Effects of Drought Stress and Rehydration on Physiological Characteristics of Hemerocallis fulva

WANG Yang, YU Senmiao, WANG Jingyang, SONG Hailong, LEI Yaodong, ZHANG Haiyan, LIU Bo

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (19) : 58-64. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0394

Effects of Drought Stress and Rehydration on Physiological Characteristics of Hemerocallis fulva

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Abstract

To study the effects of drought stress and rehydration on the physiological characteristics of day lily (Hemerocallis fulva), the changes of relative water content, chlorophyll, relative electrical conductivity, antioxidant enzyme activity and osmotic regulation substances in leaves were measured by water control in pot culture to simulate drought and rewatering. The results showed that: (1) with the progress of drought stress, the leaf relative water content in mild, moderate and severe drought treatments decreased gradually, and recovered after rewatering, but still significantly lower than that of the control treatment (P<0.05). (2) The chlorophyll content increased at first and then decreased, and increased after rewatering. The chlorophyll content of mild and moderate drought stress treatments was not significantly different from that of the control group (P>0.05). (3) The relative conductivity was significantly higher than that of the control group (P<0.05) until 28 days, and the relative conductivity of each treatment group decreased significantly after rehydration. With the extension of stress time, the content of MDA in mild, moderate and severe drought treatments increased gradually, and decreased rapidly after rewatering, but it was significantly higher than that in the control group (P<0.05). (4) Soluble sugar and proline increased continuously in the three treatment groups. After rehydration, the contents of soluble sugar and proline in all treatment groups decreased significantly, but they were still significantly higher than those in the control group (P<0.05). (5) The activities of SOD, POD and CAT in each treatment group increased in varying degrees. After rehydration, the activities of POD, SOD and CAT in mild, moderate and severe drought treatments decreased, but still higher than the normal level.

Key words

Hemerocallis fulva / drought stress / rehydration / osmoregulation / antioxidase

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WANG Yang , YU Senmiao , WANG Jingyang , SONG Hailong , LEI Yaodong , ZHANG Haiyan , LIU Bo. Effects of Drought Stress and Rehydration on Physiological Characteristics of Hemerocallis fulva. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2023, 39(19): 58-64 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0394

0 引言

干旱是限制中国西北以及华北地区的农林业发展、生态恢复的主要限制因素[1],由此产生的干旱胁迫影响植物的生长发育以及生理生化等代谢过程。在国内干旱和半干旱地区,土壤水分亏缺现象严重,植物幼苗很容易受到胁迫,同时短时间出现的降雨可以在一定程度上缓解干旱胁迫对植物的影响。干旱胁迫后的复水可以对植物生长发育产生修复作用,不同植物在复水后的恢复过程也表现出不同[2],干旱后的复水可能对植物生长发育起着更为重要的作用,植物时常处于土壤干旱和短时湿润交替干扰环境中可以对植物抗旱性起到驯化作用,有利于提高植物耐旱能力[3]。同时,其生理生化代谢也会受到影响,伊犁绢蒿[4](Seriphidium transiliense)、紫穗槐[5](Amorpha fruticosa)的幼苗在受到干旱胁迫时,株高和根长明显下降。不仅如此,干旱胁迫通常会导致大量的含氧自由基(ROS)在植物细胞中大量地产生并积累,给植物细胞带来脱脂化和质膜过氧化等氧化损伤[6]。另一方面,植物在应对干旱胁迫时会做出的一系列生理生化响应也越来越受到科研人员关注,在对射干进行干旱胁迫并复水后,发现其叶绿素荧光与光合能力得到了一定程度的恢复[7]。因此,如何合理地利用水资源,在保证植物避免遭受过高的干旱胁迫损害的同时,达到节约用水的目的,已成为当下相关研究的热点问题。
萱草(Hemerocallis fulva)为百合科萱草属植物,又被称为“忘忧草”,因花色艳丽,早春便可盛开,常被应用于花境或作疏林地被植物,此外其具有管理成本低廉、对各种环境适应性强的优势,这也使得萱草成为优良的园林绿化草本植物。萱草具有较强的抗旱性,干旱胁迫会对萱草的光合系统产生影响,不同品种的大花萱草受干旱胁迫影响程度不同[8-9]。然而,对干旱胁迫及复水条件下萱草生理特性的研究尚不完善。本研究采用盆栽控水来模拟天然降水,探讨干旱胁迫和复水环境条件下萱草生理特性的变化,以期为萱草在不同土壤水分条件下高效栽培和推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验在青岛农业大学温室大棚内进行。2021年6月20日选取长势一致且健康的萱草组培苗栽植到花盆中,花盆的选择标准为上口径24 cm、下口径19.5 cm、高26 cm。栽培基质为园土:草炭土=3:1的混合基质。选择自然状态下的试验用土,使用环刀法测定田间持水量。对于土壤中水分的控制分为4组,即正常水平(CK,田间最大持水量的75%~80%)、轻度干旱(LD,light drought,田间最大持水量的60%~70%)、中度干旱(MD,moderate drought,田间最大持水量的55%~60%)、重度干旱(HD,hard drought,田间最大持水量的45%~50%),每个处理设置5组重复共10盆。分别在胁迫处理的0、7、14、21、28 d进行采样,28 d取样后复水至对照组水分梯度,并在复水7 d再次采样。取样时,每个处理分别选取3~5盆长势一致植株,选取顶端向下第3、4片功能叶进行剪取,采样后将样品编号分别放入自封袋中,置于低温保温桶内带回实验室进行生理指标的测定。采回叶片混匀,每个指标重复测定5次。

1.2 测定指标与分析方法

叶片相对含水量的测定参考谭春燕等[10]的方法,叶绿素含量的测定采用参考郑锦秀等[11]的方法,叶片相对电导率的测定采用电导仪法[12],CAT活性的测定采用分光光度计法[13],MDA含量的测定采用王朝英[14]的方法,可溶性糖含量测定采用孙晓春[15]的方法,POD含量的测定参考谭占明等[16]的方法,SOD含量的测定采用氮蓝四唑(NBT)法[17],脯氨酸含量的测定参考李青等[18]的方法。

1.3 数据分析

所有数据均为5次重复的平均值±标准误差。利用Microsoft Excel 2010和GraphPad Prism 8软件进行数据分析和作图分析,采用Two-Way ANOVA多重比较检验处理进行分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫及复水处理对叶片相对含水量的影响

图1可以看出,随植株受干旱胁迫时间增长,对照组叶片相对含水量与不同干旱处理组差异愈加显著,且叶片相对含水量呈现随干旱胁迫增强含水量逐渐下降趋势。在干旱胁迫达到7 d时,中度、重度干旱胁迫处理下的叶片相对含水量显著低于对照组(P<0.05),而轻度干旱胁迫处理下差异不显著;14 d时,3组干旱处理的萱草的叶片相对含水量均显著低于对照组(P<0.05);干旱胁迫21 d时,轻度、中度、重度干旱胁迫处理下的叶片相对含水量分别为92.5%、81.9%、76.5%,均显著低于对照组(P<0.05),其中中度、重度干旱胁迫处理下显著低于复水处理组;干旱胁迫28 d叶片相对含水量达到最低,轻度、中度、重度干旱胁迫处理下分别为91.7%、87.7%、67.7%;在对各处理组进行复水处理7 d后,轻度干旱胁迫处理下叶片相对含水量恢复为正常对照水平的92.6%,中度干旱组为正常对照水平的90.7%,重度干旱为正常对照水平的90.1%,仍显著低于对照处理(P<0.05)。
图1 干旱胁迫及复水处理对叶片相对含水量的影响
不同字母表示不同处理之间存在显著差异,下同

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2.2 干旱胁迫及复水处理对叶片叶绿素含量的影响

图2所示,随着干旱胁迫处理时间的延长,不同程度干旱胁迫处理叶片的叶绿素含量整体呈先升后降的变化趋势。其中轻度、中度干旱胁迫处理的叶绿素含量峰值均出现在胁迫的21 d时,其叶绿素含量分别为2.96、2.98 mg/g,重度干旱胁迫处理的叶绿素含量峰值出现在胁迫的7 d时,其叶绿素含量为2.75 mg/g,但与对照组差异均不显著;之后,叶绿素含量呈下降变化,在胁迫28 d时,仅重度干旱胁迫处理的叶绿素含量与对照组差异达到显著水平(P<0.05)。复水后,各处理的叶绿素含量均呈增加变化,但轻度、中度干旱胁迫处理的叶绿素含量与对照组差异未达到显著水平。
图2 干旱胁迫及复水处理对叶绿素含量的影响

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2.3 干旱胁迫及复水处理对叶片相对电导率的影响

图3可看出,萱草叶片的相对电导率在干旱胁迫下变化极为明显,各干旱胁迫处理叶片的相对电导率均随时间推移与干旱程度的加大而持续增加,其中在干旱胁迫处理7 d时,重度干旱胁迫处理下的相对电导率开始显著高于对照组(P<0.05),但轻度、中度干旱胁迫处理组与对照组差异不显著(P>0.05);3个处理组的相对电导率均显著高于对照组(P<0.05)直至28 d。复水后,各处理组的相对导电率均明显下降,但各处理组的叶片相对电导率仍高于对照组,且差异显著(P<0.05)。
图3 干旱胁迫及复水处理对叶片相对电导率的影响

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2.4 干旱胁迫及复水对叶片MDA及渗透调节物质含量的影响

2.4.1 MDA

轻度、中度、重度干旱处理的MDA含量随着胁迫时间的增加而持续上升(图4)。其中,3个处理组的MDA活性在干旱胁迫处理达到7 d时与对照组差异达到显著水平(P<0.05),并在干旱胁迫的28 d时达到峰值,此时,轻度、中度、重度干旱处理的MDA含量对照组相比分别增加18.47%、40.64%、63.29%。复水后,轻度、中度、重度干旱处理下的MDA含量迅速下降,但均显著高于对照组(P<0.05)。
图4 干旱胁迫及复水处理对MDA含量的影响

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2.4.2 脯氨酸

在各干旱处理组中萱草中的脯氨酸含量均呈持续上升的变化趋势(图5),通过进一步的比较发现各干旱胁迫处理组的脯氨酸含量在干旱胁迫的7 d时与对照组差异均达到显著水平(P<0.05),且4个干旱历时中,3个处理组的脯氨酸含量一直保持与对照组差异达到显著水平(P<0.05)。其中,干旱历时28 d的重度干旱处理的脯氨酸积累量在3个干旱历时处理中达到最大,是对照组脯氨酸含量的6.65倍,与对照组差异显著(P<0.05)。复水后,各处理组的脯氨酸含量均明显下降,但仍均显著高于对照组(P<0.05)。
图5 干旱胁迫及复水处理对脯氨酸含量的影响

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2.4.3 可溶性糖

随着干旱处理的进行,各干旱处理组的可溶性糖含量的变化趋势具有一致性,均表现为随着时间的增长而持续上升(图6)。其中,在干旱处理7 d时,轻度、中度、重度干旱处理下,可溶性糖含量增加到了显著高于对照组的水平(P<0.05),并且与轻度、中度干旱相比,重度干旱下的可溶性糖含量增长幅度最大,在干旱胁迫28 d时达到116.37 mg/g,是对照组的2.22倍。复水后轻度、中度、重度干旱处理的可溶性糖含量分别为72.86、75.29、83.42 mg/g,均高于显著高于对照组(P<0.05)。
图6 干旱胁迫及复水处理对可溶性糖含量的影响

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2.5 干旱胁迫及复水对叶片抗氧化酶活性的影响

2.5.1 SOD

图7可知,随胁迫处理时间的延长,轻度、中度干旱处理下的SOD活性呈持续增加变化趋势,而重度干旱处理下叶片的SOD活性则呈先升后降的变化趋势(图7)。在3个处理组植物受到干旱胁迫7 d时,它们与对照组的差异已经达到显著水平(P<0.05),轻度、中度干旱胁迫处理组叶片SOD活性在28 d时达到峰值,与正常对照组相比分别对增加了48.55%、60.13%;而重度干旱处理的SOD活性在胁迫的21 d时达到峰值,较对照组增加了64.73%,之后其SOD活性略有下降。复水后,轻度、中度干旱处理叶片的SOD活性迅速下降,但仍显著高于与对照组(P<0.05),而重度干旱处理的SOD活性则较胁迫28 d时略有升高,与对照组差异显著(P<0.05)。
图7 干旱胁迫及复水处理对SOD活性的影响

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2.5.2 POD

图8所示,在整个持续干旱胁迫期间,3个干旱胁迫处理组叶片POD活性与对照组相比均有显著提高(P<0.05),且轻度、中度、重度干旱处理组的POD活性均呈先升后降再升高的变化趋势。其中,轻度、重度干旱处理组的POD活性均在胁迫时间为7 d时出现峰值,并在胁迫时间为14 d时分别下降至峰值时的76.22%、69.64%,后又持续上升直至胁迫时间为28 d;中度干旱处理组的POD活性在胁迫时间为7 d时出现峰值,并持续下降直至胁迫时间为21 d时,此时下降至峰值时的84.93%,而后恢复上升趋势至胁迫时间28 d。在对各处理组植物进行复水处理后,它们的POD活性虽然均显著高于对照组(P<0.05) ,但已明显下降。
图8 干旱胁迫及复水处理对POD活性的影响

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2.5.3 CAT

各处理组萱草在进行干旱胁迫后,其叶片CAT活性总体呈持续增长的变化趋势(图9)。其中,在干旱处理的7 d时,3组干旱处理的CAT活性均显著高于对照组(P<0.05),重度干旱处理的CAT活性增长幅度最大,在干旱胁迫28 d时达到最高,是对照组的2.22倍。复水后,轻度、中度、重度干旱处理的CAT活性与进行了28 d的干旱处理时相比呈现指数型下降,且下降趋势与其他2个抗氧化酶活性相比更加明显。
图9 干旱胁迫及复水处理对CAT活性的影响

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3 结论

本研究测定不同干旱胁迫环境下萱草的生理反应,结果显示干旱胁迫下萱草叶片相对含水量、叶绿素及相对电导率明显下降,表明干旱胁迫会影响萱草叶片水分利用率和叶绿素的含量,影响叶片的光合能力;不同干旱胁迫下叶片内丙二醛(MDA)、可溶性糖、脯氨酸等渗透调节物质及抗氧化酶均有所增加,细胞内过氧化物的增加说明干旱胁迫对萱草叶片内细胞膜有很大影响;干旱胁迫28 d复水后萱草各生理指标均有所恢复,但仍与正常供水具有一定差异,表明萱草处于短时土壤干旱胁迫下有助于提高其抗旱能力。本研究结果表明,干旱胁迫环境下,萱草可以通过改变自身的生理特性形成应对机制适应环境,同时一定程度的胁迫处理有助于提高萱草的抗旱性。

4 讨论

4.1 干旱胁迫对叶片相对含水量及叶绿素的调控

自然界中有诸多因素制约植物生长发育,干旱胁迫是其中一个可以直接影响植物健康生长的重要因素[19]。作为植物体内水分状况的反映指标,相对含水量通常用来表达植物体的耐旱能力[20]。在本试验中,干旱胁迫下萱草植株叶片相对含水量下降,叶绿素含量随干旱程度增加整体也呈先升后降的变化趋势。前期叶绿素含量的增加可能是由于干旱胁迫造成叶片相对含水量下降而使得叶绿素的浓度升高,进而让单位叶面积内的叶绿素增多;而后期的下降可能与干旱胁迫下叶绿素的分解加快及合成减缓有关。在对节节麦(Aegilops tauschii)的研究中发现了相同规律[21]。光合色素的合成能力可以反映植物光合作用的变化规律,其中叶绿素的含量最为关键[22]。干旱胁迫影响植物叶片的相对含水量和叶绿素含量,进而影响植物生长发育[23]。李倩等[24]在研究水分对萱草的生理特性影响过程中也得出了相应结论。

4.2 干旱胁迫及复水处理对叶片叶绿素含量的调控

干旱胁迫影响植物体内的叶绿素含量,并导致其产生变化[25]。在对节节麦的研究中发现,在干旱胁迫下叶绿素含量呈先增后减的变化趋势[21]。本研究中,轻度、中度干旱胁迫下,萱草的叶绿素含量整体也呈先升后降的变化趋势,前期叶绿素含量的增加可能是干旱胁迫造成叶片相对含水量下降使得叶绿素的浓度升高,进而让单位叶面积内的叶绿素增多;而后期的下降可能与干旱胁迫下叶绿素的分解加快及合成减缓有关。胁迫至28 d时,轻度、中度干旱处理下的叶绿素含量与对照组差异不显著,仅重度干旱处理组与对照组显著(P<0.05),且复水后各处理均又迅速恢复至正常水平,说明萱草叶片光合色素的合成未受到严重破坏,它通过自身调节恢复了光合色素的合成。

4.3 干旱胁迫对叶片相对电导率、渗透调节物质及抗氧化酶的调控

相对电导率可以反映植物细胞膜透性,MDA含量体现了细胞膜脂过氧化的程度,而可溶性糖和脯氨酸是植物渗透调节的主要物质[26-27]。柚木相对电导率随着干旱胁迫逐渐增加[28]。本研究中,萱草在干旱胁迫下叶片相对电导率及MDA的含量均随干旱胁迫时间的增加而上升,干旱胁迫下植物MDA含量增加细胞质膜破坏,膜的选择透性失效,从而导致细胞内大量物质外渗,使得电导率发生改变;同时,叶片内可溶性糖、脯氨酸含量增加,叶片细胞渗透势降低,植株通过调控渗透调节物质的分泌,改变细胞膜的选择透过性,以此抵抗胁迫带来的伤害,以维持植物体内正常的水分平衡,增强植物体的抗干旱水平,达到保护植株的目的[29]。植物体内SOD、POD、CAT 3种抗氧化酶可以通过清除自由基来保护其免遭活性氧的破坏,在植物应对干旱胁迫环境时发挥着重要的作用[30-31]。干旱胁迫下,植物体内水分的减少影响植物生理生化代谢功能,是制约植物正常生长的主要环境因子[32],而此时细胞内的抗氧化物酶因胁迫被激活,可以消除植物细胞内活性氧,抗氧化酶保护系统发挥其保护机制降低干旱胁迫对膜组织结构及细胞功能的影响[33-34]。本研究结果显示,萱草在受到不同强度的干旱胁迫时体内的SOD、POD、CAT酶活性都会提高,且均高于对照组的抗氧化酶活性,说明干旱胁迫下萱草可通过提高抗氧化物酶的活性增强萱草对氧化物的清除能力,使其适应干旱环境。

4.4 干旱后复水对萱草抗旱性的影响

有研究表明,解除干旱复水后,一些植物体内水分运输过程能够迅速恢复到胁迫前的状态,出现生长加快、光合、蒸腾速率提高等补偿效应,在本研究中得到进一步证明[35]。本研究中,萱草在干旱28 d复水后,各生理指标均有所恢复,但仍与正常供水具有一定差异,表明萱草处于短时土壤干旱胁迫下有助于提高其抗旱能力。目前,本试验仅从干旱复水对萱草生理特性进行了研究,干旱胁迫对其细胞结构的影响,及其分子机制又是如何响应干旱环境的,均有待于进一步深入研究。

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以节节麦幼苗为试材,采用盆栽称重控水法,进行了28 d干旱及7 d复水处理,研究干旱胁迫及复水对节节麦幼苗叶、根生物量比等形态参数、保护酶活性等生理参数的影响。旨在探讨节节麦形态和生理特征可塑性对土壤水分变化的响应特性,为其耐旱机制研究提供参考依据。结果表明:1)干旱胁迫过程中,叶片相对含水量、相对电导率、丙二醛和脯氨酸含量均呈持续增加的变化趋势;叶绿素含量呈先升后降变化趋势;轻度及中度干旱胁迫下超氧化物岐化酶(SOD)活性持续增加,而重度干旱胁迫中则呈先升后降的变化趋势;2)干旱胁迫致使节节麦幼苗叶生物量比、比叶面积下降,根生物量比及根冠比增加;3)复水后,叶片相对含水量、脯氨酸等多数指标均能迅速恢复至正常水平,表明节节麦对干旱胁迫造成的损伤具有较高的修复能力。节节麦通过一系列形态及生理特征的可塑性变化适应土壤干旱生境,从而表现出较强的耐旱性。此外,生理参数可塑性指数的均值明显大于形态参数,说明节节麦主要通过调整生理代谢以适应短期干旱胁迫。
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刘新, 符开欣, 郭志慧, 等. 6份川西北短芒披碱草种质苗期的抗旱性综合评价[J]. 草业科学, 2017, 34(1):101-111.
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谢贤健, 兰代萍, 白景文. 三种野生岩生草本植物的抗旱性综合评价[J]. 草业学报, 2009, 18(4):75-80.
本试验选择自然状态下生长在岩石边坡上的3种野生岩生植物金发草和丛毛羊胡子草以及狗牙根为研究材料,通过盆栽干旱胁迫试验,研究和分析了干旱胁迫下3种野生岩生植物的叶面积指数、地下干物质量积累、叶片保水力;叶片相对电导率、可溶性蛋白、叶绿素等形态和生理指标,利用主成分分析法和隶属函数值法对影响3种野生岩生植物抗旱性的指标进行了分析评价。试验结果表明,3种草的抗旱性强弱顺序为金发草>狗牙根>丛毛羊胡子草。研究结果以期为筛选、培育适应于岩石边坡植被防护的乡土护坡植物的合理开发、利用提供理论依据。
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Proline accumulates in many plant species in response to environmental stress. Although much is now known about proline metabolism, some aspects of its biological functions are still unclear. Here, we discuss the compartmentalization of proline biosynthesis, accumulation and degradation in the cytosol, chloroplast and mitochondria. We also describe the role of proline in cellular homeostasis, including redox balance and energy status. Proline can act as a signaling molecule to modulate mitochondrial functions, influence cell proliferation or cell death and trigger specific gene expression, which can be essential for plant recovery from stress. Although the regulation and function of proline accumulation are not yet completely understood, the engineering of proline metabolism could lead to new opportunities to improve plant tolerance of environmental stresses.Copyright 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.
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施钦, 包学文, 华建峰, 等. 干旱胁迫及复水对海滨木槿光合作用和生理特性的影响[J]. 应用生态学报, 2019, 30(8):2600-2606.
选择2年生海滨木槿扦插苗为材料,通过自然干旱20 d而后复水(21 d),研究了其在干旱和复水过程中的光合作用和生理特性.结果表明: 经过20 d的干旱胁迫,在土壤含水量仅为5.9%的情况下海滨木槿全部成活.干旱胁迫显著降低了海滨木槿的净光合速率,实测值最高仅为1.1 μmol·m<sup>-2</sup>·s<sup>-1</sup>,最大光化学效率为对照的84.3%.可溶性蛋白和抗氧化酶同时积累,稳定细胞渗透势并清除干旱造成的脂膜过氧化物质.复水7 d后光合速率升高至对照的57.3%,超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性随着丙二醛含量下降而下降.复水21 d后,海滨木槿抗氧化酶、可溶性蛋白和叶片相对含水量均恢复至对照水平,干旱处理总生物量虽显著降低,但根冠比显著提高.海滨木槿具有极强的耐旱能力,是适用于沿海地区景观改良和道路绿化的重要树种.
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陈敏菊, 孟彦, 孟宪政. 干旱胁迫对甜高粱幼苗光合色素、保护酶活性及活性氧代谢的影响[J]. 天津农业科学, 2021, 27(9):1-4.
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