10个空气凤梨品种对干旱胁迫的生理响应及抗旱性评价

丁久玲， 孟海涛， 郑凯*

(1.江苏农林职业技术学院 生物工程技术中心，江苏 句容 212400； 2.江苏句容慢生活生态农业有限公司，江苏 句容 212400)

空气凤梨为凤梨科(Bromeliaceae)铁兰属(Tillandsia)多年生草本植物，包括近550个品种和90个变种。原产于中、南美洲热带、亚热带地区，具有较强的抗逆性。20世纪80年代开始在国外流行，目前已成为室内装饰的新宠。空气凤梨为气生植物，生长在空气中，栽培时不需泥土，又具有吸收甲醛、重金属等有害物质的特点，一经引进至我国就受到许多人的喜爱和关注。目前空气凤梨相关研究尚处于起步阶段，仅限于作为空气污染指示植物和去除环境污染的修复植物[1-4]及其地域分布[5]、开花性状[6-7]、栽培管理[8-10]、繁殖技术[11-13]等方面。国内外关于空气凤梨抗旱性的研究仅有少量报道[14]。空气凤梨大部分品种抗逆性较强，但品种抗旱性强弱及其抗旱机理尚不明确。因此，有必要开展空气凤梨抗旱性探索，填补国内外铁兰属植物关于抗旱性评价和抗旱生理响应方面的空白，为空气凤梨的广泛应用提供理论依据。本研究以10个空气凤梨品种为材料，对其进行PEG-6000模拟干旱处理，分析不同品种在干旱胁迫下的生理响应，并采用隶属函数法对其抗旱性进行综合评价。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为贝吉(T.Bergeri)、贝克立(T.Brachycaulos)、鳞茎(T.Bulbosa)、休斯顿(T.Houston)、小精灵(T.Ionantha)、斯垂科(T.Stricta)、细叶(T.Tenuifolia)、三色(T.Tricolor)、松萝(T.Usneoides)、维路提(T.Venlutina)10个品种，所有供试材料均取自江苏省句容慢生活生态农业有限公司的温室大棚。

1.2 处理设计

每个品种选取生长一致、大小均匀的植株置于人工气候箱内(温度25 ℃，光照强度4 000 lx，12 h光培养/12 h暗培养)。采用不同浓度PEG-6000进行模拟干旱处理，设置10%、20%、30%共3个处理，分别为T1、T2、T3，每个处理10个单株，3次重复，CK组用水替代PEG-6000溶液。每天喷施，确保植株完全浸润，处理10 d后采样进行指标测定。

1.3 生理生化指标测定

叶绿素(Chl)含含量的测定采用乙醇提取法[15]；游离脯氨酸(Pro)含量的测定利用脯氨酸分光光度计试剂盒法；丙二醛(MDA)含含量的测定利用丙二醛分光光度计试剂盒法；超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定利用超氧化物歧化酶分光光度计试剂盒法；过氧化物酶(POD)活性的测定利用过氧化物酶分光光度计试剂盒法；过氧化氢酶(CAT)活性的测定利用过氧化氢酶分光光度计试剂盒法。以上试剂盒由苏州科铭生物技术有限公司提供。

1.4 抗旱性综合评价方法

用隶属函数法[16]对10个空气凤梨品种的抗旱性进行综合评价，隶属函数值越大，植物的抗旱性越强。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对空气凤梨Chl含量的影响

由表1可知，供试空气凤梨叶片Chl含量随PEG-6000浓度的增加均呈下降趋势，其含量和降低幅度因品种而异。贝吉在各干旱处理下其叶片Chl含量差异不显著；贝克立、鳞茎、休斯顿、维路提4个品种在各干旱处理下其叶片Chl含量均显著低于对照；贝克立和休斯顿在20%和30%干旱处理下其Chl含量显著低于10%处理；鳞茎和维路提在30%干旱处理下显著低于10%处理；小精灵、斯垂科、细叶、三色和松萝5个品种在10%处理下其Chl含量与对照相比差异不显著，其中小精灵和细叶在20%和30%干旱处理下其Chl含量显著低于10%处理，两处理间差异不显著，斯垂科和三色在20%和30%干旱处理下其Chl含量显著低于10%处理，且两处理间差异显著。

CK、T1、T2、T3处理下空气凤梨叶片Chl含量的均值分别为387.32、358.92、328.16和301.68 μg·g-1。与对照相比，各干旱处理下Chl含量的均值分别降低了28.40、59.16和85.64 μg·g-1，呈明显的递减趋势。30%干旱处理与对照相比较，贝吉叶片Chl含量的减少量最少；其余9个品种叶片Chl含量下降率由低到高的顺序依次为松萝、休斯顿、细叶、贝克立、小精灵、鳞茎、三色、斯垂科和维路提。

植物叶片Chl含量下降的越多，其光合作用越弱，相应地生长表现不良，从而间接表明其抗旱性越弱。本研究表明，贝吉光合作用最强，其次是松萝、休斯顿，最弱的是维路提。

2.2 干旱胁迫对空气凤梨Pro含量的影响

干旱胁迫下，植物体内有效渗透调节物质Pro含量会大大增加，其含量的多少在一定程度上反映了植物抗旱性的强弱[17]。由表2可看出，供试空气凤梨Pro含量随干旱胁迫的加剧均呈增加趋势，其含量和增加幅度因品种而异。除细叶外，其他品种在各干旱处理下Pro含量均显著高于对照。细叶在10%干旱处理下其Pro含量与对照相比差异不显著，20%和30%干旱处理下其Pro含量差异显著，且显著高于对照和10%处理；贝吉和三色在各干旱处理下其Pro含量均显著高于对照，20%和30%处理下其Pro含量显著高于10%处理，且二者差异不显著；其他7个品种在各干旱胁迫下其Pro含量均显著高于对照，且处理间均差异显著。

表2 干旱胁迫对空气凤梨Pro含量的影响

CK、T1、T2、T3处理下空气凤梨Pro含量的均值分别为36.32、47.91、60.11和67.32 μg·g-1。与对照相比，各处理空气凤梨Pro含量的均值分别上升了11.59、23.79和31 μg·g-1，呈明显的递增趋势。30%干旱胁迫处理下，与对照相比，松萝Pro含量增加的最多；其余品种Pro含量上升量由高到低的顺序依次为维路提、贝吉、贝克立、休斯顿、斯垂科、小精灵、鳞茎、细叶和三色。

从Pro含量这一指标可判断，10个空气凤梨品种的抗旱性强弱顺序与各品种在干旱胁迫下Pro含量上升幅度的排序相关。本研究表明，松萝Pro含量增加最高，其次是维路提、贝吉和贝克立，最弱的是三色。

2.3 干旱胁迫对空气凤梨MDA含量的影响

干旱胁迫下，植物体受到伤害，膜脂会发生过氧化作用，MDA是膜脂过氧化的重要产物之一，会加剧膜的损伤[18]。由表3可知，干旱胁迫下，10个空气凤梨品种MDA含量随干旱胁迫的加剧均呈增加趋势，其含量和增加幅度因品种而异。贝吉、松萝和维路提3个品种在10%干旱处理下其MDA含量与对照相比差异不显著，20%和30%干旱处理其MDA含量显著高于对照；其余7个品种在各干旱胁迫下其MDA含量均显著高于对照。

表3 干旱胁迫对空气凤梨MDA含量的影响

CK、T1、T2、T3处理下空气凤梨MDA含量的均值分别为12.14、14.75、16.87和18.68 nmol·g-1。与对照相比，各处理MDA含量的均值分别上升了2.61、4.73和6.54 nmol·g-1，呈明显的递增趋势。30%干旱胁迫与对照相比，维路提MDA含量增加的最少；其次是松萝；其余品种MDA含量上升率由低到高的顺序依次为贝吉、鳞茎、三色、小精灵(休斯顿)、细叶(斯垂科)和贝克立，其中贝克立MDA含量增加的最多，细叶和斯垂科MDA含量增加的也较多。

MDA含量越高，表明植物在干旱胁迫条件下受伤害愈严重，其抗旱能力越弱。根据供试空气凤梨在干旱胁迫下MDA含量的生理响应，维路提和松萝MDA含量最低，其次是贝吉，贝克立、细叶和斯垂科均较高。

2.4 干旱胁迫对空气凤梨SOD活性的影响

SOD是植物体内清除活性氧的主要保护酶之一，其活性高低在一定程度上决定着植物抗逆性的强弱[19]。10个空气凤梨品种SOD活性随干旱胁迫的加剧均呈增加趋势，其含量和增加幅度因品种而异(表4)。各品种干旱胁迫下SOD活性显著高于对照，且各干旱处理间(除三色外)差异显著；三色10%和20%干旱处理间其SOD活性差异不显著，显著低于30%干旱处理。

表4 干旱胁迫对空气凤梨SOD活性的影响

CK、T1、T2、T3处理下空气凤梨SOD活性均值分别为293.14、381.81、462.12和500.24 U·g-1。与对照相比，各处理SOD活性均值分别上升了88.67、16.98和207.10 U·g-1，呈明显的递增趋势。30%干旱胁迫下，与对照相比贝吉SOD活性增加的最多；其余品种SOD活性上升率由高到低依次为休斯顿、鳞茎、斯垂科、贝克立、松萝、细叶、小精灵、维路提和三色。

SOD活性越高，表明植物在干旱胁迫条件下抗活性氧伤害的能力越强，其抗旱能力亦越强。依据SOD活性的变化认为，供试的10个空气凤梨品种的抵御活性氧伤害能力为贝吉最强，其次是休斯顿，三色最弱，小精灵和维路提亦较弱。

2.5 干旱胁迫对空气凤梨POD活性的影响

POD是对环境变化较为敏感的保护性酶，能通过氧化相应基质清除低浓度的过氧化物[20]。POD活性越高，表明植物在干旱胁迫下受伤害越小，其抗旱能力亦越强。10个空气凤梨品种POD活性随干旱胁迫的加剧呈先增加后降低的趋势(表5)，从对照到20%干旱处理POD活性逐渐升高，20%处理时POD活性达到最高(显著高于其他干旱处理)，30%处理下POD活性下降。贝吉、贝克立、鳞茎、休斯顿、斯垂科和维路提6个品种在各干旱处理下其POD活性均显著高于对照，其中休斯顿、斯垂科和维路提3个品种在30%干旱胁迫下其POD活性降低至低于10%处理，其余3个品种其POD活性稍高于10%处理。小精灵、细叶、三色和松萝4个品种在10%和20%处理下其POD活性显著高于对照和30%处理，对照和30%处理下其POD活性差异不显著，均较低；其中，小精灵在30%干旱胁迫下的POD活性下降较多，稍低于对照。

表5 干旱胁迫对空气凤梨POD活性的影响

CK、T1、T2、T3处理下空气凤梨POD活性均值分别为141.28、184.94、270.87和165.91 U·g-1。与对照相比，各干旱胁迫下空气凤梨POD活性均值分别上升了43.66、129.59和24.63 U·g-1，呈明显的先增后减趋势。30%干旱胁迫下，与对照相比，斯垂科POD活性增加的最多；其次是维路提；其余品种POD活性上升率由高到低依次为鳞茎、休斯顿、贝吉、贝克立、三色、松萝、细叶、小精灵，其中小精灵POD活性低于对照，细叶、松萝和三色POD活性增加亦较少。

从干旱胁迫下10个空气凤梨品种POD活性的变化可说明，供试的空气凤梨品种受伤害由低到高的顺序与各品种POD活性上升幅度的排序一致，即斯垂科对干旱的抵抗能力最强，其次是维路提；小精灵抗旱性最弱，细叶、松萝和三色亦较弱。另外，20%干旱胁迫时，所有品种的POD活性均呈明显的上升趋势，说明20%的干旱胁迫激发了空气凤梨的POD活性；30%干旱胁迫时，供试品种的POD活性均呈现明显的下降趋势，小精灵的POD活性甚至比对照的还低，这可能是由于干旱胁迫过度造成了空气凤梨的代谢紊乱。

2.6 干旱胁迫对空气凤梨CAT活性的影响

当植物受到干旱胁迫时，CAT作为细胞酶促防御系统的重要组成部分，可有效分解组织内过量的H2O2，使植物细胞内维持较低水平的活性氧，使得植物细胞免受或缓解来自氧化胁迫的伤害[21]，CAT活性越高，植物受伤害越小，抗旱能力越强。10个空气凤梨品种在不同干旱胁迫下其CAT活性表现出差异性(表6)，随干旱胁迫的加剧呈先增加后降低的趋势。除三色、维路提和松萝外，其余品种从对照到20%干旱处理CAT活性逐渐升高，20%干旱处理下CAT活性达到峰值，显著高于其他干旱处理，30%干旱处理下CAT活性下降；三色、维路提、松萝在10%干旱处理下CAT活性达到峰值，显著高于其他干旱处理，20%和30%干旱处理下CAT活性逐渐下降。

表6 干旱胁迫对空气凤梨CAT活性的影响

贝克立、鳞茎、休斯顿和细叶4个品种在各干旱处理下其CAT活性均显著高于对照，其中鳞茎、休斯顿和细叶3个品种在30%干旱胁迫下其CAT活性降低至显著低于10%干旱处理。小精灵和斯垂科两个品种在10%和20%处理下其CAT活性显著高于对照和30%处理，三色和松萝两个品种在10%处理下其CAT活性显著高于对照、20%和30%干旱处理，3个处理间差异不显著。小精灵在30%干旱胁迫下的CAT活性下降较多，甚至比对照还低。贝吉和维路提两个品种在30%干旱胁迫下的CAT活性稍高于对照，但差异不显著。

CK、T1、T2、T3处理下空气凤梨CAT活性均值分别为14.97、19.02、20.95和15.87 U·g-1。与对照相比，各干旱胁迫下空气凤梨CAT活性均值分别上升了4.05、5.98和0.90 U·g-1，呈明显的先升后降的趋势。30%干旱胁迫下，与对照相比鳞茎的CAT活性增加最多；其次是细叶、休斯顿和贝克立；其余品种CAT活性上升率由高到低依次为维路提、贝吉、斯垂科、松萝、三色和小精灵，其中斯垂科、松萝、三色和小精灵4个品种的CAT活性上升率为负值，维路提和贝吉CAT活性增加的较少。

2.7 隶属函数分析

根据以上的分析可看出，采用单一指标评价10个空气凤梨的抗旱性具有片面性，且不同指标对抗旱性贡献的权重比例不易界定，故需对其进行综合分析评价。本研究利用隶属函数法对6个生理指标进行综合分析，隶属函数值越大，表明该品种空气凤梨抗旱性越强。结果表明，休斯顿隶属函数值0.665，居第1位，抗旱性最强；三色隶属函数值0.245，抗旱性最弱。抗旱能力顺序依次为休斯顿>贝吉>松萝>斯垂科>维路提>贝克立>鳞茎>细叶>小精灵>三色(表7)。

表7 空气凤梨抗旱性隶属函数分析

3 小结与讨论

目前国内外关于植物抗旱性的研究较多，随着干旱胁迫程度加深，植物叶片中Chl、Pro、MDA含量以及抗氧化保护酶活性呈现不同的变化规律[22-23]。本研究通过PEG-6000对10个空气凤梨品种进行模拟干旱处理，结果表明，随着干旱胁迫的加剧，空气凤梨的生理生化过程发生不同程度的变化，Chl含量总体呈下降趋势，Pro、MDA含量和SOD活性总体呈上升趋势，CAT和POD活性总体呈先升后降的趋势。

干旱胁迫常常引起叶绿体光合色素叶绿素含量的降低和参与光合作用酶活性的改变，导致光合能力下降和光合作用受阻，叶绿素含量的高低能反映植物的光合特性和抗旱能力[24-25]。本研究结果表明，10个空气凤梨品种在整个干旱胁迫过程中叶绿素含量在持续减少。推测原因可能是干旱胁迫引起空气凤梨光合色素降解及合成受阻，导致叶绿素含量下降，破坏光合作用，从而影响空气凤梨的生长。在干旱条件下，陈郡雯等[26]对白芷苗期、郭郁频等[22]对早熟禾、陈翠红等[27]对侧金盏花的研究亦证实了这一结果。

干旱胁迫会引起活性氧自由基增加，导致细胞膜受损并影响植物生长。MDA含量的高低在一定程度上能反映植物膜脂过氧化水平和膜结构的受损程度，含量越高，表明植物受伤害愈严重，其抗逆性越弱[18]。本研究中，随着干旱胁迫程度的加剧，10个空气凤梨品种MDA累积量总体均为逐渐增加，与对照相比，各品种MDA含量和上升率因品种而异，干旱程度不同，MDA增加量亦不同。说明干旱胁迫会导致空气凤梨细胞膜质过氧化和细胞膜系统破坏，品种和干旱程度不同，细胞质膜遭到的破坏程度亦不同。抗旱性强的品种(如贝吉、松萝等)MDA含量低，且在干旱胁迫下的增加量小，叶片细胞膜系统受损程度较轻，反之则重。何玮等[28]的研究结果证明，PEG干旱胁迫能提高红三叶MDA含量；张然等[29]认为，干旱使草地早熟禾种质材料MDA含量增加；赵丽丽等[30]研究表明，干旱胁迫引起19种高羊茅种质MDA含量上升。以上研究与本研究结果相一致。

植物在干旱胁迫下通常会通过积累Pro来调节细胞渗透势，降低细胞内水势，延缓干旱胁迫造成的伤害，在一定程度上提高植物的抗旱性[17]。本研究中，10个空气凤梨品种的Pro含量与MDA含量的变化趋势一致，随干旱胁迫程度的加剧而增大，说明Pro含量的升高有利于空气凤梨对干旱胁迫的响应，品种和干旱程度不同，渗透调节物质(Pro)的积累量也不同。抗旱性强的品种(如贝吉、松萝等)其Pro含量较高，且在干旱胁迫下的上升率高，细胞渗透调节能力较强，反之则较弱。这与张昌胜等[31-32,23]研究结论一致，亦与Pro含量的高低与植物的抗旱性呈正相关的观点吻合。

研究表明[33-34]，当植物抵御逆境胁迫时其体内SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性均会上升，以此来清除不利于植物细胞正常代谢的活性氧，从而提高植物的抗逆性，本研究也证实了这一点。供试的10个空气凤梨品种SOD活性随干旱胁迫加剧而持续增加，说明各品种均具有通过提高SOD保护酶活性来抵御干旱胁迫和减轻伤害的适应机制，但其积累量和对干旱的敏感性因干旱胁迫程度和品种的不同而异。POD和CAT活性呈先升高再降低的趋势，20%干旱胁迫时，绝大部分空气凤梨品种的CAT和POD活性明显上升且达到最大值，说明20% PEG胁迫是敏感干旱处理，极大地激发了空气凤梨的CAT和POD活性，这可能与20% PEG胁迫的缺水信号诱导编码POD和CAT的基因表达，使得其活性不断上升有关。当胁迫程度升至30%时，CAT和POD活性呈明显的下降趋势，某些品种的CAT和POD活性甚至低于对照，这可能是由于过度干旱造成了空气凤梨膜系统受伤害越来越严重，细胞质膜透性越来越大，细胞内代谢紊乱，从而导致POD和CAT活性受到影响[35]。本研究认为，POD和CAT抵抗干旱胁迫的修复能力有一定的阈值，20%干旱胁迫是空气凤梨耐旱的关键转折点，超过20%则影响空气凤梨的正常生理代谢。不同物种对干旱胁迫反应能力不同，郭郁频等[22]研究表明，-0.6 MPa水势是早熟禾幼苗耐旱的关键水势点；穆怀彬等[36]发现，苜蓿幼苗耐旱的关键水势点为-0.9 MPa。

植物抵御干旱环境是多种因素相互作用的结果，故仅采用单一指标评价植物的抗旱性存在一定的片面性。隶属函数法采用多个指标对植物抗旱性进行综合评价，能够较为客观地反映植物抗旱性的强弱[37]。本研究综合Chl、MDA、Pro含量和SOD活性等6个生理生化指标，利用隶属函数法对供试空气凤梨品种进行抗旱性综合评价。结果表明，供试品种的抗旱程度有所区别，抗旱性顺序依次为休斯顿>贝吉>松萝>斯垂科>维路提>贝克立>鳞茎>细叶>小精灵>三色。