干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片生理的影響

劉紫娟，袁 蕊，王 娜，李炳言，賈斯淳，宗毓錚，李 萍，郝興宇

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷 030801）

工業(yè)革命以來，全球氣溫持續(xù)上升，氣候變暖同時(shí)也影響全球水資源的分布、降水量的變化，導(dǎo)致部分地區(qū)干旱[1]。水分是植物生長的必需底物，植物的基因表達(dá)和新陳代謝都會(huì)受到干旱的影響。我國是缺水國家，在干旱和半干旱地區(qū)，由于降水量少、土壤水分缺乏，不僅造成作物減產(chǎn)，也嚴(yán)重影響了林業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境[2]。因此，探究植物適應(yīng)干旱脅迫的生理機(jī)制對(duì)干旱區(qū)植物生長和生態(tài)發(fā)展具有一定意義。

八寶景天（Hylotelephium erythrostictum）又名八寶、活血三七、對(duì)葉景天，為景天科八寶屬多年生草本植物[3]。八寶景天是景天酸代謝（CAM）植物，葉肉質(zhì)，喜強(qiáng)光和干燥，管理方式粗放，病蟲害較少，是一種常見的植物，由于其具有較高的觀賞價(jià)值和較低的養(yǎng)護(hù)成本，在城市建設(shè)中被廣泛應(yīng)用于園林綠化，特別是近些年快速發(fā)展的屋頂綠化中[4]。CAM植物由于其代謝方式特殊，均有一定的抗旱性，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CAM植物已有許多研究，多探討CAM植物的光合代謝方式[5-7]，針對(duì)其抗旱性的研究主要集中在鐵皮石斛、垂盆草、東南景天、細(xì)葉景天、紅景天等[8-10]，對(duì)八寶景天的相關(guān)研究較少，特別是一天中白天和夜晚生理變化的研究還未見報(bào)道。

本試驗(yàn)擬探究干旱脅迫條件下八寶景天的葉片生理變化特征，旨在為CAM植物的抗旱機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)，為八寶景天今后的應(yīng)用和發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試景天品種為八寶，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地（37.42°N，112.58°E）旱棚中進(jìn)行，旱棚高3.5 m，面積為4 m×4 m。八寶景天于2016年4月24日移植于長×寬×高為60 cm×40 cm×35 cm塑料箱中，箱子底部打5個(gè)孔用于排水，箱內(nèi)裝土約28cm高，2016年10月20日割除八寶景天的地上部，留根于土中，2017年3月25日發(fā)芽。共栽植10盆八寶景天，前期正常灌水。5盆作對(duì)照處理（CK），植株發(fā)芽后控制土壤含水量為土壤飽和含水量的70%～80%；另外5盆作干旱處理（T），植株發(fā)芽30 d后（之前無水分脅迫）控制土壤含水量為土壤飽和含水量的30%～40%，其他管理措施一致。

1.3 生育期的確定

八寶景天開始發(fā)芽至發(fā)芽后107 d為營養(yǎng)生長期，期間植株莖伸長增粗，葉片增多，發(fā)芽后107～118 d陸續(xù)有植株長出花蕾，發(fā)芽后第119天有80%以上植株長出花蕾，進(jìn)入現(xiàn)蕾期。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 葉片表面氣孔的測定 在營養(yǎng)生長期（發(fā)芽后102 d）10：00和22：00，每個(gè)處理分別選取有代表性的八寶景天5株（每箱1株），每株選取倒數(shù)第7片完全展開葉，用指甲油粘片法測量并計(jì)算氣孔密度[11]；在40倍物鏡下選取視野內(nèi)8個(gè)氣孔，測量其長度、寬度，并測量氣孔開度的長度和的寬度，計(jì)算氣孔開度。氣孔開度（c）＝π·ab，其中，a＝1/2 氣孔開度的長度，b＝1/2氣孔開度的寬度[12]。

1.4.2 葉片抗逆指標(biāo)的測定 在營養(yǎng)生長期（發(fā)芽后 102 d）和現(xiàn)蕾期（發(fā)芽后 119 d）的 10：00和22：00，每個(gè)處理分別選取有代表性的植株5株（每箱1株），每株選取其倒數(shù)第5片完全展開葉，用于測定抗逆生理指標(biāo)。采用愈創(chuàng)木酚比色法測定過氧化物酶（POD）活性，采用硫代巴比妥酸顯色法測定丙二醛（MDA）含量，采用酸性茚三酮比色法測定脯氨酸（Pro）含量[13]。

1.4.3 葉片含水量的測定 利用1.4.2選取的葉片，剪成0.5 cm小段后測鮮質(zhì)量，然后于60℃烘箱中12 h烘干，測干質(zhì)量。含水量＝（鮮質(zhì)量－干質(zhì)量）/鮮質(zhì)量×100%。

1.4.4 葉片蘋果酸含量的測定 利用1.4.2選取的葉片，采用Goodban法進(jìn)行蘋果酸含量的測定[7]。

1.4.5 葉片色素含量的測定 利用1.4.2選取的葉片，用丙酮∶乙醇∶蒸餾水為4.5∶4.5∶1的混合液作為葉綠素提取液，再用分光光度計(jì)測定吸光值，并計(jì)算光合色素含量。

1.4.6 葉片糖類物質(zhì)含量的測定 利用1.4.2選取的葉片，采用3，5-二硝基水楊酸法測定還原糖含量，采用蒽酮-硫酸法測定可溶性糖、淀粉和纖維素含量[14]。

1.4.7 各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)的測定 于植株現(xiàn)蕾期將地上部分收獲，對(duì)未取樣植株分別測量其株高、莖粗、葉片數(shù)，于60℃烘箱48h烘干，測定單株總生物量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。用SPSS19軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析（α＝0.05）。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片氣孔的影響

干旱脅迫使八寶景天葉片上下表皮細(xì)胞變小，上下表皮的氣孔長度和開度減小，但氣孔密度增加（圖1）。與對(duì)照相比，干旱脅迫使八寶景天葉片上表皮的氣孔長度在10：00和22：00分別顯著降低19.9%和17.3%，10：00和22：00的氣孔開度分別顯著降低30.7%和16.6%，但是氣孔密度分別顯著增加36.8%和28.8%；下表皮的氣孔長度在10：00和22：00分別顯著降低23.7%和20.4%，氣孔開度在10：00和22：00分別顯著降低49.2%和11.5%，但 氣孔密度增加（表1）。

表1 干旱脅迫對(duì)八寶景天氣孔的影響

2.2 干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片含水量的影響

干旱脅迫下，八寶景天葉片含水量在營養(yǎng)生長期和現(xiàn)蕾期的10：00和22：00均無顯著變化（圖 2）。

2.3 干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片MDA含量的影響

干旱脅迫使八寶景天葉片MDA含量在營養(yǎng)生長期 10：00，現(xiàn)蕾期 10：00 和 22：00 均有降低，在營養(yǎng)生長期22：00有所升高。其中，現(xiàn)蕾期10：00和22：00分別比對(duì)照顯著降低22.6%和27.5%（圖3）。

2.4 干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片POD活性的影響

與對(duì)照相比，干旱脅迫使八寶景天葉片POD活性在營養(yǎng)生長期和現(xiàn)蕾期的22：00分別顯著降低41.0%和33.7%，在現(xiàn)蕾期10：00顯著升高128.3%，但在營養(yǎng)生長期10：00無明顯變化（圖4）。

2.5 干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片脯氨酸含量的影響

與對(duì)照相比，干旱脅迫使八寶景天脯氨酸含量在營養(yǎng)生長期10：00和22：00分別顯著升高3.5%和1.8%，但在現(xiàn)蕾期脯氨酸含量變化不顯著（圖5）。

2.6 干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片蘋果酸含量的影響

干旱脅迫條件下，八寶景天葉片蘋果酸含量在營養(yǎng)生長期和現(xiàn)蕾期10：00分別比對(duì)照顯著降低24.7%和50.1%，但在2個(gè)時(shí)期22：00均無明顯變化（圖 6）。

2.7 干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片光合色素的影響

在干旱脅迫條件下，八寶景天葉片的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量在營養(yǎng)生長期和現(xiàn)蕾期的10：00均為升高趨勢(shì)，其中，葉綠素a含量在營養(yǎng)生長期和現(xiàn)蕾期10：00分別比對(duì)照顯著升高36.4%和32.5%；而在2個(gè)時(shí)期的22：00均呈下降趨勢(shì)，其中，營養(yǎng)生長期22：00葉綠素b含量顯著降低24.4%，現(xiàn)蕾期22：00葉綠素a含量顯著降低23.8%（表 2）。

表2 干旱脅迫對(duì)八寶景天光合色素的影響

2.8 干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片糖類物質(zhì)含量的影響

與對(duì)照相比，干旱脅迫使八寶景天葉片中還原糖、可溶性糖、淀粉和纖維素在整個(gè)生育期全天總體上呈上升趨勢(shì)，其中，還原糖含量在2個(gè)時(shí)期的22：00分別升高24.6%和45.8%，可溶性總糖含量在現(xiàn)蕾期10：00和22：00分別顯著升高25.3%和24.7%，淀粉含量在營養(yǎng)生長期10：00，22：00和現(xiàn)蕾期10：00分別顯著升高40.3%，35.9%和147.1%，纖維素含量在營養(yǎng)生長期10：00和22：00分別顯著升高31.7%和25.2%，但在現(xiàn)蕾期卻呈下降趨勢(shì)，其中，10：00 時(shí)顯著下降 36.6%（表 3）。

表3 干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片糖類含量的影響 %

2.9 干旱脅迫對(duì)八寶景天各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)的影響

與對(duì)照相比，干旱脅迫使八寶景天株高、莖粗、單株葉數(shù)和單株總生物量分別顯著降低了36.2%，32.3%，24.6%和35.2%（表4）。

表4 干旱脅迫對(duì)八寶景天各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)的影響

3 討論

以往的研究通常認(rèn)為，干旱脅迫會(huì)促使植物葉片氣孔關(guān)閉或密度減小，從而減少植物蒸騰作用中水分的散失，提高植物的抗旱性[15]；但也有研究顯示，在干旱脅迫下，植物氣孔密度增大，但其長度、寬度和開度均減小[16]。本試驗(yàn)中，八寶景天在干旱脅迫下葉片上下表皮氣孔的長度、寬度和開度均減小，但氣孔密度增加。氣孔密度增加的原因可能是由于干旱景天葉面積減小，使單位葉面積氣孔密度增加。而氣孔長度、寬度和開度減小的原因是由于干旱影響了氣孔的發(fā)生、分化和發(fā)育，使氣孔變小。氣孔變小使蒸騰減弱，提高水分利用效率[17]。

干旱脅迫會(huì)破壞植物的細(xì)胞膜系統(tǒng)，使植物體內(nèi)自由基增加，從而引起膜脂過氧化作用，膜脂過氧化的產(chǎn)物是MDA，其含量的多少可表示膜脂的過氧化程度和植物的抗逆性[18]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫使八寶景天MDA含量在營養(yǎng)生長期10：00和現(xiàn)蕾期均降低，可能是由于八寶景天具有較強(qiáng)的抗旱性，干旱對(duì)葉片的膜脂過氧化作用影響不大。植物中的膜脂過氧化防御系統(tǒng)會(huì)保護(hù)細(xì)胞免遭傷害，POD是植物體內(nèi)清除H2O2的主要酶類之一，能催化H2O2氧化后產(chǎn)生H2O[19]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫使八寶景天POD活性在22：00時(shí)均下降，現(xiàn)蕾期10：00升高，白天溫度較高，可能需要更多的POD防御膜脂的過氧化，夜間溫度降低，干旱脅迫有所緩解，所以，POD活性下降。Pro是一種滲透調(diào)節(jié)物，可以增強(qiáng)植物的抗旱能力，本試驗(yàn)中，干旱脅迫下八寶景天葉片的Pro含量除現(xiàn)蕾期10：00外均增加，這也反映出八寶景天是一種抗旱植物。干旱脅迫下植物葉片的含水量可以反映植物保水能力的大小。本試驗(yàn)中，干旱脅迫對(duì)八寶景天葉片的含水量并無顯著影響，說明八寶景天在通過氣孔調(diào)節(jié)和Pro、糖類物質(zhì)等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的調(diào)節(jié)后，在干旱脅迫下有較好的保水能力。

八寶景天是CAM植物，光合方式有其特殊性，表現(xiàn)為：夜間氣孔開放，吸收CO2，以蘋果酸的形式貯存，白天蘋果酸分解，釋放CO2，進(jìn)行光合作用[7]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫使八寶景天葉片蘋果酸含量在上午10：00顯著下降，說明干旱脅迫抑制了夜間蘋果酸的積累，這是因?yàn)楦珊得{迫使氣孔開度減小，影響了CO2的吸收。

葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素是植物進(jìn)行光合作用所需的最主要的色素，其含量的多少會(huì)直接影響植物的生長發(fā)育[20]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫使八寶景天的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量在營養(yǎng)生長期和現(xiàn)蕾期10：00升高，但22：00下降，這與之前的研究結(jié)果有所不同，可能是由于八寶景天在干旱條件下會(huì)產(chǎn)生更多光合色素促使光合作用的進(jìn)行，但在夜間不進(jìn)行光反應(yīng)時(shí)，為維持自身正常生理活動(dòng)，光合色素含量下降。但其調(diào)節(jié)機(jī)制有待進(jìn)一步研究探索。

可溶性糖也是植物體內(nèi)參與滲透調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)，植物在遭受脅迫時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)可溶性糖的多少來維持正常的滲透壓，淀粉在植物遭受逆境時(shí)可以與可溶性糖相互轉(zhuǎn)化，纖維素是細(xì)胞壁的主要組成部分，可以使植物保持挺拔[21-23]。本試驗(yàn)中，還原糖、可溶性糖和淀粉含量在不同時(shí)期均有增加的趨勢(shì)，這也是八寶景天抵抗干旱的一種形式。纖維素含量在營養(yǎng)生長期均增加，但在現(xiàn)蕾期降低，可能是由干旱后期植株缺水時(shí)間過長、碳素積累受限所致。

干旱脅迫會(huì)使植株的生長形態(tài)發(fā)生變化，表現(xiàn)在細(xì)胞、組織、器官個(gè)體等不同水平[24-25]。一般認(rèn)為，干旱脅迫會(huì)使植物的株高、莖粗、生物量均降低，導(dǎo)致作物減產(chǎn)[26]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫使八寶景天株高、莖粗、單株葉片數(shù)和單株生物量都降低，葉片的減少和植株矮小可以減少植株水分的散失和植物對(duì)水分的需求，有利于植株抵抗干旱環(huán)境。

在投融資方案上充分發(fā)揮政府投資對(duì)社會(huì)資本的引導(dǎo)放大作用，吸引社會(huì)資本參與。要堅(jiān)持以市場為導(dǎo)向，以制度建設(shè)為重點(diǎn)，形成市場融資為主導(dǎo)、政府投資為補(bǔ)充、民間投資健康發(fā)展的投融資格局。在旅游、醫(yī)療、教育、停車等社會(huì)化產(chǎn)業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，堅(jiān)持以政策導(dǎo)向引領(lǐng)，社會(huì)資本主導(dǎo)參與建設(shè)為原則，通過出讓特許經(jīng)營權(quán)、第三方付費(fèi)、使用者付費(fèi)結(jié)合少量政府補(bǔ)助的方式，鼓勵(lì)社會(huì)資本加大此類應(yīng)用的建設(shè)力度和速度。利用社會(huì)資本的靈活性和企業(yè)服務(wù)的創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)智慧城市的長期可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

本研究表明，干旱脅迫下，八寶景天葉片氣孔變小，氣孔開度降低，能夠有效地減少水分散失，同時(shí)影響夜間CO2的吸收，降低了蘋果酸的積累；干旱脅迫使八寶景天MDA含量降低，使POD活性白天升高，夜間降低?，F(xiàn)蕾期Pro含量、可溶性總糖和淀粉含量均升高，以提高其抗旱性；干旱脅迫下，八寶景天葉片光合色素含量在白天增多，夜晚降低，有利于其光合效率的提高。干旱使八寶景天株高、莖粗、單株葉片數(shù)和單株總生物量均降低，可以有效地減少水分消耗?？傊?，八寶景天在干旱脅迫下通過氣孔開度變小，POD活性增加進(jìn)行膜脂過氧化防御，Pro和可溶性糖含量增加進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，提高日間光合色素含量保證光合作用的有效進(jìn)行等方式提高其干旱適應(yīng)能力，表現(xiàn)了較強(qiáng)的抗旱性。

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