鸢尾种质资源抗旱性综合评价及生理机制研究

薛新平， 薄 伟， 王 松， 康红梅， 王 晋

(山西农业大学园艺学院， 太原 030031)

近年来，受温室效应、土壤性质、地形地貌的影响，全球气温普遍升高，而水资源的不均匀分配进一步使我国旱情逐年加重，尤其是干旱、半干旱地区。随着水资源越发匮乏，旱害在植物的生长发育中常有发生，节水灌溉、栽植耐旱观赏植物在园林绿地植物养护中显得尤为重要。干旱是影响植物生长、生理生化过程的关键因素，过低的土壤水分会对园林植物的生长发育和观赏效果产生负面影响。在绿地中观赏植物有条件采用人工或机械灌溉补充土壤水分，但往往因对植物的需水性认识不够，造成水资源浪费，这也成为绿地植物成本和资源浪费的重要因素。因此，研究植物抗旱性并筛选抗旱型种质，对绿地植物的水分合理管理具有重要意义。

鸢尾属(Iris)是多年生草本植物，园林应用广泛，可作为盆花、花坛、庭院绿化的良好植物素材，或代替草坪覆于地表，有保持水土、固堤护坡、控制杂草生长之效[1]。当前鸢尾属植物的研究主要集中在系统分类[2]，栽培繁殖[3]，遗传多样性分析[4]，新品种选育[5]及环境生态修复[6]、园林应用[7]等方面。关于鸢尾属植物对盐碱、高温和重金属等逆境胁迫的生理响应也有报道[8-9]，但对鸢尾种间抗旱性评价研究较少。

针对我国干旱、半干旱地区土壤干旱缺水、绿化灌溉用水量增加的问题，本研究采用盆栽法，通过主成分分析和隶属函数分析对鸢尾种质进行抗旱性综合评价，为鸢尾属植物的水分科学管理和抗旱品种选育奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验材料为引进的鸢尾属植物，具体为玉蝉花(IrisensataThunb.)、燕子花(IrislaevigataFisch.)、德国鸢尾(IrisgermanicaL.)、西伯利亚鸢尾(IrissibiricaL.)、蝴蝶花(IrisjaponicaThunb.)、溪荪(IrissanguineaDonn ex Horn.)、扁竹花(IristectorumMaxim.)、矮鸢尾(IriskobayashiiKitagawa)，共8种鸢尾种质，具体情况见表1。均栽植于山西省园艺科技示范基地，环境条件和栽培管理基本一致，且在示范基地适应性长势良好。

表1 鸢尾属植物编号及表型特征

1.2 试验方法

1.2.1试验设计

试验采用盆栽法[10]，2020年4月，选取长势一致的植株移栽装盆置于日光温室，每盆1株。取试验地表层土(pH值为8.39，速效磷含量为7.9 mg/kg，速效钾含量为71.98 mg/kg，土壤有机质为17.76 g/kg，速效氮含量为51.32 mg/kg)，粉碎混匀后，等量装入各个花盆(直径21 cm，高度20 cm)中。水分胁迫试验于7月植株恢复生长后进行，设置对照组(40盆，ck)和处理组(40盆，DS)，胁迫当天对各花盆浇足水分，使盆土充分吸水饱和，之后ck组正常浇水(田间持水量的80%～85%)，DS组开始干旱控水，连续胁迫28 d(田间持水量的20%～25%)。分别在处理0 d(80%～85%)、7 d(70%～75%)、14 d(60%～65%)、21 d(40%～45%)、28 d(20%～25%)，随机选取3株植物，采集植物上部完全展开叶进行各项生理生化指标测定，每次测定3次重复，生长指标在第0天和第28天测定，5次重复取平均值。ck组和DS组的其他条件完全相同，最终利用隶属函数结合主成分分析法对指标数据进行综合评价，筛选出抗旱性种质。

1.2.2指标测定

生长指标：测定指标包括叶长(最长叶，直尺测量)、叶鲜重和叶干重(烘干法)[11]。生理指标：测定指标包括丙二醛(MDA)含量(硫代巴比妥酸比色法)[12]，过氧化物酶(POD)活性(愈创木酚氧化比色法)[13]，超氧化物歧化酶(SOD)活性(NBT光还原法)[14]，叶片相对含水量(RWC)(烘干称重法)[15]，细胞膜透性(CMP)(电导率仪法)[16]，叶绿素含量(Chl)(分光光度法)[17]，过氧化氢酶(CAT)(紫外线吸收法)[18]，脯氨酸含量(Pro)(茚三酮比色法)[19]。

1.3 数据分析

1.3.1抗旱性综合评价

参考路之娟等[20]的方法，以生理生化指标作为数据计算各测定指标抗旱系数。

抗旱性系数(α值)=(干旱处理测定值/对照测定值)×100%。

隶属函数计算公式为：

U(Xj)=[(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)]×100%，j=1,2,…,n。

式中，Xj为第j个指标，U(Xj)为第j个指标的隶属函数值，Xjmax和Xjmin分别为第j个指标的最大值和最小值[21]，若抗旱性指标和抗旱程度呈正相关，以抗旱性系数公式计算；抗旱性指标和抗旱程度呈负相关，则以反抗旱性系数公式计算。

各项指标的权重：

式中，Wj为第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度，Pj为第j个综合指标的贡献率[21]。

鸢尾属植物的综合抗旱性大小：

式中，D值表示鸢尾属植物在水分胁迫下的抗旱性综合评价值[21]。

1.3.2数据处理

采用Excel 2010软件计算试验数据并绘制图形，并使用SPSS 19.0软件完成多重比较(Duncan)、相关性分析和主成分分析[22]。

2 结果与分析

2.1干旱胁迫对鸢尾属植物生长指标的影响

由表2可知，鸢尾叶长、叶干重、叶鲜重的生长量均随土壤含水率减少而降低。干旱处理28 d时，叶鲜重与0 d处理相比有显著差异(p<0.05)，而各处理的叶长和叶干重的差异不显著(p>0.05)。土壤含水量对鸢尾叶鲜重、叶干重、叶长的生长影响大小排序为：叶鲜重>叶长>叶干重。其中，土壤含水量降至田间持水率的20%～25%时，对1号鸢尾的叶鲜重抑制作用较大，较对照处理叶鲜重降幅达45.01%。对7号鸢尾的叶鲜重影响较小，降幅仅为8.35%。

表2 不同土壤水分下鸢尾属种质生长指标

2.2 干旱胁迫对鸢尾属植物生理生化指标的影响以Pro含量和MDA含量为例，由图1可知，在干旱胁迫0～28 d，除1、5、7号种质，鸢尾属植物Pro含量呈先增加后减少的变化趋势，2、3号在0～7 d内呈现增长，7 d后降低，4号在21 d时达到最大值，6号较其他种质在14 d时增速较快。在干旱胁迫0～14 d时，多数鸢尾属植物MDA含量明显增加。处理28 d时，5、6号种质MDA含量急剧增加，分别较对照处理高出43.4%、69.2%。

注：不同字母表示同种植物不同处理下p<0.05水平上差异显著。

2.3鸢尾属种质抗旱性综合评价

以参试指标的抗旱性系数作为评价指标，发现各指标所反映的鸢尾属植物抗旱性存在不一致的结果(表3)，表明仅考虑单一指标评价鸢尾抗旱能力具有片面性。对8个评价指标进行相关性分析发现，各指标间均存在一定的相关关系(表4)：Pro与CMP之间相关性显著(r=-0.825*，p<0.05)，可认为Pro与CMP所携带的共同信息量为82.5%。因此，有必要筛选出既可以有效代表所有单项指标，又能彼此独立、没有信息重叠的综合指标来评价参试鸢尾的抗旱性。

表3 不同鸢尾属种质的抗旱性系数

表4 各单项指标的相关系数矩阵

各指标主成分分析结果如表5所示，把8个指标转换成3个新的彼此独立的综合指标，3个综合指标CI1、CI2、CI3的贡献率分别为57.16%、15.84%、13.44%。各综合指标的对应特征矢量为：

表5 综合指标的系数和贡献率

Y1=0.310X1-0.226X2+0.374X3+0.348X4+0.381X5+0.429X6+0.354X7+0.371X8；

Y2=0.172X1+0.736X2+0.013X3+0.069X4+0.395X5+0.157X6-0.483X7+0.100X8；

Y3=-0.650X1+0.077X2+0.358X3+0.454X4-0.112X5-0.267X6-0.143X7+0.364X8。

第一主成分CI1中细胞膜透性(X6)的系数较大，第二主成分CI2中过氧化物酶活性(X2)的系数较大，第三主成分CI3中超氧化物歧化酶活性(X1)的系数较大。综合分析结果得出，细胞膜透性、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性在评价鸢尾属植物的抗旱能力中起主要作用，可作为筛选抗旱型鸢尾属植物的重要指标。

通过相关性分析、主成分分析和隶属函数分析，结果如表6所示，最终得出抗旱能力强的种质：扁竹花(4号)>德国鸢尾(7号)>蝴蝶花(8号)>西伯利亚鸢尾(6号)>溪荪(3号)>矮鸢尾(2号)>玉蝉花(1号)>燕子花(5号)。

表6 鸢尾属植物综合指标值、Wj、D值和综合排序

3 讨论与结论

已有研究表明，当遭受干旱胁迫时，植物会改变自身形态和调节生物量的分配方向来适应水分亏缺环境。植物形态和生物量对干旱胁迫的响应主要表现为：植物在干旱胁迫下会减少叶面积、数量，抑制生物量积累来增加水分利用率，以维持植物在水分亏缺下的生长发育[23]。本研究中，干旱胁迫对鸢尾的叶鲜重影响较大，其中1号、2号鸢尾种质在处理28 d时，叶鲜重相比对照降幅较高。结合干旱胁迫下叶绿素含量变化，原因可能是缺水引起光合速率下降，阻碍植物叶片的同化物合成，且同化产物优先向根部聚集，导致叶鲜重明显下降。该研究结果与辣椒[24]和黄瓜[25]的研究结果相似。

正常情况下，植物体内活性氧(ROS)产生和清除处于动态平衡，一旦处于逆境条件，植物自身的这种代谢平衡受到破坏，会使ROS大量积累，膜脂过氧化又会引起MDA升高。为避免或减少ROS的毒害作用，SOD、POD、CAT作为清除过剩ROS的一道重要屏障会增加活性来抵御干旱环境。其中SOD是植物体内特异将O2·-歧化成H2O2的酶类，POD、CAT又能进一步清除对植物细胞产生毒害作用的H2O2，且POD对H2O2更具有亲和性，可作用于植物体内低浓度H2O2清理[26]。孔兰静等[27]研究了3种观赏草对干旱胁迫的生理响应，指出随干旱胁迫的加剧狼尾草、蒲苇SOD、POD、CAT活性显著升高，且变化幅度与植物抗旱性呈正相关。陈庆华[28]对大豆的研究也发现，在干旱胁迫下3种抗氧化酶活性表现为先升高后降低的变化趋势。本研究中，干旱胁迫前14 d，多数鸢尾属植物CAT活性呈上升趋势，POD活性维持在较高水平，说明鸢尾的保护酶系统在该土壤水分条件下(60%～65%)及时做出调整，以快速消除过量ROS，缓解干旱导致的氧化损伤。胁迫14～28 d时，4号鸢尾CAT、SOD活性相对稳定，MDA含量缓慢下降，说明其SOD、CAT在土壤含水量低至田间持水量的20%～25%时仍起着积极作用。随着干旱胁迫的加剧，2号、1号鸢尾3种抗氧化酶活性均有所下降，可能是严重干旱使植物体内酶保护系统失活或破坏，这与时丽冉等[29]在地被菊和周军[30]在凌霄抗氧化酶活性研究中得出的结果一致。

叶片相对含水量(RWC)是衡量植物在遭受干旱胁迫后组织水分亏缺程度的重要指标。研究表明，干旱环境下抗旱型植物叶片RWC降幅较小，敏感型植物更易受干旱影响导致叶片RWC大幅下降[31]。脯氨酸(Pro)能清除过量O2·-(ROS)，并以渗透调节的方式提高植物组织保水性[32]。曾艳等[33]在研究大叶榉对干旱胁迫的生理响应时发现，Pro含量会随干旱程度增加而增加。李州等[34]关于白三叶的抗旱性研究表明，在耐受范围内，Pro含量逐渐上升，超出范围则显著下降。本试验中，干旱胁迫下4号、7号和8号鸢尾Pro含量整体维持在较高水平，说明水分亏缺可以促进其Pro的积累。一方面避免了SOD活性下降引起的O2·-过度积累，MDA含量的减少也说明Pro可能作为重要ROS清除物质参与消除O2·-，使植物细胞膜未受氧化损伤，植物整体能保持正常生长；另一方面高含量的Pro也降低了植物细胞渗透势，通过影响水分的进入变化，来提高叶片抗失水能力，使4号、7号和8号鸢尾叶片RWC始终维持在较高水平。这与范苏鲁等[35]对大丽花的研究结果一致。在干旱胁迫7 d时，3号、2号鸢尾叶片Pro的调节作用达到最大值，随后Pro含量开始下降，MDA含量明显增加，说明干旱胁迫使2种鸢尾种质细胞膜系统严重受损，抗旱性较弱。

细胞膜是控制细胞内外物质进出和信息交流的场所，植物的诸多生命活动过程都与其关系密切[21]。大量研究显示，当植物在遭受旱害失水时，细胞膜结构受损，细胞膜透性(CMP)增大，因此，CMP常认为是衡量植物细胞损伤程度的重要指标[26]。叶绿素(Chl)是植物光合作用的主要色素，其含量的多少直接反映了植物光合性能的强弱。廖德志等[36]对青冈栎的研究发现，干旱胁迫不仅会使Chl合成受阻，还会加快Chl的分解，且Chl含量的降幅与植物自身抗旱性相关。而Li等[37]研究则认为，适度缺水会引起植物叶片含水量下降，导致单位鲜重Chl含量相对增加，这与本试验中发现4号、2号、1号和5号鸢尾Chl含量在水分胁迫初期有所增加，但随着土壤水分亏缺严重，Chl含量呈下降趋势的结果一致，说明在平常园林灌溉中若使这些鸢尾种质保持适当干旱，可在一定程度上提高Chl含量，进而有利于增加植物光能利用率。本试验发现，干旱胁迫前21 d，4号、7号、8号、6号和2号鸢尾通过调节Pro等渗透调节物质含量来保持细胞膜结构完整和选择透过性，使植物叶片仍具有较高的光合性能，表现为CMP较低，Chl含量保持在较高水平。胁迫21 d后，8种鸢尾属植物CMP增大，Chl含量降低，这可能是由植物自身渗透调节能力下降，细胞正常水分供应受阻所致。其中3号种质相比其他鸢尾CMP增幅最高，受干旱影响较大。

植物抗旱性是一个受多种因素影响的复杂数量性状，不同植物在水分胁迫下对某种指标的抗旱性反应不尽相同。因此，基于单项指标很难全面准确评价植物的抗旱能力，需结合多种指标综合分析干旱对植物的影响。由于评价指标之间还存在一定的相关关系，使它们提供的植物对水分胁迫响应的信息产生交叉重叠，且这些指标在综合评价时的重要程度也有较大差别，若将其直接用于鉴定植物抗旱性则会导致结果偏差[38]。本研究利用主成分分析将原来8个单项指标转化成3个综合指标，其中CMP、SOD活性、POD活性在鸢尾属植物的抗旱能力评价中起主要作用，可作为鸢尾属植物抗旱性的筛选指标。这与Bo等[39]对德国鸢尾的研究结果相似。基于主成分结合隶属函数分析，最终对8个不同鸢尾种质抗旱性进行综合评价排序：扁竹花(4号)>德国鸢尾(7号)>蝴蝶花(8号)>西伯利亚鸢尾(6号)>溪荪(3号)>矮鸢尾(2号)>玉蝉花(1号)>燕子花(5号)。同时，鸢尾属植物3个亚属的总体抗旱性强弱为：须毛状附属物亚属>鸡冠状附属物亚属>无附属物亚属。该评价结果为筛选抗旱型鸢尾种质以及后续抗旱基因挖掘奠定基础。