干旱胁迫对黄薇光合特性和若干生理生化指标的影响

郑 钢，顾翠花，王 杰，林 琳，*

(浙江农林大学 a. 风景园林与建筑学院；b. 浙江省园林植物种质创新与利用重点实验室；c. 南方园林植物种质创新与利用国家林业和草原局重点实验室，浙江 杭州 311300)

近年来，全球变暖问题日益严重，极端天气频发，干旱问题受到全社会的密切关注[1]。据统计，世界干旱与半干旱地区约占地球陆地面积的1/3，我国干旱和半干旱地区约占全国国土面积的1/2[2]。随着全球气候变化的加剧，水资源短缺问题凸显，干旱已成为制约生产力进步的世界性问题[3]。受副热带高压影响，我国南方地区夏季常出现持续高温天气，个别地区的最高温度超过42 ℃，严重制约园林植物的生长发育和栽培应用[4]。黄薇(HeimiamyrtifoliaCham. et Schlechtend.)为千屈菜科黄薇属落叶丛生灌木，原产自南回归线附近的热带亚热带地区，是少有的夏、秋两季开花，兼具观赏和药用经济价值的灌木[5]。我国目前引种的黄薇属植物仅黄薇一种，引自巴西，在杭州、上海、昆明、广州等地皆有栽培[6]。引种地之一的杭州属于亚热带季风气候，与黄薇原产地气候相似[7]。梅雨过后，杭州市进入盛夏，太阳辐射强，气温高、降水少，植物将面临长时间的季节性干旱[8-10]。黄薇在生长过程中一旦受到持续干旱影响，叶片将会萎蔫，甚至枯黄落叶，严重影响植株生长；因此，研究黄薇在杭州亚热带气候下的干旱适应能力，对于黄薇在浙江地区的引种栽培和园林应用推广来说都具有积极意义。

干旱是影响植物生长发育的关键非生物胁迫因子，通常会引起细胞脱水、质壁分离和细胞膜、酶系统受损，导致代谢失衡，最终改变植物的生长方向[11]。研究人员已在多种植物上开展抗旱研究：不同抗旱能力的苜蓿品种可通过改变根系生长并启动抗氧化系统来抵御干旱，其中，强抗旱苜蓿品种主要通过增加根长和抗坏血酸含量来适应干旱[12]。沙棘在长期轻中度干旱胁迫下，其脯氨酸和可溶性糖含量在中后期显著增加，使沙棘表现出低水势的耐旱特性[13-14]。棉花经PEG(聚乙二醇)-6000诱发干旱后，可通过降低气孔开度和增大气孔密度等方式降低气孔导度和净光合速率[15]。不同植物的抗旱能力存在差异，研究植物对干旱胁迫的响应机理，对于抗旱种质培育来说具有重要意义[16]。目前，国内外关于黄薇的研究主要集中在黄薇分类、叶内酚类化合物和黄薇迁移、叶绿体基因组等方面[17-19]。作者课题组前期探究了高温干旱复合胁迫对黄薇抗氧化防御系统的影响，结果发现，黄薇对干旱敏感[20]，但关于其在干旱胁迫下的生理适应问题在本研究检索范围内尚未见报道。为此，特开展自然干旱盆栽试验，研究不同水分情况下黄薇的光合特性和部分生理生化指标变化，探究黄薇的需水规律及其生理耐旱机制，以期为黄薇的栽培应用和抗旱性育种提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验材料为生长健壮、长势一致的黄薇一年生扦插苗(平均株高55.6 cm，平均地径14.3 cm)。盆栽容器系上口径25 cm、下口径20 cm、高30 cm的塑料花盆。每盆装土4 kg，单株定植。培养土按泥炭土、蛭石、珍珠岩、河沙3∶1∶1∶1的体积比配比，保持土壤田间持水量为23.5%。

试验地位于浙江农林大学风景与园林建筑学院人工气候室内(30°15′N，119°43′E)。试验材料于2020年5月15日放入人工气候室进行处理。处理前适应性培养7 d后开始试验，环境条件为14 h光/10 h暗的光周期，28 ℃的光下温度，25 ℃的暗中温度，68%～75%的相对湿度。

1.2 试验设计

根据试验期间的土壤相对含水量，试验设5个处理(含1个对照)：对照(CK)，土壤相对含水量为65%～75%；轻度干旱(T1)处理，土壤相对含水量为45%～60%；中度干旱(T2)处理，土壤相对含水量为30%～45%；重度干旱(T3)处理，土壤相对含水量为15%～30%；极度干旱(T4)处理，土壤相对含水量为5%～15%。每天下午18:00用TDR100便携式土壤水分测定仪(美国Spectrum 公司)测定土壤相对含水量，并对盆栽进行称重，根据测定结果和土壤质量变化，计算需补充水量，使土壤含水量保持在控制范围内。处理20 d后，选择各处理植株同一高度同一朝向的成熟叶片，一部分用于光合参数和气孔特性测定，一部分经液氮速冻后保存于-80 ℃冰箱，用于丙二醛含量、抗氧化酶活性等生理生化指标的测定。各处理均设置5个重复，每个重复3株。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 光合参数测定

利用Li-6400 XT便携式光合仪(美国LI-COR)进行光合参数测定，测定时间为上午8:00—11:00，测定光强为1 200 μmol·m-2·s-1，CO2浓度设定为380 μmol·mol-1。测量叶片的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)[21]。

1.3.2 叶绿素含量测定

参照李得孝等[22]的方法，采用乙醇浸泡法提取黄薇叶片中的光合色素，用UV-2550型紫外分光光度计(日本岛津)测定叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素的含量。

1.3.3 抗氧化酶活性和丙二醛、渗透调节物质含量测定

参照李合生[23]的方法：丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸法，超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑法，过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法，过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法，脯氨酸(Pro)含量测定采用磺基水杨酸提取-茚三酮显色法，可溶性糖(SS)含量测定采用蒽酮法。

1.3.4 气孔形态特征观察

参照乔滨杰等[24]的方法，采用指甲油印迹法观察气孔形态，在100倍镜视野下统计气孔数目，除以视野面积，得出气孔密度(SD)；在400倍镜视野下随机选取完整清晰的气孔，利用Image J软件测量气孔长(SL)、气孔宽(SW)和气孔面积(SA)。每个处理观察10个叶片，每个叶片观测3个视野。

1.4 数据分析

利用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析，对有显著(P<0.05)差异的，采用Duncan’s新复极差法进行多重比较。试验结果用Microsoft Excel 2019软件制作表格，用Sigma plot 14.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对黄薇抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响

正常情况下，植物体内的活性氧产生与消除处于动态平衡，维持相对稳态。当植物受到干旱胁迫时，植物体内的氧化代谢平衡会遭到不同程度的破坏[25]。随着干旱程度加深(从CK到T4处理)，黄薇的SOD、POD、CAT活性整体呈现先上升后下降的变化趋势(图1)，而MDA含量持续增长，且各处理间差异显著(P<0.05)。T4处理下黄薇的MDA含量较CK增加257.04%。T1～T4处理下，CAT活性变化相对较小，在T2处理下达到峰值(187.537 U·mg-1)，较CK显著(P<0.05)增加20.26%；SOD活性在T1～T2处理下维持较高活性，变化幅度较小，始终显著(P<0.05)高于CK，但T3处理的SOD活性已降至CK水平，T4处理下SOD活性较CK显著(P<0.05)下降37.18%；POD活性在T2处理下达到峰值，较CK显著(P<0.05)增加68.34%，随后活性下降，且T4处理的POD活性已显著(P<0.05)低于CK。以上结果表明，随着土壤水分的减少，黄薇的膜脂过氧化程度加重，导致丙二醛积累，细胞受到持续的氧化伤害。与此同时，植物通过产生抗氧化酶来抵御细胞膜透性损伤，轻中度干旱时，POD起主要保护作用，CAT和SOD活性变化相对较小，但在黄薇抗氧化中也具有积极作用[26]。

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0. 05)。下同。

2.2 干旱胁迫对黄薇渗透调节物质的影响

植物体内存在大量的渗透调节物质。遭遇水分胁迫时，这些物质在维持植物细胞正常形态、调节水分平衡等方面发挥重要作用[27]。随着干旱程度加深，黄薇的Pro含量先下降再上升，与CK相比，T1处理的Pro含量显著(P<0.05)下降21.65%(图2)，T3处理的Pro含量已达对照水平，T4处理的Pro含量最高，达99.18 mg·g-1。随着干旱程度加深，SS含量依次显著(P<0.05)增加，T4处理的SS含量较CK增加57.53%。结果表明，黄薇主要通过提高可溶性糖含量来缓解干旱胁迫带来的伤害，具有较强的渗透调节能力。

SS， Soluble sugar.

2.3 干旱胁迫对黄薇光合作用的影响

随着胁迫程度的加深，T1～T4处理的Pn、Gs、Tr依次显著(P<0.05)下降，相较于CK，Pn分别下降13.85%、36.32%、61.35%、82.07%，Gs分别下降33.61%、52.27%、79.29%、91.31%，Tr分别下降52.78%、63.21%、75.15%、89.37%(图3)。T1～T4处理下，黄薇叶片的Ci表现出先降后升的趋势，在T2处理下最低，较CK显著(P<0.05)下降了10.91%(图3)。以上结果表明，黄薇主要通过调节Gs和Tr来降低Pn，关闭气孔以减少CO2的摄入，从而减缓水分胁迫对植株光合系统的伤害。

Pn，净光合速率；Tr，蒸腾速率；Ci，胞间CO2深度；Gs，气孔导度。

2.4 干旱胁迫对黄薇光合色素的影响

随着干旱胁迫程度加深，T1～T3处理的类胡萝卜素、叶绿素(Chl)，及叶绿素a、b含量相应增加，但T3、T4处理的类胡萝卜素、叶绿素，及叶绿素a、b含量不再有显著变化。叶绿素a和类胡萝卜素含量在T3处理达到峰值，分别较CK显著(P<0.05)增加43.03%和89.79%；叶绿素、叶绿素b含量在T4处理下最高，分别为6.23 mg·g-1和2.44 mg·g-1(图4)。结果表明，随干旱胁迫程度加深，黄薇的叶绿素含量上升，植株通过产生光合色素以减少干旱胁迫对光合器官带来的损害。

2.5 干旱胁迫对黄薇气孔形态和数量的影响

干旱胁迫下，气孔开度减小，气孔阻力增大，细胞吸收和传递CO2的效率降低，光合作用减弱[28]。观察发现，黄薇叶片的上表面均未发现气孔，仅下表面出现气孔。随土壤含水量减少，黄薇叶片的气孔长、气孔宽、气孔面积减小，且T2处理与T1处理相比的降幅最大(表1)。气孔密度同样随干旱胁迫程度的加深而逐渐降低，以T3处理与T2处理相比的降幅最大(表1)。由此可见，干旱胁迫下，黄薇主要通过关闭叶片下表皮气孔来减少水分散失，气孔形态结构也发生适应性的变化。

表1 不同处理下黄薇叶片的气孔长、宽、面积、密度变化

2.6 干旱胁迫下黄薇叶片各生理指标的相关性

由表2可知，各生理指标中，MDA与Pro、SS、Chl呈极显著(P<0.01)正相关，与POD、SOD、Pn、Gs、Tr、SA和SD呈极显著(P<0.01)负相关。POD与CAT、SOD呈极显著(P<0.01)正相关，POD、CAT分别与Pro、Ci呈极显著(P<0.01)负相关。这些结果表明，随着干旱胁迫程度加深，细胞膜脂过氧化加重，抗氧化酶被大量消耗，光合系统遭到破坏，黄薇主要通过提高渗透调节物质和叶绿素含量来维持稳态。也就是说，黄薇的干旱应答是多种生理生化持续变化、协调互作的过程。

表2 不同处理下黄薇叶片各生理生化指标的相关性

3 讨论与结论

植物在遭遇水分胁迫时，常通过形态结构改变和生长发育、生理生化响应，及分子水平上的一系列变化等来适应胁迫[29]。作为植物进行光合作用的重要器官，叶片通过改变气孔分布和开闭调节气体交换来适应干旱胁迫。同时，叶片结构也会进行适应性的变化，如形成较厚的机械组织和密集气孔等，以有效减缓叶片水分的流失[30]。研究表明，植物通过改变气孔密度和形态来适应干旱，并通过胞间CO2浓度的变化影响光合作用[24]。本研究结果同样发现，黄薇叶片的气孔长、气孔宽、气孔面积均随胁迫程度加深而降低，在T2处理下气孔密度较CK显著降低，且胞间CO2浓度下降10.91%，大量下表皮气孔闭合，导致Gs和Tr显著降低。此时，Pn的下降主要由气孔关闭导致。在T3、T4处理下，胞间CO2浓度出现回升趋势，此时光合速率主要受非气孔因素限制。井大炜等[31]研究也发现，杨树在中重度胁迫下光系统Ⅱ和抗氧化酶系统受到损伤，Pn降低主要受非气孔因素限制。出现这种情况的原因可能是，重度干旱胁迫下，光合作用受损的根本原因在于光合器官的叶绿素降解、膜脂过氧化加剧、光系统Ⅱ遭到破坏等非气孔因素[32]。叶绿素含量是反映植物光合作用的一项重要指标。程宇飞等[33]发现，植物叶绿素含量随干旱加深呈先升后降趋势，叶绿素合成受阻。然而在本研究中，随干旱胁迫程度加深，叶绿素等光合色素含量呈现逐渐上升的趋势，在T3、T4处理下叶绿素含量达到峰值，这与马富举等[34]的结果相似。叶绿素含量增加，可能是因为叶片相对含水量减少。这是幼苗维持正常光合速率的生理适应[35]。

干旱胁迫使细胞内溶质积累，渗透势降低，以维持细胞膨压的相对稳定[36]。可溶性糖是许多植物的主要渗透调节剂，也是合成有机溶质的碳架和能量来源之一，对细胞膜和原生质体起稳定作用[37]。研究发现，长期的轻中度干旱胁迫下，沙棘中的游离氨基酸和可溶性糖在干旱中后期显著积累，使其具备较强的渗透调节能力，并表现出低水势耐旱性[38]。本研究中，随干旱胁迫程度加深，黄薇叶片中的脯氨酸含量先下降后上升，而可溶性糖含量随胁迫加深逐渐增加，说明可溶性糖对黄薇抗旱具有积极作用。这与Gomes等[39]的研究结果相似。一般来说，抗旱性强的植物，其体内渗透调节物质大量积累，渗透吸水能力较强。安玉艳等[40]发现，较强的渗透调节能力使得杠柳具有较强的抗旱性，从而能够适应黄土高原气候。

在长期的环境适应下，植物已形成了较完善的活性氧清除系统，使得植物体内的活性氧含量得以维持在一个较低的水平[41]。遭遇干旱胁迫时，植物体内积累的活性氧生成速度加快，膜脂过氧化加重，导致丙二醛积累，细胞组织受到氧化伤害，影响植株正常的生理发育功能[26]。裴斌等[42]对沙棘的研究表明，抗氧化酶SOD、POD、CAT的活性随胁迫时间推进呈先升高后降低的趋势，这与本研究结果一致。本研究中，随土壤含水量减少，黄薇叶片中的丙二醛大量积累，抗氧化酶活性先升后降，其中POD活性在T2处理下达到峰值，SOD和CAT在T1～T3处理下均保持较高活性。由此推测，黄薇在遭遇轻中度干旱时，抗氧化酶系统中主要是POD在起主要作用，而随胁迫程度加重，SOD和CAT主要负责活性氧的清除，以增强抗旱性。谢志玉等[43]研究发现，文冠果幼苗的SOD活性在对照和轻度干旱下相对稳定，在重度干旱下逐渐升高，而POD活性逐渐升高，CAT活性逐渐下降。王宁等[44]研究发现，节节麦在轻中度干旱胁迫下，SOD活性持续增加，而在重度干旱胁迫下则呈先升后降的变化趋势，说明短期干旱诱导了节节麦SOD活性的增强。面对干旱胁迫时，植物体内不同的抗氧化酶呈现不同的变化和应答反应，推测植物的抗旱性与其体内保护酶系统和活性氧的清除直接相关[45-46]。

综上，干旱胁迫下黄薇的Pn显著下降，通过关闭气孔和提高叶绿素含量来保护光合系统，并产生抗氧化酶和渗透调节物质来维持细胞相对稳态，以适应土壤水分变化。黄薇对轻中度干旱有较好的适应性，在日常养护中应注意及时补充水分，避免长时间的重度干旱。对黄薇干旱胁迫下各生理指标的相关性进行分析，发现抗氧化酶活性、渗透调节物质含量和光合参数等生理指标密切相关，可为后续选种培育提供参考。本研究结果有助于进一步建立完善的黄薇抗旱体系，对黄薇在江浙地区的生产和栽培应用具有积极意义，但分子水平上的调控机理还有待进一步探究。