植物生長延緩劑對花棒葉片生理生化特征調控作用的研究

李婉嬌，馮 靜，鐘鑫鑫，任懷新，姜文嬌

(1.內蒙古自治區水利科學研究院，呼和浩特 010052；2.國網內蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010；3.正藍旗水利事業發展中心，內蒙古 錫林郭勒盟 027200)

花棒(Hedysarum scoparium)為豆科(Leguminosae)巖黃耆屬(Hedysarum)落葉灌木，廣泛分布于內蒙古西部地區。因其具有較強的抗風蝕能力，常被用于營建防護林。花棒在建植2～3 a后冠幅可達2～3 m，其高大的冠幅需大量水分供給來維持健康生長[1]。在干旱半干旱地區惡劣的自然環境中，水分條件的虧缺成為該地區植物生長和恢復的主要限制因子。花棒通過提高葉片保水力和降低葉片相對含水量使體內水分達到平衡，通過積累脯氨酸、可溶性糖等物質進行滲透調節以維持細胞膨壓，通過增加葉綠素A的比重以提高光能利用率等來抵抗干旱脅迫[2]。一般來說，植物自身的調控是一個漫長的生態過程。因此，如何通過人工調控進而有效、快速地使植物更好地適應惡劣環境，對保護沙區沙生植物資源具有現實意義。

在干旱脅迫下，植物細胞常處于水分虧缺狀態，植物體內的氧代謝出現失調現象，導致OH-、H2O2和蛋白質等含量快速增加，同時植物體內的葉綠素含量減少。但植物生長延緩劑能夠有效增加葉綠素含量來提高光合作用能力，同時使植物體內滲透調節物質含量及抗氧化物酶活性的增加，有利于延緩膜脂過氧化和維持較高的保水能力，使得植物具有較強的抗逆生長能力，更好地適應生長環境的干旱脅迫[3]。多效唑和矮壯素(PP333、CCC)與其他植物生長延緩劑相比，施用方式更靈活，水溶性較好，同時在土壤中殘留量少，對植物次年生長不產生藥害反應。多效唑和矮壯素提高植物抗旱性的研究已有較多報道。在干旱脅迫下，施加多效唑可顯著提高毛竹實生苗葉片相對含水量、脯氨酸含量及氧化酶活性，顯著降低MDA含量。范志霞等[3]發現通過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含水量的下降進而增強葉片保水力，同時增加葉綠素的含量以提高光合作用進而增強紫穗槐的抗旱性。張馨馨[4]發現，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。可見，PP333、CCC可以通過調控植物的生理生化特性來有效保護植物免受干旱脅迫，從而有效提高其耐旱性。

有關植物延緩劑對沙生植物抗旱性生理機理影響的相關研究罕見報道，基于此，本研究以荒漠區典型固沙植被(花棒)為研究對象，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)作用下對其進行人工調控，采用L9(34)正交試驗設計，測定花棒的生理特征及光合作用等指標，探究植物生長延緩劑對花棒的生理調控效應。通過綜合評價篩選出人工調控植物適應環境脅迫的最佳施藥方案，為提高花棒在荒漠地區的生存能力進而更好地發揮固沙作用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究區位于內蒙古阿拉善左旗吉蘭泰鎮北部5 km的鹽湖，地理坐標為39°38′～39°49′N，105°35′～105°46′E，該試驗區為典型的溫帶大陸性干旱氣候，具有夏季酷熱冬季嚴寒、自然降雨量稀少、風大沙多等氣候特征。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，年均潛在蒸發量為3 006 mm，降水多集中在7—8月，占全年降水量的83%；常見風向為西北風，平均風速為3.5 m/s[11]。土壤為風沙土，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 試驗設計

于2019年3月中旬進行苗木栽植工作，苗木培育種植采用水沖打穴法，選取長勢優良、大小均一的1年生花棒苗木，種植規格為1 m×2 m，共種植100株。試驗設置了4個因素，每個因素下選取了3個水平條件：施藥方式(葉噴、根施、葉噴+根施)、施藥次數(進行1次施藥2019-05-07、進行2次施藥2019-05-07+2019-05-27、進行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)。試驗采用L9(34)正交試驗設計，選取9種組合處理進行人工調控實驗(見表1)，并以蒸餾水作為對照組(CK)，每個處理重復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)對花棒苗木生理指標基底值進行測定；待實驗結束后在生長末期(2019-09-01)再次測定其生理指標。

表1 L9(34)正交試驗設計

1.3 測定指標及方法

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個方向的上、中、下3個位置分別選取3枝生長健壯、無病蟲害的枝條，每枝摘取5片成熟葉片，進行樣品標記和迅速冷藏等處理，再帶回實驗室進行生理指標測定。超氧化物歧化酶活性(SOD)采用氮藍四唑法；丙二醛含量(MDA)和可溶性糖含量(Ss)測定采用硫代巴比妥酸法；游離脯氨酸含量(Pro)測定采用酸性茚三酮法；葉綠素含量(ChL)測定采用浸提法；用LI-6400便攜式光合作用測定系統(美國LICOR公司)于晴天上午10：00測定葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)[15]。

1.4 數據處理及分析方法

本文所用數據均為各指標增長量，即生長末期指標測定值與施藥前測定生長基底值的差值。

Mi=MXi-MYi

(1)

Ki=Mi-CKi

(2)

式中：

Mi——i指標生長期的增長量；

Ki——i指標施藥后相對增長量(與對照組相比)。

MXi——i指標人工調控處理后2019-09生長末期指標測定值；

MYi——i指標2019-05施藥前期指標基底值；

CKi——i指標對照組的指標值。

采用Excel 2010對原始數據進行整理，Origin 2018軟件作圖，SPSS19.0軟件對數據進行單因素方差分析和主成分分析，不同處理間采用Duncan法進行多重比較 (α=0.05)。文中k值表示任一列上水平號為i時，所對應的實驗結果之和；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 結果與分析

2.1 不同調控方式對花棒抗性生理的影響

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

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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)。與對照組相比，MDA含量相對變化量分別為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MDA含量相對變化量的效果為T8>T6>T4>T1>T9>T5>T3>T7>T2。在施藥方式(A)調控下，Ak2水平下MDA含量相對變化量最大，為1.23 μmol/L；施藥次數(B)在各水平間無顯著差異；在施藥類型(C)調控下，Ck1水平下MDA含量相對變化量最大(1.26 μmol/L)；在施藥濃度(D)調控下，Dk3水平下MDA含量相對變化量最大(1.26 μmol/L)(見圖2b)。

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2.2 不同調控方式對花棒滲透調節能力的影響

9種調控方式對花棒可溶性糖含量(Ss含量)均有促進增長作用(見圖3)，Ss含量與同期對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B、施藥類型C、施藥濃度D)分別在Ak3、Bk3、Ck2和Dk1調控Ss含量效果最佳。

同時，花棒葉片游離脯氨酸含量(Pro含量)表現為明顯的抑制作用(見圖4)。與對照組相比，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(B)影響下，各水平間無顯著差異(p>0.05)；施藥類型(C)最佳調控水平為Ck1；施藥濃度(D)最佳調控水平為Dk2。

2.3 不同調控方式對花棒葉綠素的影響

不同施藥組合對花棒葉片葉綠素含量(Chl含量)均有促進調控作用(見圖5)，T1～T9調控下花棒Chl含量增長量較對照組分別增加了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 不同調控方式對花棒幼苗光合作用及水分利用效率的影響

由圖6a可知，調控后花棒的凈光合速率的相對增長量最大值為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)。不同調控方式下氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)含量表現一致，T3處理下相對含量均最高，分別為0.37 mol/(m2·s)、2.83 mmol/(m2·s)和32.06 μmol/mol(見圖6c、圖6e、圖6g)。就施藥方式(A)而言，調控花棒蒸騰速率和胞間CO2濃度采用葉噴(Ak1)優于葉噴+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濃度相對增長量達到最大值，分別為1.98 mmol/(m2·s)(見圖6f)和19.98 μmol/mol(見圖6h)。水分利用效率(WUE)相比于對照組，T1～T9大部分表現出下降的趨勢(見圖6i)，但T2(A1B2C2D2)、T6(A2B3C1D2)和T9(A3B3C2D1)處理下水分利用效率的值大于對照組，且水分利用效率相對增長量分別為0.21、0.20、0.65。施藥方式(A)和施藥濃度(D)調控花棒水分利用效率最優水平均為第1水平；而施藥次數(B)和施藥類型(C)的最優水平均為第3水平(見圖6j)。

圖6 9種處理方式對花棒幼苗光合作用、水分利用效率及k值的影響示意

2.5 不同調控方式對花棒生理及光合作用影響的綜合評價

利用SPPS 19.0對標準數據進行主成分分析，研究結合考慮特征值、方差貢獻率和碎石圖，選定3個主成分，第1主成分貢獻率為34.02%，第2主成分貢獻率為23.22%，第3主成分貢獻率為19.95%，三者共解釋了77.19%的原變量(見表3)，且碎石圖前3個主成分連線較為陡峭(見圖7)，即前3個主成分對解釋變量的貢獻最大，因此，提取3個主成分最合適[16]。

圖7 主成分分析碎石示意

表3 不同調控處理下各指標的主成分分析

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度負荷均在0.85以上，解釋了大部分的變異，并且這些指標在第1主成分上均呈正向分布，PC1越大，這些指標的值越大；Pro含量為逆向指標，主成分分析前先將容重進行了正向化處理，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)中占較大的負荷，位于第2主成分正軸；即在PC2坐標上值越大，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的主成分分析示意

根據主成分綜合得分模型，計算綜合主成分得分值，并將9種處理調控方式進行排序，對不同處理調控方式下花棒抗旱能力的累積效應做出綜合評分(見圖9)，主成分綜合得分越高，表明該處理下的花棒對環境因子的脅迫反應表現越不敏感，即能表現出較好的抗逆性；反之，則表現敏感，抗逆性較差[17]。各處理的綜合主成分順序為T3>T8>T9>T1>T6>T7>T2>T5>T4，表明在T3時花棒生理指標及光合作用綜合評價指標最佳，即最佳調控方式為T3處理(A1B3C3D3)。

圖9 不同調控處理下的綜合得分示意

3 討論與結論

利用植物生長延緩劑可以有效調控植物的生理特征及光合作用能力，從而提高植物對干旱環境的適應能力[5]。大多數研究表明，植物的超氧化物歧化酶活性對干旱脅迫的響應呈現先升后降的趨勢[6-7]。本研究表明，9種處理在一定程度上均提高了SOD活性，較對照組增加了235.79～676.62 U/g，保證了花棒葉片細胞生理代謝的正常進行。這與柳延濤[8]、安玉艷[24]等的研究結果一致。3種植物生長延緩劑在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進行3次根施處理下效果最好，說明此處理下可有效提高花棒抗膜脂過氧化水平，維持其在逆境條件下膜結構的穩定性和完整性[9]，這與李婉嬌[10]研究結果相同。光合作用是植物體內極為重要的代謝過程，對水分缺失反應十分敏感，植物的抗逆能力與光合作用的強弱更是密切相關[11、12]。本研究發現，9種調控下花棒葉綠素含量顯著大于對照組，表明9種處理方式均能促進花棒幼苗中葉綠素的含量，增強植物的光合作用能力；表明植物生長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種處理對干旱脅迫的調控能力表現為T3處理高于其他處理，這與試驗中測定的主要生理生化指標變化規律中反映出的結果相一致，表明基于主成分分析法對SOD活性等10個指標綜合評價植物抗性結果是可靠的，主成分分析可以適用于植物生長延緩劑對花棒調控抵御干旱脅迫的綜合評價。

4 結語

T1-T9處理方式下對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)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、和胞間CO2濃度(Ci)均有促進調控作用，對丙二醛含量(MDA)和游離脯氨酸含量(Pro)表現為明顯的抑制作用；9種組合調控方式中T3處理(A1B3C3D3)對花棒生理生化調控最佳，可增強花棒對干旱逆境的耐受性。