水分胁迫下4 种观赏草的生理特性

蒋 倩，张 瑞，李 翔，高静雅，王 宁，张朝铖，蒋 凯

（甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070）

观赏草作为园林景观设计的新材料，可以丰富城市景观，提高城市生态系统的生物多样性，加上其对生长环境具有极广泛的适应性，是我国园林界新兴的景观植物。由于其观赏价值高、抗逆性好、耐瘠薄、抵御病虫害、养护管理成本低等优点而被受关注，故国内对观赏草抗性的研究叶也越来越多[1]。如今园林景观建设已经成为衡量一个地区经济和文化发展水平的一项重要指标[2]，但是，伴随着全球气候日渐变暖[3]，水资源的短缺已经成为了跨越国界日益严重的世界性难题。有专家提出了建设可持续旱景园林的构想[4]，来减轻城市绿地用水困难等问题，可大大节约水资源，为抗逆性强的观赏草提供了广阔的应用前景，促进了观赏植物的推广应用[5]。因此，加强对观赏草的抗逆机制的研究和探讨，评价、筛选、引进并推广抗性好的多年生观赏植物，对我国西北地区城市园林景观的发展具有重要意义[6]。

水是植物体的重要组成部分，水分能否满足植物的需要，既决定了生长地区的生态环境，又可衡量该地区是否具备良性发展，因此根据具体的生态环境而选择合适的植物，是目前生态造林和植被恢复工作中急需解决的首要问题[7]。水分胁迫已成植物最易遭受的逆境，严重影响植物的正常发育。植物在水分胁迫下不仅会造成植物细胞膜系统的损伤，影响其形态结构、生理生化[8]，以及正常的生理代谢[9]，还会对其观赏效果产生了巨大影响，导致绿化效果差，从而影响整体园林景观。众多研究发现，干旱胁迫是导致细胞质膜受到伤害的重要原因之一[10]，细胞与外界环境进行能量交换、物质转化和信息交流是通过细胞质膜来完成的，所以其稳定性是细胞正进生长和生理功能的基础，直接影响到植物的耐旱程度，与其耐旱性紧密相关。张智等[11]研究了3 种观赏草在干旱胁迫下的生理变化，结果表明，3 种观赏草的游离脯氨酸含量、相对电导率和丙二醛含量均随胁迫时间的延长而不断增加，且与枯叶率显著正相关，其中抗旱性最强的为狼尾草(Pennisetum alopecuroides)，斑叶芒(Miscanthus sinensis‘Zebrinus’)次之，矮蒲苇(Cortaderia selloana)最差。郭星等[12]研究表明， 盆栽土培的细叶芒(Miscanthus sinensis)对水分胁迫具有一定的适应性，其相对含水量降低，SOD 活性和Pro 呈上升趋势。崔婷茹等[13]研究表明，水分胁迫可提高狼尾草根系的保护酶活性与渗透调节物质含量，故对干旱地区生态修复、园林绿化具有重要意义。观赏草种类多种多样，且在不同的气候环境下其耐旱性表现也存在差异，但是西北地区观赏草的应用和研究比南方要少[14]。张智等[15]采用自然失水方法对斑叶芒和灯芯草(Juncus effusus)进行了耐旱性的研究，结果表明：电解质外渗率、枯叶率、游离脯氨酸含量在胁迫前期没有显著性变化，而到胁迫后期急剧上升，枯叶率与生理指标呈正相关关系，综合评价表明斑叶芒耐旱性弱于灯芯草。焦树英和韩国栋[16]在干旱胁迫下采用了PEG-6000 模拟盆栽控水方法，探究了3 种狼尾种子从萌发到苗期生长的状况，结果显示，一定浓度的PEG 促进了狼尾草种子的萌发，小穗狼尾草在苗期抗旱结果与种子期抗渗透胁迫能力表现一致，且在3 种狼尾种子中表现出抗旱性最强。孔兰静等[17]采用盆栽控水法模拟干旱条件，探究了蒲苇(Cortaderia selloana)、弯叶画眉草(Eragrostis curvula)、狼尾草3 种观赏草在土壤干旱胁迫下的生理响应，综合评价分析后发现，弯叶画眉草抗旱性最弱，蒲苇的抗早性最强。本研究选用西北园林中常见的4 种观赏植物细叶芒、狼尾草、拂子茅(Calamagrostis epigeios)和披针叶苔草(Carex lanceolata)，采用盆栽控水法进行水分胁迫处理，分析不同观赏草在水分胁迫下的生理变化，并对其抗逆性做出比较，筛选出适合西北地区耐旱性较强的品种，以期能为西北地区观赏草的抗旱性研究做出贡献，将对观赏草的推广应用、节水抗旱栽培具有重要理论价值和实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

1.1.1 试验材料

本研究所用材料为两年生的细叶芒、狼尾草、拂子茅和披针叶苔草。细叶芒多年生草本，叶纤细直立，顶生圆锥花序[18]。狼尾草多年生植物，须根较粗壮，秆直立[19]。拂子茅多年生，具根状茎，秆直立，平滑无毛或花序下稍粗糙[20]。披针叶苔草多年生草本，叶片质软，扁平，直立，根状茎粗短，秆扁三棱形[21]。以上材料均由北京野草之美园林绿化有限公司提供。于2017 年5 月10 日至11 日将长势一致的二年生草种移栽到塑料盆(21 cm ×19 cm)中，每盆1 株。基质由泥炭土∶蛭石∶珍珠岩∶田园土 = 3∶1∶1∶1 的比例混合而成，在装入基质之前将盆底垫一层纱布，以便排水。在试验前的准备过程中随时拔除杂草，目测植株干旱时浇灌自来水以补充水分，整个试过程中不再追肥。

1.1.2 试验设计

试验于2017 年7 月将植株放置于甘肃农业大学遮雨棚内开始水分胁迫处理，随机选择生长一致、无病虫害的试验材料单株，以单因素盆栽控水法，设置水分胁迫与正常浇水对照(CK)两组处理，每组处理重复3 次。试验前土壤相对含水量(relative water content, RWC) (土壤含水量占田间持水量的百分数)为85%～90%，日最高气温和最低气温如图1 所示。试验开始后，对照组正常浇水，水分胁迫组停止浇水，以正常浇水1 d 后作为胁迫基点，处理时间分别为1 (CK)、5、9、13 和17 d，每隔4 d 观察一次植株失水形态，并采集叶片测定生理指标，所有指标测定3 次，取平均值。叶片采用混合法[9]随机取样，均在每天08:00-09:00 采样，待采叶片清洁后摘取，重复组每个植株的中上部2～6 片完整功能叶，混合后迅速用液氮处理速冻，并保存于 -80 ℃冰箱备用。

图 1 试验期间试验地温度Figure 1 Temperature of the experimental field during the study period

1.2 测定方法

枯叶率即叶片50%面积出现干枯症状的数量与叶片总数的百分比[22]，叶片相对含水量采用烘干称重法[23]测定，细胞质膜透性采用电导率仪(DDS-307)法[24]测定，超氧化物歧化酶活性采用刘晓东[25]的方法测定，游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮显色法[26]测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定[27]。

1.3 分析方法

各指标用于分析的隶属函数值[X(u1)，X(u2)]转化方程为：

式中：X 为各鉴定观赏草品种的某一指标测定值，Xmax为所有鉴定品种此指标的最大值，Xmin为所有鉴定品种此指标的最小值。若所测指标与植物的抗旱性呈正相关关系，则采用式(1)计算隶属值，反之则用式(2)。累加各品种中各指标具体隶属值，求出平均值后进行对比。平均值越大，植物的抗旱性会越强[12]。

1.4 数据分析

采用SPSS 22.0 单因素ANOVA 进行分析，采用LSD 比较各指标在4 种观赏草中的差异显著性水平(α = 0.05)，采用EXCEL (2010 版)进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对4 种观赏草枯叶率的影响

随水分胁迫强度的增加，4 种观赏草的枯叶率都呈上升趋势(图2)。细叶芒增加幅度最小，狼尾草的上升程度最大，其次为拂子茅和披针叶苔草。水分胁迫至9 d 时，狼尾草枯叶率相对于CK显著上升，到13 d 时其枯叶率为29.14%，胁迫末期其枯叶率为37.14%，达到最大，叶片明显枯黄；拂子茅少数叶片出现枯黄萎蔫，至胁迫末期拂子茅枯叶率达27.86%；披针叶苔草和细叶芒随水分胁迫时间的延长，枯叶率均有不同程度的升高，但明显低于狼尾草和拂子茅，胁迫末期枯叶率分别为16.34%和10.21%。因此，水分胁迫对狼尾草的外部形态具有严重损害。

图 2 水分胁迫下观赏草枯叶率变化Figure 2 Changes in withered leaf rate under drought stress

2.2 水分胁迫对4 种观赏草叶片相对含水量的影响

在1～17 d 水分胁迫条件下，4 种观赏草种叶片相对含水量(RWC)均呈下降趋势(图3)。其中，狼尾草的RWC 下降幅度最大，其次为披针叶苔草，细叶芒下降最慢。随胁迫时间的增长，不同植物间的差异越来越明显。胁迫9 d 后，相比CK，狼尾草、拂子茅的RWC 均显著下降，细叶芒和披针叶苔草的RWC 下降程度缓慢，至胁迫末期狼尾草、拂子茅、细叶芒、披针叶苔草的RWC 较CK 的下降率分别为52.88%、36.48%、22.40%、22.97%。因此，干旱胁迫严重抑制了狼尾草、拂子茅对水分的吸收。

图 3 水分胁迫下观赏草叶片相对含水量变化Figure 3 Relative water contents of the leaves of four ornamental grasses under drought stress

2.3 水分胁迫对4 种观赏草叶片相对电导率的影响

水分胁迫环境下4 种观赏草的相对电导率(REC)都呈上升趋势，不同品种间上升的速率不同(图4)。胁迫5 d后，4 种观赏草的REC 出现先缓慢上升后急剧上升的趋势，在胁迫13～17 d 上升幅度最大，水分胁迫末期，狼尾草、拂子茅、细叶芒、披针叶苔草的REC 分别为68.43%、59.97%、49.87%、56.84%，4 种草的REC 上升幅度由大到小依次表现为狼尾草 ＞ 披针叶苔草 ＞ 拂子茅 ＞ 细叶芒。因此，干旱胁迫严重损害了观赏草的膜透性。

2.4 水分胁迫对4 种观赏草叶片超氧化物岐化酶活性的影响

在水分胁迫环境下，狼尾草的超氧化物歧化酶(SOD)活性呈先上升后下降的趋势，细叶芒、拂子茅和披针叶苔草在胁迫17 d 时达到峰值，分别为906、810 和839 U·g-1；狼尾草的SOD 活性在胁迫13 d 达到峰值为740 U·g-1，且明显低于其他3 种观赏草(图5)。4 种观赏草的SOD 活性增幅从大到小依次为拂子茅、披针叶苔草、细叶芒、狼尾草。

2.5 水分胁迫对4 种观赏草叶片游离脯氨酸含量的影响

狼尾草、拂子茅、细叶芒和披针叶苔草4 种观赏草在水分胁迫下游离脯氨酸(Pro)含量均呈上升的趋势，干旱胁迫至17 d 时均达到最大值，胁迫5～17 d 处 理 较CK 分 别 升 高 了46.61%、47.36%、49.19%和62.00% (图6)。细叶芒的Pro 含量高于其他3 种观赏草。

图 4 水分胁迫下观赏草叶片相对电导率变化Figure 4 Relative electric conductivities of the leaves of four ornamental grasses under drought stress

图 5 水分胁迫下观赏草叶片SOD 活性变化Figure 5 Superoxide dismutase activity of four ornamental grasses under drought stress

图 6 水分胁迫下观赏草叶片脯氨酸含量变化Figure 6 Free proline contents of four ornamental grasses under drought stress

2.6 水分胁迫对4 种观赏草叶片可溶性蛋白含量的影响

随胁迫时间的延长，4 种观赏草可溶性蛋白含量都呈现不同程度的增长(图7)。拂子茅的可溶性蛋白含量在胁迫13 d 时达到峰值，随后逐渐降低；狼尾草、细叶芒和披针叶苔草的可溶性蛋白含量则呈上升趋势。4 种草可溶性蛋白含量的增加量由大到小依次为细叶芒、披针叶苔草、拂子茅、狼尾草。方差分析表明，狼尾草、拂子茅与细叶芒、披针叶苔草的可溶性蛋白差异显著(P＜0.05)。

图 7 水分胁迫下观赏草可溶性蛋白含量变化Figure 7 Soluble protein contents of four ornamental grassesunder drought stress

2.7 利用隶属函数对4 种观赏草叶片的综合评价

观赏草抗逆性的强弱是多种因素综合作用的结果。因此，多种因素综合分析可提高观赏草抗旱性评价的准确性[28]。本研究采用隶属函数分析法对4 种观赏草的枯叶率、RWC、REC、Pro、可溶性蛋白、SOD 活性进行了综合评价。4 种观赏草的的隶属函数值存在差异，根据隶属函数值越大，抗旱性越强的原则，本研究中抗旱性强弱依次为细叶芒 ＞ 披针叶苔草 ＞ 拂子茅 ＞ 狼尾草(表1)。

表 1 4 种观赏草的隶属函数值Table 1 The membership function value of the ornamental grasses in the fourth middle school

3 讨论

在水分胁迫环境下，受到直接影响的是植物叶片[29]，叶片相对含水量可以很好地衡量植物的水分情况，耐旱性好的植物组织含水量更高，并且在水分胁迫环境下下降速度也较慢[30]。细叶芒、狼尾草、拂子茅和披针叶苔草这4 种观赏草在西北地区园林应用中具有一定的观赏价值，因此在水分胁迫下的表现也应当给予一定考虑。本研究以枯叶率作为外部形态指标，因为枯叶率可以作为观赏草耐旱性研究的形态判断指标，在外部形态上一定程度地反映植物的耐旱性[11]。在4 种观赏草中，狼尾草对水分胁迫最为敏感，枯叶率增加量最多；拂子茅次之；再次为披针叶苔草；细叶芒对胁迫最不敏感，枯叶率增加量少。在干旱胁迫下，为了适应缺水环境，4 种试验草的叶片相对含水量均呈下降趋势，这与陈敏等[31]的研究结果一致。4 种草种的叶片相对含水量降幅依次表现为狼尾草 ＞ 拂子茅 ＞ 披针叶苔草 ＞ 细叶芒，且与植物抗旱能力负相关。细叶芒和披针叶苔草叶片含水量降低幅度接近，表明这两种观赏草的保水能力相近。随干旱胁迫天数的增加，狼尾草叶片相对含水量下降最快，降幅最大，说明狼尾草叶片保水能力最差。

细胞膜是细胞维持稳定胞内代谢环境的必要屏障，其选择透过性可以调节物质的进出。由于离子毒害、pH 和渗透胁迫作用，干旱胁迫对于植物膜系统的危害是一个很重要的方面[32]。本研究中，4 种观赏草草种叶片相对电导率都升高，而且耐旱性越弱的植物电导率升高越快；耐旱性越强的植物电导率升高越慢[33]，这与马芳雷等[10]研究芒属观赏草水分胁迫生理响应的研究结果一致。狼尾草的SOD 酶活性呈先升后降的趋势，前期可能是为了清除过氧化氢而升高，但胁迫时间的延长导致植株体内各器官衰老，产生大量活性氧，使细胞膜系统严重损伤，故呈下降趋势，影响了其正常的生理活动[10]。因此，拂子茅、细叶芒、披针叶苔草可通过抗氧化酶系统适应胁迫环境。

有研究表明，在干旱环境中，耐旱性强的草种其保护酶活性较高，且其SOD 活性降低比抗性弱的草种缓慢[34]。可溶性蛋白含量升高可使植物细胞维持在一个较低的渗透势水平上，保护细胞结构，并延缓衰老，以抵御干旱胁迫所引起的伤害[35]。本研究中，细叶芒SOD 活性一直维持在较高水平，且在水分胁迫阶段持续上升，拂子茅和披针叶苔草SOD 变化趋势相似，但披针叶苔草峰值略高于拂子茅。水分胁迫条件下4 种观赏草的可溶性蛋白含量升高，狼尾草和拂子茅先达到峰值，说明耐旱性越强的草种其可溶性蛋白含量积累的越多。脯氨酸是一种很好的渗透调节物质，植物受到逆境胁迫时，渗透势会降低，所以通过积累体内脯氨酸来调节细胞质中的渗透势，同时也可对酶活性和膜的稳定起到保护作用[36]，可作为比较逆境环境下植物抗性大小的参考指标。本研究发现，观赏草脯氨酸合成和积累的量越多，耐旱性越强，反之越弱，这与孙璐等[37]在拂子茅和早熟禾的灌溉比较研究中的结果一致，对于其积累的量与耐旱性的关系，尚需进一步研究。

利用隶属函数对4 种观赏草的抗逆指标进行综合性评价，将隶属值累加取平均值后进行比较，可以消除单方面指标反映耐性的片面性，以评定其抗旱性[38]。本研究最终根据隶属函数值，综合分析4 种观赏草对土壤水分胁迫的反应，细叶芒的耐旱性最强，在长期水分胁迫环境下能够保持较高的叶片含水量；披针叶苔草次之；狼尾草对干旱胁迫的反应最敏感。4 种草的耐旱性大小依次为细叶芒 ＞ 披针叶苔草 ＞ 拂子茅 ＞ 狼尾草。因此，细叶芒能更好适应西北干旱地区。