干旱脅迫下精靈景天的電阻抗圖譜數與生理參數的關系

劉天宇 孟慶瑞 滕仁艷

摘要：以干旱脅迫下種植在屋頂的精靈景天（Diamorpha smalli）葉片為材料，測定其電阻抗圖譜參數和膜透性的變化，通過膜透性與電阻抗圖譜參數間的相關性來證明電阻抗圖譜法研究精靈景天抗旱性的有效性。結果表明：隨著干旱時間的延長，精靈景天葉片的胞外電阻整體呈上升趨勢，胞內電阻整體呈下降趨勢，弛豫時間和弛豫時間分布系數呈先下降后上升的趨勢;葉片細胞膜透性逐漸增大，凈光合速率逐漸下降。相關分析表明，弛豫時間與膜相對透性呈極顯著負相關（P<0.01）;胞內電阻與凈光合速率呈顯著負相關（P<0.05），弛豫時間與凈光合速率呈極顯著負相關（P<0.01）。

關鍵詞：精靈景天;葉片;干旱脅迫;電阻抗圖譜參數;相對電導率;凈光合速率;弛豫時間;膜相對透性;生理參數

屋頂綠化特殊環境要求植物具有較強的抗逆性[1]，而干旱作為一種重要的逆境因子，對植物的生長產生廣泛的影響。抗旱性是植物在對干旱缺水環境的長期適應中通過自身的遺傳變異和自然選擇獲得的一種抗旱能力[2]。目前，對屋頂綠化草本植物的抗旱性尚缺乏研究，因此關于植物干旱脅迫的研究對其在屋頂環境條件下的園林應用起重要的指導作用。測定植物組織和器官的電阻抗圖譜法（EIS）是用等效電路來表示所感興趣的組織樣本，在估測植物活力、果實受害程度、抗寒性、對含鹽量敏感度等方面得到了廣泛的應用[3-5]，在植物生理學研究方面的應用范圍正在不斷擴展。在所有這些研究中，EIS法通過非破壞性的方法測定胞內電阻、胞外電阻等電阻抗圖譜參數，可以準確快捷地獲得有關膜變化的基本生理信息。因此，可以考慮用EIS參數來診斷植物受干旱脅迫的程度。研究表明，精靈景天在遭受到不同程度的水分脅迫下導致原生質脫水，膜透性增加，內容物外滲，葉片的生理指標都相應地發生變化[6]。尚未見水分脅迫下精靈景天葉片電阻抗圖譜參數與其生理參數關系的文獻報道。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為精靈景天3年生小苗，來自于北京一所苗圃。試驗在河北農業大學一所建筑物樓頂的2塊試驗田中進行。

試驗采用完全隨機區組設計。試驗田共有8個試驗小區，在每個面積為0.4×10 m2的試驗小區中種植物40株，每個試驗小區四周鋪設塑料膜以防側方滲水，以使各個試驗小區互不影響。充分緩苗后，在自然狀態下持續干旱處理，以正常澆水為對照。每5 d采樣1次，共5次。采樣時均選擇上數第4張至第5張葉片進行各項生理指標測定，重復3次。

1.2 方法

1.2.1 電阻和電抗的測定及電阻抗圖譜參數的擬合 將不同干旱時期的精靈景天葉片切成4 mm×10 mm作為1個樣本，用測厚儀（Mitutoyo No. 7331，Japan）測厚度，精確到 0.01 mm，每個時期8個重復。把樣本放置在2個玻璃管之間，通過電極接觸凝膠，再通過凝膠輕輕接觸待測樣本。對阻抗分析儀（HP4284A，USA）進行開路和短路校正，校正后分別測定樣本在42個頻率下的電阻值和電抗值，測定頻率范圍為80 Hz～1 MHz，輸入電壓20 mV。

將上述頻率下測定的樣本電阻和電抗值分別作為實部和虛部，作出電阻和電抗隨頻率的變化曲線，即EIS。等效電路參數用Repo發展的LEVM8.06（Macdonald Jr.）[7]軟件進行擬合。

1.2.2 葉片膜透性測定 膜相對透性的測定采用電導儀法[8]。稱取植物葉片0.2 g，將葉片剪成0.5 cm2的小塊，放入燒杯中，加入15 mL蒸餾水，振蕩24 h后測定電導率，同時測定空白電導率，將測完電導率的各試樣放入水浴鍋中水浴30 min，再放在室溫下冷卻24 h，測定煮沸電導率。

1.2.3 凈光合速率測定 光合特性指標的測定。2016年7月每5 d的08：30—11：00選取植株倒3葉，用Li-6400xt便攜式光合儀（Li-COR，USA）測定葉片的凈光合速率（Pn）。測定時用紅藍光源，光照度設1 000 μmol/（m2·s），CO2氣體由小鋼瓶提供，控制濃度為400 μmol/（m2·s）（下同）。每個處理測定3株，重復3次，結果取平均值。

1.3 統計分析

應用SPSS 13.0軟件和Microsoft Excel軟件進行方差分析和相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同干旱時間下的土壤含水量

由表1可知，隨著干旱時間的增加，干旱處理區的土壤含水量逐漸降低，在干旱20 d時，土壤含水量僅為8.2%。

2.2 干旱脅迫對荊芥葉片電阻抗圖譜參數的影響

2.2.1 干旱脅迫下胞外電阻的變化 精靈景天葉片在受到干旱脅迫后，胞外電阻隨著干旱時間的增加，呈先上升后下降的趨勢。隨著干旱時間的增加，胞外電阻均大于對照。當干旱時間為5 d時，胞外電阻為對照的1.09倍;當干旱時間為10 d時，為對照的1.08倍（圖1）。當干旱時間為15 d時，胞外電阻達到最大值，為對照的1.23倍，明顯高于對照（P<0.05）。當干旱時間超過15 d時，精靈景天葉片胞外電阻逐漸下降，為對照的1.26倍（P<0.01）（圖1）。

2.2.2 干旱脅迫下胞內電阻的變化 精靈景天葉片在受到干旱脅迫后，隨著干旱時間的增加，胞內電阻整體呈下降的趨勢。當干旱時間為10 d時，胞內電阻有所上升，且高于對照，為對照的1.19倍;當干旱時間為5、15、20 d時，胞內電阻均低于對照;當干旱時間超過10 d時，胞內電阻下降，明顯低于對照，分別為對照的0.65、0.40倍（圖2）。

2.2.3 干旱脅迫下馳豫時間的變化 精靈景天葉片受干旱脅迫后，弛豫時間隨干旱時間的增加，呈現先下降后升高的趨勢，干旱時間為20 d時，弛豫時間達到最大值。在干旱時間為0～10 d時，精靈景天葉片弛豫時間呈持續下降趨勢，且明顯低于對照，干旱時間5、10 d時，分別為對照的0.70、0.64倍;當干旱時間超過10 d時，弛豫時間呈上升趨勢，干旱時間為15、20 d時分別為對照的1.01、1.09倍（P<0.01）（圖3）。

2.2.4 干旱脅迫下馳豫時間分布系數的變化 隨干旱時間的增加，精靈景天葉片弛豫時間分布系數呈先下降后上升的趨勢。在干旱時間為20 d時，弛豫時間分布系數達到最大，為對照的0.90倍;在干旱時間在0～10 d時，弛豫時間分布系數均高于對照組，分別為對照組的1.13、1.03倍;當干旱時間在15、20 d時，弛豫時間分布系數均低于對照，分別為對照的0.98、0.90倍，與對照差別不大（圖4）。

2.3 干旱脅迫下精靈景天葉片相對電導率的變化

精靈景天葉片的相對電導率隨干旱時間的增加而上升（圖5）。當干旱時間為5、10 d時，葉片的電導率分別為對照的1.05、1.24倍，與對照差異不顯著，表現為上升趨勢幅度較小。說明葉片可能在干旱時間為0～10 d時，通過細胞自我調節機制防止細胞膜的損害。當干旱時間超過10 d時，葉片相對電導率顯著增加。相對電導率在干旱時間為15 d時為對照的1.35倍（P<0.05）。在干旱20 d時為對照的1.49倍（P<0.01），這說明在干旱20 d后葉片受害嚴重，細胞液大量滲出，導致電導率增大。這個結果與精靈景天葉片的電阻抗圖譜參數變化所反映的受傷害干旱區間有一致性。

2.4 干旱脅迫下精靈景天葉片凈光合速率的變化

干旱脅迫下精靈景天葉片凈光合速率的測定結果表明，隨著干旱時間的增加，凈光合速率迅速下降（圖6）。當干旱0～10 d時，凈光合速率差異不顯著（P>0.05），表明曲線下降幅度較小。在干旱5、10 d時，凈光合速率分別是對照的 1.05、0.90倍。干旱時間在15～20 d時，凈光合速率與對照差異較大（P<0.05），表明曲線下降幅度變大。干旱時間為15、20 d時，凈光合速率分別為對照的0.58、0.48倍（P<0.05），表明當干旱時間大于10 d時，葉片含水量的降低導致氣孔關閉，從而使葉片適應干旱的脅迫。

2.5 干旱脅迫下電阻抗圖譜參數與生理指標的相關性

弛豫時間與膜相對透性呈極顯著負相關（P<0.01）（表2）;胞內電阻與凈光合速率含量呈顯著負相關（P<0.05），弛豫時間與凈光合速率也呈顯著負相關（P<0.01）（表3）。膜相對透性和凈光合速率可作為植物受傷害程度的主要鑒定指標[8-9]，而胞內電阻、弛豫時間與膜相對透性的變化、凈光合速率的變化的相關系數分別達到0.73、0.69和0.89、0.68，證明胞內電阻和弛豫時間等物理參數同樣可以反映精靈景天葉片受到干旱脅迫程度。

3 討論與結論

本試驗應用電阻抗圖譜法研究了干旱脅迫下精靈景天葉片的電阻抗圖譜參數，結果顯示，隨著干旱時間的增加，精靈景天葉片的胞外電阻整體呈上升趨勢，胞內電阻整體呈下降趨勢，弛豫時間和弛豫時間分布系數表現為先下降后上升的趨勢。當干旱時間為15 d時，胞外電阻、弛豫時間和弛豫時間分布系數均高于對照水平，而且在干旱15 d時，胞外電阻、弛豫時間和弛豫時間分布系數達到了最大值，說明細胞自身調節，使葉片適應干旱脅迫，從而不受傷害。在干旱時間為15、20 d時，胞內電阻、弛豫時間分布系數明顯低于對照水平，這可能說明精靈景天葉片在長時間的干旱脅迫下，葉片的自我調節機制受到破壞，導致電阻抗圖譜參數降低。

在水分脅迫對不同品種的白皮松葉片電阻抗參數的影響表明，在測定白皮松針葉電阻抗參數時，嚴重干旱條件下各品種小麥葉片的胞內電阻均高于對照[10]。受到水分脅迫的情況下，胞外電阻與細胞膜透性有顯著正相關，馳豫時間與細胞膜透性之間有顯著負相關，馳豫時間分布系數與細胞膜透性之間有顯著負相關，胞內電阻與細胞膜透性之間有顯著負相關[11]。這與本研究結果不完全一致，可能是由于不同植物之間結構的差異，也可能是由于研究的處理方式不同。

土壤水分脅迫對植物生長和代謝的影響是多方面的，其中對光合作用的影響尤為突出[12]。水分脅迫通常抑制葉綠素的生物合成，提高葉綠素酶活性并加速分解，致使葉綠素含量下降[13]，這與本研究結果一致。葉綠體是植物進行光合作用的主要場所，干旱脅迫降低了葉綠素含量，即葉綠素SPAD值，從而使得光合酶活性和光合作用表光量子效率等下降，最終導致凈光合速率降低，這主要是由非氣孔因素引起的[14]。細胞膜的透性可以反映植物細胞受害的程度，植物在干旱脅迫下，細胞膜透性會因為膜結構的損害而增加，而電解質外滲值可被用來檢驗膜脂的穩定性與完整性[15]。研究表明，隨著干旱程度的增加，葉片細胞膜透性顯著增大。

本研究發現，在干旱脅迫下，精靈景天葉片的電阻抗圖譜參數和凈光合速率、細胞膜透性之間有著明顯的相關性，其中胞內電阻與凈光合速率呈顯著負相關（P<0.05），弛豫時間與凈光合速率呈顯著負相關（P<0.01）;弛豫時間與膜相對透性呈極顯著負相關（P<0.01）。表明應用電阻抗圖譜參數可以證明精靈景天受干旱脅迫的程度，電阻抗圖譜法將是精靈景天逆境脅迫研究的一種有效方法。

參考文獻：

[1]徐振華，劉 俊，尹新彥，等. 白榆屋頂綠化栽培基質篩選[J]. 林業科技開發，2010，24（3）：95-98.

[2]Thomashow M F.Plant cold aeelimation：freezing to leraneegenes and regnlatorymeeh-anisms[J]. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol，1999，50：571-599.

[3]Cox M A，Zhang M，Willison J H M. Apple bruise assessment through electrical impedance meas-urements[J]. Hort Science，1993，68：393-398.

[4]Stout D G. Effect of cold acclimation on bulk tissue electrical impedance：Ⅰ. Measurements with birdsfoot trefoil at subfreezing temperatures[J]. Plant Physiology，1988，86（1）：275-282.

[5]Zhang G，Li Y Q，Dong S H. Assessing frost hardiness of Pinus bungeana shoots and needles by electrical impedance spectroscopy with and without freezing tests[J]. Journal of Plant Ecology，2010，3（4）：285-293.

[6]Wang J R，Li S X，Li K L. Effects of water limited deficit stress during different growth stages on leaf protective enzymes of winter wheat[J]. Acta Bot Boreal-Occident Sin，2001，21（1）：47-52.

[7]白寶璋，靳占忠，李德春. 植物生理生化測試技術[M]. 北京：中國科技出版社，1995：143-147.

[8]陳建勛，王曉峰. 植物生理學實驗指導[M]. 廣州：華南理工大學出版社，2002.

[9]洪森榮，尹明華. 鹽脅迫對雜交水稻試管苗生長發育和部分生理生化指標的影響[J]. 雜交水稻，2008，23（4）：69-72，77.

[10]劉曉紅，王國棟，張 鋼. 水分脅迫對不同小麥品種葉片電阻抗參數的影響[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2007，35（2）：210-214.

[11]劉曉紅，王國棟，張 鋼. 干旱脅迫下小麥葉片的電阻抗圖譜參數與生理參數的關系[J]. 西北植物學報，2007，27（5）：970-976.

[12]付秋實，李紅嶺，崔 健，等. 水分脅迫對辣椒光合作用及相關生理特性的影響[J]. 中國農業科學，2009，42（5）：1859-1866.

[13]李清芳，馬成倉，尚啟亮. 干旱脅迫下硅對玉米光合作用和保護酶的影響[J]. 應用生態學報，2007，18（3）：531-536.

[14]Yang X，Chen X，Ge Q，et al. Tolerance of photosynthesis to photoinhibition，high temperature and drought stress in flag leaves of wheat：a comparison between a hybridization line and its parents grown under field conditions[J]. Plant Science，2006，171（3）：389-397.

[15]Bajin M，Kinet J M，Luttes S.The use of electrolyte leakage method for assessing cell membrane stability as a water stress tolerance test in durum wheat[J]. Plant Growth Regulation，2002，36：67-70.趙海霞，裴紅賓，張永清，等. 不同氮、腐殖酸肥施用量下芽孢桿菌ZJM-P5對紅小豆幼苗根際土壤酶活性的影響[J]. 江蘇農業科學，2019，47（6）：109-113.