干旱脅迫對不同耐旱型觀賞草幼苗生長及碳氮代謝的影響

隨夢飛 胡 康 吳麗君 丁國昌

（福建農林大學園林學院，福建 福州 350002）

干旱作為一種自然氣候特征，幾乎所有的氣候帶都會不同頻率、不同程度受其影響[1]。我國位于亞洲季風氣候區，加之三級階梯狀的地貌格局，決定了我國是世界上水旱災害影響最為嚴重的國家之一[2-3]。莫興國等[4]提到，由于氣候變暖而降水變化不穩定，我國將面臨廣泛的干旱化趨勢，其中干旱頻次、持續時間和強度都呈顯著上升趨勢。干旱是全球農作物生產力的一個重要的非生物決定因素，碳氮代謝是植物生長和生產力的最重要的兩條途徑[5-6]，碳代謝儲存的非結構性碳水化合物被認為是植物應對干旱脅迫的關鍵決定因素[7]，氮代謝積累的滲透物質減輕了細胞組織受損[8]。羅海斌等[9]研究不同干旱脅迫對甘蔗（Saccharum officinarum）根系碳氮代謝的影響，發現碳代謝中的可溶性糖含量升高，淀粉含量下降；氮代謝中游離氨基酸含量增加。趙佳冰等[10]發現干旱脅迫下板栗（Castanea mollissima）幼苗莖和葉中非結構碳水化合物含量均顯著增加，脯氨酸可以作為干旱脅迫程度標記用于板栗栽培管理。因此，研究不同植物應對干旱脅迫時的碳氮代謝調控、及其相關生理機制可進一步明晰植物的物質轉化及代謝規律。

觀賞草作為一類具有優良環境適應能力的園林植物，其應對干旱脅迫時的相關生理研究已經取得一定進展。席璐璐等[11]研究發現輕度、中度干旱條件下虎尾草（Chloris virgata）通過滲透調節，丙二醛含量維持在較低水平，重度干旱下滲透調節作用降低。王平等[12]研究發現干旱脅迫下抗性越強的披堿草屬（Elymus）種質，葉綠體結構完整度越高，葉綠素含量也越高。但關于觀賞草應對干旱脅迫時的碳氮代謝響應機制卻報道較少。基于此，本研究在前期抗旱觀賞草篩選的基礎上，選擇相對耐旱型、中間型、相對敏感型3 種觀賞草，分別是藍濱麥（Elymus magellanicus）、金邊大米草（Spartina anglica）和常綠芒（Miscanthus transmorrisonensis）[13]，研究其苗期應對干旱脅迫的碳氮代謝響應差異，為觀賞草在干旱地區的栽培養護工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

藍濱麥、金邊大米草購自江蘇省泗陽縣劉集鄉田蜀苗木場，常綠芒購自山東省壽光市觀賞草園藝場。實驗于2021 年4—6 月在福建農林大學人工大棚內進行，福州屬典型的亞熱帶季風氣候，4—6 月平均氣溫21～32 ℃，年相對濕度約77%。

1.2 試驗方法

將采購的目標觀賞草種植于持有相同土壤質量的塑料盆中，塑料盆的規格為上口徑26 cm，高20 cm，基質為紅土，每盆約20 株。經45 d 的自然生長之后，觀賞草生長良好。選擇該3 種觀賞草長勢較為一致的盆栽苗進行干旱脅迫處理。設4 個水分處理梯度：土壤相對含水量為70%～75%、55%～60%、40%～45%、25%～30%，分別為對照組（CK）、輕度干旱（T1）、中度干旱（T2）以及重度干旱（T3）處理組，每處理3 次重復。試驗開始前進行充分澆灌，以得出田間持水量，采取自然失水的方法達到所設計的土壤相對含水量，并于每天傍晚同一時間稱量補水，維持干旱梯度，處理14 d 之后采樣測各項指標。

1.3 指標測定

生長指標在試驗處理前、試驗結束時，用卷尺測苗高、用游標卡尺測地徑。

生理指標測定采取各處理3 個重復的自植物頂端3 片以下的中部葉片，采樣時間為早上9：00，采取之后載回實驗室，先用酒精消毒再用蒸餾水沖洗干凈，吸干水分，指標需用鮮樣測定的當天完成相應測定，其余稱量好之后置于2 mL 或5 mL離心管，于-80 ℃冰箱保存待測。游離氨基酸（FAA）、可溶性糖、淀粉含量的測定參考高俊山等[14]的方法；硝酸還原酶（NR）活性、葉綠素與可溶性蛋白含量參考曹翠玲等[15]的方法；蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）活性參考高俊鳳等[16]的方法；谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）活性參考林咸永等[17]的方法。

1.4 數據處理

采用Excel 2016、SPSS 24.0 進行數據處理分析，采用Origin 2017 作圖。對同一觀賞草應對不同干旱脅迫時的株高、地徑等生長情況以及淀粉等主要代謝產物進行單因素方差分析，差異顯著水平為P＜ 0.05。為探究碳氮代謝主要酶活性與代謝產物之間的關系，故酶活性重在表達其變化趨勢。碳氮代謝與幼苗生長之間的相關性分析采用Shapiro-Wilk Test 對數據進行正態性檢驗，使用系統默認選項，完成逐步回歸分析。

2 結果與分析

2.1 干旱對3 種觀賞草幼苗生長的影響

由圖1 可知， T1條件下，藍濱麥地徑較CK增加2.4%，金邊大米草和常綠芒分別較CK 下降1.6%、15.5%；3 種觀賞草的苗高均在一定程度上得到促進，分別較CK 增加8.3%、9.1%和3.3%。T2條件下，3 種觀賞草的地徑與株高均與CK 差異顯著（P＜ 0.05），株高的增幅受干旱影響相對較大。T3條件下，3 種觀賞草的株高和地徑分別較CK 下降43.5%、35.3%、51.7%和19.3%、24.2%、34.3%。可見，耐旱型觀賞草應對干旱脅迫的途徑是在降低株高的同時通過更大程度增加地徑來實現的，干旱脅迫抑制了敏感型觀賞草的生長發育。

圖1 不同干旱條件下3 種觀賞草地徑和苗高的變化Fig. 1 The diameter and height growth of 3 ornamental grasses under different drought stress

2.2 干旱脅迫對3 種觀賞草葉片碳代謝的影響

由圖2 可知，干旱脅迫下，3 種觀賞草的SS、SPS 活性均總體呈上升趨勢。在T1、T2、T3條件下，3 種觀賞草的SS 活性分別較CK 增加9.2%、14.1%、15.0%，2.3%、8.5%、10.6%和2.4%、1.6%、5.4%，藍濱麥的幅度變化峰值出現在T1條件下，金邊大米草的出現在T2條件下，常綠芒的則出現在T3條件下，且常綠芒在T1條件下的變化幅度略高于金邊大米草。與SS 活性變化幅度相比，3 種觀賞草的SPS 活性變化相對復雜。T1條件下，常綠芒比兩外兩種觀賞草有著相對較高的SPS 值，且金邊大米草和常綠芒的SPS 變化幅度峰值由SS時的T2、T3均變為T1條件下出現；T2條件下，藍濱麥SPS 活性增幅較大，較CK 增加43.6%，差異顯著（P＜ 0.05），金邊大米草和常綠芒上升趨勢變緩；T3條件下，3 種觀賞草的SPS 活性分別較CK 增加48.2%、53.3%、13.8%。可見，耐旱型觀賞草在應對干旱脅迫時，有著更高的SS、SPS 活性、以及更大的變化幅度來調節植物生理生化過程，及時應對逆境脅迫，更大程度上減輕細胞組織受損。

圖2 不同干旱條件下3 種觀賞草SS、SPS 活性的變化Fig. 2 The activities of SS, SPS of 3 ornamental grasses under different drought stress

由圖3 可知，不同程度的干旱脅迫下，藍濱麥的淀粉含量在T1、T2、T3條件下分別較CK 增加31.3%、35.9%、13.2%，呈先升后降趨勢，總體增幅較大，差異顯著（P＜ 0.05）；而金邊大米草與常綠芒的淀粉含量卻隨干旱脅迫的加深而呈下降趨勢，分別下降19.0%、29.9%、35.3%和14.2%、20.3%、28.6%，前者下降幅度較大。可溶性糖含量呈上升趨勢，藍濱麥在T1、T2、T3條件下分別較CK 增加16.4%、33.5%、42.4%，其增長幅度高于常綠芒的8.6%、23.7%、31.3%。干旱脅迫對3 種觀賞草葉綠素含量的影響較為復雜，輕度干旱在一定程度上提高了藍濱麥的葉綠素含量，而中間型觀賞草在重度干旱下卻表現出比敏感型觀賞草更大的下降幅度，3 種觀賞草在T3條件下的葉綠素含量分別較CK 下降22.7%、31.0%、29.6%。可見，耐旱型觀賞草在應對干旱脅迫時，有著更高的淀粉含量、可溶性糖含量以及葉綠素含量，同時，有著相對較大的可溶性糖含量上升幅度。

圖3 不同干旱條件下3 種觀賞草淀粉、可溶性糖、葉綠素含量的變化Fig. 3 The contents of starch, soluble sugar, chlorophyll of 3 ornamental grasses under different drought stress

2.3 干旱脅迫對3 種觀賞草葉片氮代謝的影響

由圖4 可知，干旱脅迫時，3 種觀賞草的NR、GOGAT 活性總體呈先上升后下降的趨勢，GS 活性則總體呈上升趨勢。T1、T2條件下，3 種觀賞草的NR 活性分別較CK 增加8.3%、53.8%、25.7%和30.9%、68.1%、11.4%，藍濱麥的NR 活性在T1時的變化幅度最小，常綠芒的在T2時開始呈現緩慢下降趨勢。不同干旱脅迫下，3 種觀賞草的GOGAT 活性變化幅度相對NR 較大，T3條件下，分別較CK 增加32.1%、17.4%、3.5%，藍濱麥的變化幅度最大，常綠芒的變化幅度最小，3 種觀賞草均在T3時下降。常綠芒的GS 活性相對藍濱麥和金邊大米草上升較為緩慢，T2、T3條件下，3 種觀賞草的GS 活性分別較CK 增加9.4%、10.7%、5.2%和11.2%、12.0%、5.1%。可見，相對敏感型觀賞草而言，耐旱型觀賞草有著更高的NR、GOGAT 和GS 活性，表現出更強的抗旱能力。

圖4 不同干旱條件下3 種觀賞草NR、GS、GOGAT 活性的變化Fig. 4 The activities of NR, GS, GOGAT of 3 ornamental grasses under different drought stress

由圖5 可知，干旱脅迫下，3 種觀賞草的FAA含量總體呈上升趨勢，且各處理之間差異顯著（P＜ 0.05）。T1、T2條件下，3 種觀賞草分別較CK 增加13.3%、4.1%、12.9%和48.9%、21.1%、15.6%，藍濱麥總體增幅較大。3 種觀賞草的可溶性蛋白含量均呈先上升后下降趨勢，并均在T2條件達到最大值，分別較CK 增加23.7%、16.5%、12.0%；T3條件下的值雖然呈下降趨勢，但仍高于CK，與金邊大米草、常綠芒相比，藍濱麥T1、T2處理組的可溶性蛋白含量差異不顯著。由此可見，耐旱型和中間型觀賞草有著較高的FAA 含量和可溶性蛋白含量，以及應對干旱脅迫時迅速的代謝調控能力。

圖5 不同干旱條件下3 種觀賞草FAA、可溶性蛋白含量的變化Fig. 5 The contents of FAA, soluble protein of 3 ornamental grasses under different drought stress

2.4 干旱脅迫對3 種觀賞草葉片碳氮關系的影響

由圖6 可知，隨著干旱脅迫程度的加深，藍濱麥的NR/SPS 活性比呈不斷下降趨勢，表現出較強的氮代謝，碳代謝的程度不斷加強；金邊大米草和常綠芒的NR/SPS 活性比呈先上升后下降趨勢，且比值低于藍濱麥，碳氮代謝在一定程度上呈動態變化，可見，耐旱型觀賞草在應對干旱脅迫時有著更穩定的碳氮代謝平衡。

圖6 不同干旱條件下3 種觀賞草NR/SPS 的變化Fig. 6 Ratio of NR/SPS of 3 ornamental grasses under different drought stress

2.5 碳氮代謝與幼苗生長的相關性分析

由表1 可知，在T1條件下，耐旱型觀賞草幼苗生長與碳氮代謝中FAA 含量以及GS、SPS 活性的關系較為密切，而干旱敏感型觀賞草則與NR、GOGAT 關系較為密切。T2、T3條件下，耐旱型、干旱敏感型觀賞草的株高增幅均分別與葉綠素、淀粉有較為密切的關系，且相對系數均隨干旱程度的加深而變大；耐旱型觀賞草地徑增幅則分別與淀粉和GOGAT 較為密切，而干旱敏感型觀賞草地徑增幅分別與淀粉、可溶性蛋白關系較為密切。

表1 碳氮代謝與幼苗生長的相關性Table 1 Correlation between carbon and nitrogen metabolism and seedling growth

3 結論與討論

干旱影響植物生長和代謝的第一環節就是光合作用，對其生長和發育產生了負面影響[18]。王傳旗等[19]研究發現隨著干旱脅迫的加深，老芒麥（Elymus sibiricus）的葉綠素含量呈現持續下降趨勢，本研究葉綠素含量的變化趨勢與其相一致。相對敏感型觀賞草而言，耐旱型觀賞草有著較高的葉綠素含量和較為緩慢的變化幅度，中間型觀賞草雖然也有著較高的葉綠素含量，但卻沒有觀察到相對敏感型觀賞草而言緩慢的變化幅度趨勢，也有研究提到葉綠素含量的增加是植物應對非生物脅迫下的一種反應機制[20]，可能是敏感型觀賞草應對干旱脅迫的一種策略。因此，對于耐旱型和敏感型觀賞草葉綠素變化幅度的研究，還需進一步深入探究。此外，干旱脅迫對3 種觀賞草地徑和株高的生長均產生一定影響，張平等[21]的研究中也報道了干旱脅迫抑制植物株高生長的現象。

淀粉和可溶性糖作為非結構性碳水化合物，在調節細胞組織滲透平衡方面發揮著重要的作用，干旱脅迫降低了葉片的光合速率，也破壞了碳水化合物的代謝。李英浩等[22]研究不同干旱脅迫對同一生育時期燕麥（Avena sativa）葉片非結構性碳水化合物代謝的影響時發現，淀粉含量在重度干旱脅迫時比正常供水處理顯著下降，本研究敏感型觀賞草的淀粉含量變化與其一致，但耐旱型觀賞草的淀粉含量變化卻隨干旱程度的加深而呈先上升后下降的趨勢，其他學者的研究也報道了類似現象[23]。張海燕等[24]在研究干旱脅迫對甘薯（Dioscorea esculenta）滲透調節能力影響時發現，可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調節物質含量均呈上升趨勢；招禮軍等[25]研究表明，一定程度的干旱脅迫下，紅鱗蒲桃（Syzygium hancei）體內的滲透調節物質積累不明顯，本研究表明，在輕度干旱和重度干旱處理下，耐旱型觀賞草有著更高的可溶性糖以及葉綠素含量，可溶性糖含量增幅高于敏感型觀賞草，表現出較高的淀粉、蔗糖代謝效率。這與SS、SPS 活性變化密切相關，SS、SPS 在此過程中起著重要的催化作用，以調節滲透平衡，適應干旱脅迫。與耐旱型觀賞草相比，敏感型觀賞草更多是通過提高SPS 活性調節滲透平衡，應對干旱脅迫。在本研究中，耐旱型、中間型和敏感型觀賞草的SS、SPS 活性整體均隨干旱的加深而上升，與Liu 等[26]研究一致，但也有相關研究表明2 種酶活性隨著干旱脅迫的加深而呈下降趨勢，其原因可能是大棚栽培在一定程度上遮光的影響，孫恒等[27]對干旱和遮光對印楝（Azadirachta indica）幼苗碳氮代謝的影響的研究中報道了類似現象。

FAA 含量的增加已被證明發生在各種植物中，作為對水分脅迫的反應參與了滲透調節[28]，可溶性蛋白含量在重度干旱時下降可能是因為部分分解成為氨基酸，黃曉露等[29]的研究也報道了類似現象。硝態氮（NO3-）和銨態氮（NH4+）是植物有效的2 種氮源，GS-GOGAT 循環則是初級氮同化的最關鍵途徑，而NR 被認為是氮同化的限速因素[30]，干旱脅迫提高了耐旱型觀賞草的GS、GOGAT 和NR 活性，敏感型觀賞草也有這種變化差異，但變化幅度較緩。另外，植物細胞應對逆境脅迫反應的控制集中在碳、氮同化關鍵代謝物的比例上，兩者之間的代謝平衡對植物的正常生長有著重要的影響，NR/SPS 活性比在一定程度上可以反應碳氮代謝的平衡程度[31-32]。因此，對不同抗旱能力觀賞草應對干旱脅迫的碳氮代謝關鍵產物的比例相關仍需進一步研究。

因此，干旱脅迫對敏感型觀賞草的株高、地徑增幅有著明顯的抑制作用，也可以說這正是植物應對干旱脅迫的一種生長策略。相對耐旱型觀賞草而言，敏感型觀賞草碳氮代謝關鍵酶活性較低、相關滲透調節物質含量也較為偏低。土壤相對含水量從55%～60%降為40%～45%時，3 種觀賞草的碳氮代謝相關物質及酶活性變化較為復雜，說明此時植物體內相關生理調控機制響應頻繁，當脅迫程度繼續加深，以超過植物自身調控應對系統時，或將對其造成嚴重的損傷，影響其應用價值，所以對敏感型觀賞草的日常養護工作應控制土壤相對含水量不低于40%。