在全球气候变暖和环境恶化的今天,水资源匮乏日益严重,干旱半干旱区域不断扩散^[1],筛选、培育和推广新型的耐旱节水型经济作物成为当前研究的重要课题。茶菊是一类具有一定观赏和饮用价值的菊花(Chrysanthemum morifolium)^[2]。随着人们生活水平的提高及对生活质量的重视,作为具有多重保健功能的茶用菊花,有极大的发展潜力和推广价值。目前,关于菊花抗旱性研究多围绕以观赏性为主的菊花品种^{[3, 4, 5, 6, 7, 8]},茶菊抗旱性系统评价未见报道。因此,对现有茶菊开展抗旱性研究,筛选耐旱性强的品种,对茶菊的推广应用、节水抗旱栽培具有重要理论价值和实践意义。

干旱胁迫严重影响植物的形态结构^[4],光合生长^[6]和生理生化^{[3, 7]}。已有研究多集中在水分胁迫对植株单个机理如形态、生理或光合特性等的影响方面^{[4, 5, 6]}。研究表明,对任何单项指标和机理的研究都有一定局限性,不能有效、准确地评价植物抗旱性^[9]。采用隶属函数法对多指标进行综合评价,可以消除个别指标带来的片面性,提高筛选的可靠性^[10]。因此,本研究拟通过对4种茶菊幼苗在不同干旱胁迫强度下的形态、生理生化和光合生长等多方面系统的研究,应用隶属函数法综合评价各品种的抗旱性强弱,旨在筛选出抗旱性强的品种,为耐旱节水型茶菊品种的栽培、选育和推广提供理论依据。

试验于2013年5—8月在山西农业大学林学院苗圃进行。供试品种为4个不同茶菊品种,分别为玉人面、乳荷、黄滁龙和繁白露,引自北京林业大学,4种茶菊的抗旱性差异在试验前不明确。2013年5月选取插穗,以沙土为扦插基质,待其生根后,将生长健壮、均匀一致的植株移栽于相同规格的塑料盆(直径19cm,高19cm)中,每盆3株,栽培基质为相同重量的沙壤土(园土 ∶ 细沙=2 ∶ 1)3kg,测得土壤田间持水量为23. 91%。每盆置有托盘,以收集因浇水等原因造成流失的土壤。待茶菊幼苗长至7—8叶龄期,开始进行干旱处理。

根据预试验中植株的生长变化情况,共设4个水分梯度：对照,土壤相对含水量(RWC)(土壤含水量占田间持水量的百分数) 为85%—90%；轻度胁迫,RWC为65%—70%；中度胁迫,RWC为45%—50%；重度胁迫,RWC为25%—30%,每处理7盆。干旱处理于2013年7月12日开始,首先对重度胁迫处理的盆栽植株充足浇水使土壤水分达到饱和后进行自然干旱,之后每隔2d(预实验确定)对其它干旱胁迫处理的植株依次进行自然干旱,以使不同处理同时(7月20日)达到设定的水分梯度。试验期间,每天17: 00用电子秤(载量30kg,感量5g)称量盆、托盘、茶苗及土壤总重量,按计算的补水量补充当天消耗的水分,使土壤含水量控制在设定范围内。植物之间保持一定的距离,避免冠层接触而形成干扰。植株体内生理生化指标对土壤水分胁迫的响应早于植株形态的反应和变化^[9],因此,于胁迫处理第15天后测定生理生化指标,第25天测定光合指标、形态指标、生物量及叶片相对含水量等。干旱胁迫期间,太谷地区7、8月有38d均为阴雨天,盆栽苗置于温室中,以防阴雨天气对干旱实验造成干扰,晴朗天则置于露天接受自然光照。

于达到预定控水梯度后的第0天和第25天分别测定植株株高和叶片数。采用叶面积仪YMJ-B测定植株自顶部往下第3片完全展开叶的叶面积。采用烘干法分别测定植株根、茎、叶的干物质含量并计算总生物量,地上生物量,根冠比(根干质量/ 地上部分干质量)。用于测定叶片相对含水量的叶片取自植株第3—5片完全展开叶,方法参照李合生^[11]等的方法。

取植株从上往下数第3—5节位成熟叶,测定丙二醛(MDA)含量(硫代巴比妥酸比色法^[11])、脯氨酸(Pro)含量(茚三酮显色法^[11])、可溶性蛋白质(SPC)含量(考马斯亮蓝G-250染色法^[11])、超氧化物歧化酶(SOD)活性(氮蓝四唑光还原法^[11])、叶绿素(Chl)含量(丙酮研磨法^[11])等生理指标,每指标3次重复。

用LCPro-SD便携式智能光合仪(易科泰生态技术有限公司),于晴天9:00—11:00测定净光合速率(Pn)、增腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO₂ 浓度(Ci)等参数。测定时采用红蓝光源,温度为(30 ± 2)℃,光量子通量密度(PFD)设定为1400 μmol m^-2 s^-1,相对湿度25%—30%,叶室CO₂浓度为(380 ± 10)μmol/mol。

采用SPSS 11.0统计软件对数据进行方差分析,差异显著性运用Duncan′s检验法进行多重比较。

采用隶属函数法^[12]对不同茶菊品种的抗旱能力进行综合评价。隶属函数值的计算公式如下:

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或

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式中,X_i为某一指标的测定值/对照值,X_min为所有供试材料该指标测定值/对照值中的最小值,X_max为所有供试材料该指标测定值/对照值中的最大值。若所用指标与抗旱性呈正相关,用式(1)；反之用式(2)。计算出不同茶菊品种的抗旱隶属值平均值,平均值越大,抗旱性越强。

由图 1可知,在不同强度干旱胁迫25d后,各茶菊品种的株高和叶片数均有所增加,但因干旱梯度和品种的不同,其株高和叶片数增量不同。随着干旱胁迫的增强,乳荷和黄滁龙的株高增量呈显著降低趋势(P<0.05),玉人面和繁白露的株高增量则在轻度干旱胁迫下上升,中度、重度干旱胁迫下显著降低。各茶菊品种的叶片数增量随着干旱胁迫的增强呈降低趋势,其中,乳荷叶片数增量在轻度和中度干旱胁迫下与对照差异不显著(P＞0.05),重度干旱胁迫下显著降低。不同茶菊品种叶片数增量下降幅度由大到小依次为玉人面＞繁白露＞黄滁龙＞乳荷,分别比对照下降了91.76%、85.19%、76.40%和75.77%,表明干旱胁迫对乳荷的叶片数增量影响较小,而对玉人面的叶片数增量影响较大。

图1 不同强度干旱胁迫对植株生长形态的影响 Fig.1 Effect of different drought stress on the growth morphology of plants

图选项

不同茶菊品种随着干旱胁迫的增强,叶面积呈降低趋势(图 1),轻度干旱胁迫下,叶面积与对照差异不显著(P＞0.05)。与对照相比,玉人面、繁白露、黄滁龙和乳荷在重度干旱胁迫下叶面积的降低幅度依次为38.95%、38.76%、38.70%和28.72%。

干旱胁迫显著降低了茶菊的叶片相对含水量(P＜0.05)(图 1),且随着干旱强度的增强呈降低趋势。不同茶菊品种叶片相对含水量的下降幅度由大到小依次为玉人面＞黄滁龙＞乳荷＞繁白露,分别比对照下降了18.05%、13.15%、12.84%和9.88%,同处理下,玉人面的叶片相对含水量明显低于其它3个品种,表明玉人面的叶片保水能力较其它茶菊品种差,这可能与其较大的叶面积有关。

不同干旱胁迫强度下各茶菊品种生物量积累发生明显改变(表 1)。随着干旱胁迫的增强,4种茶菊总生物量、根生物量和地上生物量均表现出不同程度的降低。其中,干旱胁迫显著降低了茶菊总生物量(P＜0.05),下降幅度由大到小依次为玉人面＞繁白露＞黄滁龙＞ 乳荷,分别比对照下降了67.84%、63.21%、58.67%和35.88%。根生物量随着干旱胁迫的增强下降幅度小于地上部分生物量,玉人面、乳荷、黄滁龙和繁白露的根生物量和地上部分生物量的下降幅度分别是对照的63.66%、24.43%、51.44%和50.77%,69.55%、40.92%、60.07%和66.96%。这表明干旱胁迫导致各器官生物量分配较多地流向根中,而向茎叶的分配减少,根冠比增大,同时从表 1结果可知,随着干旱胁迫的增强,根冠比呈升高趋势,4个茶菊品种的根冠比上升幅度由大到小依次为繁白露＞黄滁龙＞乳荷＞ 玉人面,分别比对照上升了45.38%、29.49%、24.68%和22.60%。此外,在轻度和中度干旱胁迫下,乳荷的根生物量和地上部分生物量与对照无显著差异(P＞0.05),且同处理下,其根冠比均高于其它3个品种,表现出强的生物量分配能力。

由图 2可知,随着干旱胁迫的增强,不同茶菊品种叶片的MDA含量呈显著增加趋势(P＜0.05),在轻度和中度干旱胁迫下,增加速度相对缓慢,在重度干旱胁迫下,MDA含量迅速积累,并达到最大值。各茶菊品种MDA含量增加幅度由大到小依次为玉人面＞黄滁龙＞繁白露＞乳荷,分别比对照提高了56.61%、49.40%、48.57%和48.22%,其中,玉人面在各干旱胁迫处理下MDA含量高于其它3个品种,干旱胁迫对其细胞膜的伤害程度较大。

图2 不同强度干旱胁迫对丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白含量和超氧化物歧化酶活性的影响 Fig.2 Effect of different drought stress on the content of malonic dialdehyde,praline,soluble protein and activity of superoxide dismutase of plants

图选项

干旱胁迫显著增加了茶菊叶脯氨酸(Pro)含量(P＜0.05),随着干旱胁迫的增强,不同茶菊品种叶Pro含量呈上升趋势(图 2)。轻度、中度干旱胁迫下茶菊叶Pro积累速度相对平缓,重度干旱胁迫下迅速增加并达到最大值,繁白露、黄滁龙、乳荷和玉人面叶Pro含量分别比对照提高了3.80、3.72、3.48和2.56倍。

由图 2可知,各茶菊品种叶可溶性蛋白(SPC)含量随着干旱胁迫程度的增强而升高。其中,玉人面叶SPC含量在轻度和中度干旱胁迫下变化平缓,与对照差异不显著(P＞0.05)；乳荷、黄滁龙在轻度干旱胁迫下显著增加,随着干旱胁迫强度的再增强,SPC含量无显著变化(P＞0.05)。4个茶菊品种叶SPC含量增加幅度由高到低依次为乳荷＞繁白露＞玉人面＞黄滁龙,分别比对照提高了55.71%、40.52%、39.57%和29.00%。

随着干旱胁迫的增强,茶菊叶SOD活性总体呈增加趋势(图 2),但不同茶菊品种叶片SOD活性达到最高值所对应的胁迫梯度和增加幅度不同。乳荷、黄滁龙和繁白露叶SOD活性均在重度干旱胁迫达到最高；玉人面叶SOD活性则在中度干旱胁迫下达到高峰,重度干旱胁迫下SOD活性下降；不同茶菊品种叶SOD活性增加幅度从高到低依次为黄滁龙＞乳荷＞繁白露＞玉人面,分别是对照的1.95、1.54、1.52和1.26倍。

不同强度干旱胁迫下茶菊Chl含量变化明显(图 3),随着干旱胁迫的增强,Chl含量呈显著增加趋势(P＜0.05)。重度干旱胁迫下,不同茶菊品种Chl含量达到最高,增加幅度由大到小依次为玉人面＞黄滁龙＞乳荷＞繁白露,与对照相比分别提高了74.85%、68.75%、66.61%和60.39%。

图3 不同强度干旱胁迫对植株叶绿素含量的影响 Fig.3 Effect of different drought stress on the chlorophyll content of plants

图选项

由图 4可知,随着干旱胁迫的增强,茶菊叶净光合速率P_n呈降低趋势。乳荷在轻度干旱胁迫下P_n与对照差异不显著(P＞0.05),重度干旱胁迫下,各茶菊品种P_n下降幅度由大到小依次为玉人面＞黄滁龙＞繁白露＞乳荷,分别比对照下降了60.04%、59.45%、56.28%和54.59%。

图4 不同强度干旱胁迫对植株光合响应特性的影响 Fig.4 Effect of different drought stress on the photosynthetic response of plants

图选项

随着干旱胁迫的增强,各茶菊品种叶片T_r显著下降(P＜0.05)(图 4)。其中,乳荷和繁白露叶T_r在轻度干旱胁迫下与照差异不显著(P＞0.05)。不同茶菊品种叶T_r在重度干旱胁迫下降到最低,下降幅度由大到小依次为黄滁龙＞玉人面＞繁白露＞乳荷,分别比对照下降了59.63%、58.47%、57.06%和55.55%。

干旱胁迫显著降低了茶菊叶G_s(P＜0.05),且随着干旱胁迫的增强呈下降趋势(图 4)。重度干旱胁迫下,不同茶菊叶G_s最低,下降幅度由大到小依次为黄滁龙＞玉人面＞繁白露＞乳荷,与对照相比分别下降了77.99%、76.08%、74.57%和73.64%。

随着干旱胁迫的增强,茶菊叶C_i呈先降后升趋势(图 4)。不同茶菊品种叶C_i在中度干旱胁迫下降到最低,下降幅度由大到小依次为黄滁龙＞玉人面＞繁白露＞乳荷,与对照相比分别下降了26.21%、20.72%、19.34%和17.14%；重度干旱胁迫下,茶菊叶C_i表现出上升趋势。

对各茶菊幼苗在重度干旱胁迫下生理、形态指标进行隶属函数处理(表 2),结果表明玉人面、乳荷、黄滁龙和繁白露的各项指标隶属函数平均值分别为0.168、0.882、0.552和0.466,4个茶菊品种的抗旱性大小由高到低为乳荷＞黄滁龙＞繁白露＞玉人面。

光合作用是构成植物生物量的基础^[13],生物量又影响着植物的发育和结构的形成^[14]。本研究结果表明,随着干旱胁迫的增强,各茶菊品种光合能力降低,生长受到抑制,地下、地上部分生长缓慢,总生物量显著下降。干旱促使茶菊干物质分配发生了改变,随着干旱胁迫的加重,生物量优先向根系分配,根冠比增大,表现了植物适应干旱逆境的一种“开源”策略^[15]；同时,随着干旱胁迫的增强,显著降低了茶菊的叶片数和叶面积,而叶片作为水分消耗的重要器官,在干旱胁迫条件下的变化是维持植物体内水分平衡的重要表现^[16],本研究结果中,茶菊通过降低叶片数和减小叶面积降低植物的蒸腾速率,以维持叶片和植物体内相对高的含水量,表现了植物适应干旱逆境的“节流”策略^[15]。因此,干旱胁迫下,植株具有高根冠比和高的叶片相对含水量,对干旱的耐受性较强。同时,研究表明,根冠比和叶片相对含水量与抗旱性之间均呈正相关关系^{[12, 17]}。本研究中,乳荷在不同干旱胁迫强度下,根冠比和叶片相对含水量均高于其它3个品种,且随着干旱胁迫的增强,叶片相对含水量的下降幅度较小,表现了较强的抗旱性。

干旱胁迫对植物的伤害首先表现为膜脂过氧化^[18],MDA含量的高低反映了膜脂过氧化和膜受伤害的程度^[8]。本研究中,随着干旱胁迫的增强,MDA含量增加,膜脂过氧化严重,其中轻度和中度干旱胁迫下MDA含量上升相对缓慢,表明各茶菊幼苗对干旱有一定的耐受性。植物在抵御和适应不良环境时,自身会形成一些防御机制,如及时启动抗氧化系统、进行渗透调节等^[19]。渗透调节物质SPC含量在轻度、中度干旱胁迫下大幅提高；Pro含量则在轻度、中度干旱胁迫变化平缓,重度干旱胁迫下迅速积累,表明SPC在抵御轻、中度干旱时发挥重要作用,重度干旱胁迫下植物主要通过增加Pro含量增强其抗逆性。干旱胁迫显著提高了SOD活性,但不同茶菊叶SOD活性随干旱胁迫的增强其变化趋势不一致。根据马宗仁等^[20]的时间差理论,植物存在一个耐受胁迫的极限。玉人面在中度干旱胁迫下达到了耐受胁迫的极限,胁迫强度再加强,SOD活性开始下降；其它3个品种则在干旱胁迫过程中均保持了较高的SOD活性,对干旱胁迫的适应性较强。

关于干旱胁迫下植株叶绿素含量的变化报道不一。张路^[7]等认为菊花随水分胁迫处理时间的延长,叶片Chl含量呈显著下降趋势；而时丽冉^[6]等认为在轻度干旱胁迫下菊花Chl含量比对照上升6.2%,而在中度和重度干旱胁迫下Chl含量比对照下降14.3%和31.4%。本研究中,随着干旱胁迫的增强,各茶菊品种Chl含量呈显著增加趋势,与李芳兰^[21]等研究结果一致。干旱胁迫下Chl含量变化的这种差异可能与植物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,至于干旱胁迫下Chl含量增加可能是叶片相对含水量降低,每克叶干重、细胞数增加,导致Chl浓缩,含量上升,该现象是幼苗在干旱胁迫下维持光合速率的生理适应机制^[22]。本研究中,随着干旱胁迫的增强,玉人面Chl含量增加幅度最高,但其光合速率和生物量下降幅度最大,而抗旱性较强的乳荷Chl含量增加幅度虽较低,光合速率和生物量下降幅度最小。由此推测,在干旱胁迫下,茶菊Chl含量变化与光合速率变化无相关性。胡颂平^[23]等在对干旱胁迫下水稻叶片光合速率与叶绿素含量的相关性研究中也认为,Chl含量与光合速率在正常供水下呈极显著正相关,但在干旱下则无相关性,支持本文观点。

综上所述,4种茶菊幼苗在形态、光合生长和生理生化等方面均对干旱胁迫表现出明显的响应,但不同品种对干旱胁迫的耐受能力及适应能力不同,且单项指标不能有效、准确地评价植物抗旱性。同时,重度干旱胁迫下各茶菊幼苗叶发生缓慢、单叶面积减小、成熟叶凋落等胁迫症状差异明显,且各指标与对照相比差异较大,便于快速辨别不同茶菊幼苗间抗旱性差异。因此,结合隶属函数法对重度干旱胁迫下不同指标进行综合评价。4种茶菊品种耐旱性由强到弱依次为乳荷＞黄滁龙＞繁白露＞ 玉人面,这与其生长、生理等指标的变化相吻合。因此,在茶菊的节水栽培推广中,应优先选择抗旱性较强的乳荷。

致谢： 感谢赵丽君、王金将、赵靓、王晨等同学对试验的帮助。