干旱胁迫对野牡丹苗木生理生化的影响

黄 燕，陈安安，吴永彬*

（1 华南农业大学林学与风景园林学院，广东广州 510642；2 柳州市城市规划设计研究院）

乡土植物在园林建设中不仅具有一般植物的防护功能和保护功能，而且在突出景观特色、保护生物多样性和维持城市生态系统方面均具有独特的优势。野牡丹科植物花瓣艳丽，常为紫红色，种质资源丰富，观赏价值较高，开发前景广阔，多个属种如野牡丹属、金锦香属等叶型奇特，花大艳美，可被选育用于园林绿化、城市美化[1]。野牡丹（Malestoma candidum）株型紧凑丰满，耐修剪，萌枝力强，花大艳丽，景观效果好，盛放于夏季，具有较高的观赏价值[2]。野牡丹高0.5～1.5m[3]，生长高度适合营造绿篱灌木林带，是南方理想的野生乡土木本观花植物[4]。

干旱是部分乡土植物开发利用的限制因子之一，在园林植物选材日益丰富的情况下，抗旱种的供应和需求也日趋旺盛。目前国内野牡丹科的研究主要集中在植物资源学[1,5-6]、系统分类学[7-8]、杂交育种[9-10]等方面，对野牡丹科植株抗旱性研究很少，对野牡丹的抗旱性研究及其园林适应性和栽培养护方面的研究更为罕见。本研究以野牡丹为研究材料，采用盆栽模拟干旱，设置不同程度的干旱程度，比较野牡丹植物苗木的生理生化指标变化趋势，探讨其耐旱能力，对其引种驯化和后期在干旱环境种植有较强的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验地设于华南农业大学增城宁西冯村实验基地（N23°51′～23°37′，E113°29′～113°57′），位于珠江三角洲东北部，属于南亚热带季风海洋性气候，温暖多雨，光热充足，温差较小，热量充沛，夏长冬短。年平均气温在23.2℃左右，年平均降雨量1623.5～1899.8mm，其中82%集中在4～9 月，年平均相对湿度达到79%[11]。

1.2 试验材料

本试验所用的种子均采自华南农业大学增城宁西冯村实验基地野生植株，采种母树选择生长健壮的5年生野牡丹植株，自采集成熟蒴果经自然风干后，于当月播种。试验用苗为半年生实生苗，移栽上盆，定植适应1 个月后，开始各项试验。

1.3 试验方法

试验采用黄心土为盆栽基质，土壤有机质含量1.01g/kg，全氮含量0.031g/kg，全磷含量0.305g/kg，全钾含量10.91g/kg，碱解氮含量7.18mg/kg，有效磷含量0.33 mg/kg，速效钾含量12.84mg/kg，土壤颗粒小于0.01mm，pH 值为5.17。

取生长较为一致的野牡丹种子苗，分5 个处理，每天浇水（胁迫时间为0d）、干旱3d、干旱6d、干旱9d、干旱12d，每个处理30 棵，重复3 组。为减少株间差异，对每株植株生长位置与叶片朝向相同及大小相似的叶片进行挂牌标记。观察5 个处理外部形态的变化，在干旱0（CK 组）、3、6、9、12d 测定土壤含水量，并分别取3株苗的挂牌叶片的相同叶片部位测定各生理生化指标。

1.3.1 测定指标。土壤含水量采用快速测定仪Easttest（美国）测定；叶绿素含量采用丙酮法测定；叶片脯氨酸（Pro）含量采用茚三酮显色法；叶片丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸(TBA)显色法测定；叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）法测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定。叶片相对含水量采用烘干法测定；叶片相对电导率用DDS-6700 型电导率仪测定。

1.3.2 试验数据处理。数据采用Excel 2007 作简单归纳整理，采用SAS8.1 统计软件进行系统分析。采取相关性分析以及主成分分析总结出干旱胁迫下野牡丹各生理生化的相关性以及野牡丹抗旱能力主要决定因子。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对野牡丹植株形态的影响

由表1 可以看出，干旱胁迫对野牡丹植株形态有一定的影响。对照组到干旱第3d，植株生长状况一致，株型完整，叶片表现健康。干旱6d 时，植株下部2～3 对成熟叶出现下垂，部分枝条顶芽开始萎蔫，但叶片未曾出现失绿现象。9d 时全株成熟叶片和顶芽呈下垂状，虽然叶片保持深绿，但植株的观赏性开始受到影响。到12d，植株下部3～4 对的成熟叶片表现为干枯卷曲，顶芽都萎蔫，但新嫩叶片及上部1～2 对成熟叶片仍保持鲜绿。

表1 野牡丹干旱胁迫各时期的胁迫程度及土壤含水量

2.2 干旱胁迫对野牡丹叶片相对含水量的影响

由图1 可知，随着干旱胁迫程度的增大，野牡丹叶片相对含水量呈逐渐下降。但除了12d 处理组，其余各处理组叶片的相对含水量与CK 组之间差异不明显，仅12d 差异达到显著水平，相对含水量下降幅度最大。但各处理组叶片含水量都保持在50%以上。

图1 干旱胁迫对野牡丹相对含水量的影响

2.3 干旱胁迫对野牡丹叶片叶绿素含量的影响

由图2 可以看出，随着干旱程度加重，野牡丹叶片叶绿素a、b 和叶绿素总含量变化趋势相同，均呈现为先升后降的趋势，在干旱3d 时达到最大，各处理组的叶绿素含量均大于对照组，且处理组与对照组差异达显著，干旱3d 时叶绿素总含量与其他处理组叶绿素总含量差异显著。类胡萝卜素则呈现逐步升高的趋势，在干旱9d 达到最大，但各处理与CK 组差异、处理组之间差异不显著。

图2 干旱胁迫对野牡丹叶绿素含量的影响

2.4 干旱胁迫对野牡丹叶片细胞膜相对透性的影响

叶片相对电导率也叫细胞膜相对透性。由图3 可知，随着干旱胁迫程度的增加，野牡丹的相对电导率先减小后增大，干旱第12d 时最大。野牡丹干旱3d 和干旱6d 处理组的相对电导率低于对照组，但与对照组的相对电导率差异不显著。干旱9d、干旱12d 处理组与对照组差异达显著水平，较对照组分别提高了17.49%和38.03%。

图3 干旱胁迫对野牡丹相对电导率的影响

2.5 干旱胁迫对野牡丹叶片MDA 含量的影响

干旱胁迫程度下野牡丹叶片中MDA 含量的变化如图4 所示。野牡丹叶片的MDA 含量随着干旱程度的增加而逐步上升，且各处理组MDA 含量均高于对照组，除了3d 处理组，其余处理组与对照组差异达到显著水平。在干旱6d 时MDA 含量相对对照组提高了52.36%，9d 时MDA 含量达最高，相对CK 组的含量提高了86.14%。

图4 干旱胁迫对野牡丹MDA含量的影响

图5 干旱胁迫对野牡丹SOD活性的影响

2.6 干旱胁迫对野牡丹叶片SOD 总活性的影响

在干旱胁迫时，处理组SOD 活性与对照组相比均有所降低，且差异达到显著水平。由图5 可见，随着干旱胁迫加重，在干旱第3d 与对照组相比下降了23.00%，干旱第3d 到第9 天活性下降幅度减小，与对照组差异显著。从9d 到第12d，SOD 活性下降20.17%。

2.7 干旱胁迫对野牡丹叶片Pro 含量的影响

随干旱胁迫程度的加剧，野牡丹叶片中Pro 含量逐步增高，各处理组与对照组的Pro 含量差异显著，其中干旱12d 时Pro 含量达最大，且差异达到显著水平，其余各干旱处理间差异均未达到显著（见图6）。

2.8 干旱胁迫对野牡丹叶片可溶性蛋白含量的影响

随着干旱胁迫程度的增加，野牡丹的可溶性蛋白含量逐渐增加。由图7 可知，前9d 的各处理组增长幅度相近，但与对照组差异并不显著，仅12d 处理组差异达到显著水平。

图6 干旱胁迫对野牡丹Pro 含量的影响

图7 干旱胁迫对野牡丹可溶性蛋白质含量的影响

2.9 不同程度干旱胁迫对野牡丹各个生化生理指标相关性分析

从干旱胁迫下野牡丹各生理指标的相关性分析可以看出（见表2），土壤含水量与Pro 含量、MDA 含量极显著负相关（P＜0.01），与SOD 活性极显著正相关（P＜0.01）。叶片相对含水量与可溶性蛋白质含量极显著负相关（P＜0.01），与相对电导率、Pro 含量极显著负相关（P＜0.05）。叶绿素含量与Pro 含量显著正相关（P＜0.05）。相对电导率与可溶性蛋白质极显著正相关（P＜0.01），与SOD 活性显著负相关（P＜0.05），与MDA 含量显著正相关（P＜0.05）。可溶性蛋白质含量与Pro 含量极显著正相关（P＜0.01），与SOD 活性极显著负相关（P＜0.01），与MDA 含量显著正相关（P＜0.05）。Pro 含量与SOD 活性极显著负相关（P＜0.01），与MDA 显著正相关（P＜0.05）。SOD 活性与MDA 含量显著负相关（P＜0.05）。

表2 野牡丹叶片各指标相关性分析

2.10 干旱胁迫对生化生理指标的主成分分析

从干旱胁迫下野牡丹各生理指标的主成分分析（表3）可以看出，野牡丹抗旱性的前3 个主成分的贡献率分别为62.97%、28.33%、6.72%，累积贡献率已达98.09%。前2 个主成分代表了全部性状91.29%的综合信息，基本上能够反映原始数据的信息量，因此取前2个主成分为野牡丹在未进行胁迫处理水平下的抗旱性分析的重要主成分。

由表3 可以看出，第1 主成分中，脯氨酸含量（Pro）、SOD 活性、可溶性蛋白含量（Spro）、MDA 含量、叶绿素含量（Chl）这些指标的荷载值较大，表明第1 主成分对这些指标起支配作用，其中脯氨酸含量、可溶性蛋白质含量主要反映的是野牡丹在干旱胁迫下细胞适应性代谢调节能力；SOD 活性、MDA 含量反映的是野牡丹在干旱胁迫下细胞膜的伤害程度。第2 主成分中，只有相对电导率（EL）有较大荷载值，反映了野牡丹细胞膜的伤害程度。综上所述，野牡丹的抗旱能力大小主要由参与渗透调节的物质因子决定，其次是参与维持膜的稳定性的水分生理指标。

表3 抗旱指标的特征值与累积方差贡献率

表4 因子荷载阵

3 结论与讨论

3.1 干旱胁迫对野牡丹水分状况及叶绿素的影响

本试验结果表明，在干旱胁迫3d，即轻度干旱时，野牡丹科均保持良好的的生长势，随着水分胁迫程度加剧，在胁迫6d 野牡丹出现萎蔫现象，胁迫9d观赏性开始受到影响；到胁迫12d 时叶片干枯卷曲。

在全球气候变暖和环境恶化的今天，水资源匮乏日益严重[12]。在城市绿化中，掌握植物的需水规律符合“节水型园林”的发展。干旱胁迫下，叶片的相对含水量一般都会呈现下降的趋势[13]，通常其下降的速率与抗旱能力显负相关关系，且土壤干旱情况越严重，其下降幅度越大[14]。相关研究[15-17]显示对干旱胁迫适应性较强的植物越能维持较高的叶片含水量。本试验中野牡丹叶片水分丧失较慢，从胁迫开始到6d 相对含水量变化幅度较小且仅下降了3.56%，且干旱9d 后相对含水量仍在50%以上，表现为具有较强的忍耐脱水的能力。

叶绿素含量的变化在很大程度上可以反映植株的生长状况和叶片的光合能力[18]。关于干旱胁迫下植物叶绿素的变化报道不一致。董明[19]认为植物叶片在干旱胁迫下，叶绿素含量下降而导致叶子发黄。有研究认为，抗旱性越强的植物的叶绿素含量随干旱胁迫程度加深变化幅度越小[20]。但不少研究结果显示，植物叶绿素随着干旱胁迫的程度的加重呈现“先升后降”的趋势[21-23]。本试验中野牡丹干旱前3d 的叶绿素含量上升，认为可能当植株受到中度胁迫时体内水分减少，叶绿素相对“浓缩”而使叶绿素含量上升[24]，而当干旱胁迫继续并达到重度胁迫时，则引起植物细胞内生理生化变化，是叶绿素合成受阻，使得降解加快，因而叶绿素会迅速下降。

3.2 干旱胁迫对野牡丹膜脂过氧化的影响

膜系统被认为是植物在干旱胁迫下受害的最初和最关键部[25]，当植物受到干旱胁迫时，质膜受到不同程度的破坏，进而导致叶片相对电导率会增大[26]。相关研究表明，植物叶片相对电导率随着干旱胁迫程度的增加而逐渐上升，抗旱性较强的植物叶片相对电导率变化幅度较小。本研究中，随着胁迫的加深，野牡丹相对电导率先降后升，在轻度与中度干旱情况下，表现出细胞膜较强的稳定性，重度干旱情况下，相对电导率大幅提高，这与其它的研究结果一致[13,27-28]。表明在重度干旱胁迫下，野牡丹的质膜遭受到较大程度的破坏。

丙二醛（MDA）积累是反映细胞膜脂过氧化作用的重要指标，也是反映植物抗旱性强弱的常用依据[29]。随着干旱胁迫程度的加重，叶片中MDA 含量呈正相关关系[30-31]。徐祝龄等[32]对不同玉米基因型叶组织中的MDA 含量测定结果表明，在抗旱性强的基因型组织中MDA 含量增加幅度小，抗旱性弱的基因型增加的幅度大。本研究表明，随干旱程度加深，野牡丹的MDA 含量虽有增加，但幅度较小，说明在干旱胁迫下野牡丹叶片中生物膜损伤程度不大，体现出其一定的抗性能力，与陈静如的实验表明野牡丹在度过干旱阈值期后表现出一定耐受性和适应性的结果相一致[33]。

SOD 是一种典型的诱导酶，外部环境的改变能影响它的活性水平，植物在逆境下受到伤害以及植物对逆境抵抗能力往往与体内SOD 的活性水平有关。抗干旱能力强的植物在干旱条件下SOD 活性降低幅度小或保持相对稳定，有的甚至有所升高[13,34]，因而避免或减小了活性氧引起的伤害。也有研究[20,35]表明在干旱胁迫下，叶片中SOD 活性先升后降，说明该植物达到了耐受胁迫的极限，随着胁迫加深，SOD 开始下降。本实验中，野牡丹叶片SOD 活性在干旱胁迫下呈现较大的下降趋势，在轻度干旱胁迫下，体内的抗氧化酶系统活性急剧变化，随着干旱程度加深而下降的趋势减缓，反映出野牡丹的抗旱能力不强。

3.3 干旱胁迫对野牡丹渗透调节物质的影响

许多植物的游离脯氨酸（Pro）含量在各种逆境，特别是干旱胁迫下，具有成倍积累的上升趋势。作为一种重要的渗透调节物质[36-38]，叶片游离脯氨酸含量常常作为抗旱性鉴定指标之一[39]。研究表明，脯氨酸含量变幅小的物种更耐旱[33,40]。本实验中野牡丹的Pro 含量随着干旱胁迫加深而逐渐上升，在轻度干旱胁迫下，Pro 含量迅速上升，而后随着干旱程度加深而减缓增加幅度，在重度干旱胁迫时迅速上升，反应出野牡丹抗旱能力较弱，与陈静如的研究结果相一致[33]。

在逆境胁迫条件下，植物体内正常的蛋白质合成常会受到抑制，并且认为可溶性蛋白与调节植物细胞的渗透势有关，高含量的可溶性蛋白可帮助维持植物细胞较低的的渗透势，以抵抗干旱胁迫带来的伤害[41]。闫洁[42]等对大麦的旗叶在干旱胁迫下可溶性蛋白上升。本实验中野牡丹的可溶性蛋白含量呈现上升趋势，在重度干旱胁迫下大幅度提高，最终维持在较高的水平，表明野牡丹具有抗旱能力较高。

生理生化的结果表明：野牡丹抗旱性测定的诸多生理生化指标可以归并为参与渗透调节的生化指标（游离脯氨酸和可溶性蛋白）和维持膜的稳定性的生理指标（相对电导率、MDA 含量、SOD 活性）。其中参与渗透调节生化指标是野牡丹抗旱性测定的主要选择对策。蔡静如等采用PEG 模拟干旱胁迫方法进行5 种灌木（春花、米碎花、檵木、黑面神和野牡丹）苗期处理,探讨不同的PEG 浓度和不同胁迫时间条件下5 种灌木生理指标的变化规律，表明野牡丹的抗旱性最弱[33]。本试验以自然干旱的方式对野牡丹苗木进行处理，并比较不同干旱程度各指标的变化，更能表现自然中干旱胁迫的变化。各项生理生化指标的变化体现出其具有一定的耐旱能力，但随着干旱胁迫的加深，细胞膜受损程度大增，表明野牡丹不能忍受重度干旱的胁迫。2种试验方式的结果相一致。