干旱胁迫对侧金盏花生理特性的影响

陈翠红，周蕴薇，李家绮，杨丰瑞，白 云，陈丽飞

（吉林农业大学园艺学院，吉林 长春 130118）

0 引言

【研究意义】侧金盏花（Adonis amurensis）是毛茛科侧金盏花属多年生草本植物，分布于我国东北地区，侧金盏花耐寒性强，在冰雪未融化之际便可开放，可作为一种良好早春花卉，其花姿优雅、花色艳丽、花期较长，是园林绿化、美化的良好材料。我国北方多为干旱、半干旱地区，且大部分地区水分供应不足，严重影响了城市园林植物的观赏特性、园林应用价值及正常养护，为此研究植物在干旱逆境中的生态适应性及其评价机制，对干旱地区植被恢复及改善城市生态环境具有重要意义。【前人研究进展】关于植物干旱胁迫研究亦相继展开，例如干旱胁迫会使植株叶片出现气孔闭合、光合作用减弱等反应，从而引发植物体在渗透调节、酶保护体系等方面的变化，使植物体内平衡的自由基稳态遭到破坏[1]。目前关于侧金盏花的研究主要集中在传粉特性[2]、基因获取[3]及药用研究[4]等方面。【本研究切入点】对侧金盏花生态适应性及园林应用方面研究较少，仅有少量的生理生化指标探究，目前缺少对侧金盏花系统的研究，其生理特性以及光合研究特性尚不明晰。【拟解决的关键问题】为此本研究通过盆栽控水试验，研究不同水分条件对侧金盏花形态、生理及光合特性的影响，旨在探讨侧金盏花的耐旱性，为今后侧金盏花的水分管理及栽培利用等方面提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为长白山野生侧金盏花植株，将引种后的侧金盏花植株移栽到塑料花盆中，每盆2株，花盆规格为盆高28 cm，上口径26 cm，下口径24 cm，栽培基质为园土∶草炭∶沙子为3∶2∶1的混合基质。每盆土质量为（1.8±0.2） kg，置于温室内生长，期间进 行正常肥水管理。

1.2 试验方法

试验期间温室昼夜均温分别为23℃、12 ℃，平均相对湿度为37%。待叶片全部展开，选取长势一致、生长良好的植株进行干旱胁迫处理。试验设干旱（试验处理前充足灌水3 d使土壤水分饱和，使其自然干旱，停水0、4、8、12、16 d）、复水（干旱胁迫4、8、12、16 d后对植株进行复水）2个处理，以正常水分管理（70%±5%）为对照（CK）。分别在干旱处理0、4、8、12、16 d和复水处理4 d后进行观测，每个处理50盆，3次重复，相关指标测定均为3次重复。

1.3 测定项目

土壤相对含水量[5]；株高、地上和地下部分干重、鲜重；复水后存活率[6]（存活植株数量/总植株数量×100%）；叶片相对含水量[7]。

生理指标：丙二醛（MDA）含量[5]、相对电导率[8]、脯氨酸（Pro）含量[9]、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、过氧化物酶（POD）活性[5]、超氧化物歧化酶（SOD）活性、叶绿素（Chl）总量[10]。

光合参数：选取晴朗无风的天气，使用CIRAS-2光合仪测定，测定指标为净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、气孔导度（Gs）等光合参数；使用FmS2型脉冲调制式叶绿素荧光仪，测定侧金盏花叶片光适应下的最小荧光（Fo′）、最大荧光（Fm′）、稳态荧光（F′）和可变荧光（Fv′），再进行充分暗适应30 min以上，测定其暗适应下的初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv），并计算光系统Ⅱ（PSⅡ）最大光化学量子产量（Fv/Fm）、PSⅡ潜在活性（Fv/Fo）、PSⅡ实际光化学量子产量（ΦPSⅡ）、光化学猝灭系数（qP）、非光化学猝灭（NPQ）和表观光合电子传递速率（ETR）[11−13]等荧光 参数。

1.4 统计方法

测定相关指标后，使用Excel 2010对数据进行整理 ，采用IBM SPSS 20.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下土壤相对含水量的动态变化

由表1可知，随胁迫时间的增加，土壤相对含水量逐渐下降，且干旱各处理差异显著（P＜0.05），胁迫8 d后，土壤相对含水量均下降至30%以下，到16 d时仅为20.4%；复水后，干旱各处理均恢复到对照，但由于 控水可能导致土壤结构改变，因此与对照略有差异。

表1 侧金盏花不同水分状况土壤相对含水量的变化Table 1 Variation on relative moisture content of A. amurensisgrowing soil under varied watering conditions

2.2 干旱胁迫及复水对侧金盏花生长的影响

由表2可知，侧金盏花地上及地下部分生物量随干旱胁迫程度的加大而明显下降，干旱4 d时，其地上及地下部分生物量下降较少，当干旱8、12和16 d，与干旱0 d相比，侧金盏花地上及地下部分鲜质量下降33.05%、37.32%、46.9%和21.8%、41.56%、44.18%，地上及地下干质量下降41.53%、47.43%、52.35%和31.3%、50.94%、60.72%，干旱12、16 d地上鲜质量差异显著（P＜0.05），干旱8、12 d地下鲜质量具有显著差异（P＜0.05）。

表2 干旱胁迫下侧金盏花生物量的变化Table 2 Variation on biomass of A. amurensis grown under drought stress

由表3可知，当侧金盏花遭受干旱时，随土壤相对含水量的减少，其平均株高呈下降趋势。干旱0～8 d，株高降幅较明显，各处理差异达显著水平（P＜0.05），恢复供水后，干旱4 d的株高有所增加，但仍显著低于对照（P＜0.05），干旱8、12、16 d复水前后变化不显著（P＞0.05）。

表3 侧金盏花不同水分状况株高的变化Table 3 Variation on plant height of A. amurensis grown under varied watering conditions

2.3 干旱胁迫及复水对侧金盏花形态及复水后存活率的影响

由表4可知，将侧金盏花进行不同程度胁迫处理，其地上部分形态变化主要表现为叶片下垂，边缘卷曲、皱缩和干枯。干旱4 d，叶片表现出轻微萎蔫现象，复水后，其外观形态恢复正常，成活率为100%；胁迫8 d，叶片皱缩并出现萎蔫下垂现象，复水后，外观基本恢复正常，仅茎尖处有少量枯黄萎蔫，复水后，成活率为100%；胁迫至12 d，叶片出现严重皱缩，萎蔫下垂，地上部分出现干枯现象，此时进行复水，部分植株可恢复生命力，成活率为50.67%；干旱16 d，大多数植株死亡，复水后成活率仅为6.35%。

表4 侧金盏花不同干旱胁迫时间复水后存活率Table 4 Survival rate of Adonis amurensis after rehydration under different drought stress times

2.4 干旱胁迫及复水对侧金盏花叶片相对含水量的影响

由表5可知，随干旱程度加深，侧金盏花叶片相对含水量逐渐下降，胁迫第16 d时达到最小值44.62%，比对照显著下降49.62%（P＜0.05），干旱8、12 d，与对照相比，叶片相对含水量降低24.86%、42.73%，均显著低于对照和复水处理（P＜0.05）；复水后，叶片相对含水量均有不同程度的恢复。

表5 侧金盏花不同水分状况叶片相对含水量的变化Table 5 Variation on leaf relative moisture content of A.amurensis grown under varied watering conditions

2.5 干旱胁迫及复水对侧金盏花生理指标的影响

2.5.1 干旱胁迫及复水对侧金盏花叶绿素总量的影响

由表6可知，随干旱胁迫持续进行，侧金盏花叶片叶绿素总量呈下降趋势，胁迫8～16 d，各处理差异显著（P＜0.05）。胁迫4 d，叶绿素总量比对照下降10.07%，显著低于对照（P＜0.05）；干旱8 d，较对照显著降低14.27%（P＜0.05），干旱12、16 d，比对照分别降低25.85%、34.68%；干旱8、12、16 d复水后，叶绿素总量有所上升，比复水前分别上升8.7%、4.81%、4.3%。

表6 侧金盏花不同水分状况叶绿素总量的变化Table 6 Variation on chlorophyll in leaves of A. amurensis grown under varied watering conditions

2.5.2 干旱胁迫及复水对侧金盏花渗透调节物质含量的影响 不同水分处理下，侧金盏花Pro含量不同，由表7可知，干旱处理下，Pro含量呈先升后降趋势，各处理差异显著（P＜0.05），干旱至12 d，Pro含量达最大值，干旱8、12、16 d分别比对照增加2.24、2.41、2.27倍，显著高于对照与复水处理（P＜0.05）；复水后，Pro含量有所下降，干旱4 d复水后其含量恢复至对照，干旱8、12、16 d复水后比干旱处理分别下降16.07%、19.22%、31.15%，表明侧金盏花细胞膜透性得到一定恢复，方差分析表明，干旱8、12、16 d复水后各处理差异显著（P＜0.05）。

表7 侧金盏花不同水分状况脯氨酸含量的变化Table 7 Variation of proline content in A. amurensis grown under varied watering conditions

由表8可知，侧金盏花随干旱时间的增加，可溶性糖含量逐渐增大，干旱处理前12 d，各处理差异显著（P＜0.05），干旱8、12、16 d比对照分别增加87.60%、100.48%、103.09%；复水后，可溶性糖含量下降，干旱4 d复水后略高于对照，表明质膜受伤害程度减少，胁迫12、16 d复水后，与干旱组相比，可溶性糖含量分别下降8.09%、8.19%。

表8 侧金盏花不同水分状况可溶性糖含量的变化Table 8 Variation on soluble sugar content in A. amurensis grown under varied watering conditions

从表9可知，侧金盏花在干旱处理下，可溶性蛋白含量呈下降趋势。干旱16 d，可溶性蛋白含量最低，比对照下降78.15%，复水后其含量恢复至对照的37.86%，说明干旱使蛋白质合成受阻，植物受损严重，而复水使可溶性蛋白含量得到一定恢复。胁迫4 d复水后其可溶性蛋白含量与对照无显著差异（P＞0.05），方差分析表明，胁迫12、16 d各处理差异显著（P＜0.05）。

表9 侧金盏花不同水分状况可溶性蛋白含量的变化Table 9 Variation on soluble protein content in A. amurensis grown under varied watering conditions

2.5.3 干旱胁迫及复水对侧金盏花MDA含量、叶片相对电导率的影响 由表10可知，随干旱程度增加，侧金盏花MDA含量逐渐升高，且各处理差异显著（P＜0.05）。胁迫至16 d达到最大值，比对照增加2.59倍，显著高于对照与复水处理（P＜0.05），复水过程中，MDA含量有所降低，干旱8 、12 d复水后差异显著（P＜0.05），胁迫8 、12 、16 d复水后，MDA含量较干旱组分别下降12.31%、31.35%、36.62%，仍显著高于对照（P＜0.05），干旱16 d复水后MDA含量为对照的2.28倍，表明干旱胁迫程度严重时，复水虽使MDA含量有所下降，但仍处于较高水平。

表10 侧金盏花不同水分状况丙二醛含量的变化Table 10 Variation on malondialdehyde content in A. amurensis grown under varied watering conditions

由表11可知，在干旱胁迫下，侧金盏花叶片相对电导率逐渐增加，各处理差异达显著水平（P＜0.05），与对照相比，干旱第8 、12 、16 d分别上升51.03%、102.04%和180.78%，均显著高于对照（P＜0.05），第16 d时达到最大值；复水后，膜透性均有所恢复，干旱4 、8 d复水后叶片相对电导率略高于对照，干旱16 d复水后是对照的2.09倍，显著高于对照（P＜0.05）。

表11 侧金盏花不同水分状况相对电导率的变化Table 11 Variation on relative electric conductivity of A.amurensis grown under varied watering conditions

2.5.4 干旱胁迫及复水对侧金盏花抗氧化保护酶的影响 由表12所示，干旱处理下，POD活性高于对照和复水处理，呈先升后降趋势，各处理差异显著（P＜0.05），侧金盏花植株受迫4～8 d时，POD活性上升，胁迫8 d时，比对照显著提高2.3倍，（P＜0.05），胁迫12 ～16 d，其活性下降，比对照分别上升121.57%、56.42%，显著高于对照与复水处理（P＜0.05）；复水后，POD活性降低，各处理差异显著（P＜0.05），干旱4 d复水后其活性与对照相比无显著差异（P＞0.05），胁迫8、12、16 d复水后，POD活性较复水前分别下降23.60%、25.85%和13.57%，仍显著高于对照（P＜0.05）。

表12 侧金盏花不同水分状况过氧化物酶活性的变化Table 12 Variation on peroxidase activity of A. amurensis grown under varied watering conditions

由表13可知，随胁迫程度加大，侧金盏花SOD活性呈先升后降趋势，胁迫0～4 d SOD活性上升趋势不明显，说明前期侧金盏花可通过调节SOD活性来平衡活性氧代谢、保护膜结构，对外界不良环境进行抵御，胁迫12 d达到最大值，比对照显著增加58.31%（P＜0.05）；复水后SOD活性下降，干旱4 d复水后略高于对照，胁迫12、16 d复水后其活性较复水前下降23.75%、15.11%。

表13 侧金盏花不同水分状况超氧化物歧化酶活性的变化Table 13 Variation on superoxide dismutase activity of A.amurensis grown under varied watering conditions

2.6 干旱胁迫及复水对侧金盏花叶片光合参数的影响

由图1可知，侧金盏花叶片Pn、Tr、Gs、Ci随着干旱胁迫时间的延长逐渐降低。胁迫8、12、16 d，与对照相比，Pn分别下降22.11%、50.46%、53.81%，干旱12、16 d复水后，Pn较干旱处理分别上升17.76%、8.24%；胁迫8、12和16 d，Tr较对照分别下降20.77%、63.58%、82.92%，复水后Tr有所恢复；干旱8、12和16 d时，G较对照分别下降15.23%、42.74%、53.6%，复水后，Gs较复水前分别上升7.6%、12.32%、14.22%，说明复水可使植物得到一定的缓解；胁迫8、12 d，Ci较对照下降12.21%、30.89%，较复水前分别上升7.32%、6.15%。

图1 侧金盏花不同水分状况光合参数的变化Fig. 1 Changes in photosynthetic parameters of A. amurensis grown under varied watering conditions

2.7 干旱胁迫及复水对侧金盏花叶片荧光参数的影响

从图2可知，干旱处理下，侧金盏花叶片Fo上升，Fm下降。胁迫8、12、16 d，Fo较对照上升28.67%、37.47%、46.44%；胁迫8、12、16 d，Fm比对照分别下降6.35%、12.93%、20.2%。Fv/Fo、Fv/Fm随胁迫程度加深均表现出下降趋势。干旱8、12 d，Fv/Fo比对照下降31.57%、44.97%，胁迫16 d，较对照下降57.56%，复水后，其值有所上升；胁迫4 d，与对照相比，Fv/Fm下降不明显，胁迫8～16 d，较对照分别下降5.1%、9.37%、13.03%，复水过程中，其值有所上升，干旱4 d复水后F/F恢复至对照。

图2 侧金盏花不同水分状况叶绿素荧光参数的变化Fig. 2 Changes in chlorophyll fluorescence parameters of A. amurensis grown under varied watering conditions

图3表明，干旱胁迫下，各处理ΦPSⅡ、ETR下降。干旱12、16 d，ΦPSⅡ比对照分别下降26.73%、31.2%，均显著低于对照（P＜0.05），复水后，其值均增加；胁迫16 d时，ETR值最小，比对照下降31.29%，复水后，其值上升，较复水前升高6.03%。胁迫过程中，qP呈下降趋势，NPQ逐渐上升，干旱4～8 d，qP比对照降低8.76%、22.7%，胁迫12～16 d，qP值下降较快，比对照显著下降28.93%、36.38%（P＜0.05）；干旱至16 d，NPQ值最大，比对照显著上升58.44%（P＜0.05）。复水后，qP、NPQ均有所恢复。

图3 侧金盏花不同水分状况叶绿素荧光参数的变化Fig. 3 Changes in chlorophyll fluorescence parameters of A. amurensis grown under varied watering conditions

3 讨论与结论

干旱胁迫下，侧金盏花的正常生命活动受到抑制。徐苏男等[14]认为，干旱使植物生长缓慢，其干物质量减少，本研究与之结果一致；相关研究表明，复水后成活率和叶片相对含水量是衡量植物脱水耐受性的有效指标[15−16]，叶片相对含水量呈下降趋势；叶绿素是光能吸收的主要物质，直接影响植物光合作用[17]。本研究中，叶绿素总量不断降低，可能与植物自身生物学特性等因素有关[18]。

前人研究表明[19−21]，渗透调节物质的积累是植物适应干旱胁迫的机制之一，干旱处理下，Pro和可溶性糖含量持续升高，可溶性蛋白含量先上升后下降，本研究与之略有差异，胁迫12 ～16 d时，脯氨酸含量下降，可能是因植物受害严重，导致机能紊乱；可溶性糖含量在干旱16 d达到最大值，表明植物叶片受害程度严重，复水后，其含量下降不明显，说明即使胁迫解除，短期内也未能恢复；可溶性蛋白含量在干旱期间持续下降，复水后有所回升，表明此时植物合成可溶性蛋白的能力增加。由此可知，不同植物在干旱胁迫下其渗透调节物质变化有所不同。

MDA和叶片相对电导率可体现干旱胁迫程度，是植物鉴定耐旱性的重要生理指标[22−23]。本研究中，干旱程度越重，MDA含量和叶片相对电导率越高，说明胁迫时间越长，侧金盏花质膜透性变大，细胞膜功能减弱，这与前人[24−25]研究结果一致。POD、SOD是植物体内的重要保护酶，可缓解脂质过氧化物积累而引起的细胞伤害[26]。本试验中，POD活性在第8 d达到峰值，胁迫0～12 d，SOD活性不断上升，表明此时植物通过增强保护酶活性来清除活性氧自由基，从而维持细胞膜的稳定性和完整性，这与崔颖等[27]研究结果相似。

植物在干旱处理下，叶片Pn、Gs、Ci和Tr在不同时期呈现不同变化。Farguhar[28]认为Pn、Gs和Ci变化一致时，Pn变化是由Gs引起，反之Pn的变化是由叶肉细胞活性决定的。本试验中，侧金盏花叶片Pn与Gs、Ci均下降，变化规律相同，胁迫12～16 dP恢复不明显，推测可能是植物受到严重胁迫后对光系统的伤害程度较大，这与张林春等[29]研究结果相似。此外，植物通过减小气孔开度使Tr降低，这也是植物一种抗旱机制[30]。本试验中，Tr逐渐下降，类似的研究结果也出现在葡萄等植物上[31]。

叶绿素荧光可检测植株在逆境条件下光合作用的真实行为。Fo是PSII反应中心完全开放状态时的荧光强度[32]。本研究中，侧金盏花叶片Fo增加量与受损程度成正比，表明PSII反应中心遭到破坏。前人研究表明[33]，Fm、Fv/Fo、Fv/Fm是植物抗旱性主要指标，本研究中，均呈下降趋势，引起其降低的原因是叶片PSⅡ质子醌库（PQ库）容量变小，这与康红梅等[34]研究结果一致；随干旱胁迫加剧，qP、NPQ呈相反趋势，复水后，q升高，NPQ下降，表明光合电子传递得以恢复，植物通过调整NPQ使其对自身光合结构起保护作用，这与Fernandez等[35]在苹果幼树的研究结果相似。ETR的高低在一定程度上反映了PSⅡ反应中心的电子捕获效率的高低[36]，本试验中，ETR和ФPSⅡ变化与qP一致，均逐渐减小，ФPSⅡ、qP和ETR显著下降说明干旱减弱QA的氧化能力及PSII的电子传递能力，导致碳同化降低，光合系统受损。

综上可知，当土壤相对含水量低于29.9%，各项指标变化显著，侧金盏花生长受到明显抑制；干旱不超过8 d时进行复水，各指标恢复效果明显，干旱8 d后复水，各指标较对照相比有显著差异。综合分析得出侧金盏花可承受持续8 d（土壤相对含水量为29.9%）的干旱胁迫，因此，侧金盏花在养护管理时，在持续时间低于8 d，土壤相对含水量不低于29.9%时的短期土壤失水时，应及时复水救苗，持续干旱8 d后，土壤相对含水量低于29.9%时，对侧金盏花造成不可逆的伤害。