3種芳香植物對自然干旱脅迫的生理生化響應

林雪燕 侯健 林俊蘭 宗語馨 金睿哲 薛秋華

(福建農林大學 a.園林學院，b.國際學院；福建 福州 350002)

芳香植物指可以通過葉、花、果、根等各器官或整株散發出香氣，并兼具一定藥用價值的植物類群[1]。其具藥食同源功效[2]，可趨避植食性昆蟲，改善果[3]、菜[4]、茶園[5]土壤理化性質，部分可作為燃料、綠肥使用和優秀的蜜源植物。其特定揮發性成分對預防和治療疾病具有顯著效果，為康復景觀、盲人花園、療愈花園等保健綠地的主要應用植物[6]。

全球氣候變暖干熱化導致植物干旱脅迫普遍存在，城市環境美化綠化消耗大量水資源，選擇抗旱性強的植物可保護生態環境和降低園林的建設、養護成本[7]。干旱使植物的形態和內部生理生化發生變化，包括：植物葉片含水量下降、抗氧化酶系統的穩定和平衡、滲透調節物質的合成與分解、光合作用等[8]。

芳香植物物種豐富，綜合應用價值高，具良好的開發前景，對其逆境生理研究報道較少。本研究對3種功能性強的芳香植物神香草(Hyssopusofficinalis)、檸檬香茅(Cymbopogoncitratus)、蝶豆(Clitoriaternatea)進行盆栽控水試驗，通過對比不同脅迫時間下3種芳香植物的形態和生理生化變化，探討它們對自然干旱脅迫的生理生化響應，運用模糊隸屬函數法進行抗旱性綜合排序，以期為3種芳香植物的引種栽培與應用推廣的水分管理提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料來自福建農林大學園林學院實踐基地。選擇長勢均勻、生長健壯的1年生盆栽神香草、檸檬香茅、蝶豆進行試驗。3種植物材料均栽種在高16cm、上口徑17cm、下口徑13cm的塑料盆中。

1.2 試驗設計

2021年8月采用盆栽控水模擬自然干旱脅迫的方法，將3種芳香植物澆水飽和后放入智能光照培養箱25℃/20℃(12 h/12 h，晝/夜)進行試驗，智能光照培養箱白天光照強度為3 000Lux，相對濕度為60%。分別在第2、4、6、8、10、12d(預試驗中3種材料的全部葉片枯萎時間為12d)后選擇成熟葉片混合取樣，以第1次取樣作為對照組(CK)。每個處理設置3次重復。

1.3 測定指標及方法

取樣時記錄3種植物生長狀態，劃分干旱等級[8]。葉片相對含水量(RWC)采用浸提法；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑法；過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法(TBA)；細胞膜透性(CMP)采用相對電導率法；可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法；可溶性蛋白(SP)含量采用考馬斯亮藍G-250法；脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮法；葉綠素(Chl)總濃度采用乙醇提取法。生理生化指標的測定方法參考《植物生理生化實驗原理和技術》[9]。

1.4 數據處理與分析

數據整理和制圖使用Excel 2016軟件，使用SPSS 20.0軟件對自然干旱脅迫下3種植物指標進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，采用Duncan法進行多重比較，差異顯著水平為0.05，用字母標記差異顯著性。

采用模糊隸屬函數法對3種芳香植物進行抗旱性綜合評定。隸屬值計算公式為：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(公式1)

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(公式2)

式中：Xi為指標測定值，Xmax為對應指標的最大值，Xmin為對應指標的最小值，R(Xi)為對應指標的隸屬度。隸屬函數(公式1)計算正相關指標，反隸屬函數(公式2)計算負相關指標，將各植物的指標隸屬值進行累加計算綜合值，綜合值越大，抗旱性越強。

2 結果與分析

2.1 自然干旱脅迫下3種芳香植物的形態變化

干旱6d，神香草葉緣開始失水萎蔫，檸檬香茅新葉邊緣開始卷曲。干旱8d神香草植株部分萎蔫變軟；檸檬香茅老葉邊緣開始卷曲，新葉失水皺縮；蝶豆新葉開始卷曲，葉子因失水閉合，成熟葉片厚度變薄。干旱10d，神香草大部分葉片萎蔫，生長受抑制；檸檬香茅1/3葉片卷曲萎蔫；蝶豆新葉卷曲，嫩梢耷拉，1/2老葉枯萎變黃，成熟葉片變得更薄。干旱12d，神香草枝條全部耷拉，葉片全部失水皺縮；檸檬香茅3/4以上葉片萎蔫；蝶豆整株植株枯萎，老葉開始脫落。神香草和檸檬香茅復水后當天即恢復生長狀態，蝶豆新芽次日挺立，老葉脫落后一周內有新芽長出(見表1)。

表1 干旱對3種芳香植物的傷害等級

2.2 自然干旱脅迫下3種芳香植物葉片相對含水量的變化

3種植物的葉片相對含水量在自然干旱脅迫下均下降。3種植物的葉片相對含水量分別顯著下降了16.29%、15.46%、22.76%(p<0.05)(見圖1)。

圖1 自然干旱脅迫下3種植物葉片相對含水量的變化

2.3 自然干旱脅迫下3種芳香植物的抗氧化酶活性變化

自然干旱脅迫中，神香草的SOD活性在第4d顯著下降18.56%(p<0.05)，第10d達最大值，為CK的1.21倍，差異水平顯著(p<0.05)。檸檬香茅的SOD活性先顯著上升(p<0.05)，第4d達最大值，后期平緩變化，各處理組的SOD活性均顯著高于CK(p<0.05)。蝶豆的SOD活性在干旱脅迫過程中呈波浪變化，具雙峰現象，在脅迫第6、10d其活性分別較CK增加11.23%、13.12%(見圖2)。

圖2 自然干旱脅迫下3種植物SOD活性的變化

神香草的POD活性在干旱第6d時下降，第8d顯著上升(p<0.05)，較CK增加47.32%。檸檬香茅的POD活性在脅迫初期顯著下降(p<0.05)，第6d其POD活性為CK的60.87%；第10d檸檬香茅POD活性有最小值，為CK的20.00%；脅迫12d后檸檬香茅POD活性急速上升超過CK值。蝶豆的POD活性先升后降，在第4d有最大值，為CK的1.86倍；隨后POD活性下降(見圖3)。

圖3 自然干旱脅迫下3種植物POD活性的變化

神香草的CAT活性先降后升，干旱第6d其活性最小，與CK無顯著差異(p>0.05)；第12d其CAT活性有最大值。干旱脅迫6d，檸檬香茅CAT活性下降至CK的51.11%(p<0.05)；隨后上升，在第8d有最大值，為CK的1.4倍；第10、12d其CAT活性均顯著小于CK。蝶豆的CAT活性在干旱脅迫前6d顯著上升至CK的1.74倍(p<0.05)；隨后迅速下降，在第10d有最小值，為CK的81.94%；脅迫12d后其活性上升至高于CK值(見圖4)。

圖4 自然干旱脅迫下3種植物CAT活性的變化

2.4 自然干旱脅迫下3種芳香植物的膜穩定性變化

神香草的MDA含量隨著干旱脅迫的時間延長呈波動變化，干旱4d及以后的MDA含量均高于CK值。干旱脅迫前8d，檸檬香茅的MDA含量顯著升高至CK的1.43倍(p<0.05)；干旱第10d的MDA含量雖有些許下降，仍較CK高出38.99%；干旱12d后MDA含量最高，為CK的1.55倍。自然干旱脅迫下蝶豆的MDA含量變化趨勢和神香草較為相似，在干旱10d有最大值，含量為CK的1.88倍(見圖5)。

圖5 自然干旱脅迫下3種植物MDA含量的變化

自然干旱脅迫下，3種芳香植物的細胞膜透性總體增大。神香草的細胞膜透性隨著脅迫時間延長而增大，在干旱12d后顯著高于CK值(p<0.05)，增加了62.23%。干旱8d檸檬香茅的細胞膜透性顯著增加至CK的1.17倍(p<0.05)，干旱10、12d后的細胞膜透性與CK差異顯著(p<0.05)，12d后的細胞膜透性為CK的1.55倍。蝶豆的細胞膜透性在干旱前6d無顯著變化(p>0.05)；干旱8d顯著增大，為CK的1.96倍(見圖6)。

圖6 自然干旱脅迫下3種植物細胞膜透性的變化

2.5 自然干旱脅迫下3種芳香植物的滲透調節物質含量變化

神香草的可溶性糖含量隨干旱脅迫呈先降后升趨勢，干旱第10d，神香草可溶性糖含量急速上升，較第8d上升了7.6倍(p<0.05)。檸檬香茅的可溶性糖含量隨脅迫時間呈S形變化，脅迫第10d可溶性糖含量最高，較CK高出13.79%；脅迫12d后含量顯著下降至低于CK50.03%(p<0.05)。蝶豆的可溶性糖含量先升后降，脅迫8d前期含量變化平緩；10d后其含量可達最高值，為CK的2.21倍(見圖7)。

圖7 自然干旱脅迫下3種植物可溶性糖含量的變化

3種植物的可溶性蛋白在自然干旱脅迫下呈波動變化。干旱第8d，神香草的可溶性蛋白有最低值，為CK的84.84%。干旱過程中，神香草的可溶性蛋白含量均低于CK值。干旱10d，檸檬香茅的可溶性蛋白量與CK無顯著差異(p>0.05)，其他處理均與CK差異顯著(p<0.05)。干旱脅迫4d，蝶豆的可溶性糖含量顯著下降至CK的73.72%(p<0.05)；脅迫10d后其含量與CK無顯著差異(p>0.05)(見圖8)。

圖8 自然干旱脅迫下3種植物可溶性蛋白含量的變化

神香草的脯氨酸含量在干旱前6d先降后升，在干旱后6d先降后升；干旱脅迫6d后其含量最低，為CK的77.54%；干旱12d后其含量較第10d快速增加至CK的2.66倍，差異水平顯著(p<0.05)。檸檬香茅的脯氨酸含量先增后降再升；干旱脅迫6d后其脯氨酸含量均顯著高于CK值(p<0.05)。蝶豆的脯氨酸含量變化趨勢呈先升后降趨勢，在干旱10d達最大值，為CK的9.01倍；干旱12d其含量下降，但仍顯著高出CK5.44倍(見圖9)。

圖9 自然干旱脅迫下3種植物脯氨酸含量的變化

2.6 自然干旱脅迫下3種芳香植物的葉綠素濃度變化

神香草的葉綠素濃度呈S形變化，第6d達最大值，濃度為CK的1.21倍；第10d，其葉綠素濃度有最小值，為CK的71.20%。檸檬香茅的葉綠素濃度先升后降再升，第6d其含量顯著高出CK39.30%(p<0.05)；干旱12d，其葉綠素濃度為CK的1.53倍。蝶豆的葉綠素濃度在第6d達最小值，為CK的63.98%；第10d其葉綠素濃度顯著躍升至CK的1.88倍(p<0.05)；12d后其葉綠素濃度為CK的1.64倍，差異水平顯著(p<0.05)(見圖10)。

圖10 自然干旱脅迫下3種植物葉綠素濃度的變化

2.7 隸屬函數值與抗旱性綜合分析

利用模糊數學隸屬函數法綜合評價3種芳香植物抗旱能力，神香草的綜合隸屬函數值為4.22，檸檬香茅的綜合隸屬函數值為4.95，蝶豆的綜合隸屬函數值為4.04。3種芳香植物的抗旱性排序為檸檬香茅>神香草>蝶豆(見表2)。

表2 3種芳香植物指標綜合隸屬函數值的抗旱性評價

3 討論與結論

植物葉片對環境變化具有極強的敏感性，影響著植物的生存能力和生長。干旱脅迫下，植物葉片會出現卷曲或萎蔫現象，以防止葉片失水過多，減緩葉片衰老與脫落。本研究中3種芳香植物對于自然干旱的反應不一致。在干旱6d神香草、檸檬香茅葉片因失水而發生卷縮，干旱8d蝶豆葉片葉緣開始卷縮，綜合葉片相對含水量分析，檸檬香茅葉片的保水能力強于神香草和蝶豆。白瑞琴等[11]研究發現自然干旱脅迫8—12d后神香草開始出現葉片萎蔫現象，與本研究結果相似。3種植物在試驗后復水都能快速恢復生長，均能較好適應干旱脅迫。

植物在遭受逆境脅迫時產生活性氧，自由基含量過多會影響細胞的正常生命活動，需要通過抗氧化防御系統清除[12]481-489。SOD、POD、CAT是植物體內的抗氧化防御系統的主要抗氧化酶，三者之間具有協同作用，能夠有效地清除活性氧自由基，減輕或避免活性氧對脂膜的攻擊，防止膜損傷[12]481-489。自然干旱下，神香草的SOD活性先降后升再降，在干旱前期神香草處于正常生長狀態，SOD活性下降為正常生理反應；隨干旱時間的延長，神香草感受到了干旱脅迫，其SOD活性顯著增強以適應干旱脅迫，干旱后期雖然其SOD活性有下降，但仍高于CK，說明長期干旱脅迫下神香草SOD起著重要作用；檸檬香茅、蝶豆的SOD活性變化較神香草的平緩，干旱脅迫下檸檬香茅的SOD活性均較CK的高；干旱后期蝶豆的SOD活性與CK的差異不顯著，說明SOD作為抗氧化防御系統的第一種酶，能夠及時有效地清除干旱下3種植物的超氧根離子，減輕干旱對植物的傷害。本試驗中神香草、檸檬香茅POD在短期干旱處理并不起作用，中度干旱激發神香草POD活性；雖然在干旱過程中兩者的POD活性無明顯變化趨勢，但長期脅迫激發神香草、檸檬香茅的POD活性，兩者POD均能較好適應干旱處理；蝶豆的POD活性在短期干旱處理下升高，隨后下降，說明短期輕度干旱能夠激發神香草的POD活性，蝶豆POD活性不適應中、后期自然干旱處理。神香草的CAT活性在干旱脅迫過程中不具有顯著差異，CAT不能作為神香草的抗旱指標；干旱處理下檸檬香茅最強的CAT活性與CK不具有顯著差異，干旱不能激發檸檬香茅CAT活性。蝶豆的CAT活性在干旱脅迫下變化幅度大，干旱10d作為激發蝶豆CAT活性的時間點，隨后持續干旱使CAT活性降低。3種芳香植物的SOD、POD、CAT活性在干旱脅迫下變化復雜，相互協調。SOD、POD可作為神香草、檸檬香茅抗旱性指標，3種酶均能作為蝶豆的抗旱性指標。

植物受到脅迫后體內產生活性氧自由基進而產生過氧化產物，MDA為過氧化產物之一，其含量的變化體現了膜脂過氧化作用的程度[13]624-634。MDA能夠與蛋白質或核酸等形成聚合物破壞細胞膜，細胞內的電解質因為細胞膜透性增大而外滲，表現在可測量的相對電導率上[14]。3種植物的MDA含量和細胞膜透性變化較為一致，可認為是膜脂過氧化引起了膜損傷，說明本試驗處理的有效性。干旱前期3種植物的MDA含量和細胞膜透性變化較為平緩，說明干旱脅迫程度低時，對膜脂過氧化反應及膜透性的影響較小，植物對于干旱變化有一定的防御作用，其中有其他的生理反應參與進來[15]。3種植物的MDA含量、細胞膜透性可作為抗旱性鑒定指標。

3種植物受到干旱脅迫時，體內的滲透調節物質含量發生明顯變化，以緩解、抵抗干旱脅迫帶來的傷害。本研究中干旱前6d，3種植物的可溶性糖、可溶性蛋白、神香草脯氨酸含量均小于CK，說明這3種物質在相對應的植物中對短期干旱脅迫的敏感性較低；隨著干旱脅迫時間延長至10d，3種植物可溶性糖含量均升高來適應長期干旱[13]624-634，這與劉芳等[16]在迷迭香(Rosmarinusofficinalis)的干旱試驗結果一致。3種植物的可溶性蛋白含量在干旱脅迫下并無明顯升高，可能干旱抑制了蛋白質合成。干旱12d后神香草脯氨酸含量升高，檸檬香茅脯氨酸顯著高于CK，蝶豆的脯氨酸含量先升后降，在干旱10d后有最大值，干旱12d后其含量顯著高于CK，3種植物通過積累脯氨酸含量來提高原生質膠體的穩定性，減緩因干旱引起的傷害[17]，這與白瑞琴等[11]在幾種芳香植物上的研究結果較為一致。可溶性糖、脯氨酸可作為3種植物的抗旱性鑒定指標。

葉綠體是植物進行光合作用場所，葉綠素起捕獲光能、吸收光能的作用。葉綠素濃度是葉片生理活性變化、光合機能大小有關的指標[18]。測量葉綠素濃度能夠及時了解植物對于逆境的反應及生長狀況。本試驗中，中度適當干旱能夠提高神香草的葉綠素濃度，后期持續干旱其光合作用受抑制；自然短、中期干旱對檸檬香茅、蝶豆的光合作用影響較小，長期中度干旱能夠顯著提高兩者葉綠素濃度，增強兩者光合作用。

3種芳香植物自然干旱試驗下其各個指標變化沒有共同規律，應用模糊隸屬函數法綜合評價3種植物，可有效反映3種植物的抗旱性差異。3種植物的抗旱性排序為：檸檬香茅>神香草>蝶豆。模糊隸屬函數法已被應用來評價紫苜蓿(Medicagosativa)[19]、馬鈴薯(Solanumtuberosum)[20]等的抗旱性，運用此方法評價本研究中3種芳香植物的抗旱性，結果更為科學可靠。