王 洋，于森淼，王旌揚(yáng)，宋海龍，雷耀東，張海燕，劉 波

（1山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司地質(zhì)環(huán)境研究院，濟(jì)南 250000；2南水北調(diào)中線信息科技有限公司，北京 100038；3青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與林學(xué)院，山東青島 266000）

0 引言

干旱是限制中國西北以及華北地區(qū)的農(nóng)林業(yè)發(fā)展、生態(tài)恢復(fù)的主要限制因素[1]，由此產(chǎn)生的干旱脅迫影響植物的生長發(fā)育以及生理生化等代謝過程。在國內(nèi)干旱和半干旱地區(qū)，土壤水分虧缺現(xiàn)象嚴(yán)重，植物幼苗很容易受到脅迫，同時(shí)短時(shí)間出現(xiàn)的降雨可以在一定程度上緩解干旱脅迫對植物的影響。干旱脅迫后的復(fù)水可以對植物生長發(fā)育產(chǎn)生修復(fù)作用，不同植物在復(fù)水后的恢復(fù)過程也表現(xiàn)出不同[2]，干旱后的復(fù)水可能對植物生長發(fā)育起著更為重要的作用，植物時(shí)常處于土壤干旱和短時(shí)濕潤交替干擾環(huán)境中可以對植物抗旱性起到馴化作用，有利于提高植物耐旱能力[3]。同時(shí)，其生理生化代謝也會受到影響，伊犁絹蒿[4](Seriphidium transiliense)、紫穗槐[5](Amorpha fruticosa)的幼苗在受到干旱脅迫時(shí)，株高和根長明顯下降。不僅如此，干旱脅迫通常會導(dǎo)致大量的含氧自由基(ROS)在植物細(xì)胞中大量地產(chǎn)生并積累，給植物細(xì)胞帶來脫脂化和質(zhì)膜過氧化等氧化損傷[6]。另一方面，植物在應(yīng)對干旱脅迫時(shí)會做出的一系列生理生化響應(yīng)也越來越受到科研人員關(guān)注，在對射干進(jìn)行干旱脅迫并復(fù)水后，發(fā)現(xiàn)其葉綠素?zé)晒馀c光合能力得到了一定程度的恢復(fù)[7]。因此，如何合理地利用水資源，在保證植物避免遭受過高的干旱脅迫損害的同時(shí)，達(dá)到節(jié)約用水的目的，已成為當(dāng)下相關(guān)研究的熱點(diǎn)問題。

萱草(Hemerocallis fulva)為百合科萱草屬植物，又被稱為“忘憂草”，因花色艷麗，早春便可盛開，常被應(yīng)用于花境或作疏林地被植物，此外其具有管理成本低廉、對各種環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，這也使得萱草成為優(yōu)良的園林綠化草本植物。萱草具有較強(qiáng)的抗旱性，干旱脅迫會對萱草的光合系統(tǒng)產(chǎn)生影響，不同品種的大花萱草受干旱脅迫影響程度不同[8-9]。然而，對干旱脅迫及復(fù)水條件下萱草生理特性的研究尚不完善。本研究采用盆栽控水來模擬天然降水，探討干旱脅迫和復(fù)水環(huán)境條件下萱草生理特性的變化，以期為萱草在不同土壤水分條件下高效栽培和推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。2021年6月20日選取長勢一致且健康的萱草組培苗栽植到花盆中，花盆的選擇標(biāo)準(zhǔn)為上口徑24 cm、下口徑19.5 cm、高26 cm。栽培基質(zhì)為園土:草炭土=3:1 的混合基質(zhì)。選擇自然狀態(tài)下的試驗(yàn)用土，使用環(huán)刀法測定田間持水量。對于土壤中水分的控制分為4 組，即正常水平（CK，田間最大持水量的75%～80%）、輕度干旱（LD，light drought，田間最大持水量的60%～70%）、中度干旱（MD，moderate drought，田間最大持水量的55%～60%）、重度干旱（HD，hard drought，田間最大持水量的45%～50%），每個(gè)處理設(shè)置5組重復(fù)共10盆。分別在脅迫處理的0、7、14、21、28 d進(jìn)行采樣，28 d取樣后復(fù)水至對照組水分梯度，并在復(fù)水7 d再次采樣。取樣時(shí)，每個(gè)處理分別選取3～5盆長勢一致植株，選取頂端向下第3、4片功能葉進(jìn)行剪取，采樣后將樣品編號分別放入自封袋中，置于低溫保溫桶內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生理指標(biāo)的測定。采回葉片混勻，每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測定5次。

1.2 測定指標(biāo)與分析方法

葉片相對含水量的測定參考譚春燕等[10]的方法，葉綠素含量的測定采用參考鄭錦秀等[11]的方法，葉片相對電導(dǎo)率的測定采用電導(dǎo)儀法[12]，CAT活性的測定采用分光光度計(jì)法[13]，MDA含量的測定采用王朝英[14]的方法，可溶性糖含量測定采用孫曉春[15]的方法，POD含量的測定參考譚占明等[16]的方法，SOD含量的測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法[17]，脯氨酸含量的測定參考李青等[18]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均為5 次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。利用Microsoft Excel 2010 和GraphPad Prism 8 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖分析，采用Two-Way ANOVA 多重比較檢驗(yàn)處理進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫及復(fù)水處理對葉片相對含水量的影響

從圖1可以看出，隨植株受干旱脅迫時(shí)間增長，對照組葉片相對含水量與不同干旱處理組差異愈加顯著，且葉片相對含水量呈現(xiàn)隨干旱脅迫增強(qiáng)含水量逐漸下降趨勢。在干旱脅迫達(dá)到7 d時(shí)，中度、重度干旱脅迫處理下的葉片相對含水量顯著低于對照組(P＜0.05)，而輕度干旱脅迫處理下差異不顯著；14 d 時(shí)，3組干旱處理的萱草的葉片相對含水量均顯著低于對照組(P＜0.05)；干旱脅迫21 d時(shí)，輕度、中度、重度干旱脅迫處理下的葉片相對含水量分別為92.5%、81.9%、76.5%，均顯著低于對照組(P＜0.05)，其中中度、重度干旱脅迫處理下顯著低于復(fù)水處理組；干旱脅迫28 d葉片相對含水量達(dá)到最低，輕度、中度、重度干旱脅迫處理下分別為91.7%、87.7%、67.7%；在對各處理組進(jìn)行復(fù)水處理7 d后，輕度干旱脅迫處理下葉片相對含水量恢復(fù)為正常對照水平的92.6%，中度干旱組為正常對照水平的90.7%，重度干旱為正常對照水平的90.1%，仍顯著低于對照處理(P＜0.05)。

圖1 干旱脅迫及復(fù)水處理對葉片相對含水量的影響

2.2 干旱脅迫及復(fù)水處理對葉片葉綠素含量的影響

如圖2所示，隨著干旱脅迫處理時(shí)間的延長，不同程度干旱脅迫處理葉片的葉綠素含量整體呈先升后降的變化趨勢。其中輕度、中度干旱脅迫處理的葉綠素含量峰值均出現(xiàn)在脅迫的21 d時(shí)，其葉綠素含量分別為2.96、2.98 mg/g，重度干旱脅迫處理的葉綠素含量峰值出現(xiàn)在脅迫的7 d時(shí)，其葉綠素含量為2.75 mg/g，但與對照組差異均不顯著；之后，葉綠素含量呈下降變化，在脅迫28 d時(shí)，僅重度干旱脅迫處理的葉綠素含量與對照組差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。復(fù)水后，各處理的葉綠素含量均呈增加變化，但輕度、中度干旱脅迫處理的葉綠素含量與對照組差異未達(dá)到顯著水平。

2.3 干旱脅迫及復(fù)水處理對葉片相對電導(dǎo)率的影響

從圖3可看出，萱草葉片的相對電導(dǎo)率在干旱脅迫下變化極為明顯，各干旱脅迫處理葉片的相對電導(dǎo)率均隨時(shí)間推移與干旱程度的加大而持續(xù)增加，其中在干旱脅迫處理7 d時(shí)，重度干旱脅迫處理下的相對電導(dǎo)率開始顯著高于對照組(P＜0.05)，但輕度、中度干旱脅迫處理組與對照組差異不顯著(P＞0.05)；3個(gè)處理組的相對電導(dǎo)率均顯著高于對照組(P＜0.05)直至28 d。復(fù)水后，各處理組的相對導(dǎo)電率均明顯下降，但各處理組的葉片相對電導(dǎo)率仍高于對照組，且差異顯著(P＜0.05)。

2.4 干旱脅迫及復(fù)水對葉片MDA 及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

2.4.1 MDA 輕度、中度、重度干旱處理的MDA含量隨著脅迫時(shí)間的增加而持續(xù)上升（圖4）。其中，3個(gè)處理組的MDA 活性在干旱脅迫處理達(dá)到7 d 時(shí)與對照組差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，并在干旱脅迫的28 d 時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)，輕度、中度、重度干旱處理的MDA含量對照組相比分別增加18.47%、40.64%、63.29%。復(fù)水后，輕度、中度、重度干旱處理下的MDA 含量迅速下降，但均顯著高于對照組(P＜0.05)。

圖4 干旱脅迫及復(fù)水處理對MDA含量的影響

2.4.2 脯氨酸 在各干旱處理組中萱草中的脯氨酸含量均呈持續(xù)上升的變化趨勢（圖5），通過進(jìn)一步的比較發(fā)現(xiàn)各干旱脅迫處理組的脯氨酸含量在干旱脅迫的7 d時(shí)與對照組差異均達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，且4個(gè)干旱歷時(shí)中，3 個(gè)處理組的脯氨酸含量一直保持與對照組差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。其中，干旱歷時(shí)28 d 的重度干旱處理的脯氨酸積累量在3個(gè)干旱歷時(shí)處理中達(dá)到最大，是對照組脯氨酸含量的6.65倍，與對照組差異顯著(P＜0.05)。復(fù)水后，各處理組的脯氨酸含量均明顯下降，但仍均顯著高于對照組(P＜0.05)。

圖5 干旱脅迫及復(fù)水處理對脯氨酸含量的影響

2.4.3 可溶性糖 隨著干旱處理的進(jìn)行，各干旱處理組的可溶性糖含量的變化趨勢具有一致性，均表現(xiàn)為隨著時(shí)間的增長而持續(xù)上升（圖6）。其中，在干旱處理7 d時(shí)，輕度、中度、重度干旱處理下，可溶性糖含量增加到了顯著高于對照組的水平(P＜0.05)，并且與輕度、中度干旱相比，重度干旱下的可溶性糖含量增長幅度最大，在干旱脅迫28 d 時(shí)達(dá)到116.37 mg/g，是對照組的2.22倍。復(fù)水后輕度、中度、重度干旱處理的可溶性糖含量分別為72.86、75.29、83.42 mg/g，均高于顯著高于對照組(P＜0.05)。

圖6 干旱脅迫及復(fù)水處理對可溶性糖含量的影響

2.5 干旱脅迫及復(fù)水對葉片抗氧化酶活性的影響

2.5.1 SOD 由圖7 可知，隨脅迫處理時(shí)間的延長，輕度、中度干旱處理下的SOD 活性呈持續(xù)增加變化趨勢，而重度干旱處理下葉片的SOD活性則呈先升后降的變化趨勢（圖7）。在3 個(gè)處理組植物受到干旱脅迫7 d 時(shí)，它們與對照組的差異已經(jīng)達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，輕度、中度干旱脅迫處理組葉片SOD活性在28 d時(shí)達(dá)到峰值，與正常對照組相比分別對增加了48.55%、60.13%；而重度干旱處理的SOD 活性在脅迫的21 d 時(shí)達(dá)到峰值，較對照組增加了64.73%，之后其SOD 活性略有下降。復(fù)水后，輕度、中度干旱處理葉片的SOD 活性迅速下降，但仍顯著高于與對照組(P＜0.05)，而重度干旱處理的SOD活性則較脅迫28 d時(shí)略有升高，與對照組差異顯著(P＜0.05)。

圖7 干旱脅迫及復(fù)水處理對SOD活性的影響

2.5.2 POD 如圖8 所示，在整個(gè)持續(xù)干旱脅迫期間，3個(gè)干旱脅迫處理組葉片POD 活性與對照組相比均有顯著提高(P＜0.05)，且輕度、中度、重度干旱處理組的POD活性均呈先升后降再升高的變化趨勢。其中，輕度、重度干旱處理組的POD 活性均在脅迫時(shí)間為7 d時(shí)出現(xiàn)峰值，并在脅迫時(shí)間為14 d時(shí)分別下降至峰值時(shí)的76.22%、69.64%，后又持續(xù)上升直至脅迫時(shí)間為28 d；中度干旱處理組的POD 活性在脅迫時(shí)間為7 d時(shí)出現(xiàn)峰值，并持續(xù)下降直至脅迫時(shí)間為21 d時(shí)，此時(shí)下降至峰值時(shí)的84.93%，而后恢復(fù)上升趨勢至脅迫時(shí)間28 d。在對各處理組植物進(jìn)行復(fù)水處理后，它們的POD 活性雖然均顯著高于對照組(P＜0.05) ，但已明顯下降。

圖8 干旱脅迫及復(fù)水處理對POD活性的影響

2.5.3 CAT 各處理組萱草在進(jìn)行干旱脅迫后，其葉片CAT 活性總體呈持續(xù)增長的變化趨勢（圖9）。其中，在干旱處理的7 d時(shí)，3組干旱處理的CAT活性均顯著高于對照組(P＜0.05)，重度干旱處理的CAT 活性增長幅度最大，在干旱脅迫28 d 時(shí)達(dá)到最高，是對照組的2.22倍。復(fù)水后，輕度、中度、重度干旱處理的CAT活性與進(jìn)行了28 d的干旱處理時(shí)相比呈現(xiàn)指數(shù)型下降，且下降趨勢與其他2個(gè)抗氧化酶活性相比更加明顯。

圖9 干旱脅迫及復(fù)水處理對CAT活性的影響

3 結(jié)論

本研究測定不同干旱脅迫環(huán)境下萱草的生理反應(yīng)，結(jié)果顯示干旱脅迫下萱草葉片相對含水量、葉綠素及相對電導(dǎo)率明顯下降，表明干旱脅迫會影響萱草葉片水分利用率和葉綠素的含量，影響葉片的光合能力；不同干旱脅迫下葉片內(nèi)丙二醛(MDA)、可溶性糖、脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及抗氧化酶均有所增加，細(xì)胞內(nèi)過氧化物的增加說明干旱脅迫對萱草葉片內(nèi)細(xì)胞膜有很大影響；干旱脅迫28 d復(fù)水后萱草各生理指標(biāo)均有所恢復(fù)，但仍與正常供水具有一定差異，表明萱草處于短時(shí)土壤干旱脅迫下有助于提高其抗旱能力。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫環(huán)境下，萱草可以通過改變自身的生理特性形成應(yīng)對機(jī)制適應(yīng)環(huán)境，同時(shí)一定程度的脅迫處理有助于提高萱草的抗旱性。

4 討論

4.1 干旱脅迫對葉片相對含水量及葉綠素的調(diào)控

自然界中有諸多因素制約植物生長發(fā)育，干旱脅迫是其中一個(gè)可以直接影響植物健康生長的重要因素[19]。作為植物體內(nèi)水分狀況的反映指標(biāo)，相對含水量通常用來表達(dá)植物體的耐旱能力[20]。在本試驗(yàn)中，干旱脅迫下萱草植株葉片相對含水量下降，葉綠素含量隨干旱程度增加整體也呈先升后降的變化趨勢。前期葉綠素含量的增加可能是由于干旱脅迫造成葉片相對含水量下降而使得葉綠素的濃度升高，進(jìn)而讓單位葉面積內(nèi)的葉綠素增多；而后期的下降可能與干旱脅迫下葉綠素的分解加快及合成減緩有關(guān)。在對節(jié)節(jié)麥(Aegilops tauschii)的研究中發(fā)現(xiàn)了相同規(guī)律[21]。光合色素的合成能力可以反映植物光合作用的變化規(guī)律，其中葉綠素的含量最為關(guān)鍵[22]。干旱脅迫影響植物葉片的相對含水量和葉綠素含量，進(jìn)而影響植物生長發(fā)育[23]。李倩等[24]在研究水分對萱草的生理特性影響過程中也得出了相應(yīng)結(jié)論。

4.2 干旱脅迫及復(fù)水處理對葉片葉綠素含量的調(diào)控

干旱脅迫影響植物體內(nèi)的葉綠素含量，并導(dǎo)致其產(chǎn)生變化[25]。在對節(jié)節(jié)麥的研究中發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下葉綠素含量呈先增后減的變化趨勢[21]。本研究中，輕度、中度干旱脅迫下，萱草的葉綠素含量整體也呈先升后降的變化趨勢，前期葉綠素含量的增加可能是干旱脅迫造成葉片相對含水量下降使得葉綠素的濃度升高，進(jìn)而讓單位葉面積內(nèi)的葉綠素增多；而后期的下降可能與干旱脅迫下葉綠素的分解加快及合成減緩有關(guān)。脅迫至28 d時(shí)，輕度、中度干旱處理下的葉綠素含量與對照組差異不顯著，僅重度干旱處理組與對照組顯著(P＜0.05)，且復(fù)水后各處理均又迅速恢復(fù)至正常水平，說明萱草葉片光合色素的合成未受到嚴(yán)重破壞，它通過自身調(diào)節(jié)恢復(fù)了光合色素的合成。

4.3 干旱脅迫對葉片相對電導(dǎo)率、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及抗氧化酶的調(diào)控

相對電導(dǎo)率可以反映植物細(xì)胞膜透性，MDA含量體現(xiàn)了細(xì)胞膜脂過氧化的程度，而可溶性糖和脯氨酸是植物滲透調(diào)節(jié)的主要物質(zhì)[26-27]。柚木相對電導(dǎo)率隨著干旱脅迫逐漸增加[28]。本研究中，萱草在干旱脅迫下葉片相對電導(dǎo)率及MDA的含量均隨干旱脅迫時(shí)間的增加而上升，干旱脅迫下植物MDA 含量增加細(xì)胞質(zhì)膜破壞，膜的選擇透性失效，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)大量物質(zhì)外滲，使得電導(dǎo)率發(fā)生改變；同時(shí)，葉片內(nèi)可溶性糖、脯氨酸含量增加，葉片細(xì)胞滲透勢降低，植株通過調(diào)控滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的分泌，改變細(xì)胞膜的選擇透過性，以此抵抗脅迫帶來的傷害，以維持植物體內(nèi)正常的水分平衡，增強(qiáng)植物體的抗干旱水平，達(dá)到保護(hù)植株的目的[29]。植物體內(nèi)SOD、POD、CAT 3種抗氧化酶可以通過清除自由基來保護(hù)其免遭活性氧的破壞，在植物應(yīng)對干旱脅迫環(huán)境時(shí)發(fā)揮著重要的作用[30-31]。干旱脅迫下，植物體內(nèi)水分的減少影響植物生理生化代謝功能，是制約植物正常生長的主要環(huán)境因子[32]，而此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的抗氧化物酶因脅迫被激活，可以消除植物細(xì)胞內(nèi)活性氧，抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮其保護(hù)機(jī)制降低干旱脅迫對膜組織結(jié)構(gòu)及細(xì)胞功能的影響[33-34]。本研究結(jié)果顯示，萱草在受到不同強(qiáng)度的干旱脅迫時(shí)體內(nèi)的SOD、POD、CAT 酶活性都會提高，且均高于對照組的抗氧化酶活性，說明干旱脅迫下萱草可通過提高抗氧化物酶的活性增強(qiáng)萱草對氧化物的清除能力，使其適應(yīng)干旱環(huán)境。

4.4 干旱后復(fù)水對萱草抗旱性的影響

有研究表明，解除干旱復(fù)水后，一些植物體內(nèi)水分運(yùn)輸過程能夠迅速恢復(fù)到脅迫前的狀態(tài)，出現(xiàn)生長加快、光合、蒸騰速率提高等補(bǔ)償效應(yīng)，在本研究中得到進(jìn)一步證明[35]。本研究中，萱草在干旱28 d復(fù)水后，各生理指標(biāo)均有所恢復(fù)，但仍與正常供水具有一定差異，表明萱草處于短時(shí)土壤干旱脅迫下有助于提高其抗旱能力。目前，本試驗(yàn)僅從干旱復(fù)水對萱草生理特性進(jìn)行了研究，干旱脅迫對其細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，及其分子機(jī)制又是如何響應(yīng)干旱環(huán)境的，均有待于進(jìn)一步深入研究。