冬季干旱脅迫后復水對鼠茅草生理特性的影響

曹雨欣，張廣娜,*，王蕓，林祥杰，于軍香，鄭亞琴

（1.臨沂大學農林科學學院，山東臨沂 276005；2.山東省水土保持與環境保育重點實驗室，臨沂大學資源環境學院，山東臨沂 276005；3.臨沂大學藥學院，山東臨沂 276005）

干旱脅迫對植物的外部形態、內源激素、光合作用等多方面產生影響[5-6]。長期而嚴重的干旱脅迫可抑制植株生長，并引起外觀形態和生物量的變化，甚至會導致植物死亡[7]；而短期干旱脅迫后復水，使部分生理指標得到不同程度的恢復，既保證了植物的生長發育需求，又做到了節水[8-9]。國內外關于干旱脅迫對植物影響的研究主要集中在膜結構與功能、光合作用、細胞器超微結構、酶活性及物質代謝等生理過程及生理機制方面，并取得了明顯的進展[10-12]。近幾年的研究結果表明，植物會作出包括基因表達在內的各種適應性調節反應，使自身作出最優化的選擇來提前抵御干旱脅迫造成的植物各器官的損傷。因此，干旱會觸發植物抵御干旱脅迫的主動保護機制，并誘導植物各組分含量的變化。植物因水分脅迫引起了代謝上的變化與調整，可能與自身相關基因的調控有關[13-14]。前人對鼠茅草的研究多集中于鼠茅草作為生草品種對果園土壤及小氣候的影響方面[15-17]，而對于鼠茅草本身受環境影響而產生變化的研究較少。

臨沂市是山東省果業大市，水果種植面積大，產量高。截至2017 年，山東省臨沂市水果園面積10.8 萬hm2，總產量達到299 萬t。其中主栽果樹面積如下：桃4.67 萬hm2、蘋果2.53 萬hm2、山楂0.68 萬hm2、葡萄0.39 萬hm2、梨0.34 萬hm2、櫻桃0.27 萬hm2。近年來，臨沂市在多個現代農業產業技術體系示范推廣基地進行了鼠茅草生草示范，但因果園多分布在丘陵山地，冬季灌溉條件差。本文針對鼠茅草生草冬季缺水問題，設計了鼠茅草冬季斷水試驗，探討了鼠茅草冬季斷水后復水對鼠茅草生理指標的影響，以期為鼠茅草后期在丘陵山地的推廣提供理論依據和數據支撐，對于解決鼠茅草在干旱脅迫條件下的越冬問題，指導果園實際生產及生態可持續發展具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為鼠茅草，種子購于嘉禾源碩公司購得。PVC 管內徑25 cm，采用商品花卉用栽培基質，根據PVC管高度適當填充。

1.2 試驗設置

盆栽試驗于2018 年10 月中旬在室外種植。設置干旱脅迫、正常水分處理，每個處理重復3 次，每管播種20粒，每15 d 澆水一次，每次200 mL。1 月中旬臨沂市各地最低氣溫降至0 ℃以下，結冰狀態下丘陵山地無法進行冬季灌溉時，試驗進行斷水，對照處理（水分處理）仍隔15 d 澆水200 mL，干旱脅迫處理不澆水。鼠茅草干旱脅迫處理斷水60 d 后，干旱脅迫處理與對照處理均每隔15 d 澆水200 mL，復水35 d（復水后澆水兩次，第二次澆水后第5 d），采集鼠茅草葉片測定各項生理指標，如葉綠素含量、電解質滲透率、丙二醛（MDA）含量和可溶性蛋白含量，并測定地上部分及地下部分生物量，每個重復采集一株鼠茅草進行根系掃描。

1.3 鼠茅草生長生理指標測定

采集干旱脅迫后復水處理（DF）及正常水分處理（WF）的鼠茅草樣品，鼠茅草葉片葉綠素含量采用95%的乙醇避光浸提，用Agilent Cary 100 紫外-可見分光光度計在波長665 nm 和649 nm 處測定吸光度，通過計算得出葉綠素a、葉綠素b 和總葉綠素含量[18]。可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定[19]；葉片電解質滲透率采用電導法測定[20]；MDA 含量采用硫代巴比妥酸法（TBA）進行測定[21-22]；鼠茅草地上部、地下部生物量參考楊麗輝等[23-24]的方法測定；鼠茅草根系采用EPSON Expression 1680 根系掃描儀進行掃描，WinRHIZO Pro 2005 軟件進行根系形態與結構分析。

1.4 數據分析與作圖

葉綠素含量計算公式見式（1）（2）（3）。葉綠體色素的含量計算公式見式（4）。

式中，Chla、Chlb分別為葉綠素a、b 的含量，Chl為總葉綠素的含量；A665nm和A649nm分別為葉綠體色素提取液在波長665、649 nm 處的吸光度。

采用軟件SPSS 16.0 對所得數據進行統計分析，處理間各指標差異采用t 檢驗方法進行分析，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 冬季干旱脅迫后復水對鼠茅草葉片葉綠素的影響

植物體進行光合作用的強弱可以通過測定植物體內葉綠素含量的變化進行推斷。因此，葉綠素含量是反應植物光合效率的重要指標[25]，不僅可以體現干旱脅迫下光合作用受到抑制的程度，也可以體現植株在復水后恢復能力的大小。圖1 顯示了干旱脅迫復水后與正常水分處理下鼠茅草葉片葉綠素含量，由圖可知，在干旱復水后，鼠茅草葉片的葉綠素a 和總葉綠素含量均顯著低于同期對照處理下的鼠茅草葉片的葉綠素含量，分別減少了53.53%、25.84%；兩處理的葉綠素b 含量差異不顯著。

當今中國社會提倡“全民創業，萬眾創新”，高職院校應積極響應，將創新創業教育貫穿人才培養全過程, 以學生創新精神、創業意識和創新創業能力培養為重點，組建創新型社團，結合高職院校創新創業教育課堂主渠道作用，促進專業教育與創新創業教育有機融合，深化課上、課下融通改革，提高學生的實踐與就業能力、創新與創業能力，學生整體素質全面提升的同時，促進了校園文化建設。

2.2 冬季干旱脅迫后復水對鼠茅草可溶性蛋白的影響

植物體內積累的可溶性蛋白越高，細胞的滲透勢就會越低，并有利于抵抗干旱脅迫中水分虧缺對植物生命活動的威脅。由圖2 可知，干旱脅迫復水后鼠茅草葉片可溶性蛋白含量顯著高于對照處理，DF 處理葉片可溶性蛋白含量高出WF 處理的49.3%。

2.3 干旱協迫后復水對鼠茅草電解質滲透率的影響

電解質滲透率的大小反映了細胞膜破壞程度大小和植株受損程度的高低。電解質滲透率越大說明膜透性越大，細胞膜的流動性越差，植物損傷越嚴重。由圖3 可知，復水后的鼠茅草葉片電解質滲透率顯著高于同期對照的，增加了65.30%，說明干旱脅迫對植株造成的傷害在復水后未完全緩解。植株的滲透調節機制在干旱脅迫下受到了一定程度的損傷，復水后并不能迅速恢復。

2.4 冬季干旱脅迫后復水對鼠茅草丙二醛含量的影響

MDA 含量的高低在一定程度上能反映膜脂過氧化作用水平和膜結構受害程度的大小。因此膜的受損程度可以通過MDA 含量間接推測出來。MDA 大量增加時，表明干旱脅迫越嚴重，對細胞膜傷害程度也就越嚴重，體內細胞受損程度越高。由圖4 可知，復水處理的鼠茅草葉片中過氧化物MDA 的含量顯著大于同期對照，表明干旱引起細胞氧化作用，復水后細胞內環境還不夠穩定，自身調節機制受損，不能很快恢復到正常水平。

2.5 冬季干旱脅迫后復水對鼠茅草生物量的影響

生物量是植物生長狀況的綜合反映。如圖5 所示，復水后鼠茅草地上部分的生物量與地下部分的生物量均顯著低于同期對照組的生物量。地下部分的生物量DF 處理和WF 處理相差3.7 倍，地上部分兩處理間相差1.7倍，地下部生物量受干旱脅迫影響更明顯，說明即使經過復水，干旱對根系生物量的抑制作用還是很大，且程度遠大于對地上部分的抑制作用。

2.6 冬季干旱脅迫后復水對鼠茅草根系的影響

根據表1、2（見下頁）可以看出，復水后干旱脅迫處理鼠茅草根長及根面積均顯著低于對照處理，且3.5～4 mm 和4～4.5 mm 根徑范圍的根長有缺失。由表2 可知，干旱協迫處理中較粗根系的根表面積未檢測出，說明干旱脅迫影響了鼠茅草根系的伸長和變粗，植株正常的生理生長活動受到了損害，即使在復水后仍無法迅速恢復到正常水平。

3 討論

葉綠體是植物進行光合作用的場所，葉綠素是參與光合作用的主要色素。可能是由于干旱脅迫導致植物失水，從而促進葉綠素a 的分解且影響葉綠素的合成，即葉綠素a 的合成減少和分解加速是葉綠素a 含量在干旱脅迫下降低的主要因素，干旱導致植物葉片葉綠素a 含量降低且復水后并沒有得到及時的恢復。復水后葉綠素b的含量高于對照15.29%，可能是因為干旱脅迫抑制了葉片的生長，對葉綠素b 的合成受阻或分解程度影響較小，導致葉綠素b 產生濃縮現象[26]，但是與正常水分處理相比，試驗處理下未達到顯著差異。由此可以推斷干旱脅迫對鼠茅草葉綠素a 的破壞程度比較高，葉片葉綠素a含量恢復難度較大；對葉綠素b 的破壞程度較小，葉片葉綠素b 的含量恢復較容易。由于葉綠素a 的功能主要是將收集來的光能轉化為化學能，而葉綠素b 的功能則是收集光能[27]。可以推測，干旱脅迫期間光合器官及功能受到嚴重影響，導致光合速率受到影響后可恢復程度比較差。復水后，鼠茅草葉片可以正常對光能進行捕獲，但不能將光能完全轉化為化學能，致使光合機構受到光氧化的破壞，降低了轉化效率，從而導致光合速率與光合生產力下降，造成恢復困難。

植物在受到干旱脅迫時，植物體內蛋白質的合成受到抑制且蛋白質的降解速度加快，同時植物體會被誘導產生一些抗逆蛋白質，這些新增加蛋白質的種類和數量與植物的抗旱性密切相關。王林蒿等[28]的研究顯示，干旱脅迫下，可溶性蛋白含量增加的原因可能是細胞內合成了更加穩定的同工酶。作為調節滲透的物質之一，可溶性蛋白具有很強的吸水性，以小分子狀態溶于水或其他溶解劑，并作為一種重要的有機溶劑存在于細胞質中。細胞維持較低的滲透勢可以通過提高可溶性蛋白的含量、細胞內溶質濃度、增強蛋白與蛋白之間的水合作用、降低水勢等方法，使細胞能從外界繼續吸水，抵抗水分脅迫帶來的傷害。可溶性蛋白的穩定有利于創造一種起保護作用的水相環境，使植物能正常生長[29]。復水后的鼠茅草葉片中可溶性蛋白含量大于同期對照，說明復水后并沒有完全消除干旱脅迫對鼠茅草內部環境的損傷。

滲透調節系統是植物受到干旱脅迫時最重要的自我調節途徑之一，各項生理活動的有序進行依賴滲透調節系統。電解質滲透率是能夠反映植物細胞膜透性的重要指標。細胞電解質外滲是干旱脅迫下細胞膜受傷后細胞溶質向外滲漏的現象。植物受到逆境傷害時，細胞膜是植物受害的主要部位。自由基生成與膜保護反應之間的動態平衡受到破壞，膜脂由液晶態轉變為凝膠態，使得膜流動性下降，透性增加，細胞內物質外滲，電解質滲透率增加，細胞功能下降[30]。電解質滲透率的大小反映了細胞膜破壞程度大小、植株的受損程度的高低。電解質滲透率越大說明膜透性越大，細胞膜的流動性越差，植物受損傷越嚴重。復水后的鼠茅草葉片電解質滲透率顯著高于同期對照的電解質滲透率，說明干旱脅迫對植株造成的傷害在復水后未完全緩解，植株不能迅速恢復。

表1 不同處理條件下鼠茅草根系長度Table 1 The root length of Vulpia myuros C.Gmelin under DF and WF treatments

表2 不同處理條件下鼠茅草根表面積Table 2 The root surface area of Vulpia myuros C.Gmelin under DF and WF treatments

受到干旱脅迫后，植物體內就會因為活性氧的產生與清除之間的平衡遭到破壞而產生過量的活性氧[31]。若不及時清除會引起膜脂發生過氧化反應，從而破壞細胞膜。細胞膜不僅作為動態屏障處于細胞內部和外部環境之間，還承擔著信息傳遞與物質交換的作用。MDA 是植物細胞膜脂過氧化反應產生的高活性過氧化物之一，會引起蛋白質、核酸等生命大分子的交聯聚合，并影響構成細胞質膜包括葉綠體片層膜在內的物質組分，導致膜結構改變，影響膜的流動性及其與酶的結合力[32]；且MDA具有細胞毒性，能夠破壞膜系統，使膜透性增大，并損傷多種酶的生理功能。MDA 含量的高低在一定程度上能反映膜脂過氧化作用水平和膜結構受害程度的大小。復水處理的鼠茅草葉片中MDA 的含量顯著大于同期對照，表明干旱引起細胞氧化作用，復水后自身調節機制受損，不能很快恢復到正常水平。

生物量是植物生長狀態的綜合反映。干旱脅迫之所以能抑制植物的生長、發育，進而影響植物的產量，主要是通過抑制植物的光合作用、降低光合效率來實現的[33]。受到干旱脅迫并復水后，雖然地上部分生長受到抑制，降幅較小，但是地下部分根系受到干旱脅迫影響可能更大更直接，所以導致總生物量降幅較大。地下部降幅較大，這可能是在旱脅迫條件下，植物根系吸收不到足夠的水分和養分，各器官的生長發育都受到限制，導致地下部分生長受到更大的抑制，鼠茅草生物量更偏向于分配到葉片，增加光的接收面積，從而有效提升地上部分的光合作用效率，產生更多的干物質供生長發育使用，幫助植株更好的恢復，并使根系保持一定的活力。同時，在土壤水分虧缺條件下植物傾向于將更多的資源分配給地上部分，或從地下部分轉移到地上部分，以提高競爭生長的能力，故地上部分生物量受影響相對較小[34]。植物對于一定程度的干旱脅迫和復水會做出相應的適應過程，一般為生理上的補償。但由于復水后鼠茅草地下部分沒有得到更好的發育，導致地上部分進行光合作用等各項生理活動時所需營養與水分不能通過根系傳遞上來，因此鼠茅草復水后并不能很快的恢復，需要一定的時間與過程。

根系是鼠茅草吸收水分的主要器官，干旱來臨時最先感知，并迅速產生化學信號向上傳遞，以促使氣孔關閉，減少水分散失，影響著整株的生理生化特性[35]。植物的生理變化也會受到周圍環境的影響，一方面環境影響了植物的生理變化，另一方面通過植物的生理變化，使其對于周圍環境的適應性加強。因此，植株作為一個整體，需要自身各部分協同作用對外界做出響應，從而更好地適應環境。各個生理生化特性間相互協調、相互制約、相互影響，構成了一個調控網絡[36]。因此根系的生長狀況可以反映出植株的生長狀況。

4 結論

通過模擬冬季干旱脅迫后復水對鼠茅草生長發育的影響，發現冬季干旱脅迫復水后對鼠茅草有顯著抑制作用，且對根系的抑制比對地上部分的抑制作用強。即使春季復水，冬季干旱脅迫處理仍然對鼠茅草生理指標有顯著影響，如顯著增加了電解質滲透率、MDA 含量、可溶性蛋白含量，對鼠茅草地上和地下部生物量有顯著抑制作用，說明復水后干旱脅迫對鼠茅草的影響仍然存在。本文研究結果表明在不具備冬季灌溉條件的果園，鼠茅草生草后可冬季適當斷水，對其生命不存在較大影響，但春季來臨后，應及時灌水以增加鼠茅草的光合作用，促進其生長發育。