水淹脅迫對(duì)4年生華北紫丁香生理指標(biāo)的影響*

白果，冷平生，胡增輝

(北京農(nóng)學(xué)院 林木分子設(shè)計(jì)育種高精尖創(chuàng)新中心/園林學(xué)院，北京 102206)

水淹脅迫會(huì)對(duì)植物造成多方面的影響，包括離子毒害、低氧脅迫、降低光能利用、機(jī)械損傷、限制氣體擴(kuò)散、活性氧脅迫等，導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)受到抑制[1-2]。另一方面，植物也能通過調(diào)整生理生化過程抵御和緩解水淹脅迫。植物通過增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)能力、激活抗氧化酶系統(tǒng)、調(diào)節(jié)光合、改變代謝水平及激素平衡等，提升自身對(duì)水淹環(huán)境的適應(yīng)性[3]。受到水淹脅迫的風(fēng)箱果(Physocarpusamurensis)葉片光合碳同化能力顯著降低[4]。湖北海棠(Malushupehensis)經(jīng)水淹脅迫后，雖然生長(zhǎng)、光合能力有所下降，但隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，各項(xiàng)指標(biāo)生理生化變化趨于平穩(wěn)，呈現(xiàn)出適應(yīng)性響應(yīng)[5]。梁行行等[6]通過測(cè)定和比較水淹脅迫下的生理指標(biāo)，對(duì)7種西北地區(qū)常見灌木耐澇性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)并排序，在生理水平上明顯差異能明確反映不同植物的耐澇性。受到水淹脅迫后的紅花玉蘭(Magnoliawufengensis)幼苗，能夠通過提高抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，緩解傷害反應(yīng)，提高耐澇性[7]。晏增等[8]通過測(cè)定質(zhì)膜透性、葉綠素含量、凈光合速率、抗氧化酶活性等生理指標(biāo)，對(duì)不同品種美洲楊(Populusdeltoides)的耐澇能力進(jìn)行了分析比較，明確了質(zhì)膜相對(duì)透性、抗氧酶活性是影響耐澇性的主要指標(biāo)?？梢钥闯觯ㄟ^測(cè)定和分析生理指標(biāo)，能夠直接了解水淹脅迫對(duì)植物生理過程的影響，反映植物對(duì)水淹脅迫的耐受性。

華北紫丁香(Syringaoblata)是我國(guó)優(yōu)良的傳統(tǒng)園林花木，花期長(zhǎng)、花香濃郁，并具有較強(qiáng)的耐旱、耐寒及耐鹽堿性，在北方城市廣泛種植，但在雨季往往受到水淹脅迫，生長(zhǎng)受到影響，甚至死亡[9]。已有一些研究對(duì)華北紫丁香遭受水淹的生理變化進(jìn)行了測(cè)定。李娟娟等[10-11]測(cè)定并比較了水淹脅迫后華北紫丁香、暴馬丁香(S.amurensis)、小葉丁香(S.microphylla)的葉綠素含量及熒光特性、抗氧化酶活性等生理指標(biāo)，表明華北紫丁香的抗水淹性較弱。孫乃東等[12]對(duì)水淹環(huán)境中不同pH值條件下的華北紫丁香和小葉丁香葉綠素?zé)晒馓匦赃M(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)華北紫丁香的耐酸性較強(qiáng)。常春麗等[13]分析了水淹脅迫對(duì)華北紫丁香和小葉丁香幼苗形態(tài)及生理特性的影響，也發(fā)現(xiàn)華北紫丁香受水淹脅迫的影響較為明顯。但已有的研究使用的植物材料均為1 a生華北紫丁香幼苗，不能反映園林真正種植的成苗受到的影響。并且這些研究的處理方式均為水面完全淹沒盆土表面，高于盆土2～3 cm，但在自然條件下一直長(zhǎng)時(shí)間處于完全被水淹沒的情況較少，更多的是在短時(shí)間完全淹沒后，水位逐漸下降，但土壤較長(zhǎng)時(shí)間保持飽和含水量的狀態(tài)。

本研究以4 a生華北紫丁香成苗為材料，采用低于盆土表面水淹脅迫處理，而后測(cè)定葉片相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量、可溶性糖含量、脯氨酸(Proline，Pro)含量，以及過氧化物酶(Peroxidase，POD)、過氧化氫酶(Catalase，CAT)活性，和葉綠素?zé)晒獾壬碇笜?biāo)，探討華北紫丁香成苗對(duì)持續(xù)水淹脅迫的生理響應(yīng)，明確其耐澇性，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究以4 a生華北紫丁香(株高1.3 m，樹皮灰褐色，葉片心形對(duì)生)為材料，種植于底部帶12孔的花盆(35 cm×35 cm)中，以河沙︰細(xì)土︰雞糞=4︰5︰1的比例配制栽培基質(zhì)，每3 d澆1次水，每周施用一次1/2 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液。

1.2 方法

1.2.1 水淹處理

選擇生長(zhǎng)良好、整齊一致的華北紫丁香進(jìn)行水淹處理。在試驗(yàn)前的預(yù)處理時(shí)，華北紫丁香在水淹20 d時(shí)葉片出現(xiàn)明顯的萎蔫和失綠狀態(tài)，因此水淹脅迫設(shè)置0、1、4、7、10、16 d共6個(gè)時(shí)間梯度，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)設(shè)5棵獨(dú)立植株作為重復(fù)，置于2個(gè)水泥池(2 m×1.5 m×0.5 m)內(nèi)，同時(shí)開始處理。水淹處理時(shí)向池中加水，使水通過下部孔眼進(jìn)入盆中，保持池中水面距盆土表面低2 cm，每2 d換1次水。在每個(gè)時(shí)間梯度結(jié)束點(diǎn)的上午10:00，采集丁香功能葉片測(cè)定生理指標(biāo)。以維持正常養(yǎng)護(hù)管理的華北紫丁香為對(duì)照。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

在處理時(shí)間點(diǎn)采集植株中上部5片成熟功能葉片，放置于冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生理指標(biāo)的測(cè)定。采用烘干法測(cè)定葉片相對(duì)含水量[14]；參考陳志新等[15]的方法測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率；采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定MDA含量[16]；采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[16]；采用酸性茚三酮顯色法測(cè)定Pro含量[16]；采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定POD活性[16]；采用紫外吸收法測(cè)定CAT活性[16]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)使用便攜式葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2100(Walz，德國(guó))測(cè)定。選擇植株中上部5片成熟功能葉片，在處理時(shí)間點(diǎn)的上午10:00進(jìn)行測(cè)定。待測(cè)葉片暗適應(yīng)20 min，測(cè)定Fo(PSⅡ反應(yīng)中心全部開放時(shí)的初始熒光)、Fm(PSⅡ反應(yīng)中心全部關(guān)閉時(shí)的最大熒光)、Fv/Fm(最大光化學(xué)效率)、Yield(有效光化學(xué)量子產(chǎn)量)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel整理數(shù)據(jù)，繪制圖表，使用SPSS軟件通過Duncan法進(jìn)行差異顯著性比較(P<0.05)，標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)差±SD。

1.城市公共綠地少，且分布不均，中心城區(qū)公園綠地面積17.0hm2，人均公園綠地僅為1.3m2，居住區(qū)無大型公共綠地。城區(qū)內(nèi)已建成的兩處公園，服務(wù)設(shè)施尚不完善，不配套。缺乏形式美、自然美、意境美；街頭綠地少，沒有形成街頭小環(huán)境。

2 結(jié)果與分析

2.1 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片相對(duì)含水量的影響

華北紫丁香受到水淹脅迫后，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)葉片含水量逐漸降低(圖1)。在處理7 d時(shí)，葉片含水量顯著低于對(duì)照(P<0.05)，降低了11%。10 d后的降低幅度加劇，在處理16 d時(shí)，葉片含水量較對(duì)照顯著降低了近20%(P<0.05)。

圖1 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片相對(duì)含水量的影響注：不同小寫字母表示在不同處理時(shí)間之間存在顯著差異(P<0.05)。下同。Fig.1 Effect of waterlogging stress on the relative watercontent of S.oblata leaves

2.2 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖2顯示了水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響。隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，水淹處理的華北紫丁香葉片相對(duì)電導(dǎo)率呈現(xiàn)出不斷升高的趨勢(shì)。處理4 d時(shí)，相對(duì)電導(dǎo)率較對(duì)照升高了17%，差異顯著(P<0.05)。脅迫處理10 d和16 d時(shí)，水淹處理后的相對(duì)電導(dǎo)率分別達(dá)到對(duì)照的1.5和1.7倍。

圖2 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.2 Effect of waterlogging stress on the relativeconductivity of S.oblata leaves

2.3 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片MDA含量的影響

由圖3可知，華北紫丁香經(jīng)水淹脅迫后，葉片MDA含量隨時(shí)間呈現(xiàn)不斷升高的趨勢(shì)。水淹脅迫1 d后的葉片MDA含量與對(duì)照無明顯差異。從脅迫4 d后開始，葉片MDA含量顯著高于對(duì)照(P<0.05)，較對(duì)照高11%，而后MDA含量逐漸升高，而在脅迫16 d時(shí)，出現(xiàn)急劇增加，達(dá)到對(duì)照的1.5倍以上。

圖3 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片MDA含量的影響Fig.3 Effect of waterlogging stress on the MDA contentof S.oblata leaves

2.4 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片可溶性糖含量的影響

由圖4可以看出，水淹脅迫后，華北紫丁香葉片可溶性糖含量呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在經(jīng)過4 d的水淹脅迫后，可溶性糖含量急劇上升，顯著升高(P<0.05)，較對(duì)照高23%。在水淹脅迫7 d時(shí)，可溶性糖含量達(dá)到最高，為對(duì)照的1.3倍，隨后快速降低，在處理10 d和16 d時(shí)分別較對(duì)照低15%和32%。

圖4 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片可溶性糖含量的影響Fig.4 Effect of waterlogging stress on the soluble reducingsugar content of S.oblata leaves

2.5 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片Pro含量的影響

隨著水淹脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，華北紫丁香葉片Pro含量呈現(xiàn)出不斷升高的趨勢(shì)(圖5)。水淹脅迫后1～4 d，葉片Pro含量緩慢升高，到7 d時(shí)顯著升高(P<0.05)，較對(duì)照高26%。水淹脅迫16 d時(shí)，Pro含量達(dá)到最高，為對(duì)照的1.5倍。

圖5 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片Pro含量的影響Fig.5 Effect of waterlogging stress on the Pro contentof S.oblata leaves

2.6 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片POD活性的影響

受到水淹脅迫后，華北紫丁香葉片POD活性呈現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)(圖6)。水淹脅迫后1～4 d，葉片POD活性表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，但與對(duì)照無顯著差異(P<0.05)。水淹脅迫7 d后，POD活性出現(xiàn)顯著升高(P<0.05)，達(dá)到峰值，較對(duì)照高15%，之后逐漸下降。在水淹脅迫10 d和16 d時(shí)，POD活性迅速下降，分別較對(duì)照降低18%和32%。

圖6 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片POD活性的影響Fig.6 Effect of waterlogging stress on the POD activityof S.oblata leaves

2.7 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片CAT活性的影響

華北紫丁香葉片CAT活性變化規(guī)律與POD相似，均是表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)(圖7)。水淹脅迫4 d時(shí)，CAT活性出現(xiàn)顯著升高(P<0.05)，較對(duì)照高21%。脅迫第7 d時(shí)，CAT活性達(dá)到最高，為對(duì)照的1.3倍，而后快速下降，在脅迫16 d時(shí)降到最低，較對(duì)照降低27%。

圖7 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片CAT活性的影響Fig.7 Effect of waterlogging stress on the CAT activityof S.oblata leaves

2.8 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

表1 水淹脅迫對(duì)華北紫丁香葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

3 討論與結(jié)論

在脅迫條件下，植物組織含水量能反映植物受脅迫程度，是研究植物耐澇性的重要指標(biāo)[6]。隨著水淹脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，華北紫丁香葉片含水量逐漸下降，特別是在7 d時(shí)與對(duì)照的明顯差異表明其根系受損越來越重，吸水能力下降。但華北紫丁香葉片在脅迫末期的相對(duì)含水量還保持在65%以上，說明其葉片具有較好的保水能力，表現(xiàn)出一定的耐澇性[17]。

當(dāng)植物受到逆境脅迫時(shí)，細(xì)胞膜會(huì)受到損傷，透性會(huì)增加，因此細(xì)胞膜的穩(wěn)定性能反映植物抗逆性的高低[18]。華北紫丁香在受到水淹脅迫4 d時(shí)葉片相對(duì)電導(dǎo)率即出現(xiàn)較顯著增加，反映出細(xì)胞膜已出現(xiàn)較明顯的損傷，在7 d后的大幅度升高表明其受到的傷害進(jìn)一步加重。此外，膜質(zhì)過氧化的產(chǎn)物MDA在脅迫4 d后含量逐漸增加，也反映其膜系統(tǒng)受到損傷。水淹脅迫同樣導(dǎo)致紅花玉蘭的葉片MDA含量逐漸增加，在15 d時(shí)也出現(xiàn)大幅度增加[7]。李娟娟等[11]和常春麗等[13]在1 a生華北紫丁香小苗中，發(fā)現(xiàn)MDA含量隨水淹脅迫也出現(xiàn)較大幅度的增加，而相較于本試驗(yàn)中的4 a生成苗，出現(xiàn)的時(shí)間較早，說明4 a生的成苗耐澇性較強(qiáng)。

啟動(dòng)滲透調(diào)節(jié)是植物忍耐和抵御水淹脅迫的重要生理響應(yīng)之一[19]。Pro[20]和可溶性糖[21]作為重要的細(xì)胞質(zhì)滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，在植物受到水淹脅迫時(shí)會(huì)發(fā)生大量積累。在華北紫丁香受到水淹脅迫后，葉片Pro和可溶性糖含量的升高表明其啟動(dòng)了滲透調(diào)節(jié)過程，以提高耐逆性，但其在7 d時(shí)才表現(xiàn)出顯著升高。而可溶性糖含量先升高后下降的趨勢(shì)表明在水淹脅迫前期華北紫丁香主要通過可溶性糖進(jìn)行調(diào)節(jié)滲透，而隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，可溶性糖下降，迫使華北紫丁香進(jìn)入低能耗代謝抵御水淹傷害，此時(shí)通過增加Pro含量來維持滲透調(diào)節(jié)。

在水淹環(huán)境下，活性氧會(huì)大量積累，會(huì)對(duì)植物造成傷害[22]。POD和CAT是酶促清除系統(tǒng)2種重要的抗氧化酶[23]。在本試驗(yàn)中，華北紫丁香在脅迫前期的POD和CAT活性持續(xù)升高，以清除產(chǎn)生的較少活性氧，而隨著脅迫的延長(zhǎng)，活性氧積累越來越多，在脅迫10 d時(shí)超出抗氧化酶的清除能力，導(dǎo)致酶系統(tǒng)崩潰，酶活性降低，說明華北紫丁香受到嚴(yán)重傷害。隨著水淹脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，楨楠(Phoebezhennan)葉片抗氧化酶活性也呈先升高后降低的趨勢(shì)[24]。常春麗等[13]在1 a生華北紫丁香幼苗中發(fā)現(xiàn)，水淹脅迫后POD等抗氧化酶活性沒有升高，在整個(gè)脅迫期內(nèi)保持了較低的水平。從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相對(duì)于1 a生幼苗，4 a生成苗抗氧化酶系統(tǒng)的活化水平被水淹脅迫誘導(dǎo)升高，表現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的耐澇性。

葉綠素?zé)晒饽莒`敏快速地評(píng)價(jià)逆境下植物光系統(tǒng)的受損程度[25]，反映水淹脅迫對(duì)植物的影響[26]。Fo和Fm分別為PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開放時(shí)和完全關(guān)閉時(shí)的熒光產(chǎn)量。華北紫丁香Fo和Fm在脅迫前期的升高，說明PSⅡ反應(yīng)中心受到一定程度的抑制或破壞，在后期的降低表明隨著脅迫程度的加深，PSⅡ反應(yīng)中心受到了不可逆的嚴(yán)重?fù)p傷[27]。Fv/Fm和Yield分別為PSⅡ最大和實(shí)際光化學(xué)量子效率，反映PSⅡ反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)化效率。不同品種藍(lán)莓(Vacciniumspp.)葉片F(xiàn)v/Fm在水淹脅迫下的不斷減低，表明PSⅡ反應(yīng)中心活性受到抑制，原初光能轉(zhuǎn)換效率降低[28]。受到水淹脅迫后，華北紫丁香Fv/Fm和Yield的逐漸下降趨勢(shì)，也說明其PSⅡ反應(yīng)中心受損，光合作用受到影響。在受水淹脅迫的1 a生華北紫丁香幼苗中，同樣發(fā)現(xiàn)其反應(yīng)中心受到較嚴(yán)重傷害，并且出現(xiàn)傷害狀態(tài)的反應(yīng)時(shí)間更短[10]。

綜上所述，在水淹脅迫下，4 a生華北紫丁香在相對(duì)含水量和光能利用率降低、相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量增大的同時(shí)，通過提升可溶性糖、Pro等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和POD、CAT等抗氧化酶的活性，來提高其對(duì)水淹逆境的適應(yīng)性。但經(jīng)超過7 d的較長(zhǎng)時(shí)間脅迫后，雖然Pro含量逐漸增加，但是其他指標(biāo)的下降，說明華北紫丁香已產(chǎn)生不可逆損傷。由此可見，4 a生華北紫丁香成苗表現(xiàn)出一定的耐澇性，可耐受近1周的水淹脅迫，因此有潛力通過進(jìn)一步的篩選，培育耐澇性強(qiáng)的品系。但本研究?jī)H對(duì)華北紫丁香葉片的生理變化進(jìn)行了測(cè)定，下一步還需對(duì)根系在水淹脅迫的響應(yīng)進(jìn)行分析，另外從分子水平對(duì)其耐澇性探討也是需要開展的工作。