干旱胁迫对栀子叶绿素荧光参数及生理生化指标的影响

蔡宗鑫, 陈清海, 阮学瑞, 练芳松, 邹双全

(1.福建农林大学林学院,福建 福州 350002;2.自然生物资源保育利用福建省高校工程技术研究中心,福建 福州 350002;3.福建省泉州市林业局,福建 泉州 362000;4.宁德市林业科研与技术推广中心,福建 宁德 352100;5.福建省洋口国有林场,福建 南平 353200)

栀子(GradeniajasminoidesEllis)为茜草科(Rubiaceae)栀子属(Gradenia)常绿灌木或小乔木,其花色雪白、花香四溢,叶片为椭圆状倒卵形或矩圆状倒卵形,主产于中国西南、华南、华中和华东地区,东北亚、南亚和东南亚也有分布[11]。栀子喜温暖湿润气候,好阳光但又要避免过强日光曝晒,适宜生长在土质疏松、肥沃且排水性能优良的轻粘性酸性土壤中。目前,关于栀子的研究主要集中在有效成分的提取[12]、寒热药性[13]、新品种的选育[14-15]、病虫害的防治[16]及水土保持[17]等方面,有关非生物胁迫对栀子生理生化水平影响的研究较少。因此,本文以‘灵地珍栀’无性系扦插苗为试验材料,探讨了不同梯度土壤含水量下栀子对干旱胁迫的反应机制,旨在了解其对干旱胁迫的适应能力,为栀子的栽培管理及品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省福州市福建农林大学(119°14′14″E,26°4′58″N),属南亚热带季风气候,年均气温22 ℃,7月气温为25 ～34 ℃,1月气温为8 ～15 ℃,年均降水量1 395.6 mm,降水季变化明显,年均日照时数1 884.2 h,无霜期360 d。

1.2 试验材料

试验材料为‘灵地珍栀’(GardeniajasminoidesEllis Cultivar ‘Lingdi Zhenzhi’)无性系扦插苗[14],由福建农林大学林下经济服务团队选育。干旱胁迫试验在温室大棚中进行,供试盆栽基质为田园土、细河砂和碳化谷壳(田园土∶细河砂∶碳化谷壳=3∶2∶3)混合而成。将基质置于阳光下暴晒3 d后自然风干。基质pH值为5.67,容重为0.761 g·cm-3,有机质含量为13.50%,全氮、全磷和全钾含量分别为3.0、0.37和6.23 g·kg-1,碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为147.00、49.44和160.19 mg·kg-1。

1.3 试验设计

2020年9月选择长势一致且无病虫害的1年生栀子扦插苗,移栽于高28 cm、直径30 cm的黑色塑料盆内,每盆1株,装风干土7 kg,并在盆下放置托盘,共移植100株。移植后立即缓慢浇水至饱和状态。胁迫开始前,对盆栽正常浇水、除草,保持大棚内良好的通风环境并做好病虫害防治。

2021年2月待栀子扦插苗抽出第2节新梢时,按完全随机设计,选择长势基本一致的盆栽进行干旱胁迫试验。共设置轻度干旱(土壤相对含水量55%～60%)、中度干旱(相对含水量40%～45%)、重度干旱(相对含水量20%～25%)3个胁迫处理,以土壤相对含水量75%～80%处理为对照(CK),每个处理6盆,3次重复,共计72盆。栀子平均株高23.5 cm、平均地径2.65 mm。采用称重法[18-19]进行水分控制,直至达到试验设定的土壤相对含水量。各处理扦插苗需水量参考文献[20]的方法计算。

2021年3月26日,各处理均达到设定的土壤相对含水量后开始胁迫试验,此时栀子正处于旺盛生长期。30 d胁迫期间,每天傍晚测量盆栽质量以控制土壤水分。3—4月平均气温为20.5 ℃,不受高温胁迫影响,且所有处理均在相同气候变量下,因此不同处理结果具有可比性。干旱胁迫第10、20、30 d时,各处理随机选择3株栀子,并选取标记叶位上3片健康完整的叶片用于叶绿素荧光参数与生理生化指标的测定。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 叶绿素荧光参数 测量当天待叶片充分暗适应后,于21：00～24：00采用叶绿素荧光计(OS-30P+)进行叶绿素荧光参数测定。设置饱和光强为3 000 μmols,饱和光宽度为1.5 s。初始荧光产量(F0)采用照射测量光测量,最大荧光产量(Fm)采用饱和脉冲光强测量,初始荧光产量(Fv)、最大光化学量子产量(Fv/Fm)和PSⅡ量子效率(Fv/F0)参考文献[21]计算。其中,Fv=Fm-F0,Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm,Fv/F0=(Fm-F0)/F0。

1.4.2 生理生化指标 用湿布将栀子叶片擦净后置于预冷的冻存管,立即用液氮速冻后转移至-80 ℃冰箱保存备用。CAT活性采用过氧化氢分解法[22]测定,POD活性采用愈创木酚法[23]测定,SOD活性采用氮蓝四唑光还原法[24]测定,MDA含量采用硫代巴比妥酸法[25]测定,可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法[26]测定,游离脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮染色法[27]测定。

1.5 数据处理

采用Excel 2016进行数据的整理与分析,采用SPSS 18.0进行单因素方差分析,选用Duncan法进行多重比较。本文仅分析0.05水平的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对栀子叶绿素荧光参数的影响

2.1.1F0如图1A所示,各处理栀子叶片F0均随胁迫时间的延长呈先上升后下降的趋势。胁迫第10、20天,栀子叶片F0随胁迫加剧呈下降趋势。胁迫第10天,CK处理下F0显著高于其他处理(P<0.05),轻度、中度和重度干旱处理下F0降幅分别为8.16%、17.89%和23.53%。胁迫第20、30天,中度和重度干旱处理下F0均低于其他处理,且中度干旱处理与CK及轻度干旱处理差异达显著水平;与CK相比,中度干旱处理降幅分别为18.61%、13.61%,重度干旱处理降幅分别为18.44%、8.11%。

A.F0,B.Fm,C.Fv/F0,D.Fv/Fm;不同小写字母表示各处理间差异达0.05显著水平。图1 干旱胁迫条件下栀子叶片叶绿素荧光参数比较Figure 1 Comparison on chlorophyll fluorescence parameters of G.jasminoides leaves under various drought stress

2.1.2Fm如图1B所示,各处理栀子叶片Fm均随胁迫时间的延长呈先上升后下降的趋势。不同胁迫时间栀子叶片Fm均随胁迫加剧呈降低趋势。胁迫第10天,中度和重度干旱处理下Fm显著低于CK处理,降幅分别为6.17%和11.59%。胁迫第20、30天,重度干旱处理下Fm显著低于其他处理,与CK相比,降幅分别为8.03%、12.81%。

2.1.3Fv/F0如图1C所示,随着胁迫时间的延长,CK、轻度、中度干旱处理下栀子叶片Fv/F0总体呈上升趋势,重度干旱处理则呈下降趋势。胁迫第10天,Fv/F0随着胁迫加剧而上升,与CK相比,中度、重度干旱处理增幅分别为19.09%、20.03%。胁迫第20、30天,Fv/F0随着胁迫加剧呈先上升后下降趋势,且胁迫第20天重度干旱处理下Fv/F0显著高于CK处理。

2.1.4Fv/Fm如图1D所示,随着胁迫时间的延长,CK、轻度、中度干旱处理下栀子叶片Fv/Fm总体呈上升趋势,重度干旱处理则呈下降趋势。胁迫第10、20天,栀子叶片Fv/Fm随着胁迫加剧呈上升趋势,CK处理下Fv/Fm显著低于中度和重度干旱处理,与CK相比,中度干旱处理增幅分别为3.87%、4.42%,重度干旱处理增幅分别为4.27%、3.61%。胁迫第30天,Fv/Fm随着胁迫加剧呈先升高后下降趋势,重度干旱处理下Fv/Fm低于CK处理,降幅为1.59%,两者差异不显著。

2.2 干旱胁迫对栀子抗氧化酶活性及MDA含量的影响

2.2.1 POD活性 如图2A所示,随着胁迫时间的延长,CK、轻度干旱处理下栀子叶片POD活性呈先下降后上升趋势,中度干旱处理呈上升后下降趋势,重度干旱处理则持续上升。胁迫第10天,POD活性随着胁迫加剧呈降低趋势,重度干旱处理下POD活性显著低于其他处理(P<0.05),与CK相比降幅达26.78%。胁迫第20天,POD活性随着胁迫加剧呈先下降后上升又下降的趋势,中度干旱处理下POD活性最大,且与CK及轻度干旱处理差异显著。胁迫第30天,POD活性则呈先下降后上升趋势,与CK相比,重度干旱处理增幅达30.84%。

A.POD活性,B.SOD活性,C.CAT活性,D.MDA含量;不同小写字母表示各处理间差异达0.05显著水平。图2 干旱胁迫条件下栀子叶片抗氧化酶活性及MDA含量比较Figure 2 Comparison on antioxidant enzyme activity and MDA content of G.jasminoides leaves under various drought stress

2.2.2 SOD活性 如图2B所示,各处理栀子叶片SOD活性均随胁迫时间的延长呈先下降后上升的趋势。不同胁迫时间栀子叶片SOD活性总体上随胁迫加剧呈下降趋势。胁迫第10天,中度干旱处理下SOD活性显著低于CK处理,降幅为9.34%。胁迫第20天,轻度干旱处理下SOD活性显著高于中度和重度干旱处理。胁迫第30天,重度干旱处理下SOD活性显著低于CK处理,降幅为22.08%。

2.2.3 CAT活性 如图2C所示,各处理栀子叶片CAT活性均随胁迫时间的延长呈先上升后下降的趋势。胁迫第10、30天,CAT活性随着胁迫加剧呈先上升后下降趋势,中度干旱处理下CAT活性显著高于其他处理,与CK相比,增幅分别为107.77%和38.85%。胁迫第20天,CAT活性随着胁迫加剧呈上升趋势,重度干旱处理下CAT活性显著高于其他处理,与CK相比上升108.96%。

2.2.4 MDA含量 如图2D所示,随着胁迫时间的延长,CK处理下栀子叶片MDA含量呈下降趋势,中度、重度干旱处理呈上升趋势,轻度干旱处理则先下降后上升。不同胁迫时间栀子叶片MDA含量总体上随着胁迫加剧呈上升趋势。胁迫第10、30天,CK处理下MDA含量显著低于其他处理,与CK相比,轻度干旱处理增幅分别为4.08%、82.09%,中度干旱处理增幅分别为3.87%、87.76%,重度干旱处理降幅分别为4.05%、91.80%。胁迫第20天,重度干旱处理下MDA含量显著高于其他处理,与CK相比上升46.38%。

2.3 干旱胁迫对栀子渗透调节物质的影响

2.3.1 可溶性蛋白含量 如图3A所示,随着胁迫时间的延长,CK处理下栀子叶片可溶性蛋白含量呈下降趋势,轻度、中度、重度干旱处理则呈先上升后下降趋势。不同胁迫时间栀子叶片可溶性蛋白含量均高于CK,且中度干旱处理与CK差异达显著水平,胁迫第10、20和30天分别比CK增幅20.42%、116.53%和39.08%。

A.可溶性蛋白含量,B.Pro含量;不同小写字母表示各处理间差异达0.05显著水平。图3 干旱胁迫条件下栀子叶片可溶性蛋白及Pro含量比较Figure 3 Comparison on soluble protein and PRO content of G.jasminoides leaves under various drought stress

2.3.2 Pro含量 如图3B所示,随着胁迫时间的延长,CK、轻度、重度干旱处理下栀子叶片Pro含量均呈先上升后下降趋势,中度干旱处理则呈下降趋势。不同胁迫时间各处理Pro含量均高于CK。胁迫第10、30天,Pro含量随胁迫加剧呈先升高后降低趋势,胁迫第20天则持续上升。胁迫第10天,CK处理Pro含量显著低于其他处理,轻度、中度和重度干旱处理下Pro含量增幅分别为57.31%、139.14%和31.49%。胁迫第20天,重度干旱处理下Pro含量显著高于其他处理,与CK相比上升80.29%。胁迫第30天,中度干旱处理下Pro含量显著高于其他处理,与CK相比上升74.61%。

3 讨论与结论

3.1 栀子叶绿素荧光特性

光合作用是绿色植物最重要的代谢过程,水是光合作用的原料,光是植物进行光合作用的能量来源。受到非生物胁迫时,植物叶片光合生理会发生明显变化,而干旱胁迫会影响作物的光合能力。叶绿素荧光参数是将植物光合作用和环境联系起来的内在指标,反映了植物光合生理状况以及作用机理,被广泛应用于植物逆境胁迫的研究[28-29]。本研究表明,栀子叶片F0随着干旱胁迫时间的延长呈先升高后降低的趋势,这与张雅梅等[30]对泡桐[Paulowniatomentosa(Thunb.) Steud×P.fortunei(Seem.) Hemsl 33]的研究结果一致。这可能是由于胁迫前期叶片光合作用较弱,受胁迫影响明显,随着胁迫时间延长叶片趋于成熟,使得F0上升;胁迫后期叶片通过增加热耗散来保护PSⅡ反应系统,导致F0降低。重度干旱处理下F0随胁迫时间延长呈先上升后下降趋势,且均未高于CK处理,说明重度干旱处理下栀子PSⅡ反应中心有受伤的潜在趋势。Fm随着胁迫时间的延长呈先升高后降低趋势,胁迫前期PSⅡ反应中心电子的传递活动变强,Fm上升;胁迫后期Fm随着胁迫加剧显著降低,说明中度、重度干旱处理抑制了PSⅡ的电子传递活动。Fv/Fm和Fv/F0随胁迫时间的延长变化趋势基本一致,这与吴敏等[31]对青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)的研究结果相似。胁迫第10天,Fv/Fm和Fv/F0随着胁迫加剧而逐渐上升;胁迫第20、30天,Fv/Fm和Fv/F0则呈先上升后降低趋势;重度干旱处理下,Fv/Fm和Fv/F0随胁迫时间延长而持续降低,说明轻度干旱和中度干旱处理有利于提高最大PSⅡ的光能转换效率,而重度干旱处理植株会受到光抑制,PSⅡ反应中心受到伤害,从而降低光合速率。

综合来看,栀子可以通过增加热耗散的方法保护其在轻度和中度干旱处理下30 d内不受干旱胁迫的伤害。胁迫后期重度干旱处理下栀子叶片的PSⅡ反应中心受到损伤,导致电子传递活动受到抑制,光合活性降低,从而影响光合速率。

3.2 栀子抗氧化酶活性及MDA特性

综合来看,栀子叶片抗氧化酶系统能够抵御20 d的轻度干旱处理,使栀子免受干旱胁迫伤害,其中POD和CAT发挥了主要作用。

3.3 栀子渗透调节特性

植物通过合成和积累可溶性糖、可溶性蛋白和Pro等有机溶质来提高渗透调节能力,且这些有机溶质对酶、蛋白质和生物膜有保护作用[39]。渗透调节物质的主要成分和积累与植株种类有关[40],植物缺水时会产生渗透调节物质以降低细胞水势,防止水分外流,同时保护细胞内大分子结构,增强植物的抗干旱能力[41]。本研究表明,随着干旱胁迫时间的延长,各处理下栀子叶片可溶性蛋白含量变化趋势不同。随着胁迫加剧,栀子叶片可溶性蛋白含量在胁迫前期呈上升趋势,胁迫中、后期则呈先上升后下降趋势,这与江登辉等[25]对福建山樱花(Prunuscampanulata)和日本樱花(Prunusyedoensis)的研究结果一致。中度干旱处理下栀子叶片可溶性蛋白含量显著高于其他处理,说明可溶性蛋白在干旱胁迫中发挥着重要的渗透调节作用,但长期重度干旱处理会引起可溶性蛋白含量降低,可能是因为胁迫导致自由基过度积累,加快了蛋白水解[42]。干旱胁迫期间,各处理Pro含量均显著高于CK,且随着干旱程度的加剧,Pro含量积累幅度逐渐减小,这与马步东等[43]对裸果木的研究结果相似。胁迫第10 、30天时,中度干旱处理下栀子叶片Pro含量显著高于其他处理;胁迫第20天时,Pro含量随胁迫加剧呈上升趋势;胁迫至30天时,重度干旱处理下Pro含量下降,栀子叶片渗透调节功能失衡。总之,中度干旱处理下栀子叶片可溶性蛋白和Pro含量开始降低,土壤含水量低于中度干旱处理可能是栀子渗透调节的临界点。

综上所述,栀子具有一定的耐旱性,干旱胁迫时栀子叶片的叶绿素荧光参数、抗氧化酶活性、MDA含量和渗透调节物质均作出响应;其抗氧化酶系统能够抵御20 d内的轻度胁迫,在生产中应关注40%～45%土壤相对含水量耐旱的可能临界点,抓好抗旱生产指导。