干旱对海南岛假马鞭生长的影响

摘要：假马鞭作为外来入侵植物，原产地为中南美洲，现已在我国华南地区广泛逸生。为明确干旱条件对假马鞭生长发育的影响，本试验对不同生长阶段的假马鞭进行干旱胁迫处理，同时设置对照组进行试验。期间对假马鞭的形态指标进行测量，用紫外分光光度计法对其叶片中叶绿素含量进行检测，观察假马鞭的气孔变化，最后对假马鞭的叶片进行收获，利用烘干法检测叶片含水量。结果表明：干旱胁迫对处于生长期和开花期的假马鞭植株的生长均有抑制作用。对照组的植株张开的气孔比干旱组的多，同时下表面打开的气孔数量比上表面多。开花期的假马鞭植株其干旱组的株高、叶长和叶宽数值减小，叶绿素a和总叶绿素含量均会先增大再减小，叶绿素b含量会增大。生长期的假马鞭植株进行干旱后，株高、叶长和叶宽则是先增大再减小，叶绿素含量变化同开花期一致。干旱后的假马鞭植株生长期的含水量要比开花期的含水量更低。关键词：假马鞭草；干旱胁迫；叶绿素；含水量1引言1.1研究背景假马鞭又名假败酱、铁马鞭、玉龙鞭、大种马鞭，拉丁名为Stachytarphetajamaicensis(Linn.)Vahl;英文名为JamaicaFalsevalerian，属双子叶植物纲(Dicotyledoneae)管花目(Tubiflorae)马鞭草科(Verbenaceae)假马鞭属(StachytarphetaL.)的植物[[]中国植物志编写委员会.中国植物志:第65卷第1分册［M］.北京:科学出版社,1982:20－21．[]中国植物志编写委员会.中国植物志:第65卷第1分册［M］.北京:科学出版社,1982:20－21．[]单家林.雏议我国假马鞭属植物[J].亚热带植物科学,2009,38(03):44-46.外来入侵植物往往具备比本地植物更强的存活能力和生长能力，当外来入侵物种与本地植物在资源上产生竞争时，其他杂草和作物会受到外来入侵植物的化感抑制作用，并且能够改变生态系统过程或产生其他干扰机制等抑制甚至是取代本地植物[[]韦梅.共同入侵下入侵植物和本地植物的共存机理和入侵植物对植物群落的影响与机理[D].镇江:江苏大学,2021.][[]贺俊英,谢彩琴.繁殖生物学特性在外来入侵植物入侵性中的意义[J].[]韦梅.共同入侵下入侵植物和本地植物的共存机理和入侵植物对植物群落的影响与机理[D].镇江:江苏大学,2021.[]贺俊英,谢彩琴.繁殖生物学特性在外来入侵植物入侵性中的意义[J].内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版),2009(2):217-221.[]王悦,张丽辉,赵骥民.外来入侵植物的繁殖生物学特性研究进展[J].长春师范大学学报,2023,42(06):120-124.假马鞭在其原产地是杂草，常分布于路旁、荒野与牧场附近，目前假马鞭在海南各地也极其常见，常分布在路边与荒地，与当地低矮草本植物进行资源竞争，进而发展成为优势杂草，对当地的生态环境与生物多样性造成威胁。大部分假马鞭植株在12月会进入结实期，但是同时能够看到处于苗期和开花期的植株，由此可见假马鞭的发生时间长。当处于适宜的生长环境下，如果假马鞭的种子散落在地上则可以迅速萌发，长成植株。假马鞭草的病虫害很少，仅有少量植株受霜霉病危害，但是仅会对植株的生长发育产生影响，并没有发现被危害死亡的植株[[]于飞,吴海荣,鲁勇干,罗卓军,胡学难.外来假马鞭草的特征特性及控制[J].杂草科学,2012,30(03):14-15.对照组和干旱组假马鞭叶片的气孔变化][]于飞,吴海荣,鲁勇干,罗卓军,胡学难.外来假马鞭草的特征特性及控制[J].杂草科学,2012,30(03):14-15.对照组和干旱组假马鞭叶片的气孔变化1.2干旱胁迫对植物的影响水分是植物体的重要组成部分，植物体的许多生理活动都有着水分的参与，在干旱胁迫下，植物体的生长会受到抑制、机体也会产生一定的损伤，这是由于干旱使得植物体内可利用水分的含量下降。干旱胁迫是影响植物生长的一种重要非生物胁迫。水分是植物进行光合作用的原料，干旱状态会使得植物的光合作用受到抑制，植物处于干旱状态下，其气孔会关闭，蒸腾作用的耗水量也会随之减少，当植物的耗水量超过植物吸收的水分时植物的正常生命活动被抑制，这是由于植物细胞的膨压降低导致的。植物可以通过渗透调节来应对干旱胁迫，在体内主动积累溶质，增强渗透调节，因此干旱胁迫也会对植物的正常渗透调节产生影响。干旱胁迫也会对植物的抗氧化系统和植物内源激素的含量产生影响，进而影响植物的生命活动[[]赵雅静,翁伯琦,王义祥,等.植物对干旱胁迫的生理生态响应及其研究进展[J].福建稻麦科技,2009,27(02):45-50.[]赵雅静,翁伯琦,王义祥,等.植物对干旱胁迫的生理生态响应及其研究进展[J].福建稻麦科技,2009,27(02):45-50.[]刘杰,郭嘉华,赵鹏,等.干旱胁迫下海藻活性物质对蒙古黄芪光合作用、生长及品质的影响[J].核农学报,2024,38(05):985-992.[]王雅坤,李鸿萍,徐真真,等.高温干旱复合胁迫对玉米光合生理的影响[J].河南农业科学,2023,52(05):17-23.[]朱波,徐绮雯,马淑敏,等.干旱缺钾对油菜内源激素、光合作用和叶绿素荧光特性的影响[J].中国油料作物学报,2022,44(03):570-580.1.3本项目的研究目的与意义位于中国最南端的海南岛，其气候类型为热带季风性气候。受到复杂地形和热带季风气候影响，海南岛降水时空分布不均，干旱、暴雨等气象灾害频发[[]李伟光,张京红,[]李伟光,张京红,刘少军,等.海南岛干旱的气象特征及监测指标[J].热带生物学报,2022,13(04):324-330.本试验着重从干旱对假马鞭的影响入手，对处于不同生长阶段下的假马鞭进行干旱胁迫，并对其生理指标进行定期检测，明确在干旱胁迫下假马鞭的各项生理指标变化，探讨干旱胁迫对假马鞭的存活率、生物量及形态特征的影响。通过对假马鞭进行生物生态学研究，可以为预测假马鞭的地理扩散范围提供参考，很好的对外来入侵物种进行防治，从而达到保护生态环境和维持生物多样性的目的。2材料与方法2.1试验地点与材料本试验于2024年3～4月在海南师范大学生态园中进行。假马鞭采集地点为海南省海口市龙华区龙桥镇，选取未受人工干扰的假马鞭作为试验植株。2.2材料种植与分组根据假马鞭的生长状况、开花情况，可将其分为生长期和开花期两组。分别选取生长状况良好且个体间差异较小的假马鞭进行种植，取深度25cm，底部宽度15cm，顶部宽度18cm的花盆，将假马鞭植株种于其中。根据天气条件进行种植培养，阴雨天气时，2～3天浇一次水，晴天时每天浇水，直至假马鞭长出新的幼苗方可开始试验[[]黄旬,王玲,FaisalHayat,[]黄旬,王玲,FaisalHayat,等.干旱和涝渍胁迫对入侵物种喜旱莲子草生长的影响[J].湖北林业科技,2022,51(05):1-6.2.3试验设计对照组的假马鞭正常种植，晴天一天浇一次水，阴雨天2～3天浇一次水。对处于生长期和开花期的干旱组假马鞭进行干旱处理，同时要注意避雨。在试验期间，每隔一天要对干旱组和对照组植物的株高、叶长和叶宽进行测量，摘取叶片对其气孔的状态进行观察，利用分光光度法对其叶片中的叶绿素含量进行检测。2.4试验方法2.4.1株高、叶长和叶宽的测量用卷尺测量每株植物根颈部到顶部之间的距离记为株高。每株植物随机挑选大小相近的3片固定叶片作为对象，测量其叶长和叶宽，计算平均值并进行记录。2.4.2印模法观察气孔首先，使用脱脂棉将叶片擦拭干净。之后将指甲油均匀涂抹在植物叶片的上下表皮上，待指甲油自然干透。当指甲油干透之后，使用镊子将指甲油与叶片剥离。最后将剥离下来的油膜进行制片，放于光学显微镜下进行观察、拍照记录。2.4.3分光光度法测叶绿素含量通过测定已知浓度的纯物质在不同波长下的吸光度求得有色物质溶液在不同波长下的吸光系数。如果溶液中含有多种吸光物质，则此混合液在某一波长下的总吸光度等于各组分在相应波长下吸光度的总和。若要测定叶绿体色素混合提取液中叶绿素a和叶绿素b的含量，需测定该提取液在两个特定波长下的吸光度A，并根据叶绿素a、b在该波长下的吸光系数即可求出其浓度。通过查阅资料可知，叶绿素a、b在95％乙醇中最大吸收峰的波长分别为663nm和645nm，据此得出以下公式：色素浓度计算公式（浓度单位：mg·L-1)Ca=12.7A663-2.69A645（1）Cb=22.9A645-4.68A663（2）CT=Ca+Cb=20.21A645+8.02A663（3）[[]王富豪,[]王富豪,郭婧华,程有普.匀浆法快速提取叶绿素对比试验[J].中南农业科技,2024,45(01):36-39.2.4.4乙醇提取叶绿素随机采集若干片假马鞭叶片，用刀片去除大叶脉，进行称重并记录，将称重后的叶片剪碎放入研钵中。在研钵中加入5mL体积分数为95%的乙醇，为了在研磨过程中保护叶绿素且使叶片的研磨更加充分，需要在研磨前加入少量的碳酸钙、石英砂，将其研磨成匀浆后再加入5mL体积分数为95%的乙醇，继续进行研磨直至组织变白。取一张滤纸，将其对折放置于漏斗中，并用95%乙醇润湿，将匀浆沿玻璃棒缓慢倒入提前准备好的漏斗中，过滤至25mL容量瓶内。由于研钵、研棒上会有叶绿素残留，因此需要使用少量95%乙醇冲洗研钵、研棒，直至冲洗液变为无色，将冲洗液倒入漏斗中过滤。过滤完成后使用滴管吸取体积分数为95%的乙醇冲洗残留在滤纸上的叶绿素进入容量瓶中，最后使用95%乙醇定容至25mL并摇匀[[]邱念伟,[]邱念伟,王修顺,杨发斌,等.叶绿素的快速提取与精密测定[J].植物学报,2016,51(05):667-678.取干净的比色皿，并将上一步骤得到的叶绿体色素提取液倒入比色皿内。以95％乙醇为空白进行标定，分别在663nm和645nm波长下测定吸光度，并进行记录。之后将吸光度代入公式（1）（2）中分别计算得出叶绿素a、叶绿素b的浓度。结合试验开始时称重得到的叶片质量，进而计算求得植物组织中叶绿素a、叶绿素b的含量（mg/g)：色素的浓度（mg/L）×提取液体积（mL）/[样品鲜重（g）×1000]2.4.5烘干法测定叶片相对含水量首先分别随机摘取开花期、生长期假马鞭的对照组和干旱组叶片。使用电子天平对采集的叶片进行称重，记录烘干前鲜重。将植物叶片均匀铺展放置于铝盘中，将烘箱设置为90℃，6h并将铝盘放置其中进行烘干。烘干完毕后，使用电子天平称量植物干重，并计算植物叶片的相对含水量：组织含水量=（植株鲜重-植株干重）/植株鲜重×100%[[]庞进平,[]庞进平,王永生.油菜幼苗光合及叶绿素荧光参数对干旱胁迫的响应及其抗旱性分析[J].西北植物学报,2023,43(02):276-284.2.5统计分析方法运用excel表格，对试验数据进行处理，并绘制图表。3结果与分析3.1干旱对假马鞭气孔的影响在对照组中，通过印模法观察气孔，在显微镜下观察取下的油膜发现：叶片的气孔有一部分是打开的，与叶片的上表皮相比，叶片的下表皮打开的气孔更多，这个现象在开花期和生长期的假马鞭植株上是一致的。这是由于对照组的植株正常浇水、生长，要进行正常的光合作用和呼吸作用，因此气孔打开要进行植物与外界正常的气体交换与水分蒸发。由于植物叶片在下午5点钟进行采集，此时气温还较高，植物蒸腾作用失水比较剧烈，所以会有部分气孔关闭。开花期对照组假马鞭叶片的上下表面气孔见下图1、2，生长期对照组假马鞭叶片的上下表皮气孔见下图3、4。图SEQ图\*ARABIC1开花期对照组叶片上表皮图SEQ图\*ARABIC2开花期对照组叶片下表皮图SEQ图\*ARABIC3开花期干旱组叶片上表皮图SEQ图\*ARABIC4开花期干旱组叶片下表皮对于干旱组，叶片上的气孔大部分都是关闭的，仅有极个别气孔是打开的。这是由于植株处于干旱状态下，由于水分不足，使得假马鞭叶片的水势降低，植物关闭气孔以减少蒸腾作用的进行，从而避免水分进一步流失。开花期干旱组假马鞭叶片的上下表皮气孔见下图5、6，生长期干旱组假马鞭叶片的上下表皮气孔见下图7、8。图SEQ图\*ARABIC5生长期对照组叶片上表皮图SEQ图\*ARABIC6生长期对照组叶片下表皮图SEQ图\*ARABIC7生长期干旱组叶片上表皮图SEQ图\*ARABIC8生长期干旱组叶片反下表皮3.2干旱对假马鞭形态的影响3.2.1假马鞭的株高变化开花期假马鞭对照组和干旱组的株高变化见下图9。对于开花期的假马鞭而言，进行正常种植的对照组植株，其株高变化不明显，基本稳定在53cm左右。而对于进行干旱处理的干旱组假马鞭而言，其株高在前6天的变化均不明显，从第7天开始，株高逐渐减小。图SEQ图\*ARABIC9开花期假马鞭对照组和干旱组的株高变化生长期假马鞭对照组和干旱组的株高变化见下图10。对于生长期的假马鞭而言，如果处于适宜的环境下，假马鞭的叶片、茎杆和根系会迅速的生长。对照组的假马鞭正是如此，其株高在逐渐增大，由最初的36cm到后面的40.2cm。但是进行干旱处理的假马鞭，其株高整体而言是减小的，在干旱之初，由于土壤中仍然具有一定的水分，植株还能正常进行生长，在前3天，假马鞭的株高有着小幅增高，随着干旱程度的加强，其能正常利用的水分越来越少，渐渐的无法满足其正常生长需要，花序逐渐卷曲，使得株高减小。图SEQ图\*ARABIC10生长期假马鞭对照组和干旱组的株高变化3.2.2假马鞭的叶长变化开花期假马鞭对照组和干旱组的叶长变化见下图11，对照组的叶长几乎不变，稳定在5.4cm。进行干旱处理的假马鞭的叶长在干旱初期变化不明显，在干旱胁迫加强后，从第七天开始其叶片缩小，甚至卷曲，测量得到的平均叶长减小。干旱组和对照组的叶长区别比较明显。图SEQ图\*ARABIC11开花期假马鞭对照组和干旱组的叶长变化生长期假马鞭对照组和干旱组的叶长变化见下图12。对于生长期的假马鞭而言，处于适宜的环境下，生命活动十分旺盛。对照组的假马鞭叶长在逐渐增大，从最初的4.1cm变为后来的4.9cm。但是进行干旱处理的假马鞭，其叶长整体而言是减小的，在干旱之初，假马鞭的叶长有着小幅增加，随着干旱程度的进一步加强，假马鞭的叶长的减小变得明显。图SEQ图\*ARABIC12生长期假马鞭对照组和干旱组的叶长变化3.2.3假马鞭的叶宽变化开花期假马鞭对照组和干旱组的叶宽变化见下图13，对照组的假马鞭进行正常种植，其叶宽变化不是很明显，基本稳定在2.25cm。但是进行干旱处理的假马鞭的叶宽在干旱初期变化不明显，随着干旱胁迫加强，测量得到的平均叶宽减小，从最初的2.38cm变为2.067cm。图SEQ图\*ARABIC13开花期假马鞭对照组和干旱组的叶宽变化生长期假马鞭对照组和干旱组的叶宽变化见下图14。对照组的假马鞭叶宽有着小幅度增大。但是进行干旱处理的假马鞭，在刚开始进行干旱的一段时间内，假马鞭的叶宽变化不明显，随着干旱程度的进一步增强，假马鞭的叶宽也逐渐减小，从最初的2.1cm变为1.67cm。图SEQ图\*ARABIC14生长期假马鞭对照组和干旱组的叶宽变化3.3干旱对假马鞭叶绿素含量的影响3.3.1假马鞭叶绿素a的含量开花期假马鞭对照组和干旱组的叶绿素a含量变化见下图15，对于正常培养的对照组而言，其叶绿素a的含量变化不明显，相较于干旱组含量比较稳定，基本稳定在1.2mg/g。对开花期的假马鞭进行干旱处理后，其叶片中叶绿素a的含量波动较为明显，整体变化趋势表现为先增大后减小。试验初期无论是对照组还是干旱组的叶绿素a含量均在1.1mg/g附近，但干旱后期的叶绿素a含量达到了1.856mg/g，较干旱初期的高。图SEQ图\*ARABIC15开花期假马鞭对照组和干旱组的叶绿素a含量变化生长期假马鞭对照组和干旱组的叶绿素a含量变化见下图16，对于正常培养的对照组而言生长期的叶绿素a含量也比较稳定。进行干旱处理的生长期假马鞭植株，叶绿素a含量在干旱初期变化不明显，基本维持在1.1～1.3mg/g之间，但从4月7日之后，干旱组的叶绿素a含量有了大幅增加，达到了3.118mg/g，从4月9日之后含量开始下降，最后稳定在1.9mg/g附近。图SEQ图\*ARABIC16生长期假马鞭对照组和干旱组的叶绿素a含量变化3.3.2假马鞭叶绿素b的含量开花期假马鞭对照组和干旱组的叶绿素b含量变化见下图17，对照组假马鞭植株叶片中的叶绿素含量处于0.3～0.45mg/g区间，且随时间变化相对平稳，但是4月7日的测量结果比其他时间段的数据大，考虑可能是在试验过程中产生了试验误差。进行干旱处理的假马鞭植株，其叶片中的叶绿素b含量在前5天比较稳定，之后随着干旱程度的加强，叶绿素b的含量开始逐渐增大，最终达到最大的0.888mg/g。图SEQ图\*ARABIC17开花期假马鞭对照组和干旱组的叶绿素b含量变化生长期假马鞭对照组和干旱组的叶绿素b含量变化见下图18，正常种植情况下的假马鞭植株叶片中的叶绿素b含量依旧是比较稳定，其含量处于0.4mg/g左右，相对稳定。进行干旱处理的假马鞭植株，其叶片中的叶绿素b含量在4月7日前比较稳定，4月7日后植株叶片中的叶绿素b含量有了较大的提高，4月9日之后假马鞭植株叶片中的叶绿素b含量开始下降，最终稳定在0.7～0.9mg/g之间。图SEQ图\*ARABIC18生长期假马鞭对照组和干旱组的叶绿素b含量变化3.3.3假马鞭总叶绿素的含量开花期假马鞭对照组和干旱组的总叶绿素含量变化见下图19，对照组假马鞭植株的叶片中总叶绿素含量在4月7日时相对其他时间段而言较大，其他时间段的总叶绿素含量维持在1.4～1.7mg/g左右。进行干旱处理的假马鞭植株其叶片内的叶绿素含量在干旱初期与对照组的叶绿素含量差别不大。随着时间的推移，干旱胁迫进一步加强，总叶绿素含量有小幅上升。整体而言，干旱组的含量在干旱胁迫的增强下与对照组产生了明显的差异。图SEQ图\*ARABIC19开花期假马鞭对照组和干旱组的总叶绿素含量变化生长期假马鞭对照组和干旱组的总叶绿素含量变化见下图20，对照组植株的总叶绿素含量变化并不明显，但干旱组植株的总叶绿素含量从4月7日开始有了明显的提升，在4月9日达到了最大，之后再缓慢下降，最终达到稳定。图SEQ图\*ARABIC20生长期假马鞭对照组和干旱组的总叶绿素含量变化3.4干旱对假马鞭含水量的影响分别随机选取处于生长期和开花期的对照组和干旱组植株叶片若干，对其进行称重，得到生长期对照组的叶片鲜重为1.156g，生长期干旱组的叶片鲜重为0.387g；开花期对照组的叶片鲜重为1.578g，开花期干旱组的植株叶片鲜重为0.458g。烘干完成后，对各组叶片