夏季淹水脅迫對(duì)北美楓香苗木葉色及光合熒光特性的影響

仲 磊，張煥朝，范俊俊，張丹丹，江 皓，張往祥

(1.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.江蘇省林木種苗管理站，江蘇 南京 210036；3.金陵科技學(xué)院園藝園林學(xué)院，江蘇 南京 211169；4.金埔園林股份有限公司，江蘇 南京 211100)

我國(guó)南方大部分地區(qū)灘涂、濕地資源豐富，綠化、彩化、美化潛力巨大。但是，目前耐澇樹種選擇或耐澇機(jī)理方面的研究主要集中于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)或生態(tài)樹種[1-6]，并未充分重視耐水濕觀賞樹種的選育，且大多研究在大棚或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)進(jìn)行。然而，我國(guó)南方洪水具有季節(jié)性發(fā)生特點(diǎn)，集中發(fā)生在高溫高濕的夏季，僅僅在控制環(huán)境條件下模擬淹水脅迫，忽略夏季高溫的交叉作用，不利于耐水良種的選育推廣。

北美楓香(Liquidambarstyraciflua)原產(chǎn)于北美，為金縷梅科楓香屬落葉闊葉喬木，生長(zhǎng)快，抗風(fēng)能力較強(qiáng)，其葉片秋季變黃色、紫紅色，且彩葉期長(zhǎng)，是園林配置中優(yōu)秀的彩葉樹種[7]。關(guān)于北美楓香，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了抗寒性、耐熱性、抗旱性、引種繁殖等基礎(chǔ)研究[8-10]，但耐水濕相關(guān)研究報(bào)道較少。本研究模擬南方洪水季節(jié)性發(fā)生的特點(diǎn)，在夏季高溫期間人工模擬淹水脅迫，對(duì)北美楓香的耐水能力和淹水過(guò)程中的葉色變化及光合、熒光特性等進(jìn)行分析，為其耐澇應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為沿海和澇害地區(qū)耐水濕觀賞樹種的篩選提供理論依據(jù)，以增強(qiáng)濕地生物多樣性與景觀多樣性。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2017年初春，選取長(zhǎng)勢(shì)相近的500株北美楓香1年生扦插苗植株種植于容器中(口徑30 cm，高30 cm)，盆土為普通園土，每盆裝土量一致，每盆容器種植2～3棵，放置在南京林業(yè)大學(xué)江都試驗(yàn)基地(119°55′E，32°42′N)，露天正常水分管理養(yǎng)護(hù)5個(gè)月，至植株恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)(適應(yīng)性栽培)。2017年7月初，選擇長(zhǎng)勢(shì)相近的植株300株，放置于露天水槽內(nèi)(人工建造)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行注水。

共設(shè)2個(gè)試驗(yàn)樣地，試驗(yàn)1用于生長(zhǎng)指標(biāo)觀測(cè)(0 d和60 d)，處理和對(duì)照(CK)樣本數(shù)各30株；試驗(yàn)2用于形態(tài)、光合、熒光等指標(biāo)動(dòng)態(tài)測(cè)定(0～60 d)，處理和CK樣本數(shù)各120株。處理組要求土壤含水量過(guò)飽和(澇害水平)，水面高于土壤面約5 cm，每3天換1次水；CK組保持正常的水分管理(土壤含水量約為田間持水量的75%)。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定

在試驗(yàn)1中，分別于0 和60 d測(cè)定苗高與地徑(苗高為植株頂稍至盆口的距離，地徑為距盆口以上2 cm處的直徑)以及苗木成活率。計(jì)算苗木苗高與地徑生長(zhǎng)的耐受系數(shù)Y。苗高耐受系數(shù)計(jì)算公式為：

YH=ΔHT/ΔHCK。

地徑耐受系數(shù)計(jì)算公式為:

YD=ΔDT/ΔDCK。

式中：H與D分別為淹水60 d后苗高與地徑，T為淹水處理，CK為正常水分管理。

在試驗(yàn)2中，處理后0、10、20、30、40、50、60 d，選取苗木上部第4～7節(jié)位的功能葉10片，采用Canon EOS 5D Mark IV拍照設(shè)備(Canon，Japan)進(jìn)行葉片色彩參數(shù)、葉片色素相對(duì)含量測(cè)定及典型葉片照片拍攝。

葉片色彩采用TSD010色差儀(X-Rite，USA)進(jìn)行測(cè)定。每片葉片取均勻分布6個(gè)測(cè)定點(diǎn)。測(cè)定的光源選用內(nèi)置D65光源，窗口直徑為8 mm。為了減少外界光源的影響，將葉片放置在5 mm厚度的白紙上進(jìn)行色差儀葉色測(cè)定。色彩亮度(L*)表示色彩的明亮程度；色相飽和度(C*)表示色彩飽和度；色調(diào)角(h)表示顏色屬性，h在-30°～120°時(shí)為紅黃色區(qū)域，其余為藍(lán)綠色區(qū)域[11-12]。

采用Unispec-SC單通道便攜式光譜分析儀(PP-System，USA)測(cè)定葉綠素(chlorophyll，Chl)、花青素(anthocyanidin，Anth)和類胡蘿卜素(carotenoid，Car)相對(duì)含量，每葉片選取分布均勻的6個(gè)測(cè)定點(diǎn)。各色素的相對(duì)含量參照Merzlyak等[13]方法進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 光合參數(shù)測(cè)定

在試驗(yàn)2中，于處理后0、10、20、30、40、50、60 d，在天氣晴朗的上午(10:00至11:00)，選取北美楓香苗木中上部相同部位方向功能葉6片，采用CIRAS-2便攜式光合系統(tǒng)(PP System，USA)進(jìn)行氣體交換參數(shù)測(cè)定，即凈光合速率(Pn)，μmol/(m2·s)；氣孔導(dǎo)度(Gs)，mol/(m2·s)；蒸騰速率(Tr)，mmol/(m2·s)；胞間CO2濃度(Ci)，μmol/mol。測(cè)定光輻射強(qiáng)度設(shè)為1 000 μmol/(m2·s)，CO2含量為380 μmol/mol，飽和光強(qiáng)葉室溫度37 ℃，相對(duì)濕度為75%，每處理3個(gè)有效重復(fù)。

1.2.3 光響應(yīng)曲線的測(cè)定

在試驗(yàn)2中，于淹水處理后的0、30、60 d，于天氣晴朗的上午(8:00至11:30)，選取苗木中上部相同部位方向功能葉，使用CIRAS-2便攜式光合儀(PP System，USA)測(cè)定光響應(yīng)曲線。每處理3個(gè)有效重復(fù)。測(cè)定時(shí)，參比室CO2含量控制為380 μmol/mol，葉溫控制為25 ℃，設(shè)置模擬光輻射強(qiáng)度為1 800、1 600、1 400、1 000、800、500、200、100、50、20、10和0 μmol/(m2·s)，測(cè)定其凈光合速率Pn。光響應(yīng)曲線的擬合選用非直角雙曲線模型[14]

1.2.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

于處理后0、10、20、30、40、50、60 d的上午(10:00至11:00)，采用Handy PEA連續(xù)激發(fā)式熒光儀(Hansatech，UK)進(jìn)行葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定。選取北美楓香植株中上部的相同方向部位功能葉6片，暗適應(yīng)30 min后進(jìn)行測(cè)定。NRC/CSm為單位葉面積反應(yīng)中心數(shù)，EABS/CSm為單位葉面積吸收的光能，ETRo/CSm為單位葉面積捕獲的光能，EETo/CSm為單位葉面積電子傳遞的量子產(chǎn)額，EDIo/CSm為單位葉面積的熱耗散，ψO為PSⅡ捕獲能量從QA(與D1蛋白結(jié)合的質(zhì)體醌)傳遞到QB(與D2蛋白結(jié)合的質(zhì)體醌)的效率，φEo為用于電子傳遞的量子比率，φRo為受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額，Itotal為綜合性能指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0和Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水對(duì)北美楓香生長(zhǎng)、根系及成活率的影響

經(jīng)觀測(cè)，淹水脅迫下北美楓香苗高凈生長(zhǎng)量、地徑凈生長(zhǎng)量及成活率分別為(9.43±2.86) cm、(1.98±0.48) cm和93.3%，而對(duì)照的分別為(5.16±0.61) cm、(1.55±0.47) cm及100%。這表明，淹水并未限制北美楓香的高生長(zhǎng)(P<0.01，F(xiàn)=35.08，df=1)和徑生長(zhǎng)(P<0.05，F(xiàn)=6.91，df=1)，兩個(gè)指標(biāo)的耐受系數(shù)均大于1(YH=1.83；YD=1.27)。淹水脅迫下北美楓香表型變化見圖1，可以看出淹水處理的植株葉色發(fā)生黃化，根系顏色也由健康的褐紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榘谆疑?，莖基部皮孔明顯變大。

CK．對(duì)照(正常水分管理)control (normal water management)；T．淹水處理flooding treatment。下同。The same below.A．淹水0 d處理與對(duì)照北美楓香苗株的整體phenotype of the cutting seedlings of L.styraciflua at the beginning of flooding treatment (0 d)；B．淹水60 d處理與對(duì)照北美楓香苗株的整體phenotype of the cutting seedlings of L.styraciflua after 60 days of flooding treatment；C．淹水0 d處理與對(duì)照北美楓香苗株的根系roots of the cutting seedlings of L.styraciflua at the beginning of flooding treatment；D．淹水60 d處理與對(duì)照北美楓香苗株的根系root of the cutting seedlings of L.styraciflua after 60 days of flooding treatment。圖1 淹水過(guò)程中北美楓香表型變化Fig.1 Phenotype change of L.styraciflua during the process of flooding

A.北美楓香葉色在CIELCH色空間中呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)分布dynamic distribution of L.styraciflua leaf color in CIELCH color space；B.北美楓香在淹水過(guò)程中葉片葉綠素與胡蘿卜素和花青素相對(duì)含量的比值變化change of the ratio of chlorophyll to carotene and anthocyanin [Chl/(Car+Anth)] during flooding；C.北美楓香在淹水過(guò)程中葉片表型色彩的變化change of leaf phenotypic color during flooding。圖2 淹水對(duì)北美楓香葉色及色素含量的影響Fig.2 Change of leaf color and pigment content of L.styraciflua during the process of flooding

2.2 淹水對(duì)北美楓香葉色參數(shù)的影響

淹水處理下北美楓香葉色參數(shù)的變化見圖2。從圖2A可以看出，淹水過(guò)程中，北美楓香葉色在CIELCH色空間中呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)分布格局與CK不同。在色彩明度L*維度方向，處理與CK所有位點(diǎn)均分布在30～50，然而，在淹水30 d后，處理L*值與CK差異顯著(P<0.05，F(xiàn)=77.72～528.1，df=1)。在色彩飽和度C*維度方向上，CK所有位點(diǎn)均分布在17～32，而處理隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，C*值呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢(shì)(均值37→7)。在色調(diào)角h維度方向上，CK所有位點(diǎn)均分布在122°～130°，而處理隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，h值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，40 d后，葉片由綠色相域轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色相域(均值130°→33°)。

葉綠素與胡蘿卜素和花青素相對(duì)含量的比值[Chl/(Car+Anth)]變化趨勢(shì)(圖2B)進(jìn)一步表明，隨著淹水處理時(shí)間延長(zhǎng)，處理的Chl/(Car+Anth)的值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。20 d后，處理Chl/(Car+Anth)值顯著低于CK(P<0.05，F(xiàn)=22.45～580.7，df=1)，40 d后，比值小于1，這表明40 d后葉片中胡蘿卜素和花青素相對(duì)含量占據(jù)主要地位。由圖2C可以看出，隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，處理的植株葉片大小整體略小于CK，且在第50天左右葉邊緣開始變紅，第60天后葉整體變?yōu)榧t色。

2.3 淹水對(duì)北美楓香葉片光合特性的影響

對(duì)北美楓香光合氣體交換參數(shù)(Pn、Tr、Gs和Ci)連續(xù)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見圖3。

不同小寫字母表示淹水處理與對(duì)照差異顯著(P <0.05)，下同。Different letters indicated the difference significance between the treatment and control of L.styraciflua at P <0.05 levels.The same bellow.圖3 淹水對(duì)北美楓香葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig.3 Variations of gas exchange parameters of L.styraciflua during the process of flooding

由圖3看出，淹水處理的北美楓香葉片氣體交換參數(shù)與CK變化趨勢(shì)整體相似，但是在淹水中后期，處理各參數(shù)值顯著低于CK(P<0.05，F(xiàn)=11.10～425.87，df=1)，且二者差異整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

CK-0、CK-30及CK-60分別為對(duì)照0、30、60 d時(shí)的光響應(yīng)曲線。The CK-0,CK-30 and CK-60 were the light response curves on the 0,30 and 60 d,respectively.T-0、T-30及T-60分別為處理0、30、60 d的光響應(yīng)曲線。The T-0,T-30 and T-60 were the light response curves treated with the 0,30 and 60 d,respectively.圖4 淹水對(duì)北美楓香的光響應(yīng)曲線的影響Fig.4 Light response curves of L.styraciflua during the process of flooding

淹水初期(0 d)、中期(30 d)、末期(60 d)的北美楓香光響應(yīng)曲線見圖4。由圖4可知，處理與CK北美楓香光響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)基本一致(R2≥0.91)，隨著光強(qiáng)的增加，Pn都會(huì)有不同程度的上升，但在各光強(qiáng)下的Pn顯著低于CK(P<0.05，F(xiàn)=9.62～682.64，df=1)，且隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，處理與CK的Pn差值越大，表現(xiàn)出較低的光能利用率。然而，當(dāng)光合有效輻射達(dá)到1 800 μmol/(m2·s)時(shí)，淹水處理與CK仍未顯示光抑制現(xiàn)象。

2.4 淹水對(duì)北美楓香葉片PSⅡ能量分配的影響

淹水對(duì)北美楓香葉片PSⅡ的能量分配的影響見圖5。

圖5 淹水對(duì)北美楓香葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.5 Changes of chlorophyll fluorescence parameters of L.styraciflua during the process of flooding

由圖5可以看出，在淹水前期(0～30 d)，處理的北美楓香單位葉面積上反應(yīng)中心數(shù)量(NRC/CSm)、吸收(EABS/CSm)、捕獲(ETRo/CSm)與傳遞(EETo/CSm)電子的能量均顯著大于CK(P<0.05，F(xiàn)=13.80～534.28，df=1)，熱耗散(EDIo/CSm)顯著低于CK。此外，PSⅡ捕獲能量的傳遞效率(Ψo)、傳遞電子的量子比率(φEo)及受體側(cè)電子受體的量子產(chǎn)額(φRo)均顯著大于CK(P<0.05，F(xiàn)=15.20～496.11，df=1)。然而，隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)(20 d后)，處理的各參數(shù)變化趨勢(shì)與CK相反，顯著低于或高于CK(P<0.05，F(xiàn)=18.33～568.24，df=1)。

綜合性能參數(shù)(Itotal)用于研究光系統(tǒng)間的電子傳遞活性，主要反映淹水脅迫對(duì)PSⅡ反應(yīng)中心的影響。淹水20 d后，楓香的Itotal顯著降低(P<0.05，F(xiàn)=67.35～523.69，df=1)(圖5)，且隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，Itotal下降幅度逐漸增大(第60天除外)，該參數(shù)下降幅度明顯比其他熒光參數(shù)大。

3 討 論

植物形態(tài)結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)的變化是反映淹水對(duì)植物影響的直接表觀結(jié)果。但是，任何植物耐水能力的評(píng)價(jià)均取決于所研究的物種年齡以及淹水脅迫的嚴(yán)重程度、脅迫持續(xù)時(shí)間等因素。通常淹水脅迫引起的形態(tài)或生理的變化隨著脅迫的嚴(yán)重程度和持續(xù)時(shí)間而變化[15]。

本研究中持續(xù)淹水60 d并未對(duì)北美楓香的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，苗木的成活率達(dá)90%以上，這表明北美楓香對(duì)短期淹水具有較強(qiáng)的耐受能力。然而，在淹水處理下，北美楓香根系出現(xiàn)灰化現(xiàn)象、莖基部皮孔增大、地上葉片部分出現(xiàn)了轉(zhuǎn)色現(xiàn)象。相關(guān)研究認(rèn)為，莖基附近的自由基細(xì)胞分裂和擴(kuò)張會(huì)導(dǎo)致皮孔肥厚性生長(zhǎng)[16]。皮孔增大被認(rèn)為與氧氣向下擴(kuò)散有關(guān)，能夠促進(jìn)氧氣進(jìn)入根系[17]。葉片的呈色現(xiàn)象主要受色素比值影響，當(dāng)與紅、黃色有關(guān)的花青素與類胡蘿卜素的含量比值升高，葉片呈色就可能從綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t黃色[18-20]。此外，花青素可作為抗氧化劑減輕過(guò)剩激發(fā)能對(duì)植物造成的傷害[21-22]；類胡蘿卜素能夠清除脅迫下的氧自由基以及猝滅三線態(tài)的葉綠素[23]。因此，葉片中花青素和類胡蘿卜素含量比值的升高能夠在一定程度上降低植物對(duì)光合反應(yīng)中心的破壞。本研究中，北美楓香色素比值在淹水20 d后顯著低于CK，在淹水40 d后色素比值開始小于1，這與葉片外觀形態(tài)變化表現(xiàn)出同步性，而且這種色素含量權(quán)重的變化能夠提高北美楓香對(duì)脅迫的抵御能力。

葉綠素(光合色素)是光合作用的光能捕獲物質(zhì)基礎(chǔ)[24-26]，葉綠素含量降低必然會(huì)造成光合作用強(qiáng)度的下降[27]。有研究結(jié)果表明，葉綠素含量對(duì)逆境脅迫反應(yīng)的敏感性可作為衡量植物逆境耐受能力強(qiáng)弱的指標(biāo)[28]。隨著光合色素含量的降低，光合作用也會(huì)受到抑制[29-31]。本研究中，淹水初期北美楓香葉片氣孔發(fā)生關(guān)閉，導(dǎo)致CO2擴(kuò)散的阻力上升，進(jìn)而引起光合速率降低。隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，葉綠素含量明顯下降，進(jìn)一步抑制植物的光合作用。熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化進(jìn)一步表明，在淹水初期(0～30 d)，淹水對(duì)北美楓香葉片PSⅡ并未產(chǎn)生脅迫反應(yīng)，但隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，北美楓香葉片用于電子傳遞的能量配額逐漸減少，電子傳遞效率、量子比率大幅下降，造成單位葉面積上光能利用率的降低。同時(shí)，通過(guò)提高熱耗散的配額來(lái)降低激發(fā)能的產(chǎn)生，減少過(guò)剩激發(fā)能產(chǎn)生的傷害，有助于減輕淹水對(duì)北美楓香造成影響以提高期耐水淹性。此外，光合參數(shù)、熒光參數(shù)及葉片色素比值變化的拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間早晚不一致，呈節(jié)律性變化，分別為20、30及40 d時(shí)，其中光合參數(shù)反應(yīng)最為靈敏。這可能是因?yàn)槿~片色素是影響光合的因素之一，與光合速率之間存在較大的關(guān)聯(lián)；熒光參數(shù)主要反映光反應(yīng)的情況，因此與反映整體光合能力的光合速率之間并非完全同步。

綜上所述，北美楓香具有較強(qiáng)的短期耐水淹能力，可應(yīng)用于長(zhǎng)江流域?yàn)┩康鹊孛阑?；北美楓香可通過(guò)增加葉片熱耗散以及調(diào)節(jié)光合色素含量權(quán)重來(lái)減少激發(fā)能和過(guò)剩激發(fā)能產(chǎn)生的傷害，從而提高其耐澇性；葉片色素比值(葉片呈色)、光合參數(shù)及熒光參數(shù)拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間早晚不一致，但是呈現(xiàn)節(jié)律性變化，其中光合參數(shù)反應(yīng)最為靈敏。