3種景天植物對干旱脅迫的生理生化響應

吳小青 曹丹 陳思逸 陳卓雅 朱明庫*

(1.江蘇建筑職業技術學院 建筑裝飾學院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇師范大學 生命科學學院，江蘇 徐州 221116)

景天屬植物以其生長力強、易于繁殖、植株矮小、枝葉密集、綠色時間維持長、抗旱、耐寒、耐貧瘠、適宜范圍廣[1]、管理粗放在城市園林景觀綠化中已被逐步推廣和應用，尤其是在屋頂綠化、立體綠化等惡劣生存環境中具有不可替代的地位。在當今崇尚自然、綠色生態的生活主題下，屋頂綠化、立體綠化作為一種不占用地面土地的綠化形式，其應用越來越廣泛。在這種特殊的立地條件下植物種植與地面隔離，缺乏地下水分補給，同時光照強、夏季溫度高、風速大、水分蒸發快，對植物抗旱性要求極高，因此，研究這類植物的抗旱性對應用和發揮其生態效益具有重要意義。

縱觀對景天植物的抗旱性研究，目前有關景天科植物在干旱條件下的抗逆性研究依然較少，而且都僅限于盆栽控水模擬干旱的方法。在初期全部澆透水至土壤飽和含水量，通過人工控水降低土壤含水量，使土壤中的水分逐漸蒸發，導致植物不能吸收土壤中的水分而受到干旱脅迫。盆栽控水法通過不給植物澆水來控制土壤的水分。由于植物植株很難保證完全均一，植物根系發育、葉片多少、植物株型不同都會導致植物的吸水和蒸發量不一致；同一個盆中深度和內外位置不同，土壤的濕度也不一致，很難保證一批實驗材料植物受到一致的干旱脅迫。PEG即聚乙二醇是一種高分子滲壓劑，無毒且無刺激性，水溶性好。聚乙二醇(PEG-6000)分子量較大，不會穿透細胞壁進入細胞質而給植物造成傷害，而且可調節植物根系環境滲透勢，保證實驗材料受到同樣的處理，因而已廣泛用于模擬干旱脅迫[2,3]。為擴大景天植物在園林綠化景觀中的應用范圍，本研究挑選了3種形態相近、觀賞價值高、耐旱性較強的景天屬植物作為研究對象，首次運用聚乙二醇(PEG-6000)模擬干旱脅迫來研究景天植物的生理生化反應，為景天植物抗旱研究探索一條更便捷、精確和科學的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料：白佛甲草、姬星美人(米葉景天)、薄雪萬年草。

2019年11月從花卉市場買回原始植物材料，于江蘇師范大學溫室中培養，一個月后進行扦插。取生長健壯的植物作為扦插繁殖材料，剪取5cm左右的嫩梢，處理后扦插于帶網孔穴盤[長×寬=42×42(cm)]中。種植基質采用田園土∶泥炭∶珍珠巖(體積比)=1∶2∶1，深4 cm。每種2盤，每盤扦插35株。培養條件為：溫度25±2℃，濕度50%±5%，扦插成活后移栽至花盆中正常養護和管理。1個月后，選取長勢相近、生長健壯的植株用于干旱脅迫實驗。

1.2 實驗設計

干旱脅迫通過澆灌20%的PEG-6000進行，每隔2d澆灌一次。為保證澆透每次每株50 mL，于澆灌后0、13、22和36 d拍照記錄植物萎蔫表型的變化，同時取樣測定脅迫相關生理指標變化。

1.3 測定指標與方法

丙二醛(MDA)含量、過氧化氫酶(CAT)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、脯氨酸(PRO)含量的測定為四次生物重復的結果，均用南京建成生物工程研究所(http://www.njjcbio.com/)銷售的檢測試劑盒進行。

1.4 數據處理

采用IBM SPSS Statistics 26軟件進行數據分析，并通過Origin 2018進行作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫期間3種景天科植物的表型變化

實驗開始前，篩選生長健壯、植株大小均勻一致的3種景天植物進行實驗(圖1A)。澆灌PEG-6000模擬干旱脅迫實驗13d后，姬星美人萎蔫，葉片萎縮顏色變深；薄雪萬年草枝葉有點泛紅；白佛甲草枝葉失水有些變白(圖1B)。干旱脅迫22 d后，薄雪萬年草萎蔫，葉片萎縮完全變紫紅色；白佛甲草顏色更白，有些萎蔫；姬星美人莖顏色變深(圖1C)。干旱脅迫36d后，白佛甲草萎蔫，個別葉片干枯；薄雪萬年草已有葉片掉落；姬星美人嚴重失水(圖1D)。進行恢復試驗后，白佛甲草恢復最快，其次是薄雪萬年草，姬星美人(米葉景天)死亡，得出抗旱性大小：白佛甲草>薄雪萬年草>姬星美人(米葉景天)。

圖1 3種景天科植物在澆灌PEG-6000后0d(A)、

2.2 干旱脅迫對MDA含量的影響

脂質中的不飽和脂肪酸可以與體內氧自由基反應，產生過氧化脂質。過氧化脂質可以被分解為很多化合物，其中就包括丙二醛(MDA)。要想檢測植物體內脂質氧化的水平，可通過檢測MDA含量的方法來達到。丙二醛(MDA)與硫代巴比妥酸(TBA)生成紅色物質，在532nm有最大吸收峰，通過比色可以估計出過氧化脂質的含量，利用紫外分光光度計同時測定600nm下的吸光度。利用差值計算丙二醛(MDA)的含量。

實驗結果與分析：植物葉片中的丙二醛(MDA)含量表明細胞膜脂過氧化程度，丙二醛(MDA)的增幅越大，說明細胞膜過氧化程度越高，即細胞膜被破壞得越厲害，其抗旱能力就越差[4]。由圖2可見，隨著干旱脅迫時間的延長，3種景天屬植物的丙二醛(MDA)含量基本呈遞增趨勢。白佛甲草總趨勢為上升且增幅較小。薄雪萬年草的峰值最大，增幅最大；姬星美人的MDA含量相對穩定，增幅最小，但要考慮到姬星美人后期可能因為干旱時間太久已經死亡,所以呈現出丙二醛(MDA)含量穩定的假象。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

2.3 干旱脅迫對SOD活性的影響

實驗結果與分析：目前，普遍認為干旱脅迫通過破壞植物體內細胞活性氧產生和清除動態平衡從而使細胞膜損傷。超氧化物歧化酶(SOD)在細胞受到干旱脅迫時，能有效清除超氧陰離子自由基，防御細胞膜損傷，同時還能減少MDA的產生[5]。SOD活性變化越大，抗旱性越高。由圖3可知，在干旱脅迫下，SOD活性總的趨勢是上升，白佛甲草和薄雪萬年草的SOD活性變化較大，抗旱性較高；姬星美人(米葉景天)變化不明顯(考慮到死亡)，因此姬星美人(米葉景天)抗旱性最低。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

2.4 干旱脅迫對PRO含量的影響

脯氨酸(PRO)廣泛存在于動物、植物、微生物和培養細胞中。當植物受到脅迫時，植物體內的脯氨酸(PRO)含量一般來說會顯著增多，脯氨酸增加量一定程度上反映了抗逆性。因此，脯氨酸增加量可以作為抗逆育種的生理指標之一。本實驗用磺基水楊酸(SA)提取PRO，經過加熱處理后，脯氨酸(PRO)可以與酸性茚三酮溶液反應生成紅色，加甲苯萃取后，在520nm測定吸光度。

實驗結果與分析：一般來說，抗旱性強的植物在干旱脅迫時脯氨酸(PRO)增幅會大于抗旱性弱的植物[6]。由圖4可知，隨著干旱脅迫時間的增加，3種景天屬植物脯氨酸(PRO)含量的總趨勢為上升，薄雪萬年草增幅最大，白佛甲草上升后略有回落，姬星美人(米葉景天)有起有落，可知薄雪萬年草抗旱性較好。本實驗中，脯氨酸(PRO)含量的變化與理論略有不符，日后可深入研究脯氨酸(PRO)含量與植物抗旱性的關系。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

2.5 干旱脅迫對CAT活性的影響

在動物、植物、微生物和培養細胞中廣泛存在著過氧化氫酶(CAT)。過氧化氫酶(CAT)是最主要的H2O2清除酶，在活性氧清除系統中具有重要作用。過氧化氫酶能夠將H2O2分解，而H2O2在240nm下有特征吸收峰，因此過氧化氫酶(CAT)能影響反應液的吸光度，根據反應液吸光度的變化率即可計算出過氧化氫酶(CAT)的活性。

實驗結果與分析：過氧化氫酶(CAT)作為植物體內活性氧清除劑，能夠在植物遭受干旱脅迫時清除植物體內過量的活性氧，維持活性氧的代謝平衡，使保護膜結構免受或少受活性氧的傷害，從而使植物在一定程度上忍受、抵抗干旱脅迫[7]。因此，過氧化氫酶(CAT)作為景天屬植物重要的抗旱保護酶，可以作為景天屬植物抗旱性的生理指標之一。從圖5可知，隨著干旱脅迫時間的增加，3種景天屬植物過氧化氫酶(CAT)活性總趨勢先上升后下降；白佛甲草的增幅最大，峰值最高；薄雪萬年草和姬星美人(米葉景天)增幅較小。由此可見，3種景天屬植物中白佛甲草的抗旱性最強。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

3 討論

干旱對植物有多方面影響，但最根本的影響是干旱時土壤水分降低，植物葉片因蒸騰作用失水而不能從土壤中吸收足夠水分，導致細胞原生質脫水，影響細胞膜上脂質分子排列，細胞膜的透性增強，同時植物正常生理過程被破壞，合成受到抑制，分解加速，使植物生長減弱，致使葉片失水衰老、枯黃，直至死亡[8]。植物抗旱能力受多種因素影響[9]，用于鑒定植物抗旱能力的指標也非常多，包括生理形態指標、水分生理指標、膜脂過氧化指標等[10]。膜系統被認為是干旱傷害的最關鍵和最初部位。在植物受到干旱脅迫后，細胞膜發生膜脂過氧化作用，細胞膜通透性增加，作為產物之一的丙二醛(MDA)常用作膜脂過氧化的指標。在本實驗中，隨著干旱脅迫時間的延長，姬星美人(米葉景天)、薄雪萬年草、白佛甲草依次萎蔫，能大致看出3種植株抗旱性高低。再結合測量數據分析，3種景天屬植物的丙二醛(MDA)含量基本呈遞增趨勢。白佛甲草總趨勢為上升且增幅較小，可見抗旱性很強。雖然從數據上來看，姬星美人(米葉景天)增幅最小，但實際姬星美人(米葉景天)最先萎蔫，很有可能取樣時已經干枯死亡。從超氧化物歧化酶(SOD)活性的結果來看，超氧化物歧化酶是重要的抗氧化酶，能有效地降低膜脂過氧化帶來的損傷，所以超氧化物歧化酶活性與抗氧化能力正相關。從本次實驗結果來看，白佛甲草和薄雪萬年草的SOD活性明顯升高，易得出白佛甲草和薄雪萬年草抗旱性較高的結論。脯氨酸是良好的滲透調節劑，可用作反映植物抗逆性的生理指標[11]。干旱脅迫下，植物體內脯氨酸含量明顯升高[12]，本實驗中，可得出薄雪萬年草抗旱性最好的觀點，所以已有研究的觀點“干旱脅迫下PRO含量積累量與抗旱性成正相關”[13]有待驗證。過氧化氫酶(CAT)是植物體內重要的膜保護酶，從實驗結果來看，3種景天屬植物過氧化氫酶(CAT)含量先上升后下降，白佛甲草的峰值最高，其抗旱性最強。本研究以3種景天科植物對干旱脅迫的表觀變化、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、脯氨酸(PRO)含量指標為依據，對不同處理下3種植物各指標進行綜合分析，結果表明3種景天植物的抗旱能力大小為：白佛甲草>薄雪萬年草>姬星美人(米葉景天)。因此白佛甲草相對于其他2種景天屬植物更適用于輕型屋頂綠化。