干旱脅迫下不同繡球品種生理響應與抗旱性評價

任倩倩，孫紀霞，張德順，丁兆堂，張英杰，張京偉

(1.山東省煙臺市農業科學研究院 蔬菜花卉研究所，山東 煙臺 265500； 2.煙臺大學 生命科學學院，山東 煙臺 264005； 3.同濟大學 建筑與城市規劃學院，上海 200092； 4.青島農業大學 園藝學院，山東 青島 266109)

繡球為虎耳草科(Saxifragaceae)繡球屬(Hydrangea)觀花植物[1]，其花型飽滿，花色多樣，觀賞期長，在園林綠化和鮮切花市場中廣受歡迎[2]。隨著全球氣候的惡化，世界各地的干旱現象日益頻發[3]，我國是干旱半干旱面積較大的國家，水資源緊缺，園林管護中灌水任務和城市水資源用水需求產生矛盾[4-5]，提高植物抗旱能力已成為植物研究工作中急需解決的關鍵問題之一[6]。大部分繡球品種抗旱性較差，干旱條件下葉片易發生萎蔫，導致觀賞性狀不佳。因此，開展繡球品種的抗旱生理研究，進而篩選和培育抗旱性強的繡球品種具有重要的現實意義。

孟祥麗等[7]在砧木櫻桃抗旱生理研究中表明，葉片中的過氧化氫和超氧陰離子含量會隨著干旱脅迫的加劇而呈上升趨勢。鄒春蕾等[8]在不同果形紅干椒抗旱性研究中得出，不同品種間生理指標在干旱脅迫過程中具有差異性，可作為篩選抗旱性強弱的重要依據。許桂芳等[9]在過路黃抗旱性綜合性評價中提出，抗旱性不能僅利用單一指標或性質相同相互關聯的多指標進行評價，應將多個關系復雜指標進行整合轉換，形成新的，各自獨立或相關較小的少數指標進行綜合評價。本文以6個繡球品種為試材，采用盆栽控水法模擬干旱環境，研究干旱脅迫對繡球生長指標和生理指標的影響，利用主成分分析法、隸屬函數法等進行多指標分析評價。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為花手鞠(Stockings)、頭花(Corsage)、愛你的吻(Love You Kiss)、白色天使(White Angel)、夏祭(Summer Sacrifice)和萬華鏡(Mangek you)6種長勢一致、生長狀況良好的一年生扦插苗。

1.2 試驗方法

2019年9月采用盆栽控水法模擬干旱環境。干旱脅迫前1周澆透水，實驗開始進行停水。以干旱5、10、15、20 d設置T1～T4 4組處理，以正常水分管理作對照(CK)。在干旱脅迫實驗開始前隨機進行生理指標測定，每次于早晨7：00—8：00采樣，選取第2～3層同向成熟葉片，選取同組的葉片混合。

干旱脅迫開始后，觀察記錄所有試驗植株的表觀狀況并進行定性描述；每組處理后每天采樣一次，測定其生理指標。采用烘干法測定相對含水量、根冠比和生物量；采用相對電導率法測定細胞膜透性；采用95%乙醇浸提法測定葉綠素(Chl)含量和類胡蘿卜素(Car)含量；采用氮藍四唑(NBT)法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定丙二醛(MDA)含量；采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性；采用蒽酮比色法測定可溶性糖(SS)含量；采用考馬斯亮藍G-250試劑染色法測定可溶性蛋白(SP)含量；采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測定脯氨酸(Pro)含量。每項指標重復測定3次。

本實驗數據采用Excel 2019和SPSS 20.0軟件進行統計、處理和作圖，參照林蟬蟬等[10]、郭燕等[11]的主成分分析方法、周廣生等[12]的隸屬函數分析方法、張慶華等[13]的聚類分析方法。

2 結果與分析

2.1 方差分析

2.1.1 干旱脅迫對繡球生長指標的影響

由圖1可知，不同繡球品種的生物量在干旱脅迫下均有所下降，白色天使下降幅度最大，其次是愛你的吻，白色天使在抗旱初期變化差異最大，但T1組與T4組對比差異并不明顯。當植物面對長期干旱脅迫時，會通過調節生物量分配來適應新環境[14]。根系是植物吸收水分的主要器官，當根冠比增大時，植物可以增加根部水分的吸收以保證地上部分的生長，從而表現出較強的抗旱性[15]。試驗品種的根冠比均有所提高，但變化幅度并不大。其中夏祭T4組與CK組對比上升最為明顯，約為CK組的2倍，變化幅度最小的是萬華鏡，僅增長了0.11 g。

2.1.2 干旱脅迫對繡球相對含水量和細胞膜透性的影響

植物在遭受水分脅迫時，通常采用測量葉片相對含水量來衡量葉片的持水能力。隨著抗旱時間的延長，各品(系)種均呈現下降趨勢，但不同品(系)種之間有所差異(圖2)。相對含水量降低幅度最大的是夏祭，同時從圖2可以看出，夏祭自身的相對含水量較少，這些都可能與其葉面積小和葉片質地較薄有關。降低幅度最小的為萬華鏡，僅降低了5.81%。由圖2可知，同一品種不同處理間均存在不同程度的差異。各品種的電導率逐漸增加，并且上升幅度有所差異。T3與CK組對比，夏祭、花手鞠、白色天使和愛你的吻已經出現明顯的上升，比CK組分別上升了約4.60、3.66、3.29和2.41倍。T4處理時，夏祭、花手鞠和頭花均加劇上升，而白色天使和愛你的吻在T2處理時大幅上升以后就一直處于緩慢上升狀態。整個干旱過程中萬華鏡一直處于緩慢上升狀態。

2.1.3 干旱脅迫對繡球活性氧代謝系統的影響

由圖3可以看出，各繡球品種在干旱脅迫的過程中MDA的含量均有不同幅度的上升。T4處理相對其他階段上升幅度最大，與CK組相比，上升幅度最大的是夏祭，約為CK組的10.3倍，其次是白色天使，上升幅度最小的是愛你的吻。圖3中各品種的SOD活性普遍呈現出“先上升后下降”的趨勢。結果表明，T1組各品種之間差異并不明顯，與CK組比較顯著上升，均達到最大值。其中上升幅度最大的是夏祭，其次是花手鞠，分別比CK組上升了203.53 U·g-1和200.24 U·g-1。隨著干旱脅迫時間的延長，SOD活性開始下降，T4與CK組相比，下降幅度最大的是萬華鏡，最小的是頭花。圖3中顯示，POD活性與SOD活性總體趨勢表現相似。花手鞠、愛你的吻與白色天使在T4處理后POD活性均低于CK組。由方差分析得出，在花手鞠和頭花不同處理之間POD活性差異不明顯，愛你的吻、白色天使、夏祭和萬華鏡同處理差異比較明顯。

2.1.4 干旱脅迫對繡球光合色素含量的影響

由表1可以看出，各品種隨著抗旱時間的延長，Chl變化幅度差異顯著。在同一干旱脅迫條件下，葉綠素b(Chlb)的變化規律與葉綠素a(Chla)存在差異。花手鞠、頭花、夏祭和萬華鏡的Chlb均呈現“先上升、后下降、再上升”的趨勢。在T4處理時，所有試驗品種的Chlb呈現急劇上升，其中夏祭和白色天使上升幅度最大，與CK組相比分別約上升3.88和2.20倍。葉綠素總量(Chla+b)在T4處理時差異顯著(P<0.05)，其中，萬華鏡和夏祭差異最為顯著，分別比CK組增加了94.33%和90.71%，愛你的吻增幅最小，僅增長了50.83%。Car含量變化較為規律，整體呈現“先下降、后上升、再下降”的趨勢。干旱脅迫過程中，在T3處理時各品種達到Car含量的最大值，但各品種間差異不顯著(P>0.05)。總體來看，萬華鏡的光合色素變化最為穩定，其次是愛你的吻。

表1 干旱脅迫對6個繡球品種光合色素含量的影響

2.1.5 干旱脅迫對繡球滲透調節物質的影響

由表2可知，在繡球受到干旱脅迫時，Pro和SS含量處于上升的趨勢。在T3組夏祭的Pro含量顯著上升，是T2組的3.02倍。而愛你的吻、白色天使和萬華鏡一直處于緩慢上升的趨勢。在T4處理時，各品種Pro含量具有顯著差異(P<0.05)。與CK組相比，Pro含量差異最大的是夏祭，約為CK組的7.79倍。在T2處理時，愛你的吻和夏祭SS含量急劇上升，與CK組相比有顯著性差異(P<0.05)。在干旱脅迫過程中SP含量整體呈“先上升后下降”的趨勢。各品種的SP含量均在T1處理后達到最大值，其中夏祭上升幅度最大。花手鞠、頭花和愛你的吻各品種則在不同處理階段差異不顯著(P>0.05)。

2.2 主成分分析

由于各指標方差分析后得出的抗旱能力強弱結果均不相同，并且各指標間存在顯著性相關關系，根據各T4組數據與CK組數據，求出各指標抗旱系數。通過對各指標的主成分分析得出4個主成分(表3)，4個主成分的方差貢獻率分別占主成分的50.67%、14.06%、10.45%以及6.76%，累計貢獻率達81.94%，說明這4個主要成分可以代替以上15個生理指標作為判斷繡球抗旱性強弱的評價依據。

表3 各因子載荷矩陣、方差貢獻率及累計貢獻率

2.3 綜合評價

2.3.1 隸屬函數分析

由表4可以看出，萬華鏡在U1下的值最大，表現最為抗旱，而夏祭的U1值最小，表現為最不耐旱。根據綜合評價值(D)可以判斷，6個繡球品種(系)的抗旱性綜合排序由強到弱依次為：萬華鏡>愛你的吻>頭花>白色天使>花手鞠>夏祭。

表4 各品種隸屬函數值U(Xi)、權重和綜合評價值(D)

2.3.2 聚類分析

用Q型聚類分析法對綜合評價值(D)進行系統聚類分析。由圖4可以看出，在平方距離為5時，可將繡球分為3大類，其中萬華鏡聚為第Ⅰ類，定義為耐旱型。愛你的吻為第Ⅱ類，定義為中度耐旱型。第Ⅲ類則包括花手鞠、白色天使、頭花和夏祭，定義為不耐旱型。

3 結論與討論

為提高繡球種質篩選效率，以抗旱性為目標，建立了一套繡球抗旱性評價體系，通過分析繡球在抗旱過程中的生理響應，篩選出耐旱性較強的優良品種，并記錄在脅迫環境下耐旱品種的生理指標變化規律及響應特性，為其他繡球品種在抗旱評價方面的篩選提供理論依據。

邱權等[14]在研究中提到干旱脅迫下多數灌木樹種會采取不斷發展根系，促進地下生物量分配，以大幅提高植物根冠比，增加抗旱性這一適應策略。逆境脅迫下，植物葉片的相對含水量在一定程度上代表了植物葉片的保水能力[16]。金膠膠等[17]在研究中表明，隨著干旱脅迫時間的延長，大青楊葉片的相對含水量會持續下降，相對電導率持續上升。這是由于細胞膜遭到破壞后細胞膜透性增大，進而大量電解質外滲造成相對電導率增加[16，18]。研究表明，過度的干旱脅迫會造成葉片中葉綠素含量的大幅度降解，但適度的缺水，反而會導致Chl含量的增加[19-20]。本研究中，Chla含量、Chlb含量和Chla+b含量在T4處理下，含量均高于CK組，這可能與干旱脅迫后繡球葉片相對含水量顯著下降，Chl呈現相對濃縮有關，這與邵慧芳等[21-22]的試驗結論有相似之處。而Chla/b含量和Car含量則要低于對照組，這可能與繡球的光合系統完整性遭到破壞有關[23]。

MDA是細胞膜質過氧化的產物，大量積累會嚴重損傷生物膜[24-25]。因此，通常將MDA含量作為判斷植物受脅迫傷害程度大小的重要指標。MDA含量越多，說明膜脂過氧化作用越強，植物抗旱性越差，MDA含量與抗旱性呈負相關關系[26]。SOD和POD是生物體內非常重要的活性氧清除酶，能夠起到減輕細胞受到氧化傷害的作用[13]。在遇到干旱脅迫時，保護酶在調節系統的響應下發揮作用，當干旱脅迫還在持續時，繡球細胞結構受損，導致過氧化物大量增加，保護酶作用減弱，活性降低[27]。Pro、SS和SP是滲透調節系統的重要組成部分，在干旱脅迫下，滲透調節物質可起到降低滲透勢，維持滲透平衡，保護細胞完整的作用[28]。本研究中，Pro含量和SS含量均呈上升趨勢，萬華鏡的Pro含量和SS含量均在抗旱T4組時急速成倍增加，說明萬華鏡的抗旱能力與Pro和SS具有極大的相關性。各品種的SP含量整體呈“先上升后下降”的趨勢，表明，在干旱脅迫下，植物會通過增加對SP含量的積累，平衡自身的滲透調節物質，從而提高細胞的保水能力，對細胞的生命物質及生物膜起到保護作用。隨著干旱脅迫程度的增加，植物生物膜遭到損壞，導致SP含量緩慢下降。

植物在遇到環境脅迫時，會調節自身生長、生理和基因表達等行為以抵御外界脅迫，因此，在鑒定植物抗旱性時，不能僅從單一指標進行判斷[24]。本實驗以扦插一年生幼苗為材料，首先通過方差分析對不同品種間單個指標進行比較，得出各指標存在顯著性相關關系。再通過主成分分析法得出相對含水量、光合色素、SS含量和生物量4個主成分，代替15個生理指標作為判斷繡球抗旱性強弱的評價依據，各主成分保持獨立、互不相關[10]。參考前人隸屬函數法，根據綜合指標貢獻率求出權重[29]。在此基礎上依次求出綜合指標值和隸屬函數值并進行加權分析，得出具有較強可信性的綜合評價值[13，30]。最后利用聚類分析的方法，根據品種抗旱程度的相似性進行聚類，將6個繡球品種劃分為3個抗旱等級。

綜上所述，本研究將干旱脅迫時間分為4個試驗段進行對照測定，建立繡球抗旱性評價體系，并通過綜合分析得出，6個繡球品種的抗旱性排序由強到弱為：萬華鏡>愛你的吻>頭花>白色天使>花手鞠>夏祭。繡球品種眾多，本實驗僅選擇了6個形態特征具有代表性的新優品種為試驗材料，在扦插一年生期間進行試驗，不能完全代表其幼苗和壯苗時的抗旱性，這一點有待進一步對比試驗。同時本研究僅停留在生理指標層面，關于光合特性、葉片特征以及種質親緣性方面與繡球抗旱性之間的關系將成為未來研究的方向。