干旱胁迫对4种菊科宿根花卉生理特性的影响

刘 洋，张鸿翎，韩 涛

(内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010020)

菊科宿根花卉具有较高的观赏性及生态适应性，适合大面积培育和栽植，是节约型园林绿化美化的优良之选[1]。植物正常生长需要水分，但水分高于或低于一定量将引起植物形态及生理方面的变化[2]。本研究以4种菊科宿根花卉为对象，自然干旱胁迫条件下观察形态特征，测定生理指标，了解干旱胁迫下各生理指标之间的关系，为不同环境下的应用提供依据，并通过模糊隶属函数法分析比较，筛选出抗旱性较强的植物，为生态节水型园林建设应用提供理论试验参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

4种菊科宿根花卉：宿根天人菊(Gaillardiaaristata)、夏菊(Chrysanthemummorifolium)、大花藿香蓟(Ageratumhoustonianum)、千叶蓍(Achilleamillefolium)。

1.2 试验设计

试验于2019年7-10月在内蒙古农业大学教学试验温室内进行。挑选生长健壮且整齐一致的植物，带土球栽于规格为口径14 cm×高10 cm的塑料花盆中，每盆2株，基质为园土∶草炭土=2∶1，统一正常浇水养护管理2个月。试验开始前1天，对所有植物浇透水，使基质处于饱和含水状态，之后不再进行浇水，每隔3 d随机采样1次，即第0(CK)、3、6、9、12 d，每个时间点重复3次，采样时间为8：00-9：00。

1.3 指标测定

1.3.1 土壤容积含水量 使用TSZ-Ⅰ型土壤水分速测仪进行测定。

1.3.2 形态指标 观测4种宿根花卉的外部形态变化并拍照记录，将萎蔫程度定为5级。其中，Ⅰ级：长势良好，叶色正常，叶片没有萎蔫；Ⅱ级：生长一般，叶色基本正常，基部叶片开始失水萎蔫；Ⅲ级：叶片开始失水卷曲，叶片下垂，叶色基本正常，叶萎蔫量<20%；Ⅳ级：叶片严重失水，叶柄变软，叶萎蔫量占20%～50%；Ⅴ级：叶片卷曲下垂严重，叶萎蔫量占50%～80%，Ⅵ级：叶片全部萎蔫[3]。

1.3.3 生理指标 叶片相对含水量，采用称重法测定[4]、丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[5]、过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[6]、游离脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮比色法测定[7]、可溶性蛋白(SP)含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[8]。

1.4 数据处理与分析

所有测定均重复测定3次，取平均值，并采用Excel 2010对数据进行计算和绘图，用SPSS 25.0对数据进行方差分析，用Duncan检验法检测差异显著性。

2 结果与分析

2.1 形态特征

干旱胁迫下，对4种宿根花卉进行形态特征观察(表1)，随着干旱胁迫的加剧，4种宿根花卉形态逐渐出现失水、卷曲、失绿、下垂及萎蔫等变化。试验3 d时，除夏菊生长正常外，其他3种均出现不同程度失水；6 d时宿根天人菊和大花藿香蓟叶片开始失水卷曲，叶片下垂，叶萎蔫量<20%，叶色基本正常；胁迫9 d，夏菊和千叶蓍形态发生变化，叶萎蔫量增长，但仍<20%；胁迫12 d时，宿根天人菊已失去观赏价值，大花藿香蓟萎蔫率>50%。叶片形态变化与它们的叶片结构和贮水能力有关，宿根天人菊和大花藿香蓟叶片表面均有绒毛，在一定程度上能减少水分散失，但宿根天人菊叶片相对较大，蒸腾流失水分速度相对较快；夏菊的茎较粗，因此贮水能力强，其茎内储存的水分能维持较长时间的生理代谢；千叶蓍叶片小而密，萎蔫速度也相对较慢。

表1 干旱胁迫下4种宿根花卉的形态特征Table 1 Morphological characteristics of four perennial flowers under drought stress

2.2 土壤容积含水量

随着干旱胁迫时间的延长，4种花卉土壤容积含水量总体呈下降趋势，降幅存在一定差异(图1)。总体来看，0～3 d时4种宿根花卉均降幅较大，但变化差异不明显，3～9 d时，宿根天人菊降幅较缓，千叶蓍变化幅度最大，夏菊和大花藿香蓟变化幅度相对一致，胁迫9 d分别比对照减少72.56%、81.34%、79.11%和81.43%，随后，变化幅度逐渐减小，12 d时达到最低值，分别为11.53%、6.60%、9.20%和8.90%。由于试验处理均在花盆内进行，土壤得不到来自外界的水分补充，在胁迫的开始时土壤容积含水量下降幅度较大，9 d以后下降速度缓慢，胁迫12 d时，4种植物土壤容积含水量相对一致，确保了试验的科学性。

图1 干旱胁迫下4种宿根花卉土壤容积含水量的变化Fig.1 Changes in soil volumetric water content of four perennial flower plants under drought stress

2.3 水分胁迫对4种菊科宿根花卉生理方面的影响

2.3.1 叶片相对含水量 干旱胁迫下，4种宿根花卉叶片相对含水量(RWC)均不同程度下降(图2、表2)，在自然干旱胁迫伊始，4种宿根花卉RWC明显不同(宿根天人菊>夏菊>大花藿香蓟>千叶蓍)。整个胁迫过程中，夏菊与千叶蓍的总体变化趋势相对一致，下降幅度分别为79.45%和69.8%；宿根天人菊随着时间的延长变化最明显，在胁迫6、9、12 d时下降速度较快，与CK比分别减少11.66%、18.29%和23.40%；在胁迫6 d后，大花藿香蓟的RWC下降明显，12 d时降至68.91%，比CK减少18.27%。总体来看，4种宿根花卉RWC降幅均不大，可能由于4种宿根花卉自身抗性较好，也可能是试验期间降雨导致空气湿度提高。试验开始时土壤能够为植物提供所需水分，叶片含水量降幅相对较小，随着胁迫加深，花盆的容积有限，土壤容积含水量不断下降，不足以为植物提供充足水分，RWC降幅也不断增加。

表2 干旱胁迫下4种宿根花卉RWC的相对变化量Table 2 Relative changes in RWC of four perennial flower plants under drought stress %

注：小写字母表示同一植物不同时间在0.05水平上差异性(P<0.05)；大写字母表示不同植物同一时间在0.05水平上差异性(P<0.05)，下同。图2 干旱胁迫下4种宿根花卉RWC的变化Fig.2 Changes in relative water content (RWC) of four perennial flower plants under drought stress

2.3.2 游离脯氨酸含量 4种宿根花卉游离脯氨酸(Pro)积累量与CK比均增长显著(P<0.05)，除千叶蓍外，其余均在胁迫12 d时达到最大值(图3、表3)。宿根天人菊和大花藿香蓟总体变化较平缓，且各时间点均显著低于其他2种植物，胁迫12 d比CK增加53.46%和122.40%；夏菊Pro含量各阶段显著高于其他(P<0.05)，呈现持续上升趋势，在3、6、9、12 d分别比对照提高11.43%、54.79%、116.72%、131.05%；千叶蓍在胁迫3 d达到最大值，是CK的3.32倍，而后显著下降(P<0.05)，胁迫9、12 d缓慢上升，与CK比分别增长143.19%、159.94%。在整个胁迫过程中，宿根天人菊和大花藿香蓟含量的增幅不明显，受到伤害相对较大，夏菊自身Pro含量较高受到的伤害明显低于其他，在胁迫过程中能迅速积累大量Pro，而千叶蓍最先达到峰值，说明其在短时间内诱导大量脯氨酸积累，起到渗透调节功能，缓解胁迫对植物的伤害。

表3 干旱胁迫下4种宿根花卉Pro的相对变化量Table 3 The relative change of Pro of four perennial flower plants under drought stress %

图3 干旱胁迫下4种宿根花卉Pro的变化Fig.3 Changes in Pro of four perennial flower plants under drought stress

2.3.3 可溶性蛋白 由图4、表4可见，4种宿根花卉可溶性蛋白(SP)含量总体变化趋势为低-高-低，第6天显著高于其他时间点并达到峰值(P<0.05)，宿根天人菊、夏菊、大花藿香蓟、千叶蓍分别比CK增加3.04、2.87、1.94倍和2.47倍。胁迫开始时，大花藿香蓟SP含量显著>其他(P<0.05)，第9天降低至最低点，12 d时又迅速上升，但仍比对照减少14.44%；夏菊9～12 d下降幅度较大，12 d时比对照减少19.51%；宿根天人菊和千叶蓍在0～3 d和9～12 d时变化幅度相对较小。胁迫12 d时4种宿根花卉SP含量排序为：大花藿香蓟(47.42 mg·g-1)>夏菊(34.31 mg·g-1)>千叶蓍(29.36 mg·g-1)>宿根天人菊(20.21 mg·g-1)。胁迫初期植物为维持细胞含水量，不断地增加SP含量来抵抗不良环境，末期SP不断分解或合成机制受到抑制，各植物SP含量均有不同程度降低，随着胁迫不断加剧，导致SP降解速度也不断加快，但夏菊和千叶蓍在末期含量出现小幅增加现象，说明其合成

表4 干旱胁迫下4种宿根花卉SP的相对变化量Table 4 The relative change of SP of four perennial flower plants under drought stress %

图4 干旱胁迫下4种宿根花卉SP的变化Fig.4 Changes in SP of four perennial flower plants under drought stress

机制未全部受到抑制，仍能合成少量SP抵御伤害。

2.3.4 丙二醛 随时间不断变化，4种宿根花卉丙二醛(MDA)含量总体呈递增趋势，在胁迫12 d时达到最大值(图5、表5)。其中，宿根天人菊和大花藿香蓟变化趋势较一致，在12 d时达到最大值，分别比对照增加66.67%、44.21%，宿根天人菊MDA含量显著>大花藿香蓟(P<0.05)；夏菊在胁迫过程中波动较小，第9天时出现最低值，比CK降低2.43%，12 d时增大至11.83(μmol·g-1)，比CK提高10.66%；千叶蓍MDA含量变化相对平稳，在胁迫6 d时出现最小值，比CK减少2.38%，之后不断上升，12 d提高至最大值26.41%。总体来看，随着时间的延长，4种植物变化趋势存在一定差异，宿根天人菊和大花藿香蓟MDA含量持续增加，说明植物细胞膜受损程度逐渐加重。夏菊和千叶蓍为升-降-升的趋势，且变化幅度相对较小，说明在试验过程中启动了酶保护防御系统，伤害减缓，当干旱胁迫程度增大后，防御系统逐渐受到破坏，导致MDA含量又开始上升。

图5 干旱胁迫下4种宿根花卉MDA的变化Fig.5 Changes of MDA of four perennial flower plants under drought stress

表5 干旱胁迫下4种宿根花卉MDA的相对变化量Table 5 Relative changes in MDA of four perennial flower plants under drought stress %

2.3.5 过氧化物酶 由图6、表6可知，4种宿根花卉过氧化物酶(POD)活性变化差异显著(P<0.05)。其中，宿根天人菊POD活性在第6天时出现最大值125.01(μ·g-1·min-1)，是CK的1.27倍，但仍显著<其他(P<0.05)；夏菊在试验初期(CK)POD活性显著>其他(P<0.05)，胁迫6 d时达到最高点，比对照增加44.05%；大花藿香蓟在3、6、9 d的POD活性持续增长，胁迫9 d出现峰值，分别比对照提高38.05%、55.06%和193.29%，胁迫后期开始下降，说明干旱胁迫开始时，植物增加POD以适应不良环境，随胁迫加剧，自身防御系统受损，超过了其耐受能力；千叶蓍胁迫3 d出现最大值210.59(μ·g-1·min-1)，为CK的2.02倍，说明试验初期为抵御不良环境大大提高了POD活性，随后不断消耗，当植物POD活性不足以抵抗不良环境时，植物再次增加POD来抵御伤害，总体呈升-降-升的变化趋势。

表6 干旱胁迫下4种宿根花卉POD的相对变化量Table 6 The relative changes of Pod of four perennial flower plants under drought stress %

图6 干旱胁迫下4种宿根花卉POD的变化Fig.6 Changes of POD of four perennial flowers under drought stress

2.4 干旱胁迫下4种宿根花卉的隶属函数综合评价

自然干旱胁迫下，4种宿根花卉各指标变化存在一定差异，单一指标不能准确反映其抗旱性强弱，因此运用模糊数学中的隶属函数值法对各种抗性指标进行综合评价，评价结果：4种菊科宿根花卉抗旱性由强到弱依次为：夏菊>千叶蓍>大花藿香蓟>宿根天人菊(表7)。

表7 耐旱性综合得分与排名Table 7 Comprehensive scores and rankings of drought tolerance of four perennial flower plants

3 结论与讨论

植物的形态特征变化能更加直观地反映出其生长状况及水分状况，常作为鉴定植物抗旱性方面的一个重要指标[3]。不同植物种在干旱胁迫环境下其形态变化也不尽相同，一般抗旱能力强的植物其萎蔫速度慢且萎蔫时间比较晚，而抗旱性弱的植物种则相反[9]。在本研究中，从植物外部形态变化来看，夏菊的抗旱性最强，宿根天人菊最弱，形态特征观察的结果与生理生化指标综合评价结果相一致。

植物叶片含水量(RWC)是植物缺水的重要指标之一，可以体现其抗旱性的强弱[10]。本研究显示，抗旱性强的夏菊RWC较高，且在干旱胁迫下降幅较慢，这一结果与马楠等[11]研究结果相近，而宿根天人菊对胁迫反应最明显，在胁迫3 d后，RWC几乎呈直线下降趋势。

渗透调节是植物忍耐干旱的一种适应性反应。在干旱条件下，细胞会通过积累渗透调节物质来维持膨压，以保持植物正常的生理活动[12-13]。一些研究表明游离脯氨酸(Pro)含量与植物抗逆性呈正相关，很多研究将其作为重要指标[14]。Pro含量的积累有利于细胞的渗透调节作用，能抵御逆境且保护植物[15]。本研究发现，4种菊科宿根花卉Pro含量均有所升高，积累量按大小排序为：夏菊>千叶蓍>大花藿香蓟>宿根天人菊，对比隶属函数分析结果，发现积累量多少与抗旱性强弱保持一致，此结果与刘凯月等[16]、任磊等[17]研究结果相似。植物体内的可溶性蛋白(SP)是重要的渗透调节物质，在逆境胁迫中会产生保水功能，通过增加SP含量，维持细胞含水量，进而降低细胞渗透势保护植物，在逆境胁迫会影响SP的合成，起到阻碍作用[18-19]。本研究中，4种植物变化趋势相似，胁迫初期不断升高，在6 d时出现峰值，而后不断降低，这与李瑞[20]研究结果相似，即抗旱性强的SP含量比抗旱性弱的植物增加的多。

干旱胁迫会引起植物体内MDA等有害物质的积累，导致细胞质膜损坏，细胞膜透性增加，从而造成植物叶片损伤[21-22]。研究表明，在干旱胁迫条件下，MDA积累得越多，说明质膜过氧化程度越深，细胞膜受伤害的程度越严重，而植物的抗性越强，MDA的累积量越小[23]。本研究发现，抗性强的夏菊增幅最小，千叶蓍、大花藿香蓟、宿根天人菊次之，与薛设等[24]研究结果一致。

在正常环境条件下，植物体内的氧自由基处于动态平衡状态，干旱胁迫会造成细胞内氧自由基的增加和细胞清除能力降低，活性氧累积使细胞膜过氧化，导致细胞内的一些生物大分子遭到破坏，影响植物正常的生长发育，当大量的活性氧等有害物质攻击植物细胞，植物会快速启动体内的抗氧化系统来清除或者中和多余的活性氧，POD是一种能减少活性氧的积累的抗氧化酶，通过保护细胞免受干旱胁迫下产生的活性氧毒性作用，保证细胞的正常功能，减轻干旱胁迫对植物的危害[25-26]。一般情况胁迫加剧POD活性会有所增加，抗逆性好的物种，其POD活性更高[27]。试验总体来看，POD活性不同程度上升，其中千叶蓍最为明显，因此其抗性相对较强。

植物抗旱性体现在其受到干旱胁迫时表现出多种性状的复杂响应，如形态特征、生理生化反应、细胞结构、光合器官等。众多研究也证实，单一评价指标不能客观反映植物抗旱性强弱，需多个指标综合分析来说明问题。本研究运用模糊数学隶属函数值法，鉴定出其抗旱性强弱顺序为：夏菊>千叶蓍>大花藿香蓟>宿根天人菊，为日后宿根花卉的选择及合理应用提供了理论依据。但由于本研究采用盆栽控水法，与植物实际生境可能存在差异，因此，在今后做相关研究时，应结合植物生境，多方面综合评级分析，更加深入地了解植物抗旱性，为生态节水型园林建设应用提供更加准确客观的理论依据。