火龙果对干旱胁迫的适应性研究

王荔　张雪　赵晓珍　肖图舰　马玉华

摘  要：干旱脅迫是影响植物生长和发育的一个重要因子，当植物受到干旱胁迫后，其自身也会作出一些适应性变化。本研究以贵州地区广泛种植的火龙果（Hylocereus undatus）品种‘紫红龙为试验对象，通过对其茎和根系生长量、茎含水量、气孔运动、叶温变化及叶绿素合成等方面进行研究，并对其抗旱适应性进行评价。结果表明：干旱处理16周，土壤含水量下降到15%（严重缺水）时，火龙果茎中含水量仍有80%（轻度失水）;干旱限制茎伸长和增粗生长，而促进根系萌发和伸长生长;干旱下，气孔开放率、气孔开放度、气孔密度和气孔大小均降低;火龙果新茎比老茎对于气温的升高或者降低更加敏感，而干旱处理的火龙果茎表温度比对照高;随着干旱程度的加深，光合色素显著降低，叶绿素荧光参数发生变化。火龙果茎具有很强的保水能力和耐干旱胁迫能力;干旱下，火龙果的水分优先提供根系促进根生长，维持茎伸长生长，而增粗生长受抑制;在轻度和中度水分胁迫下，火龙果茎光合能力不会明显下降，在重度水分胁迫时才会显著影响其光合效率。

关键词：火龙果;抗旱;适应性

中图分类号：S668.9       文献标识码：A

Drought Adaptability of Hylocereus undatus

WANG Li， ZHANG Xue， ZHAO Xiaozhen， XIAO Tujian， MA Yuhua*

Institute of Pomology Science， Guizhou Academy of Agricultural Sciences， Guiyang， Guizhou 550009， China

Abstract： Drought stress is an important factor affecting plant growth and development. When plants are in drought stress， they also make some changes to adapt to the environment. This study used ‘Zihonglong as the experimental material， a variety of pitaya widely planted in guizhou. In order to lay a theoretical foundation for the physiological research of pitaya， the adaptability of pitaya to drought was evaluated by studying its stem and root growth， stem water content， stomatal movement， leaf temperature change and chlorophyll synthesis. The relative water content in the stem of pitaya was slightly decreased （80%） in drought treatment lasted 16 weeks in soil moisture content 15%. The drought treatment significantly promoted the growth and elongation of new roots， but limited stem elongation and crosswise. Under drought treatment， the stomatal open frequency， stomatal apertura， stomatal size， and stomatal density were lower than those in the control. New stems of pitaya were more sensitive to temperature increase or decrease than mature stems， and the stem surface temperature of drought treatment was higher than that of the control. With the degree of drought， the photosynthetic pigments decreased significantly， and the chlorophyll fluorescence parameters changed. The pitaya stem had strong water retention capacity and was highly resistant to drought. Under drought， the water of pitaya fruit was preferred to providing to the root system to promoting root growth， maintaining stem elongation and growth， while crosswise was inhibited. Under mild and moderate water stress， the photosynthetic capacity of the stem of pitaya did not decrease significantly， while under severe water stress， the photosynthetic efficiency was significantly affected.

Keywords： Hylocereus undatus; drought resistant; adaptation

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.11.013

干旱胁迫是影响植物生长和发育的一个重要因子[1]。当植物受到干旱胁迫后，其形态和结构也会出现明显变化，进一步产生了生长速度减慢、叶片失绿畸形、萎蔫乃至于死亡等问题[2]。为了适应干旱胁迫环境，植物自身也会作出一些反应，诸如关闭气孔、增大根量以及减少蒸腾等来维持其水分的吸收或减少水分的散失，使植株依然能维持生存状态存活下去[3]。

由于火龙果抗旱能力强、果实品质优、经济效率高，已在中国的很多喀斯特高温地区广泛种植[4-5]。目前，贵州低海拔富热量地区火龙果种植面积已超过6000 hm2，位居全国第三，已发展成为贵州喀斯特山区农民脱贫致富的重要支柱产业。然而国内外有关火龙果的报道主要集中在新品种选育[6]、苗木繁育[7]、營养成分[8]、色素提取[9]、栽培技术[10]等方面，关于火龙果在干旱逆境下的适应性研究较少，而贵州喀斯特山区土地贫瘠，夏季高温干旱时有发生，很多经济作物在此区域都不能存活，火龙果的种植对于此区域的生态建设和环境保护有着重要意义。本研究以贵州地区广泛种植的火龙果品种‘紫红龙为试验对象，研究其对干旱胁迫的响应，并对其抗旱适应能力进行评价，可以提高火龙果栽培管理效益，同时为火龙果逆境生理研究奠定理论基础。

1  材料与方法

1.1  材料

从贵州省果树科学研究所镇宁热带果树基地，选择生长一致、无病虫害的一年生火龙果（Hylocereus undatus）品种‘紫红龙盆栽苗，将这些盆栽苗分为2组，每组各100株，给予2个水分处理：对照（CK），隔3 d浇500 mL水，持续保证土壤含水量约80%，枝条含水量89.5%;干旱处理（T），停止浇水。干旱处理后第4周开始采样，每隔2周采1次，共4次。采集样品均为成熟中部茎干，每次采样为5株，每次采样同时部分样品用于测定样品含水量，以换算干重，其余茎干储存于?80 ℃冰箱中。

1.2  方法

1.2.1  生长量测量  茎生长量：待对照和处理的母茎上同时长出新梢后，从水分处理时间开始计算，每隔2周用直尺和精度为0.02 mm的游标卡尺测量新梢茎长度和宽度，直至新长茎段成熟，停止生长。每个处理10个重复。

根系生长量：干旱处理16周时，统计须根数量，并用直尺测量对照和处理的根系长度，每个处理10个重复。

1.2.2  气孔观察  选夏季平均气温为20 ℃的晴朗日，从早上8：00到次日早上8：00，每隔4 h，用指甲油涂抹法获取火龙果成熟茎上气孔印模，光学显微镜下观察气孔形态。具体操作步骤为：首先把要印模的火龙果茎提前数日用擦镜纸清洗干净，然后用透明指甲油薄薄地涂抹一层在成熟茎上，大约15 min后，待指甲油干透后，用尖头镊子小心把印模撕下来，轻轻放在载玻片上，盖上盖玻片，在莱卡DFC550（Leica Microsystems，Switzerland）显微镜下观察气孔状态，并统计分析。单株小区，5个生物学重复。每个样品至少观测500个气孔，每份样品各选取10个单位面积，统计气孔数量，换算成每平方毫米气孔个数（气孔个数/mm2）。气孔的大小、开张度用莱卡Application Suite 4.2.0测量。

1.2.3  含水量测定  每隔2周取盆内的土壤和成熟茎段进行土壤含水量和茎段含水量的测定。土壤含水量：取适量对照和处理的土壤于已知重量的瓷盘中，称重后将土壤置于烘箱内，80 ℃烘至恒重，称重，湿土重减去干土重即为该土壤的绝对含水量。对照和处理各5个重复。

茎含水量：取长度一致的茎段，称重后放置于烘箱内，80 ℃烘至恒重，再次称重，计算含水量。对照和处理各5个重复。

1.2.4  茎表温度测量  待干旱处理8周后，每隔2周，早、中、晚分3次用红外线温度计（Testo 830-T2，德国）测量茎（母茎和子茎均分别测量）3个侧面的表面温度，每个处理测5盆，即每个处理测量30次。

1.2.5  光合色素含量的测定  叶绿素含量测定：称取0.2 g肉质茎，加入20 mL丙酮：无水乙醇（V∶V=1∶1）混合提取液，暗环境下室温20 ℃浸提12 h以上，利用分光光度计在470、665和649 nm下分别测定吸光值，叶绿素和类胡萝卜素含量用以下方程算出：

Chl a （mg/g）=（13.95 A665–6.88 A649）×V/M

Chl b （mg/g）=（24.96 A649–7.32 A665）×V/M

Total Chl （mg/g）=Chl a+Chl b

Car （mg/g）=（1000×A470–2.05×Chl a–114.8× Chl b）/248

其中，V：提取液体积，M：样品重量。实验设3个重复。

1.2.6  叶绿素荧光测定  采用脉冲调制荧光仪FMS-2（Hansatech，UK），在上午10：00，暗适应20 min后测定饱和脉冲模式下叶绿素荧光参数（指PSII反应中心处于完全开放和完全关闭时的荧光产量Fo和Fm，PSII最大光化学效率Fv/Fm，光化学淬灭系数qP，非光化学淬灭系数NPQ，光照下PSII的实际光化学效率ΦPSII），设淋水和干旱2个处理，3个重复。

1.3  数据处理

所有数据均根据成熟茎不同的含水量换算成干重的数据，并使用Origin 6.0和Microsoft Excel 2007软件分析、制图，采用DPS v7.05进行统计分析。

2  结果与分析

2.1  干旱胁迫对盆内土壤含水量及肉质茎含水量的影响

图1A所示，在干旱处理的前4周，火龙果苗盆内土壤含水量随着控水时间延长呈现迅速下降的趋势，处理4周时盆内土壤含水量从80%降低到52.4%，之后随着控水时间的延长，土壤含水量呈梯度下降。图1B所示，随着干旱处理时间的延长，火龙果肉质茎含水量也在不断的下降，但比土壤含水量下降的速率缓慢，处理4周时，在土壤含水量急剧下降（下降了27.6%）的同时，火龙果肉质茎中的水分水量仅仅下降了1%;干旱处理16周，土壤含水量下降到15%（严重缺水），而此时，火龙果茎中含水量仍有80%（轻度失水），说明火龙果肉质茎储水保水功能较强。

2.2  干旱对火龙果茎生长量的影响

图2A所示，在茎的宽度生长上，对照和干旱处理都是只有4周的快速增长期;而在茎伸长生长上，在干旱处理10周之前对照和处理都没有显著差异，而10周之后，干旱处理茎逐渐停止伸长，而對照的茎继续又生长了4周才老熟即停止生长（图2B）。到16周时，干旱处理的茎长度和宽度都显著低于对照，茎长比对照短20 cm，茎宽比对照窄10.8 mm。

2.3  干旱对火龙果根生长量的影响

如表1所示，从根系长度和数量来说，都是干旱处理显著大于对照。说明干旱促进根系伸长生长和促进萌发新根，以便在干旱的环境中吸收尽可能多的水分。

2.4  干旱对火龙果气孔行为的影响

从图3、图4和表2、表3可见，干旱处理茎的气孔开放率和开放度都比对照的要低。在干旱处理中，气孔在4：00、8：00和12：00时都是完全关闭的，而对照的气孔开放率在4：00和8：00时仍分别为17.4%和3.0%。在20：00时，干旱处理的气孔开放率为41.6%，气孔开放度（开口横径）为5.05 ?m;而对照的气孔开放率为76.2%、开放度为6.48 ?m。由此可见，即便是晚上，干旱处理的气孔开放时间也比对照短，开放率和开放度均比对照低，气孔密度也显著地比对照的小。干旱处理下，气孔大小也比对照小，气孔长度比对照小约0.91 ?m，气孔宽度比对照小约1.59 ?m。总之，在淋水条件下气孔开放度更大，开放率更高，且白天也会偶有少量气孔开放，而干旱条件下，气孔大部分在夜晚开放，白天处于关闭状态，且气孔密度和气孔大小均降低。

2.5  不同水分条件下火龙果茎表温度统计

表4所示，干旱处理后12周（土壤含水量34%，茎含水量82%，水分重度胁迫后，见图1）上午9：00，大棚温度为25.2 ℃，对照和干旱处理的茎表温度均高于大棚温度，随着白天大棚内温度的升高，火龙果茎表温度也随之升高，到12：00，大棚内温度为32.3 ℃，对照老茎温度为33.67 ℃，嫩茎温度为34.17 ℃，而干旱处理的老茎温度为34.25 ℃，嫩茎温度为34.87 ℃。可见，白天2次测量结果显示火龙果茎表温度都比气温高，其中嫩茎的茎表温度比老茎的茎表温度更高，表明嫩茎蒸腾弱于老茎;而干旱处理的茎表温度均比对照的茎表温度更高，显示干旱处理导致蒸腾减弱。随着偏西日落，大棚内温度逐渐降低，此时火龙果茎表温度也随着下降，晚上21：00大棚气温为21.9 ℃，对照老茎的温度为22.13 ℃，干旱处理老茎的温度为21.27 ℃;而干旱处理的嫩茎茎表温度比气温下降的更低（20.94 ℃），嫩茎的温度比老茎的温度低，干旱处理的茎表温度比对照低。由此可见，嫩茎比老茎对于气温的升高或者降低更加敏感，而干旱处理后，火龙果茎表对气温的变化也会变得更敏感，升温快，降温也快。

2.6  干旱对火龙果茎光合色素的影响

随着时间的推移，对照和干旱处理火龙果茎中的叶绿素和类胡萝卜素含量都呈现增加的趋势，说明随着茎生长成熟，叶绿素和类胡萝卜素也在积累。从图5看出，干旱处理对火龙果茎中的叶绿素含量有一定影响，干旱处理4周时，干旱处理和对照中的Chl a、总叶绿素含量（Chl a + Chl b）差异不大，但干旱处理中的Chl b含量显著高于对照，Chl a/Chl b显著低于对照;随着干旱程度的加深（干旱处理12周、16周时），干旱处理中的Chl a、Chl b、总叶绿素含量（Chl a + Chl b）及Chl a/Chl b都显著低于对照。

2.7  干旱对火龙果茎叶绿素荧光参数的影响

Fo和Fm指PSII反应中心处于完全开放和完全关闭时的荧光产量，研究表明，水分胁迫能引起Fo上升和Fv下降，它们的变化程度可以用来鉴别植物不同抵抗或忍耐干旱的能力[11]。

由图6A可见，在第4周时，干旱处理的Fo值显著高于对照，在第8周时对照和干旱处理的Fo值差异不显著;随着干旱处理时间延长，干旱处理和对照的Fo值先上升后下降（到12周时，达最大值），且干旱处理的Fo值显著高于对照。

Fv/Fm反映PSII最大光化学效率。由图6 B可见，在干旱处理的前12周，干旱处理和对照的Fv/Fm值都很稳定，随着胁迫时间延长，干旱处理的Fv/Fm值呈下降趋势，至16周时显著低于对照，可见轻度胁迫对PSII光化学特性影响较小，而胁迫时间过长到重度胁迫时才对PSII光化学特性影响较大，也进一步说明火龙果茎抗旱能力较强。

光化学淬灭系数qP值的大小反映的是PSII原初电子受体QA的氧化还原状态和PSII开放中心的数目，其值越大，说明PSII具有更高的电子传递活性。由图6C可见，干旱处理的qP值持续低于对照，说明干旱胁迫使得QA重新氧化能力减弱，削弱了PSII受体的电子传递。

非光化学淬灭系数NPQ值是PSII反应中心对天线色素吸收过量光能后的热耗散能力及光合机构的损伤程度。PSII系统通过提高非辐射性热耗散，可以消耗PSII吸收的过剩光能，从而保护PSII反应中心免受因吸收过多光能而引起的光氧化伤害。当植物处于胁迫条件时，NPQ值增大，表明干旱胁迫使PSII非辐射能量的耗散增加。由图6 D可见，在前8周，干旱处理和对照的NPQ值差异不明显，而随着干旱胁迫时间延长，NPQ值增加，到12周和16周时，干旱处理的NPQ值均显著高于对照。

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收稿日期  2019-10-25;修回日期  2020-02-17

基金项目  国家自然科学基金地区科学基金项目（No. 31560543）。

作者简介  王  荔（1982—），女，博士，副研究员，研究方向：果树栽培与生理。*通信作者（Corresponding author）：马玉华（MA Yuhua），E-mail：360181050@qq.com。