干旱脅迫及復(fù)水對入侵植物節(jié)節(jié)麥幼苗生長及生理特性的影響

王寧，袁美麗，陳浩，李真真，張銘鑫

(1.河南科技大學(xué)林學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.洛陽市隋唐城遺址植物園，河南 洛陽471002)

節(jié)節(jié)麥(Aegilopstauschii)，禾本科山羊草屬植物，最早起源于西亞及東歐等地，現(xiàn)已成為世界惡性雜草之一[1]。自1955年在我國河南省新鄉(xiāng)地區(qū)首次被發(fā)現(xiàn)，至今已廣泛入侵至渭河流域陜西、甘肅，黃河流域河北、河南、山東以及內(nèi)蒙古等地[2]。因節(jié)節(jié)麥具有生長適應(yīng)能力強，耐瘠薄、分蘗系數(shù)高、出苗時間長等特點，又與小麥(Triticumaestivum)籽粒大小、形狀較為相似，且無有效防除的除草劑，導(dǎo)致其成為麥田中最難防除的惡性雜草之一。據(jù)報道，僅2003年河北南部地區(qū)由于節(jié)節(jié)麥危害導(dǎo)致的小麥損失就達10%～25%[3]。因嚴(yán)重威脅糧食的生產(chǎn)與安全，早在2007年節(jié)節(jié)麥已被列入我國首次發(fā)布的《中華人民共和國進境植物檢疫性有害生物名錄》，如今許多國家及地區(qū)也已將其列入糧食貿(mào)易中的重點檢疫對象[4]。

為提高自身的競爭及入侵能力，外來植物常表現(xiàn)出較高的形態(tài)及生理可塑性，以適應(yīng)不同的生境條件[5]。如入侵植物飛機草(Eupatoriumodoratum)依據(jù)超氧化物岐化酶(superoxide dismutase, SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)等保護酶活性的持續(xù)增加[6]，以及較高的根冠比和水分利用效率[7]，從而具有一定耐旱性，這也促進了其向干旱及半干旱地區(qū)的入侵。但宋莉英等[8]研究發(fā)現(xiàn)，三裂葉蟛蜞菊(Wedeliatrilobata)的光合作用對干旱脅迫較敏感，認為水分可能是影響其生長及擴散的重要限制因子。土壤水分是影響植物生長發(fā)育及分布范圍的重要限制性因子[9]。因此，開展外來植物的耐旱性研究，對預(yù)測其分布范圍及進一步擴散的防控具有十分重要的意義。眾多研究認為，外來植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物量積累與分配以及生理代謝等均會受到干旱脅迫的影響[6-7,10-12]。而植物的耐旱性不僅表現(xiàn)在干旱的脅迫過程中，更重要的是復(fù)水后的恢復(fù)過程，因此，能否在復(fù)水過程中迅速彌補之前遭受的損傷是植物對干旱脅迫適應(yīng)的重要表現(xiàn)[13-14]。本試驗通過盆栽試驗，設(shè)置干旱-復(fù)水條件，依據(jù)干旱過程中形態(tài)、生理參數(shù)，以及復(fù)水過程中生理參數(shù)的變化，探討節(jié)節(jié)麥對土壤干旱脅迫的適應(yīng)機制，以期為節(jié)節(jié)麥入侵機制研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

2017年5月，節(jié)節(jié)麥種子采自河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田。游標(biāo)卡尺測得種子平均縱徑為5.98 mm，橫徑為2.54 mm，萬分之一天平測千粒重為12.32 g。試驗在河南科技大學(xué)開元校區(qū)林學(xué)院試驗地內(nèi)進行。研究區(qū)域位于洛陽市洛龍區(qū)，地理位置為34°59′ N、112°16′ E。試驗所用土壤為褐土，來源于洛陽市洛龍區(qū)周邊農(nóng)田，基礎(chǔ)理化性狀為：pH值7.4，全氮含量0.85 g·kg-1，有效磷11.4 mg·kg-1，速效鉀167.5 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

2018年2月，節(jié)節(jié)麥種子進行催芽處理，待幼苗長至“兩葉一心”時進行移栽上盆(盆口Φ 30 cm，高25 cm)，6株/盆。盆土提前經(jīng)105 ℃烘箱烘干至恒重，干土5 kg/盆。土壤水分設(shè)置包括：正常水平NL(normal level，田間最大持水量的75%～80%)、輕度干旱LD(light drought，田間最大持水量的60%～70%)、中度干旱MD(moderate drought，田間最大持水量的55%～60%)、重度干旱HD(heavy drought，田間最大持水量的45%～50%)4個水分梯度[15-16]，每個處理8盆，5次重復(fù)。緩苗1周后正常培養(yǎng)，待幼苗長至“四葉一心”時開始進行土壤控水處理。脅迫期間，采用稱重法[17]控制土壤含水量，稱重1次/2 d，當(dāng)土壤含水量低于設(shè)置范圍時，采用緩慢澆水法補充水分。分別在脅迫處理的0(CK)、7、14、21、28 d進行采樣(從上至下第3～4片葉)，第28天取樣后復(fù)水至CK水平，并在復(fù)水第7天(即處理第35天)再次采樣，進行生理指標(biāo)的測定。其中，在干旱脅迫的第28天，每處理隨機選出5株幼苗進行生物量的測定，利用掃描儀、Photoshop軟件進行葉面積的測定[18]，之后將植株的葉、莖及根分開并裝紙袋，于80 ℃烘箱中烘干至恒重。

1.3 測定項目及方法

生理參數(shù)包括：采用稱重法測定葉片相對含水量(relative water content，RWC)[19]；采用95%乙醇法測定葉綠素含量，采用酸性茚三酮法測定脯氨酸含量，采用氮藍四唑光還原法測SOD活性，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量[20]；采用電導(dǎo)法測定相對電導(dǎo)率(relative conductivity，REC)[21]。形態(tài)參數(shù)包括：葉生物量比(葉干重/植株總干重，leaf mass ratio，LMR)；根生物量比(根干重/植株總干重，root mass ratio，RMR)；比葉面積(總?cè)~面積/總?cè)~重，specific leaf area，SLA)；根冠比(根干重/植株地上部分干重，root-shoot ratio，R/T)[22]。此外，可塑性指數(shù)(plasticity index，PI)=[(不同處理下某參數(shù)的最大值-最小值)/最大值][23]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)分析，單因素方差分析和Duncan多重比較分析同一脅迫水平不同脅迫時間各個參數(shù)的差異顯著性。圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥生理參數(shù)的影響

2.1.1干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥相對含水量的影響 隨脅迫時間的延長，NL的RWC基本保持穩(wěn)定，而各干旱處理的RWC均呈下降變化趨勢(圖1)。其中，LD的RWC至脅迫28 d時與CK差異未達到顯著水平，而MD、HD的RWC分別在脅迫的21及14 d時與CK差異達到顯著水平(P<0.05)。復(fù)水后，各干旱處理的RWC均呈升高變化，且與CK差異均不顯著。

2.1.2干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥葉綠素含量的影響 如圖2所示，隨脅迫時間的延長，各干旱處理的葉綠素含量整體呈先升后降的變化趨勢。其中LD、MD的葉綠素含量峰值均出現(xiàn)在脅迫的21 d時，HD的葉綠素含量峰值出現(xiàn)在脅迫的7 d時，但與CK差異均不顯著；之后，葉綠素含量呈下降變化，至脅迫28 d時，僅HD的葉綠素含量與CK差異達到顯著水平(P<0.05)。復(fù)水后，各處理的葉綠素含量均呈增加變化，但與CK差異均未達到顯著水平。

圖1 干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥葉片相對含水量的影響Fig.1 Effects of drought stress and rewatering on the leaf relative water content (RWC) of A. tauschii

圖2 干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥葉綠素含量的影響Fig.2 Effects of drought stress and rewatering on the leaf chlorophyll content of A. tauschii

NL, LD, MD, HD分別表示正常水平、輕度干旱、中度干旱、重度干旱。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。NL, LD, MD, HD indicate normal level, light drought, moderate drought and heavy drought. The different lowercase letters mean significant difference at 0.05 level, the same below.

2.1.3干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥相對電導(dǎo)率的影響 隨脅迫時間的延長，各干旱處理的相對電導(dǎo)率均呈持續(xù)增加的變化趨勢(圖3)。其中，脅迫至28 d時LD的REC較CK增加了18.91%，但差異未達到顯著水平；MD、HD的REC分別在脅迫28和21 d時與CK差異達到顯著水平(P<0.05)。復(fù)水后，REC均明顯下降，其中，MD、HD的REC仍高于CK，但差異均不顯著(P>0.05)。

2.1.4干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥丙二醛含量的影響 各干旱脅迫處理中，MDA含量均呈緩慢增加變化趨勢(圖4)。其中，LD的MDA含量至脅迫的28 d時較CK增加了11.97%，但未達到差異顯著水平；MD、HD的MDA含量分別在脅迫的21和14 d時與CK差異達到顯著水平(P<0.05)。復(fù)水后，各處理的MDA含量均明顯下降，其中，MD、HD的MDA含量明顯高于CK，但差異均未達到顯著水平。

圖3 干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥相對電導(dǎo)率的影響Fig.3 Effects of drought stress and rewatering on the relative conductivity of A. tauschii

圖4 干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥MDA含量的影響Fig.4 Effects of drought stress and rewatering on MDA content of A. tauschii

2.1.5干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥脯氨酸含量的影響 各干旱處理中，脯氨酸含量均呈持續(xù)增加的變化趨勢(圖5)。其中，LD、MD的脯氨酸含量在脅迫的14 d時與CK差異均達到顯著水平(P<0.05)，而HD的脯氨酸含量則是在脅迫的7 d時，與CK差異顯著(P<0.05)。復(fù)水后，脯氨酸含量均明顯下降，但仍均高于CK，其中LD、MD的脯氨酸含量與CK差異均不顯著，而HD的脯氨酸含量則依然顯著高于CK(P<0.05)。

2.1.6干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥超氧化物歧化酶活性的影響 隨脅迫時間的延長，LD、MD的SOD活性呈持續(xù)增加變化趨勢，而HD的SOD活性則呈先升后降的變化趨勢(圖6)。 其中，LD、MD的SOD活性分別在脅迫的21及14 d與CK差異達到顯著水平(P<0.05)，脅迫至28 d時，分別較CK增加了44.33%、59.01%；而HD的SOD活性在脅迫的7 d時與CK差異達到顯著水平(P<0.05)，并在脅迫的21 d時達到峰值，較CK增加了63.98%，之后SOD活性略有下降。復(fù)水后，LD、MD的SOD活性迅速下降，但與CK差異均不顯著，而HD的SOD活性則略有升高，且與CK差異顯著(P<0.05)。

圖5 干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥脯氨酸的影響Fig.5 Effects of drought stress and rewatering on proline content of A. tauschii

圖6 干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥SOD活性的影響Fig.6 Effects of drought stress and rewatering on SOD activity of A. tauschii

圖7 干旱脅迫對節(jié)節(jié)麥形態(tài)指標(biāo)的影響Fig.7 Effects of drought stress on morphological index of A. tauschii

2.2 干旱脅迫對節(jié)節(jié)麥形態(tài)特征的影響

隨土壤含水量的降低，LMR、SLA逐漸下降，而RMR、R/T則呈上升變化趨勢。其中，當(dāng)土壤含水量下降至MD時，LMR、RMR均與NL差異顯著(P<0.05)；土壤含水量降至HD時，SLA、R/T均與NL差異顯著(P<0.05)。

2.3 干旱脅迫對節(jié)節(jié)麥形態(tài)及生理參數(shù)可塑性指數(shù)的影響

從表1可知，生理參數(shù)中，以Pro的PI值最大，葉綠素含量的PI最??；形態(tài)參數(shù)中，以SLA的PI值最大，RMR的PI最小。且形態(tài)參數(shù)PI的均值為0.31，明顯小于生理參數(shù)的0.39。

3 討論

3.1 干旱脅迫及復(fù)水對節(jié)節(jié)麥生理代謝的影響

RWC是植物體內(nèi)水分狀況的重要反映指標(biāo)，一定程度上能體現(xiàn)出植物對干旱脅迫的適應(yīng)能力，因此常被用于植物耐旱性的鑒定[24]。干旱脅迫中，RWC降速慢且降幅小，表明該植物的持水保水能力強，即具有一定的耐旱性[25]。本研究中，干旱脅迫中RWC的下降與土壤含水量及可利用水的減少有關(guān)，造成節(jié)節(jié)麥根系吸水困難，再有葉片的蒸騰喪失，從而導(dǎo)致了RWC的下降，復(fù)水后各處理的RWC迅速恢復(fù)至正常水平，可見節(jié)節(jié)麥葉片具有較強的保水持水能力，這也為其能夠在干旱脅迫下維持正常的生理代謝奠定了基礎(chǔ)，這也與宋家壯等[24]、郭穎等[26]對強耐旱植物的研究結(jié)論一致。

表1 干旱脅迫對節(jié)節(jié)麥形態(tài)及生理參數(shù)可塑性指數(shù)的影響Table 1 Plasticity index for each of the morphological characteristics and physiology of A. tauschii under drought stress

注：LMR, RMR, SLA, R/T分別表示葉生物量比、根生物量比、比葉面積、根冠比；RWC, Chl, REC, Pro, SOD, MDA分別表示相對含水量、葉綠素含量、相對電導(dǎo)率、脯氨酸含量、超氧化物歧化酶、丙二醛。

Note: LMR, RMR, LAR, R/T indicate leaf mass ratio, root mass ratio, specific leaf area and root-shoot ratio. RWC, Chl, REC, Pro, SOD, MDA indicate relative water content, chlorophyll, relative conductivity, proline, superoxide dismutase, malondialdehyde.

葉綠素含量的變化一定程度上可反映植物光合作用的變化規(guī)律，因此，可作為植物對水分脅迫敏感性的指示性指標(biāo)[27]。多數(shù)研究認為，干旱脅迫會造成植物葉綠素含量的降低[28-30]。但宋家壯等[24]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下虉草(Phalarisarundinacea)葉綠素含量呈增加的變化趨勢，分析認為可能由于水分脅迫造成葉片含水量下降而產(chǎn)生的濃度效應(yīng)所致，這也與張曉海等[31]、梁國玲等[32]的研究結(jié)論相符。本研究中，干旱脅迫下，節(jié)節(jié)麥葉綠素含量整體呈先升后降的變化趨勢，前期的升高與宋家壯等[24]研究結(jié)論一致，而之后的下降可能與持續(xù)干旱脅迫造成葉綠素分解加速及合成減緩有關(guān)。脅迫至28 d時，僅有HD的葉綠素含量較CK減少顯著(P<0.05)，復(fù)水后各處理均又迅速恢復(fù)至正常水平，由此說明葉綠素的合成并未受到干旱脅迫的根本性破壞，節(jié)節(jié)麥能夠通過自身調(diào)節(jié)進行恢復(fù)。

REC反映了植物細胞膜透性，MDA是膜脂過氧化作用的重要產(chǎn)物，因此，REC和MDA是植物質(zhì)膜受傷害程度的重要反映指標(biāo)[33-34]。本研究中，各干旱處理下，REC和MDA含量均呈持續(xù)增加的變化趨勢，表明節(jié)節(jié)麥細胞膜受脅迫的傷害程度逐漸增大，這也與墨西哥羽毛草(Nassellatenuissima)[34]、白三葉(Trifoliumrepens)[35]及草地早熟禾(Poapratensis)等[36]的研究結(jié)論一致。復(fù)水后，REC和MDA含量均迅速下降，且與CK差異均不顯著，由此可見，通過自身的調(diào)節(jié)機制，節(jié)節(jié)麥對干旱脅迫造成的膜系統(tǒng)損傷進行了積極地修復(fù)，這也可能是節(jié)節(jié)麥對干旱脅迫的重要適應(yīng)機制。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加是植物對逆境脅迫的重要生理反映，而游離脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一[37]，許多研究表明，脯氨酸的積累與植物的耐旱性呈正相關(guān)[13,38-39]。本研究中，干旱脅迫造成脯氨酸含量持續(xù)增加，由此表明節(jié)節(jié)麥幼苗通過脯氨酸含量的增加來降低細胞滲透勢，保障其體內(nèi)正常的代謝活動,從而抵御干旱脅迫，復(fù)水后，脅迫被解除，LD、MD的脯氨酸含量恢復(fù)至正常水平，而HD的脯氨酸含量依然顯著高于CK(P<0.05)，這可能是干旱脅迫致使節(jié)節(jié)麥滲透調(diào)節(jié)能力增強所致。

SOD是植物體內(nèi)重要的保護酶，其活性大小是植物抗旱性強弱的重要體現(xiàn)[6,33]。干旱脅迫過程中，LD、MD及HD前期，SOD活性均迅速增加，表明節(jié)節(jié)麥具有較高的清除O2-的能力，之后HD中的SOD活性略有下降，這可能與脅迫時間過長，超出了其忍受限度而造成SOD活性下降有關(guān)，這與入侵植物五爪金龍(Ipomoeacairica)[40]、牛膝菊(Galinsogaparviflora)[41]的研究結(jié)論一致。復(fù)水后，LD、MD中SOD活性基本恢復(fù)至正常水平，而HD中SOD活性依然顯著高于CK(P<0.05)，表明重度干旱脅迫及復(fù)水處理提高了節(jié)節(jié)麥對O2-的清除能力，這與張彥妮等[39]對黃連花(Lysimachiadavurica)的研究結(jié)論一致。

3.2 干旱脅迫對節(jié)節(jié)麥形態(tài)特征的影響

植物對環(huán)境變化的響應(yīng)不僅體現(xiàn)在形態(tài)特征上，同時也體現(xiàn)在生物量分配的對策方面[42]。生物量分配格局的改變是植物應(yīng)對環(huán)境變化的自我調(diào)整策略之一[43]。隨土壤含水量的降低，節(jié)節(jié)麥幼苗的LMR呈下降趨勢，而RMR、R/T呈增加變化趨勢，這與入侵植物五爪金龍[44]、黃頂菊(Flaveriabidentis)[45]、互花米草(Spartinaalterniflora)[46]等的研究結(jié)論一致。表明節(jié)節(jié)麥通過增加根生物量的分配比及根冠比，拓展地下空間以獲取生存所需水分，同時減少地上部分的生物量分配比，即盡量縮小地上空間以減少水分散失，達到規(guī)避干旱脅迫的效果，從而擁有了一定的耐旱能力。此外，土壤含水量的減少致使SLA的下降，表明節(jié)節(jié)麥還通過減少水分蒸發(fā)的途徑適應(yīng)干旱脅迫，這與王林龍等[47]的研究結(jié)論一致。

4 結(jié)論

節(jié)節(jié)麥幼苗通過保護酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加適應(yīng)土壤干旱脅迫，從而表現(xiàn)出一定的耐旱性，復(fù)水后，脯氨酸、葉片相對含水量等多數(shù)指標(biāo)均能恢復(fù)至正常水平，說明節(jié)節(jié)麥對干旱脅迫造成的損傷具有較高的修復(fù)能力。此外，節(jié)節(jié)麥幼苗通過降低地上部分及增加地下部分的生物量分配比，以及減少水分蒸發(fā)途徑等適應(yīng)土壤干旱環(huán)境。節(jié)節(jié)麥形態(tài)參數(shù)的可塑性指數(shù)均值明顯小于生理參數(shù)，由此表明，節(jié)節(jié)麥主要通過生理代謝的調(diào)整適應(yīng)短期干旱脅迫。