干旱及復水對5種觀賞草生理特性的影響

許紅娟，王維澤，楊 瀾，晉宇軒，黃貴川，陳之林*

(1.貴州省園藝研究所/園藝工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550006；2.貴陽禾美花卉有限公司，貴州 貴陽 550006)

0 引言

【研究意義】觀賞草(Ornamental grasses)是一類形態(tài)美麗、色彩豐富及具有較高觀賞價值的多年生單子葉草本植物，廣義上包括真正的觀賞草和類觀賞草2種類型。生物學將形態(tài)優(yōu)美、顏色多樣且主要觀賞部位是葉叢和莖稈的草本植物稱為觀賞草。與其他園林植物相比，觀賞草凸顯對環(huán)境要求粗放、養(yǎng)護成本低和觀賞價值高的優(yōu)點而備受市場歡迎，又因其具有生態(tài)適應(yīng)性強、抗寒性強和抗旱性好等特性，關(guān)于觀賞草的抗性研究也越來越受國內(nèi)外學者關(guān)注[1-4]。觀賞草能讓綠地景觀各元素間銜接更加協(xié)調(diào)，根據(jù)觀賞草的觀賞特性可成片栽植，可與山石搭配，也可獨立成景，從而營造不同的景觀[5]，在園林造景中發(fā)揮重要作用，應(yīng)用前景較為廣闊。研究貴州地區(qū)引種觀賞草的抗逆機制，并進行安全適應(yīng)性評價，對促進我國西南地區(qū)城市園林景觀的發(fā)展具有重要意義。【前人研究進展】眾多研究發(fā)現(xiàn)，一定程度的干旱脅迫不利于植物的生長發(fā)育，損傷細胞膜系統(tǒng)，影響植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化[6-7]及生理代謝[8-10]，從而影響觀賞草的觀賞效果。細胞是植物與外界進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量交換的重要器官，水分的缺失直接影響植物細胞的生長狀態(tài)[11-12]。植物在不同地區(qū)干旱逆境中，其形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性也發(fā)生相應(yīng)變化。馬芳蕾等[13]采用PEG法研究芒屬觀賞草對干旱脅迫的生理響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，4種觀賞草抗旱性依次為斑葉芒>細葉芒>花葉芒>芒；崔婷茹等[14]對狼尾草幼苗進行干旱脅迫及復水試驗表明，隨著土壤干旱脅迫時間延長，狼尾草幼苗葉片相對含水量減小，根冠比增大，SOD和POD活性在土壤含水量降至5%時顯著增強(P<0.05)，脯氨酸和可溶性糖含量增加，其葉片各生理指標均在復水后表現(xiàn)出不同程度的恢復；馬賓杰[15]研究表明，RtNAC100和RtNAC055分別為珍稀泌鹽植物長葉紅砂響應(yīng)鹽和干旱的NAC轉(zhuǎn)錄因子；張卉[16]研究認為，RNA干涉下調(diào)ZmPTPN表達，顯著降低玉米苗期的抗旱性，表明玉米ZmPTPN與擬南芥AtPTPN功能相近，均為干旱脅迫應(yīng)答反應(yīng)中的正調(diào)控子；候澤豪[17]研究發(fā)現(xiàn)，12份耐旱性蕎麥種質(zhì)資源的FeDREB1L基因與啟動子存在不同的組合類型，推測可能與蕎麥種質(zhì)資源耐旱性強弱的分化有關(guān)。蛋白質(zhì)組學分析結(jié)果顯示，在干旱脅迫下，差異豐度蛋白質(zhì)(DAPs)主要在苯丙酸生物合成、催化活性、蛋氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶活性和鐵離子結(jié)合發(fā)生顯著變化。【研究切入點】對觀賞草或其他植物的抗旱性研究多是針對同一屬的不同種或同一種的不同資源進行研究，鮮見干旱及復水對不同種類觀賞草生理特性影響的研究報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】以奶油玉帶草、矮叢薹草和金葉石菖蒲等5種觀賞草為研究對象，探究干旱及復水對觀賞草生理特性的影響，以期為西南地區(qū)選擇適栽的觀賞草種類和豐富觀賞草在園林景觀中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

奶油玉帶草(Phalarisarundinaceavar.picta)、矮叢薹草(Carexhumilisvar.nana)、金葉石菖蒲(Acorusgramineus‘Ogan’)、藍洋茅(Festucaglauca‘Minima’)和兔尾草(Lagurusovatus)，均為2年生植株，由云南花境園藝有限公司提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021年在貴州省園藝研究所試驗溫室進行，采用單因素盆栽控水方法對觀賞草進行干旱脅迫，設(shè)置4個處理，即對觀賞草營養(yǎng)生長旺盛期分別進行1 d(CK)、8 d、16 d和22 d干旱處理，脅迫結(jié)束后，復水7 d，每處理3次重復。試驗期間日最高氣溫和最低氣溫如圖1所示，室內(nèi)濕度為80%～85%。

圖1 試驗期間試驗地氣溫Fig.1 Temperature of the experimental field during the text

1.3 試驗方法

觀賞草于2020年8月分株栽種于貴州省園藝所花卉試驗溫室內(nèi)，2021年2月1日選擇生長一致的5種觀賞草植株定植于7加侖塑料盆，每盆1株，每種15盆?；|(zhì)由田園土∶泥炭土=1∶1混合而成，混合后土壤pH為5.6，EC均值為0.34 ms/cm。

1.3.1 材料預處理 2021年3月18日后每隔7 d觀察7：00—8：00植株生長狀態(tài)并取樣。葉片采用混合法[16]隨機取樣，選擇植株上部3～5片完整清潔的葉片，混合后放入液氮中速凍，保存于—80℃冰箱備用，所有指標均測定3次，取平均值。

1.3.2 指標測定 葉綠素采用95%乙醇測定法[17]測定，可溶性蛋白用考馬斯亮藍法[18]測定，游離脯氨酸用酸性茚三酮顯色法[19]測定，可溶性糖用濃硫酸蒽酮法[18]測定，MDA、POD和SOD酶活性用南京建成生物工程研究所提供的試劑盒實驗方法測定。

1.3.3 綜合評價 由于植物體內(nèi)抗性信息會發(fā)生交叉重疊，單一指標未能準確評價植物的抗逆能力，采用數(shù)學隸屬函數(shù)值分析方法[1-2]，對觀賞草葉片的葉綠素、可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、MDA、POD酶和SOD酶7個生理指標進行綜合分析和排序，隸屬函數(shù)值越大，植物抗逆性越強[20]。隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)換方程和部分指標與耐旱性呈負相關(guān)的隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)換方程：

Xij=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

Xij=1-(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(2)

式中，Xij為i品種的j指標值，Ximin為j指標的最小值，Ximax為j指標的最大值，累加各指標的隸屬函數(shù)值即得各品種的總隸屬函數(shù)值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用WPS Excel對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與繪圖，用Duncan’s法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫處理5種觀賞草生理生化指標的變化

2.2.1 葉綠素含量 由表1可知，隨著干旱時間的延長，5種觀賞草葉片SPAD值變化不同。奶油玉帶草和金葉石菖蒲干旱處理8～22 d，SPAD值逐漸降低，均依次為8 d>15 d>22 d；干旱22 d時最低，分別較CK降低4.48%和53.7%，復水7 d較干旱22 d分別增加10.01%和35.50%。矮叢薹草、藍洋茅和兔尾草干旱8～22 d，SPAD值呈先增后減趨勢，分別為15 d>8 d>22 d、15 d>8 d>22 d和15 d>22 d>8 d；矮叢薹草和藍洋茅干旱22 d分別較CK顯著降低19.95%和29.84%，較復水7 d增加7.46%和2.13%；兔尾草干旱22 d較CK增加12.12%，較復水7 d顯著增加17.95%。綜合看，僅兔尾草干旱處理SPAD值均高于CK和復水7 d，表明兔尾草對干旱環(huán)境的適應(yīng)性較強。

2.2.2 可溶性蛋白含量 從表2看出，干旱處理8～22 d，矮叢薹草、金葉石菖蒲和兔尾草的可溶性蛋白含量均逐漸降低，均為8 d>15 d>22 d；奶油玉帶草呈先增后降趨勢，為15 d>22 d>8 d；藍洋茅呈先降后增趨勢，為22 d>8 d>15 d。5種觀賞草干旱處理整體較CK低，其中，除金葉石菖蒲干旱15 d和兔尾草干旱8 d及15 d外，矮叢薹草、金葉石菖蒲和兔尾草其余干旱處理與CK間差異顯著；奶油玉帶草干旱8 d較CK顯著降低50.42%，其余干旱處理與CK間差異均不顯著；藍洋茅干旱處理與CK間差異均不顯著。復水7 d僅兔尾草較干旱22 d增加22.27%；奶油玉帶草和矮叢薹草分別降低16.29%和39.23%；金葉石菖蒲和藍洋茅分別顯著降低60.05%和51.29%。隨著干旱加劇，兔尾草復水后可溶性蛋白含量明顯增加，以增強其抗旱性。

表1 干旱及復水處理觀賞草葉片的葉綠素總含量Table 1 Total chlorophyll content in leaves of ornamental grasses under drought and re-watering treatment mg/g

表2 干旱及復水處理觀賞草葉片的可溶性蛋白含量Table 2 Soluble protein content in leaves of ornamental grasses under drought and re-watering treatment g prot/L

2.2.3 可溶性糖含量 由表3可知，奶油玉帶草可溶性糖含量為8.374～10.290 mg/g，呈先降后升趨勢；矮叢薹草、金葉石菖蒲、藍洋茅分別為9.620～15.145 mg/g、12.160～16.588 mg/g和8.053～8.794 mg/g，均呈逐漸降低趨勢；兔尾草為7.575～8.861 mg/g，呈先升后降趨勢。奶油玉帶草干旱15 d較CK顯著降低22.88%，其余干旱處理與CK差異均不顯著；矮叢薹草干旱15 d和22 d分別較CK顯著降低26.05%和43.65%，其余干旱處理與CK差異均不顯著；金葉石菖蒲除干旱8 d外，其余干旱處理與CK呈顯著性差異，以旱22 d最低(14.633 mg/g)；藍洋茅各處理間均無顯著性差異；兔尾草除干旱15 d外，其余干旱處理與CK均無顯著性差異。復水7 d僅兔尾草較干旱22 d增加4.47%；奶油玉帶草、矮叢薹草和藍洋茅分別降低2.95%、9.60%和2.22%；金葉石菖蒲顯著降低20.34%。

2.2.4 脯氨酸(PRO)含量 從表4看出，奶油玉帶草PRO含量為25.322～44.292 μg/g，依次為1 d>22 d>8 d>15 d>復水7 d，各處理間差異均不顯著；矮叢薹草為17.268～32.679 μg/g，依次為1 d>8 d>15 d>22 d>復水7 d，干旱處理及復水7 d與CK呈顯著性差異；金葉石菖蒲為26.651～49.689 μg/g，依次為1 d>22 d>復水7 d>15 d>8 d，各處理間差異均不顯著；藍洋茅為41.443～63.699 μg/g，依次為1 d>8 d>22 d>15 d>復水7 d，各處理間差異均不顯著；兔尾草為17.270～52.597 μg/g，依次為1 d>15 d>8 d>22 d>復水7 d，干旱處理及復水7 d與CK呈顯著性差異。

2.2.5 過氧化物酶(POD)活性 由表5可知，奶油玉帶草的POD含量為22.498～44.118 U/g，依次為復水7 d>22 d>1 d>15 d>8 d，干旱處理8 d和15 d顯著低于CK，復水7 d顯著高于CK；矮叢薹草為19.154～40.443 U/g，依次為8 d>復水7 d>22 d>15 d>1 d，各處理間均呈顯著性差異；金葉石菖蒲為20.267～27.895 U/g，依次為復水7 d>22 d>8 d>15 d>1 d，各處理間均呈顯著性差異；藍洋茅為16.228～25.350 U/g，依次為1 d>復水7 d>8 d>22 d>15 d，各處理間均呈顯著性差異；兔尾草為22.419～43.728 U/g，依次

表3 干旱及復水處理觀賞草葉片的可溶性糖含量Table 3 Soluble sugar content in leaves of ornamental grasses under drought and re-watering treatment mg/g

表4 干旱及復水處理觀賞草葉片的PRO含量Table 4 Proline content in leaves of ornamental grasses under drought and re-watering treatment μg/g

表5 干旱及復水處理觀賞草葉片的POD含量Table 5 POD content in leaves of ornamental grasses under drought and re-watering treatment Ug/g

為22 d>8 d>15 d>1 d>復水7 d，各處理間均呈顯著性差異。

2.2.6 丙二醛(MDA)含量 由表6可知，奶油玉帶草的MDA含量為4.646～10.851 μmol/g，依次為8 d>1 d>22 d>復水7 d>15 d，干旱處理15 d和復水7 d顯著低于CK；矮叢薹草為24.344～29.431 μmol/g，依次為15 d>22 d>復水7 d>8 d>1 d，各處理間顯著性均不差異；金葉石菖蒲為6.377～11.033 μmol/g，依次為8 d>15 d>復水7 d>22 d>1 d，干旱處理和復水7 d均顯著高于CK；藍洋茅為2.365～11.605 μmol/g，依次為復水7 d>22 d>15 d>8 d>1 d，干旱處理和復水7 d均顯著高于CK；兔尾草為65.459～84.872 μmol/g，依次為8 d>22 d>1 d>復水7 d>15 d，除干旱15 d外，復水7 d均顯著低于其余處理。綜合看，金葉石菖蒲隨干旱加劇MDA呈逐漸減小趨勢，表明其通過降低體內(nèi)MDA含量來保護細胞不受干旱的脅迫，具有適應(yīng)干旱潛質(zhì)；藍洋茅隨干旱加劇，葉片MDA含量逐漸升高，嚴重抑制生長；復水7 d后，金葉石菖蒲與藍洋茅較CK分別增加35.2%和79.62%，矮叢薹草和兔尾草與CK差異不大，奶油玉帶草較CK降低44.24%，表明奶油玉帶草受干旱脅迫的影響較小。

表6 干旱及復水處理觀賞草葉片的MDA含量Table 6 MDA content in leaves of ornamental grasses under drought and re-watering treatment μmol/g

2.2.7 超氧化物歧化酶(SOD)活性 從表7看出，奶油玉帶草的SOD含量為26.144～67.795 U/g，依次為復水7 d>15 d>8 d>22 d>1 d，干旱處理和復水7 d均顯著高于CK；矮叢薹草為74.509～105.419 U/g，依次為復水7 d>22 d>1 d>8 d>15 d，干旱處理15 d顯著低于CK，復水7 d顯著高于CK；金葉石菖蒲為61.669～96.041 U/g，依次為復水7 d>8 d>15 d>1 d=22 d，干旱處理8 d和復水7 d顯著高于CK；藍洋茅為45.167～82.373 U/g，依次為22 d>復水7 d>8 d>15 d>1 d，除干旱處理15 d外，其余處理間均顯著性高于CK；兔尾草為8.910～38.939 U/g，依次為22 d>復水7 d>1 d>8 d>15 d，干旱處理22 d和復水7 d顯著高于CK。

表7 干旱及復水處理觀賞草葉片的SOD含量Table 7 SOD content in leaves of ornamental grasses under drought and re-watering treatment U/g

2.2 干旱脅迫處理5種觀賞草生理特性的綜合評價

由表8可知，5種觀賞草葉片的葉綠素含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量、POD酶活性、丙二醛含量和SOD酶活性的隸屬函數(shù)值存在明顯差異，為0.337～0.550。5種觀賞草抗旱性依次為：矮叢薹草(0.550)>兔尾草(0.522)>金葉石菖蒲(0.508)>奶油玉帶草(0.435)>藍洋茅(0.337)。

表8 5種觀賞草各指標的隸屬函數(shù)值Table 8 Membership function values of different physio-biochemistry indexes of five ornamental grasses

3 討論

3.1 干旱脅迫對5種觀賞草生理特征的影響

葉綠素是植物進行光合作用的物質(zhì)，其含量的多少是衡量植物是否耐旱的重要指標之一，隨著干旱時間延長，植物體內(nèi)葉綠素含量會降低，且不同植物間存在差異。王竟紅等[20]研究3種觀賞草苗期對干旱脅迫響應(yīng)及抗旱性評價認為，隨著干旱脅迫時間延長，3種觀賞草幼苗的株高變化量和葉綠素含量均呈下降趨勢。眾多研究表明，隨著干旱程度加劇，植物體內(nèi)葉綠素含量降低[21-23]。研究表明，奶油玉帶草葉綠素含量減少，葉片有部分枯黃，對干旱脅迫比較敏感；兔尾草復水后葉綠素含量有所增加，說明兔尾草對干旱的適應(yīng)性稍強；矮叢薹草、藍洋茅和兔尾草的葉綠素總含量呈先增后減趨勢，與王竟紅等[20]的研究結(jié)果不一致，可能與干旱處理的環(huán)境及觀賞草種類不同有關(guān)，有待進一步研究。

可溶性蛋白和可溶性糖作為植物體內(nèi)的滲透保護劑，植物受到逆境脅迫時，通過積累滲透物質(zhì)來抵御惡劣生境，李偉等[24]研究表明，可溶性蛋白含量升高，可使植物細胞維持較低的滲透勢水平，保護植物細胞結(jié)構(gòu)，從而抵御脅迫引起的傷害，穆懷彬等[25]研究發(fā)現(xiàn)，可溶性蛋白質(zhì)含量隨干旱脅迫水平增加而降低，表明葉綠素和可溶性蛋白質(zhì)含量在較低的干旱脅迫水平可發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。研究表明，干旱處理8～22 d，奶油玉帶草葉片可溶性蛋白含量呈先升后降趨勢，與王竟紅等[20]研究狼尾草受干旱脅迫后的變化趨勢一致；復水7 d后，兔尾草可溶性蛋白含量增加，說明其具有適應(yīng)干旱脅迫環(huán)境的能力。干旱處理8～22 d，奶油玉帶草的可溶性糖含量有所增加，說明其對干旱脅迫后期有所適應(yīng)；復水7 d后，兔尾草可溶性糖含量增加，其余4種觀賞草減少，表明兔尾草對干旱脅迫有所響應(yīng)，可能與觀賞草間的品種特性差異有關(guān)。

植物在逆境中積累脯氨酸對酶活性和膜穩(wěn)定起到保護作用[26]，可作為植物抗性大小的參考指標之一；脯氨酸積累量越多，植物的抗旱性越強[27-28]。研究結(jié)果顯示，干旱處理8～22 d，金葉石菖蒲的脯氨酸含量逐漸增加，說明其對干旱脅迫有一定的適應(yīng)能力，而脯氨酸積累量的大小與耐旱性間的關(guān)系，仍需作進一步研究。丙二醛是膜脂過氧化的產(chǎn)物，可通過測定MDA了解植物在逆境中膜脂過氧化的程度，從而了解膜系統(tǒng)受損程度及植物抗逆性，姚楠等[29]通過對玉蟬花、馬藺和高羊茅抗旱性分析表明，相同條件下，MDA含量低或較對照增幅低的植物可被認為是抗旱性強的植物。研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱時間延長，金葉石菖蒲MDA呈逐漸減小趨勢，表明其通過降低體內(nèi)MDA含量保護細胞不受干旱脅迫，具有適應(yīng)干旱的潛質(zhì)；藍洋茅葉片MDA含量逐漸升高，嚴重抑制生長，說明藍洋茅對干旱比較敏感；復水7 d后，矮叢薹草和兔尾草的MDA含量與CK間差異不明顯，奶油玉帶草低于CK，表明其受干旱脅迫的影響較小。

耐旱性強的觀賞草其保護酶活性較高，過氧化物酶(POD)作為植物逆境中組織發(fā)生老化的重要生理指標，其活性大小間接反映植物對逆境的抵抗能力。奶油玉帶草隨著干旱加劇，POD維持較高水平，說明其對干旱的適應(yīng)性較強；矮叢薹草、金葉石菖蒲、藍洋茅和兔尾草呈先降后升趨勢，表明短暫的干旱造成細胞老化能力增強，經(jīng)過一段時間POD活性增加，說明其開始適應(yīng)干旱環(huán)境。超氧化物歧化酶(SOD)是植物體氧自由基的自然天敵，有研究表明，狼尾草隨著干旱脅迫加劇，SOD活性表現(xiàn)為先增后減的趨勢[20]；江佳琳等[27]研究發(fā)現(xiàn)，干旱環(huán)境中耐旱性強的草種其保護酶活性較高，且SOD活性降低速度較抗旱性弱的草種慢。研究表明，干旱處理8～22 d，金葉石菖蒲SOD呈降低趨勢，對干旱適應(yīng)性差；復水7 d后，矮叢薹草SOD酶活性增加并達最大(105.419 U/g)，說明矮叢薹草對干旱具有一定適應(yīng)能力。

3.2 干旱脅迫后5種觀賞草耐旱性的初步鑒定

植物在生長發(fā)育過程中會遇到不同的生態(tài)環(huán)境，耐旱是植物抵抗眾多逆境中的一種抗性表現(xiàn)，而抗逆性強弱是多種因素綜合作用的結(jié)果，如何正確評價植物在抗旱逆境中的耐性能力，一方面可從植物的生長表現(xiàn)上觀察，或通過形態(tài)指標、生理生化指標、光合特性和分子標記等多種指標去分析；另一方面可通過模糊數(shù)學的隸屬函數(shù)值將眾多指標通過計算排序來評價植物的抗旱性大小[20，30-34]。王傳旗等[33]利用隸屬函數(shù)值法對8份野生老芒麥材料的形態(tài)和生理指標進行了綜合評價，獲得14-001材料作為老芒麥抗旱育種的候選材料；郝西等[35]利用隸屬函數(shù)值法分析6個花生品種抗旱性得出，豫花9326和豫花15的抗旱性較強，花育34、ST001和遠雜9847的抗旱性一般，湘花2008抗旱性較差；許愛云等[36]利用主成分分析和隸屬函數(shù)綜合分析，對其耐旱性進行了準確排序。研究得出，5種觀賞草的抗旱性依次為矮叢薹草(0.550)>兔尾草(0.522)>金葉石菖蒲(0.508)>奶油玉帶草(0.435)>藍洋茅(0.337)，以矮叢薹草耐旱性最強，與試驗期間植物的形態(tài)生長狀態(tài)觀察一致；藍洋茅對干旱脅迫的反應(yīng)最敏感。因此，矮叢薹草更適宜在西南地區(qū)生長。今后，仍需進一步從分子機理方面進行研究，科學地揭示觀賞草植物的抗旱機理。

4 結(jié)論

從葉綠素總含量、可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等指標綜合分析看出，5種觀賞草的抗旱性依次為矮叢薹草(0.550)>兔尾草(0.522)>金葉石菖蒲(0.508)>奶油玉帶草(0.435)>藍洋茅(0.337)，其中，矮叢薹草抗旱性最強，生長狀況良好；藍洋茂抗旱性最弱，對干旱脅迫的反應(yīng)最敏感。因此，矮叢薹草更適宜西南地區(qū)冬季的干旱環(huán)境。