亚低温与干旱胁迫对百合生长及叶片解剖结构的影响

宗建伟 黄培璐 杨雨华 黄小迪

（河南牧业经济学院艺术学院，河南 郑州 450046）

百合 (Lilium browniivar.viridulum)是百 合科百合属多年生草本球根植物，不仅是世界著名的切花品种[1]，也是重要的盆栽花卉，在园林绿化发挥着重要作用。亚低温和干旱胁迫是华北地区常见的非生物胁迫，影响百合生长、发育，是降低百合观赏价值的主要原因[2]。百合属植物的地下鳞茎对水分比较敏感，水分过多鳞茎容易腐烂，而水分过少，又导致其生长发育不良。因此，水分是影响百合正常生长发育的关键因素之一。关于干旱对百合的影响已有研究报道，当土壤水分不足时，植株生长减弱，株高、地上部分和地下部分产量都显著降低[3-4]。干旱胁迫对植株的影响在形态上表现为减少叶片数量及单叶叶面积等[5]，在叶片解剖结构上表现为栅栏组织厚度、海绵组织厚度和栅海比等的改变[6-7]。

低温是作物栽培中常发的自然灾害，不仅会导致作物产量的降低，严重时造成植株死亡[8]。在我国华北地区冬春季设施栽培中，生产者为节省成本通常不采用或较少采用加温措施，导致设施内常处于 8～15 ℃ 的亚低温环境[9]。亚低温会抑制植物根系和叶片生长，造成生物量和叶面积的下降[10]。曹红星等[11]研究发现亚低温造成椰子叶片厚度变薄、栅栏组织减少、海绵组织疏松、栅海比减少、细胞间隙变大。关于百合亚低温胁迫的研究，葛蓓蕾等[12]研究指出，不同生长期的“罗宾娜”百合在低温胁迫后，通过增温补偿可以降低其伤害。Vallarino等[13]的研究则发现，低温会抑制百合鳞茎的生长。因此，研究百合对亚低温和干旱的适应情况，对减轻百合亚低温干旱胁迫和优质高产稳产具有重要意义。

在自然条件下，植物常常面临多种胁迫，目前，对单一胁迫（如干旱、低温）下百合的抗逆生理研究比较多, 如Tian等[14]、王玲丽等[15]和黄彦玮等[16]对低温胁迫的研究和Li等[17]、魏传斌等[18]对干旱胁迫的研究，但是关于亚低温和干旱交互胁迫对百合生长和叶片解剖结构的影响尚不明确。因此，本试验选用百合品种黄美人为材料，研究亚低温和干旱胁迫对百合生长和叶片解剖结构的影响，分析植物的不同部位在亚低温和干旱胁迫环境下响应的异同和联系，评价2种胁迫对百合的影响程度，以期为百合的养护管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

于2019年12月1日，试验选在河南牧业经济学院园林实验室进行。供试材料选用生长健壮、无病虫害且大小均匀的百合品种‘黄美人’（L. longiflorum×L. Asiatic）鳞茎。鳞茎购于中国白碗窑百合种质资源圃。将其鳞茎（平均质量65 g）种植在塑料盆中，盆的规格为15 cm（高） × 10 cm（内径），盆底有3个小孔以保证下层土壤通气性，每个盆中种植1个种球。栽培基质体积比为3∶1的椰砖和营养土，pH = 6.15，每盆装基质约350 g。

1.2 试验方法

1.2.1 亚低温和干旱处理

于2019年12月10日选取长势基本一致且无病虫害的百合幼苗共60株，培养7 d后置于人工气候箱中缓苗。期间环境条件设置为：昼温(25 ±1) ℃，夜温(18 ± 1) ℃，光照强度12 000 lx，光周期12 h/12 h（昼/夜），相对湿度60 %。缓苗2 d后开始处理，处理时间30 d，每个处理重复5盆试验设2个温度处理组，具体见表1。灌溉量控制采用称重补足法[19]。

表 1 试验设计Table 1 Experiment design

1.2.2 形态指标观察

记录处理后10、15、20、25、30 d时每株百合的生长指标，测定同叶位的叶片。具体形态指标包括：株高、茎粗、叶长、叶宽，并按公式（1）[20]计算叶面积。

式中：L为叶长。

1.2.3 叶片解剖结构观察

处理30 d后，参照周乃富[21]的方法，采用改进的番红-固绿双重染色技术对样本进行石蜡切片分析。用Motic Image Plus 2.0测量软件测量叶片厚度、栅栏组织、海绵组织的厚度，每个结构参数均为20视野范围内测定的平均值。按公式（2）～（3）[22]计算叶片组织结构紧密度（CTR）和疏松度（SR）。

1.2.4 生物量指标测定

每个处理取5株，取样后分别称取鳞茎、根、茎、叶的鲜质量，然后在100～105 ℃烘箱中杀青10 min，转为80 ℃烘干，冷却后称干质量，按公式（4）～（5）计算根冠比、折干率等。公式中地上部分指百合叶片，地下部分指百合的鳞茎和根。

1.3 数据处理

采用Excel 2007 进行整理数据和制作图表，SPSS 22软件进行方差分析，相关性分析及主成分分析。采用双因素分析法分析并结合 LSD 差异性检验对组间差异进行数据分析。在进行数据预处理后，进行主成分分析（PCA），得出各指标特征值并计算各处理的综合得分。

2 结果与分析

2.1 亚低温和干旱胁迫下百合幼苗生长势的动态变化

由图1～2可知，随着处理天数的增加百合株高、茎粗、叶长、叶宽、叶面积都呈增长趋势。CK和NT + WS的植株生长状况良好，而低温干旱（LT + WS）处理明显延缓了百合的生长。处理前期，CK的株高增长速率显著高于其他组（P＜0.05），而处理后期干旱（NT + WS）的株高增长速率显著高于CK（P＜ 0.05），亚低温处理和亚低温干旱交互处理仅为CK的0.57倍和0.31倍（图1）。由图2可知，CK的叶片长度和宽度最大，其次是LT + WW、NT + WS，且LT + WS的数值最小。

图 1 亚低温、干旱处理对百合茎的影响Fig. 1 The effects of sub-low temperature and drought on stems of lily

图 2 亚低温、干旱处理对百合生长叶的影响Fig. 2 The effects of sub-low temperature and drought on leaves of lily

2.2 亚低温和干旱胁迫下百合幼苗的茎生长、叶生长和生物量积累变化

由表2可知，在处理30 d时，与CK相比，百合株高、茎粗、叶面积在 LT + WW分别下降了24.69 %、9.90 %、3.38 %，在NT + WS分别下降了8.03 %、9.9 %、1.13 %，在LT + WS分别下降了41.31 %、17.82 %、48.31 %。CK百合生长状况优于其他组，可见亚低温和干旱胁迫对百合的生长均有抑制作用，且交互胁迫抑制作用更强。NT + WS的株高、叶面积均高于LT + WW，反映了干旱胁迫对百合生长的影响小于亚低温胁迫。叶片长宽比表现为LT + WS ＞ LT + WW ＞ CK ＞NT + WS，即从CK到单一胁迫、复合胁迫，长宽比依次递增。亚低温干旱处理的长宽比显著大于其他3组（P＜ 0.05），叶片形态明显狭长，叶面积更小。

表 2 亚低温、干旱处理对百合植株生长和叶片形态的影响Table 2 The effects of sub-low temperature and drought on growth and leaf morphology of lily

由表3可知，CK和NT + WS的叶生物量和根生物量大于其他2组，而鳞茎生物量小于其他2组。因此，CK和NT + WS消耗的鳞茎干物质最多，叶和根的生长也是最大的。 LT + WS处理下根冠比最低，是CK的1.81倍。低温处理的根冠比更大。由此可见，复合胁迫促进营养成分向根系转移。低温比干旱对植物地上部分的抑制作用更严重。

表 3 亚低温、干旱处理对百合植株生物量分配的影响Table 3 The effects of sub-low temperature and drought on biomass distribution of lily

由表4可知，水分、温度及其交互作用对叶宽的影响均达到显著水平（P＜ 0.05）。温度处理对株高、叶宽、长宽比、根冠比都有显著影响（P＜ 0.05），而水分处理只对叶宽有显著影响，对株高、长宽比、生物量、根冠比未产生显著影响。水分和温度的交互作用对叶片长宽比的影响达到显著水平（P＜ 0.05）。

表 4 百合幼苗株高、叶片形态和生物量的双因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA of plant height, leaf morphology and biomass in lily seedlings

2.3 亚低温和干旱胁迫下百合叶片解剖结构的变化

从图3和表5可以看出，处理30 d，亚低温（LT + WS）处理中百合叶片厚度为157 μm左右，海绵组织厚度大约为102 μm，栅栏组织的厚度为52 μm，栅海比为0.51，是数值最低的处理。在2种单一胁迫的环境中，LT + WW和NT +WS海绵组织的厚度较CK分别增加了15.72 %和17.06 %，而栅栏组织的厚度分别增加了18.84 %和19.34 %。亚低温干旱复合处理的栅栏组织细胞相互融合而变粗，长度缩短，排列不整齐，细胞间隙增宽。

表 5 亚低温和干旱处理30d百合叶片的解剖结构Table 5 Leaf anatomical structure of lily at 30d under sub-low temperature and drought

图 3 亚低温和干旱处理下百合叶片解剖结构Fig. 3 Leaf anatomical structure under sub-low temperature and drought of lily

由表6可知，干旱胁迫下海绵组织厚度与叶片厚度呈极显著正偏相关（P＜ 0.01），亚低温胁迫下栅栏组织、海绵组织厚度与栅海比呈显著正偏相关（P＜ 0.01）和显著负偏相关（P＜ 0.05）。综合简单相关和偏相关结果，在干旱和亚低温胁迫条件下，组织结构紧密度和组织结构疏松度均与栅海比呈显著正相关、负相关关系（P＜0.05）。

表 6 亚低温和干旱处理下百合解剖结构参数的相关系数Table 6 Pearson correlation coefficients between anatomical structure indexes of lily under sub-low temperature and drought

2.4 不同生长指标和叶片解剖结构参数之间主成分分析

对百合亚低温和干旱胁迫下的18个指标数据进行主成分分析，提取特征值大于1的2个主成分，累计方差贡献率达到 89.326 %。由表7可知，第1主成分（PC1）中得分排名前3的指标分别是根生物量、株高和叶生物量，主要反映了生长特征，方差贡献率为51.076 %；第2主成分（PC2）中得分排名前3的指标分别是栅栏组织厚度、海绵组织厚度和栅海比，反映了解剖结构，方差贡献率为38.250 %。由表8可知，百合各处理下的综合得分分别为37.136、6.861、48.078、-92.075。

表 7 亚低温和干旱处理下百合生长指标和叶片解剖结构参数的主成分分析Table 7 Principal component analysis of growth and leaf anatomical structure indexes of lily under sub-low temperature and drought

表 8 各处理的主成分综合得分及排序结果Table 8 Principal components comprehensive scores and ranking of each treatment

3 结论和讨论

逆境环境（低温、干旱等）对百合的植株高度、茎粗、叶面积等指标具有负面影响[22]。Correia等[23]和Pandey等[24]的研究表明，复合胁迫对植物的影响可能不是单一胁迫的总和，而是两种胁迫因子的协同或颉抗作用。本研究发现，4种胁迫处理下百合的形态特征存在显著差异，CK的株高、茎粗显著大于其他3组，这说明亚低温和干旱胁迫降低了百合的生长速度。生长后期干旱处理的株高生长速率显著高于CK，说明轻度干旱胁迫对植物生长的影响较小，这与张敏[25]等的研究结果是一致的。在叶片形态方面，黄璇[26]和张曦[27]的研究指出，低温和干旱处理会使植物叶片的长宽比下降，而本研究则发现，与其他三组相比，亚低温和干旱复合处理的长宽比与CK相比显著增大。双因素方差分析表明，亚低温和干旱及其交互作用显著影响了百合叶片的叶宽，对叶长的影响则不显著。

植物干物质分配被认为是植物适应逆境胁迫的重要策略之一[28]。CK和干旱处理的叶、根生物量大于其他组，而鳞茎生物量小于其他两组，反映出百合在苗期通过消耗鳞茎干物质以保证地上部分生长[29]，外界胁迫越小，这种生长特性越明显。本试验中，亚低温和干旱胁迫下百合的根冠比存在不同程度的下降，这表现了植物通过增加根系降低地上部分干物质以适应干旱和低温[30-31]。双因素方差分析表明，亚低温显著影响了百合的根冠比，干旱的影响则不显著。与单一胁迫相比，复合胁迫处理根冠比下降最多，说明共同胁迫对百合的生长抑制更严重。

叶片结构变化对外界环境的反应是最早且最为敏感的[32]。光合能力与叶片解剖结构关系密切，叶片栅栏组织厚度的增加，能够提高植物对光能的利用效率[33]。

试验发现，低温和干旱单一胁迫处理导致百合叶片栅栏组织和海绵组织增厚，叶片厚度也变厚。相关性分析表明，干旱胁迫下海绵组织厚度与叶片厚度呈极显著正偏相关，亚低温胁迫下栅栏组织厚度和海绵组织厚度与叶片厚度呈显著正相关。单一胁迫下叶片厚度和栅栏组织厚度增加能使叶片更高效地运输水分，紧密的上表皮细胞也有利于防止水分的过度蒸腾[34]。当亚低温和干旱胁迫共同作用于百合植株时，栅栏组织和海绵组织变薄，叶片厚度也变薄，其原因可能是亚低温和干旱胁迫下植株水分代谢受到影响，水势降低，细胞生长分裂受阻，叶片生长受限。该结果与孙三杰等[35]在亚低温和干旱条件下番茄幼苗叶片解剖结构变化研究结果基本一致。单一胁迫和复合胁迫下叶片解剖结构存在差异，这说明亚低温和干旱胁迫下百合采取的不完全是被动适应，而是增强适应能力[36]。

综合生长形态和叶片解剖指标，亚低温和干旱环境都会对百合的生长产生抑制作用，由于处理强度不同，对百合的抑制有差别。根据主成分分析可知，亚低温和干旱胁迫下，生长指标的贡献率更大。4种处理下百合的综合得分由大到小依次为NT + WS ＞ CK ＞ LT + WW ＞ LT + WS。因此，百合在轻度干旱胁迫下可以通过减少地上生物量，抑制蒸腾作用等保护自身免遭干旱胁迫的伤害[37-38]，而7/12 ℃的亚低温和亚低温干旱交互处理会明显抑制百合的生长，改变百合叶片的解剖结构。在实际生产时，可通过观察百合长势，了解植株是否存在亚低温和干旱胁迫，并采取相应对策满足植物对温度和水分的需求，减少经济损失。