10個空氣鳳梨品種對干旱脅迫的生理響應及抗旱性評價

丁久玲， 孟海濤， 鄭凱*

(1.江蘇農林職業技術學院 生物工程技術中心，江蘇 句容 212400； 2.江蘇句容慢生活生態農業有限公司，江蘇 句容 212400)

空氣鳳梨為鳳梨科(Bromeliaceae)鐵蘭屬(Tillandsia)多年生草本植物，包括近550個品種和90個變種。原產于中、南美洲熱帶、亞熱帶地區，具有較強的抗逆性。20世紀80年代開始在國外流行，目前已成為室內裝飾的新寵。空氣鳳梨為氣生植物，生長在空氣中，栽培時不需泥土，又具有吸收甲醛、重金屬等有害物質的特點，一經引進至我國就受到許多人的喜愛和關注。目前空氣鳳梨相關研究尚處于起步階段，僅限于作為空氣污染指示植物和去除環境污染的修復植物[1-4]及其地域分布[5]、開花性狀[6-7]、栽培管理[8-10]、繁殖技術[11-13]等方面。國內外關于空氣鳳梨抗旱性的研究僅有少量報道[14]。空氣鳳梨大部分品種抗逆性較強，但品種抗旱性強弱及其抗旱機理尚不明確。因此，有必要開展空氣鳳梨抗旱性探索，填補國內外鐵蘭屬植物關于抗旱性評價和抗旱生理響應方面的空白，為空氣鳳梨的廣泛應用提供理論依據。本研究以10個空氣鳳梨品種為材料，對其進行PEG-6000模擬干旱處理，分析不同品種在干旱脅迫下的生理響應，并采用隸屬函數法對其抗旱性進行綜合評價。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為貝吉(T.Bergeri)、貝克立(T.Brachycaulos)、鱗莖(T.Bulbosa)、休斯頓(T.Houston)、小精靈(T.Ionantha)、斯垂科(T.Stricta)、細葉(T.Tenuifolia)、三色(T.Tricolor)、松蘿(T.Usneoides)、維路提(T.Venlutina)10個品種，所有供試材料均取自江蘇省句容慢生活生態農業有限公司的溫室大棚。

1.2 處理設計

每個品種選取生長一致、大小均勻的植株置于人工氣候箱內(溫度25 ℃，光照強度4 000 lx，12 h光培養/12 h暗培養)。采用不同濃度PEG-6000進行模擬干旱處理，設置10%、20%、30%共3個處理，分別為T1、T2、T3，每個處理10個單株，3次重復，CK組用水替代PEG-6000溶液。每天噴施，確保植株完全浸潤，處理10 d后采樣進行指標測定。

1.3 生理生化指標測定

葉綠素(Chl)含含量的測定采用乙醇提取法[15]；游離脯氨酸(Pro)含量的測定利用脯氨酸分光光度計試劑盒法；丙二醛(MDA)含含量的測定利用丙二醛分光光度計試劑盒法；超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定利用超氧化物歧化酶分光光度計試劑盒法；過氧化物酶(POD)活性的測定利用過氧化物酶分光光度計試劑盒法；過氧化氫酶(CAT)活性的測定利用過氧化氫酶分光光度計試劑盒法。以上試劑盒由蘇州科銘生物技術有限公司提供。

1.4 抗旱性綜合評價方法

用隸屬函數法[16]對10個空氣鳳梨品種的抗旱性進行綜合評價，隸屬函數值越大，植物的抗旱性越強。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對空氣鳳梨Chl含量的影響

由表1可知，供試空氣鳳梨葉片Chl含量隨PEG-6000濃度的增加均呈下降趨勢，其含量和降低幅度因品種而異。貝吉在各干旱處理下其葉片Chl含量差異不顯著；貝克立、鱗莖、休斯頓、維路提4個品種在各干旱處理下其葉片Chl含量均顯著低于對照；貝克立和休斯頓在20%和30%干旱處理下其Chl含量顯著低于10%處理；鱗莖和維路提在30%干旱處理下顯著低于10%處理；小精靈、斯垂科、細葉、三色和松蘿5個品種在10%處理下其Chl含量與對照相比差異不顯著，其中小精靈和細葉在20%和30%干旱處理下其Chl含量顯著低于10%處理，兩處理間差異不顯著，斯垂科和三色在20%和30%干旱處理下其Chl含量顯著低于10%處理，且兩處理間差異顯著。

CK、T1、T2、T3處理下空氣鳳梨葉片Chl含量的均值分別為387.32、358.92、328.16和301.68 μg·g-1。與對照相比，各干旱處理下Chl含量的均值分別降低了28.40、59.16和85.64 μg·g-1，呈明顯的遞減趨勢。30%干旱處理與對照相比較，貝吉葉片Chl含量的減少量最少；其余9個品種葉片Chl含量下降率由低到高的順序依次為松蘿、休斯頓、細葉、貝克立、小精靈、鱗莖、三色、斯垂科和維路提。

植物葉片Chl含量下降的越多，其光合作用越弱，相應地生長表現不良，從而間接表明其抗旱性越弱。本研究表明，貝吉光合作用最強，其次是松蘿、休斯頓，最弱的是維路提。

2.2 干旱脅迫對空氣鳳梨Pro含量的影響

干旱脅迫下，植物體內有效滲透調節物質Pro含量會大大增加，其含量的多少在一定程度上反映了植物抗旱性的強弱[17]。由表2可看出，供試空氣鳳梨Pro含量隨干旱脅迫的加劇均呈增加趨勢，其含量和增加幅度因品種而異。除細葉外，其他品種在各干旱處理下Pro含量均顯著高于對照。細葉在10%干旱處理下其Pro含量與對照相比差異不顯著，20%和30%干旱處理下其Pro含量差異顯著，且顯著高于對照和10%處理；貝吉和三色在各干旱處理下其Pro含量均顯著高于對照，20%和30%處理下其Pro含量顯著高于10%處理，且二者差異不顯著；其他7個品種在各干旱脅迫下其Pro含量均顯著高于對照，且處理間均差異顯著。

表2 干旱脅迫對空氣鳳梨Pro含量的影響

CK、T1、T2、T3處理下空氣鳳梨Pro含量的均值分別為36.32、47.91、60.11和67.32 μg·g-1。與對照相比，各處理空氣鳳梨Pro含量的均值分別上升了11.59、23.79和31 μg·g-1，呈明顯的遞增趨勢。30%干旱脅迫處理下，與對照相比，松蘿Pro含量增加的最多；其余品種Pro含量上升量由高到低的順序依次為維路提、貝吉、貝克立、休斯頓、斯垂科、小精靈、鱗莖、細葉和三色。

從Pro含量這一指標可判斷，10個空氣鳳梨品種的抗旱性強弱順序與各品種在干旱脅迫下Pro含量上升幅度的排序相關。本研究表明，松蘿Pro含量增加最高，其次是維路提、貝吉和貝克立，最弱的是三色。

2.3 干旱脅迫對空氣鳳梨MDA含量的影響

干旱脅迫下，植物體受到傷害，膜脂會發生過氧化作用，MDA是膜脂過氧化的重要產物之一，會加劇膜的損傷[18]。由表3可知，干旱脅迫下，10個空氣鳳梨品種MDA含量隨干旱脅迫的加劇均呈增加趨勢，其含量和增加幅度因品種而異。貝吉、松蘿和維路提3個品種在10%干旱處理下其MDA含量與對照相比差異不顯著，20%和30%干旱處理其MDA含量顯著高于對照；其余7個品種在各干旱脅迫下其MDA含量均顯著高于對照。

表3 干旱脅迫對空氣鳳梨MDA含量的影響

CK、T1、T2、T3處理下空氣鳳梨MDA含量的均值分別為12.14、14.75、16.87和18.68 nmol·g-1。與對照相比，各處理MDA含量的均值分別上升了2.61、4.73和6.54 nmol·g-1，呈明顯的遞增趨勢。30%干旱脅迫與對照相比，維路提MDA含量增加的最少；其次是松蘿；其余品種MDA含量上升率由低到高的順序依次為貝吉、鱗莖、三色、小精靈(休斯頓)、細葉(斯垂科)和貝克立，其中貝克立MDA含量增加的最多，細葉和斯垂科MDA含量增加的也較多。

MDA含量越高，表明植物在干旱脅迫條件下受傷害愈嚴重，其抗旱能力越弱。根據供試空氣鳳梨在干旱脅迫下MDA含量的生理響應，維路提和松蘿MDA含量最低，其次是貝吉，貝克立、細葉和斯垂科均較高。

2.4 干旱脅迫對空氣鳳梨SOD活性的影響

SOD是植物體內清除活性氧的主要保護酶之一，其活性高低在一定程度上決定著植物抗逆性的強弱[19]。10個空氣鳳梨品種SOD活性隨干旱脅迫的加劇均呈增加趨勢，其含量和增加幅度因品種而異(表4)。各品種干旱脅迫下SOD活性顯著高于對照，且各干旱處理間(除三色外)差異顯著；三色10%和20%干旱處理間其SOD活性差異不顯著，顯著低于30%干旱處理。

表4 干旱脅迫對空氣鳳梨SOD活性的影響

CK、T1、T2、T3處理下空氣鳳梨SOD活性均值分別為293.14、381.81、462.12和500.24 U·g-1。與對照相比，各處理SOD活性均值分別上升了88.67、16.98和207.10 U·g-1，呈明顯的遞增趨勢。30%干旱脅迫下，與對照相比貝吉SOD活性增加的最多；其余品種SOD活性上升率由高到低依次為休斯頓、鱗莖、斯垂科、貝克立、松蘿、細葉、小精靈、維路提和三色。

SOD活性越高，表明植物在干旱脅迫條件下抗活性氧傷害的能力越強，其抗旱能力亦越強。依據SOD活性的變化認為，供試的10個空氣鳳梨品種的抵御活性氧傷害能力為貝吉最強，其次是休斯頓，三色最弱，小精靈和維路提亦較弱。

2.5 干旱脅迫對空氣鳳梨POD活性的影響

POD是對環境變化較為敏感的保護性酶，能通過氧化相應基質清除低濃度的過氧化物[20]。POD活性越高，表明植物在干旱脅迫下受傷害越小，其抗旱能力亦越強。10個空氣鳳梨品種POD活性隨干旱脅迫的加劇呈先增加后降低的趨勢(表5)，從對照到20%干旱處理POD活性逐漸升高，20%處理時POD活性達到最高(顯著高于其他干旱處理)，30%處理下POD活性下降。貝吉、貝克立、鱗莖、休斯頓、斯垂科和維路提6個品種在各干旱處理下其POD活性均顯著高于對照，其中休斯頓、斯垂科和維路提3個品種在30%干旱脅迫下其POD活性降低至低于10%處理，其余3個品種其POD活性稍高于10%處理。小精靈、細葉、三色和松蘿4個品種在10%和20%處理下其POD活性顯著高于對照和30%處理，對照和30%處理下其POD活性差異不顯著，均較低；其中，小精靈在30%干旱脅迫下的POD活性下降較多，稍低于對照。

表5 干旱脅迫對空氣鳳梨POD活性的影響

CK、T1、T2、T3處理下空氣鳳梨POD活性均值分別為141.28、184.94、270.87和165.91 U·g-1。與對照相比，各干旱脅迫下空氣鳳梨POD活性均值分別上升了43.66、129.59和24.63 U·g-1，呈明顯的先增后減趨勢。30%干旱脅迫下，與對照相比，斯垂科POD活性增加的最多；其次是維路提；其余品種POD活性上升率由高到低依次為鱗莖、休斯頓、貝吉、貝克立、三色、松蘿、細葉、小精靈，其中小精靈POD活性低于對照，細葉、松蘿和三色POD活性增加亦較少。

從干旱脅迫下10個空氣鳳梨品種POD活性的變化可說明，供試的空氣鳳梨品種受傷害由低到高的順序與各品種POD活性上升幅度的排序一致，即斯垂科對干旱的抵抗能力最強，其次是維路提；小精靈抗旱性最弱，細葉、松蘿和三色亦較弱。另外，20%干旱脅迫時，所有品種的POD活性均呈明顯的上升趨勢，說明20%的干旱脅迫激發了空氣鳳梨的POD活性；30%干旱脅迫時，供試品種的POD活性均呈現明顯的下降趨勢，小精靈的POD活性甚至比對照的還低，這可能是由于干旱脅迫過度造成了空氣鳳梨的代謝紊亂。

2.6 干旱脅迫對空氣鳳梨CAT活性的影響

當植物受到干旱脅迫時，CAT作為細胞酶促防御系統的重要組成部分，可有效分解組織內過量的H2O2，使植物細胞內維持較低水平的活性氧，使得植物細胞免受或緩解來自氧化脅迫的傷害[21]，CAT活性越高，植物受傷害越小，抗旱能力越強。10個空氣鳳梨品種在不同干旱脅迫下其CAT活性表現出差異性(表6)，隨干旱脅迫的加劇呈先增加后降低的趨勢。除三色、維路提和松蘿外，其余品種從對照到20%干旱處理CAT活性逐漸升高，20%干旱處理下CAT活性達到峰值，顯著高于其他干旱處理，30%干旱處理下CAT活性下降；三色、維路提、松蘿在10%干旱處理下CAT活性達到峰值，顯著高于其他干旱處理，20%和30%干旱處理下CAT活性逐漸下降。

表6 干旱脅迫對空氣鳳梨CAT活性的影響

貝克立、鱗莖、休斯頓和細葉4個品種在各干旱處理下其CAT活性均顯著高于對照，其中鱗莖、休斯頓和細葉3個品種在30%干旱脅迫下其CAT活性降低至顯著低于10%干旱處理。小精靈和斯垂科兩個品種在10%和20%處理下其CAT活性顯著高于對照和30%處理，三色和松蘿兩個品種在10%處理下其CAT活性顯著高于對照、20%和30%干旱處理，3個處理間差異不顯著。小精靈在30%干旱脅迫下的CAT活性下降較多，甚至比對照還低。貝吉和維路提兩個品種在30%干旱脅迫下的CAT活性稍高于對照，但差異不顯著。

CK、T1、T2、T3處理下空氣鳳梨CAT活性均值分別為14.97、19.02、20.95和15.87 U·g-1。與對照相比，各干旱脅迫下空氣鳳梨CAT活性均值分別上升了4.05、5.98和0.90 U·g-1，呈明顯的先升后降的趨勢。30%干旱脅迫下，與對照相比鱗莖的CAT活性增加最多；其次是細葉、休斯頓和貝克立；其余品種CAT活性上升率由高到低依次為維路提、貝吉、斯垂科、松蘿、三色和小精靈，其中斯垂科、松蘿、三色和小精靈4個品種的CAT活性上升率為負值，維路提和貝吉CAT活性增加的較少。

2.7 隸屬函數分析

根據以上的分析可看出，采用單一指標評價10個空氣鳳梨的抗旱性具有片面性，且不同指標對抗旱性貢獻的權重比例不易界定，故需對其進行綜合分析評價。本研究利用隸屬函數法對6個生理指標進行綜合分析，隸屬函數值越大，表明該品種空氣鳳梨抗旱性越強。結果表明，休斯頓隸屬函數值0.665，居第1位，抗旱性最強；三色隸屬函數值0.245，抗旱性最弱。抗旱能力順序依次為休斯頓>貝吉>松蘿>斯垂科>維路提>貝克立>鱗莖>細葉>小精靈>三色(表7)。

表7 空氣鳳梨抗旱性隸屬函數分析

3 小結與討論

目前國內外關于植物抗旱性的研究較多，隨著干旱脅迫程度加深，植物葉片中Chl、Pro、MDA含量以及抗氧化保護酶活性呈現不同的變化規律[22-23]。本研究通過PEG-6000對10個空氣鳳梨品種進行模擬干旱處理，結果表明，隨著干旱脅迫的加劇，空氣鳳梨的生理生化過程發生不同程度的變化，Chl含量總體呈下降趨勢，Pro、MDA含量和SOD活性總體呈上升趨勢，CAT和POD活性總體呈先升后降的趨勢。

干旱脅迫常常引起葉綠體光合色素葉綠素含量的降低和參與光合作用酶活性的改變，導致光合能力下降和光合作用受阻，葉綠素含量的高低能反映植物的光合特性和抗旱能力[24-25]。本研究結果表明，10個空氣鳳梨品種在整個干旱脅迫過程中葉綠素含量在持續減少。推測原因可能是干旱脅迫引起空氣鳳梨光合色素降解及合成受阻，導致葉綠素含量下降，破壞光合作用，從而影響空氣鳳梨的生長。在干旱條件下，陳郡雯等[26]對白芷苗期、郭郁頻等[22]對早熟禾、陳翠紅等[27]對側金盞花的研究亦證實了這一結果。

干旱脅迫會引起活性氧自由基增加，導致細胞膜受損并影響植物生長。MDA含量的高低在一定程度上能反映植物膜脂過氧化水平和膜結構的受損程度，含量越高，表明植物受傷害愈嚴重，其抗逆性越弱[18]。本研究中，隨著干旱脅迫程度的加劇，10個空氣鳳梨品種MDA累積量總體均為逐漸增加，與對照相比，各品種MDA含量和上升率因品種而異，干旱程度不同，MDA增加量亦不同。說明干旱脅迫會導致空氣鳳梨細胞膜質過氧化和細胞膜系統破壞，品種和干旱程度不同，細胞質膜遭到的破壞程度亦不同。抗旱性強的品種(如貝吉、松蘿等)MDA含量低，且在干旱脅迫下的增加量小，葉片細胞膜系統受損程度較輕，反之則重。何瑋等[28]的研究結果證明，PEG干旱脅迫能提高紅三葉MDA含量；張然等[29]認為，干旱使草地早熟禾種質材料MDA含量增加；趙麗麗等[30]研究表明，干旱脅迫引起19種高羊茅種質MDA含量上升。以上研究與本研究結果相一致。

植物在干旱脅迫下通常會通過積累Pro來調節細胞滲透勢，降低細胞內水勢，延緩干旱脅迫造成的傷害，在一定程度上提高植物的抗旱性[17]。本研究中，10個空氣鳳梨品種的Pro含量與MDA含量的變化趨勢一致，隨干旱脅迫程度的加劇而增大，說明Pro含量的升高有利于空氣鳳梨對干旱脅迫的響應，品種和干旱程度不同，滲透調節物質(Pro)的積累量也不同。抗旱性強的品種(如貝吉、松蘿等)其Pro含量較高，且在干旱脅迫下的上升率高，細胞滲透調節能力較強，反之則較弱。這與張昌勝等[31-32,23]研究結論一致，亦與Pro含量的高低與植物的抗旱性呈正相關的觀點吻合。

研究表明[33-34]，當植物抵御逆境脅迫時其體內SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性均會上升，以此來清除不利于植物細胞正常代謝的活性氧，從而提高植物的抗逆性，本研究也證實了這一點。供試的10個空氣鳳梨品種SOD活性隨干旱脅迫加劇而持續增加，說明各品種均具有通過提高SOD保護酶活性來抵御干旱脅迫和減輕傷害的適應機制，但其積累量和對干旱的敏感性因干旱脅迫程度和品種的不同而異。POD和CAT活性呈先升高再降低的趨勢，20%干旱脅迫時，絕大部分空氣鳳梨品種的CAT和POD活性明顯上升且達到最大值，說明20% PEG脅迫是敏感干旱處理，極大地激發了空氣鳳梨的CAT和POD活性，這可能與20% PEG脅迫的缺水信號誘導編碼POD和CAT的基因表達，使得其活性不斷上升有關。當脅迫程度升至30%時，CAT和POD活性呈明顯的下降趨勢，某些品種的CAT和POD活性甚至低于對照，這可能是由于過度干旱造成了空氣鳳梨膜系統受傷害越來越嚴重，細胞質膜透性越來越大，細胞內代謝紊亂，從而導致POD和CAT活性受到影響[35]。本研究認為，POD和CAT抵抗干旱脅迫的修復能力有一定的閾值，20%干旱脅迫是空氣鳳梨耐旱的關鍵轉折點，超過20%則影響空氣鳳梨的正常生理代謝。不同物種對干旱脅迫反應能力不同，郭郁頻等[22]研究表明，-0.6 MPa水勢是早熟禾幼苗耐旱的關鍵水勢點；穆懷彬等[36]發現，苜蓿幼苗耐旱的關鍵水勢點為-0.9 MPa。

植物抵御干旱環境是多種因素相互作用的結果，故僅采用單一指標評價植物的抗旱性存在一定的片面性。隸屬函數法采用多個指標對植物抗旱性進行綜合評價，能夠較為客觀地反映植物抗旱性的強弱[37]。本研究綜合Chl、MDA、Pro含量和SOD活性等6個生理生化指標，利用隸屬函數法對供試空氣鳳梨品種進行抗旱性綜合評價。結果表明，供試品種的抗旱程度有所區別，抗旱性順序依次為休斯頓>貝吉>松蘿>斯垂科>維路提>貝克立>鱗莖>細葉>小精靈>三色。