5 種杜鵑對干旱脅迫的生理響應及抗旱性評價

齊 鳴，王 俊，張 明，倪曉明，楊 梅

（1.杭州西湖風景名勝區(qū)靈隱管理處，浙江 杭州 310013；2.杭州西湖風景名勝區(qū)花港管理處，浙江 杭州 310007）

杜鵑花是杜鵑花科(Ericaceae)杜鵑花屬(Rh-ododendron)植物，其花色多樣、品種豐富、姿形優(yōu)美，既是中國傳統的十大名花之一，也是世界著名的觀賞植物之一。目前，杭州地區(qū)所用的杜鵑花品種大多缺乏芳香，且抗旱性較差、養(yǎng)護成本較高［1］，而專門針對芳香杜鵑應用研究的報道并不多見。為了提高杭州地區(qū)木本芳香植物的應用水平，本試驗以新引進的4種芳香杜鵑為試驗材料，1個杭州應用最為廣泛的品種胭脂蜜為對照［2-4］，采用盆栽控水方式，研究不同程度的干旱脅迫對5 種杜鵑的葉片形態(tài)和生理指標的影響，并對5 種杜鵑的抗旱性進行綜合評價，以期篩選出抗旱性強的芳香杜鵑品種，為杭州地區(qū)芳香杜鵑的推廣應用提供參考和借鑒［5-6］。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

4種芳香杜鵑材料均引自金華市永根杜鵑花培育有限公司，胭脂蜜為杭州本地栽培種，均為生長健壯的3年生苗，各品種特性見表1。2021年3月將長勢一致的盆栽苗進行換盆處理，栽培基質按黃泥∶普通園土∶腐葉土=5∶3∶2比例配制，基質中加入少量過磷酸鈣。每盆栽培基質基本一致，澆水養(yǎng)護1月后開始進行干旱脅迫試驗。

表1 5種參試材料的品種特性

1.2 試驗方法

試驗于2021年4月15日在杭州西湖風景名勝區(qū)靈隱管理處花卉基地大棚內進行。干旱脅迫前充分灌溉杜鵑盆土，停止灌溉后待其自然落干。待土壤水分降至試驗所需的干旱脅迫程度后用JCTR-4G便攜式土壤溫度、水分、鹽分、pH速測儀測定土壤含水量，用稱質量補水法控制土壤含水量在相應的干旱脅迫程度范圍內［7］。

參考相關的研究資料［7-8］并結合杭州夏秋高溫和干旱持續(xù)時間，設置干旱脅迫處理溫度為35 ℃，干旱脅迫處理時間分別為10、20、30 d。處理第1天，測定土壤含水量并設為對照組(CK)(對照的土壤含水量為田間最大持水量的70%~85%)［1］。干旱脅迫10、20、30 d分別達到輕度干旱(LD)(土壤含水量為田間最大持水量的50%~70%)、中度干旱(MD)(土壤含水量為田間最大持水量的30%~50%)、重度干旱(SD)(土壤含水量為田間最大持水量的10% ~30%)。每個處理5盆，每盆1株。分別在干旱脅迫處理的第1天、第10天、第20天、第30天觀察記錄植物葉片形態(tài)。其中，葉片形態(tài)評價參照文獻［5,9］進行。同時選取中部成熟葉片，剪碎混勻后進行相關生理生化指標測定，每種杜鵑每個處理設置3次重復。

1.3 抗旱指標的測定方法

1.3.1 旱害指數統計 葉片萎蔫通常是植物受干旱脅迫最為直觀的表現。因此，以葉片的形態(tài)表現為依據，劃分干旱脅迫對杜鵑影響的程度最為方便。參考已有的旱害分級資料［9］及杜鵑的植物學特性，并結合本試驗的觀察結果，將杜鵑植株受害程度分為5個級別。分級標準如下：

Ⅰ級(生長正常)：葉片正常生長，無受害癥狀。

Ⅱ級(輕度萎蔫)：30%以下葉片萎蔫并失去應有的光澤，葉片卷曲不足10%，無焦枯。

Ⅲ級(中度萎蔫)：50%以上葉片萎縮，超過30%葉片卷曲，10%以下葉片焦枯。

Ⅳ級(重度萎蔫)：70%以上葉片萎縮且葉片卷曲超過50%，顏色顯著深于該品種的正常顏色，50%以上葉片變黃，30%左右葉片焦枯。

Ⅴ級(極重度萎蔫)：莖葉超過90%完全萎縮，80%以上葉片完全變黃，50%以上葉片焦枯，甚至整株死亡。

每隔2 d觀察1次。調查時，每種杜鵑隨機選擇長勢均勻的植株5株，每株隨機調查60張葉片，共調查300張葉片，記錄葉片的形態(tài)變化與相應傷害級值的葉片數。按如下公式計算5種杜鵑旱害指數。其值越低，說明受害程度越輕。

旱害指數＝(1S1+2S2+3S3+4S4+5S5)/調查葉片總數，其中，S1~S5為各級值下傷害的葉片數。

1.3.2 生理指標的測定 采用烘干和飽和稱重法測定葉片相對含水量(RWC)和自然飽和水分虧缺(WSD)，通過以下公式進行計算：葉片相對含水量(%)=(Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%，其 中，Wf為 鮮 重，Wd為干重，Wt為飽和鮮重。葉片自然飽和水分虧缺(%)=1-相對含水量(%)。生理指標的測定參考李合生［10］的方法：采用電導法測定葉片細胞膜透性。相對電導率采用浸泡法通過電導儀進行測定，通過以下公式進行計算：相對電導率(%)=(Ta-Tc)/(Tb-Tc)×100%，其中，Ta為35 ℃處理不同時間后冷卻至室溫下的電導率，Tb為100 ℃水浴后冷卻至室溫后電導率，Tc為室溫25 ℃下的電導率。脯氨酸(Proline)含量采用茚三酮顯色法測定；葉片可溶性蛋白質含量(Soluble protein)采用考馬斯亮藍染料結合法測定；可溶性糖(Soluble sugar)含量采用蒽酮比色法測定；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法測定；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外可見光法測定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)法測定。

1.4 抗旱性綜合評價

根據干旱脅迫后測定的各項指標，采用模糊數學中的隸屬函數值法進行抗旱性綜合評價［11］。如果某一指標與抗旱性呈正相關，則采用隸屬函數計算，計算公式為：Xμ=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。若某一指標與抗旱性呈負相關，則采用反隸屬函數計算，計算公式為：Xμ=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，式中：Xμ為某品種某一指標的隸屬值，Xi為某品種某一指標的測定值，Xmax、Xmin分別為某一測定指標所有供試材料中的最大值、最小值。將各指標的抗旱隸屬函數值累加后求其平均值，以平均隸屬函數值排序，平均值越大，抗旱性越強。參考已有的隸屬函數的定級標準［11］并結合本試驗的結果，確定抗旱分級為：隸屬度≥0.7為強抗；隸屬度≥0.6為抗；隸屬度≥0.4為中抗；隸屬度≥0.3為弱抗；隸屬度＜0.3為不抗。以此標準對抗旱性進行定級。試驗數據采用Excel 2013和SPSS 19.0統計軟件進行方差分析，并對同類數據進行差異顯著性檢驗［12］。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對杜鵑葉片形態(tài)和生理指標的影響

2.1.1 對植株葉片形態(tài)的影響 從表2可知，隨著干旱脅迫程度的加劇，植株受害加重。在輕度干旱脅迫下，刺毛杜鵑、嶺南杜鵑、麂角杜鵑、馬銀花的葉片未出現明顯的形態(tài)變化，對照品種胭脂蜜出現輕度的萎蔫。隨著干旱脅迫天數的增加，土壤含水量持續(xù)降低，不同品種的受害程度均明顯加劇。在干旱脅迫20 d后，刺毛杜鵑、嶺南杜鵑、麂角杜鵑3個品種的葉片均出現較為明顯的萎蔫現象，而胭脂蜜萎蔫最為嚴重，大部分葉片出現萎蔫、少量卷曲。干旱脅迫30 d后，所有品種均受到傷害，其中，胭脂蜜受害最為嚴重，葉片完全萎縮、枯黃，旱害指數為4.20；刺毛杜鵑受害較輕，旱害指數為3.16。5種杜鵑的抗旱性排序為：刺毛杜鵑＞麂角杜鵑＞嶺南杜鵑＞馬銀花＞胭脂蜜。

表2 干旱脅迫下5種杜鵑的旱害指數

2.1.2 對植株生理指標的影響

2.1.2.1 對葉片相對含水量和飽和水分虧缺的影響 由圖1可知，干旱脅迫當天，5種杜鵑葉片相對含水量基本一致。干旱脅迫10 d后開始出現差異，胭脂蜜與馬銀花差異不顯著，嶺南杜鵑與馬銀花差異也不顯著。但與麂角杜鵑均有顯著差異。說明胭脂蜜與馬銀花失水較為嚴重。隨著干旱脅迫時間的延長，差異越發(fā)明顯。20 d后馬銀花的相對含水量在參試的4個芳香杜鵑品種中最低，為56.83%；其次為麂角杜鵑，為65.43%；再次為刺毛杜鵑，為70.70%；嶺南杜鵑的最高，為72.13%。但以上4個品種均顯著高于對照胭脂蜜的32.63%。干旱脅迫30 d后，4個品種間差異更為顯著，其中，馬銀花的相對含水量最低，為24.53%；麂角杜鵑和嶺南杜鵑次之，分別為35.60%和31.20%；刺毛杜鵑的最高，仍保持42.10%。4個芳香杜鵑品種的葉片相對含水量均顯著高于對照胭脂蜜，此時，胭脂蜜的相對含水量僅為12.50%。

圖1 干旱脅迫下5種杜鵑的相對含水量

由圖2可知，對參試5個品種的自然飽和水分虧缺分析來看，結論與相對含水量的表現完全一致。即干旱脅迫30 d后，5種杜鵑的自然飽和水分虧缺均非常嚴重，均在50%以上。尤其以胭脂蜜虧缺最多，達到了87.50%。這說明胭脂蜜的抗旱能力最差；其次分別為馬銀花、嶺南杜鵑、麂角杜鵑，飽和水分虧缺分別達到了75.47%、68.80%、64.40%；虧缺最少的是刺毛杜鵑，僅為57.90%。

圖2 干旱脅迫下5種杜鵑的自然飽和水分虧缺

2.1.2.2 對葉片相對電導率的影響 由圖3可知，5種杜鵑干旱脅迫10 d后電導率變化趨勢并不明顯，20 d后變化開始明顯，干旱脅迫30 d后相對電導率持續(xù)增高。此時，相對電導率最高的是胭脂蜜，其次是馬銀花，相對電導率分別為67.55%和50.38%，最低為刺毛杜鵑，僅為35.31%，說明這2種杜鵑細胞受損最嚴重。在整個干旱脅迫過程中，葉片相對電導率增幅最大的是胭脂蜜；其次是嶺南杜鵑和馬銀花，分別增加0.81和0.75倍；增幅最小的是刺毛杜鵑，僅增加0.31倍。由此說明刺毛杜鵑、嶺南杜鵑、麂角杜鵑對干旱有較強的抵抗力，其中以刺毛杜鵑的抗干旱能力最強。

圖3 干旱脅迫下5種杜鵑的相對電導率

2.1.2.3 對葉片滲透調節(jié)物質的影響 由圖4可知，隨著干旱脅迫程度的加劇，5種杜鵑的可溶性蛋白含量均不斷地增加，但增加幅度明顯不同。其中，刺毛杜鵑、麂角杜鵑的增加幅度較大，胭脂蜜和馬銀花的增加幅度較小。干旱脅迫30 d后，可溶性蛋白含量最高的是刺毛杜鵑，為4.27 mg/g；其次為麂角杜鵑，為3.88 mg/g；胭脂蜜的可溶性蛋白質含量最低，僅為3.18 mg/g。與開始干旱脅迫時相比，可溶性蛋白質含量增幅最大的是刺毛杜鵑，達83.26%；胭脂蜜的增幅最小，僅為40.71%。由此可知，抗旱性較強的是刺毛杜鵑和麂角杜鵑，最弱的是胭脂蜜。

圖4 干旱脅迫下5種杜鵑的可溶性蛋白質含量

由圖5可知，5種杜鵑經過干旱脅迫30 d后，葉片的可溶性糖含量均呈不斷上升的趨勢，且差異非常顯著，其中增幅最大的是麂角杜鵑，達118.18%；其次為嶺南杜鵑和馬銀花，增幅分別為83.47%和76.93%；增幅最小的是胭脂蜜，僅為49.85%。可溶性糖含量最高的為嶺南杜鵑，為63.7 μg/g；其次為麂角杜鵑和刺毛杜鵑，分別為52.08和45.41 μg/g；馬銀花的最低，僅為32.82 μg/g。5種杜鵑的平均可溶性糖含量為45.94 μg/g。因此，從該指標來看，抗旱性較強的為麂角杜鵑和嶺南杜鵑，其次為刺毛杜鵑，馬銀花和胭脂蜜的抗旱性較差。

圖5 干旱脅迫下5種杜鵑的可溶性糖含量

由圖6可知，在不同程度干旱脅迫下，5種杜鵑的游離脯氨酸(Pro)含量與對照相比增加均較明顯。變化趨勢最明顯的是刺毛杜鵑和麂角杜鵑。干旱脅迫30 d后增幅最明顯的是胭脂蜜，為86.76%；其次是麂角杜鵑和馬銀花，增幅分別為62.86%和58.77%；最小的為嶺南杜鵑，增幅僅為32.41%。但從干旱脅迫30 d后的游離脯氨酸含量來看，最高的為刺毛杜鵑，其次為麂角杜鵑和嶺南杜鵑，最低的為胭脂蜜，含量分別為164.66、136.61、112.27和87.59 μg/g。由此說明，刺毛杜鵑具有較強的通過增加游離脯氨酸含量來抵抗干旱脅迫的能力，而胭脂蜜則相對較差。

圖6 干旱脅迫下5種杜鵑的游離脯氨酸含量

由圖7可知，在30 d干旱脅迫后，杜鵑葉片的丙二醛(MDA)含量不斷積累，所有杜鵑的MDA含量均有不同程度的增加，但增加的幅度存在顯著的差異，增加較多的是胭脂蜜和馬銀花。干旱脅迫30 d后，胭脂蜜和馬銀花的MDA含量最高，均為0.048 μmol/g，分別比開始干旱脅迫時增加了2.69和2.00倍；其次是麂角杜鵑，為0.038 μmol/g，比開始干旱脅迫時增加了1.11倍；較低的為刺毛杜鵑和嶺南杜鵑，分別為0.023和0.026 μmol/g，分別比開始干旱脅迫時增加了1.40和1.27倍。由此說明在嚴重干旱脅迫下刺毛杜鵑和嶺南杜鵑的受害程度較輕。

圖7 干旱脅迫下5種杜鵑的丙二醛含量

2.1.2.4 植物抗氧化酶系統 由圖8可知，隨著干旱脅迫時間的延長，5種杜鵑的超氧化物歧化酶(SOD) 活性均呈先上升后下降的趨勢，且幅度不一。干旱脅迫30 d后，5種杜鵑的SOD酶活性存在顯著差異，平均為334.48 U/mg，其中刺毛杜鵑、嶺南杜鵑、麂角杜鵑的SOD酶活性比較接近，分別為366.16、370.96和369.62 U/mg。而胭脂蜜的SOD活性最低，僅為275.08 U/mg。在輕度干旱脅迫條件下，馬銀花和胭脂蜜的SOD酶活性增幅較大，分別在初始基礎上增加了11.04%和18.87%，說明這2種杜鵑對干旱脅迫最為敏感。在中度干旱脅迫下，增幅較大的是刺毛杜鵑和胭脂蜜，分別在初始基礎上增加了36.38%和28.46%；其他3種杜鵑的SOD酶活性增幅相對較小，分別為19.02%、21.03%和23.15%。說明隨著干旱脅迫程度進一步加劇，植物體內的SOD酶活性進一步增加，對干旱的抵抗力進一步加強，尤以嶺南杜鵑、麂角杜鵑和刺毛杜鵑最為突出，SOD酶活性分別達到370.96、369.62和366.16 U/mg。但干旱脅迫30 d以后，5種杜鵑的SOD酶活性則呈下降的趨勢，而且非常明顯，說明5種杜鵑對干旱的抵抗能力已到極限，體內SOD酶活性不再增加，反而下降。

圖8 干旱脅迫下5種杜鵑的超氧化物歧化酶活性

由圖9可知，5種杜鵑過氧化氫酶(CAT)活性的變化趨勢與SOD酶活性類似，隨著干旱脅迫時間的延長，所有品種均不斷地上升，但幅度不一，干旱脅迫30 d后持續(xù)下降。說明后期5種杜鵑的CAT酶活性均受到不同程度的抑制。干旱脅迫30 d后，5種杜鵑的CAT酶活性存在較大差異，平均為315.55 U/mg，其中嶺南杜鵑的酶活性最高，為358.41 U/mg；其次為刺毛杜鵑和麂角杜鵑，CAT酶活性分別為335.46和326.08 U/mg；馬銀花和胭脂蜜的CAT酶活性較低，分別為283.35和274.43 U/mg。干旱脅迫結束后，CAT活性增幅最大的是嶺南杜鵑，比對照增加了40.43%；增幅較小的是馬銀花和胭脂蜜，僅分別增加了19.53%和13.46%。由此可見，嶺南杜鵑、刺毛杜鵑和麂角杜鵑具有較高的通過調節(jié)CAT酶活性來抵抗干旱脅迫的能力。

圖9 干旱脅迫下5種杜鵑的過氧化氫酶活性

2.2 5個杜鵑品種抗旱性的綜合評價

隸屬函數分析結果表明(表3)：刺毛杜鵑、嶺南杜鵑和麂角杜鵑的隸屬函數值均在0.7以上，屬于強抗旱品種；而胭脂蜜和馬銀花的隸屬函數值在0.3以下，屬不抗旱類型。5個品種抗旱性強弱排序為：刺毛杜鵑＞嶺南杜鵑＞麂角杜鵑＞馬銀花＞胭脂蜜。這與實際觀測的結果基本一致。

表3 5種杜鵑各項生理指標的抗旱隸屬函數值及其排名

3 小結與討論

本研究發(fā)現，5種杜鵑對干旱脅迫的敏感程度不同，同一杜鵑在不同干旱脅迫時間所表現的旱害程度也不一樣。其中，胭脂蜜對干旱最為敏感，旱害指數最高，抗旱性最差，這與胡肖肖等［4］的研究結論基本一致。而刺毛杜鵑在整個干旱脅迫過程中，旱害指數都低于其余4個品種，抗旱性最強，且干旱脅迫10 d后仍能保持正常生長。這與楊華等［13］的研究結論完全一致。4種杜鵑的旱害指數均低于對照胭脂蜜，說明抗旱性均優(yōu)于胭脂蜜；5種杜鵑葉片相對含水量的變化也從另一個側面印證了這一點。本研究發(fā)現，同種杜鵑在不同干旱脅迫處理下水分降低的幅度不一樣且隨著干旱脅迫程度的加劇，下降幅度明顯增大。所有杜鵑在干旱脅迫后，相對含水量均有不同程度的降低，且差異明顯。研究表明干旱脅迫30 d后，相對含水量最高的是刺毛杜鵑，其次為麂角杜鵑，最低為胭脂蜜。

細胞膜透性和膜脂過氧化程度可以反映植物在干旱脅迫下的受害程度［6］。干旱脅迫使得細胞內物質大量外滲，電導率增大，細胞膜脂過氧化程度加深，從而影響細胞膜結構與功能［14-15］。本研究表明，隨著干旱脅迫程度的加重，所有杜鵑品種的相對電導率均升高。與對照相比，4種杜鵑在重度干旱脅迫下相對電導率有了不同程度的提高，差異顯著，表明4種杜鵑在干旱脅迫下，葉片細胞膜均受到了不同程度的損傷，但均不及胭脂蜜，這與李娟等［1］的研究結果一致。而胭脂蜜的相對電導率提高最為明顯，說明胭脂蜜受害最為嚴重。抗旱性強的刺毛杜鵑的相對電導率在前20 d干旱脅迫中，變化不明顯，僅在30 d后開始增加；而抗旱性弱的品種胭脂蜜和馬銀花則在干旱脅迫開始時就上升明顯。

滲透調節(jié)是植物在干旱逆境下的一種適應性反應。可溶性蛋白質和可溶性糖是重要、有效的有機滲透調節(jié)物質，能反映植物抵抗干旱脅迫的能力［10］。一般情況下，隨著干旱脅迫時間的延長，植物體內可溶性蛋白質和可溶性糖的含量會增加，以增強植物抵抗干旱脅迫的能力［9］。本試驗也證明了這一點，干旱脅迫處理使得5種杜鵑的可溶性蛋白質和可溶性糖的含量與對照相比明顯增加。在5種杜鵑品種中，增幅最小的為胭脂蜜，說明其他4種杜鵑的抗旱性明顯優(yōu)于對照胭脂蜜；增加較多的為刺毛杜鵑和麂角杜鵑，說明其抗旱性明顯優(yōu)于其他幾個品種。

在環(huán)境干旱脅迫下，植株體內膜脂過氧化作用將加劇，引起膜脂過氧化產物(MDA)的增加，同時激活清除這些活性氧的保護酶系統，如CAT、POD和SOD等，清除體內產生的活性氧［16］。本研究表明，在干旱脅迫下，杜鵑葉片的CAT活性、SOD活性先上升后下降，說明保護酶系統活性不斷增強，但在重度干旱脅迫后的酶系統活性可能受到抑制。在中度和重度干旱脅迫下，刺毛杜鵑、麂角杜鵑和嶺南杜鵑的CAT、SOD酶活性均顯著高于其他品種，說明在干旱脅迫下這3種杜鵑葉片抗氧化能力較強。這一點與李暢等［17］的研究結論基本一致。

在干旱脅迫后，5種杜鵑葉片內的MDA含量一直升高，說明傷害程度不斷加深。而刺毛杜鵑、嶺南杜鵑和麂角杜鵑的MDA含量顯著低于其余2種杜鵑，說明這3種杜鵑受害較輕，受害最嚴重的是胭脂蜜和馬銀花。

觀察5種杜鵑葉片特點也可以發(fā)現有差異，刺毛杜鵑、嶺南杜鵑、麂角杜鵑的葉片均為革質，刺毛杜鵑的葉片還有刺毛分布，而嶺南杜鵑的葉片較小，這減少了水分的蒸發(fā)，有利于保持葉片的水分。此外，刺毛杜鵑還有一個特點就是根系比較發(fā)達，所以表現出較強的抗旱性。而胭脂蜜和馬銀花的葉片較薄、保水能力較差、蒸騰作用明顯，故表現了較弱的耐旱性。這一點通過此次研究得到了印證。刺毛杜鵑、麂角杜鵑、嶺南杜鵑因其芳香且耐旱、養(yǎng)護成本低，有望在今后替代杭州地區(qū)的現有部分品種。

本試驗僅僅是對芳香杜鵑抗旱性研究的初步嘗試，由于受試驗條件的限制，干旱脅迫天數劃分過于粗略，獲得的僅為初步結論。由于植物的抗旱性常受多種環(huán)境因素的影響，要想準確了解這幾種杜鵑的抗旱性，最好能再從空氣濕度、光照條件、土壤營養(yǎng)條件等［18-20］方面進行進一步研究。