干旱胁迫下白刺花幼苗根系生长和生理特性的响应

赵文武，赵 鑫，谢文辉，赵丽丽*，陈可可，王普昶

(1.贵州大学动物科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州师范大学生命科学学院，贵州 贵阳 550025)

近些年来，干旱灾害频发，成为全世界植物生长发育以及农作物生产的主要限制因素之一。干旱和半干旱区约占我国国土面积的50%[1]，中国作为世界上的农业大国之一，正面临着水资源短缺的困境。随着全球气候的改变，干旱发生的可能性将进一步增加，在我国的西南、西北以及华北地区干旱问题尤其突出,有研究发现这些地区在过去的60年里干旱灾害变得越发频繁[2]。贵州位于我国西南部，其具有典型的喀斯特地貌，主要体现为土壤浅薄、形成速度慢，钙含量高有机质含量低，保水保土能力差以及抗干扰能力弱等特点，其特殊的碳酸盐母岩成土背景决定了该区域成为世界上喀斯特发育最典型和复杂、分布面积最大的片区之一[3]。虽然贵州全省有80%以上地区的平均年降水量在1 100～1 300 mm之间，但由于其特殊的地上与地下二元结构水文系统、碳酸岩丰富的节理裂隙以及复杂的人类活动，会导致降水迅速渗入地下。接连多日的晴天往往伴随着高温，这样的天气使得土壤含水量降低，土壤表层发生临时性干旱。该区域内的植物普遍遭受干旱胁迫，进而影响到植物的生长与发育[4-5]。同时贵州境内包含丘陵、山地、高原等多种复杂地形，地势陡峭，降水的时空分布不均，区域性、季节性的干旱常有发生。因此在喀斯特地区，大多数的植物都具有耐旱、耐盐等岩生适应性，特殊的地理水文环境筛选出适合喀斯特地区生长的植物群落，形成了独具特色的喀斯特植被。

灌丛是贵州等喀斯特地区最普遍的植被类型。豆科槐属灌木白刺花(Sophoradavidii)是喀斯特地区的旱生灌丛群落优势种或广布种[6]。董祥等[7]的研究表明白刺花在开花和结荚两个时期其粗蛋白含量、相对饲喂价值(Relative feed value,RFV)较高，说明白刺花具有较高的饲用性。温敏等[8]对白刺花抗炎以及抗过敏作用的研究说明白刺花还具有一定的医药作用。同时白刺花还是喀斯特山区植物群落的演替、物种多样性的维持不可或缺的一环，其发达的根系以及根系上大量的根瘤菌在防治水土流失以及土壤改良等方面具有重要作用。这些证据都表明白刺花在生态、经济方面有着重要的价值。较强的适应性和较高的营养价值使白刺花有望成为贵州等喀斯特干旱、贫瘠山区植被恢复和畜牧业发展的理想材料，是可供西部地区大范围推广发展全方位、立体式产业的潜力树种之一[9]。目前，关于白刺花的研究主要集中在破除种子硬实性[10]、化学成分[11]、药用价值[12]以及饲用价值开发[13-14]等方面。对白刺花抗旱适应机制方面的研究较少，而对抗旱机制的解析是加快白刺花新品种培育，进一步扩大白刺花种植范围的有力保障。大量研究[15-17]报道幼苗期的植物往往对外界环境变化感受最为敏感，也最容易因为环境的压力受到损伤。根系的形态建成是决定幼苗存活最关键的一点，同时根系作为植物吸水最主要的器官，也能最先感知到干旱来临。当遭遇逆境时根系会迅速产生一系列的化学信号向其他部位传递。因此深入分析白刺花幼苗在干旱胁迫下根系的形态结构和生理生化响应，初步揭示白刺花幼苗根系适应干旱的形态和生理机制，为培育白刺花抗旱新品种，开展喀斯特地区白刺花饲用资源的开发、贫瘠山区土壤的改良以及喀斯特山区植被的恢复提供理论与材料保障。

1 材料与方法

1.1 试验设计

白刺花种子来源于贵州大学动物科学学院草业科学实验室，挑选大小一致且饱满的白刺花种子用砂纸进行磨皮，破除种子硬实，2%NaClO溶液浸泡30 min消毒后用无菌去离子水清洗3次以上，60℃温水浸泡12 h，再播种到装有5 L营养土的花盆内(长∶宽∶高=43 cm∶19 cm∶14 cm)生长，每个花盆均匀播种50粒种子。待种子萌发后，让幼苗正常生长40 d，然后挑选生长状况基本一致的幼苗，每盆30株共20盆，开始进行干旱胁迫。处理前一天充分灌水一次，放置过夜。待土壤水分含量稳定后随机抽取10盆测定田间持水量。试验根据《中华人民共和国水利行业标准旱情等级标准：SL 424-2008》对土壤相对湿度旱情等级分类。同时结合代仁丽[18]、梁任刚[19]等学者对贵州省气候条件、年际干旱强度及干旱频率分析，发现贵州省以轻旱为主，极少出现重大干旱的实际情况，设置了4个土壤水分梯度(表1)。

表1 土壤水分梯度设置

土壤充分灌溉后，每天用土壤水分测定仪测定土壤的含水量，当对照、轻度干旱、中度干旱、重度干旱4个处理分别达到其相应的相对含水量时，正式进入胁迫试验。干旱处理时，每天对盆栽进行称重，补充水分时按重量损失的方法，以保持稳定的土壤含水量。胁迫到14天后取样，测定白刺花根系形态指标和生理生化指标。

1.2 指标测定及方法

1.2.1根系形态指标 每个梯度取10株，用去离子水轻轻冲洗根系，洗净根系表面的基质，然后将其分散、均匀地放入透明丙烯酸托盘中，并使用EPSON Perfection V800(MADE IN INDONESIA.PAT.P.)进行根系扫描。扫描的图像用Win-RHIZO 2017a进行分析，得到白刺花幼苗的根长、根表面积、根体积以及根尖数等数据。

1.2.2生理生化指标测定 分别采用愈创木酚法[20]测定过氧化物酶(Peroxidase，POD)活性，氮蓝四唑(NBT)比色法[21]测定超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性，紫外比色法[22]测定抗坏血酸过氧化物酶(Aseorbateperoxidase，APX)活性和钼酸铵比色法[22]测定过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性。分别采用蒽酮比色法测定可溶性糖(Soluble sugar，SS)含量、酸性茚三酮法测定脯氨酸(Proline，Pro)含量和考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白(Soluble proteins，SP)[21]含量。采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量[20]，质膜相对透性测定参照蔡庆生[21]的方法。过氧化氢(Hydrogen peroxide，H2O2)含量采用KI显色法测定，采用北京索莱宝科技有限公司试剂盒测定。采用2-脱氧-D-核糖显色法[23]测定羟自由基(Hydroxyl free radical，OH-)清除率；采用对氨基苯磺酸法测定[24]超氧阴离子(Superoxide anion，O2-)清除率，采用苏州科铭生物技术有限公司试剂盒测定。采用固相夹心法测定生长素(3-Indoleacetic acid，IAA)含量，采用双抗夹心法测定脱落酸(Abscisic acid，ABA)，赤霉素(Gibberellin A3，GA3)，细胞分裂素(Cytokinin，CTK)，植物乙烯(Ethylene，ETH)，油菜素内酯(Brassinolide，BR)，茉莉酸(Jasmonic acid，JA)和水杨酸(Salicylic acid，SA)含量，测量方法均根据酶联免疫试剂盒法[25](采用北京索莱宝科技有限公司)试剂盒测定，测定时每个样品测定设置3次重复。

1.3 数据分析与处理

利用Excel 2019软件进行数据处理，采用Origin 2019软件作图，采用SPSS 22.0软件对数据进行方差分析、相关性分析和主成分分析(Principal component analysis，PCA)。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下白刺花根系形态特征

由表2可知，在重度干旱下白刺花根系总长和根系表面积与对照组相比，分别显著增加了55.04%和44.40%(P<0.05)。随着干旱胁迫的加重，白刺花平均根系直径呈先升后降的趋势，轻度胁迫时到达顶峰；根体积呈逐渐增大的趋势；白刺花根尖数呈现先降后升的趋势。

表2 干旱胁迫下白刺花根系生长特性

2.2 干旱胁迫下白刺花根系渗透调节能力

由图1可知，随着干旱胁迫程度的加强，根系内脯氨酸、可溶性糖含量呈上升趋势，而根系内可溶性蛋白含量则呈下降趋势，与对照组相比脯氨酸含量分别显著上升20.56%，43.57%，260.59%(P<0.05)，可溶性糖的含量分别显著上升14.94%，33.17%，59.24%(P<0.05)，可溶性蛋白含量分别显著下降12.34%，20.32%，28.09%(P<0.05)。

图1 干旱胁迫下白刺花根系渗透调节能力的变化

2.3 干旱胁迫下白刺花根系内源激素含量

由图2可知，随着干旱胁迫程度的加强，白刺花根系内源激素IAA和SA呈现上升的趋势，均在中度干旱时达到最大值，IAA分别较对照显著上升23.10%，58.62%和55.17%(P<0.05)，SA分别较对照上升6.34%，37.08%，36.85%；GA3，CTK，BR含量整体呈现上升趋势，均在重度干旱时达到最大值，与对照组相比，分别显著上升49.89%，39.55%和63.59%(P<0.05)；而ABA，ETH，JA含量呈现下降趋势，均在重度干旱时达到最小值，与对照组相比，分别显著下降25.56%，33.73%和40.03%(P<0.05)。

图2 干旱胁迫下白刺花根系内源激素含量的变化

2.4 干旱胁迫下白刺花活性氧代谢及保护酶活性

由图3可知，随着胁迫程度的加强，白刺花根系中MDA和H2O2含量以及APX活性都呈现上升的趋势，与对照组相比，在轻度、中度、重度胁迫下MDA含量分别显著上升了24.55%，49.90%，73.06%(P<0.05)，APX活性分别显著上升了61.89%，148.67%，244.27%(P<0.05)，H2O2含量分别显著上升了29.88%，102.13%，167.99%(P<0.05)。而羟自由基清除率、超氧阴离子清除率、SOD和POD含量以及CAT活性随着胁迫程度的加强出现下降的趋势，其中羟自由基清除率与对照组相比分别显著下降了6.74%，8.28%，13.45%(P<0.05)；超氧阴离子清除率分别显著下降了4.09%，7.89%，12.24%(P<0.05)；SOD活性分别显著下降了8.31%，12.24%，20.56%(P<0.05)；POD活性分别显著下降了9.74%，18.43%，24.46%(P<0.05)；CAT活性分别显著下降了10.92%，28.91%，42.48%(P<0.05)。

图3 干旱胁迫下白刺花根系活性氧代谢和保护酶活性的变化

2.5 干旱胁迫下白刺花根系各项指标的相关性分析

对白刺花24个抗旱性状指标进行相关性分析，由图4可知，白刺花根系生长发育的各项性状中，所有性状都与根系总根长、总表面积、体积显著相关(P<0.05)，其中SOD，POD、可溶性蛋白、CAT,APX，ETH，JA以及羟自由基清除率和超氧阴离子清除率都与根系总根长、总表面积、体积极显著相关(P<0.01)。可溶性糖与根系总根长、根表面积都呈极显著正相关关系(P<0.01)，与根体积呈显著正相关关系(P<0.05)。脯氨酸与根系总根长、总表面积呈极显著正相关关系(P<0.01)，与根系直径、体积呈显著正相关关系(P<0.05)。而可溶性蛋白与可溶性糖和脯氨酸的趋势恰恰相反，可溶性蛋白与总根长、根表面积都呈极显著负相关关系(P<0.01)。CTK与根系总表面积、体积呈极显著相关关系(P<0.01)，与根系总长呈显著相关关系(P<0.05)。所有性状中SOD与根系总表面积相关系数最大，为0.885。

图4 干旱胁迫下白刺花根系指标相关性分析

2.6 白刺花材料各项性状的主成分分析

由图4可知，虽然所测定的24个抗旱指标间存在一定的相关性，但是相关程度并不一致。因此采用主成分降维的方法对干旱胁迫下白刺花根系的24个指标进行主成分分析。将累计方差贡献率大于80%，并且特征值≥1作为判别的条件，成功提取2项主成分因子(表3)。主成分1(PC1)的特征值为19.521，贡献率为81.338%；主成分2(PC2)的特征值为2.062，贡献率为8.593%；2个主成分累计贡献率达89.931%，具有较好的代表性，与白刺花苗期的抗旱能力具有直接联系，可作为白刺花幼苗抗旱性评价的综合指标。

由表3可知，第1主成分中，贡献率较大的是SOD，POD、可溶性糖、可溶性蛋白、APX，H2O2，SA，I，GA3，主要反映了干旱胁迫后白刺花根系主要保护酶活性及渗透调节的含量；干旱条件下，细胞内抗氧化酶活性以及膜保护物质的含量越高，幼苗受到的伤害程度就越小。第2主成分中贡献率较大的是平均根系直径、根尖数以及总根长，三者主要反映了干旱胁迫下白刺花根系生长发育状况；当遭受干旱时，植物常常通过自身的根系发育来扩大水分的吸收和利用效率，干旱胁迫下较长的根系可以使植物接触到更深层的水分，从而吸收更多的水分。

表3 干旱胁迫下白刺花根系主成分特征向量

3 讨论与结论

3.1 干旱胁迫对白刺花根系形态特征的影响

当遭遇逆境时根系会迅速产生化学信号向其他部位传递。丁红等[26]在研究花生对干旱的响应时指出，随着土壤水分含量的降低，根系的生物量、根冠比、根长等形态指标会发生变化，以此来适应干旱胁迫。土壤中水分分布及含量会对植物根系生长和形态发育产生很大影响。本试验中，白刺花在遭受干旱胁迫时，根系总长、表面积和体积呈增加的趋势，这与张翠梅等[27]对不同抗旱性苜蓿遭遇干旱时的根系形态研究结果相似。根系平均直径呈先增后减的趋势，根尖数呈先减后增的趋势，根系形态的变化表明遭遇干旱时的白刺花幼苗通过增加根长，确保根系往土壤更深层下扎，根体积与表面积的增加也印证了这点，并且体积和表面积增大也使根系与周围环境的接触机会增大了，以保证根系吸收更多的水分与养分，从而增强自身抗旱能力。

3.2 干旱胁迫对白刺花根系渗透调节能力的影响

植物根系的形态特征发生变化也必然会引起内在生理生化指标的变化，二者的变化相辅相成，共同作用抵抗逆境[28]。前人大量的研究中[29-31]指出遭遇逆境时植物通过提高细胞液的浓度，可以维持细胞膨压，防止原生质过度脱水。本研究中干旱胁迫下白刺花幼苗根系的可溶性糖和脯氨酸含量上升，说明遭受干旱胁迫时白刺花根系可以大量积累脯氨酸和可溶性糖，保持细胞结构和生物大分子的空间结构，延迟根系衰老和死亡，并促进严重缺水环境下的根系生长，为正常生命活动创造条件。而可溶性蛋白不仅是营养物质，也是渗透调节物质之一，既对生物膜和碳物质起保护作用，也对细胞保水能力有重要作用[32]。在干旱胁迫下，白刺花幼苗根系的可溶性蛋白含量呈下降趋势，且与对照组差异显著。这与马亚珺等[33]、高晓宁等[34]对紫花苜蓿、杜鹃遭遇干旱胁迫的生理响应的研究结果相似。本试验表明干旱胁迫下白刺花根系中蛋白酶的活性升高，使可溶性蛋白的水解加快，降解后的蛋白形成了脯氨酸等其他具有调节功能的氨基酸。

3.3 干旱胁迫对白刺花内源激素含量的影响

植物内源激素在调控植物根系细胞分裂和分化方面扮演着重要角色，人类最早发现的植物激素就是IAA[35-36]。IAA和CTK均有强化器官活性的作用，而GA3可以提高植物体内生长素的含量，从而调节细胞的伸长。它们可以共同促进细胞的分裂和扩大，但不引起细胞壁的酸化[37]。宋松泉等[38]、苏会丽等[39]对生长素和赤霉素的分子机理研究表明，生长素合成和代谢可以诱导植物种子的休眠和萌发，调控维管束形成层的分裂，调控植物根的生长、叶片发育。本试验中，白刺花幼苗根系中IAA，GA3，CTK含量呈上升趋势，3种激素都属于生长促进类激素，其含量的上升与白刺花根系总长度、体积的变化相对应，表明白刺花遭遇干旱时通过调节生长促进类激素含量，促进根系分生组织细胞的增殖，并且促进侧根和不定根的萌发，进一步改变白刺花根系生长的进程。三者共同作用使得白刺花根系伸长，表面积扩大，与周围环境的接触机会增大了，从而保证了根系吸收更多的水分与养分来抵御干旱。

BR可以提高植物体内的酶促物质的活性，增加非酶促物质的含量[40]。胡文海等[41]在研究BR对黄瓜叶片调节作用时指出BR能通过增强叶绿体和线粒体能量代谢平衡，诱导光合基因表达，增加光合效率。夏方山等[42]在研究SA对植物种子和幼苗抗逆性时指出，SA参与植物内许多生理过程如诱导逆境相关蛋白的表达、激活植物过敏反应，提高作物抗病性以及抗逆境胁迫能力，还可以促进种子萌发及幼苗生长。本试验中，从整体来白刺花根系中的BR和SA含量都呈现上升趋势。这与刘强[43]、惠竹梅[44]、吴雪霞[45]等分别对苍耳、葡萄、茄子的研究结果相似，本试验表明白刺花通过增加BR,SA含量来调节渗透物质的含量，保持细胞的持水能力，维持能量代谢平衡和诱导逆境相关蛋白的表达，有效缓解干旱胁迫对白刺花生长的抑制作用，帮助白刺花更好的应对干旱。

本试验中，ABA和ETH以及JA含量呈下降趋势。当植物根系感知土壤水分不足时，根源ABA作为一种胞间信使传递到叶片，又通过胞间信号传导被保卫细胞识别，促使气孔关闭并减弱与植物生长有关的代谢活性。缺水严重条件下，植物体内的细胞膨压降低或细胞膜破裂，ABA水平会增加至100倍[46]。干旱胁迫下白刺花根系ABA含量之所以没有升高，可能是白刺花具有较强的抗旱性，在短期的胁迫下，白刺花根系的细胞膨压或细胞膜未受到严重破坏，生长依旧处于正常水平，干旱胁迫下白刺花根系形态特征可以佐证该结果。JA作为一种重要的环境信号分子，通过诱导许多防御基因或蛋白的表达以及防御化学物质的合成有效地介导植物对逆境胁迫的防御反应。Ollas等[47]发现当遭遇干旱胁迫时，柑橘根系中的ABA含量在JA瞬时积累之后开始快速增加，JA可能参与ABA的生物合成，并诱导植物后期的胁迫响应[47]。在白刺花幼苗根系中JA含量下降，与ABA含量的变化同步，进一步佐证了JA参与ABA的生物合成并诱导白刺花对干旱胁迫的响应。

3.4 干旱胁迫对白刺花根系活性氧代谢的影响

通过主成分降维的方法对干旱胁迫下白刺花根系的24个指标进行主成分分析成功提取2项主成分因子。第1主成分主要是保护酶活性及渗透调节物质的含量，反映了白刺花根系响应干旱胁迫的生理机制，干旱条件下，细胞内抗氧化酶活性以及膜保护物质的含量越高，幼苗受到的伤害程度就越小。第2主成分中贡献率较大是根系直径、根尖数以及总根长，三者主要反映了干旱胁迫下白刺花根系生长发育状况，当遭受干旱时，白刺花通过自身的根系发育来扩大水分的吸收和利用效率，干旱胁迫下较长的根系可以使植物接触到更深层的水分，从而吸收更多的水分。

综上所述，当遭遇干旱时白刺花幼苗根系形态会发生改变，通过增加根长和体积，确保自身的根系往土壤更深层下扎，以保证吸收更多的水分与养分。随着干旱程度加深，白刺花细胞稳态受到一定影响，MDA含量上升；通过分析渗透调节物质含量、内源激素含量以及保护酶活性发现，其渗透物质和生长促进类激素含量增加，保护酶活性上升，其生理生化指标在积极响应，以帮助白刺花更好的抵御干旱。在重度胁迫下白刺花也未发生根系严重脱水和幼苗死亡的现象，表明白刺花幼苗有较强的干旱忍受能力。试验阐明了白刺花根系抗旱的适应机制，可为白刺花抗旱新品种培育及其在西部喀斯特地区开发利用提供一定的参考依据。