干旱脅迫下精靈景天的電阻抗圖譜數(shù)與生理參數(shù)的關(guān)系

劉天宇 孟慶瑞 滕仁艷

摘要：以干旱脅迫下種植在屋頂?shù)木`景天（Diamorpha smalli）葉片為材料，測定其電阻抗圖譜參數(shù)和膜透性的變化，通過膜透性與電阻抗圖譜參數(shù)間的相關(guān)性來證明電阻抗圖譜法研究精靈景天抗旱性的有效性。結(jié)果表明：隨著干旱時間的延長，精靈景天葉片的胞外電阻整體呈上升趨勢，胞內(nèi)電阻整體呈下降趨勢，弛豫時間和弛豫時間分布系數(shù)呈先下降后上升的趨勢;葉片細(xì)胞膜透性逐漸增大，凈光合速率逐漸下降。相關(guān)分析表明，弛豫時間與膜相對透性呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）;胞內(nèi)電阻與凈光合速率呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），弛豫時間與凈光合速率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。

關(guān)鍵詞：精靈景天;葉片;干旱脅迫;電阻抗圖譜參數(shù);相對電導(dǎo)率;凈光合速率;弛豫時間;膜相對透性;生理參數(shù)

屋頂綠化特殊環(huán)境要求植物具有較強(qiáng)的抗逆性[1]，而干旱作為一種重要的逆境因子，對植物的生長產(chǎn)生廣泛的影響。抗旱性是植物在對干旱缺水環(huán)境的長期適應(yīng)中通過自身的遺傳變異和自然選擇獲得的一種抗旱能力[2]。目前，對屋頂綠化草本植物的抗旱性尚缺乏研究，因此關(guān)于植物干旱脅迫的研究對其在屋頂環(huán)境條件下的園林應(yīng)用起重要的指導(dǎo)作用。測定植物組織和器官的電阻抗圖譜法（EIS）是用等效電路來表示所感興趣的組織樣本，在估測植物活力、果實(shí)受害程度、抗寒性、對含鹽量敏感度等方面得到了廣泛的應(yīng)用[3-5]，在植物生理學(xué)研究方面的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)展。在所有這些研究中，EIS法通過非破壞性的方法測定胞內(nèi)電阻、胞外電阻等電阻抗圖譜參數(shù)，可以準(zhǔn)確快捷地獲得有關(guān)膜變化的基本生理信息。因此，可以考慮用EIS參數(shù)來診斷植物受干旱脅迫的程度。研究表明，精靈景天在遭受到不同程度的水分脅迫下導(dǎo)致原生質(zhì)脫水，膜透性增加，內(nèi)容物外滲，葉片的生理指標(biāo)都相應(yīng)地發(fā)生變化[6]。尚未見水分脅迫下精靈景天葉片電阻抗圖譜參數(shù)與其生理參數(shù)關(guān)系的文獻(xiàn)報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為精靈景天3年生小苗，來自于北京一所苗圃。試驗(yàn)在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)一所建筑物樓頂?shù)?塊試驗(yàn)田中進(jìn)行。

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)田共有8個試驗(yàn)小區(qū)，在每個面積為0.4×10 m2的試驗(yàn)小區(qū)中種植物40株，每個試驗(yàn)小區(qū)四周鋪設(shè)塑料膜以防側(cè)方滲水，以使各個試驗(yàn)小區(qū)互不影響。充分緩苗后，在自然狀態(tài)下持續(xù)干旱處理，以正常澆水為對照。每5 d采樣1次，共5次。采樣時均選擇上數(shù)第4張至第5張葉片進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)測定，重復(fù)3次。

1.2 方法

1.2.1 電阻和電抗的測定及電阻抗圖譜參數(shù)的擬合 將不同干旱時期的精靈景天葉片切成4 mm×10 mm作為1個樣本，用測厚儀（Mitutoyo No. 7331，Japan）測厚度，精確到 0.01 mm，每個時期8個重復(fù)。把樣本放置在2個玻璃管之間，通過電極接觸凝膠，再通過凝膠輕輕接觸待測樣本。對阻抗分析儀（HP4284A，USA）進(jìn)行開路和短路校正，校正后分別測定樣本在42個頻率下的電阻值和電抗值，測定頻率范圍為80 Hz～1 MHz，輸入電壓20 mV。

將上述頻率下測定的樣本電阻和電抗值分別作為實(shí)部和虛部，作出電阻和電抗隨頻率的變化曲線，即EIS。等效電路參數(shù)用Repo發(fā)展的LEVM8.06（Macdonald Jr.）[7]軟件進(jìn)行擬合。

1.2.2 葉片膜透性測定 膜相對透性的測定采用電導(dǎo)儀法[8]。稱取植物葉片0.2 g，將葉片剪成0.5 cm2的小塊，放入燒杯中，加入15 mL蒸餾水，振蕩24 h后測定電導(dǎo)率，同時測定空白電導(dǎo)率，將測完電導(dǎo)率的各試樣放入水浴鍋中水浴30 min，再放在室溫下冷卻24 h，測定煮沸電導(dǎo)率。

1.2.3 凈光合速率測定 光合特性指標(biāo)的測定。2016年7月每5 d的08：30—11：00選取植株倒3葉，用Li-6400xt便攜式光合儀（Li-COR，USA）測定葉片的凈光合速率（Pn）。測定時用紅藍(lán)光源，光照度設(shè)1 000 μmol/（m2·s），CO2氣體由小鋼瓶提供，控制濃度為400 μmol/（m2·s）（下同）。每個處理測定3株，重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用SPSS 13.0軟件和Microsoft Excel軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干旱時間下的土壤含水量

由表1可知，隨著干旱時間的增加，干旱處理區(qū)的土壤含水量逐漸降低，在干旱20 d時，土壤含水量僅為8.2%。

2.2 干旱脅迫對荊芥葉片電阻抗圖譜參數(shù)的影響

2.2.1 干旱脅迫下胞外電阻的變化 精靈景天葉片在受到干旱脅迫后，胞外電阻隨著干旱時間的增加，呈先上升后下降的趨勢。隨著干旱時間的增加，胞外電阻均大于對照。當(dāng)干旱時間為5 d時，胞外電阻為對照的1.09倍;當(dāng)干旱時間為10 d時，為對照的1.08倍（圖1）。當(dāng)干旱時間為15 d時，胞外電阻達(dá)到最大值，為對照的1.23倍，明顯高于對照（P<0.05）。當(dāng)干旱時間超過15 d時，精靈景天葉片胞外電阻逐漸下降，為對照的1.26倍（P<0.01）（圖1）。

2.2.2 干旱脅迫下胞內(nèi)電阻的變化 精靈景天葉片在受到干旱脅迫后，隨著干旱時間的增加，胞內(nèi)電阻整體呈下降的趨勢。當(dāng)干旱時間為10 d時，胞內(nèi)電阻有所上升，且高于對照，為對照的1.19倍;當(dāng)干旱時間為5、15、20 d時，胞內(nèi)電阻均低于對照;當(dāng)干旱時間超過10 d時，胞內(nèi)電阻下降，明顯低于對照，分別為對照的0.65、0.40倍（圖2）。

2.2.3 干旱脅迫下馳豫時間的變化 精靈景天葉片受干旱脅迫后，弛豫時間隨干旱時間的增加，呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，干旱時間為20 d時，弛豫時間達(dá)到最大值。在干旱時間為0～10 d時，精靈景天葉片弛豫時間呈持續(xù)下降趨勢，且明顯低于對照，干旱時間5、10 d時，分別為對照的0.70、0.64倍;當(dāng)干旱時間超過10 d時，弛豫時間呈上升趨勢，干旱時間為15、20 d時分別為對照的1.01、1.09倍（P<0.01）（圖3）。

2.2.4 干旱脅迫下馳豫時間分布系數(shù)的變化 隨干旱時間的增加，精靈景天葉片弛豫時間分布系數(shù)呈先下降后上升的趨勢。在干旱時間為20 d時，弛豫時間分布系數(shù)達(dá)到最大，為對照的0.90倍;在干旱時間在0～10 d時，弛豫時間分布系數(shù)均高于對照組，分別為對照組的1.13、1.03倍;當(dāng)干旱時間在15、20 d時，弛豫時間分布系數(shù)均低于對照，分別為對照的0.98、0.90倍，與對照差別不大（圖4）。

2.3 干旱脅迫下精靈景天葉片相對電導(dǎo)率的變化

精靈景天葉片的相對電導(dǎo)率隨干旱時間的增加而上升（圖5）。當(dāng)干旱時間為5、10 d時，葉片的電導(dǎo)率分別為對照的1.05、1.24倍，與對照差異不顯著，表現(xiàn)為上升趨勢幅度較小。說明葉片可能在干旱時間為0～10 d時，通過細(xì)胞自我調(diào)節(jié)機(jī)制防止細(xì)胞膜的損害。當(dāng)干旱時間超過10 d時，葉片相對電導(dǎo)率顯著增加。相對電導(dǎo)率在干旱時間為15 d時為對照的1.35倍（P<0.05）。在干旱20 d時為對照的1.49倍（P<0.01），這說明在干旱20 d后葉片受害嚴(yán)重，細(xì)胞液大量滲出，導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。這個結(jié)果與精靈景天葉片的電阻抗圖譜參數(shù)變化所反映的受傷害干旱區(qū)間有一致性。

2.4 干旱脅迫下精靈景天葉片凈光合速率的變化

干旱脅迫下精靈景天葉片凈光合速率的測定結(jié)果表明，隨著干旱時間的增加，凈光合速率迅速下降（圖6）。當(dāng)干旱0～10 d時，凈光合速率差異不顯著（P>0.05），表明曲線下降幅度較小。在干旱5、10 d時，凈光合速率分別是對照的 1.05、0.90倍。干旱時間在15～20 d時，凈光合速率與對照差異較大（P<0.05），表明曲線下降幅度變大。干旱時間為15、20 d時，凈光合速率分別為對照的0.58、0.48倍（P<0.05），表明當(dāng)干旱時間大于10 d時，葉片含水量的降低導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，從而使葉片適應(yīng)干旱的脅迫。

2.5 干旱脅迫下電阻抗圖譜參數(shù)與生理指標(biāo)的相關(guān)性

弛豫時間與膜相對透性呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）（表2）;胞內(nèi)電阻與凈光合速率含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），弛豫時間與凈光合速率也呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）（表3）。膜相對透性和凈光合速率可作為植物受傷害程度的主要鑒定指標(biāo)[8-9]，而胞內(nèi)電阻、弛豫時間與膜相對透性的變化、凈光合速率的變化的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.73、0.69和0.89、0.68，證明胞內(nèi)電阻和弛豫時間等物理參數(shù)同樣可以反映精靈景天葉片受到干旱脅迫程度。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)應(yīng)用電阻抗圖譜法研究了干旱脅迫下精靈景天葉片的電阻抗圖譜參數(shù)，結(jié)果顯示，隨著干旱時間的增加，精靈景天葉片的胞外電阻整體呈上升趨勢，胞內(nèi)電阻整體呈下降趨勢，弛豫時間和弛豫時間分布系數(shù)表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢。當(dāng)干旱時間為15 d時，胞外電阻、弛豫時間和弛豫時間分布系數(shù)均高于對照水平，而且在干旱15 d時，胞外電阻、弛豫時間和弛豫時間分布系數(shù)達(dá)到了最大值，說明細(xì)胞自身調(diào)節(jié)，使葉片適應(yīng)干旱脅迫，從而不受傷害。在干旱時間為15、20 d時，胞內(nèi)電阻、弛豫時間分布系數(shù)明顯低于對照水平，這可能說明精靈景天葉片在長時間的干旱脅迫下，葉片的自我調(diào)節(jié)機(jī)制受到破壞，導(dǎo)致電阻抗圖譜參數(shù)降低。

在水分脅迫對不同品種的白皮松葉片電阻抗參數(shù)的影響表明，在測定白皮松針葉電阻抗參數(shù)時，嚴(yán)重干旱條件下各品種小麥葉片的胞內(nèi)電阻均高于對照[10]。受到水分脅迫的情況下，胞外電阻與細(xì)胞膜透性有顯著正相關(guān)，馳豫時間與細(xì)胞膜透性之間有顯著負(fù)相關(guān)，馳豫時間分布系數(shù)與細(xì)胞膜透性之間有顯著負(fù)相關(guān)，胞內(nèi)電阻與細(xì)胞膜透性之間有顯著負(fù)相關(guān)[11]。這與本研究結(jié)果不完全一致，可能是由于不同植物之間結(jié)構(gòu)的差異，也可能是由于研究的處理方式不同。

土壤水分脅迫對植物生長和代謝的影響是多方面的，其中對光合作用的影響尤為突出[12]。水分脅迫通常抑制葉綠素的生物合成，提高葉綠素酶活性并加速分解，致使葉綠素含量下降[13]，這與本研究結(jié)果一致。葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的主要場所，干旱脅迫降低了葉綠素含量，即葉綠素SPAD值，從而使得光合酶活性和光合作用表光量子效率等下降，最終導(dǎo)致凈光合速率降低，這主要是由非氣孔因素引起的[14]。細(xì)胞膜的透性可以反映植物細(xì)胞受害的程度，植物在干旱脅迫下，細(xì)胞膜透性會因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)的損害而增加，而電解質(zhì)外滲值可被用來檢驗(yàn)?zāi)ぶ姆€(wěn)定性與完整性[15]。研究表明，隨著干旱程度的增加，葉片細(xì)胞膜透性顯著增大。

本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，精靈景天葉片的電阻抗圖譜參數(shù)和凈光合速率、細(xì)胞膜透性之間有著明顯的相關(guān)性，其中胞內(nèi)電阻與凈光合速率呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），弛豫時間與凈光合速率呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）;弛豫時間與膜相對透性呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。表明應(yīng)用電阻抗圖譜參數(shù)可以證明精靈景天受干旱脅迫的程度，電阻抗圖譜法將是精靈景天逆境脅迫研究的一種有效方法。

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