干旱脅迫對桂葉山牽牛成熟苗生理生化的影響

唐 慶，黃 欣，秦 波，李 冰，林 茂

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002）

【研究意義】干旱是影響植物生理生態(tài)特性及生長發(fā)育過程的重要因子，也是制約花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全球性問題。近年來，在全球變暖的氣候背景下，極端天氣所造成的氣候災害頻發(fā)，干旱受災區(qū)域逐漸由我國北部地區(qū)向南部地區(qū)蔓延。因此，如何提高植物對干旱環(huán)境的適應性一直以來都是花卉專家研究的熱點之一。干旱是限制桂葉山牽牛推廣應用的逆境因素，由于這些地區(qū)水資源匱乏，限制了以灌溉途徑提高推廣面積［1-2］?！厩叭搜芯窟M展】大量研究表明，干旱脅迫對植物體內(nèi)水分的虧缺，導致植株矮小，葉片加速衰老和萎蔫等［3-4］。光合日變化特征是作物光合在一天中對特定環(huán)境作出的動態(tài)變化的響應［5-6］，抗旱是通過維持較低的蒸騰速率來減少水分的缺失［7］，適宜水分虧缺有利于提高水分利用效率［8］。在一定干旱脅迫下，葉綠體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的變化［9］。桂葉山牽牛植物屬于速生藤本，適宜在邊坡綠化、礦山修復等地種植，這不僅可以可以美化環(huán)境，提高綠地覆蓋率，具有較好的景觀效果；其次，邊坡綠化可以涵養(yǎng)水源，在一定程度上預防和減少水土流失、滑坡等現(xiàn)象的發(fā)生［10］。但是邊坡、礦山等地，地勢險惡，土壤殘留量少，嚴重缺水，直接影響植物的生長，因此研究桂葉山牽牛藤本植物具有生產(chǎn)指導實踐意義。目前，桂葉山牽牛成熟苗對干旱脅迫的生理生化及葉綠體超微結(jié)構(gòu)等這方面的研究尚未見報道，但有遮蔭對大花山牽牛和桂葉老鴉嘴生長及葉片組織結(jié)構(gòu)影響的相關報道。【本研究切入點】本研究選擇桂葉山牽牛成熟苗為研究對象，采用盆栽控水法，以探討干旱對桂葉山牽牛成熟苗的生理生化的影響。【擬解決的關鍵問題】通過比較桂葉山牽牛在不同干旱脅迫條件下的形態(tài)、光合參數(shù)和葉綠體超微結(jié)構(gòu)，了解桂葉山牽牛對干旱脅迫的響應機制，為其抗旱栽培提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院園林花卉研究所（108°21′E，22°56′N），屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫20～21 ℃，≥10 ℃的年積溫7 206 ℃，一般年份有2～4 d 輕霜，年均降水量1 350 mm，5—9 月為雨季、月降雨量在100 mm 以上，10 月至翌年4 月雨量較少、月降雨量在80 mm 以下［11］。

供試材料為桂葉山牽牛成熟苗，選擇長勢一致、具有8～10 對葉片，根系發(fā)達、無病蟲害、株高190～200 cm 的優(yōu)良植株。

1.2 試驗方法

試驗于2020 年7 月10 日至2020 年8 月10日在廣西林科院園林花卉所基地進行，采用高透光遮雨棚下盆栽試驗。脅迫前將試驗苗充分澆透水肥，使土壤含水量及營養(yǎng)基本保持一致，待土壤自然干后，進行干旱脅迫處理。參照Hsiao［12］的方法，試驗設正常供水（CK）、中度干旱（MD）和重度干旱（SD）3 個水分處理，即土壤含水量分別控制在田間持水量的70（± 5）%、50（± 5）%和35（± 5）%。于每天早上8:00、中午12:00、下午18:00 這3 個時間段用WET-2 土壤水分溫度電導率速測儀測土壤含水量，水分不足時用有刻度的燒杯進行補水，并記錄加水量。處理30 d 后，分別測定形態(tài)指標、光合指標并觀察葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 形態(tài)指標 脅迫前2020 年7 月10 日、脅迫后8 月10 日分別測定株高、地徑、葉片數(shù)、葉長和葉寬、根系生物量（干鮮重）和地上部分生物量（干鮮重）等指標。

株高、葉長和葉寬：將試驗植株水平放置，用卷尺測定株高（植株從基部至生長點）、葉長（從葉尖至葉柄）、葉寬（選取葉片最寬的位置測定）。

地徑：用電子游標卡尺，輕輕卡住植株基部，測定地徑值。

根冠比：將不同干旱脅迫處理的桂葉山牽牛成熟苗從盆中取出，用流水沖洗干凈，將地上部分與地下部分分開，晾干并稱重，用錫箔紙包好，放入烘箱，120 ℃烘48 h 至恒重，再分別稱地上部和地下部分的干重。

根冠比＝地下部重量／地上部重量

1.3.2 光合特性指標 2020 年7 月10 日至8 月10 日，在天氣晴朗的條件下連續(xù)測定。測定時間為9:00～19:00，每隔1 h 測定1 次，每個處理測定3 盆，每盆測定3～5 片成熟葉，用Li-6400xt 便攜式光合儀（Li-COR USA）測定葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、細胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）等生理指標，同時記錄氣溫（Tair）、葉溫（Tleaf）及空氣相對濕度（RH）等參數(shù)。

1.3.3 葉片細胞超微結(jié)構(gòu)觀察 2020 年8 月10日以測定光合特性的葉片為材料，按要求截取葉片樣品大小為2 mm×2 mm，置于2.5%戊二醛中固定過夜，用0.1 mol/L 磷酸漂洗液漂洗3 次，每次15 min，將樣品放入1%鋨酸4 ℃冰箱中固定2 h；然后在0～4 ℃用50%、70%和90%乙醇逐級脫水，每次脫水時間15 min，再用100%乙醇和100%環(huán)氧丙烷分別脫水5 min，3 次重復；用環(huán)氧丙烷+包埋液（2∶1）包埋2 h，再用環(huán)氧丙烷+包埋液（1∶2）包埋3 h，純包埋液浸泡過夜，最后用純包埋液在室溫浸泡3～4 h。將樣品塊置于包埋模板內(nèi)，加入純包埋劑后放恒溫烘箱內(nèi)聚合，37 ℃ 12 h，45 ℃12 h，60 ℃48 h，半?。? um）定位及超薄切片機切片（70 nm），3%醋酸鈾-枸櫞酸鉛雙染色，透射電鏡觀察，拍片。

試驗數(shù)據(jù)運用Microsoft Office Excel 進行整理與作圖，并進行均值和方差分析。不同干旱脅迫桂葉山牽牛形態(tài)指標、生理指標等采用DPS 7.05軟件進行單因素方差分析（one-Way ANOVA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對桂葉山牽牛生物量及氣孔的影響

由表1 可知，桂葉山牽牛株高和葉片數(shù)隨著不同干旱脅迫程度而變化，差異顯著；MD 處理地徑、葉長和葉寬與CK 差異不顯著，而SD 處理與CK 差異顯著；MD、SD 處理根系生物量（干重）、地上部分生物量（干重）、冠根比與CK差異顯著，MD 與SD 處理間差異不顯著，說明桂葉山牽牛成熟苗對不同干旱脅迫的生理調(diào)控機制，在形態(tài)上表現(xiàn)為桂葉山、牽牛成熟苗受到的干旱脅迫程度越大，生長受到的抑制就越嚴重。干旱脅迫對桂葉山牽牛成熟苗造成一定的影響，尤其是MD、SD 處理，地上部分株高、地徑、葉片數(shù)和葉長寬顯著降低，根冠比差異不顯著，表明桂葉山牽牛成熟苗通過不同生長器官的結(jié)構(gòu)資源分配比例保證自身的生長。桂葉山牽牛干旱脅迫前的生長量與脅迫后的生長量有顯著差異，CK株高增長15.33 cm，而MD、SD 處理株高分別下降21.43、68.70 cm；地徑在正常供水（CK）和中度干旱（MD）脅迫下分別增加0.94、0.51 mm，而重度干旱（SD）的地徑下降0.30 mm，說明在重度干旱脅迫下桂葉山牽牛地徑的生長受到一定的抑制；CK 桂葉山牽牛葉片數(shù)增加10 片，而MD、SD 處理的葉片數(shù)分別減少19 片和47 片，說明葉片是植物進行物質(zhì)、能量及水氣交換的主要器官，對環(huán)境變化敏感、可塑性強，能夠影響植物的行為和功能。桂葉山牽牛干旱脅迫后的葉片大小均下降，這可能跟植物本身的生長有關，盆栽試驗的基質(zhì)以及營養(yǎng)不足，導致葉片的營養(yǎng)不足；干旱脅迫后根冠比增加，說明地下部分在增加，而地上部分減少。

表1 桂葉山牽牛脅迫前后的相關生長量指標Table 1 Growth indicators of Thunbergia laurifolia before and after stress

2.2 干旱脅迫對桂葉山牽牛的氣體交換參數(shù)日變化的影響

由表2 可知，隨著干旱程度的增加，桂葉山牽牛葉片瞬時凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率顯著降低，水分利用效率增加，氣孔限制值無顯著變化。其中，與對照相比，MD、SD 處理的凈光合速率分別下降2.22、2.87 μmol/m2·s，蒸騰速率分別下降5.14、5.83 mmol/m2·s，水分利用效率分別增加0.41、0.29 μmol/mmol。

表2 干旱脅迫下葉片瞬時氣體交換參數(shù)變化Table 2 Changes of instantaneous gas exchange parameters of leaves under drought stress

桂葉山牽牛凈光合速率的日變化如圖1A 所示，CK、MD 和SD 處理均存在光合“午休”現(xiàn)象，其中CK 的日變化為三峰曲線；MD 處理日變化為雙峰曲線，第1、2 峰值出現(xiàn)在12:00 與14:00，以13:00 左右的凈光合速率值最低；SD 處理的日變化不顯著。綜合分析，桂葉山牽牛凈光合速率以CK 顯著高于MD、SD 處理，依次為CK ＞MD＞SD，說明其凈光合速率隨著水分的降低而降低。

桂葉山牽牛蒸騰速率的日變化如圖1B 所示，CK 為三峰曲線，而MD、SD 處理的日變化均為雙峰曲線，在9:00 的蒸騰速率較低，之后隨著光合有效輻射的增加，氣孔導度的擴張導致蒸騰速率增加，在13:00 和16:00 左右均出現(xiàn)雙峰。綜合分析，桂葉山牽牛的蒸騰速率以CK 顯著高于MD、SD 處理，依次為CK ＞MD ＞SD。

由圖1C 可知，桂葉山牽牛胞間CO2濃度日變化受到大氣中CO2濃度和氣孔導度的影響，CK和MD 處理的胞間CO2濃度在13:00 最低，而SD處理胞間CO2濃度在13：00 增加；CK 在9:00 和19:00 顯著高于其他時間段，而在18:00 下降，這可能是受到外界因素影響所致。

圖1D 顯示，不同干旱脅迫下桂葉山牽牛氣孔導度依次為CK ＞MD ＞SD，其中CK 的桂葉山牽牛氣孔導度日變化為三峰曲線，峰值出現(xiàn)在10：00、12：00 和14:00 左右；MD 處理出現(xiàn)明顯的雙峰；而SD 處理的氣孔導度變化不大，與凈光合速率呈正相關關系。

圖1 不同干旱脅迫桂葉山牽牛氣體交換參數(shù)日變化Fig.1 Diurnal variationof gas exchange parameters of Thunbergia laurifolia under different drought stress

2.3 桂葉山牽牛氣孔限制值和水分利用率的日變化

不同干旱脅迫對桂葉山牽牛氣孔限制值的日變化見圖2A，CK 桂葉山牽牛氣孔限制值在13:00呈單峰，而MD、SD 處理桂葉山牽牛氣孔限制值均在13:00 最低。水分利用效率的日變化（圖2B）均呈雙峰曲線，隨著凈光合速率的增加，桂葉山牽牛通過調(diào)節(jié)氣孔關閉的方式減少水分散失，在13:00 左右均出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象，此時水分利用效率的值最低，其中CK 的水分利用效率顯著高于MD、SD 處理，依次為CK ＞MD＞SD。

圖2 不同干旱脅迫桂葉山牽牛氣孔限制值和水分利用效率日變化Fig.2 Diurnal variations of stomatal limits and water use efficiency of Thunbergia laurifolia under different drought stress

2.4 干旱脅迫對桂葉山牽牛葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響

由圖3A、D 可知，不同程度干旱脅迫下，桂葉山牽牛的葉綠體結(jié)構(gòu)均發(fā)生較明顯的變化。其中，CK 的桂葉山牽牛葉片類囊體片層排列整齊，層數(shù)多，淀粉粒多、飽滿、體積大，嗜鋨顆粒少、體積?。籑D 處理的類囊體片層排列整齊，層數(shù)多，淀粉粒少、不飽滿、體積小，嗜鋨顆增多、體積增大；SD 處理的類囊體片層排列不整齊，層數(shù)多但不緊密，淀粉粒少、干癟、體積小，嗜鋨顆粒多、體積大。說明MD、SD 處理干旱脅迫嚴重影響葉綠體結(jié)構(gòu)類囊體結(jié)構(gòu)的排列，淀粉粒的減少、干癟以及內(nèi)含物增加。

圖3 不同干旱脅迫對桂葉山牽牛葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effects of different drought stress on chloroplast ultrastructure in leaves of Thunbergia laurifolia

3 討論

3.1 干旱對桂葉山牽牛形態(tài)特征的影響

李穎慧等［13］認為隨著干旱脅迫程度的加重，不同籽用西瓜品種間葉片出現(xiàn)萎蔫、變黃、褐化的程度不同；范蘇魯?shù)龋?4］認為植物受到干旱脅迫時最直觀的反應就是外部形態(tài)上的變化，干旱通常會導致植物水分虧缺，延緩或破壞植物的正常生長。本試驗中，干旱脅迫對桂葉山牽牛成熟苗的生長造成一定的影響，MD、SD 處理地上部分株高、地徑、葉片數(shù)和葉長寬顯著降低，根冠比差異不顯著，表明桂葉山牽牛成熟苗通過不同生長器官的結(jié)構(gòu)資源分配比例保證自身的生長。因此，桂葉山牽牛成熟苗對不同干旱脅迫的生理調(diào)控機制，表現(xiàn)在形態(tài)上便是桂葉山牽牛成熟苗受到的耐旱程度越大，生長受到的抑制就越嚴重。

3.2 干旱脅迫對桂葉山牽牛光合指標的影響

蕭自位等［15］認為土壤水分含量的變化導致植株葉片光合的變化；崔瑩瑩［16］認為不同植物葉片的凈光合速率對光質(zhì)的響應機理并不完全相同；張志煥等［17］認為輕度干旱脅迫時，光合作用下降的原因是氣孔限制，而在緩慢干旱、中度干旱和重度干旱時，光合作用下降是非氣孔限制。本研究中，以正常供水（CK）為對照，隨著水分的減少，桂葉山牽牛凈光合速率和蒸騰速率的日變化均存在下降趨勢，MD、SD 處理的凈光合速率分別下降2.22、2.87 μmol/m2·s，蒸騰速率分別下降5.14、5.83 mmol/m2·s，說明中度干旱和重度干旱時光合作用降低的原因由非氣孔限制所導致，同時也這表明當水分嚴重虧缺時，桂葉山牽牛光合機構(gòu)受嚴重損害以致電子傳遞速率降低，與段娜等的［18］研究結(jié)果一致，即桂葉山牽牛成熟苗通過降低光合作用來提高抗旱能力。

3.3 干旱脅迫對桂葉山牽牛水分利用的影響

鄧沛怡等［19］認為水分利用效率（WUE）是植物抗旱性的重要指標，干旱脅迫有利于提高植物的水分利用效率；何平如等［20］認為土壤水分下限過高，棉花單株有效鈴數(shù)降低，產(chǎn)量增加不再明顯，水分利用效率較低；郭賢仕等［21］、劉凱強等［22］認為干旱能引起植物的水分利用效率增加并不是耗水絕對量的減少，而是干旱鍛煉增強了葉片的同化功能，其同化能力超過蒸騰速率的增加。本研究中，MD、SD 處理的水分利用率較高，分別為0.89、0.77 μmol/mmol，說明MD處理桂葉山牽牛水分利用效率較高，僅限于在一定的范圍內(nèi)能恢復植物受損的細胞，否則植物因光系統(tǒng)的損傷會導致植物凈光合速率處于較低水平，這與黃剛等的［23］研究結(jié)果一致，即桂葉山牽牛成熟苗通過提高水分利用效率來抵御抗旱。

4 結(jié)論

桂葉山牽牛成熟苗會通過降低光合作用、關閉氣孔及提高水分利用效率等方式來應對環(huán)境惡劣的干旱條件。桂葉山牽牛在正常供水（CK）條件下長勢較好，葉綠體結(jié)構(gòu)排列整齊，中度干旱（MD）脅迫下葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，而重度干旱（SD）脅迫下雖然葉綠體結(jié)構(gòu)嚴重受損，但是成熟苗未見有死亡，說明干旱脅迫處理桂葉山牽牛成熟苗的耐旱性較強，能夠在園林中應用。