植物生长延缓剂对花棒叶片生理生化特征调控作用的研究

李婉娇，冯 静，钟鑫鑫，任怀新，姜文娇

(1.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010052；2.国网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特 010010；3.正蓝旗水利事业发展中心，内蒙古 锡林郭勒盟 027200)

花棒(Hedysarum scoparium)为豆科(Leguminosae)岩黄耆属(Hedysarum)落叶灌木，广泛分布于内蒙古西部地区。因其具有较强的抗风蚀能力，常被用于营建防护林。花棒在建植2～3 a后冠幅可达2～3 m，其高大的冠幅需大量水分供给来维持健康生长[1]。在干旱半干旱地区恶劣的自然环境中，水分条件的亏缺成为该地区植物生长和恢复的主要限制因子。花棒通过提高叶片保水力和降低叶片相对含水量使体内水分达到平衡，通过积累脯氨酸、可溶性糖等物质进行渗透调节以维持细胞膨压，通过增加叶绿素A的比重以提高光能利用率等来抵抗干旱胁迫[2]。一般来说，植物自身的调控是一个漫长的生态过程。因此，如何通过人工调控进而有效、快速地使植物更好地适应恶劣环境，对保护沙区沙生植物资源具有现实意义。

在干旱胁迫下，植物细胞常处于水分亏缺状态，植物体内的氧代谢出现失调现象，导致OH-、H2O2和蛋白质等含量快速增加，同时植物体内的叶绿素含量减少。但植物生长延缓剂能够有效增加叶绿素含量来提高光合作用能力，同时使植物体内渗透调节物质含量及抗氧化物酶活性的增加，有利于延缓膜脂过氧化和维持较高的保水能力，使得植物具有较强的抗逆生长能力，更好地适应生长环境的干旱胁迫[3]。多效唑和矮壮素(PP333、CCC)与其他植物生长延缓剂相比，施用方式更灵活，水溶性较好，同时在土壤中残留量少，对植物次年生长不产生药害反应。多效唑和矮壮素提高植物抗旱性的研究已有较多报道。在干旱胁迫下，施加多效唑可显著提高毛竹实生苗叶片相对含水量、脯氨酸含量及氧化酶活性，显著降低MDA含量。范志霞等[3]发现通过施加多效唑可减缓可溶性蛋白含量的减少、增加可溶性糖的含量以减缓叶片相对含水量的下降进而增强叶片保水力，同时增加叶绿素的含量以提高光合作用进而增强紫穗槐的抗旱性。张馨馨[4]发现，外援施用多效唑可提高干旱胁迫下多年生黑麦草的可溶性糖含量和叶片含水量。可见，PP333、CCC可以通过调控植物的生理生化特性来有效保护植物免受干旱胁迫，从而有效提高其耐旱性。

有关植物延缓剂对沙生植物抗旱性生理机理影响的相关研究罕见报道，基于此，本研究以荒漠区典型固沙植被(花棒)为研究对象，选用多效唑和矮壮素(PP333、CCC、PP333+粘着剂)作为主要施用药剂，在多因素(施药方式、施药浓度、施药频次)作用下对其进行人工调控，采用L9(34)正交试验设计，测定花棒的生理特征及光合作用等指标，探究植物生长延缓剂对花棒的生理调控效应。通过综合评价筛选出人工调控植物适应环境胁迫的最佳施药方案，为提高花棒在荒漠地区的生存能力进而更好地发挥固沙作用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于内蒙古阿拉善左旗吉兰泰镇北部5 km的盐湖，地理坐标为39°38′～39°49′N，105°35′～105°46′E，该试验区为典型的温带大陆性干旱气候，具有夏季酷热冬季严寒、自然降雨量稀少、风大沙多等气候特征。极端最低气温为-31.2 ℃，极端最高气温为40.9 ℃，年均气温为8.6 ℃；年均降水量为117.1 mm，年均潜在蒸发量为3 006 mm，降水多集中在7—8月，占全年降水量的83%；常见风向为西北风，平均风速为3.5 m/s[11]。土壤为风沙土，呈碱性(pH值8.9)[12-13]。植物主要以耐干旱、耐盐碱的沙生植物为主，具体包括：花棒(Hedysarum scoparium)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、白刺(Nitraria tangutorum)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)等[14]。

1.2 试验设计

于2019年3月中旬进行苗木栽植工作，苗木培育种植采用水冲打穴法，选取长势优良、大小均一的1年生花棒苗木，种植规格为1 m×2 m，共种植100株。试验设置了4个因素，每个因素下选取了3个水平条件：施药方式(叶喷、根施、叶喷+根施)、施药次数(进行1次施药2019-05-07、进行2次施药2019-05-07+2019-05-27、进行3次施药2019-05-07+2019-05-27+2019-06-17)、施药类型(多效唑、矮壮素、多效唑+粘着剂)和施药浓度(450 mg/L、600 mg/L和750 mg/L)。试验采用L9(34)正交试验设计，选取9种组合处理进行人工调控实验(见表1)，并以蒸馏水作为对照组(CK)，每个处理重复3次。施药量分别为叶喷250 mL、灌根250 mL、叶喷100 mL+根施150 mL。在施药前(2019-05-05)对花棒苗木生理指标基底值进行测定；待实验结束后在生长末期(2019-09-01)再次测定其生理指标。

表1 L9(34)正交试验设计

1.3 测定指标及方法

于2019-09-01在每一种处理方式下选择5丛植株，在植株E、W、S、N 4个方向的上、中、下3个位置分别选取3枝生长健壮、无病虫害的枝条，每枝摘取5片成熟叶片，进行样品标记和迅速冷藏等处理，再带回实验室进行生理指标测定。超氧化物歧化酶活性(SOD)采用氮蓝四唑法；丙二醛含量(MDA)和可溶性糖含量(Ss)测定采用硫代巴比妥酸法；游离脯氨酸含量(Pro)测定采用酸性茚三酮法；叶绿素含量(ChL)测定采用浸提法；用LI-6400便携式光合作用测定系统(美国LICOR公司)于晴天上午10：00测定叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)[15]。

1.4 数据处理及分析方法

本文所用数据均为各指标增长量，即生长末期指标测定值与施药前测定生长基底值的差值。

Mi=MXi-MYi

(1)

Ki=Mi-CKi

(2)

式中：

Mi——i指标生长期的增长量；

Ki——i指标施药后相对增长量(与对照组相比)。

MXi——i指标人工调控处理后2019-09生长末期指标测定值；

MYi——i指标2019-05施药前期指标基底值；

CKi——i指标对照组的指标值。

采用Excel 2010对原始数据进行整理，Origin 2018软件作图，SPSS19.0软件对数据进行单因素方差分析和主成分分析，不同处理间采用Duncan法进行多重比较 (α=0.05)。文中k值表示任一列上水平号为i时，所对应的实验结果之和；R表示极差，在任一列上R=Max(ka)-Min(kb)；P表示各因素0.05水平下显著性。

2 结果与分析

2.1 不同调控方式对花棒抗性生理的影响

9种施药方式对花棒叶片的超氧化物歧化酶活性(SOD活性)均有促进作用(见图1a)，T8处理下，SOD活性的相对增长量达到最大值，为676.62 U/g，较对照组增加了5.01倍；方差分析结果表明，在施药方式(A)下，Ak3水平下SOD活性的相对增长量最大，为552.70 U/g；在施药类型(C)条件下Ck1水平下SOD活性相对增长量最大，为532.53 U/g(见图1b)。

a

由图2a可知，T1～T9处理均能抑制花棒叶片中丙二醛含量(MDA含量)。与对照组相比，MDA含量相对变化量分别为1.36 μmol/L、0.51 μmol/L、1.08 μmol/L、1.37 μmol/L、1.17 μmol/L、1.42 μmol/L、0.99 μmol/L、1.47 μmol/L和1.29 μmol/L；且对MDA含量相对变化量的效果为T8>T6>T4>T1>T9>T5>T3>T7>T2。在施药方式(A)调控下，Ak2水平下MDA含量相对变化量最大，为1.23 μmol/L；施药次数(B)在各水平间无显著差异；在施药类型(C)调控下，Ck1水平下MDA含量相对变化量最大(1.26 μmol/L)；在施药浓度(D)调控下，Dk3水平下MDA含量相对变化量最大(1.26 μmol/L)(见图2b)。

a

2.2 不同调控方式对花棒渗透调节能力的影响

9种调控方式对花棒可溶性糖含量(Ss含量)均有促进增长作用(见图3)，Ss含量与同期对照组相比分别增加了741%、717%、666%、338%、610%、969%、891%、1469%和419%。4种因素(施药方式A、施药次数B、施药类型C、施药浓度D)分别在Ak3、Bk3、Ck2和Dk1调控Ss含量效果最佳。

同时，花棒叶片游离脯氨酸含量(Pro含量)表现为明显的抑制作用(见图4)。与对照组相比，不同处理下Pro含量变化大小为T8>T6>T7>T1>T2>T5>T3>T9>T4，最大值为16.78 μg/g；最小值为6.32 μg/g。在施药方式(A)和施药次数(B)影响下，各水平间无显著差异(p>0.05)；施药类型(C)最佳调控水平为Ck1；施药浓度(D)最佳调控水平为Dk2。

2.3 不同调控方式对花棒叶绿素的影响

不同施药组合对花棒叶片叶绿素含量(Chl含量)均有促进调控作用(见图5)，T1～T9调控下花棒Chl含量增长量较对照组分别增加了4.58 mg/g、3.84 mg/g、6.14 mg/g、1.01 mg/g、1.76 mg/g、2.77 mg/g、2.89 mg/g、3.28 mg/g和2.23 mg/g。

a

2.4 不同调控方式对花棒幼苗光合作用及水分利用效率的影响

由图6a可知，调控后花棒的净光合速率的相对增长量最大值为T9处理(2.42 μmolCO2/(m2·s))，最小值为T5处理(0.02 μmolCO2/(m2·s))。在不同施药方式(A)条件下各水平间均存在显著差异(p<0.05)。不同调控方式下气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)含量表现一致，T3处理下相对含量均最高，分别为0.37 mol/(m2·s)、2.83 mmol/(m2·s)和32.06 μmol/mol(见图6c、图6e、图6g)。就施药方式(A)而言，调控花棒蒸腾速率和胞间CO2浓度采用叶喷(Ak1)优于叶喷+灌根(Ak3)和灌根(Ak2)；施药浓度(D)在Dk3水平下蒸腾速率和胞间CO2浓度相对增长量达到最大值，分别为1.98 mmol/(m2·s)(见图6f)和19.98 μmol/mol(见图6h)。水分利用效率(WUE)相比于对照组，T1～T9大部分表现出下降的趋势(见图6i)，但T2(A1B2C2D2)、T6(A2B3C1D2)和T9(A3B3C2D1)处理下水分利用效率的值大于对照组，且水分利用效率相对增长量分别为0.21、0.20、0.65。施药方式(A)和施药浓度(D)调控花棒水分利用效率最优水平均为第1水平；而施药次数(B)和施药类型(C)的最优水平均为第3水平(见图6j)。

图6 9种处理方式对花棒幼苗光合作用、水分利用效率及k值的影响示意

2.5 不同调控方式对花棒生理及光合作用影响的综合评价

利用SPPS 19.0对标准数据进行主成分分析，研究结合考虑特征值、方差贡献率和碎石图，选定3个主成分，第1主成分贡献率为34.02%，第2主成分贡献率为23.22%，第3主成分贡献率为19.95%，三者共解释了77.19%的原变量(见表3)，且碎石图前3个主成分连线较为陡峭(见图7)，即前3个主成分对解释变量的贡献最大，因此，提取3个主成分最合适[16]。

图7 主成分分析碎石示意

表3 不同调控处理下各指标的主成分分析

由图8得出，第1主成分(PC1)中SOD活性、Ss含量、叶绿素含量和气孔导度负荷均在0.85以上，解释了大部分的变异，并且这些指标在第1主成分上均呈正向分布，PC1越大，这些指标的值越大；Pro含量为逆向指标，主成分分析前先将容重进行了正向化处理，即PC1越大，Pro含量正向化的值越大，Pro含量值越小，其表现越好。蒸腾速率和分水利用效率在第2主成分(PC2)中占较大的负荷，位于第2主成分正轴；即在PC2坐标上值越大，蒸腾速率和分水利用效率取值越大。净光合速率在第3主成分(PC3)中占较大的负荷，位于第3主成分正轴；而MDA含量和胞间CO2浓度在第3主成分负轴，PC3越大，其正向化值取值越小。T8处理在PC1轴上得分最高，T3处理在PC2轴上得分最高，T9处理在PC3轴上得分最高。

图8 不同因素处理下花棒各指标的主成分分析示意

根据主成分综合得分模型，计算综合主成分得分值，并将9种处理调控方式进行排序，对不同处理调控方式下花棒抗旱能力的累积效应做出综合评分(见图9)，主成分综合得分越高，表明该处理下的花棒对环境因子的胁迫反应表现越不敏感，即能表现出较好的抗逆性；反之，则表现敏感，抗逆性较差[17]。各处理的综合主成分顺序为T3>T8>T9>T1>T6>T7>T2>T5>T4，表明在T3时花棒生理指标及光合作用综合评价指标最佳，即最佳调控方式为T3处理(A1B3C3D3)。

图9 不同调控处理下的综合得分示意

3 讨论与结论

利用植物生长延缓剂可以有效调控植物的生理特征及光合作用能力，从而提高植物对干旱环境的适应能力[5]。大多数研究表明，植物的超氧化物歧化酶活性对干旱胁迫的响应呈现先升后降的趋势[6-7]。本研究表明，9种处理在一定程度上均提高了SOD活性，较对照组增加了235.79～676.62 U/g，保证了花棒叶片细胞生理代谢的正常进行。这与柳延涛[8]、安玉艳[24]等的研究结果一致。3种植物生长延缓剂在9种处理下均降低了花棒叶片MDA的含量，且在浓度为750 mg/L的PP333进行3次根施处理下效果最好，说明此处理下可有效提高花棒抗膜脂过氧化水平，维持其在逆境条件下膜结构的稳定性和完整性[9]，这与李婉娇[10]研究结果相同。光合作用是植物体内极为重要的代谢过程，对水分缺失反应十分敏感，植物的抗逆能力与光合作用的强弱更是密切相关[11、12]。本研究发现，9种调控下花棒叶绿素含量显著大于对照组，表明9种处理方式均能促进花棒幼苗中叶绿素的含量，增强植物的光合作用能力；表明植物生长延缓剂可显著改善干旱胁迫下花棒幼苗的光抑制，使叶片的PN加快，GS增加，有助于吸收更多的CO2，以促进叶绿素合成、光合同化力增加和碳同化酶活化，使植物在逆境下的光合效率显著增加。

本研究中主成分综合得分显示9种处理对干旱胁迫的调控能力表现为T3处理高于其他处理，这与试验中测定的主要生理生化指标变化规律中反映出的结果相一致，表明基于主成分分析法对SOD活性等10个指标综合评价植物抗性结果是可靠的，主成分分析可以适用于植物生长延缓剂对花棒调控抵御干旱胁迫的综合评价。

4 结语

T1-T9处理方式下对花棒叶片的超氧化物歧化酶活性(SOD)、可溶性糖含量(Ss)、叶绿素含量(ChL)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、和胞间CO2浓度(Ci)均有促进调控作用，对丙二醛含量(MDA)和游离脯氨酸含量(Pro)表现为明显的抑制作用；9种组合调控方式中T3处理(A1B3C3D3)对花棒生理生化调控最佳，可增强花棒对干旱逆境的耐受性。