干旱胁迫下不同绣球品种生理响应与抗旱性评价

任倩倩，孙纪霞，张德顺，丁兆堂，张英杰，张京伟

(1.山东省烟台市农业科学研究院 蔬菜花卉研究所，山东 烟台 265500； 2.烟台大学 生命科学学院，山东 烟台 264005； 3.同济大学 建筑与城市规划学院，上海 200092； 4.青岛农业大学 园艺学院，山东 青岛 266109)

绣球为虎耳草科(Saxifragaceae)绣球属(Hydrangea)观花植物[1]，其花型饱满，花色多样，观赏期长，在园林绿化和鲜切花市场中广受欢迎[2]。随着全球气候的恶化，世界各地的干旱现象日益频发[3]，我国是干旱半干旱面积较大的国家，水资源紧缺，园林管护中灌水任务和城市水资源用水需求产生矛盾[4-5]，提高植物抗旱能力已成为植物研究工作中急需解决的关键问题之一[6]。大部分绣球品种抗旱性较差，干旱条件下叶片易发生萎蔫，导致观赏性状不佳。因此，开展绣球品种的抗旱生理研究，进而筛选和培育抗旱性强的绣球品种具有重要的现实意义。

孟祥丽等[7]在砧木樱桃抗旱生理研究中表明，叶片中的过氧化氢和超氧阴离子含量会随着干旱胁迫的加剧而呈上升趋势。邹春蕾等[8]在不同果形红干椒抗旱性研究中得出，不同品种间生理指标在干旱胁迫过程中具有差异性，可作为筛选抗旱性强弱的重要依据。许桂芳等[9]在过路黄抗旱性综合性评价中提出，抗旱性不能仅利用单一指标或性质相同相互关联的多指标进行评价，应将多个关系复杂指标进行整合转换，形成新的，各自独立或相关较小的少数指标进行综合评价。本文以6个绣球品种为试材，采用盆栽控水法模拟干旱环境，研究干旱胁迫对绣球生长指标和生理指标的影响，利用主成分分析法、隶属函数法等进行多指标分析评价。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为花手鞠(Stockings)、头花(Corsage)、爱你的吻(Love You Kiss)、白色天使(White Angel)、夏祭(Summer Sacrifice)和万华镜(Mangek you)6种长势一致、生长状况良好的一年生扦插苗。

1.2 试验方法

2019年9月采用盆栽控水法模拟干旱环境。干旱胁迫前1周浇透水，实验开始进行停水。以干旱5、10、15、20 d设置T1～T4 4组处理，以正常水分管理作对照(CK)。在干旱胁迫实验开始前随机进行生理指标测定，每次于早晨7：00—8：00采样，选取第2～3层同向成熟叶片，选取同组的叶片混合。

干旱胁迫开始后，观察记录所有试验植株的表观状况并进行定性描述；每组处理后每天采样一次，测定其生理指标。采用烘干法测定相对含水量、根冠比和生物量；采用相对电导率法测定细胞膜透性；采用95%乙醇浸提法测定叶绿素(Chl)含量和类胡萝卜素(Car)含量；采用氮蓝四唑(NBT)法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定丙二醛(MDA)含量；采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性；采用蒽酮比色法测定可溶性糖(SS)含量；采用考马斯亮蓝G-250试剂染色法测定可溶性蛋白(SP)含量；采用磺基水杨酸提取茚三酮显色法测定脯氨酸(Pro)含量。每项指标重复测定3次。

本实验数据采用Excel 2019和SPSS 20.0软件进行统计、处理和作图，参照林蝉蝉等[10]、郭燕等[11]的主成分分析方法、周广生等[12]的隶属函数分析方法、张庆华等[13]的聚类分析方法。

2 结果与分析

2.1 方差分析

2.1.1 干旱胁迫对绣球生长指标的影响

由图1可知，不同绣球品种的生物量在干旱胁迫下均有所下降，白色天使下降幅度最大，其次是爱你的吻，白色天使在抗旱初期变化差异最大，但T1组与T4组对比差异并不明显。当植物面对长期干旱胁迫时，会通过调节生物量分配来适应新环境[14]。根系是植物吸收水分的主要器官，当根冠比增大时，植物可以增加根部水分的吸收以保证地上部分的生长，从而表现出较强的抗旱性[15]。试验品种的根冠比均有所提高，但变化幅度并不大。其中夏祭T4组与CK组对比上升最为明显，约为CK组的2倍，变化幅度最小的是万华镜，仅增长了0.11 g。

2.1.2 干旱胁迫对绣球相对含水量和细胞膜透性的影响

植物在遭受水分胁迫时，通常采用测量叶片相对含水量来衡量叶片的持水能力。随着抗旱时间的延长，各品(系)种均呈现下降趋势，但不同品(系)种之间有所差异(图2)。相对含水量降低幅度最大的是夏祭，同时从图2可以看出，夏祭自身的相对含水量较少，这些都可能与其叶面积小和叶片质地较薄有关。降低幅度最小的为万华镜，仅降低了5.81%。由图2可知，同一品种不同处理间均存在不同程度的差异。各品种的电导率逐渐增加，并且上升幅度有所差异。T3与CK组对比，夏祭、花手鞠、白色天使和爱你的吻已经出现明显的上升，比CK组分别上升了约4.60、3.66、3.29和2.41倍。T4处理时，夏祭、花手鞠和头花均加剧上升，而白色天使和爱你的吻在T2处理时大幅上升以后就一直处于缓慢上升状态。整个干旱过程中万华镜一直处于缓慢上升状态。

2.1.3 干旱胁迫对绣球活性氧代谢系统的影响

由图3可以看出，各绣球品种在干旱胁迫的过程中MDA的含量均有不同幅度的上升。T4处理相对其他阶段上升幅度最大，与CK组相比，上升幅度最大的是夏祭，约为CK组的10.3倍，其次是白色天使，上升幅度最小的是爱你的吻。图3中各品种的SOD活性普遍呈现出“先上升后下降”的趋势。结果表明，T1组各品种之间差异并不明显，与CK组比较显著上升，均达到最大值。其中上升幅度最大的是夏祭，其次是花手鞠，分别比CK组上升了203.53 U·g-1和200.24 U·g-1。随着干旱胁迫时间的延长，SOD活性开始下降，T4与CK组相比，下降幅度最大的是万华镜，最小的是头花。图3中显示，POD活性与SOD活性总体趋势表现相似。花手鞠、爱你的吻与白色天使在T4处理后POD活性均低于CK组。由方差分析得出，在花手鞠和头花不同处理之间POD活性差异不明显，爱你的吻、白色天使、夏祭和万华镜同处理差异比较明显。

2.1.4 干旱胁迫对绣球光合色素含量的影响

由表1可以看出，各品种随着抗旱时间的延长，Chl变化幅度差异显著。在同一干旱胁迫条件下，叶绿素b(Chlb)的变化规律与叶绿素a(Chla)存在差异。花手鞠、头花、夏祭和万华镜的Chlb均呈现“先上升、后下降、再上升”的趋势。在T4处理时，所有试验品种的Chlb呈现急剧上升，其中夏祭和白色天使上升幅度最大，与CK组相比分别约上升3.88和2.20倍。叶绿素总量(Chla+b)在T4处理时差异显著(P<0.05)，其中，万华镜和夏祭差异最为显著，分别比CK组增加了94.33%和90.71%，爱你的吻增幅最小，仅增长了50.83%。Car含量变化较为规律，整体呈现“先下降、后上升、再下降”的趋势。干旱胁迫过程中，在T3处理时各品种达到Car含量的最大值，但各品种间差异不显著(P>0.05)。总体来看，万华镜的光合色素变化最为稳定，其次是爱你的吻。

表1 干旱胁迫对6个绣球品种光合色素含量的影响

2.1.5 干旱胁迫对绣球渗透调节物质的影响

由表2可知，在绣球受到干旱胁迫时，Pro和SS含量处于上升的趋势。在T3组夏祭的Pro含量显著上升，是T2组的3.02倍。而爱你的吻、白色天使和万华镜一直处于缓慢上升的趋势。在T4处理时，各品种Pro含量具有显著差异(P<0.05)。与CK组相比，Pro含量差异最大的是夏祭，约为CK组的7.79倍。在T2处理时，爱你的吻和夏祭SS含量急剧上升，与CK组相比有显著性差异(P<0.05)。在干旱胁迫过程中SP含量整体呈“先上升后下降”的趋势。各品种的SP含量均在T1处理后达到最大值，其中夏祭上升幅度最大。花手鞠、头花和爱你的吻各品种则在不同处理阶段差异不显著(P>0.05)。

2.2 主成分分析

由于各指标方差分析后得出的抗旱能力强弱结果均不相同，并且各指标间存在显著性相关关系，根据各T4组数据与CK组数据，求出各指标抗旱系数。通过对各指标的主成分分析得出4个主成分(表3)，4个主成分的方差贡献率分别占主成分的50.67%、14.06%、10.45%以及6.76%，累计贡献率达81.94%，说明这4个主要成分可以代替以上15个生理指标作为判断绣球抗旱性强弱的评价依据。

表3 各因子载荷矩阵、方差贡献率及累计贡献率

2.3 综合评价

2.3.1 隶属函数分析

由表4可以看出，万华镜在U1下的值最大，表现最为抗旱，而夏祭的U1值最小，表现为最不耐旱。根据综合评价值(D)可以判断，6个绣球品种(系)的抗旱性综合排序由强到弱依次为：万华镜>爱你的吻>头花>白色天使>花手鞠>夏祭。

表4 各品种隶属函数值U(Xi)、权重和综合评价值(D)

2.3.2 聚类分析

用Q型聚类分析法对综合评价值(D)进行系统聚类分析。由图4可以看出，在平方距离为5时，可将绣球分为3大类，其中万华镜聚为第Ⅰ类，定义为耐旱型。爱你的吻为第Ⅱ类，定义为中度耐旱型。第Ⅲ类则包括花手鞠、白色天使、头花和夏祭，定义为不耐旱型。

3 结论与讨论

为提高绣球种质筛选效率，以抗旱性为目标，建立了一套绣球抗旱性评价体系，通过分析绣球在抗旱过程中的生理响应，筛选出耐旱性较强的优良品种，并记录在胁迫环境下耐旱品种的生理指标变化规律及响应特性，为其他绣球品种在抗旱评价方面的筛选提供理论依据。

邱权等[14]在研究中提到干旱胁迫下多数灌木树种会采取不断发展根系，促进地下生物量分配，以大幅提高植物根冠比，增加抗旱性这一适应策略。逆境胁迫下，植物叶片的相对含水量在一定程度上代表了植物叶片的保水能力[16]。金胶胶等[17]在研究中表明，随着干旱胁迫时间的延长，大青杨叶片的相对含水量会持续下降，相对电导率持续上升。这是由于细胞膜遭到破坏后细胞膜透性增大，进而大量电解质外渗造成相对电导率增加[16，18]。研究表明，过度的干旱胁迫会造成叶片中叶绿素含量的大幅度降解，但适度的缺水，反而会导致Chl含量的增加[19-20]。本研究中，Chla含量、Chlb含量和Chla+b含量在T4处理下，含量均高于CK组，这可能与干旱胁迫后绣球叶片相对含水量显著下降，Chl呈现相对浓缩有关，这与邵慧芳等[21-22]的试验结论有相似之处。而Chla/b含量和Car含量则要低于对照组，这可能与绣球的光合系统完整性遭到破坏有关[23]。

MDA是细胞膜质过氧化的产物，大量积累会严重损伤生物膜[24-25]。因此，通常将MDA含量作为判断植物受胁迫伤害程度大小的重要指标。MDA含量越多，说明膜脂过氧化作用越强，植物抗旱性越差，MDA含量与抗旱性呈负相关关系[26]。SOD和POD是生物体内非常重要的活性氧清除酶，能够起到减轻细胞受到氧化伤害的作用[13]。在遇到干旱胁迫时，保护酶在调节系统的响应下发挥作用，当干旱胁迫还在持续时，绣球细胞结构受损，导致过氧化物大量增加，保护酶作用减弱，活性降低[27]。Pro、SS和SP是渗透调节系统的重要组成部分，在干旱胁迫下，渗透调节物质可起到降低渗透势，维持渗透平衡，保护细胞完整的作用[28]。本研究中，Pro含量和SS含量均呈上升趋势，万华镜的Pro含量和SS含量均在抗旱T4组时急速成倍增加，说明万华镜的抗旱能力与Pro和SS具有极大的相关性。各品种的SP含量整体呈“先上升后下降”的趋势，表明，在干旱胁迫下，植物会通过增加对SP含量的积累，平衡自身的渗透调节物质，从而提高细胞的保水能力，对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用。随着干旱胁迫程度的增加，植物生物膜遭到损坏，导致SP含量缓慢下降。

植物在遇到环境胁迫时，会调节自身生长、生理和基因表达等行为以抵御外界胁迫，因此，在鉴定植物抗旱性时，不能仅从单一指标进行判断[24]。本实验以扦插一年生幼苗为材料，首先通过方差分析对不同品种间单个指标进行比较，得出各指标存在显著性相关关系。再通过主成分分析法得出相对含水量、光合色素、SS含量和生物量4个主成分，代替15个生理指标作为判断绣球抗旱性强弱的评价依据，各主成分保持独立、互不相关[10]。参考前人隶属函数法，根据综合指标贡献率求出权重[29]。在此基础上依次求出综合指标值和隶属函数值并进行加权分析，得出具有较强可信性的综合评价值[13，30]。最后利用聚类分析的方法，根据品种抗旱程度的相似性进行聚类，将6个绣球品种划分为3个抗旱等级。

综上所述，本研究将干旱胁迫时间分为4个试验段进行对照测定，建立绣球抗旱性评价体系，并通过综合分析得出，6个绣球品种的抗旱性排序由强到弱为：万华镜>爱你的吻>头花>白色天使>花手鞠>夏祭。绣球品种众多，本实验仅选择了6个形态特征具有代表性的新优品种为试验材料，在扦插一年生期间进行试验，不能完全代表其幼苗和壮苗时的抗旱性，这一点有待进一步对比试验。同时本研究仅停留在生理指标层面，关于光合特性、叶片特征以及种质亲缘性方面与绣球抗旱性之间的关系将成为未来研究的方向。