火龍果的抗旱生長及生理響應(yīng)

李莉婕，趙澤英，黎瑞君，馮恩英，岳延濱，袁 玲，聶克艷

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所，貴陽 550006；2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716)

【研究意義】植物應(yīng)對干旱脅迫的響應(yīng)是生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域[1]。火龍果(Hylocereuspolyrhizus)于20世紀(jì)90年代初引進(jìn)我國種植，因其生長快，經(jīng)濟(jì)效益高，在川、黔、滇、桂等地的北盤江流域、紅水河流域、金沙江干熱河谷地區(qū)的種植規(guī)模迅速擴(kuò)展[2-3]。這些區(qū)域季節(jié)性干旱嚴(yán)重，水分是作物生長的主要限制因素。因此，研究火龍果對干旱脅迫的響應(yīng)，對于指導(dǎo)其合理灌溉具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】火龍果葉片退化為刺，莖蔓呈肥厚肉質(zhì)狀，含有能夠貯存可溶性物質(zhì)和水的大液泡，以及大量能夠提高細(xì)胞滲透壓和保水性的晶細(xì)胞和粘液物質(zhì)[4]，可在土壤缺水的情況下長時段供給植株光合作用所需水分[5]。作為景天酸代謝途徑植物，良好的灌溉能夠提高火龍果夜晚CO2吸收速率[6]，在商業(yè)化生產(chǎn)中需要充足的水分供應(yīng)才能滿足其生長發(fā)育需求。火龍果每3 d需要攝入0.5 kg水分才能滿足火龍果生長的需求[7]，70%～80%的土壤相對含水量適宜火龍果生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[8]。火龍果適宜生長在土壤較為潮濕的環(huán)境，對淹水脅迫有一定的適應(yīng)能力[9]，但淹水脅迫會導(dǎo)致根系缺氧爛根，枝條長斑，嚴(yán)重影響其生長發(fā)育及產(chǎn)量。在模擬干旱條件下，火龍果組培苗和實生幼苗生長和生理指標(biāo)都受到明顯的影響[10-11]。【本研究切入點】在氣候變暖背景下，干旱呈發(fā)生頻率高、分布地域廣、持續(xù)時間長、時空改變大等特點，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[12]。實施精量灌溉是提高作物水分利用率和生產(chǎn)效率的重要途徑之一[13]。而目前有關(guān)火龍果長期抗旱生長及生理響應(yīng)的報道較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過盆栽試驗，研究長期干旱、復(fù)水交替環(huán)境下火龍果1年生扦插苗生長及生理指標(biāo)的影響，以期為闡明火龍果抗旱機(jī)制、確定火龍果需水閾值提供參考，為科學(xué)制定抗旱策略，精準(zhǔn)灌溉提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在貴州省惠水縣好花紅鎮(zhèn)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)試驗基地的溫室中進(jìn)行。試驗區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，北緯26°17′45″，東經(jīng)107°05′14″，試驗地海拔956.0 m，年降水量1200～1300 mm，年均氣溫16.0 ℃，無霜期290 d。

1.2 材料

試驗土壤為酸性黃壤(pH 5.50，有機(jī)質(zhì)35.03 g/kg，全氮2.33 g/kg，堿解氮157.1 mg/kg，有效磷19.40 mg/kg，速效鉀180.0 mg/kg，緩效鉀227.0 mg/kg。火龍果品種為紫紅龍，一年生紅皮紅肉火龍果扦插苗，主莖高50.5 cm。栽植容器為塑料盆，盆高38 cm，直徑34 cm。

1.3 方法

1.3.1 試驗設(shè)計 每盆裝土13 kg，施入復(fù)合肥20 g(15-15-15)，種植1株火龍果扦插苗，竹條支架固定，滴灌至充足水分。火龍果扦插苗種植4周后(4月1日起)，模擬自然狀態(tài)，進(jìn)行降雨—干旱交替處理，設(shè)正常供水(CK，土壤含水量保持在田間持水量的80%)、輕度干旱脅迫(LD，土壤最低含水量為田間持水量的60%)、中度干旱脅迫(MD，土壤最低含水量為田間持水量的40%)和重度干旱脅迫(SD，土壤最低含水量為田間持水量的20%)4個處理，每個處理3盆，3次重復(fù)。各處理先澆足水分，利用TZS-5X土壤水分傳感器(浙江托普公司生產(chǎn))每3 d測量1次土壤含水量(10 cm深)，當(dāng)土壤水分降至臨界值時行滴灌至水從盆底流出時結(jié)束。6月灌水時將尿素(N 46.0%，15 g/盆)溶于水滴灌，其他管理按常規(guī)。各處理的灌水量及灌水次數(shù)見表1。

表1 試驗各處理的灌水量和灌水次數(shù)Table 1 Irrigation amount and times of different treatments

1.3.2 測定項目及方法 ①植株生長和生物量。試驗開始后每間隔7 d測量新生莖蔓數(shù)量(以新芽長出5.0 cm計)和莖蔓長度(當(dāng)莖蔓長度增長量連續(xù)3次測量低于0.5 cm即認(rèn)為該枝條生長已達(dá)最大)。試驗結(jié)束后，用游標(biāo)卡尺測定一級分枝(從主莖上直接發(fā)出的側(cè)枝)和二級分枝(從側(cè)枝上發(fā)出的新枝)的棱厚(莖蔓中部的棱邊緣至中央維管束之間中點的厚度)。將火龍果植株地上部分和根系稱鮮重后，用刀片將火龍果莖蔓肉質(zhì)皮層劃開，與測定根系形態(tài)后的地下部分一起經(jīng)105 ℃殺青30min，再80 ℃烘干至恒重，計算含水量和根冠比。②植株養(yǎng)分。植株烘干粉碎后，用H2SO4-H2O2消煮，氮用凱氏法，磷用釩鑰黃比色法，鉀用火焰光度計法測定。③根系形態(tài)特征。將根系裝入70目的尼龍網(wǎng)袋中，浸泡30 min后用流水緩慢沖洗干凈。將根系樣本分解后放入裝有水的專用無色透明根盤，用鑷子調(diào)整根的位置盡量避免交叉重疊，用根系掃描儀(Epson Expression 11000XL，Epson company，日本，分辨率為300 dpi)對根系進(jìn)行掃描后，用根系掃描分析系統(tǒng)(WinRHIZO Pro LA 2400，Regent Instruments，加拿大)測量根系總長度、根系總表面積、平均根系直徑和總根體積。④氣孔形態(tài)特征。剪下無任何表觀損傷的成熟肉質(zhì)莖，立刻用刀片將莖蔓切成4 mm×4 mm ×1 mm的組織塊，將其放入盛有2.5%戊二醛的離心管中固定24 h，然后經(jīng)PBS 緩沖液(0.1 mol/L，pH 6.8)清洗3次，分別用55%、65%、75%、85%、95%和100%的乙醇梯度脫水，每次脫水15 min。將脫水處理過的樣品冷凍干燥后，用導(dǎo)電膠粘在樣品臺上，離子濺射儀鍍金膜，然后用掃描電子顯微鏡(S3400，Hitachi，日本)進(jìn)行觀察和拍照。每個處理選取10個視野，用Image J軟件計算氣孔密度、氣孔大小(長度×寬度)等。⑤生理指標(biāo)。將采集的莖蔓樣品經(jīng)液氮(-196 ℃)處理后置于超低溫冰箱(-80 ℃)中保存。采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司試劑盒進(jìn)行超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)的測定；采用露點水勢儀(WP4，Decagon，美國)測定火龍果莖蔓水勢。以上指標(biāo)均重復(fù)3次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和計算，SPSS 20.0 軟件進(jìn)行方差分析和顯著性測驗，LSD法進(jìn)行多重比較，顯著水平為P≤0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對火龍果生長的影響

2.1.1 對地上部生長的影響 從表2可見，各干旱脅迫處理火龍果的新枝總長均低于對照(CK)其中，MD處理下降6.22%，差異不顯著；MD和SD處理莖蔓生長受到嚴(yán)重抑制，分別比CK顯著下降25.61%和66.82%。輕、中度干旱對新枝數(shù)和二級分枝棱厚無顯著影響，但重度干旱使之顯著降低；在輕度干旱處理中，一級分枝棱厚和地上部干重與CK間無顯著差異，但中、重度干旱則顯著降低。說明中度和重度干旱嚴(yán)重影響火龍果地上部分的正常生長。

表2 干旱對火龍果地上部分生長的影響Table 2 Effect of drought on the growth of above ground part of H. polyrhizus

2.1.2 對根系生長的影響 由表3可知，與CK相比，除平均根系直徑外，隨干旱脅迫的加重，火龍果的總根長、根系總表面積、總根體積和根干重均呈逐漸減少趨勢。干旱對根系平均直徑無顯著影響，輕、中、重度干旱條件下降幅為1.09～1.18 mm。輕度干旱處理火龍果的總根長、根系總表面積、總根體積和根干重降幅未達(dá)顯著水平，而中度和重度干旱火龍果的總根長、根系總表面積、總根體積和根干重均顯著低于CK。表明中度和重度干旱嚴(yán)重影響火龍果根系的生長和擴(kuò)展。

表3 干旱對火龍果根系性狀的影響Table 3 Effect of drought on root characteristic of H. polyrhizus

2.1.3 對火龍果莖氣孔參數(shù)的影響 從圖2和表4可知，氣孔形態(tài)和氣孔參數(shù)對干旱脅迫有不同程度的響應(yīng)。輕、中度干旱脅迫下氣孔形態(tài)變化不明顯；重度干旱脅迫下氣孔形態(tài)發(fā)生顯著變化，氣孔明顯下陷，周圍分布較多的針晶或棒狀晶體。重度干旱脅迫下氣孔密度顯著增加，而外部氣孔長度、寬度、氣孔大小、內(nèi)部氣孔長寬、氣孔孔徑均顯著減小；輕、中度干旱脅迫下氣孔密度、外部氣孔長度和內(nèi)部氣孔長度在變化不明顯，但氣孔外寬、內(nèi)寬和氣孔孔徑均顯著小于對照。輕度干旱脅迫下氣孔大小與對照無顯著差異，中度干旱脅迫下氣孔大小與對照有顯著差異。

表4 不同干旱脅迫處理火龍果的莖蔓表皮氣孔參數(shù)Table 4 Stomatal parameter of H. polyrhizu stem and epidermis treated with different drought levels

2.2 干旱脅迫對火龍果植株養(yǎng)分吸收的影響

由表5可知，植株養(yǎng)分含量中， N含量隨著干旱脅迫的加深呈先增加后降低趨勢，各干旱處理均高于對照，除輕度干旱處理顯著高于CK外，其余處理與CK間差異不顯著；植株P(guān)含量和K含量隨著干旱脅迫的加深均呈增加—降低—增加的趨勢，P、K含量除中度干旱低于CK外，輕度和重度干旱處理均顯著高于CK；說明輕度干旱有利于氮和磷吸收，鉀含量則是隨著干旱程度增加整體顯著升高，與其他處理間差異顯著。火龍果植株氮、磷、鉀吸收量以輕度干旱處理(LD)的最高與其他處理間差異顯著；其次是中度干旱處理(MD)，與CK間差異不顯著，其中氮、鉀吸收量顯著高于重度干旱處理(LD)，磷吸收量與LD處理差異不顯著；重度干旱處理(SD)火龍果的氮、磷、鉀吸收量均最低比LD處理分別低21.23%、4.17%和17.55%。

表5 不同干旱脅迫處理火龍果的養(yǎng)分含量和吸收量Table 5 Nutrient content and absorption of H. polyrhizus treated with different drought levels

2.3 干旱對火龍果含水量和抗旱生理指標(biāo)的影響

2.3.1 含水量和水勢 由表6可見，一級分枝和二級分枝含水量均以輕度干旱脅迫(LD)處理的最高，其中，一級分枝各處理含水量表現(xiàn)為LD≥CK≥MD≥SD，二級分枝為LD>CK>MD>SD，說明輕度干旱(LD)處理有利于火龍果莖儲存水分；隨旱情加重，含水量呈下降趨勢，表現(xiàn)出明顯的缺水現(xiàn)象；與CK相比，中度缺水(MD)的一、二級分枝含水量雖有降低但無顯著差異，但重度缺水的二級分枝與MD已存在顯著差異，說明火龍果雖是耐旱植物，但嚴(yán)重干旱條件下新枝的水分蓄積受影響。一、二級分枝的水勢前LD、CK和MD處理間無顯著差異，但SD處理的水勢明顯降低，與CK相比，一、二級分枝的水勢分別降低31.87%和13.31%。

A、B、C、D分別為標(biāo)尺1000 SE 下:CK, LD, MD, SD的氣孔器形態(tài)；a、b、c、d分別為標(biāo)尺100 SE下CK, LD, MD, SD氣孔整體面觀A. B, C and D were stomatal apparatus morphology of CK, LD, MD and SD under 1000 SE scale; a,b,c and d were the overall view of H. polyrhizu stomatas of CK, LD, MD and SD under 100 SE scale圖2 掃描電鏡下火龍果莖蔓表皮氣孔0: 00的形態(tài)Fig.2 Stomatal micro-morphological features of stem and epidermis of H. polyrhizu at 0: 00 under SEM

表6 不同干旱脅迫處理火龍果莖蔓的含水量和水勢Table 6 Water content and water potential of H. polyrhizus stem and epidermis treated with different drought levels

2.3.2 抗氧化酶活性 由表7可見，4個處理中，火龍果莖蔓的SOD和POD活性表現(xiàn)為MD>LD>CK>SD，說明輕度干旱對抗氧化指標(biāo)無影響，中度干旱啟動了SOD和POD抗氧化保護(hù)機(jī)制，其酶的活性顯著升高，但在重度干旱脅迫下，SOD和POD活性明顯降低。CAT表現(xiàn)出在重度干旱條件下顯著升高，其他處理無差異。說明抗氧化酶系對干旱程度的響應(yīng)存在差別。干旱脅迫處理丙二醛(MDA)含量均顯著增加，但各干旱處理間無顯著差異，MDA含量表現(xiàn)為MD>SD>LD>CK，與CK相比，增幅35.31%～56.60%。各處理脯氨酸(Pro)含量表現(xiàn)為MD>SD>LD>CK，中度干旱脯氨酸含量顯著增加，但嚴(yán)重干旱又下降，與對照相比，增幅為8.95%～113.11%。

表7 干旱脅迫下火龍果的抗氧化酶活性變化Table 7 Changes in activities of antioxidant enzymes in H. polyrhizus under drought stress

3 討 論

季節(jié)性干旱是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子之一，其微觀上抑制細(xì)胞生長，宏觀上降低植株的生長速率[14]。因此，生物量和產(chǎn)量的變化是植株對干旱脅迫最直觀的反映。火龍果是貴州省干熱河谷新興的主栽經(jīng)濟(jì)作物，在植株一年的生長過程中，5月中旬后生長速率逐漸加快，6月初的新生枝條生長速率達(dá)最大值，前期的營養(yǎng)生長為后期的生殖生長奠定基礎(chǔ)。本研究發(fā)現(xiàn)，在充足供水條件下，5—6月火龍果莖枝生長速率很快，類似前人研究[15-16]。中、重度干旱脅迫下，火龍果的新枝總長、一級分枝棱厚及地上部干重顯著下降，而輕度干旱的火龍果地上部分干重和一級分枝棱厚均為4個處理的最大值，可能輕度干旱有益于火龍果的生長。對于重度干旱處理(土壤含水量為田間持水量的20%)，普通植物一般都難于忍受，但火龍果卻未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，說明火龍果抗旱性極強(qiáng)，適宜種植在西南干熱河谷地區(qū)，但中、重度干旱顯著抑制火龍果的正常生長，必然影響后期的生殖生長和果實產(chǎn)量。因此，在干熱河谷種植火龍果的過程中，科學(xué)灌水可促進(jìn)火龍果營養(yǎng)生長、莖發(fā)育及干物質(zhì)積累，既能搭建植株骨架，也有利于增加結(jié)果量。

植物根系是吸收水分和養(yǎng)分的重要器官。隨旱情加重，火龍果根系總長度、總表面積和總體積逐漸降低。但值得注意的是，在中度干旱條件下，火龍果根系總長度、總表面積和總體積的降幅達(dá)顯著水平(與正常供水相比)，而只有在重度干旱條件下，火龍果新枝數(shù)、新枝長度和生物量等與生長相關(guān)的參數(shù)才顯著降低。此外，火龍果根系生物量僅占總生物量的極少部分(3.22%～4.71%)，遠(yuǎn)低于一般植物[17-19]，說明火龍果抗旱能力強(qiáng)非根系原因，而與地上部的生物學(xué)形態(tài)、水分保持和生理代謝等密切相關(guān)。

氣孔是CO2固定的主要通道，在干旱條件下，植物為保持水分減少氣孔開放程度，增加氣孔密度，是適應(yīng)干旱脅迫環(huán)境的常用策略[20]。然而，氣孔導(dǎo)度的降低也限制了CO2的固定量，導(dǎo)致光合速率受到抑制和同化減少，并且在形態(tài)上表現(xiàn)為生長抑制和產(chǎn)量損失[21]。輕度干旱脅迫下，細(xì)胞伸長受到抑制，導(dǎo)致葉面積減少，單位面積氣孔數(shù)增加，氣孔密度增加；嚴(yán)重干旱脅迫下，葉片受到嚴(yán)重傷害，氣孔數(shù)量顯著減少，氣孔密度隨之降低[22-23]。本研究中，中度干旱脅迫已引起氣孔大小顯著減小，推測這是影響光合作用，導(dǎo)致生物量下降的原因之一；嚴(yán)重干旱脅迫下，莖表皮氣孔周圍出現(xiàn)大量針晶，含晶異細(xì)胞的形成與干旱環(huán)境有關(guān)，可以提高植物的吸水和保水能力[24]，使火龍果具有強(qiáng)抗旱能力。

火龍果莖由表皮、皮層、維管束和髓組成。其中表皮為多層細(xì)胞組成的復(fù)表皮，皮層由外部的柵欄組織和內(nèi)層的儲水組織、粘液細(xì)胞組成[32]。隨干旱脅迫程度的增加，莖表皮厚度、儲水細(xì)胞數(shù)量增加，皮層及莖總厚度減小[4]。盡管干旱使火龍果含水量和細(xì)胞水勢降低，但降幅遠(yuǎn)低于一般植物[33-34]。在干旱條件下，較高的含水量和細(xì)胞水勢有益于維持光合作用和新陳代謝，并減輕傷害[35]。因此，從生理指標(biāo)看，適度干旱可提高火龍果新枝SOD、POD和CAT的活性。在植物體內(nèi)，SOD、POD、CAT可清除干旱產(chǎn)生的活性氧，避免膜脂過氧化[36]。干旱使植物體內(nèi)的細(xì)胞膜發(fā)生膜過氧化，產(chǎn)生丙二醛[37-38]；脯氨酸積累是干旱傷害程度的重要指標(biāo)之一，傷害愈重脯氨酸含量越高，可增加幾十甚至上百倍[39-40]。盡管干旱使火龍果新枝丙二醛和脯氨酸含量增加，但其增幅遠(yuǎn)低于普通植物[41-42]。因此，在干旱條件下，火龍果抗氧化酶活性提高，傷害程度減輕可解釋其抗旱較強(qiáng)的主要原因。今后將結(jié)合火龍果氣孔運動、光合作用等生理特征的研究，進(jìn)一步開展火龍果蒸騰規(guī)律的探索，以期為火龍果的節(jié)水灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

研究發(fā)現(xiàn)，水分供應(yīng)水平顯著影響火龍果苗的新梢生長速率、生物量、根系形態(tài)和抗性生理指標(biāo)。火龍果具有較強(qiáng)的抗旱性，適宜種植于貴州省季節(jié)性干旱嚴(yán)重、土層淺薄的干熱河谷地區(qū)。輕度干旱脅迫下火龍果的生物量略高于正常供水處理，中、重度干旱顯著影響火龍果苗的新梢生長速率、生物量、根系形態(tài)和酶活性，說明間歇性輕度干旱有利于火龍果的莖蔓生長，長期重度干旱抑制其正常生長。生產(chǎn)中，控制土壤相對含水量為60%左右有利于火龍果樹體的生長發(fā)育。