高温胁迫下月季叶片含水量变化与电阻抗参数关系的研究

刘 柳，赵梦雨，刘曙光，齐若衣，刘旭阳，刘凯敏，孟 昱

（河北农业大学园林与旅游学院，河北保定 0 710011）

月季为蔷薇科蔷薇属植物，广泛用于园艺栽培和切花，有“花中皇后”的美称[1]。其适应性强，耐寒耐旱，夏季高温对开花不利[2]。由于全球变暖，夏季持续高温影响月季的正常生长发育及开花，从而每年都因对环境变化的不适应造成巨大经济损失[3]。不同品种月季对高温的忍受程度不同，在高温胁迫下，其生理和形态的变化也不一致[4-5]。因此，加强对月季受高温胁迫下生理指标变化的研究，对耐热月季品种选育和丰产栽培具有非常重要的意义[6-9]。

近年电阻抗图谱（Electrical Impedance Spectroscopy，EIS）技术监测植物在逆境条件下生长及生理参数的变化呈现出良好的应用效果[10-11]。主要集中应用在低温胁迫、水分胁迫及盐胁迫上，而对高温胁迫的应用研究较少[12-14]。并且在利用EIS 估测高温胁迫下植物生理指标的变化，主要集中于叶绿素含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量和蛋白质含量等与EIS 参数相关性方面的研究，而月季在高温下体内含水量与EIS 之间的变化关系研究尚未见报道[15-17]。

植物的含水量可以反映植物水分的亏缺程度，也是表征抗逆性的重要生理指标之一。逆境条件下植物器官含水量变化能够反映出植物在干旱、高温等条件下的生长状况及对逆境的适应性强弱[18]。因此，准确诊断植物体内的含水量，对于了解植物对逆境胁迫适应性有着重要意义。而植物体内含水量的常规诊断使用烘干称重法，由于这种方法要进行组织烘干和称重的测定，既耗时间又对植物组织造成损伤，难以满足快速准确的诊断要求。因此，本试验借助EIS 技术分析在高温胁迫下月季1年生实生苗叶片含水量的变化，并从统计学角度综合分析EIS 参数与含水量之间的关系，筛选出的最佳EIS 参数表征含水量的变化，为促进EIS 技术在月季高温胁迫下体内含水量变化实际应用提供重要的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年3～7月进行。供试材料1年生月季品种加里瓦达取自河北省保定市顺平县花卉市场（113°40′～116°20′E，38°10′～40°00′N）。2018年3月15 日移栽30 株月季至河北农业大学园艺学院植物抗性生理实验室（河北省保定市，38°50′N，115°26′E）的人工气候室内（光照：3000Lx，昼夜温度：25℃/15℃，湿度：80%，昼夜时长：15h/9h）缓苗45d，缓苗期间正常管理。苗木栽植于上径16cm、下径13cm、高17.5cm 的塑料盆中，每盆1 株。栽培基质土壤︰珍珠岩︰细沙=2︰2︰1。

1.2 试验方法

试验设置2 组处理：①对照处理：昼夜温度设置为25℃/15℃；②高温处理：昼夜温度设置为40℃/30℃。于2018年5月2 日进行高温处理，每个处理15盆。于高温处理第0d、3d、6d、9d 取样并测定含水量及EIS 变化。

1.3 指标测定

1.3.1 电阻抗图谱（EIS）及参数的测定。每个处理中随机选取4 枚叶片进行电阻抗测定，参照孟昱等方法[13]测定月季叶片的EIS，将上述测定的EIS 通过LEVM8.06 软件拟合出EIS 参数胞外电阻率（re）、胞内电阻率（ri）、弛豫时间（τ）和弛豫时间分布系数（ψ）。

1.3.2 含水量测定。与测定EIS 同步进行。每个处理中随机选取4 枚叶进行含水量的测定，参照孟昱等方法[13]测定月季叶片的含水量。本次研究中，选用相对含水量RWC（Relative Water Content）来表征植被含水量。叶片含水量（Leaf water content，LWC）根据以下公式计算：

1.4 数据分析

经过电阻抗图谱（EIS）与含水量的测定，最终得到叶片的EIS32 条，叶片的含水量数据32 个，将同一时期相同处理下测定的叶片EIS 的平均值为该时期下叶的EIS。将同一时期相同处理下测定的叶子含水量的平均值为该时期下叶子的含水量。用spss13.0 计算差异显著性，并进行回归分析、相关性及通径分析。给出回归方程的决定系数R2、相关系数r 和通径系数。

2 结果与讨论

2.1 高温胁迫对月季叶的含水量影响

随着高温胁迫时间的延长，月季叶含水量均呈下降趋势（图1）处理到第3d、6d 和9d 高温处理组的叶含水量分别比对照组显著降低5.31%、9.94%和18.75%（P＜0.05）。

图1 高温胁迫下加里瓦达叶含水量的变化

图2 高温胁迫下不同时期加里瓦达月季的电阻抗图谱（A）3天；（B）6天；（C）9天

2.2 高温胁迫对叶的EIS 的影响

在高温胁迫期间叶的EIS 形状发生变化。EIS中弧大小的变化表明，在不同时期植物的解剖结构及生理生化状态发生了变化。如图2 所示，叶的EIS 只有1 个弧。高温处理组的叶EIS 中弧的大小随高温胁迫时间的延长先增大后减小，而电抗值呈先减小后增大的趋势，并且弧顶电抗值至第6天达到最小，约-263KΩ，比对照组低1.75 倍。表明在高温胁迫期间月季通过自身的体内调节来适应高温胁迫，从而导致植物器官的阻抗发生变化。

2.3 高温胁迫下叶的含水量与电阻抗参数的关系

由表1 可看出，高温胁迫下，叶的含水量与一些EIS 参数存在相关性。弛豫时间τ 与含水量呈显著的正相关，其相关系数为0.801；弛豫时间分布系数ψ 与含水量呈显著（P＜0.05）的负相关，其相关系数为0.794。并且叶的含水量与τ、ψ 都呈二次多项式的关系，其决定系数分别0.784 和0.659。

表1 高温胁迫下叶电阻抗参数与含水量的关系

为了进一步明确高温胁迫下，整个处理时期叶的电阻抗参数与含水量的关系，对电阻抗参数与含水量进行了通径分析。由表2 可得出，在整个处理时期，ψ对含水量直接影响最大，其直接通径系数绝对值为0.523。

表2 高温胁迫下月季叶的EIS 参数与含水量的通径分析

3 讨论与结论

电阻抗图谱可以有效获得植物在逆境胁迫下生理变化的信息[19-20]。本试验表明，随着高温胁迫时间的延长，月季叶片的含水量发生变化，而EIS 弧的大小也发生了明显的改变，并且弧顶电抗值呈先减小后增大的趋势。这说明叶片含水量的变化会导致总阻抗值的变化，而总阻抗是由胞内和胞外电阻组成，由于低频电流只从细胞间隙穿过，可以反映出胞间阻抗的变化，而高频电流从细胞间隙和细胞内部穿过，可以反映出胞内阻抗值的变化。因此，月季叶片的含水量的变化都能够在EIS 变化体现出来。

植物在非逆境条件下，其各项代谢生理生化过程都是趋于稳定协调的，当植物处于逆境胁迫时，由于植物体内某一种因素的变化，影响体内各项生理代谢活动的失调，从而使植物体内的生理指标也会发生变化。前人研究认为植物的含水量与其物质代谢有着紧密的关系，而EIS 参数与植物细胞内的生理指标变化也有着密切的关系。本试验研究得出，随着高温胁迫的变化，叶片的含水量呈显著下降趋势，含水量与τ 相关性最高且呈二次多项式的关系。这表明由于高温长时间胁迫，会使月季体内水分亏缺加剧会影响各种代谢活动，从而使生理指标产生变化，进而影响τ 的变化。也说明含水量是影响τ 的一个因子，这一结果与前人研究结果相同[21]。但是通过通径分析和相关性分析得出，比τ 对含水量直接影响大，且τ 与含水量呈显著的负相关。因此，表明τ 是表征高温胁迫下月季叶中含水量变化的最佳EIS 参数，可通过τ 估测月季叶中含水量的变化。

以上研究结果表明，电阻抗图谱能够反映月季受到高温胁迫时叶的含水量发生变化的情况，并找出了最佳EIS 参数用于估测高温胁迫下月季叶含水量变化，为今后EIS 参数构建估测高温胁迫下月季体内含水量的模型提供了理论依据和技术支持，也为EIS 技术在高温胁迫下植物器官含水量诊断中的实际应用提供理论依据。