干旱胁迫与复水对菊芋幼苗的生长及生理特性的影响

doi:10.11686/cyxb2024339

草业学报 ›› 2025, Vol. 34 ›› Issue (7): 171-184.DOI: 10.11686/cyxb2024339

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干旱胁迫与复水对菊芋幼苗的生长及生理特性的影响

李慧玲¹(), 朱永兴¹, 陈檬², 刘姝³, 王娇¹, 刘奕清¹, 张雪梅¹(), 马慧慧¹()

^1.长江大学香辛园艺植物种质创新与利用湖北省重点实验室，园艺园林学院，湖北荆州 434025
^2.湖北雪印农业科技有限公司，湖北荆州 434000
^3.宜昌市夷陵区农业技术服务中心，湖北宜昌 443100

收稿日期:2024-09-02 修回日期:2024-10-21 出版日期:2025-07-20 发布日期:2025-05-12
通讯作者: 张雪梅,马慧慧
作者简介:1664456670@qq.com
E-mail： echozhang@yangtzeu.edu.cn
李慧玲（2001-），女，湖北恩施人，在读硕士。E-mail： 18171567693@163.com
基金资助:
湖北省国际科技合作计划项目(2024EHA011);湖北省重点研发计划项目(2022BBA0061)

Effects of drought stress and re-watering on the growth and physiological characteristics of Helianthus tuberosus seedlings

Hui-ling LI¹(), Yong-xing ZHU¹, Meng CHEN², Shu LIU³, Jiao WANG¹, Yi-qing LIU¹, Xue-mei ZHANG¹(), Hui-hui MA¹()

^1.Hubei Key Laboratory of Spices & Horticultural Plant Germplasm Innovation & Utilization，College of Horticulture and Gardening，Yangtze University，Jingzhou 434025，China
^2.Hubei Xueyin Agricultural Science & Technology Co. ，Ltd. ，Jingzhou 434000，China
^3.Yiling District Agricultural Technology Service Center of Yichang City，Yichang 443100，China

Received:2024-09-02 Revised:2024-10-21 Online:2025-07-20 Published:2025-05-12
Contact: Xue-mei ZHANG,Hui-hui MA

摘要/Abstract

摘要：

为了明确菊芋幼苗对干旱胁迫和复水的响应机制，探究干旱胁迫及恢复浇水处理后对菊芋幼苗生长、生理特性的影响。本研究以‘青芋’菊芋幼苗为材料，在盆栽试验条件下，设置对照处理（CK）、干旱胁迫处理（DS）、复水期间对照处理（RCK）、复水处理（RW），测定干旱胁迫7、14、21、28 d以及复水7、14 d菊芋幼苗的生长形态（总根长、根系投影面积、根系表面积、根系平均直径、根尖数）和生理指标（光合作用参数、光合色素含量、叶绿素荧光参数、水分含量、渗透调节物质、抗氧化酶活性、糖类物质含量、脯氨酸代谢酶活性）。结果表明，干旱胁迫显著抑制菊芋的生长，复水管理能恢复菊芋的正常生长。与干旱胁迫相比，RW处理根系总长度、根系表面积、根系投影面积、平均直径和根尖数显著增加了18.18%、54.36%、30.35%、34.51%和83.29%，叶绿素a（Chl a）和叶绿素a+b（Chl a+Chl b）含量分别显著提高19.51%和19.42%，实际光量子效率（Φ_PSII）和光化学淬灭系数（q_P）显著上升了13.64%和2.99%；自由水含量和相对含水量显著增加1250.00%和1.34%，束缚水含量和总含水量上升12.84%和8.99%。复水处理后菊芋幼苗的吸水能力得到恢复，保证植株正常生长；与RCK处理相比，RW处理气孔导度（G_s）、蒸腾速率（T_r）和胞间CO₂浓度（C_i）显著提高了90.27%、52.24%和44.75%，在第7天时过氧化物酶（POD）活性、蔗糖、果糖和葡萄糖含量上升，超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性、脯氨酸、可溶性蛋白含量降低，而脯氨酸合成途径的Δ¹-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）活性和脯氨酸脱氢酶（PDH）活性提高，促进脯氨酸分解，使得菊芋幼苗体内达到渗透平衡，维持细胞的正常膨压。该研究结果可为推广菊芋节水栽培技术的实践应用提供理论依据和参考。

关键词: 菊芋, 干旱胁迫, 复水

Abstract:

The aim of this work was to clarify the response mechanism of Helianthus tuberosus seedlings to drought stress and re-watering. A pot experiment was conducted in which seedlings of H. tuberosus ‘Qingyu’ were subjected to a drought stress treatment （DS）， a control treatment during rewatering （RCK）， and a re-watering treatment （RW）. Seedlings in the control group （CK） were grown under normal （non-drought） conditions. The growth and physiological characteristics of the seedlings in the CK and treatment groups were measured. The growth morphology （total root length， root projected area， root surface area， average root diameter， number of root tips） and physiological parameters （photosynthesis parameters， chlorophyll fluorescence parameters， contents of photosynthetic pigments， water， saccharides， and osmoregulators， antioxidant enzyme activities， proline-metabolizing enzyme activities） of H. tuberosus seedlings were determined at 7， 14， 21， 28 days of drought stress and at 7 and 14 days of rewatering. The results showed that drought stress significantly inhibited the growth of H. tuberosus， but normal growth was restored by re-watering. Compared with plants in the DS group， those in the RW group showed significantly increased total root length， root surface area， root projected area， average diameter， and root tip number （by 18.18%， 54.36%， 30.35%， 34.51%， and 83.29%， respectively）， and higher chlorophyll a and chlorophyll a+b contents （increased by 19.51% and 19.42%， respectively）. Comparing the RW group with the DS group， the actual optical quantum efficiency and photochemical quenching coefficient were increased by 13.64% and 2.99% respectively， the free water content and relative water content were increased by 1250.00% and 1.34%， respectively， and the bound water content and total water content were increased by 12.84% and 8.99%， respectively. After the re-watering treatment， the water-absorbing ability of H. tuberosus seedlings was restored， allowing for normal growth to resume. Compared with the plants in the RCK group， significantly higher stomatal conductance， transpiration rate， and intercellular CO₂ concentration （increased by 90.27%， 52.24% and 44.75%， respectively） in the RW group； those in the RW group showed higher peroxidase activity and sucrose， fructose， and glucose contents on the 7th day， lower superoxide dismutase activity， catalase activity， proline and soluble protein contents， and higher activities of two enzymes in the proline synthesis pathway； Δ¹-pyrroline-5-carboxylic acid synthase and proline dehydrogenase. This promoted proline decomposition， contributing to the regulation of osmotic balance in H. tuberosus seedlings and the maintenance of normal cell turgor pressure. The results of this study provide a theoretical basis and reference for the practical application of water-saving cultivation techniques for H. tuberosus.

Key words: Helianthus tuberosus, drought stress, re-watering

李慧玲, 朱永兴, 陈檬, 刘姝, 王娇, 刘奕清, 张雪梅, 马慧慧. 干旱胁迫与复水对菊芋幼苗的生长及生理特性的影响[J]. 草业学报, 2025, 34(7): 171-184.

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图/表 10

图1 干旱胁迫和复水后菊芋幼苗植株和根系表型A， E： CK处理下的植株和根系Plants and roots under CK treatment； B， F： DS处理下的植株和根系Plants and roots under DS treatment； C， G： RCK处理下的植株和根系Plants and roots under RCK treatment； D， H： RW处理下的植株和根系Plants and roots under RW treatment.

Fig.1 Plant and root phenotypes of H. tuberosus seedlings under drought stress and re-watering

表1 干旱胁迫和复水对菊芋幼苗根系生长的影响

Table 1 Effects of drought stress and re-watering on the root growth of H. tuberosus seedlings

处理 Treatments	总根长 Total root length （cm）	根系投影面积 Root projection area （cm²）	根系表面积 Root surface area （cm²）	平均直径 Average diameter of root （mm）	根尖数 Number of root tips
CK	712.43±32.93a	74.00±4.27b	234.39±12.46b	1.43±0.19b	330.00±20.05b
DS	454.37±24.82c	55.32±3.16c	173.79±9.94c	1.13±0.05c	207.50±22.91c
RCK	757.44±25.42a	100.44±1.36a	318.15±5.02a	1.76±0.02a	540.00±30.82a
RW	536.98±16.42b	72.11±1.60b	268.26±24.59b	1.52±0.03b	380.33±12.66b

表2 干旱胁迫和复水后菊芋幼苗叶片光合参数

Table 2 Photosynthetic parameters of H. tuberosus seedling leaves under drought stress and re-watering

处理 Treatment	净光合速率 Net photosynthetic rate （P_n， μmol·m^-2·s^-1）	气孔导度 Stomatal conductance （G_s， mmol·m^-2·s^-1）	蒸腾速率 Transpiration rate （T_r， mmol·m^-2·s^-1）	胞间CO₂浓度 Intercellular CO₂ concentration （C_i， μmol·mol^-1）
CK	7.54±0.08a	253.37±9.40a	4.69±1.07a	366.67±8.99a
DS	3.39±0.15c	195.87±4.48b	4.26±0.17b	328.00±1.41a
RCK	7.60±0.19a	51.70±4.81d	1.34±0.17c	219.00±35.22b
RW	3.88±0.02b	98.37±0.78c	2.04±0.28b	317.00±27.94a

表3 干旱胁迫和复水后菊芋幼苗光合色素含量

Table 3 Photosynthetic pigment content of H. tuberosus seedlings under drought stress and re-watering （mg·g-1 FW）

处理 Treatments	叶绿素a Chlorophyll a （Chl a）	叶绿素b Chlorophyll b （Chl b）	叶绿素a+b Chlorophyll （a+b）（Chl a+b）	类胡萝卜素 Carotenoid （Car）
CK	4.43±0.17a	2.06±0.15a	6.48±0.26a	0.72±0.08a
DS	3.28±0.16c	1.37±0.13c	4.79±0.27c	0.59±0.04a
RCK	4.70±0.25a	1.85±0.10ab	6.51±0.12a	0.79±0.16a
RW	3.92±0.05b	1.52±0.26bc	5.72±0.31b	0.71±0.03a

表4 干旱胁迫和复水后菊芋幼苗叶片叶绿素荧光参数

Table 4 Chlorophyll fluorescence parameters of H. tuberosus seedlings leaves under drought stress and re-watering

处理 Treatment	实际光量子效率 PSII actual photochemical quantum yield （Φ_PSII， μmol·mol^-1）	最大光化学效率 Maximum photochemical efficiency of PSII （F_v/F_m， μmol·mol^-1）	光化学淬灭系数 Photochemical quenching coefficient （q_P， μmol·m^-2·s^-1）	非光化学淬灭系数 Non-photochemical quenching coefficient （NPQ， μmol·m^-2·s^-1）
CK	0.53±0.01a	0.81±0.00a	0.75±0.01a	0.77±0.09b
DS	0.44±0.02c	0.78±0.00a	0.67±0.00c	1.00±0.08a
RCK	0.54±0.01a	0.81±0.01a	0.75±0.01a	0.73±0.00bc
RW	0.50±0.01b	0.80±0.01a	0.69±0.00b	0.65±0.00c

表5 干旱胁迫和复水后菊芋幼苗叶片含水量

Table 5 Leaf water content of H. tuberosus seedlings under drought stress and re-watering

处理 Treatment	自由水含量Free water content （mg H₂O·g^-1DW）	束缚水含量Bound water content （g H₂O·g^-1DW）	总含水量Total water content （g H₂O·g^-1DW）	相对含水量Relative water content （%）
CK	0.09±0.00c	5.37±0.26a	5.38±0.32a	95.52±0.54a
DS	0.04±0.00d	3.66±0.18b	3.67±0.19b	89.60±0.39c
RCK	0.18±0.00b	5.34±0.40a	5.45±0.40a	95.71±0.46a
RW	0.54±0.00a	4.13±0.19b	4.00±0.27b	90.80±0.71b

图2 干旱胁迫和复水后菊芋幼苗叶片抗氧化酶活性*表示相同处理天数不同处理间差异显著（P<0.05）。虚线表示不同干旱胁迫处理和复水处理时间分界线。下同。* represents significant differences between different treatments at the same treatment day （P<0.05）. The dotted line represents the time boundary between different drought stress treatments and re-watering treatments. The same below.

Fig.2 Antioxidant enzyme activity in leaves of H. tuberosus seedlings under drought stress and re-watering

图3 干旱胁迫和复水后菊芋幼苗叶片渗透调节物质含量

Fig.3 Content of osmoregulatory substances in leaves of H. tuberosus seedlings under drought stress and re-watering

图4 干旱胁迫和复水后菊芋幼苗叶片糖类物质含量

Fig.4 Leaf saccharides content in the leaves of H. tuberosus seedlings under drought stress and re-watering

图5 干旱胁迫和复水后菊芋幼苗脯氨酸代谢酶活性

Fig.5 Proline metabolism enzyme activities in H. tuberosus seedlings under drought stress and re-watering

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干旱胁迫与复水对菊芋幼苗的生长及生理特性的影响

Effects of drought stress and re-watering on the growth and physiological characteristics of Helianthus tuberosus seedlings

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