3种景天植物对干旱胁迫的生理生化响应

吴小青 曹丹 陈思逸 陈卓雅 朱明库*

(1.江苏建筑职业技术学院 建筑装饰学院，江苏 徐州 221116；2.江苏师范大学 生命科学学院，江苏 徐州 221116)

景天属植物以其生长力强、易于繁殖、植株矮小、枝叶密集、绿色时间维持长、抗旱、耐寒、耐贫瘠、适宜范围广[1]、管理粗放在城市园林景观绿化中已被逐步推广和应用，尤其是在屋顶绿化、立体绿化等恶劣生存环境中具有不可替代的地位。在当今崇尚自然、绿色生态的生活主题下，屋顶绿化、立体绿化作为一种不占用地面土地的绿化形式，其应用越来越广泛。在这种特殊的立地条件下植物种植与地面隔离，缺乏地下水分补给，同时光照强、夏季温度高、风速大、水分蒸发快，对植物抗旱性要求极高，因此，研究这类植物的抗旱性对应用和发挥其生态效益具有重要意义。

纵观对景天植物的抗旱性研究，目前有关景天科植物在干旱条件下的抗逆性研究依然较少，而且都仅限于盆栽控水模拟干旱的方法。在初期全部浇透水至土壤饱和含水量，通过人工控水降低土壤含水量，使土壤中的水分逐渐蒸发，导致植物不能吸收土壤中的水分而受到干旱胁迫。盆栽控水法通过不给植物浇水来控制土壤的水分。由于植物植株很难保证完全均一，植物根系发育、叶片多少、植物株型不同都会导致植物的吸水和蒸发量不一致；同一个盆中深度和内外位置不同，土壤的湿度也不一致，很难保证一批实验材料植物受到一致的干旱胁迫。PEG即聚乙二醇是一种高分子渗压剂，无毒且无刺激性，水溶性好。聚乙二醇(PEG-6000)分子量较大，不会穿透细胞壁进入细胞质而给植物造成伤害，而且可调节植物根系环境渗透势，保证实验材料受到同样的处理，因而已广泛用于模拟干旱胁迫[2,3]。为扩大景天植物在园林绿化景观中的应用范围，本研究挑选了3种形态相近、观赏价值高、耐旱性较强的景天属植物作为研究对象，首次运用聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫来研究景天植物的生理生化反应，为景天植物抗旱研究探索一条更便捷、精确和科学的方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料：白佛甲草、姬星美人(米叶景天)、薄雪万年草。

2019年11月从花卉市场买回原始植物材料，于江苏师范大学温室中培养，一个月后进行扦插。取生长健壮的植物作为扦插繁殖材料，剪取5cm左右的嫩梢，处理后扦插于带网孔穴盘[长×宽=42×42(cm)]中。种植基质采用田园土∶泥炭∶珍珠岩(体积比)=1∶2∶1，深4 cm。每种2盘，每盘扦插35株。培养条件为：温度25±2℃，湿度50%±5%，扦插成活后移栽至花盆中正常养护和管理。1个月后，选取长势相近、生长健壮的植株用于干旱胁迫实验。

1.2 实验设计

干旱胁迫通过浇灌20%的PEG-6000进行，每隔2d浇灌一次。为保证浇透每次每株50 mL，于浇灌后0、13、22和36 d拍照记录植物萎蔫表型的变化，同时取样测定胁迫相关生理指标变化。

1.3 测定指标与方法

丙二醛(MDA)含量、过氧化氢酶(CAT)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、脯氨酸(PRO)含量的测定为四次生物重复的结果，均用南京建成生物工程研究所(http://www.njjcbio.com/)销售的检测试剂盒进行。

1.4 数据处理

采用IBM SPSS Statistics 26软件进行数据分析，并通过Origin 2018进行作图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫期间3种景天科植物的表型变化

实验开始前，筛选生长健壮、植株大小均匀一致的3种景天植物进行实验(图1A)。浇灌PEG-6000模拟干旱胁迫实验13d后，姬星美人萎蔫，叶片萎缩颜色变深；薄雪万年草枝叶有点泛红；白佛甲草枝叶失水有些变白(图1B)。干旱胁迫22 d后，薄雪万年草萎蔫，叶片萎缩完全变紫红色；白佛甲草颜色更白，有些萎蔫；姬星美人茎颜色变深(图1C)。干旱胁迫36d后，白佛甲草萎蔫，个别叶片干枯；薄雪万年草已有叶片掉落；姬星美人严重失水(图1D)。进行恢复试验后，白佛甲草恢复最快，其次是薄雪万年草，姬星美人(米叶景天)死亡，得出抗旱性大小：白佛甲草>薄雪万年草>姬星美人(米叶景天)。

图1 3种景天科植物在浇灌PEG-6000后0d(A)、

2.2 干旱胁迫对MDA含量的影响

脂质中的不饱和脂肪酸可以与体内氧自由基反应，产生过氧化脂质。过氧化脂质可以被分解为很多化合物，其中就包括丙二醛(MDA)。要想检测植物体内脂质氧化的水平，可通过检测MDA含量的方法来达到。丙二醛(MDA)与硫代巴比妥酸(TBA)生成红色物质，在532nm有最大吸收峰，通过比色可以估计出过氧化脂质的含量，利用紫外分光光度计同时测定600nm下的吸光度。利用差值计算丙二醛(MDA)的含量。

实验结果与分析：植物叶片中的丙二醛(MDA)含量表明细胞膜脂过氧化程度，丙二醛(MDA)的增幅越大，说明细胞膜过氧化程度越高，即细胞膜被破坏得越厉害，其抗旱能力就越差[4]。由图2可见，随着干旱胁迫时间的延长，3种景天属植物的丙二醛(MDA)含量基本呈递增趋势。白佛甲草总趋势为上升且增幅较小。薄雪万年草的峰值最大，增幅最大；姬星美人的MDA含量相对稳定，增幅最小，但要考虑到姬星美人后期可能因为干旱时间太久已经死亡,所以呈现出丙二醛(MDA)含量稳定的假象。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

2.3 干旱胁迫对SOD活性的影响

实验结果与分析：目前，普遍认为干旱胁迫通过破坏植物体内细胞活性氧产生和清除动态平衡从而使细胞膜损伤。超氧化物歧化酶(SOD)在细胞受到干旱胁迫时，能有效清除超氧阴离子自由基，防御细胞膜损伤，同时还能减少MDA的产生[5]。SOD活性变化越大，抗旱性越高。由图3可知，在干旱胁迫下，SOD活性总的趋势是上升，白佛甲草和薄雪万年草的SOD活性变化较大，抗旱性较高；姬星美人(米叶景天)变化不明显(考虑到死亡)，因此姬星美人(米叶景天)抗旱性最低。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

2.4 干旱胁迫对PRO含量的影响

脯氨酸(PRO)广泛存在于动物、植物、微生物和培养细胞中。当植物受到胁迫时，植物体内的脯氨酸(PRO)含量一般来说会显著增多，脯氨酸增加量一定程度上反映了抗逆性。因此，脯氨酸增加量可以作为抗逆育种的生理指标之一。本实验用磺基水杨酸(SA)提取PRO，经过加热处理后，脯氨酸(PRO)可以与酸性茚三酮溶液反应生成红色，加甲苯萃取后，在520nm测定吸光度。

实验结果与分析：一般来说，抗旱性强的植物在干旱胁迫时脯氨酸(PRO)增幅会大于抗旱性弱的植物[6]。由图4可知，随着干旱胁迫时间的增加，3种景天属植物脯氨酸(PRO)含量的总趋势为上升，薄雪万年草增幅最大，白佛甲草上升后略有回落，姬星美人(米叶景天)有起有落，可知薄雪万年草抗旱性较好。本实验中，脯氨酸(PRO)含量的变化与理论略有不符，日后可深入研究脯氨酸(PRO)含量与植物抗旱性的关系。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

2.5 干旱胁迫对CAT活性的影响

在动物、植物、微生物和培养细胞中广泛存在着过氧化氢酶(CAT)。过氧化氢酶(CAT)是最主要的H2O2清除酶，在活性氧清除系统中具有重要作用。过氧化氢酶能够将H2O2分解，而H2O2在240nm下有特征吸收峰，因此过氧化氢酶(CAT)能影响反应液的吸光度，根据反应液吸光度的变化率即可计算出过氧化氢酶(CAT)的活性。

实验结果与分析：过氧化氢酶(CAT)作为植物体内活性氧清除剂，能够在植物遭受干旱胁迫时清除植物体内过量的活性氧，维持活性氧的代谢平衡，使保护膜结构免受或少受活性氧的伤害，从而使植物在一定程度上忍受、抵抗干旱胁迫[7]。因此，过氧化氢酶(CAT)作为景天属植物重要的抗旱保护酶，可以作为景天属植物抗旱性的生理指标之一。从图5可知，随着干旱胁迫时间的增加，3种景天属植物过氧化氢酶(CAT)活性总趋势先上升后下降；白佛甲草的增幅最大，峰值最高；薄雪万年草和姬星美人(米叶景天)增幅较小。由此可见，3种景天属植物中白佛甲草的抗旱性最强。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

3 讨论

干旱对植物有多方面影响，但最根本的影响是干旱时土壤水分降低，植物叶片因蒸腾作用失水而不能从土壤中吸收足够水分，导致细胞原生质脱水，影响细胞膜上脂质分子排列，细胞膜的透性增强，同时植物正常生理过程被破坏，合成受到抑制，分解加速，使植物生长减弱，致使叶片失水衰老、枯黄，直至死亡[8]。植物抗旱能力受多种因素影响[9]，用于鉴定植物抗旱能力的指标也非常多，包括生理形态指标、水分生理指标、膜脂过氧化指标等[10]。膜系统被认为是干旱伤害的最关键和最初部位。在植物受到干旱胁迫后，细胞膜发生膜脂过氧化作用，细胞膜通透性增加，作为产物之一的丙二醛(MDA)常用作膜脂过氧化的指标。在本实验中，随着干旱胁迫时间的延长，姬星美人(米叶景天)、薄雪万年草、白佛甲草依次萎蔫，能大致看出3种植株抗旱性高低。再结合测量数据分析，3种景天属植物的丙二醛(MDA)含量基本呈递增趋势。白佛甲草总趋势为上升且增幅较小，可见抗旱性很强。虽然从数据上来看，姬星美人(米叶景天)增幅最小，但实际姬星美人(米叶景天)最先萎蔫，很有可能取样时已经干枯死亡。从超氧化物歧化酶(SOD)活性的结果来看，超氧化物歧化酶是重要的抗氧化酶，能有效地降低膜脂过氧化带来的损伤，所以超氧化物歧化酶活性与抗氧化能力正相关。从本次实验结果来看，白佛甲草和薄雪万年草的SOD活性明显升高，易得出白佛甲草和薄雪万年草抗旱性较高的结论。脯氨酸是良好的渗透调节剂，可用作反映植物抗逆性的生理指标[11]。干旱胁迫下，植物体内脯氨酸含量明显升高[12]，本实验中，可得出薄雪万年草抗旱性最好的观点，所以已有研究的观点“干旱胁迫下PRO含量积累量与抗旱性成正相关”[13]有待验证。过氧化氢酶(CAT)是植物体内重要的膜保护酶，从实验结果来看，3种景天属植物过氧化氢酶(CAT)含量先上升后下降，白佛甲草的峰值最高，其抗旱性最强。本研究以3种景天科植物对干旱胁迫的表观变化、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、脯氨酸(PRO)含量指标为依据，对不同处理下3种植物各指标进行综合分析，结果表明3种景天植物的抗旱能力大小为：白佛甲草>薄雪万年草>姬星美人(米叶景天)。因此白佛甲草相对于其他2种景天属植物更适用于轻型屋顶绿化。