淹水脅迫對福建山櫻花幼苗生長和光合特性的影響

陸日惠，徐力興，周曉星，盛世紅，馮 晨，陳 釧，唐 麗

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.岳陽市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 岳陽 414000；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125；4.中國科學(xué)院 廬山植物園，江西 九江 330000）

【研究意義】水分是限制植物分布及影響植物生長發(fā)育最重要的非生物因子之一，土壤環(huán)境中的水分虧缺和水分過多均對植物產(chǎn)生脅迫，分為干旱脅迫和水淹（或水澇）脅迫。隨著全球變化引起降雨呈現(xiàn)區(qū)域分布不均，城市面臨的強降雨等風(fēng)險尤為嚴(yán)峻[1]，這也必將導(dǎo)致城市行道樹或公園里的樹木不時遭受水淹脅迫。土壤中的水分長時間處于飽和的狀態(tài)，將導(dǎo)致土壤缺氧，從而使植物能量代謝及離子吸收受到抑制，產(chǎn)生乙烯等信號物質(zhì)傳遞到地上器官，進(jìn)而影響植物的形態(tài)特征，最直接的表現(xiàn)是葉片黃化、衰老和脫落[2-3]。福建山櫻花（Cerasus campanulata）是薔薇科（Rosaceae）櫻屬（Cerasus）的一種落葉喬木，自然分布于亞熱帶海拔100～600 m 的山谷林中及林緣，原產(chǎn)于福建、浙江、廣東、廣西、臺灣等地[4]。在我國，福建山櫻花是最耐熱的一個櫻花樹種[5]，因其花多色艷而具有重要的觀賞價值，是早春時節(jié)重要的觀賞樹種。【前人研究進(jìn)展】目前，針對福建山櫻花的繁殖技術(shù)[6-7]和基因[8-10]方面的研究已有報道，其生物學(xué)特性[11]和抗低溫脅迫[12]也開展了研究，而針對福建山櫻花的水分生理研究鮮有報道。在抗旱方面，李書平等[13]和江登輝等[14]對福建山櫻花和日本櫻花（Cerasus yedoensis）實生幼苗進(jìn)行了干旱脅迫研究，均認(rèn)為日本櫻花比福建山櫻花更加抗旱；在水濕脅迫研究中，陳鎖良等[5]報道福建山櫻花抗水濕能力大于櫻桃（Cerasus pseudocerasus），測定了淹水脅迫對福建山櫻花相對電導(dǎo)率、葉綠素含量、可溶性蛋白、脯氨酸、超氧化物歧化酶和丙二醛等生理指標(biāo)的影響。【本研究切入點】本研究組在湖南省岳陽市林業(yè)科學(xué)研究所科研基地種植的福建山櫻花，近年來在雨季都出現(xiàn)了水淹導(dǎo)致其長勢不良甚至死亡的狀況。因此，本文對福建山櫻花幼苗的生長和光合響應(yīng)開展研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】將對福建山櫻花幼苗進(jìn)行不同淹水時間和不同淹水梯度的處理，通過測其生長和光合反應(yīng)的變化，探明其對淹水脅迫的響應(yīng)，為確定福建山櫻花栽植在適合生長的環(huán)境及推廣工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

福建山櫻花種子由浙江省林業(yè)科學(xué)研究院提供。2020 年10 月下旬選破殼一致的福建山櫻花種子，播于32孔穴盤中，采用泥炭土和珍珠石混合的基質(zhì)，置于湖南省岳陽市林業(yè)科學(xué)研究所科研苗圃（113°10'N，29°18'E）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2021年1月上旬，幼苗長至10～13 cm左右，將幼苗移栽到無紡布袋（口徑8 cm，高15 cm）中，基質(zhì)為v（泥炭土）∶v（河沙）∶v（蛭石）=2∶2∶1（體積比），基質(zhì)體積約為無紡布袋容積的90%，將移栽后的幼苗放置于人工氣候室（ZH-180912-QHS）（113°8'N，29°21'E）中養(yǎng)護(hù)，設(shè)置人工氣候室溫度為20～22 ℃，相對濕度為60%～65%，日照時間為08：00—17：00。2021年4月中旬，待幼苗長至50～60 cm且葉片數(shù)達(dá)20～25片時，選擇長勢一致、健康的幼苗放置于塑料瓶（口徑12 cm，高20 cm）中，在人工氣候室采用套盆法開展淹水試驗。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置4個處理，即1）對照組（CK，正常養(yǎng)護(hù)不進(jìn)行淹水脅迫）；2）輕度脅迫（T1，水位處于基質(zhì)1/2處）；3）中度脅迫（T2，水位與基質(zhì)表面平齊）；4）重度脅迫（T3，水位高于基質(zhì)2 cm）。每個處理30 盆，試驗期間，每天對照淹水梯度及時補充水分。每隔3 d，在08：00—09：00 期間取幼苗中上部著生位置基本相同的成熟健康葉片，用于相關(guān)指標(biāo)測定，每個處理3株，3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3 指標(biāo)測定方法

1.3.1 生長指標(biāo)、生物量和根系的測定 淹水脅迫前后，每個處理選擇4 株幼苗測量苗高、地徑（分別精確至0.1 cm 和0.01 mm），每株測3 次，取平均值；用以計算脅迫后的增長量。淹水結(jié)束后整株取樣，將其解剖分成根、莖、葉3 部分，莖、葉放入烘箱（WHL-125B，天津）中烘至恒重并稱量（精確至0.1 mg）；洗凈根系后用MICROTEK 掃描儀（MRS-9600TFU2L，上海）對根系進(jìn)行掃描，生成的圖片用LA-S根系分析軟件計算，得到總根長度等根系形態(tài)數(shù)據(jù)，掃描后的根系裝進(jìn)牛皮紙袋（長9 cm，寬5.5 cm，高10 cm）放入烘箱烘干。

式（1）中：H1、D1分別為淹水開始時苗高、地徑；H2、D2為淹水結(jié)束時苗高、地徑。

1.3.2 葉片相對含水量和比葉重的測定 葉片相對含水量用浸泡烘干法測定。比葉重：把葉片放入MICROTEK 掃描儀內(nèi)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)尺進(jìn)行掃描，輸出形成圖片，用ImageJ v1.8.0軟件測量得到單葉葉片面積，把葉片烘至恒重，后稱干重。比葉重（g/m2）=葉片干重（g）/葉片面積（m2）。

1.3.3 葉片SPAD值和葉片光合氣體交換參數(shù)的測定 用SPAD-502便捷式葉綠素測定儀（KONICA MINOLTA，Japan）測福建山櫻花葉片SPAD值，在每片葉基部開始20%～80%區(qū)域主脈兩側(cè)共讀取6個讀數(shù)，取平均值。在測定SPAD 值的同時，進(jìn)行原位測定葉片光合氣體交換參數(shù)。用Li-6400 便捷式光合作用測定儀（Li-cor，USA）于09：00—11：30 測植株葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr），每片葉片記錄3 個瞬時光合值，設(shè)置光強為1 200μmol/（m2·s），相對濕度為60%～65%。瞬時水分利用效率WUEinst=Pn/Tr；氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca，Ca為環(huán)境中CO2濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

測完所有指標(biāo)后，用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入、整理以及圖表的制作，用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差，并用Duncan檢驗法進(jìn)行多重比較。圖表中的數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 幼苗生長和生物量分配的變化

2.1.1 幼苗生長 從表1可知，淹水脅迫下福建山櫻花苗高增長量和地徑增長量均小于CK，且苗高增長量與CK 差異顯著（P＜0.05），而地徑增長量未達(dá)顯著水平（P＞0.05）。苗高增長量由大到小依次為CK，T1，T2，T3；T1、T2和T3的地徑增長量較CK分別降低3.70%，11.11%，22.22%。說明淹水脅迫抑制福建山櫻花幼苗的生長時還對其造成了萎蔫。

表1 福建山櫻花幼苗淹水脅迫下苗高和地徑的變化Tab.1 Comparison of height and ground diameter of the C. campanulata seedlings under different flooding stress

2.1.2 生物量積累和分配 從圖1I 可知，隨著淹水程度增加，福建山櫻花幼苗地下生物量和總生物量逐漸下降；值得注意的是，T1、T2 和T3 組地上生物量均比CK 組大，且它們的大小依次為T1，T2，T3，CK。

植物不同器官生物量的分配比率可以作為判斷植物對脅迫適應(yīng)性的指標(biāo)[15]。由圖1Ⅱ可知，淹水脅迫對根重比產(chǎn)生了顯著影響（P＜0.05），而對葉重比和莖重比影響不顯著（P＞0.05），表明不同器官對淹水脅迫的敏感程度不同。CK 組根重比最大（48.22%），生物量分配大小表現(xiàn)為根，莖，葉；而脅迫組莖重比占總生物量的比值較大，即T1、T2、T3 的生物量主要分配在莖上。且T1、T2、T3 組的地上器官生物分配比率較CK 均增加，而地下生物分配比則下降，說明福建山櫻花在淹水脅迫下減少了對根生物量的投資，增加對地上器官的投資。T1、T2 和T3 組的根冠比均顯著低于CK（P＜0.05）（圖1Ш），與CK相比分別降低了27.57%、27.29%、37.56%，表明根的生物量向莖、葉轉(zhuǎn)移，更少的營養(yǎng)物質(zhì)分配到地下器官。

圖1 福建山櫻花幼苗淹水脅迫下生物量（Ⅰ）、生物量比（Ⅱ）和根冠比（Ш）的變化。Fig.1 Comparison of biomass（Ⅰ），biomass distribution（Ⅱ）and root-shoot ratio of biomass（Ш）for C.campanulata seedlings under different flooding stress

2.2 根系形態(tài)的變化

淹水脅迫下福建山櫻花幼苗根體積與CK 無顯著差異（P＞0.05），但總根長、根表面積、根平均直徑和根尖數(shù)與CK差異顯著（P＜0.05）（表2），淹水脅迫下的總根長、根表面積、根體積、根平均直徑和根尖數(shù)均小于CK，其中總根長較CK 下降了11.68%，27.47%，40.16%。表明淹水脅迫對福建山櫻花幼苗根系生長有抑制作用。

表2 福建山櫻花幼苗淹水脅迫下根系形態(tài)的變化Tab.2 Comparison of root morphology of the C. campanulata seedlings under different flooding stress

2.3 葉片相對含水量的變化

由圖2I可知，淹水3 d葉片相對含水量變化不大，但隨著時間延長葉片相對含水量逐漸下降；第12天時，T1、T2、T3組分別比CK下降3.22%，12.86%，23.33%。說明短時間的脅迫對福建山櫻花幼苗葉片相對含水量影響不大，而長時間的脅迫會降低植物活力和水分運輸能力，導(dǎo)致葉片含水量降低。

圖2 福建山櫻花幼苗淹水脅迫下葉片相對含水量（I）和比葉重（II）的變化Fig.2 Comparison of relative water content（I）and specific leaf weight（II）of the C.campanulata seedlings under different flooding stress

2.4 比葉重的變化

比葉重是單位葉面積的葉片干重，在一定程度上反映葉片截獲光的能力[16-17]。由圖2II可知，在正常管理下（CK），比葉重幾乎不變，但在各個處理階段均低于脅迫組（P＜0.05），由大到小依次為：T3、T2、T1、CK。淹水3 d，T1、T2 和T3 較CK 分別上升了8.14%，13.46%，17.23%；當(dāng)淹水時長到12 d 時，T1、T2 和T3的比葉重達(dá)到最大值，較CK 分別上升了22.30%，22.33%，31.57%。說明淹水時長越長、水位梯度越高，比葉重受到的影響越大。

2.5 葉片SPAD值的變化

SPAD 值常被用來代表植物相對葉綠素含量[18]。圖3可知，在正常管理下（CK 組），SPAD 值呈上升趨勢；而T1組SPAD值呈先上升后下降的趨勢；T2和T3表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢。第12天時，T1、T2和T3組SPAD值與CK相比分別降低了6.14%，11.74%，18.86%。

圖3 福建山櫻花幼苗淹水脅迫下SPAD值的變化Fig.3 Comparison of SPAD value of the C.campanulata seedlings under different flooding stress

2.6 葉片光合氣體交換參數(shù)和瞬時水分利用效率的變化

2.6.1 凈光合速率（Pn）的變化 由圖4I可知，從脅迫開始，Pn隨著淹水程度的加重及時間的延長不斷降低，脅迫組Pn始終低于CK 組（P＜0.05），淹水脅迫顯著地抑制了福建山櫻花幼苗葉片的Pn。淹水結(jié)束時，T1、T2和T3組的Pn與CK相比分別下降了64.21%，86.34%，91.53%。

2.6.2 氣孔導(dǎo)度（Gs）的變化 氣孔導(dǎo)度的大小反映植株光合作用中CO2的吸收和蒸騰過程中水分的流失。由圖4II 可知，Gs的變化趨勢與Pn的變化趨勢相似。淹水第3 天時，與CK 相比，脅迫組的Gs明顯下降，脅迫程度越大，下降幅度越大。第12 天時，T1、T2 和T3 的Gs比CK 組分別降低77.78%，87.65%，88.89%，其中T2和T3組Gs趨近于0。

2.6.3 胞間CO2濃度（Ci）的變化 胞間CO2濃度的大小可判斷植株光合作用的強弱。由圖4III 可知，在淹水脅迫下，Ci呈先減小后增大的趨勢，CK 組無顯著差異。第3 天時，T1、T2、T3 分別較CK 組下降了20.47%，22.38%，22.92%；脅迫至第6 天出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，Ci呈現(xiàn)上升趨勢；第12 天時，T2 和T3 組Ci顯著高于CK，上升到整個淹水過程中的最大值，分別為371.48和401.54μmol/mol。

2.6.4 蒸騰速率（Tr）的變化 蒸騰速率的大小反映植株生命活動的強弱。從圖4IV可知，淹水過程中，福建山櫻花幼苗Tr逐漸下降；而CK 組的Tr則較為穩(wěn)定，保持在0.94～1.19μmol/（m2·s）。T3組Tr下降幅度最大，T1組Tr下降幅度最小。第12天時，T1、T2和T3組的Tr與CK相比分別下降了76.79%，84.82%，86.61%。

2.6.5 氣孔限制值（Ls）和瞬時水分利用效率（WUEinst）的變化 由圖4 V可知，隨著淹水時間的延長，T1、T2 和T3 組氣孔限制值（Ls）存在先上升后下降的趨勢。淹水6 dLs 達(dá)到最大值，但當(dāng)淹水時長繼續(xù)增加時Ls逐漸下降，其中T3處理下降幅度最大，淹水12 d時Ls較CK下降了30.24%。

瞬時水分利用效率（WUEinst）是判斷碳同化能力與水分消耗之間的關(guān)系。由圖4VI可知，淹水脅迫下WUEinst總體呈先上升后下降的趨勢，在不同淹水處理下均與CK差異顯著（P＜0.05）。第3天時，淹水越嚴(yán)重WUEinst值越大，隨后開始逐漸下降，試驗結(jié)束后，T1較CK 上升了51.34%，T2和T3相比CK 分別下降了12.62%和39.66%。

圖4 福建山櫻花幼苗淹水脅迫下葉片的凈光合速率（I）、氣孔導(dǎo)度（II）、胞間CO2濃度（III）、蒸騰速率（IV）、氣孔限制值（V）和瞬時水分利用效率（VI）的變化Fig.4 Variations of net photosynthetic rate（I），stomatal conductance（II），intercellular CO2 concentration（III），transpiration rate（IV），stomatal limit value（V）and instantaneous water use efficiency（VI）of the C.campanulata seedlings under different flooding stress

3 討論與結(jié)論

3.1 淹水脅迫對福建山櫻花幼苗生長和生物量分配以及根系形態(tài)的影響

判斷植物抗逆能力最直接的方法是測量植物的生長指標(biāo)（苗高、地徑等）。在試驗中，不同淹水處理對苗高增長量有顯著影響，對地徑增長量影響差異不顯著，淹水脅迫抑制了植株的生長，這種現(xiàn)象在美洲黑楊（Populus deltoides）[19]和桐花樹（Aegiceras corniculatum）[20]也有類似的報道。

植物生物量在各器官間的分配反映了不同的生存策略，當(dāng)植物處于不良環(huán)境時可以通過不斷調(diào)整地上和地下生物量的分配關(guān)系來適應(yīng)環(huán)境的變化，以應(yīng)對逆境對其造成的傷害或?qū)档阶畹蚚21-22]。在本試驗中，淹水脅迫抑制福建山櫻花幼苗地上和地下器官的生長，且對地下器官抑制更顯著（圖1I），這與淹水脅迫下烏桕（Sapium sebiferum）[23]的研究結(jié)果是一致的。總生物量下降表現(xiàn)為降低地下生物量，在一定程度上增加了地上生物量的積累（圖1II），這與Kleyer等[24]的說法基本一致，植物處在逆境時會增加對某一器官的生物量投入，同時會減少對其他器官的投入。福建山櫻花將生物量向地上器官轉(zhuǎn)移正是以犧牲根的生物量來實現(xiàn)的，這可能是福建山櫻花應(yīng)對脅迫環(huán)境的一種策略。此外，不能排除地下生物量分配比率的降低是地下相對地上部分生長較慢導(dǎo)致的可能。

淹水阻礙了植物根系與氧氣的接觸，有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧呼吸，產(chǎn)生乙醇、乙酸等有害物質(zhì)[25]，使根系生長受抑，從而引起根變短、細(xì)或死亡[26-27]。淹水過程中福建山櫻花根長度變短，根直徑變細(xì)，根體積和表面積減?。ū?），這與玉米（zea mavs）[28]和蕎麥（Fagopyrum esculentum）[29]在淹水脅迫下的反應(yīng)相似。土壤中含氧量越低，根系受到的抑制作用更顯著。

3.2 淹水脅迫對福建山櫻花幼苗葉片水分比重的影響

植物葉片相對含水量反映植物葉片水分平衡[30]。隨著淹水時間的增加，福建山櫻花葉片相對含水量持續(xù)下降，且脅迫程度加重，下降幅度加大（圖2I）。相似的淹水脅迫也會造成其他植物葉片相對含水量下降，如華北紫丁香（Syringa oblata）[31]。

比葉重表示植物葉片構(gòu)建中對資源的投入程度，植物具有較高的比葉重說明在逆境中具有較強的適應(yīng)能力，反之比葉重較低，適應(yīng)性則較弱[32-33]。由此可見，增加比葉重是植物對逆境的一種響應(yīng)機制。本試驗中，淹水脅迫程度（包括淹水時間和水位）越嚴(yán)重，比葉重上升越多（圖2II），說明福建山櫻花在淹水脅迫中，也有相同的應(yīng)對機制。Poorter 等[34]認(rèn)為比葉重高的植物具有高的葉片密度，而且高比葉重的植物含有較多的結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，內(nèi)含物較少。植物可能通過這種策略將能量用于維持生命，而減緩其他代謝過程。

3.3 淹水脅迫下福建山櫻花幼苗光合作用的變化

淹水脅迫會打破植物葉綠素的合成與分解動態(tài)平衡，使植物體中葉綠體合成葉綠素的能力降低[35]。本試驗中，SPAD 值在淹水初期（淹水3 d）出現(xiàn)小幅上升，說明在脅迫初期植株啟動了應(yīng)激反應(yīng)，而這種應(yīng)激反應(yīng)在植物界可能具有普遍性，這種現(xiàn)象在桐花樹A.corniculatum[20]也出現(xiàn)過。然而，隨著脅迫時間的延長，SPAD 值隨之降低，可能是無氧呼吸使大量自由基積累而破壞了葉綠體結(jié)構(gòu)[36]；有可能是合成葉綠素相關(guān)的酶活性降低而導(dǎo)致SPAD值降低[37]。

導(dǎo)致光合作用下降的因素有非氣孔限制和氣孔限制[38]。在多數(shù)情況下植物受到單一外界脅迫時，隨著脅迫程度加劇，影響光合作用的因子由氣孔限制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪紫拗芠39]。Farquhar 等[38]認(rèn)為判斷Pn下降的指標(biāo)有：Ci和Ls。如果Pn和Ci同時下降時，而Ls上升，說明Pn的減少是由氣孔限制引起的；如果Pn下降，Ci上升，Ls下降，說明非氣孔限制是Pn減少的主導(dǎo)因素。在本試驗中，淹水脅迫下福建山櫻花幼苗Pn、Gs、Tr值逐漸降低，Ci先下降后升高，而Ls先上升后下降，這可以說明福建山櫻花在淹水初期Pn下降是氣孔限制導(dǎo)致的，細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2因氣孔開度變小無處排放而在胞間積累；淹水6 d后Pn下降則是由非氣孔限制所致。這與滇楸（Catalpa fargesiiBur. f.duclouxii）[40]、濕地松（Pinus elliottii）[41]和風(fēng)箱果（Physocarpus amurensis）[42]等在淹水脅迫下的表現(xiàn)相似。

植物的光合作用和蒸騰作用之間的平衡關(guān)系影響著WUEinst，而這種平衡關(guān)系受Gs的影響。在本試驗中，WUEinst達(dá)到最大值（淹水3 d），而此時Tr的下降幅度大于Pn，表明此時是因為氣孔開度變小，降低蒸騰速率來提高WUEinst，以適應(yīng)淹水環(huán)境，對水竹（Phyllostachys heteroclada）[43]的研究也有類似的規(guī)律。然而隨著淹水脅迫加劇，WUEinst不斷下降，這是由于非氣孔限制的出現(xiàn)，光合速率明顯下降。

綜合分析本試驗結(jié)果得知，在生長和葉片水分比重方面，福建山櫻花幼苗可以通過采取相應(yīng)的策略來抵抗逆境，如根系生長緩慢，增大地上器官的生物量，增加比葉重。在光合響應(yīng)上，福建山櫻花在應(yīng)對短時間的淹水脅迫首先采取“應(yīng)激反應(yīng)”，應(yīng)激反應(yīng)促使光合色素含量上升，從而快速降低Ci；在淹水脅迫強度增加到一定程度時，“應(yīng)激反應(yīng)”消失，受非氣孔限制Pn逐漸下降。

致謝：湖南省林業(yè)科技創(chuàng)新專項項目（XLK201947）同時對本研究給予了資助，謹(jǐn)致謝意！