累大大減少，從而導致光合作用降低。對上述指標進行的相關性分析如表1所示。

由表1可見，菊花‘千紗’的Pn與Tr、Ci、Gs均呈顯著正相關(P<0.01)，Tr與Ci、Gs呈顯著正相關(P<0.01)，Ci與Gs呈顯著正相關(P<0.01)。

表1 Pn與Tr、Ci、Gs的相關性分析

2.2 干旱脅迫對Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’Chl含量、相對含水量的影響

干旱脅迫對菊花‘千紗’Chl含量、相對含水量的影響結果如圖5、圖6所示。其Pn與RWC、Chl的相關性見表2。

圖5 干旱脅迫Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的Chl含量變化

圖6 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的RWC變化

表2 Pn與RWC、Chl的相關性分析

由圖5、圖6可知，其Chl、RWC隨干旱脅迫時間的延長而下降。至中度干旱脅迫下，Chl含量下降了41.26%，RWC下降了10.23%；至重度干旱脅迫下，其Chl含量下降了72.03%，RWC下降了17.9%。由此可見，Chl含量下降幅度較大，RWC下降幅度較小。結合表2相關性分析可見，Chl作為衡量葉片光合作用強弱的重要指標之一，其下降導致了光合速率下降，Pn與Chl呈正相關(P<0.01)；RWC雖然下降幅度較小，依然與Pn呈正相關(P<0.01)。葉片RWC是衡量植物抗旱性的重要生理指標，干旱脅迫下其保持較高水平是對干旱適應的表現，變化幅度小，表明植物抗旱能力強。

2.4 干旱脅迫對Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’抗氧化防御指標的影響

干旱脅迫對菊花‘千紗’的過氧化氫含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白質含量、可溶性糖含量、CAT活性、超氧化物歧化酶活性、POD活性的影響結果見圖7～13。

圖7 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的Pro含量變化

圖8 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的CAT含量變化

由圖7可見，其脯氨酸含量隨干旱脅迫的加劇呈逐漸上升的趨勢。至中度干旱脅迫下，其脯氨酸含量上升了22.24%；至重度脅迫下，其脯氨酸含量上升了37.13%。脯氨酸含量的持續增加降低了細胞的滲透式，維持了細胞滲透平衡，使細胞內含水量得以保持，從而提高了植物對逆境的適應能力。

由圖8、圖9可知，隨干旱脅迫加強，過氧化氫含量呈逐漸上升的趨勢。至中度干旱脅迫下，其過氧化氫含量上升了24.5%；至重度脅迫下，其過氧化氫含量上升了35.18%。隨干旱脅迫加強，CAT活性呈先上升后下降的趨勢。至中度干旱度脅迫下，CAT活性上升了42.68%；至重度干旱度脅迫下，CAT活性仍較對照上升了33.9%。過氧化氫含量的上升會導致細胞膜的破壞，而CAT活性的增加可有效解除過氧化氫對細胞的危害。

由圖10～13可知，隨著干旱脅迫加強，其可溶性蛋白質含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性、POD活性均呈先上升后下降的趨勢。至中度干旱度脅迫下，其可溶性蛋白質含量上升了77.46%，可溶性糖含量上升了20.74%；POD活性上升了14.26%，超氧化物歧化酶活性上升了53.11%。隨著干旱脅迫的繼續加劇，其可溶性蛋白質開始下降，但仍較對照含量上升了74.46%，說明干旱脅迫能誘導可溶性蛋白質產生并調節滲透勢，以抵御干旱脅迫對其傷害；其可溶性糖含量上升了17.21%，表明通過可溶性糖含量的積累可增加細胞的膨壓，提高其吸收水分的能力；其過氧化物酶活性上升了9.14%，超氧化物歧化酶活性上升了48.54%。POD活性上升幅度小可能與其作用的部分底物為超氧化物歧化酶作用的產物有關[9]，也表明菊花‘千紗’可通過自身保護酶系統抵御干旱。

圖9 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的CAT活性變化

圖10 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的SP變化

圖11 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的SS含量變化

圖12 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的 POD活性變化

圖13 干旱脅迫下Chrysanthemum morifolium Ramat. ‘Chispa’的SOD變化

3 結論與討論

干旱脅迫影響植物的多種生命活動。植物光合能力因干旱脅迫而降低[10]。本研究結果顯示，在不同干旱脅迫條件下，菊花‘千紗’葉片的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度及蒸騰速率均逐漸下降。氣孔導度下降導致CO2進入葉片細胞內的阻力變大，光合速率降低。從Chl含量和相對含水量指標看，干旱脅迫使Chl分解大于合成，破壞葉綠體的結構，導致葉綠素含量下降，影響植物的光合速率；葉片的相對含水量反映該植物的保水能力與植物的生理狀態[8-11]。本研究中，菊花‘千紗’葉片的Chl含量隨干旱脅迫加強而下降，Pn下降；其葉片相對含水量隨著干旱脅迫加強而逐漸降低，但變化幅度不很大。結合生長狀態可見，菊花‘千紗’對干旱逆境忍耐力較強。作為植物體內滲透調節物質的Pro和SP，在維持植物細胞和組織的水分，調節細胞正常代謝過程中發揮重要作用，亦常作為評價植物耐旱性的重要指標之一。隨著干旱逆境加劇，Pro含量逐漸上升,SOD和POD活性表現為先升后降的趨勢[9]。本研究中，隨干旱脅迫的加劇，脯氨酸含量持續上升，一定范圍內維持了細胞膨壓的穩定。這說明菊花‘千紗’在干旱脅迫下可通過脯氨酸的積累以降低滲透勢來維持其正常生理代謝，對于菊花‘千紗’而言，其脯氨酸含量與其抗旱性呈正相關的關系。正常環境條件下，植物葉片中可溶性蛋白質含量相對穩定；干旱逆境脅迫時，通過SP的合成加快，細胞的滲透勢降低，以適應逆境傷害?？扇苄蕴亲鳛闈B透調節物質是通過增加細胞質濃度來提高保水性，維持細胞膜的穩定性[12]。本研究中，從脅迫開始至中度干旱脅迫下，可溶性蛋白質、可溶性糖含量持續增高，在重度干旱脅迫下，雖其含量有所下降，但仍高于對照組?？赏ㄟ^提高細胞的保水性來提高植物抗旱性。干旱脅迫會造成植物體內活性氧積累，導致膜脂過氧化，使各種酶活性發生變化、細胞代謝紊亂，從而對植物造成傷害[9]。SOD作為植物細胞內第一道抗氧化防線，其活性越高則植物抗性越強，反之越弱。隨干旱脅迫加劇，細胞膜受到了較嚴重的損傷，其活性下降[11]；而植物體則能主動調動抗氧化酶類SOD、CAT和POD等來清除體內過量的過氧化氫和活性氧，以保護細胞膜不受活性氧的破壞[12]。本研究中，干旱脅迫下CAT 活性變化與 SOD 活性變化趨勢相同，均高于對照，至中度干旱脅迫下其活性達最大；隨干旱脅迫加劇，其活性降低，表明CAT 和 SOD有效參與調解代謝。研究亦表明，菊花‘千紗’至重度干旱脅迫下，SOD、CAT和POD依然保持較高活性，表明在一定干旱脅迫范圍內，菊花‘千紗’可通過提高酶活性以提高適應干旱的能力。

綜上所述，干旱脅迫條件下，菊花‘千紗’通過調節自身保護酶系統活性和滲透調節物質含量來維持正常生理代謝；干旱脅迫21d后復水可存活，有較強的抗旱能力。在菊花‘千紗’生產上可參照其對干旱脅迫的生理響應進行合理灌溉，加強養護。