干旱脅迫及復水對入侵植物節節麥幼苗生長及生理特性的影響

王寧，袁美麗，陳浩，李真真，張銘鑫

(1.河南科技大學林學院，河南 洛陽 471023；2.洛陽市隋唐城遺址植物園，河南 洛陽471002)

節節麥(Aegilopstauschii)，禾本科山羊草屬植物，最早起源于西亞及東歐等地，現已成為世界惡性雜草之一[1]。自1955年在我國河南省新鄉地區首次被發現，至今已廣泛入侵至渭河流域陜西、甘肅，黃河流域河北、河南、山東以及內蒙古等地[2]。因節節麥具有生長適應能力強，耐瘠薄、分蘗系數高、出苗時間長等特點，又與小麥(Triticumaestivum)籽粒大小、形狀較為相似，且無有效防除的除草劑，導致其成為麥田中最難防除的惡性雜草之一。據報道，僅2003年河北南部地區由于節節麥危害導致的小麥損失就達10%～25%[3]。因嚴重威脅糧食的生產與安全，早在2007年節節麥已被列入我國首次發布的《中華人民共和國進境植物檢疫性有害生物名錄》，如今許多國家及地區也已將其列入糧食貿易中的重點檢疫對象[4]。

為提高自身的競爭及入侵能力，外來植物常表現出較高的形態及生理可塑性，以適應不同的生境條件[5]。如入侵植物飛機草(Eupatoriumodoratum)依據超氧化物岐化酶(superoxide dismutase, SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)等保護酶活性的持續增加[6]，以及較高的根冠比和水分利用效率[7]，從而具有一定耐旱性，這也促進了其向干旱及半干旱地區的入侵。但宋莉英等[8]研究發現，三裂葉蟛蜞菊(Wedeliatrilobata)的光合作用對干旱脅迫較敏感，認為水分可能是影響其生長及擴散的重要限制因子。土壤水分是影響植物生長發育及分布范圍的重要限制性因子[9]。因此，開展外來植物的耐旱性研究，對預測其分布范圍及進一步擴散的防控具有十分重要的意義。眾多研究認為，外來植物的形態結構、生物量積累與分配以及生理代謝等均會受到干旱脅迫的影響[6-7,10-12]。而植物的耐旱性不僅表現在干旱的脅迫過程中，更重要的是復水后的恢復過程，因此，能否在復水過程中迅速彌補之前遭受的損傷是植物對干旱脅迫適應的重要表現[13-14]。本試驗通過盆栽試驗，設置干旱-復水條件，依據干旱過程中形態、生理參數，以及復水過程中生理參數的變化，探討節節麥對土壤干旱脅迫的適應機制，以期為節節麥入侵機制研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

2017年5月，節節麥種子采自河南省新鄉市農業科學院試驗田。游標卡尺測得種子平均縱徑為5.98 mm，橫徑為2.54 mm，萬分之一天平測千粒重為12.32 g。試驗在河南科技大學開元校區林學院試驗地內進行。研究區域位于洛陽市洛龍區，地理位置為34°59′ N、112°16′ E。試驗所用土壤為褐土，來源于洛陽市洛龍區周邊農田，基礎理化性狀為：pH值7.4，全氮含量0.85 g·kg-1，有效磷11.4 mg·kg-1，速效鉀167.5 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

2018年2月，節節麥種子進行催芽處理，待幼苗長至“兩葉一心”時進行移栽上盆(盆口Φ 30 cm，高25 cm)，6株/盆。盆土提前經105 ℃烘箱烘干至恒重，干土5 kg/盆。土壤水分設置包括：正常水平NL(normal level，田間最大持水量的75%～80%)、輕度干旱LD(light drought，田間最大持水量的60%～70%)、中度干旱MD(moderate drought，田間最大持水量的55%～60%)、重度干旱HD(heavy drought，田間最大持水量的45%～50%)4個水分梯度[15-16]，每個處理8盆，5次重復。緩苗1周后正常培養，待幼苗長至“四葉一心”時開始進行土壤控水處理。脅迫期間，采用稱重法[17]控制土壤含水量，稱重1次/2 d，當土壤含水量低于設置范圍時，采用緩慢澆水法補充水分。分別在脅迫處理的0(CK)、7、14、21、28 d進行采樣(從上至下第3～4片葉)，第28天取樣后復水至CK水平，并在復水第7天(即處理第35天)再次采樣，進行生理指標的測定。其中，在干旱脅迫的第28天，每處理隨機選出5株幼苗進行生物量的測定，利用掃描儀、Photoshop軟件進行葉面積的測定[18]，之后將植株的葉、莖及根分開并裝紙袋，于80 ℃烘箱中烘干至恒重。

1.3 測定項目及方法

生理參數包括：采用稱重法測定葉片相對含水量(relative water content，RWC)[19]；采用95%乙醇法測定葉綠素含量，采用酸性茚三酮法測定脯氨酸含量，采用氮藍四唑光還原法測SOD活性，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量[20]；采用電導法測定相對電導率(relative conductivity，REC)[21]。形態參數包括：葉生物量比(葉干重/植株總干重，leaf mass ratio，LMR)；根生物量比(根干重/植株總干重，root mass ratio，RMR)；比葉面積(總葉面積/總葉重，specific leaf area，SLA)；根冠比(根干重/植株地上部分干重，root-shoot ratio，R/T)[22]。此外，可塑性指數(plasticity index，PI)=[(不同處理下某參數的最大值-最小值)/最大值][23]。

1.4 數據分析

采用SPSS 18.0進行數據分析，單因素方差分析和Duncan多重比較分析同一脅迫水平不同脅迫時間各個參數的差異顯著性。圖中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫及復水對節節麥生理參數的影響

2.1.1干旱脅迫及復水對節節麥相對含水量的影響 隨脅迫時間的延長，NL的RWC基本保持穩定，而各干旱處理的RWC均呈下降變化趨勢(圖1)。其中，LD的RWC至脅迫28 d時與CK差異未達到顯著水平，而MD、HD的RWC分別在脅迫的21及14 d時與CK差異達到顯著水平(P<0.05)。復水后，各干旱處理的RWC均呈升高變化，且與CK差異均不顯著。

2.1.2干旱脅迫及復水對節節麥葉綠素含量的影響 如圖2所示，隨脅迫時間的延長，各干旱處理的葉綠素含量整體呈先升后降的變化趨勢。其中LD、MD的葉綠素含量峰值均出現在脅迫的21 d時，HD的葉綠素含量峰值出現在脅迫的7 d時，但與CK差異均不顯著；之后，葉綠素含量呈下降變化，至脅迫28 d時，僅HD的葉綠素含量與CK差異達到顯著水平(P<0.05)。復水后，各處理的葉綠素含量均呈增加變化，但與CK差異均未達到顯著水平。

圖1 干旱脅迫及復水對節節麥葉片相對含水量的影響Fig.1 Effects of drought stress and rewatering on the leaf relative water content (RWC) of A. tauschii

圖2 干旱脅迫及復水對節節麥葉綠素含量的影響Fig.2 Effects of drought stress and rewatering on the leaf chlorophyll content of A. tauschii

NL, LD, MD, HD分別表示正常水平、輕度干旱、中度干旱、重度干旱。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。NL, LD, MD, HD indicate normal level, light drought, moderate drought and heavy drought. The different lowercase letters mean significant difference at 0.05 level, the same below.

2.1.3干旱脅迫及復水對節節麥相對電導率的影響 隨脅迫時間的延長，各干旱處理的相對電導率均呈持續增加的變化趨勢(圖3)。其中，脅迫至28 d時LD的REC較CK增加了18.91%，但差異未達到顯著水平；MD、HD的REC分別在脅迫28和21 d時與CK差異達到顯著水平(P<0.05)。復水后，REC均明顯下降，其中，MD、HD的REC仍高于CK，但差異均不顯著(P>0.05)。

2.1.4干旱脅迫及復水對節節麥丙二醛含量的影響 各干旱脅迫處理中，MDA含量均呈緩慢增加變化趨勢(圖4)。其中，LD的MDA含量至脅迫的28 d時較CK增加了11.97%，但未達到差異顯著水平；MD、HD的MDA含量分別在脅迫的21和14 d時與CK差異達到顯著水平(P<0.05)。復水后，各處理的MDA含量均明顯下降，其中，MD、HD的MDA含量明顯高于CK，但差異均未達到顯著水平。

圖3 干旱脅迫及復水對節節麥相對電導率的影響Fig.3 Effects of drought stress and rewatering on the relative conductivity of A. tauschii

圖4 干旱脅迫及復水對節節麥MDA含量的影響Fig.4 Effects of drought stress and rewatering on MDA content of A. tauschii

2.1.5干旱脅迫及復水對節節麥脯氨酸含量的影響 各干旱處理中，脯氨酸含量均呈持續增加的變化趨勢(圖5)。其中，LD、MD的脯氨酸含量在脅迫的14 d時與CK差異均達到顯著水平(P<0.05)，而HD的脯氨酸含量則是在脅迫的7 d時，與CK差異顯著(P<0.05)。復水后，脯氨酸含量均明顯下降，但仍均高于CK，其中LD、MD的脯氨酸含量與CK差異均不顯著，而HD的脯氨酸含量則依然顯著高于CK(P<0.05)。

2.1.6干旱脅迫及復水對節節麥超氧化物歧化酶活性的影響 隨脅迫時間的延長，LD、MD的SOD活性呈持續增加變化趨勢，而HD的SOD活性則呈先升后降的變化趨勢(圖6)。 其中，LD、MD的SOD活性分別在脅迫的21及14 d與CK差異達到顯著水平(P<0.05)，脅迫至28 d時，分別較CK增加了44.33%、59.01%；而HD的SOD活性在脅迫的7 d時與CK差異達到顯著水平(P<0.05)，并在脅迫的21 d時達到峰值，較CK增加了63.98%，之后SOD活性略有下降。復水后，LD、MD的SOD活性迅速下降，但與CK差異均不顯著，而HD的SOD活性則略有升高，且與CK差異顯著(P<0.05)。

圖5 干旱脅迫及復水對節節麥脯氨酸的影響Fig.5 Effects of drought stress and rewatering on proline content of A. tauschii

圖6 干旱脅迫及復水對節節麥SOD活性的影響Fig.6 Effects of drought stress and rewatering on SOD activity of A. tauschii

圖7 干旱脅迫對節節麥形態指標的影響Fig.7 Effects of drought stress on morphological index of A. tauschii

2.2 干旱脅迫對節節麥形態特征的影響

隨土壤含水量的降低，LMR、SLA逐漸下降，而RMR、R/T則呈上升變化趨勢。其中，當土壤含水量下降至MD時，LMR、RMR均與NL差異顯著(P<0.05)；土壤含水量降至HD時，SLA、R/T均與NL差異顯著(P<0.05)。

2.3 干旱脅迫對節節麥形態及生理參數可塑性指數的影響

從表1可知，生理參數中，以Pro的PI值最大，葉綠素含量的PI最小；形態參數中，以SLA的PI值最大，RMR的PI最小。且形態參數PI的均值為0.31，明顯小于生理參數的0.39。

3 討論

3.1 干旱脅迫及復水對節節麥生理代謝的影響

RWC是植物體內水分狀況的重要反映指標，一定程度上能體現出植物對干旱脅迫的適應能力，因此常被用于植物耐旱性的鑒定[24]。干旱脅迫中，RWC降速慢且降幅小，表明該植物的持水保水能力強，即具有一定的耐旱性[25]。本研究中，干旱脅迫中RWC的下降與土壤含水量及可利用水的減少有關，造成節節麥根系吸水困難，再有葉片的蒸騰喪失，從而導致了RWC的下降，復水后各處理的RWC迅速恢復至正常水平，可見節節麥葉片具有較強的保水持水能力，這也為其能夠在干旱脅迫下維持正常的生理代謝奠定了基礎，這也與宋家壯等[24]、郭穎等[26]對強耐旱植物的研究結論一致。

表1 干旱脅迫對節節麥形態及生理參數可塑性指數的影響Table 1 Plasticity index for each of the morphological characteristics and physiology of A. tauschii under drought stress

注：LMR, RMR, SLA, R/T分別表示葉生物量比、根生物量比、比葉面積、根冠比；RWC, Chl, REC, Pro, SOD, MDA分別表示相對含水量、葉綠素含量、相對電導率、脯氨酸含量、超氧化物歧化酶、丙二醛。

Note: LMR, RMR, LAR, R/T indicate leaf mass ratio, root mass ratio, specific leaf area and root-shoot ratio. RWC, Chl, REC, Pro, SOD, MDA indicate relative water content, chlorophyll, relative conductivity, proline, superoxide dismutase, malondialdehyde.

葉綠素含量的變化一定程度上可反映植物光合作用的變化規律，因此，可作為植物對水分脅迫敏感性的指示性指標[27]。多數研究認為，干旱脅迫會造成植物葉綠素含量的降低[28-30]。但宋家壯等[24]研究發現，干旱脅迫下虉草(Phalarisarundinacea)葉綠素含量呈增加的變化趨勢，分析認為可能由于水分脅迫造成葉片含水量下降而產生的濃度效應所致，這也與張曉海等[31]、梁國玲等[32]的研究結論相符。本研究中，干旱脅迫下，節節麥葉綠素含量整體呈先升后降的變化趨勢，前期的升高與宋家壯等[24]研究結論一致，而之后的下降可能與持續干旱脅迫造成葉綠素分解加速及合成減緩有關。脅迫至28 d時，僅有HD的葉綠素含量較CK減少顯著(P<0.05)，復水后各處理均又迅速恢復至正常水平，由此說明葉綠素的合成并未受到干旱脅迫的根本性破壞，節節麥能夠通過自身調節進行恢復。

REC反映了植物細胞膜透性，MDA是膜脂過氧化作用的重要產物，因此，REC和MDA是植物質膜受傷害程度的重要反映指標[33-34]。本研究中，各干旱處理下，REC和MDA含量均呈持續增加的變化趨勢，表明節節麥細胞膜受脅迫的傷害程度逐漸增大，這也與墨西哥羽毛草(Nassellatenuissima)[34]、白三葉(Trifoliumrepens)[35]及草地早熟禾(Poapratensis)等[36]的研究結論一致。復水后，REC和MDA含量均迅速下降，且與CK差異均不顯著，由此可見，通過自身的調節機制，節節麥對干旱脅迫造成的膜系統損傷進行了積極地修復，這也可能是節節麥對干旱脅迫的重要適應機制。

滲透調節物質含量的增加是植物對逆境脅迫的重要生理反映，而游離脯氨酸是植物體內重要的滲透調節物質之一[37]，許多研究表明，脯氨酸的積累與植物的耐旱性呈正相關[13,38-39]。本研究中，干旱脅迫造成脯氨酸含量持續增加，由此表明節節麥幼苗通過脯氨酸含量的增加來降低細胞滲透勢，保障其體內正常的代謝活動,從而抵御干旱脅迫，復水后，脅迫被解除，LD、MD的脯氨酸含量恢復至正常水平，而HD的脯氨酸含量依然顯著高于CK(P<0.05)，這可能是干旱脅迫致使節節麥滲透調節能力增強所致。

SOD是植物體內重要的保護酶，其活性大小是植物抗旱性強弱的重要體現[6,33]。干旱脅迫過程中，LD、MD及HD前期，SOD活性均迅速增加，表明節節麥具有較高的清除O2-的能力，之后HD中的SOD活性略有下降，這可能與脅迫時間過長，超出了其忍受限度而造成SOD活性下降有關，這與入侵植物五爪金龍(Ipomoeacairica)[40]、牛膝菊(Galinsogaparviflora)[41]的研究結論一致。復水后，LD、MD中SOD活性基本恢復至正常水平，而HD中SOD活性依然顯著高于CK(P<0.05)，表明重度干旱脅迫及復水處理提高了節節麥對O2-的清除能力，這與張彥妮等[39]對黃連花(Lysimachiadavurica)的研究結論一致。

3.2 干旱脅迫對節節麥形態特征的影響

植物對環境變化的響應不僅體現在形態特征上，同時也體現在生物量分配的對策方面[42]。生物量分配格局的改變是植物應對環境變化的自我調整策略之一[43]。隨土壤含水量的降低，節節麥幼苗的LMR呈下降趨勢，而RMR、R/T呈增加變化趨勢，這與入侵植物五爪金龍[44]、黃頂菊(Flaveriabidentis)[45]、互花米草(Spartinaalterniflora)[46]等的研究結論一致。表明節節麥通過增加根生物量的分配比及根冠比，拓展地下空間以獲取生存所需水分，同時減少地上部分的生物量分配比，即盡量縮小地上空間以減少水分散失，達到規避干旱脅迫的效果，從而擁有了一定的耐旱能力。此外，土壤含水量的減少致使SLA的下降，表明節節麥還通過減少水分蒸發的途徑適應干旱脅迫，這與王林龍等[47]的研究結論一致。

4 結論

節節麥幼苗通過保護酶活性及滲透調節物質含量的增加適應土壤干旱脅迫，從而表現出一定的耐旱性，復水后，脯氨酸、葉片相對含水量等多數指標均能恢復至正常水平，說明節節麥對干旱脅迫造成的損傷具有較高的修復能力。此外，節節麥幼苗通過降低地上部分及增加地下部分的生物量分配比，以及減少水分蒸發途徑等適應土壤干旱環境。節節麥形態參數的可塑性指數均值明顯小于生理參數，由此表明，節節麥主要通過生理代謝的調整適應短期干旱脅迫。