干旱胁迫对鹅绒委陵菜根系特征和生理代谢的影响1)

付海静 张静 赵元洪 王依萍 肖逸菲 吴逸 吴建慧

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

水分是植物生长所必需的环境因子，它影响植物的分布区域、观赏价值和生长发育[1]。同时，植物可以积极适应干旱胁迫，并在长期的适应过程中形成了一系列的生理生化代谢机制[2]。缺水是一个限制植物生长发育和农业生产的全球性问题，它的危害位于非生物胁迫之首[3]。研究表明，根系与植物的耐旱性关系十分密切，其是植物吸收水分的主要部位，也是对干旱胁迫最先起反应的部位，且可通过释放干旱信号调节气孔开度，影响水分的散失[4]。马艳红[5]等发现，在不同干旱胁迫时间下蒙古冰草的根长存在显著差异。对干旱胁迫下扁穗和细茎冰草等4种禾本科牧草根系抗旱性比较发现，随着干旱胁迫强度加剧，4种牧草根系的相对电导率、丙二醛质量摩尔浓度、游离脯氨酸质量分数和SOD活性明显上升[6]。显然缺水已严重影响植物的根系生长和生理特性，阐明植物抗旱机理和生理代谢特征是解决全球干旱问题的重要途径。委陵菜属(Potentilla)植物因其耐粗放管理、高度适应不良环境的特征，已在城市绿化建设中逐渐被应用[7]。鹅绒委陵菜是蔷薇科委陵菜属多年生草本植物，具有鲜黄色的花，且株型美观和观赏价值高，它可以用作低维护的草皮地面覆盖物，尤其在东北寒地运用较多。目前，针对鹅绒委陵菜的研究多集中在药用价值的开发[8]、引种驯化[9]和组织培养[10]等方面，鲜少有对其抗旱性的研究。本研究通过自然控水的方法，测定干旱胁迫下鹅绒委陵菜的根系表型、结构特征和复水后的生理指标变化，得出鹅绒委陵菜的耐旱能力临界值，旨在为耐旱品种的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以2年生的鹅绒委陵菜实生幼苗为材料，2018年3月份将生长正常且高度在15 cm左右的植株从苗圃地移植到直径15 cm的花盆里，培养基为V(营养土)∶V(蛭石)=3∶1，在培养室内进行栽培，培养室温度为25 ℃/18 ℃(昼/夜)，光照强度为4 000 lx，光源为钠灯，光照时间为16 h/8 h(光/暗)。

1.2 试验方法

干旱胁迫开始前植株正常生长。试验设定对照组(每天正常浇水)和胁迫组0、5、10、15、20、25 d。胁迫组分为两组，连续25 d不浇水，对其中的一组在干旱胁迫0、5、10、15、20、25 d时分别取样测定根系特征、结构以及生理指标变化，同时将另一组干旱胁迫5、10、15、20、25 d的植物进行复水5 d后分别取样测定各项生理指标，每组胁迫20株幼苗，均重复3次。

土壤水分设置包括：自然状态(田间最大持水量的75%～80%)、轻度干旱胁迫(田间最大持水量的60%～70%)、中度干旱胁迫(田间最大持水量的55%～60%)、重度干旱胁迫(田间最大持水量的40%～50%)[11-12]，在本试验中，0 d为自然状态，5 d为轻度胁迫，15 d为中度胁迫，25 d为重度胁迫。

1.3 指标测定

根系表型特征测定：取植株的整个根系，用LA2400 Scanner植物根系分析仪，分析根系的总长度、总表面积、体积和平均地径。

根系结构特征测定：取距根尖1 cm左右的根系将其用FAA固定，用石蜡切片法制片观察根系结构变化。

生理指标测定：丙二醛(MDA)质量摩尔浓度通过硫代巴比妥酸测定法测定，游离脯氨酸的质量分数通过茚三酮法测定，可溶性蛋白质量分数通过考马斯亮蓝染色法测定，SOD活性通过氮蓝四唑的方法测定，POD活性通过愈创木酚的方法测定[13]。

1.4 数据处理

Excel软件用于处理数据制表，用SPSS20.0软件进行相关性分析，差异显著性通过ANOVA检验(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对鹅绒委陵菜根系表型特征的影响

干旱胁迫下，鹅绒委陵菜根系的总长度、总表面积、体积和平均地径均随着干旱胁迫时间的延长呈现逐渐增加的变化趋势(表1)。从胁迫0 d到胁迫5 d时，根系总根长增加的趋势较慢，对照组和胁迫组之间的变化基本一致，从胁迫10 d开始，植株的根系总长开始快速增加，在25 d时达到最大值，且对照组的增加趋势大于胁迫组。在整个变化过程中，对照组的根系总长增加了217.40%，胁迫组的根系总长增加了211.23%。根系体积、总表面积及平均地径同样随着胁迫的延长而增加，其中胁迫组的根体积增加了100%，对照组的根体积增加了135.71%；胁迫组的根总表面积增加了175.14%，对照组的根总表面积增加了249.56%；胁迫组的平均地径增加了46.03%，对照组的平均地径增加了50.79%。通过数值比对可以看出，对照组的根系总长、总表面积、体积以及平均地径的变化均大于胁迫的变化，说明干旱胁迫会影响植物根系的正常生长。

表1 自然失水胁迫对鹅绒委陵菜根系特征的影响

2.2 干旱胁迫对鹅绒委陵菜根系结构特征的影响

如图1所示，干旱胁迫下，植物根系的显微结构发生了不同程度的变化。对照组0 d中，周皮、初生韧皮部、次生韧皮部、形成层、次生木质部和初生木质部依次排列紧密，各结构完整。轻度胁迫下结构基本无明显变化。中度胁迫下，初生韧皮部和次生韧皮部被破坏，形成层、次生木质部和初生木质部出现外扩的现象，外层的周皮部分不明显。重度胁迫下，细胞外源部分基本被破坏，次生韧皮和初生韧皮之间区分不明显，形成层和木质部严重外扩，从细胞的中央位置扩到细胞边缘位置。

2.3 干旱胁迫及复水对鹅绒委陵菜丙二醛质量摩尔浓度的影响

丙二醛(MDA)质量摩尔浓度通常用于判断膜脂质过氧化反应[14]，其可指示植物应对干旱胁迫的程度(表2)。随着干旱胁迫时间的延长、胁迫程度加大，鹅绒委陵菜根系MDA质量摩尔浓度呈增加的趋势，干旱胁迫开始阶段无明显变化，胁迫5 d后，MDA质量摩尔浓度显著上升，与对照相比有显著差异(P<0.05)，并且在胁迫20 d后质量摩尔浓度最大，趋于稳定，胁迫20 d的MDA质量摩尔浓度较对照0 d时的质量摩尔浓度增加了182.39%，而对照组的MDA质量摩尔浓度基本保持在一个水平。

复水后，胁迫5 d的植株根系MDA质量摩尔浓度下降，恢复到正常水平，在胁迫10、15 d时植株根系MDA质量摩尔浓度降低较少，不能恢复到正常水平，说明较长时间的干旱胁迫使植株根系受到伤害，但复水后植株生长状况有所回转，胁迫20、25 d的植株复水后根系MDA质量摩尔浓度基本没有变化，说明此时植株根系受到严重损伤，达到了不可逆恢复状态。

2.4 干旱胁迫及复水对鹅绒委陵菜游离脯氨酸质量分数的影响

干旱胁迫后，在鹅绒委陵菜根系的脯氨酸质量分数整体呈先上升后下降趋势(表2)。脯氨酸质量分数在胁迫20 d时达到最大值，与其他胁迫之间存在显著差异(P<0.05)，与胁迫0 d相比增长幅度为212.75%。在胁迫10 d时，脯氨酸质量分数并无明显变化，随后脯氨酸质量分数迅速增加，并在胁迫20 d达最大，然后开始下降；对照组植株的脯氨酸质量分数并没有随着时间的延长发生明显的变化，基本与0 d时的水平一致。这些现象表明，植株的根系遭到严重破坏，但是在胁迫25 d时的脯氨酸质量分数仍然高于胁迫初期(P<0.05)。目前，脯氨酸在干旱时的积累程度，已被用于判断植物抗旱性的重要指标[15]。在干旱胁迫初期，鹅绒委陵菜根系脯氨酸质量分数显著上升，并且在严重干旱胁迫后(胁迫20 d)仍能保持一个比较高的水平，这表明鹅绒委陵菜具有很好的抗旱性。在复水之后，脯氨酸质量分数得到一定程度恢复，但胁迫25 d后再复水已无法恢复到正常情况。

表2 自然失水胁迫及复水对鹅绒委陵菜根系生理指标的影响

2.5 干旱胁迫及复水对鹅绒委陵菜可溶性蛋白质量分数的影响

可溶性蛋白在水分减少的情况下起到保水作用[16]。随着干旱程度的增强，鹅绒委陵菜根系内部可溶性蛋白质量分数呈上升趋势，从胁迫0～10 d，可溶性蛋白质量分数上升缓慢，从胁迫的10～20 d，可溶性蛋白质量分数大幅上升，胁迫20 d后又趋于缓慢增长的状态，并在胁迫25 d时达到最大值，与胁迫0 d相比增长了435.23%，与胁迫前期存在显著差异(P<0.05)。对照组的可溶性蛋白质量分数会有小幅度的升高或降低，但是变化趋势小于胁迫组，这可能是与植株的生长发育时期相关。复水后，胁迫少于15 d的植株根系可溶性蛋白的质量分数有相对明显的降低，植株得到了恢复，而胁迫长于20 d的植株根系可溶性蛋白质量分数变化不明显，说明植株已受到不可恢复的破坏。

2.6 干旱胁迫及复水对鹅绒委陵菜SOD活性的影响

SOD是植物体内与活性氧相关的保护酶[17]。在植物体内的SOD活性通常反映植物抵抗逆境的能力。如表2所示，干旱胁迫逐渐增强，SOD的活性先增大后减小，从胁迫0～15 d，呈逐渐增加的趋势；从胁迫15～25 d，呈下降趋势，胁迫15 d时活性值最大，成为转折点。对照组的SOD活性并没有较大的变化。SOD活性上升是因为植物遭受了胁迫，植物自我保护的一种体现，而后期活性下降是因为严重的干旱破坏了植物内部酶系统，但是仍然高于对照组，所以鹅绒委陵菜具有较高的抗旱性。

复水后，胁迫5、10 d的活性值基本恢复到原来的状态，胁迫15 d的活性有显著下降，并没恢复到原来的状态，而胁迫20、25 d的活性变化不大，这是因为胁迫20、25 d的处理使得植物酶系统破坏，即使给水也难以恢复，但SOD活性在胁迫25 d时仍大于对照组。

2.7 干旱胁迫及复水对鹅绒委陵菜POD活性的影响

POD是植物体内另一种保护酶[18]。随胁迫强度的增加，POD活性先增大后减小，开始胁迫时逐渐增加，胁迫后期下降，在胁迫15 d时达到最大值，这是由于胁迫初期植物遭受外界压力，通过增加POD的活性降低活性氧对植物的伤害，当胁迫超过15 d时，POD活性值开始下降，这是因为严重胁迫会影响植物酶系统。

复水后，在胁迫5、10和15 d时POD活性开始下降，有所缓和，胁迫20 d和25 d的活性并没有显著减少，表明酶系统受到了影响。

3 结论与讨论

作为感受土壤干旱的第一器官，植物的根系统与抗旱性具有密切的关系，并已成为抗旱性评价的一个重要指标[17]。当土壤干旱时，植物的根系感到压力并发出信号，植物以根变化响应干旱，同时植物还以根系的变化来适应土壤干旱[18]。根长度是用于评价根吸收能力最常用的指标，较长的根系可以让植物吸收更多的水分[4，19]。由试验结果可知，植物根系的总长度、总表面积、体积和根系的平均地径随着干旱胁迫程度的增加出现逐渐增加的趋势，均在25 d时达到最大值，但是增加的幅度均小于对照组的增加幅度。这说明干旱胁迫会影响植物根系的生长，这与王瑾等[19]、张翠梅等[20]的研究结果一致。委陵菜属植物的根系解剖结构分为周皮、初生韧皮部、次生韧皮部、形成层、次生木质部和初生木质部。郭瑶[21]的研究中发现，植物根系由于缺水而导致内部的结构发生着变化，当植物有充足水分时，结构紧密而稳定，当植物遭受胁迫时，内部的初生木质部、韧皮部以及次生木质部和韧皮部由于外部保护系统的破坏而发生移动，随干旱程度的增加，移动越明显甚至在重度胁迫时，植物的内部结构遭到破坏。在本试验中，随着干旱程度的增加，初生木质部和次生木质部的位置会发生明显的移动，并且在重度胁迫下，细胞遭到严重破坏出现破裂的现象，与郭瑶[21]的研究结果一致。

MDA是生物膜系统中膜脂过氧化的最终产物。当植物处于胁迫状态时，其质量摩尔浓度代表膜脂过氧化强度和膜系统的损伤程度，这与植物抗逆性强度直接相关[21]。随着干旱时间的延长，鹅绒委陵菜根系中MDA质量摩尔浓度呈上升趋势。复水后，丙二醛质量摩尔浓度有所回落，干旱时间超过20 d的丙二醛质量摩尔浓度变化不明显，说明干旱胁迫20d对鹅绒委陵菜膜透性的伤害较大，不能恢复到正常的吸水状态，吴建慧等[22]对委陵菜和翻白委陵菜的研究中发现，随着干旱胁迫程度的增加，MDA质量摩尔浓度呈现增加的趋势，通过变化幅度的比较，发现翻白委陵菜的变化幅度比委陵菜和鹅绒委陵菜的小，所以翻白委陵菜的抗旱性强于委陵菜和鹅绒委陵菜。

植物脯氨酸质量分数、可溶性蛋白质量分数也可以作为衡量植株抗旱能力的指标[13]。本试验的研究结果表明，鹅绒委陵菜根部脯氨酸质量分数和可溶性蛋白的质量分数随干旱胁迫时间的延长而上升，并且增加幅度明显。当干旱胁迫20 d时，脯氨酸质量分数达到最高，然后下降。可溶性蛋白质量分数整体呈上升趋势。刘菲等[23]在研究江南油杉时发现，游离脯氨酸质量分数会随着PEG质量分数的增加逐渐增加，没有出现下降的趋势；李鹏等[24]在研究绢毛委陵菜的耐旱能力时发现，植物在重度胁迫下脯氨酸质量分数呈较大的上升趋势，中度胁迫下呈较小的上升趋势，这可能是因为江南油杉在PEG质量分数为30%、绢毛委陵菜在重度干旱胁迫下，自我调节能力较强，产生大量的脯氨酸，而鹅绒委陵菜胁迫25 d时，严重的干旱破坏了植物的渗透系统，渗透功能无法恢复正常。浦婵等[25]研究PEG模拟干旱胁迫对黄竹影响中发现，随着干旱质量分数和时间的增加，黄竹的可溶性蛋白质量分数呈现先增加后缓慢降低或波动较大的趋势，说明严重的干旱已经导致渗透调节系统的紊乱，与本研究中前20 d的研究结果一致。

当植物遭受外界压力时，植物体内的酶系统被激活，导致酶的活性增强以减少对植物的伤害。该研究中，POD和SOD的活性都表现出先上升后下降的趋势，在15 d时达到最大，从胁迫15～25 d，酶活性降低，此时与对照差异仍然明显(P<0.05)，李楠等[26]在研究中发现，蛇含委陵菜、蔓委陵菜、莓叶委陵菜、伏委陵菜和三叶委陵菜的SOD、POD活性随着干旱胁迫由轻度转为中度再转为重度，呈现先上升后下降的变化趋势，这与本试验的研究结果一致，这也与王剑毛等[27]对枇杷幼苗的研究结果一致，说明随干旱胁迫程度的加重，委陵菜属植物的保护酶系统的平衡遭到破坏，使活性氧积累，启动并加剧膜脂过氧化而造成膜损伤。

综合以上可知，随着干旱程度的增加，鹅绒委陵菜根系表型特征和内部结构均发生变化。通过生理指标的测定，鹅绒委陵菜在干旱胁迫15 d和20 d后，仍然保持一定的活力，且在复水后有一定程度的恢复；在干旱胁迫25 d后再复水，植物无法恢复。因此，可以推测鹅绒委陵菜的耐旱临界值超过20 d，具有较高的抗旱性，适于干旱地区的园林绿化。