林雪燕 侯健 林俊蘭 宗語(yǔ)馨 金睿哲 薛秋華

(福建農(nóng)林大學(xué) a.園林學(xué)院，b.國(guó)際學(xué)院；福建 福州 350002)

芳香植物指可以通過(guò)葉、花、果、根等各器官或整株散發(fā)出香氣，并兼具一定藥用價(jià)值的植物類(lèi)群[1]。其具藥食同源功效[2]，可趨避植食性昆蟲(chóng)，改善果[3]、菜[4]、茶園[5]土壤理化性質(zhì)，部分可作為燃料、綠肥使用和優(yōu)秀的蜜源植物。其特定揮發(fā)性成分對(duì)預(yù)防和治療疾病具有顯著效果，為康復(fù)景觀(guān)、盲人花園、療愈花園等保健綠地的主要應(yīng)用植物[6]。

全球氣候變暖干熱化導(dǎo)致植物干旱脅迫普遍存在，城市環(huán)境美化綠化消耗大量水資源，選擇抗旱性強(qiáng)的植物可保護(hù)生態(tài)環(huán)境和降低園林的建設(shè)、養(yǎng)護(hù)成本[7]。干旱使植物的形態(tài)和內(nèi)部生理生化發(fā)生變化，包括：植物葉片含水量下降、抗氧化酶系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成與分解、光合作用等[8]。

芳香植物物種豐富，綜合應(yīng)用價(jià)值高，具良好的開(kāi)發(fā)前景，對(duì)其逆境生理研究報(bào)道較少。本研究對(duì)3種功能性強(qiáng)的芳香植物神香草(Hyssopusofficinalis)、檸檬香茅(Cymbopogoncitratus)、蝶豆(Clitoriaternatea)進(jìn)行盆栽控水試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比不同脅迫時(shí)間下3種芳香植物的形態(tài)和生理生化變化，探討它們對(duì)自然干旱脅迫的生理生化響應(yīng)，運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)法進(jìn)行抗旱性綜合排序，以期為3種芳香植物的引種栽培與應(yīng)用推廣的水分管理提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料來(lái)自福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院實(shí)踐基地。選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻、生長(zhǎng)健壯的1年生盆栽神香草、檸檬香茅、蝶豆進(jìn)行試驗(yàn)。3種植物材料均栽種在高16cm、上口徑17cm、下口徑13cm的塑料盆中。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2021年8月采用盆栽控水模擬自然干旱脅迫的方法，將3種芳香植物澆水飽和后放入智能光照培養(yǎng)箱25℃/20℃(12 h/12 h，晝/夜)進(jìn)行試驗(yàn)，智能光照培養(yǎng)箱白天光照強(qiáng)度為3 000Lux，相對(duì)濕度為60%。分別在第2、4、6、8、10、12d(預(yù)試驗(yàn)中3種材料的全部葉片枯萎時(shí)間為12d)后選擇成熟葉片混合取樣，以第1次取樣作為對(duì)照組(CK)。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

取樣時(shí)記錄3種植物生長(zhǎng)狀態(tài)，劃分干旱等級(jí)[8]。葉片相對(duì)含水量(RWC)采用浸提法；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑法；過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法；過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法(TBA)；細(xì)胞膜透性(CMP)采用相對(duì)電導(dǎo)率法；可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法；可溶性蛋白(SP)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法；脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮法；葉綠素(Chl)總濃度采用乙醇提取法。生理生化指標(biāo)的測(cè)定方法參考《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》[9]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)整理和制圖使用Excel 2016軟件，使用SPSS 20.0軟件對(duì)自然干旱脅迫下3種植物指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，差異顯著水平為0.05，用字母標(biāo)記差異顯著性。

采用模糊隸屬函數(shù)法對(duì)3種芳香植物進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)定。隸屬值計(jì)算公式為：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(公式1)

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(公式2)

式中：Xi為指標(biāo)測(cè)定值，Xmax為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的最大值，Xmin為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的最小值，R(Xi)為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的隸屬度。隸屬函數(shù)(公式1)計(jì)算正相關(guān)指標(biāo)，反隸屬函數(shù)(公式2)計(jì)算負(fù)相關(guān)指標(biāo)，將各植物的指標(biāo)隸屬值進(jìn)行累加計(jì)算綜合值，綜合值越大，抗旱性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然干旱脅迫下3種芳香植物的形態(tài)變化

干旱6d，神香草葉緣開(kāi)始失水萎蔫，檸檬香茅新葉邊緣開(kāi)始卷曲。干旱8d神香草植株部分萎蔫變軟；檸檬香茅老葉邊緣開(kāi)始卷曲，新葉失水皺縮；蝶豆新葉開(kāi)始卷曲，葉子因失水閉合，成熟葉片厚度變薄。干旱10d，神香草大部分葉片萎蔫，生長(zhǎng)受抑制；檸檬香茅1/3葉片卷曲萎蔫；蝶豆新葉卷曲，嫩梢耷拉，1/2老葉枯萎變黃，成熟葉片變得更薄。干旱12d，神香草枝條全部耷拉，葉片全部失水皺縮；檸檬香茅3/4以上葉片萎蔫；蝶豆整株植株枯萎，老葉開(kāi)始脫落。神香草和檸檬香茅復(fù)水后當(dāng)天即恢復(fù)生長(zhǎng)狀態(tài)，蝶豆新芽次日挺立，老葉脫落后一周內(nèi)有新芽長(zhǎng)出(見(jiàn)表1)。

表1 干旱對(duì)3種芳香植物的傷害等級(jí)

2.2 自然干旱脅迫下3種芳香植物葉片相對(duì)含水量的變化

3種植物的葉片相對(duì)含水量在自然干旱脅迫下均下降。3種植物的葉片相對(duì)含水量分別顯著下降了16.29%、15.46%、22.76%(p<0.05)(見(jiàn)圖1)。

圖1 自然干旱脅迫下3種植物葉片相對(duì)含水量的變化

2.3 自然干旱脅迫下3種芳香植物的抗氧化酶活性變化

自然干旱脅迫中，神香草的SOD活性在第4d顯著下降18.56%(p<0.05)，第10d達(dá)最大值，為CK的1.21倍，差異水平顯著(p<0.05)。檸檬香茅的SOD活性先顯著上升(p<0.05)，第4d達(dá)最大值，后期平緩變化，各處理組的SOD活性均顯著高于CK(p<0.05)。蝶豆的SOD活性在干旱脅迫過(guò)程中呈波浪變化，具雙峰現(xiàn)象，在脅迫第6、10d其活性分別較CK增加11.23%、13.12%(見(jiàn)圖2)。

圖2 自然干旱脅迫下3種植物SOD活性的變化

神香草的POD活性在干旱第6d時(shí)下降，第8d顯著上升(p<0.05)，較CK增加47.32%。檸檬香茅的POD活性在脅迫初期顯著下降(p<0.05)，第6d其POD活性為CK的60.87%；第10d檸檬香茅POD活性有最小值，為CK的20.00%；脅迫12d后檸檬香茅POD活性急速上升超過(guò)CK值。蝶豆的POD活性先升后降，在第4d有最大值，為CK的1.86倍；隨后POD活性下降(見(jiàn)圖3)。

圖3 自然干旱脅迫下3種植物POD活性的變化

神香草的CAT活性先降后升，干旱第6d其活性最小，與CK無(wú)顯著差異(p>0.05)；第12d其CAT活性有最大值。干旱脅迫6d，檸檬香茅CAT活性下降至CK的51.11%(p<0.05)；隨后上升，在第8d有最大值，為CK的1.4倍；第10、12d其CAT活性均顯著小于CK。蝶豆的CAT活性在干旱脅迫前6d顯著上升至CK的1.74倍(p<0.05)；隨后迅速下降，在第10d有最小值，為CK的81.94%；脅迫12d后其活性上升至高于CK值(見(jiàn)圖4)。

圖4 自然干旱脅迫下3種植物CAT活性的變化

2.4 自然干旱脅迫下3種芳香植物的膜穩(wěn)定性變化

神香草的MDA含量隨著干旱脅迫的時(shí)間延長(zhǎng)呈波動(dòng)變化，干旱4d及以后的MDA含量均高于CK值。干旱脅迫前8d，檸檬香茅的MDA含量顯著升高至CK的1.43倍(p<0.05)；干旱第10d的MDA含量雖有些許下降，仍較CK高出38.99%；干旱12d后MDA含量最高，為CK的1.55倍。自然干旱脅迫下蝶豆的MDA含量變化趨勢(shì)和神香草較為相似，在干旱10d有最大值，含量為CK的1.88倍(見(jiàn)圖5)。

圖5 自然干旱脅迫下3種植物MDA含量的變化

自然干旱脅迫下，3種芳香植物的細(xì)胞膜透性總體增大。神香草的細(xì)胞膜透性隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)而增大，在干旱12d后顯著高于CK值(p<0.05)，增加了62.23%。干旱8d檸檬香茅的細(xì)胞膜透性顯著增加至CK的1.17倍(p<0.05)，干旱10、12d后的細(xì)胞膜透性與CK差異顯著(p<0.05)，12d后的細(xì)胞膜透性為CK的1.55倍。蝶豆的細(xì)胞膜透性在干旱前6d無(wú)顯著變化(p>0.05)；干旱8d顯著增大，為CK的1.96倍(見(jiàn)圖6)。

圖6 自然干旱脅迫下3種植物細(xì)胞膜透性的變化

2.5 自然干旱脅迫下3種芳香植物的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化

神香草的可溶性糖含量隨干旱脅迫呈先降后升趨勢(shì)，干旱第10d，神香草可溶性糖含量急速上升，較第8d上升了7.6倍(p<0.05)。檸檬香茅的可溶性糖含量隨脅迫時(shí)間呈S形變化，脅迫第10d可溶性糖含量最高，較CK高出13.79%；脅迫12d后含量顯著下降至低于CK50.03%(p<0.05)。蝶豆的可溶性糖含量先升后降，脅迫8d前期含量變化平緩；10d后其含量可達(dá)最高值，為CK的2.21倍(見(jiàn)圖7)。

圖7 自然干旱脅迫下3種植物可溶性糖含量的變化

3種植物的可溶性蛋白在自然干旱脅迫下呈波動(dòng)變化。干旱第8d，神香草的可溶性蛋白有最低值，為CK的84.84%。干旱過(guò)程中，神香草的可溶性蛋白含量均低于CK值。干旱10d，檸檬香茅的可溶性蛋白量與CK無(wú)顯著差異(p>0.05)，其他處理均與CK差異顯著(p<0.05)。干旱脅迫4d，蝶豆的可溶性糖含量顯著下降至CK的73.72%(p<0.05)；脅迫10d后其含量與CK無(wú)顯著差異(p>0.05)(見(jiàn)圖8)。

圖8 自然干旱脅迫下3種植物可溶性蛋白含量的變化

神香草的脯氨酸含量在干旱前6d先降后升，在干旱后6d先降后升；干旱脅迫6d后其含量最低，為CK的77.54%；干旱12d后其含量較第10d快速增加至CK的2.66倍，差異水平顯著(p<0.05)。檸檬香茅的脯氨酸含量先增后降再升；干旱脅迫6d后其脯氨酸含量均顯著高于CK值(p<0.05)。蝶豆的脯氨酸含量變化趨勢(shì)呈先升后降趨勢(shì)，在干旱10d達(dá)最大值，為CK的9.01倍；干旱12d其含量下降，但仍顯著高出CK5.44倍(見(jiàn)圖9)。

圖9 自然干旱脅迫下3種植物脯氨酸含量的變化

2.6 自然干旱脅迫下3種芳香植物的葉綠素濃度變化

神香草的葉綠素濃度呈S形變化，第6d達(dá)最大值，濃度為CK的1.21倍；第10d，其葉綠素濃度有最小值，為CK的71.20%。檸檬香茅的葉綠素濃度先升后降再升，第6d其含量顯著高出CK39.30%(p<0.05)；干旱12d，其葉綠素濃度為CK的1.53倍。蝶豆的葉綠素濃度在第6d達(dá)最小值，為CK的63.98%；第10d其葉綠素濃度顯著躍升至CK的1.88倍(p<0.05)；12d后其葉綠素濃度為CK的1.64倍，差異水平顯著(p<0.05)(見(jiàn)圖10)。

圖10 自然干旱脅迫下3種植物葉綠素濃度的變化

2.7 隸屬函數(shù)值與抗旱性綜合分析

利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)3種芳香植物抗旱能力，神香草的綜合隸屬函數(shù)值為4.22，檸檬香茅的綜合隸屬函數(shù)值為4.95，蝶豆的綜合隸屬函數(shù)值為4.04。3種芳香植物的抗旱性排序?yàn)闄幟氏忝?神香草>蝶豆(見(jiàn)表2)。

表2 3種芳香植物指標(biāo)綜合隸屬函數(shù)值的抗旱性評(píng)價(jià)

3 討論與結(jié)論

植物葉片對(duì)環(huán)境變化具有極強(qiáng)的敏感性，影響著植物的生存能力和生長(zhǎng)。干旱脅迫下，植物葉片會(huì)出現(xiàn)卷曲或萎蔫現(xiàn)象，以防止葉片失水過(guò)多，減緩葉片衰老與脫落。本研究中3種芳香植物對(duì)于自然干旱的反應(yīng)不一致。在干旱6d神香草、檸檬香茅葉片因失水而發(fā)生卷縮，干旱8d蝶豆葉片葉緣開(kāi)始卷縮，綜合葉片相對(duì)含水量分析，檸檬香茅葉片的保水能力強(qiáng)于神香草和蝶豆。白瑞琴等[11]研究發(fā)現(xiàn)自然干旱脅迫8—12d后神香草開(kāi)始出現(xiàn)葉片萎蔫現(xiàn)象，與本研究結(jié)果相似。3種植物在試驗(yàn)后復(fù)水都能快速恢復(fù)生長(zhǎng)，均能較好適應(yīng)干旱脅迫。

植物在遭受逆境脅迫時(shí)產(chǎn)生活性氧，自由基含量過(guò)多會(huì)影響細(xì)胞的正常生命活動(dòng)，需要通過(guò)抗氧化防御系統(tǒng)清除[12]481-489。SOD、POD、CAT是植物體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)的主要抗氧化酶，三者之間具有協(xié)同作用，能夠有效地清除活性氧自由基，減輕或避免活性氧對(duì)脂膜的攻擊，防止膜損傷[12]481-489。自然干旱下，神香草的SOD活性先降后升再降，在干旱前期神香草處于正常生長(zhǎng)狀態(tài)，SOD活性下降為正常生理反應(yīng)；隨干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，神香草感受到了干旱脅迫，其SOD活性顯著增強(qiáng)以適應(yīng)干旱脅迫，干旱后期雖然其SOD活性有下降，但仍高于CK，說(shuō)明長(zhǎng)期干旱脅迫下神香草SOD起著重要作用；檸檬香茅、蝶豆的SOD活性變化較神香草的平緩，干旱脅迫下檸檬香茅的SOD活性均較CK的高；干旱后期蝶豆的SOD活性與CK的差異不顯著，說(shuō)明SOD作為抗氧化防御系統(tǒng)的第一種酶，能夠及時(shí)有效地清除干旱下3種植物的超氧根離子，減輕干旱對(duì)植物的傷害。本試驗(yàn)中神香草、檸檬香茅POD在短期干旱處理并不起作用，中度干旱激發(fā)神香草POD活性；雖然在干旱過(guò)程中兩者的POD活性無(wú)明顯變化趨勢(shì)，但長(zhǎng)期脅迫激發(fā)神香草、檸檬香茅的POD活性，兩者POD均能較好適應(yīng)干旱處理；蝶豆的POD活性在短期干旱處理下升高，隨后下降，說(shuō)明短期輕度干旱能夠激發(fā)神香草的POD活性，蝶豆POD活性不適應(yīng)中、后期自然干旱處理。神香草的CAT活性在干旱脅迫過(guò)程中不具有顯著差異，CAT不能作為神香草的抗旱指標(biāo)；干旱處理下檸檬香茅最強(qiáng)的CAT活性與CK不具有顯著差異，干旱不能激發(fā)檸檬香茅CAT活性。蝶豆的CAT活性在干旱脅迫下變化幅度大，干旱10d作為激發(fā)蝶豆CAT活性的時(shí)間點(diǎn)，隨后持續(xù)干旱使CAT活性降低。3種芳香植物的SOD、POD、CAT活性在干旱脅迫下變化復(fù)雜，相互協(xié)調(diào)。SOD、POD可作為神香草、檸檬香茅抗旱性指標(biāo)，3種酶均能作為蝶豆的抗旱性指標(biāo)。

植物受到脅迫后體內(nèi)產(chǎn)生活性氧自由基進(jìn)而產(chǎn)生過(guò)氧化產(chǎn)物，MDA為過(guò)氧化產(chǎn)物之一，其含量的變化體現(xiàn)了膜脂過(guò)氧化作用的程度[13]624-634。MDA能夠與蛋白質(zhì)或核酸等形成聚合物破壞細(xì)胞膜，細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)因?yàn)榧?xì)胞膜透性增大而外滲，表現(xiàn)在可測(cè)量的相對(duì)電導(dǎo)率上[14]。3種植物的MDA含量和細(xì)胞膜透性變化較為一致，可認(rèn)為是膜脂過(guò)氧化引起了膜損傷，說(shuō)明本試驗(yàn)處理的有效性。干旱前期3種植物的MDA含量和細(xì)胞膜透性變化較為平緩，說(shuō)明干旱脅迫程度低時(shí)，對(duì)膜脂過(guò)氧化反應(yīng)及膜透性的影響較小，植物對(duì)于干旱變化有一定的防御作用，其中有其他的生理反應(yīng)參與進(jìn)來(lái)[15]。3種植物的MDA含量、細(xì)胞膜透性可作為抗旱性鑒定指標(biāo)。

3種植物受到干旱脅迫時(shí)，體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量發(fā)生明顯變化，以緩解、抵抗干旱脅迫帶來(lái)的傷害。本研究中干旱前6d，3種植物的可溶性糖、可溶性蛋白、神香草脯氨酸含量均小于CK，說(shuō)明這3種物質(zhì)在相對(duì)應(yīng)的植物中對(duì)短期干旱脅迫的敏感性較低；隨著干旱脅迫時(shí)間延長(zhǎng)至10d，3種植物可溶性糖含量均升高來(lái)適應(yīng)長(zhǎng)期干旱[13]624-634，這與劉芳等[16]在迷迭香(Rosmarinusofficinalis)的干旱試驗(yàn)結(jié)果一致。3種植物的可溶性蛋白含量在干旱脅迫下并無(wú)明顯升高，可能干旱抑制了蛋白質(zhì)合成。干旱12d后神香草脯氨酸含量升高，檸檬香茅脯氨酸顯著高于CK，蝶豆的脯氨酸含量先升后降，在干旱10d后有最大值，干旱12d后其含量顯著高于CK，3種植物通過(guò)積累脯氨酸含量來(lái)提高原生質(zhì)膠體的穩(wěn)定性，減緩因干旱引起的傷害[17]，這與白瑞琴等[11]在幾種芳香植物上的研究結(jié)果較為一致?？扇苄蕴恰⒏彼峥勺鳛?種植物的抗旱性鑒定指標(biāo)。

葉綠體是植物進(jìn)行光合作用場(chǎng)所，葉綠素起捕獲光能、吸收光能的作用。葉綠素濃度是葉片生理活性變化、光合機(jī)能大小有關(guān)的指標(biāo)[18]。測(cè)量葉綠素濃度能夠及時(shí)了解植物對(duì)于逆境的反應(yīng)及生長(zhǎng)狀況。本試驗(yàn)中，中度適當(dāng)干旱能夠提高神香草的葉綠素濃度，后期持續(xù)干旱其光合作用受抑制；自然短、中期干旱對(duì)檸檬香茅、蝶豆的光合作用影響較小，長(zhǎng)期中度干旱能夠顯著提高兩者葉綠素濃度，增強(qiáng)兩者光合作用。

3種芳香植物自然干旱試驗(yàn)下其各個(gè)指標(biāo)變化沒(méi)有共同規(guī)律，應(yīng)用模糊隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)3種植物，可有效反映3種植物的抗旱性差異。3種植物的抗旱性排序?yàn)椋簷幟氏忝?神香草>蝶豆。模糊隸屬函數(shù)法已被應(yīng)用來(lái)評(píng)價(jià)紫苜蓿(Medicagosativa)[19]、馬鈴薯(Solanumtuberosum)[20]等的抗旱性，運(yùn)用此方法評(píng)價(jià)本研究中3種芳香植物的抗旱性，結(jié)果更為科學(xué)可靠。