3种观赏草苗期对干旱胁迫的响应及抗旱性评价

王竞红，陈 鹏，陈 艾，田静瑶，MUHAMMAD Siddique，李彦雪

（东北林业大学园林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

观赏草(ornamental grass)是一类具有观赏价值高、繁殖能力强、适应性广、抗逆性强、养护管理简单等特征的植物[1-3]。近年来，随着建设节约型、可持续型园林的兴起，观赏草得到广泛应用。因此，对观赏草的抗旱性能进行研究，比较分析不同观赏草对干旱胁迫的耐受能力，对探究观赏草在北方干旱地区的园林景观应用具有重要的意义。

狼尾草(Peuuisetum alopecuroides)、蓝羊茅(Festuca glauca‘Freddy’)、细茎针茅‘马尾’(Stipa tenuissima‘Pony Tails’)均具有观赏价值高、抗逆性强、适应性广等优良特点，在园林绿化中具有广泛的应用前景。目前，关于这3种观赏草的研究主要集中于种质资源调查与繁殖特性[4-7]、盐胁迫[8-10]、重金属胁迫[11-12]、低温胁迫[13-14]、园林应用[15-18]等方面，对其抗旱性研究报道较少。已有的研究显示，干旱胁迫对植物的株高、叶形等形态指标和生理指标[19-21]会产生显著影响。为了明确观赏草植株在苗期对干旱胁迫的响应特性，本研究比较3种观赏草在自然失水条件下，苗期的生长特性及生理指标，旨在探究干旱胁迫对3种观赏草苗期植株生长特性和生理特性的影响，进而为3种观赏草的苗期管护提供抗旱耐受性的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

3种观赏草种子购买于厦门爱恳园艺有限公司，分别为狼尾草、蓝羊茅‘Freddy’、细茎针茅‘马尾’，分别属于禾本科狼尾草属、羊茅属和针茅属，其发芽率分别为80%、79%和89%。

1.2 试验方法

试验于2016年10月在东北林业大学园林学院温室内进行。采用盆栽法培养供试材料。花盆上口径 170 mm，底径 123 mm，深 155 mm。播种所用的栽培基质为黑土与蛭石，去除黑土中石子、植物枯枝等杂质，将黑土与蛭石以3∶1的比列混合，混合均匀后在每个花盆中加入2 kg该基质。播种前用0.5%的次氯酸钠消毒20 min，蒸馏水冲洗3～5次，用滤纸吸干附着水。再用纯净水浸种12 h。将处理后的供试种子均匀撒播于花盆(出苗量 ≥ 1株·cm-2)，覆盖一层薄薄的细沙。将花盆放入温室中进行培养，温度为20～26 ℃，光照14 h，黑暗处理 10 h。

从播种之日算起，1-15 d内每3 d浇一次水，保证种子萌发期和幼苗期充足的水分；16-30 d内每5 d浇一次水。对生长30 d的盆栽苗采用自然失水胁迫的方法进行干旱处理，胁迫开始后停止浇水。每6 d测定植株形态指标，同时取样一次，干旱处理全过程为30 d。每次采集的样品用锡纸包裹，立即放进液氮壶中迅速冷冻，保存于-80 ℃冰箱中[22]，用于各项生理生化指标的测定，采取3次生物学重复。

1.3 测定指标及方法

株高：测定植株的绝对高度(cm)，即地面至植株顶端高度。

株高增长率：(后一次测定的株高-前一次测定的株高)/天数。

土壤含水量：取土壤样品放入铝盒中称量湿重，放入恒温烘干箱中烘干至质量不再变化，称量其干重，计算土壤含水量[23-24]。

采用乙醇浸提法测定叶绿素含量[20]；采用氮蓝四唑法(NBT法)测定超氧化物歧化酶(SOD)活性[20]；采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量[20]；采用茚三酮法测定游离脯氨酸(Pro)含量[20]；采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量[20]。

1.4 抗旱性综合评价方法

采用隶属函数法[25]对3种观赏草苗期抗旱能力进行综合评价。隶属函数值的计算公式如下：

式中：Xi表示第i个指标值，Xmax表示所有品种第i个指标的最大值，Xmin表示所有品种第i个指标的最小值。如果所测指标与植物的耐旱性呈正相关关系，用式(1)；如果所测指标与植物的耐旱性呈负相关关系则用式(2)。对每种观赏草各指标的抗旱隶属值进行累加，并计算出平均值，平均值越大，植物的抗旱性越强，平均值越小，抗旱性越差[26]。

1.5 数据分析与处理

采用 Microsoft Excel 2007 进行基础数据处理和制图，采用SPSS20.0软件进行单因素方差分析，多重比较检验采用最小显著差异法(LSD)分析处理间的差异显著性，在5%水平上比较各处理间差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下3种观赏草土壤含水量的变化

在干旱处理12 d后，狼尾草叶尖部位出现干枯现象，蓝羊茅和细茎针茅‘马尾’叶正常，无枯萎现象。干旱处理 24 d 后，‘Freddy’与‘马尾’出现不同程度的萎蔫现象，‘Freddy’叶由蓝绿色逐渐变为蓝白色，‘马尾’叶尖部位枯萎(图1)。随着干旱胁迫时间的延长，土壤含水量持续呈下降趋势，胁迫时间越长，影响越严重(图2)。胁迫0-18 d，‘Freddy’与‘马尾’的土壤含水量下降速率较大；胁迫18-24 d，二者的下降速率减小；胁迫24-30 d，二者的下降速率增大。胁迫0-12 d，狼尾草的土壤含水量下降速率较小；胁迫12 d后，土壤含水量下降速率随着干旱胁迫时间的增加而逐渐增加。方差分析表明，胁迫6-18 d时，3种观赏草的土壤含水量之间均存在显著差异(P＜ 0.05)。

2.2 干旱胁迫对3种观赏草幼苗株高增长率的影响

干旱胁迫会对植株增长产生影响，在整个干旱胁迫时期，‘Freddy’与‘马尾’株高差异不显著 (P＜0.05)，但狼尾草的株高显著高于二者(P＜ 0.05)(图3)。随着干旱胁迫时间的延长和土壤含水量的降低，3种观赏草幼苗的日均生长率呈下降趋势，胁迫程度越重，日均生长率下降速度越快。干旱胁迫达到30 d时，对比前一个测试日，‘Freddy’株高增长量最小，为0.46 cm；‘马尾’株高增加量最大，为0.80 cm；狼尾草株高增加了0.60 cm，介于二者之间。在整个干旱胁迫过程中，狼尾草的株高增长率变化较其他两种明显，‘马尾’的株高增长率略高于‘Freddy’。

2.3 干旱胁迫对3种观赏草叶绿素含量(Chl)的影响

随着干旱胁迫时间的延长，3种观赏草的叶绿素含量呈下降趋势(图4)。在同一干旱胁迫时期下，3种观赏草的叶绿素含量之间存在显著差异(P＜ 0.05)，表现为‘马尾’ ＞ ‘Freddy’ ＞ 狼尾草。在整个干旱胁迫的过程中，3种观赏草叶绿素含量变化值不同，其中狼尾草体内叶绿素含量下降值最小，下降了 0.76 mg·g-1，‘马尾’下降了 1.48 mg·g-1，‘Freddy’下降了 1.12 mg·g-1，说明狼尾草随着干旱胁迫程度的加重，仍能保持较稳定的叶绿素含量，植株的光合作用受到的影响较小。

图1 3种观赏草在干旱胁迫24 d时的表型特征Figure 1 Phenotypic characteristics of 3 species of ornamental grasses under drought stress on day 24

图2 3种观赏草在干旱胁迫各时期的土壤含水量变化Figure 2 Changes in soil water content of 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods 不同小写字母表示同一胁迫时间不同观赏草之间差异显著(P ＜0.05)。下同。

图3 3种观赏草在干旱胁迫各时期株高变化Figure 3 Changes in plant height of 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

2.4 干旱胁迫对3种观赏草超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

随着干旱胁迫时间的延长，3种观赏草SOD活性呈先升高后降低的趋势(图5)。整个胁迫期内，狼尾草体内SOD活性最低，与其他两种观赏草体内SOD 活性之间存在显著差异 (P＜ 0.05)；‘Freddy’与‘马尾’之间仅在胁迫12、18和24 d时存在显著差异(P＜ 0.05)。胁迫 18 d，三者体内 SOD 活性均达到最大，其中以‘马尾’SOD 活性最大，为 220.30 U·g-1；狼尾草最小，为107.24 U·g-1；‘Freddy’为185.88 U·g-1，介于二者之间。综上可知，‘Freddy’的SOD酶活性在整个干旱胁迫过程中相对较高，具有较强的清除自由基和抗氧化能力，抗旱性也较强。

图4 3种观赏草在干旱胁迫各时期的叶绿素(Chl)含量Figure 4 Chlorophyll content in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

图5 3种观赏草在干旱胁迫各时期的超氧化物歧化酶(SOD)活性Figure 5 SOD activity in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

2.5 干旱胁迫对3种观赏草脯氨酸(Pro)含量的影响

3种观赏草幼苗体内的脯氨酸含量随着干旱胁迫时间的增加而增加(图6)。其中‘Freddy’的增幅最大，‘马尾’的次之，狼尾草的最小。同一干旱胁迫时期，不同观赏草体内脯氨酸含量也不相同。在胁迫前期 (胁迫 0、6 d)和后期 (胁迫 24、30 d)时，狼尾草的脯氨酸含量较低，‘马尾’次之，‘Freddy’最高，三者之间存在显著差异(P＜ 0.05)。胁迫12 d时，狼尾草的脯氨酸含量最低，‘马尾’最高，‘Freddy’介于二者之间，存在显著差异 (P＜ 0.05)。胁迫 18 d，狼尾草脯氨酸含量最低，与其他两种观赏草的脯氨酸含量之间存在显著差异 (P＜ 0.05)，‘Freddy’与‘马尾’之间无显著差异 (P＞ 0.05)。在整个干旱胁迫过程中，狼尾草的脯氨酸含量始终低于其他两种，且增长率也最低，表明该品种的抗旱性较差。

图6 3种观赏草在干旱胁迫各时期的脯氨酸(Pro)含量Figure 6 Proline content in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

2.6 干旱胁迫对3种观赏草可溶性蛋白(SP)含量的影响

狼尾草可溶性蛋白含量呈现先增大后减小的变化趋势，‘Freddy’和‘马尾’则呈现先减小后增大的变化趋势，二者的可溶性蛋白含量均在干旱胁迫12 d 时含量最低 (图7)。在干旱胁迫 0、6 d 时，狼尾草体内可溶性蛋白含量最低，与其他两种观赏草之间存在显著差异 (P＜ 0.05)。胁迫 12、18 d 时，三者之间无显著差异 (P＜ 0.05)。胁迫 24 d 时，‘马尾’可溶性蛋白含量最高，且显著高于其他两种观赏草 (P＜ 0.05)。胁迫 30 d，狼尾草的可溶性蛋白含量最小，‘马尾’次之，‘Freddy’最大，且‘马尾’和‘Freddy’显著大于狼尾草 (P＜ 0.05)。

2.7 干旱胁迫对3种观赏草丙二醛(MDA)含量的影响

图7 3种观赏草在干旱胁迫各时期的可溶性蛋白(SP)含量Figure 7 SP content in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

干旱胁迫会破坏植物细胞内氧自由基产生与清除的平衡，从而导致膜质脱脂化或膜质过氧化，最终形成MDA，使植物受到伤害，因此，MDA数值越大，表明植物所受干旱胁迫越严重，即MDA是负向指标，应采用反隶属函数[25]。本研究发现，随着干旱胁迫时间的增加，3种观赏草的丙二醛含量均增大(图8)，其中狼尾草的MDA含量增加最多，增加了6.38 μmol·g-1；‘Freddy’次之，为 4.47 μmol·g-1；‘马尾’增加最少，为 2.93 μmol·g-1。在整个干旱胁迫期内，3种观赏草的MDA含量变化也不尽相同。胁迫0 d时，狼尾草的MDA含量最高，‘Freddy’最低，二者之间存在显著差异 (P＜ 0.05)；‘马尾’中MDA含量介于狼尾草与‘Freddy’之间，且与二者之间无显著差异 (P＞ 0.05)。干旱胁迫至 24 d 时，均表现为狼尾草的MDA含量最高，与其他两种观赏草之间存在显著差异 (P＜ 0.05)。干旱胁迫至 30 d时，‘马尾’的MDA含量最少，‘Freddy’次之，狼尾草最大，三者之间均存在显著差异(P＜ 0.05)。

图8 3种观赏草在干旱胁迫各时期的丙二醛(MDA)含量Figure 8 MDA content in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

2.8 对3种观赏草耐干旱胁迫的综合性评价

观赏草苗期抗旱性是多个因素综合作用的结果，单项指标不足以准确、有效地评价植物的综合抗旱能力。因此，本研究通过测定株高、叶绿素含量、超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、丙二醛含量共6个指标，借助隶属函数法对3种禾本科观赏草幼苗期的抗旱性进行综合评价(表1)。结果得出，狼尾草、‘Freddy’、‘马尾’隶属函数平均值分别为0.31、0.45和0.53。3种观赏草抗旱性强弱顺序依次为‘马尾’ ＞ ‘Freddy’ ＞ 狼尾草。

表1 3种观赏草抗旱隶属函数比较Table 1 Comparison of the drought membership function of 3 species of ornamental grasses

3 讨论与结论

土壤水分对植物的生理活动起着至关重要的作用，土壤含水量可以反映干旱胁迫的整个过程。本研究发现，不同种类观赏草的土壤含水量变化不同，这表明不同观赏草对土壤蓄水保水能力具有差异。植物对干旱胁迫最直接、最明显的响应是生长受到抑制。干旱胁迫使得植物生长所需的水分不足，影响其细胞的增长与繁殖，从而抑制植株的生长。本研究表明，3种观赏草幼苗的株高变化量随着干旱胁迫时间的延长而呈下降趋势。

叶绿素含量的高低可以反映植物光合作用的情况。不同植物种类受干旱胁迫后，其叶绿素含量变化趋势不同。李俊庆等[26]的研究表明，干旱胁迫下，花生(Arachis hypogaea)的叶绿素含量呈先上升后下降趋势。而张金政等[27]的研究表明，植物的叶绿素含量会随着干旱胁迫程度的加剧而降低，本研究结果与其相一致。干旱胁迫下，植物叶绿素含量变化的这种差异可能与其自身的生物学特性和干旱胁迫发生的强度、时期或持续时间有关。

在干旱胁迫过程中，植物的细胞膜脂过氧化是伤害的首要表现，而植物细胞膜脂过氧化反应的主要产物之一是丙二醛，其含量的高低反映了生物细胞膜受伤害的程度。本研究表明，3种观赏草的丙二醛含量均随着干旱胁迫时间的延长而升高，表明植物叶片的膜系统受到一定程度的损伤，丙二醛含量越低，抗旱性越强。胁迫30 d时，狼尾草丙二醛含量最高，说明细胞膜损伤程度最大，抗旱性最弱；‘马尾’最低，抗旱性最强。

在防御逆境对自身造成伤害时，植物本身会形成一些防御机制，如进行渗透调节、激活抗氧化酶系统等[28-29]。超氧化物歧化酶在植物体内活性氧清除系统中是首个发挥作用的抗氧化酶，被称之为抗氧化系统中的“第一道防线”[17]。本研究结果表明，随着干旱胁迫时间的增加，3种观赏草的超氧化物歧化酶活性均呈现先上升后下降的趋势。马宗仁和刘荣堂[21]根据时间差理论，认为植物存在一个耐受胁迫的极限，在一定干旱胁迫范围内，植物通过提高超氧化物歧化酶活性来抵御干旱环境；当胁迫程度超出植物的耐受胁迫极限，超氧化物歧化酶活性下降，表明植物不能长时间依靠提高超氧化物歧化酶活性来抵御不良环境，即植物忍耐干旱胁迫的能力是有限的。超氧化物歧化酶活性变化越大，其抗旱能力越强。干旱胁迫过程中，‘马尾’超氧化物歧化酶活性变化最大，狼尾草最小，‘Freddy’介于二者之间。

游离脯氨酸和可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质[21, 30]。本研究发现，3种观赏草的脯氨酸含量均表现为随干旱胁迫时间的增加呈上升趋势，这与代英超等[31]的研究结果一致。植物体内脯氨酸含量与抗旱性正相关。本研究中‘Freddy’脯氨酸含量最高，抗旱性最强；狼尾草最低，抗旱性最弱。有研究表明，可溶性蛋白含量的积累有一定的限度，当它达到某一阈值时，其含量不会继续增加而是减少[9]。本研究结果表明，干旱胁迫下狼尾草可溶性蛋白含量呈先升后降的趋势。蓝羊茅和细茎针茅‘马尾’随着胁迫时间的延长呈先降后升的趋势，这与段敏敏等[8]的研究结果一致。这可能与胁迫过程中可溶性蛋白的合成与分解有关。

综上所述，3种观赏草在生长特性及生理特性方面均对干旱胁迫表现出明显的响应性变化，但不同植物对干旱胁迫的耐受表现不同。单项抗旱性指标难以准确、有效地反映植物的综合、全面的抗旱能力。结合隶属函数法对3种观赏草在干旱胁迫下的各项指标进行综合性评价，结果表明，3种观赏草的抗旱性由强到弱依次表现为‘马尾’ ＞‘Freddy’ ＞ 狼尾草，这与其生长、生理等指标对干旱胁迫的响应表现基本相符。