4种地被植物干旱胁迫下的生理响应及抗旱性评价

李 艳，王 庆，刘国宇，张 燕，杨群力，杜勇军，李仁娜，王 玮

（1.陕西省西安植物园 陕西省植物研究所，陕西 西安 710061；2.陕西省植物资源保护与利用工程技术研究中心，陕西 西安 710061)

中国是干旱半干旱面积较大的国家，其中干旱地区占30.8%，半干旱地区占21.7%[1]。 2017年7月，关中地区连续14 d日最高气温高达40 ℃以上，园林管护中灌水任务加大，城市水资源和城市环境维护用水需求产生矛盾。缺水、少水严重制约着植物的生长发育，限制了园林绿化及其美化效果。园林植物良好的耐旱性可以在土壤缺水状态下较长时间保持较好的观赏效果，同时在管理过程中有效降低城市绿地养护成本，因此研究园林植物的抗旱性，对一些抗旱性良好的植物种类及品种进行筛选和培育成为现代园林植物研究工作中亟待解决的问题。

顶花板凳果Pachysandra terminalis Sieb.et Zucc 在我国主要分布在甘肃、陕西、四川、湖北、浙江等地，其资源丰富，但相关研究相对滞后，文献报道主要集中在其药理研究上[2]。迷迭香Rosmarinus officinalis Linn 是传统的香料植物，广泛用于食品加工、医药卫生及化妆品开发等方面，其抗旱性及其园林应用鲜有报道[3]。大吴风草Farfugium japonicum (L.f.) Kitam.和蜘蛛抱蛋Aspidistra elatior Blume 在华东地区园林中广泛应用，绿化效果好，相关研究主要集中在耐荫性上[4-5]，其抗旱性研究鲜有报道，也未见其在陕西有引种栽培及园林应用。

利用盆栽干旱胁迫的方法对园林用途相同但不同科属的园林观赏植物进行抗旱性研究及综合评价的报道较少，相关研究主要集中在几种同属植物或一种植物在盆栽干旱胁迫下的生理指标变化。本文以在关中地区首次引种并且表现良好的4 种多年生常绿地被植物顶花板凳果、大吴风草、迷迭香和蜘蛛抱蛋为材料，通过自然高温条件及人工控水持续干旱胁迫处理，进行植物形态观察，并对其土壤含水量、植物萎蔫系数、丙二醛（MDA）含量、叶片保护酶、可溶性蛋白含量和可溶性总糖等指标进行测定。通过综合比较，探讨其抗旱机理，为园林绿地中针对地被植物的选择提供一定参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为盆栽顶花板凳果、大吴风草、迷迭香和蜘蛛抱蛋，均为2年生苗，其中顶花板凳果和迷迭香为2年生扦插苗，大吴风草为2年生播种苗，蜘蛛抱蛋为2年生分株苗。来源见表1，栽培基质相同，均为配制相同的壤土，管理方法相同。

表1 4种常绿地被植物概况Table 1 The general situations of four evergreen ground cover plants

1.2 试验方法

试验在西安植物园太阳能温室进行，时间为2017年8月，采用盆栽控水试验。花盆规格均为18 cm×20 cm，选用的植株已经完全适应盆栽环境，无缓苗现象，无病虫害，生长健壮，株高和冠幅较为一致的苗木。控水处理根据盆栽环境设置4个基质水分处理，即适宜含水量(CK)、轻度干旱(A1)、中度干旱(A2)、重度干旱(A3)，即利用称量法保持栽培基质含水率分别为30%、18%、12%、及9%左右（误差±1%），每种植物每个处理5 盆，随机区组设计。8月28日开始通过控水使得4 个处理达到各自要求（前期进行预处理试验，按照结果进行控水）。试验开始后，每隔2 天测定基质含水量，及时进行适量补水，保持每个处理的基质含水量基本保持恒定（误差±1%），并记录各自形态表现，20 d 后采集植株中部叶片测定相关指标，重复3 次，每个重复始期相隔2 d。

随着盆内土壤含水量的降低，4 种植物依次出现萎蔫，当每种植物茎叶全部出现萎蔫初时（再次补充水分可恢复生长），测定土壤含水量即为整株萎蔫时的含水量。待叶片产生永久萎蔫时，即叶片处于萎蔫状态后补充水分不能恢复原状，此时测定土壤含水量，3 次重复共测定3 次，其平均值即为4 种植物的萎蔫系数[6]。

采用烘干称重法测定土壤含水量，叶片保护酶中用氮蓝四唑（NBT）法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性、用愈创木酚法测过氧化物酶（POD）活性、用硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）质量摩尔浓度，用考马斯亮蓝法测定叶片可溶性蛋白含量，用蒽酮比色法测叶片可溶性总糖（WSC），用磺基水杨酸法测定叶片游离脯氨酸的含量，用紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）[7-9]。

1.3 数据分析

数据整理与图表绘制采用Excel 2010 完成，数据差异显著性分析用SPSS17.0统计分析软件进行。同时利用模糊数学中隶属函数的方法对4 种常绿地被植物的抗旱性进行综合评价。利用公式X=(X0-Xmin)/(Xmax-Xmin)计算4 种植物中各指标的具体隶属值，并将各抗旱隶属值进行累计平均，得出综合隶属值，以此来综合评价其抗旱性。式中X0为每种植物的某一指标的胁迫指数，Xmin为指标胁迫指数中的最小值，Xmax为指标胁迫指数中的最大值。

2 结果和分析

2.1 干旱胁迫中4 种常绿地被植物的形态变化

从表2中看出，4 种地被植物均有一定的抗旱能力。对照中栽培基质平均含水量为30.12%，植株表现正常，叶片翠绿平展；当水分胁迫处于轻度干旱（A1，栽培基质平均含水量为18.96%）时，四种植物的外部形态均没有明显变化；当处于中度干旱（A2，栽培基质平均含水量为12.28%）时，大吴风草叶片稍有萎蔫，其余3 种植物无显著变化；当处于重度干旱（A3，栽培基质平均含水量为9.26%）时，大吴风草整株除了新叶芽直立外，其余所有叶片均呈不同程度的萎蔫状态，顶花板凳果和迷迭香仅在顶部叶片略有卷曲，蜘蛛抱蛋仅表现在叶片光泽度减少，叶片平展。由此可见，从外部形态特征的变化来看，4 种常绿地被植物的抗旱性略有差异。

表2 干旱胁迫对4种常绿地被植物外部形态的影响†Table 2 Effect of drought stress on external form of four evergreen ground cover plants

2.2 4 种地被植物萎蔫系数的测定

由图1可知，顶花板凳果、大吴风草、迷迭香、蜘蛛抱蛋分别在土壤含水量为7.71%、8.63%、6.78%、7.5%时整株叶片开始萎蔫，当重新给予水分后均能恢复正常生长及观赏性。当土壤含水量达到3.18%、3.43%、3.01%、3.15%时产生永久萎蔫，也就是干旱临界值，即此时干旱胁迫的植株不再从土壤中吸收水分，从而萎蔫死亡。4 种植物的萎蔫系数分别是3.18%、3.43%、3.01%、3.15%，其中迷迭香同其他3 种差异显著。

2.3 干旱胁迫对4 种植物叶片游离脯氨酸含量的影响

图1 4 种常绿地被植物萎蔫系数Fig.1 Wilting coefficient of four evergreen ground cover plants

由图2可知，大吴风草和迷迭香叶片脯氨酸含量随着干旱胁迫的程度的增加呈现增长趋势，且随着胁迫程度加大，脯氨酸急剧增加，轻度干旱胁迫（A1）、中度干旱胁迫（A2）和重度干旱胁迫（A3）之间差异显著。在重度干旱胁迫下，大吴风草脯氨酸含量为157.278，分别是CK、A1、A2 的11.73 倍、5.16 倍、2.52 倍； 迷 迭 香脯氨酸含量为470.969，分别是CK、A1、A2 的18.59 倍、6.44 倍、2.79 倍。顶花板凳果在重度干旱胁迫（A3）下脯氨酸含量剧增，分别是A1、A2的20.81 倍和14.28 倍，差异显著。在逆境胁迫下，有些植物游离脯氨酸会大量积累，且积累指数与植物的抗逆性有关[20]，所以，从这个角度看顶花板凳果、大吴风草和迷迭香在干旱胁迫条件加剧情况下，其自卫反应更强烈。蜘蛛抱蛋在A1 条件下呈下降趋势，随着干旱胁迫的增加又有上升，游离脯氨酸含量整体呈下降趋势。说明蜘蛛抱蛋在受到干旱胁迫之初（A1），其脯氨酸氧化降解的过程并未受到抑制，因此含量下降。当干旱胁迫持续加强（A2），脯氨酸氧化降解过程才开始受到抑制，这样叶片细胞中的脯氨酸含量又有所回升。但长时间重度干旱胁迫下（A3）蜘蛛抱蛋叶片积累的脯氨酸不足以来维持细胞的渗透调节能力，导致含量再次下降。

图2 4 种常绿地被植物在不同干旱胁迫条件下叶片游离脯氨酸含量Fig.2 Effect of drought stress on free proline content in leaves of four evergreen ground cover plants

2.4 干旱胁迫对4 种植物叶片MDA 含量的影响

由图3可知，干旱胁迫程度的增加同大吴风草和迷迭香叶片中的MDA 含量呈正相关。数据显示，中度干旱胁迫（A2）及重度干旱胁迫（A3）下，大吴风草的MDA 含量分别是0.01 和0.014，是土壤正常含水量（CK）的2.0 倍、2.8 倍，迷迭香的MDA 含量分别是0.01 和0.011，是土壤正常含水量（CK）的2.0 倍、2.2 倍，且差异均显著。蜘蛛抱蛋、顶花板凳果在受到干旱胁迫初时，MDA 的含量先下降，分别从0.022 和0.014 下降到0.012和0.011，随着胁迫加剧，含量增加，当达到重度干旱胁迫时，MDA 含量又有所下降，但整体呈现缓慢的下降趋势，各处理之间差异不显著。MDA是植物器官在逆境条件下膜脂过氧化的最终分解产物之一，其含量的增加反映了质膜的损伤程度。由分析可以看出，在干旱胁迫下，顶花板凳果、蜘蛛抱蛋膜脂过氧化程度较轻，受伤害程度相对较小。

图3 干旱胁迫下4 种常绿地被植物叶片MDA 的量的变化Fig.3 Effect of drought stress on MDA content in leaves of four evergreen ground cover plants

2.5 干旱胁迫对叶片可溶性糖和可溶性蛋白的影响

可溶性糖是植物抵御干旱环境下的一种重要的渗透调节物质，维持植物正常生理代谢[10-12]。目前普遍认为在一定限度内，干旱胁迫后的可溶性糖的含量变化幅度会存在显著差异。本次实验中蜘蛛抱蛋在干旱胁迫前期，叶片中可溶性糖含量有显著增加，从0.035 g/g 增加到0.067 g/g，但随着干旱胁迫的程度加剧，可溶性糖含量逐渐下降[13]，从0.03 g/g 下降到0.017 g/g，甚至低于对照。这同侧柏苗[14]研究类似，即可溶性糖含量随着干旱胁迫程度加深也呈现先升后降的变化。另外，大吴风草、顶花板凳果以及迷迭香叶片可溶性糖含量也随着胁迫程度加剧整体呈现显著下降趋势，分别由0.041 g/g、0.096 g/g、0.032 g/g 下降到0.008 g/g、0.033 g/g、0.009 g/g。4 种常绿地被植物叶片可溶性蛋白含量在随着干旱胁迫程度的加剧会有程度较小的上下浮动，虽趋势均有所增加，但差异不显著。说明在干旱胁迫条件下，部分蛋白质的合成受到抑制，合成速率下降，而与此同时，为了维持其正常的生理代谢又需要合成一些新的蛋白质，即干旱诱导蛋白。这对植物在干旱的适应过程中起到保护作用，可以提高植物对干旱的耐胁迫能力。

图4 干旱胁迫下4 种常绿地被植物叶片可溶性糖的含量变化Fig.4 Effect of drought stress on soluble sugar content in leaves of four evergreen ground cover plants

图5 干旱胁迫下4 种常绿地被植物叶片可溶性蛋白的含量变化Fig.5 Effect of drought stress on soluble protein content in leaves of four evergreen ground cover plants

2.6 干旱胁迫对叶片保护酶活性的影响

由表3分析可知，3 种保护酶在干旱胁迫条件下均有所增加。顶花板凳果的SOD 和CAT 随着干旱胁迫程度的加剧，其含量增长率达到39.06%和159.28%，而POD 含量没有显著变化。大吴风草的POD 和CAT 的含量随着干旱胁迫程度的加剧，其最高值分别是对照的2.09 倍和3.39 倍，增长率达到109.37%、239.31%，显著增加。但当大吴风草达到重度干旱胁迫时，其CAT 含量急速从102.88 下降到51.49，说明大吴风草在干旱胁迫到重度时，其自身已经失去了对CAT 酶的调动能力。迷迭香在干旱胁迫过程中，其3 种保护酶均呈现上升趋势，仅POD 含量变化较显著，增长率达到68.19%。蜘蛛抱蛋在这个过程中3 种保护酶的变化同大吴风草规律一致。由此说明，3 种叶片保护酶在干旱胁迫过程中，不同的植物种类在不同胁迫阶段其含量变化趋势并不完全一致。虽响应不同，但3 种保护酶具有一定的协同能力，来共同抵御胁迫造成的膜伤害，也表明了其具有较强的主动适应能力。

2.7 4 种常绿地被植物抗旱性的综合评价

根据表4数据显示，在干旱胁迫下，4 种常绿地被植物的各指标对干旱胁迫中的响应不同，由于单一的指标不能完全反映其抗旱性的强弱，因此利用含量变化和抗旱性呈正相关的各项指标综合得到的隶属函数平均值来评价其抗旱性强弱。其中，迷迭香最高，抗旱性最强。其次为顶花板凳果和蜘蛛抱蛋，二者虽然综合隶属值略有不同，但抗旱性没有显著差异性，大吴风草的抗旱性在这四种植物中最弱。

表3 干旱胁迫对4种常绿地被植物叶片保护酶活性的影响†Table 3 Effect of drought stress on protective enzyme activity content of four evergreen ground cover plants

表4 4种常绿地被植物抗旱性综合评价Table 4 Comprehensive evaluation on the drought resistance of four evergreen ground cover plants

3 讨论与结论

植物萎蔫现象是植物亏水胁迫环境下表现出的一种生命体征。土壤干旱引起植物组织脱水导致生长受到抑制产生萎蔫，从叶片的舒展性和卷曲程度上有所表现，这也是植物早期萎蔫表现的特征之一，同时萎蔫系数的减少同植物抗旱性呈正相关。因此，定量定性地辨识植物的萎蔫状态，对判断其生理状态以及提高园林绿地水资源高效利用具有一定现实意义。

渗透调节是植物忍耐干旱的一种适应性反应。在干旱条件下，细胞会通过积累渗透调节物质来维持膨压，以保持植物正常的生理活动。本研究发现，在游离脯氨酸、可溶性蛋白这两种重要的渗透调节物质中，随着干旱胁迫的程度越大，二者的质量分数均成上升趋势，但可溶性蛋白增幅较小，游离脯氨酸增幅较大。可见这4 种植物在干旱胁迫状态下，游离脯氨酸的含量变化是敏感指标，但并不都呈正相关性。

可溶性糖也是一种重要的渗透调节剂，可维持细胞膨压，因此被认为是对干旱忍耐的适应物质[15]。本次研究中，蜘蛛抱蛋和顶花板凳果中的可溶性糖在不同的干旱胁迫条件下均有一定的增加后继而下降，大吴风草和迷迭香的可溶性糖均呈现下降趋势。分析认为可溶性糖虽具有渗透调节作用，但因品种间和品种内差异而存在调节程度的差别[16-17]。可溶性糖含量一直呈降低趋势，表明在干旱胁迫下，可溶性糖不参与渗透调节[17]，可能是由于其转化为合成可溶性蛋白和氨基酸的碳架，增加了可溶性蛋白、游离脯氨酸等的含量所引起；或者是由于干旱胁迫引起可溶性糖在植物体内的分配比例发生改变，更倾向于根和茎的分配，以维持细胞膨压所致；也可能是由于干旱下植物叶绿素遭到破坏，引起其光合速率降低，光合同化产物不断减少所致，具体原因有待进一步研究。

逆境胁迫下，SOD、POD、CAT 3 种保护酶是主要的氧自由基清除剂，其活性越高，清除能力越强，植物的抗逆性就越强。本研究中顶花板凳果的CAT、大吴风草的POD 和CAT、蜘蛛抱蛋的CAT 含量成倍增加，说明其在干旱胁迫下具有较高的协同作用。

植物在干旱环境中生长、繁殖或生存的能力，是受多种因素影响的复杂综合性状，并通过多个途径来实现，目前尚未有一个合适的、统一的评价方法[18-20]。本研究中4 种地被植物材料几个生理指标的变化趋势出现了不一致性，如果仅仅从单一因素来评价植物的抗旱性，存在一定的局限性[21]。隶属函数分析提供了一种多指标测定基础上对材料的特性进行综合评价的方法，可以在一定程度上提高鉴定的准确性[22-24]。因此，本研究综合了其在干旱胁迫条件下的形态变化和各项生理指标，并利用隶属函数方法综合评价了其抗旱性，其强弱顺序为：迷迭香＞顶花板凳果 ＞蜘蛛抱蛋＞大吴风草，也验证了基于生理指标的隶属函数分析对4 种常绿地被植物抗旱性综合评价的准确性和可靠性，这就为园林绿化企业在地被植物的选择和合理应用提供了理论依据。

植物抗旱能力的判定是一个综合过程，本文仅从其形态特征及生理生化指标的变化方面进行了研究，下一步可从叶片解剖构造、光合器官等结构特点及光合响应等多角度进行研究、探讨。另外，园林植物在应用配置的过程中，合理选择并利用植物的抗旱性和节水性，对西北高温干旱区域园林绿地景观的可持续性发展具有很重要的意义。