干旱胁迫下精灵景天的电阻抗图谱数与生理参数的关系

刘天宇 孟庆瑞 滕仁艳

摘要：以干旱胁迫下种植在屋顶的精灵景天（Diamorpha smalli）叶片为材料，测定其电阻抗图谱参数和膜透性的变化，通过膜透性与电阻抗图谱参数间的相关性来证明电阻抗图谱法研究精灵景天抗旱性的有效性。结果表明：随着干旱时间的延长，精灵景天叶片的胞外电阻整体呈上升趋势，胞内电阻整体呈下降趋势，弛豫时间和弛豫时间分布系数呈先下降后上升的趋势;叶片细胞膜透性逐渐增大，净光合速率逐渐下降。相关分析表明，弛豫时间与膜相对透性呈极显著负相关（P<0.01）;胞內电阻与净光合速率呈显著负相关（P<0.05），弛豫时间与净光合速率呈极显著负相关（P<0.01）。

关键词：精灵景天;叶片;干旱胁迫;电阻抗图谱参数;相对电导率;净光合速率;弛豫时间;膜相对透性;生理参数

屋顶绿化特殊环境要求植物具有较强的抗逆性[1]，而干旱作为一种重要的逆境因子，对植物的生长产生广泛的影响。抗旱性是植物在对干旱缺水环境的长期适应中通过自身的遗传变异和自然选择获得的一种抗旱能力[2]。目前，对屋顶绿化草本植物的抗旱性尚缺乏研究，因此关于植物干旱胁迫的研究对其在屋顶环境条件下的园林应用起重要的指导作用。测定植物组织和器官的电阻抗图谱法（EIS）是用等效电路来表示所感兴趣的组织样本，在估测植物活力、果实受害程度、抗寒性、对含盐量敏感度等方面得到了广泛的应用[3-5]，在植物生理学研究方面的应用范围正在不断扩展。在所有这些研究中，EIS法通过非破坏性的方法测定胞内电阻、胞外电阻等电阻抗图谱参数，可以准确快捷地获得有关膜变化的基本生理信息。因此，可以考虑用EIS参数来诊断植物受干旱胁迫的程度。研究表明，精灵景天在遭受到不同程度的水分胁迫下导致原生质脱水，膜透性增加，内容物外渗，叶片的生理指标都相应地发生变化[6]。尚未见水分胁迫下精灵景天叶片电阻抗图谱参数与其生理参数关系的文献报道。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为精灵景天3年生小苗，来自于北京一所苗圃。试验在河北农业大学一所建筑物楼顶的2块试验田中进行。

试验采用完全随机区组设计。试验田共有8个试验小区，在每个面积为0.4×10 m2的试验小区中种植物40株，每个试验小区四周铺设塑料膜以防侧方渗水，以使各个试验小区互不影响。充分缓苗后，在自然状态下持续干旱处理，以正常浇水为对照。每5 d采样1次，共5次。采样时均选择上数第4张至第5张叶片进行各项生理指标测定，重复3次。

1.2 方法

1.2.1 电阻和电抗的测定及电阻抗图谱参数的拟合 将不同干旱时期的精灵景天叶片切成4 mm×10 mm作为1个样本，用测厚仪（Mitutoyo No. 7331，Japan）测厚度，精确到 0.01 mm，每个时期8个重复。把样本放置在2个玻璃管之间，通过电极接触凝胶，再通过凝胶轻轻接触待测样本。对阻抗分析仪（HP4284A，USA）进行开路和短路校正，校正后分别测定样本在42个频率下的电阻值和电抗值，测定频率范围为80 Hz～1 MHz，输入电压20 mV。

将上述频率下测定的样本电阻和电抗值分别作为实部和虚部，作出电阻和电抗随频率的变化曲线，即EIS。等效电路参数用Repo发展的LEVM8.06（Macdonald Jr.）[7]软件进行拟合。

1.2.2 叶片膜透性测定 膜相对透性的测定采用电导仪法[8]。称取植物叶片0.2 g，将叶片剪成0.5 cm2的小块，放入烧杯中，加入15 mL蒸馏水，振荡24 h后测定电导率，同时测定空白电导率，将测完电导率的各试样放入水浴锅中水浴30 min，再放在室温下冷却24 h，测定煮沸电导率。

1.2.3 净光合速率测定 光合特性指标的测定。2016年7月每5 d的08：30—11：00选取植株倒3叶，用Li-6400xt便携式光合仪（Li-COR，USA）测定叶片的净光合速率（Pn）。测定时用红蓝光源，光照度设1 000 μmol/（m2·s），CO2气体由小钢瓶提供，控制浓度为400 μmol/（m2·s）（下同）。每个处理测定3株，重复3次，结果取平均值。

1.3 统计分析

应用SPSS 13.0软件和Microsoft Excel软件进行方差分析和相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同干旱时间下的土壤含水量

由表1可知，随着干旱时间的增加，干旱处理区的土壤含水量逐渐降低，在干旱20 d时，土壤含水量仅为8.2%。

2.2 干旱胁迫对荆芥叶片电阻抗图谱参数的影响

2.2.1 干旱胁迫下胞外电阻的变化 精灵景天叶片在受到干旱胁迫后，胞外电阻随着干旱时间的增加，呈先上升后下降的趋势。随着干旱时间的增加，胞外电阻均大于对照。当干旱时间为5 d时，胞外电阻为对照的1.09倍;当干旱时间为10 d时，为对照的1.08倍（图1）。当干旱时间为15 d时，胞外电阻达到最大值，为对照的1.23倍，明显高于对照（P<0.05）。当干旱时间超过15 d时，精灵景天叶片胞外电阻逐渐下降，为对照的1.26倍（P<0.01）（图1）。

2.2.2 干旱胁迫下胞内电阻的变化 精灵景天叶片在受到干旱胁迫后，随着干旱时间的增加，胞内电阻整体呈下降的趋势。当干旱时间为10 d时，胞内电阻有所上升，且高于对照，为对照的1.19倍;当干旱时间为5、15、20 d时，胞内电阻均低于对照;当干旱时间超过10 d时，胞内电阻下降，明显低于对照，分别为对照的0.65、0.40倍（图2）。

2.2.3 干旱胁迫下驰豫时间的变化 精灵景天叶片受干旱胁迫后，弛豫时间随干旱时间的增加，呈现先下降后升高的趋势，干旱时间为20 d时，弛豫时间达到最大值。在干旱时间为0～10 d时，精灵景天叶片弛豫时间呈持续下降趋势，且明显低于对照，干旱时间5、10 d时，分别为对照的0.70、0.64倍;当干旱时间超过10 d时，弛豫时间呈上升趋势，干旱时间为15、20 d时分别为对照的1.01、1.09倍（P<0.01）（图3）。

2.2.4 干旱胁迫下驰豫时间分布系数的变化 随干旱时间的增加，精灵景天叶片弛豫时间分布系数呈先下降后上升的趋势。在干旱时间为20 d时，弛豫时间分布系数达到最大，为对照的0.90倍;在干旱时间在0～10 d时，弛豫时间分布系数均高于对照组，分别为对照组的1.13、1.03倍;当干旱时间在15、20 d时，弛豫时间分布系数均低于对照，分别为对照的0.98、0.90倍，与对照差别不大（图4）。

2.3 干旱胁迫下精靈景天叶片相对电导率的变化

精灵景天叶片的相对电导率随干旱时间的增加而上升（图5）。当干旱时间为5、10 d时，叶片的电导率分别为对照的1.05、1.24倍，与对照差异不显著，表现为上升趋势幅度较小。说明叶片可能在干旱时间为0～10 d时，通过细胞自我调节机制防止细胞膜的损害。当干旱时间超过10 d时，叶片相对电导率显著增加。相对电导率在干旱时间为15 d时为对照的1.35倍（P<0.05）。在干旱20 d时为对照的1.49倍（P<0.01），这说明在干旱20 d后叶片受害严重，细胞液大量渗出，导致电导率增大。这个结果与精灵景天叶片的电阻抗图谱参数变化所反映的受伤害干旱区间有一致性。

2.4 干旱胁迫下精灵景天叶片净光合速率的变化

干旱胁迫下精灵景天叶片净光合速率的测定结果表明，随着干旱时间的增加，净光合速率迅速下降（图6）。当干旱0～10 d时，净光合速率差异不显著（P>0.05），表明曲线下降幅度较小。在干旱5、10 d时，净光合速率分别是对照的 1.05、0.90倍。干旱时间在15～20 d时，净光合速率与对照差异较大（P<0.05），表明曲线下降幅度变大。干旱时间为15、20 d时，净光合速率分别为对照的0.58、0.48倍（P<0.05），表明当干旱时间大于10 d时，叶片含水量的降低导致气孔关闭，从而使叶片适应干旱的胁迫。

2.5 干旱胁迫下电阻抗图谱参数与生理指标的相关性

弛豫时间与膜相对透性呈极显著负相关（P<0.01）（表2）;胞内电阻与净光合速率含量呈显著负相关（P<0.05），弛豫时间与净光合速率也呈显著负相关（P<0.01）（表3）。膜相对透性和净光合速率可作为植物受伤害程度的主要鉴定指标[8-9]，而胞内电阻、弛豫时间与膜相对透性的变化、净光合速率的变化的相关系数分别达到0.73、0.69和0.89、0.68，证明胞内电阻和弛豫时间等物理参数同样可以反映精灵景天叶片受到干旱胁迫程度。

3 讨论与结论

本试验应用电阻抗图谱法研究了干旱胁迫下精灵景天叶片的电阻抗图谱参数，结果显示，随着干旱时间的增加，精灵景天叶片的胞外电阻整体呈上升趋势，胞内电阻整体呈下降趋势，弛豫时间和弛豫时间分布系数表现为先下降后上升的趋势。当干旱时间为15 d时，胞外电阻、弛豫时间和弛豫时间分布系数均高于对照水平，而且在干旱15 d时，胞外电阻、弛豫时间和弛豫时间分布系数达到了最大值，说明细胞自身调节，使叶片适应干旱胁迫，从而不受伤害。在干旱时间为15、20 d时，胞内电阻、弛豫时间分布系数明显低于对照水平，这可能说明精灵景天叶片在长时间的干旱胁迫下，叶片的自我调节机制受到破坏，导致电阻抗图谱参数降低。

在水分胁迫对不同品种的白皮松叶片电阻抗参数的影响表明，在测定白皮松针叶电阻抗参数时，严重干旱条件下各品种小麦叶片的胞内电阻均高于对照[10]。受到水分胁迫的情况下，胞外电阻与细胞膜透性有显著正相关，驰豫时间与细胞膜透性之间有显著负相关，驰豫时间分布系数与细胞膜透性之间有显著负相关，胞内电阻与细胞膜透性之间有显著负相关[11]。这与本研究结果不完全一致，可能是由于不同植物之间结构的差异，也可能是由于研究的处理方式不同。

土壤水分胁迫对植物生长和代谢的影响是多方面的，其中对光合作用的影响尤为突出[12]。水分胁迫通常抑制叶绿素的生物合成，提高叶绿素酶活性并加速分解，致使叶绿素含量下降[13]，这与本研究结果一致。叶绿体是植物进行光合作用的主要场所，干旱胁迫降低了叶绿素含量，即叶绿素SPAD值，从而使得光合酶活性和光合作用表光量子效率等下降，最终导致净光合速率降低，这主要是由非气孔因素引起的[14]。细胞膜的透性可以反映植物细胞受害的程度，植物在干旱胁迫下，细胞膜透性会因为膜结构的损害而增加，而电解质外渗值可被用来检验膜脂的稳定性与完整性[15]。研究表明，随着干旱程度的增加，叶片细胞膜透性显著增大。

本研究发现，在干旱胁迫下，精灵景天叶片的电阻抗图谱参数和净光合速率、细胞膜透性之间有着明显的相关性，其中胞内电阻与净光合速率呈显著负相关（P<0.05），弛豫时间与净光合速率呈显著负相关（P<0.01）;弛豫时间与膜相对透性呈极显著负相关（P<0.01）。表明应用电阻抗图谱参数可以证明精灵景天受干旱胁迫的程度，电阻抗图谱法将是精灵景天逆境胁迫研究的一种有效方法。

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