干旱脅迫對側金盞花生理特性的影響

陳翠紅，周蘊薇，李家綺，楊豐瑞，白 云，陳麗飛

（吉林農業大學園藝學院，吉林 長春 130118）

0 引言

【研究意義】側金盞花（Adonis amurensis）是毛茛科側金盞花屬多年生草本植物，分布于我國東北地區，側金盞花耐寒性強，在冰雪未融化之際便可開放，可作為一種良好早春花卉，其花姿優雅、花色艷麗、花期較長，是園林綠化、美化的良好材料。我國北方多為干旱、半干旱地區，且大部分地區水分供應不足，嚴重影響了城市園林植物的觀賞特性、園林應用價值及正常養護，為此研究植物在干旱逆境中的生態適應性及其評價機制，對干旱地區植被恢復及改善城市生態環境具有重要意義。【前人研究進展】關于植物干旱脅迫研究亦相繼展開，例如干旱脅迫會使植株葉片出現氣孔閉合、光合作用減弱等反應，從而引發植物體在滲透調節、酶保護體系等方面的變化，使植物體內平衡的自由基穩態遭到破壞[1]。目前關于側金盞花的研究主要集中在傳粉特性[2]、基因獲取[3]及藥用研究[4]等方面。【本研究切入點】對側金盞花生態適應性及園林應用方面研究較少，僅有少量的生理生化指標探究，目前缺少對側金盞花系統的研究，其生理特性以及光合研究特性尚不明晰。【擬解決的關鍵問題】為此本研究通過盆栽控水試驗，研究不同水分條件對側金盞花形態、生理及光合特性的影響，旨在探討側金盞花的耐旱性，為今后側金盞花的水分管理及栽培利用等方面提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為長白山野生側金盞花植株，將引種后的側金盞花植株移栽到塑料花盆中，每盆2株，花盆規格為盆高28 cm，上口徑26 cm，下口徑24 cm，栽培基質為園土∶草炭∶沙子為3∶2∶1的混合基質。每盆土質量為（1.8±0.2） kg，置于溫室內生長，期間進 行正常肥水管理。

1.2 試驗方法

試驗期間溫室晝夜均溫分別為23℃、12 ℃，平均相對濕度為37%。待葉片全部展開，選取長勢一致、生長良好的植株進行干旱脅迫處理。試驗設干旱（試驗處理前充足灌水3 d使土壤水分飽和，使其自然干旱，停水0、4、8、12、16 d）、復水（干旱脅迫4、8、12、16 d后對植株進行復水）2個處理，以正常水分管理（70%±5%）為對照（CK）。分別在干旱處理0、4、8、12、16 d和復水處理4 d后進行觀測，每個處理50盆，3次重復，相關指標測定均為3次重復。

1.3 測定項目

土壤相對含水量[5]；株高、地上和地下部分干重、鮮重；復水后存活率[6]（存活植株數量/總植株數量×100%）；葉片相對含水量[7]。

生理指標：丙二醛（MDA）含量[5]、相對電導率[8]、脯氨酸（Pro）含量[9]、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶（POD）活性[5]、超氧化物歧化酶（SOD）活性、葉綠素（Chl）總量[10]。

光合參數：選取晴朗無風的天氣，使用CIRAS-2光合儀測定，測定指標為凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）等光合參數；使用FmS2型脈沖調制式葉綠素熒光儀，測定側金盞花葉片光適應下的最小熒光（Fo′）、最大熒光（Fm′）、穩態熒光（F′）和可變熒光（Fv′），再進行充分暗適應30 min以上，測定其暗適應下的初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv），并計算光系統Ⅱ（PSⅡ）最大光化學量子產量（Fv/Fm）、PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）、PSⅡ實際光化學量子產量（ΦPSⅡ）、光化學猝滅系數（qP）、非光化學猝滅（NPQ）和表觀光合電子傳遞速率（ETR）[11?13]等熒光 參數。

1.4 統計方法

測定相關指標后，使用Excel 2010對數據進行整理 ，采用IBM SPSS 20.0進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下土壤相對含水量的動態變化

由表1可知，隨脅迫時間的增加，土壤相對含水量逐漸下降，且干旱各處理差異顯著（P＜0.05），脅迫8 d后，土壤相對含水量均下降至30%以下，到16 d時僅為20.4%；復水后，干旱各處理均恢復到對照，但由于 控水可能導致土壤結構改變，因此與對照略有差異。

表1 側金盞花不同水分狀況土壤相對含水量的變化Table 1 Variation on relative moisture content of A. amurensisgrowing soil under varied watering conditions

2.2 干旱脅迫及復水對側金盞花生長的影響

由表2可知，側金盞花地上及地下部分生物量隨干旱脅迫程度的加大而明顯下降，干旱4 d時，其地上及地下部分生物量下降較少，當干旱8、12和16 d，與干旱0 d相比，側金盞花地上及地下部分鮮質量下降33.05%、37.32%、46.9%和21.8%、41.56%、44.18%，地上及地下干質量下降41.53%、47.43%、52.35%和31.3%、50.94%、60.72%，干旱12、16 d地上鮮質量差異顯著（P＜0.05），干旱8、12 d地下鮮質量具有顯著差異（P＜0.05）。

表2 干旱脅迫下側金盞花生物量的變化Table 2 Variation on biomass of A. amurensis grown under drought stress

由表3可知，當側金盞花遭受干旱時，隨土壤相對含水量的減少，其平均株高呈下降趨勢。干旱0～8 d，株高降幅較明顯，各處理差異達顯著水平（P＜0.05），恢復供水后，干旱4 d的株高有所增加，但仍顯著低于對照（P＜0.05），干旱8、12、16 d復水前后變化不顯著（P＞0.05）。

表3 側金盞花不同水分狀況株高的變化Table 3 Variation on plant height of A. amurensis grown under varied watering conditions

2.3 干旱脅迫及復水對側金盞花形態及復水后存活率的影響

由表4可知，將側金盞花進行不同程度脅迫處理，其地上部分形態變化主要表現為葉片下垂，邊緣卷曲、皺縮和干枯。干旱4 d，葉片表現出輕微萎蔫現象，復水后，其外觀形態恢復正常，成活率為100%；脅迫8 d，葉片皺縮并出現萎蔫下垂現象，復水后，外觀基本恢復正常，僅莖尖處有少量枯黃萎蔫，復水后，成活率為100%；脅迫至12 d，葉片出現嚴重皺縮，萎蔫下垂，地上部分出現干枯現象，此時進行復水，部分植株可恢復生命力，成活率為50.67%；干旱16 d，大多數植株死亡，復水后成活率僅為6.35%。

表4 側金盞花不同干旱脅迫時間復水后存活率Table 4 Survival rate of Adonis amurensis after rehydration under different drought stress times

2.4 干旱脅迫及復水對側金盞花葉片相對含水量的影響

由表5可知，隨干旱程度加深，側金盞花葉片相對含水量逐漸下降，脅迫第16 d時達到最小值44.62%，比對照顯著下降49.62%（P＜0.05），干旱8、12 d，與對照相比，葉片相對含水量降低24.86%、42.73%，均顯著低于對照和復水處理（P＜0.05）；復水后，葉片相對含水量均有不同程度的恢復。

表5 側金盞花不同水分狀況葉片相對含水量的變化Table 5 Variation on leaf relative moisture content of A.amurensis grown under varied watering conditions

2.5 干旱脅迫及復水對側金盞花生理指標的影響

2.5.1 干旱脅迫及復水對側金盞花葉綠素總量的影響

由表6可知，隨干旱脅迫持續進行，側金盞花葉片葉綠素總量呈下降趨勢，脅迫8～16 d，各處理差異顯著（P＜0.05）。脅迫4 d，葉綠素總量比對照下降10.07%，顯著低于對照（P＜0.05）；干旱8 d，較對照顯著降低14.27%（P＜0.05），干旱12、16 d，比對照分別降低25.85%、34.68%；干旱8、12、16 d復水后，葉綠素總量有所上升，比復水前分別上升8.7%、4.81%、4.3%。

表6 側金盞花不同水分狀況葉綠素總量的變化Table 6 Variation on chlorophyll in leaves of A. amurensis grown under varied watering conditions

2.5.2 干旱脅迫及復水對側金盞花滲透調節物質含量的影響 不同水分處理下，側金盞花Pro含量不同，由表7可知，干旱處理下，Pro含量呈先升后降趨勢，各處理差異顯著（P＜0.05），干旱至12 d，Pro含量達最大值，干旱8、12、16 d分別比對照增加2.24、2.41、2.27倍，顯著高于對照與復水處理（P＜0.05）；復水后，Pro含量有所下降，干旱4 d復水后其含量恢復至對照，干旱8、12、16 d復水后比干旱處理分別下降16.07%、19.22%、31.15%，表明側金盞花細胞膜透性得到一定恢復，方差分析表明，干旱8、12、16 d復水后各處理差異顯著（P＜0.05）。

表7 側金盞花不同水分狀況脯氨酸含量的變化Table 7 Variation of proline content in A. amurensis grown under varied watering conditions

由表8可知，側金盞花隨干旱時間的增加，可溶性糖含量逐漸增大，干旱處理前12 d，各處理差異顯著（P＜0.05），干旱8、12、16 d比對照分別增加87.60%、100.48%、103.09%；復水后，可溶性糖含量下降，干旱4 d復水后略高于對照，表明質膜受傷害程度減少，脅迫12、16 d復水后，與干旱組相比，可溶性糖含量分別下降8.09%、8.19%。

表8 側金盞花不同水分狀況可溶性糖含量的變化Table 8 Variation on soluble sugar content in A. amurensis grown under varied watering conditions

從表9可知，側金盞花在干旱處理下，可溶性蛋白含量呈下降趨勢。干旱16 d，可溶性蛋白含量最低，比對照下降78.15%，復水后其含量恢復至對照的37.86%，說明干旱使蛋白質合成受阻，植物受損嚴重，而復水使可溶性蛋白含量得到一定恢復。脅迫4 d復水后其可溶性蛋白含量與對照無顯著差異（P＞0.05），方差分析表明，脅迫12、16 d各處理差異顯著（P＜0.05）。

表9 側金盞花不同水分狀況可溶性蛋白含量的變化Table 9 Variation on soluble protein content in A. amurensis grown under varied watering conditions

2.5.3 干旱脅迫及復水對側金盞花MDA含量、葉片相對電導率的影響 由表10可知，隨干旱程度增加，側金盞花MDA含量逐漸升高，且各處理差異顯著（P＜0.05）。脅迫至16 d達到最大值，比對照增加2.59倍，顯著高于對照與復水處理（P＜0.05），復水過程中，MDA含量有所降低，干旱8 、12 d復水后差異顯著（P＜0.05），脅迫8 、12 、16 d復水后，MDA含量較干旱組分別下降12.31%、31.35%、36.62%，仍顯著高于對照（P＜0.05），干旱16 d復水后MDA含量為對照的2.28倍，表明干旱脅迫程度嚴重時，復水雖使MDA含量有所下降，但仍處于較高水平。

表10 側金盞花不同水分狀況丙二醛含量的變化Table 10 Variation on malondialdehyde content in A. amurensis grown under varied watering conditions

由表11可知，在干旱脅迫下，側金盞花葉片相對電導率逐漸增加，各處理差異達顯著水平（P＜0.05），與對照相比，干旱第8 、12 、16 d分別上升51.03%、102.04%和180.78%，均顯著高于對照（P＜0.05），第16 d時達到最大值；復水后，膜透性均有所恢復，干旱4 、8 d復水后葉片相對電導率略高于對照，干旱16 d復水后是對照的2.09倍，顯著高于對照（P＜0.05）。

表11 側金盞花不同水分狀況相對電導率的變化Table 11 Variation on relative electric conductivity of A.amurensis grown under varied watering conditions

2.5.4 干旱脅迫及復水對側金盞花抗氧化保護酶的影響 由表12所示，干旱處理下，POD活性高于對照和復水處理，呈先升后降趨勢，各處理差異顯著（P＜0.05），側金盞花植株受迫4～8 d時，POD活性上升，脅迫8 d時，比對照顯著提高2.3倍，（P＜0.05），脅迫12 ～16 d，其活性下降，比對照分別上升121.57%、56.42%，顯著高于對照與復水處理（P＜0.05）；復水后，POD活性降低，各處理差異顯著（P＜0.05），干旱4 d復水后其活性與對照相比無顯著差異（P＞0.05），脅迫8、12、16 d復水后，POD活性較復水前分別下降23.60%、25.85%和13.57%，仍顯著高于對照（P＜0.05）。

表12 側金盞花不同水分狀況過氧化物酶活性的變化Table 12 Variation on peroxidase activity of A. amurensis grown under varied watering conditions

由表13可知，隨脅迫程度加大，側金盞花SOD活性呈先升后降趨勢，脅迫0～4 d SOD活性上升趨勢不明顯，說明前期側金盞花可通過調節SOD活性來平衡活性氧代謝、保護膜結構，對外界不良環境進行抵御，脅迫12 d達到最大值，比對照顯著增加58.31%（P＜0.05）；復水后SOD活性下降，干旱4 d復水后略高于對照，脅迫12、16 d復水后其活性較復水前下降23.75%、15.11%。

表13 側金盞花不同水分狀況超氧化物歧化酶活性的變化Table 13 Variation on superoxide dismutase activity of A.amurensis grown under varied watering conditions

2.6 干旱脅迫及復水對側金盞花葉片光合參數的影響

由圖1可知，側金盞花葉片Pn、Tr、Gs、Ci隨著干旱脅迫時間的延長逐漸降低。脅迫8、12、16 d，與對照相比，Pn分別下降22.11%、50.46%、53.81%，干旱12、16 d復水后，Pn較干旱處理分別上升17.76%、8.24%；脅迫8、12和16 d，Tr較對照分別下降20.77%、63.58%、82.92%，復水后Tr有所恢復；干旱8、12和16 d時，G較對照分別下降15.23%、42.74%、53.6%，復水后，Gs較復水前分別上升7.6%、12.32%、14.22%，說明復水可使植物得到一定的緩解；脅迫8、12 d，Ci較對照下降12.21%、30.89%，較復水前分別上升7.32%、6.15%。

圖1 側金盞花不同水分狀況光合參數的變化Fig. 1 Changes in photosynthetic parameters of A. amurensis grown under varied watering conditions

2.7 干旱脅迫及復水對側金盞花葉片熒光參數的影響

從圖2可知，干旱處理下，側金盞花葉片Fo上升，Fm下降。脅迫8、12、16 d，Fo較對照上升28.67%、37.47%、46.44%；脅迫8、12、16 d，Fm比對照分別下降6.35%、12.93%、20.2%。Fv/Fo、Fv/Fm隨脅迫程度加深均表現出下降趨勢。干旱8、12 d，Fv/Fo比對照下降31.57%、44.97%，脅迫16 d，較對照下降57.56%，復水后，其值有所上升；脅迫4 d，與對照相比，Fv/Fm下降不明顯，脅迫8～16 d，較對照分別下降5.1%、9.37%、13.03%，復水過程中，其值有所上升，干旱4 d復水后F/F恢復至對照。

圖2 側金盞花不同水分狀況葉綠素熒光參數的變化Fig. 2 Changes in chlorophyll fluorescence parameters of A. amurensis grown under varied watering conditions

圖3表明，干旱脅迫下，各處理ΦPSⅡ、ETR下降。干旱12、16 d，ΦPSⅡ比對照分別下降26.73%、31.2%，均顯著低于對照（P＜0.05），復水后，其值均增加；脅迫16 d時，ETR值最小，比對照下降31.29%，復水后，其值上升，較復水前升高6.03%。脅迫過程中，qP呈下降趨勢，NPQ逐漸上升，干旱4～8 d，qP比對照降低8.76%、22.7%，脅迫12～16 d，qP值下降較快，比對照顯著下降28.93%、36.38%（P＜0.05）；干旱至16 d，NPQ值最大，比對照顯著上升58.44%（P＜0.05）。復水后，qP、NPQ均有所恢復。

圖3 側金盞花不同水分狀況葉綠素熒光參數的變化Fig. 3 Changes in chlorophyll fluorescence parameters of A. amurensis grown under varied watering conditions

3 討論與結論

干旱脅迫下，側金盞花的正常生命活動受到抑制。徐蘇男等[14]認為，干旱使植物生長緩慢，其干物質量減少，本研究與之結果一致；相關研究表明，復水后成活率和葉片相對含水量是衡量植物脫水耐受性的有效指標[15?16]，葉片相對含水量呈下降趨勢；葉綠素是光能吸收的主要物質，直接影響植物光合作用[17]。本研究中，葉綠素總量不斷降低，可能與植物自身生物學特性等因素有關[18]。

前人研究表明[19?21]，滲透調節物質的積累是植物適應干旱脅迫的機制之一，干旱處理下，Pro和可溶性糖含量持續升高，可溶性蛋白含量先上升后下降，本研究與之略有差異，脅迫12 ～16 d時，脯氨酸含量下降，可能是因植物受害嚴重，導致機能紊亂；可溶性糖含量在干旱16 d達到最大值，表明植物葉片受害程度嚴重，復水后，其含量下降不明顯，說明即使脅迫解除，短期內也未能恢復；可溶性蛋白含量在干旱期間持續下降，復水后有所回升，表明此時植物合成可溶性蛋白的能力增加。由此可知，不同植物在干旱脅迫下其滲透調節物質變化有所不同。

MDA和葉片相對電導率可體現干旱脅迫程度，是植物鑒定耐旱性的重要生理指標[22?23]。本研究中，干旱程度越重，MDA含量和葉片相對電導率越高，說明脅迫時間越長，側金盞花質膜透性變大，細胞膜功能減弱，這與前人[24?25]研究結果一致。POD、SOD是植物體內的重要保護酶，可緩解脂質過氧化物積累而引起的細胞傷害[26]。本試驗中，POD活性在第8 d達到峰值，脅迫0～12 d，SOD活性不斷上升，表明此時植物通過增強保護酶活性來清除活性氧自由基，從而維持細胞膜的穩定性和完整性，這與崔穎等[27]研究結果相似。

植物在干旱處理下，葉片Pn、Gs、Ci和Tr在不同時期呈現不同變化。Farguhar[28]認為Pn、Gs和Ci變化一致時，Pn變化是由Gs引起，反之Pn的變化是由葉肉細胞活性決定的。本試驗中，側金盞花葉片Pn與Gs、Ci均下降，變化規律相同，脅迫12～16 dP恢復不明顯，推測可能是植物受到嚴重脅迫后對光系統的傷害程度較大，這與張林春等[29]研究結果相似。此外，植物通過減小氣孔開度使Tr降低，這也是植物一種抗旱機制[30]。本試驗中，Tr逐漸下降，類似的研究結果也出現在葡萄等植物上[31]。

葉綠素熒光可檢測植株在逆境條件下光合作用的真實行為。Fo是PSII反應中心完全開放狀態時的熒光強度[32]。本研究中，側金盞花葉片Fo增加量與受損程度成正比，表明PSII反應中心遭到破壞。前人研究表明[33]，Fm、Fv/Fo、Fv/Fm是植物抗旱性主要指標，本研究中，均呈下降趨勢，引起其降低的原因是葉片PSⅡ質子醌庫（PQ庫）容量變小，這與康紅梅等[34]研究結果一致；隨干旱脅迫加劇，qP、NPQ呈相反趨勢，復水后，q升高，NPQ下降，表明光合電子傳遞得以恢復，植物通過調整NPQ使其對自身光合結構起保護作用，這與Fernandez等[35]在蘋果幼樹的研究結果相似。ETR的高低在一定程度上反映了PSⅡ反應中心的電子捕獲效率的高低[36]，本試驗中，ETR和ФPSⅡ變化與qP一致，均逐漸減小，ФPSⅡ、qP和ETR顯著下降說明干旱減弱QA的氧化能力及PSII的電子傳遞能力，導致碳同化降低，光合系統受損。

綜上可知，當土壤相對含水量低于29.9%，各項指標變化顯著，側金盞花生長受到明顯抑制；干旱不超過8 d時進行復水，各指標恢復效果明顯，干旱8 d后復水，各指標較對照相比有顯著差異。綜合分析得出側金盞花可承受持續8 d（土壤相對含水量為29.9%）的干旱脅迫，因此，側金盞花在養護管理時，在持續時間低于8 d，土壤相對含水量不低于29.9%時的短期土壤失水時，應及時復水救苗，持續干旱8 d后，土壤相對含水量低于29.9%時，對側金盞花造成不可逆的傷害。