八角幼苗對三種環(huán)境因子的生理響應

黃建輝，王凌暉，滕麗琨，何 江，覃貴畢，梁武斌

(1.廣西大學 林學院，廣西南寧 530004；2.廣西林業(yè)集團桂欽林漿紙有限公司，廣西南寧 530023；3.廣西國有六萬林場，廣西玉林 537000）

植物抗逆性是植物應對環(huán)境變化的適應機制[1]。在全球氣候變暖的背景下，植物物候發(fā)生了不同程度的改變，如春季物候提前、秋季物候推遲等[2-3]。隨著極端天氣的頻發(fā)，短時性低溫、旱澇等逆境會對植物生長和生產實踐產生影響。研究植物在不同逆境下的生理生化變化是了解植物抗逆性的重要途徑，是植物引種馴化和栽培管理的科學依據(jù)，對實現(xiàn)農林作物的可持續(xù)經營有指導意義。

溫度、光照和水分是植物生長和發(fā)育的重要環(huán)境因子，這些環(huán)境因子在植物生長、生產及適宜性分布等方面發(fā)揮著不同作用[4]。低溫會引起植物胞內結冰或細胞間隙結冰，導致原生質凝固變性，也會使細胞內膜破裂影響細胞器結構和功能[5-6]。植物可通過冷馴化來提高抗寒性，如油菜（Brassica na?pus）種子[7]和茶樹（Camellia sinensis）[8]經過短期冷馴，恢復后植物抗寒性高于未經冷馴的植物。前人大多通過測定生理指標并用隸屬函數(shù)法[9]或主成分分析法[10]進行抗寒性綜合評價。光照影響植株正常生長發(fā)育、結構特征、光合作用和休眠等[11]，牛歡等[12]對金線蓮（Anoectochilus roxburghii）的研究表明，光照是影響和調控金線蓮產量構成的核心因子，不同的光照度對其葉綠素含量、根系生長與物質積累有不同的作用。土壤中的水分影響植物生長發(fā)育以及其對土壤養(yǎng)分的遷移和吸收[13]。楊順強等[14]從貓尾草（Phleum pratense）等8 種牧草的抗旱性評價中得出，脯氨酸等滲透調節(jié)物質是主要的抗旱指標，葉綠素含量所占的權重較小。在夏臘梅（Sinoca?lycanthus chinensis）[15]和狹葉紅景天（Rhodiola kirilowii）[16]的抗旱性研究中發(fā)現(xiàn)，保護酶活性和丙二醛（MDA）含量之間存在極大的相關性。

八角（Illicium verum）是木蘭科（Magnoliaceae）八角屬植物，是我國南亞熱帶重要的“藥食同源”的經濟樹種，主要分布在我國廣西、云南和廣東等省（自治區(qū)）[17]。八角果實和提取物茴香油被廣泛應用于食品、醫(yī)藥和香料等方面[18-21]。目前，國內外對于八角的研究主要集中在化學成分[17-19]、醫(yī)藥應用[20-21]、栽培管理[22-23]與病蟲害防治[24]等方面，關于八角對環(huán)境因子生理響應的研究少有報道。前人對環(huán)境因子與植物抗逆性的研究多數(shù)是對單一環(huán)境因子的討論，涉及不同因子間交互作用影響的研究較少[25-28]。本研究以八角幼苗為對象，討論溫度、光照和土壤相對含水量對八角幼苗生理的影響，可為八角幼苗栽培管理及環(huán)境適應性等方面的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西大學林學院（108°17'E，22°51'N），屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫21.7 ℃，年均降水量1 300 mm，年均日照時長1 827 h，光熱充足，雨熱同期，適合八角幼苗生長。

1.2 試驗材料

八角幼苗由廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院提供，為長勢一致且無病蟲害的幼苗，苗高15 ～20 cm，地徑2 ～5 mm。土壤取自表層土壤，黃褐色，團粒狀。

1.3 試驗設計

試驗時間為2019年12月，晝夜平均氣溫為18/12 ℃。試驗前將八角幼苗放入8 cm × 10 cm 的育苗杯中進行2 周的緩苗處理，結束后放入可控制溫度、光照度的四溫區(qū)光照培養(yǎng)箱（上海丙林電子科技有限公司MGZ-220L-4）。采用三因素三水平正交試驗設計，模擬冬季短時性低溫、強弱光和旱澇的極端天氣，分別設置了低溫0、4 和8 ℃，光照度800、1 600 和5 000 lx，土壤相對含水量90%～95%、50% ～55%和30% ～35%，每處理10 株，重復3 次（表1）。因溫度與光照度存在一定的交互影響[25]，參照交互效應表，將L9(34)正交試驗表的第3 列設置為誤差列，用于檢驗溫度與光照度是否存在交互作用。每個處理分別在脅迫0 和3 天時同一時間段取樣并測定相關生理指標，取樣時以從植株頂芽開始第3 ～8 片功能葉為供試材料，用去離子水洗凈，用濾紙吸干水分后，進行不同生理指標測定。

表1 L9(34)正交試驗Tab.1 L9(34)orthogonal test

1.4 生理指標測定

葉綠素含量的測定用分光光度法[29]，可溶性糖含量的測定用蒽酮比色法[30]，可溶性蛋白質含量的測定用考馬斯亮藍法[31]，MDA 含量的測定用硫代巴比妥酸比色法[30]，游離脯氨酸含量的測定用酸性茚三酮法[32]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 軟件進行統(tǒng)計分析及圖表的繪制，SPSS 22.0 軟件進行單因素方差分析、差異顯著性檢驗和主成成分分析。

2 結果與分析

2.1 極差分析

影響八角幼苗葉綠素含量的環(huán)境因子為光照度> 溫度> 土壤相對含水量，八角幼苗葉綠素含量在8 ℃（θ3）、1 600 lx（E2）和50% ～55%（W2）土壤相對含水量時含量最高；在4 ℃（θ2）、5 000 lx（E3）和90%～95%（W1）土壤相對含水量時含量最低（表2～3）。影響可溶性糖含量的環(huán)境因子為溫度>光照度> 土壤相對含水量，可溶性糖含量在0 ℃（θ1）、1 600 lx（E2）和95%～55%（W1）土壤相對含水量時含量最高；在8 ℃（θ3）、5 000 lx（E3）和50% ～55%（W2）土壤相對含水量時含量最低。影響可溶性蛋白含量的環(huán)境因子為溫度>土壤相對含水量>光照度，可溶性蛋白含量在0 ℃（θ1）、1 600 lx（E2）和30% ～35%（W3）土壤相對含水量時含量最高；在8 ℃（θ3）、800 lx（E1）和50% ～55%（W2）土壤相對含水量時含量最低。影響MDA 含量的環(huán)境因子為溫度>土壤相對含水量>光照度，MDA含量在0 ℃（θ1）、1 600 lx（E2）和90%～95%（W1）土壤相對含水量時含量最高；在8 ℃（θ3）、5 000 lx（E3）和50% ～55%（W2）土壤相對含水量時含量最低。影響游離脯氨酸含量的環(huán)境因子為溫度> 土壤相對含水量> 光照度，游離脯氨酸在4 ℃（θ2）、1 600 lx（E2）和90% ～95%（W1）土壤相對含水量時含量最高；含量在0 ℃（θ1）、5 000 lx（E3）和30% ～35%（W3）土壤相對含水量時含量最低。

表2 L9(34)正交試驗方案及結果Tab.2 L9(34)orthogonal test plan and results

表3 L9(34)正交試驗極差分析結果Tab.3 L9(34)orthogonal test range analysis results

續(xù)表3Continued

2.2 方差分析結果

根據(jù)方差分析可知，表1中的誤差列差異極顯著（P<0.01），說明溫度與光照度存在極顯著的交互效應，因此將誤差列更名為溫度與光照度的交互作用列，與其他因素一同進行分析（表4）。

表4 不同環(huán)境因子對八角幼苗各生理指標影響的方差分析Tab.4 ANOVA of effects of different environmental factors on physiological indexes of I.verum seedlings

各環(huán)境因子對八角幼苗葉綠素、可溶性糖和游離脯氨酸含量影響極顯著（P<0.01）。環(huán)境因子對葉綠素的影響程度為溫度與光照度的交互作用>光照度>溫度>土壤相對含水量，與極差分析結果一致；對可溶性糖和游離脯氨酸含量的影響程度均為溫度>光照度>土壤相對含水量>溫度與光照度的交互作用，環(huán)境因子對可溶性糖含量的影響與極差分析結果一致，光照度與土壤相對含水量對游離脯氨酸影響的順序與極差分析結果不一致，但極差值相差較小，可能是試驗誤差或其他因素導致，需進一步綜合分析。溫度、土壤相對含水量及溫度與光照度的交互作用對可溶性蛋白和MDA 含量的影響極顯著（P<0.01），而光照度對其影響不顯著，對可溶性蛋白含量的影響程度為溫度＞土壤相對含水率＞溫度與光照度的交互作用＞光照度，對MDA的影響程度為溫度與光照度的交互作用>溫度>土壤相對含水量>光照度，均與極差分析結果一致。

續(xù)表4Continued

2.3 不同指標最佳處理組合篩選

通過極差與方差分析可綜合得出各生理指標的最佳組合。葉綠素含量是判斷植物光合作用強弱的指標，含量越高越有利于八角幼苗的生理生長[33-35]。因此葉綠素以含量高的處理組合（θ3E2W2）為最好，與實際含量最高的處理8（θ3E2W3）基本接近?？扇苄蕴?、可溶性蛋白和游離脯氨酸等是植物細胞內重要的滲透調劑物質，與植物受脅迫程度有著一定的正相關關系[36-37]。含量越低，表明植物受到的逆境危害較低[38-39]?？扇苄蕴且院康偷奶幚斫M合（θ3E3W2）為最好，與實際含量最低的處理9（θ3E3W1）基本接近。可溶性蛋白以含量低的處理組合（θ3E1W2）為最好，與實際含量最低的處理7（θ3E1W2）一致。在實際處理與極差分析結果中，游離脯氨酸含量最低的處理均為θ1E3W3，但θ1為0 ℃低溫，與生產實踐不一致，故將溫度調整為游離脯氨酸含量較低的水平θ3，得到游離脯氨酸含量較低的處理組合為θ3E3W3。MDA 含量的變化反映了植物細胞發(fā)生膜質過氧化的劇烈程度和植物對逆境條件反應的強弱[40]，其含量越低表明植物受到的逆境危害越低[41-42]。MDA 以含量低的處理組合（θ3E3W2）為最好，與實際含量最低的處理6（θ2E3W2）基本接近。

2.4 八角幼苗抗逆性綜合評價

利用主成分分析法[30]可將多個彼此相關的生理指標轉換為個數(shù)較少且彼此獨立的新指標，可對八角幼苗的綜合抗逆性進行量化比較。在主成分分析前需對各指標進行標準化：

式中，X為標準化后所得數(shù)據(jù)，xi為i項指標的觀察值，-x為某項指標的平均值，S為標準差。以累積貢獻率達85%以上為參考值，確定主成分個數(shù)。由于主成分之間相互獨立且有著不同的貢獻率，因此，每個主成分的得分就是其加權值，其中權重就是主成分對應的貢獻率。

對5 個生理指標進行主成分分析（表5）。經主成成分分析后，得到兩個影響八角幼苗抗逆性得分的新變量，分別為Prin1 = -0.297X1+ 0.327X2+0.333X3+ 0.272X4- 0.083X5和Prin2 = 0.176X1+0.281X2+ 0.035X3+ 0.090X4+ 0.910X5?？傻貌煌幚硐掳私怯酌绲木C合抗逆性評價值，再通過極差分析求得各環(huán)境因子影響八角幼苗綜合抗逆性的主次，為溫度>溫度與光照度的交互作用>光照度>土壤相對含水量（表6）。

表5 不同處理下八角幼苗的生理指標主成分分析Tab.5 Principal component analysis of physiological indexes of I.verum seedlings in different treatments

表6 不同環(huán)境因子下八角幼苗抗逆性得分的極差分析及排序Tab.6 Scores range and order of stress resistance of I.verum seedlings under different environmental factors

3 結論與討論

通過極差、方差與主成分分析可知，葉綠素最高含量組合為θ3E2W2、可溶性糖、可溶性蛋白、MDA和游離脯氨酸的最低含量組合分別為θ3E3W2、θ3E1W2、θ3E3W2和θ3E3W3，各環(huán)境因子影響八角幼苗綜合抗逆性的程度為溫度> 溫度與光照度的交互作用> 光照度> 土壤相對含水量。溫度是影響八角幼苗生理生化的主要環(huán)境因子，是影響可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量的首要因素。各指標的最佳溫度均為8 ℃（θ3），在該溫度下，可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量較小，表明該低溫對八角生理的影響程度較低，各抗逆性指標均能正常響應環(huán)境因子的變化。從主成分分析變量Prin2的權重占比來看，游離脯氨酸可能是影響八角幼苗抗逆性評價的關鍵指標，其含量在0 ℃時最低，這可能是導致八角幼苗抗寒性弱的潛在限制因素。光照度與溫度存在極顯著的交互效應，成為影響八角幼苗生理生化的次要環(huán)境因子，對葉綠素、可溶性糖和游離脯氨酸含量的影響較大。單一光照度脅迫對可溶性蛋白和MDA含量的影響不顯著，但隨著溫度降低，過量的可溶性蛋白質和MDA可能會影響葉綠素等相關指標的合成與降解[33]，間接地對光合作用產生影響，從而形成溫光的交互影響。在低溫主導的逆境下，滲透調節(jié)物質的含量越高表明該光照度下植物的抗寒能力越強。1 600 lx（E2）是最佳的光照度，在該光照度下，葉綠素、游離脯氨酸和可溶性糖含量較高，表明在低溫主導下，1 600 lx 光照度更有利于八角幼苗抵御低溫逆境的危害。土壤相對含水量對八角幼苗生理生化的影響最小，對可溶性蛋白和游離脯氨酸含量的影響較大。其中可溶性蛋白在50% ～55%（W2）土壤相對含水量下含量最低，說明八角在該含水量下受到的脅迫最少，而游離脯氨酸含量隨著淹水程度的增加而增加。因此，綜合考慮得到八角抗逆性最佳的組合為θ3E2W2，在8 ℃（θ3）、1 600 lx（E2）和50% ～55%（W2）土壤相對含水量條件下，更適于八角幼苗的生理平衡，抗逆能力較強。在生產實踐中應考慮溫度與光照度的交互作用對八角幼苗的影響，低溫逆境下，適量的光照度有利于八角幼苗葉綠素及其滲透調節(jié)物質的積累。