不同種源流蘇樹對(duì)淹水脅迫的生理響應(yīng)及耐澇性評(píng)價(jià)

李立婷，劉文靜，張鴿香

（南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，江蘇 南京 210037）

由降雨引發(fā)的城市內(nèi)澇問題已引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注［1］。我國隨著城市化進(jìn)程的加快，城市洪澇災(zāi)害屢屢發(fā)生［2］，江蘇位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，年平均降水量700～1 300 mm，多集中于夏季，短時(shí)間的強(qiáng)降水加上城市地面硬化程度高，排水不暢，引發(fā)的澇害嚴(yán)重影響了城市綠化植物［3］。水分是植物生長(zhǎng)的必要條件之一，但土壤水分過多會(huì)限制植物根部呼吸，影響植物的正常生長(zhǎng)。目前，抗?jié)承匝芯慷嘁宰魑餅橹饕芯繉?duì)象［4］，對(duì)林木的抗?jié)承匝芯枯^少［5］。

流蘇樹（Chionanthus retusus）為木犀科流蘇樹屬落葉灌木或小喬木，國內(nèi)南、北均有分布，國外主要分布于朝鮮和日本［6］。流蘇樹樹冠碩大，樹形優(yōu)美，初夏滿樹白花如云似雪，清麗可人，是優(yōu)良的園林觀賞樹種。目前國內(nèi)外關(guān)于流蘇樹的研究集中在種子解剖及休眠［7，8］、繁殖培育［9-14］、遺傳多樣性［15-18］、抗逆性［19-27］、藥用價(jià)值［28-30］等方面。在耐鹽、耐陰、耐熱和抗寒等抗性生理方面有所研究，而耐澇性研究鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)以河南、江蘇和山東種源流蘇樹三年生種苗為研究對(duì)象，使用溫室盆栽模擬自然界澇害環(huán)境，以正常水分處理做對(duì)照，探討流蘇樹幼苗對(duì)淹水脅迫的生理響應(yīng)特性，以期揭示流蘇樹的耐淹水脅迫機(jī)制，篩選出評(píng)價(jià)耐澇能力的指示性指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)分析流蘇樹耐淹水的指示性指標(biāo)，篩選出具有較強(qiáng)耐淹能力的種源，這對(duì)解決澇漬地區(qū)林木生存問題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為2018年10月下旬從河南焦作、江蘇宿遷和山東臨沂三個(gè)種源地引進(jìn)的流蘇樹2年生播種苗，栽植于口徑為22 cm，內(nèi)徑×高度=19 cm×19 cm的花盆中，栽培基質(zhì)按園土：腐葉土：營(yíng)養(yǎng)土為0.5：0.5：1（體積比），每花盆基質(zhì)同重，每盆栽植1株。栽后置于園林試驗(yàn)教學(xué)示范中心空地進(jìn)行統(tǒng)一管理。苗期生長(zhǎng)期間，進(jìn)行正常澆水和維護(hù)管理。于2019年4月選取各種源生長(zhǎng)健壯，長(zhǎng)勢(shì)基本一致的的流蘇苗進(jìn)行試驗(yàn)處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在南京林業(yè)大學(xué)園林試驗(yàn)教學(xué)示范中心進(jìn)行。每個(gè)種源流蘇樹設(shè)4個(gè)處理，分別為：CK（對(duì)照組，正常灌溉），T1（輕度漬害處理，保持水面在花盆內(nèi)土壤高度一半處）、T2（漬害處理，土壤含水量處于完全飽和狀態(tài)，盆土表面無積水）、T3（澇害處理，土壤含水量過飽和，水面保持在盆土表面以上6 cm處）。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)25株。脅迫20 d后，取植物自頂葉向下數(shù)第3～5節(jié)完全功能葉片測(cè)定各項(xiàng)生理生化指標(biāo)。采樣時(shí)間為早上8：00，留取一部分鮮樣進(jìn)行相對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定，其余部分立即置于-80℃冰箱貯存?zhèn)溆谩?/p>

光合基本參數(shù)在脅迫20 d后選取晴朗無風(fēng)的天氣，于上午9：00-11：00采用CIRAS-3型便攜式光合儀（Hansatech，UK）進(jìn)行葉片不離體測(cè)定。選取各處理下每個(gè)種源流蘇樹中生長(zhǎng)狀況相對(duì)良好的3株，每株選擇位于主新梢上第3-5節(jié)位且向陽的3個(gè)功能葉片進(jìn)行測(cè)量。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

葉片相對(duì)電導(dǎo)率（Relative electrical conductivity，REC）采用電導(dǎo)儀法［31］進(jìn)行測(cè)定；丙二醛（Malondialdehyde，MDA）用硫代巴比妥酸法［31］測(cè)定；可溶性糖（Soluble sugar，SS）用蒽酮比色法［31］測(cè)定；可溶性蛋白（Soluble protein，SP）用考馬斯亮藍(lán)（G-250）染色法［31］測(cè)定；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性用氮藍(lán)四唑（Nitro-blue tetrazolium，NBT）還原法［31］；過氧化物酶（Peroxidase，POD）活性用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定［32］；葉綠素（Chlorophyll，Chl）含量測(cè)定用95%酒精提取分光光度法［33］；凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、胞間二氧化碳濃度（Intercellular carbon dioxide concentration，Ci）、氣孔導(dǎo)度（Stomatal Conductance，Gs）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）用CIRAS-3型便攜式光合儀（Hansatech，UK）進(jìn)行葉片不離體測(cè)定。

1.4 綜合評(píng)價(jià)方法

采用主成分分析法和模糊隸屬函數(shù)法［34］對(duì)3個(gè)種源流蘇樹耐澇性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

（1）耐澇性主成分分析權(quán)重系數(shù)計(jì)算方法：

其中，i=1，2，3……n，Di表示經(jīng)主成分分析所得各種源第i個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率；Wi為第i個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的權(quán)重；Fij為i耐澇指標(biāo)在第j主成分上的負(fù)荷量；Yij代表i耐澇指標(biāo)在第j主成分上的貢獻(xiàn)率。

（2）隸屬函數(shù)值計(jì)算方法：

若耐澇指標(biāo)與耐澇性正相關(guān)，其公式為：

若耐澇指標(biāo)與耐澇性負(fù)相關(guān)，其公式為：

各指標(biāo)隸屬函數(shù)值計(jì)算公式為：其中，R（Xi）為供試材料在淹水脅迫處理下對(duì)應(yīng)指標(biāo)的隸屬度（0＜R（Xi）＜1）；Xi、Xmax和Xmin分別表示第i個(gè)綜合指標(biāo)、第i個(gè)綜合指標(biāo)的最大值、第i個(gè)綜合指標(biāo)的最小值；Ri為試驗(yàn)材料的隸屬函數(shù)值。

（3）耐澇性綜合指數(shù)計(jì)算方法：

其中，I為試驗(yàn)材料耐澇性綜合指數(shù)，I越大表示其耐澇性越強(qiáng)，反之則越弱。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel進(jìn)行表格的繪制，用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫對(duì)流蘇樹葉片細(xì)胞膜透性的影響

由表1可知，隨著淹水脅迫程度的加深，不同種源流蘇樹葉片相對(duì)電導(dǎo)率（REC）呈上升趨勢(shì)。輕度淹水脅迫下，與對(duì)照組（CK）相比，各種源流蘇樹葉片REC上升幅度不顯著。中度淹水脅迫下，河南種源流蘇樹葉片REC與CK差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），江蘇種源和山東種源流蘇樹葉片REC與CK差異達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。重度淹水脅迫下，與CK相比，江蘇種源流蘇樹葉片REC上升幅度最大，為82.19%，河南種源流蘇樹上升幅度最小，為51.43%。

表1 淹水脅迫下不同種源流蘇樹相對(duì)電導(dǎo)率、MDA含量變化Tab.1 Changes of REC and MDA content of C.retusus from different provenances under waterlogging stress

河南種源流蘇樹各個(gè)處理下的丙二醛（MDA）含量與CK相比，差異均不顯著。江蘇種源流蘇樹葉片MDA含量隨著淹水程度的增加，呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，并于T2處理達(dá)到最大值，較CK顯著增加38.0%（P＜0.05）。山東種源流蘇樹葉片MDA含量隨淹水程度增加逐漸增加，在T3處理有最大值，較CK顯著增加41.74%（P＜0.05）。

2.2 淹水脅迫對(duì)流蘇樹葉片細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由表2可知，在不同淹水脅迫程度下，各種源流蘇樹葉片可溶性糖（SS）含量變幅與CK相比存在差異。河南種源流蘇樹SS含量在重度淹水脅迫下顯著升高（P＜0.05），江蘇種源流蘇樹SS含量變化不顯著，山東種源流蘇樹SS含量在中度淹水脅迫下增幅最大，較CK增加了74.35%（P＜0.01）。

表2 淹水脅迫下不同種源流蘇樹SS、SP含量變化Tab.2 Changes of SS and SP content of C.retusus from different provenances under waterlogging stress

江蘇和山東種源流蘇樹可溶性蛋白（SP）含量隨淹水脅迫程度加深而增大，并在重度淹水脅迫下顯著高于CK（P＜0.05）；河南種源流蘇樹SP含量則先增后減，并在中度淹水脅迫下達(dá)到最高值并顯著高于CK（P＜0.05）。各淹水脅迫程度下，山東種源流蘇樹SP含量上升幅度均最小，分別為2.13%、4.69%和34.33%，說明淹水脅迫下，河南與江蘇種源流蘇樹相較山東種源流蘇樹能夠積累更多的可溶性蛋白，維持細(xì)胞水分和代謝平衡。

2.3 淹水脅迫對(duì)流蘇樹葉片保護(hù)酶活性的影響

由表3可知，不同淹水程度下，各種源流蘇樹的SOD活性與CK相比極顯著增加（P＜0.01），輕度和中度淹水脅迫下，山東種源流蘇樹SOD活性增幅最大，分別為66.95%和94.07%，重度淹水脅迫下，河南種源流蘇樹SOD活性增幅最大，為140.87%，各淹水脅迫下，江蘇種源流蘇樹SOD活性增幅均最小。

表3 淹水脅迫下各種源流蘇樹SOD、POD活性的變化Tab.3 Changes of SOD and POD content of C.retusus from different provenances under waterlogging stress

輕度淹水脅迫下，河南和山東種源流蘇樹POD活性較CK分別增加了10.18%與13.20%，與CK差異不顯著（P＞0.05），江蘇種源增加了44.85%，與CK差異極顯著（P＜0.01）。中度淹水脅迫下，3個(gè)種源流蘇樹POD活性較CK均極顯著增加（P＜0.01），其中江蘇種源增幅最大，為64.32%。重度淹水脅迫下，河南和江蘇種源流蘇樹POD活性較CK極顯著增加（P＜0.01），而山東種源流蘇樹POD活性較CK下降了9.29%，差異不顯著（P＞0.05），說明重度淹水脅迫下山東種源流蘇樹自我調(diào)節(jié)抗氧化能力已經(jīng)達(dá)到上限。

2.4 淹水脅迫對(duì)流蘇樹葉片光合特性的影響

由表4可知，各種源流蘇樹Chl含量在不同淹水脅迫下變化趨勢(shì)存在差異。河南種源流蘇樹Chl含量在各淹水條件下均極顯著低于CK（P＜0.01）。江蘇種源流蘇樹Chl含量在輕度和重度淹水脅迫下極顯著低于CK（P＜0.01），中度淹水脅迫下顯著高于CK（P＜0.05）。山東種源流蘇樹Chl含量在輕度和重度淹水脅迫下低于CK，但差異不顯著（P＞0.05），中度淹水脅迫下極顯著低于CK（P＜0.01）。

表4 淹水脅迫下不同種源流蘇樹光合特性指標(biāo)的變化Tab.4 Changes of photosynthetic characteristics of C.retusus from different provenances under waterlogging stress

隨著淹水程度的加深，各種源流蘇樹Pn表現(xiàn)為先升后降的變化趨勢(shì)。輕度淹水脅迫下，各種源流蘇樹Pn均高于CK，但差異不顯著（P＞0.05），其中河南種源增幅最大，為17.07%，山東種源增幅最小，為2.80%。中度淹水脅迫下，各種源流蘇樹Pn均低于CK，差異不顯著（P＞0.05），降幅分別為15.29%、4.19%和12.15%。重度淹水脅迫下，河南和江蘇種源流蘇樹Pn極顯著低于CK（P＜0.01），降幅分別為52.59%和51.96%，山東種源流蘇樹Pn比CK下降率35.70%，差異不顯著（P＞0.05）。

隨著淹水脅迫的加深，各種源流蘇樹Ci呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并在重度淹水脅迫下達(dá)到最低值。輕度淹水脅迫下，河南和江蘇種源流蘇樹Ci與CK差異不顯著（P＞0.05），山東種源流蘇樹Ci極顯著低于CK（P＜0.01）。中度淹水脅迫下，河南和山東種源流蘇樹Ci極顯著低于CK（P＜0.01），江蘇種源流蘇樹Ci較CK降幅不顯著（P＞0.05）。重度淹水脅迫下，各種源流蘇樹Ci均極顯著低于CK（P＜0.01），其中河南種源降幅最大，為28.73%，江蘇種源降幅最小，為18.60%。

各種源流蘇樹在不同淹水脅迫下Gs變化存在差異。輕度淹水脅迫下，河南和江蘇種源流蘇樹Gs均升高，且河南種源與CK之間差異極顯著（P＜0.01），而山東種源流蘇樹Gs則顯著低于CK（P＜0.05）。中度淹水脅迫下，3個(gè)種源流蘇樹Gs均低于CK，其中河南和山東種源與CK差異極顯著（P＜0.01），江蘇種源與CK差異顯著（P＜0.05）。重度淹水脅迫下，各種源流蘇樹Gs均極顯著低于CK（P＜0.01）。

各種源流蘇樹Tr隨著淹水程度的加深不斷下降。河南和江蘇種源流蘇樹在各程度淹水脅迫下均與CK差異極顯著（P＜0.01）。山東種源流蘇樹Tr在輕度淹水脅迫下與CK差異顯著（P＜0.05），中度和重度淹水脅迫下與CK差異極顯著（P＜0.01）。

2.5 主成分分析

對(duì)11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，以特征值和貢獻(xiàn)率為標(biāo)準(zhǔn)提取主成分。由表5可知，前兩個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率已達(dá)80.48%，能夠充分反映流蘇樹耐澇能力情況。其中SP、SOD、POD、REC、Pn、Ci、Gs和Tr的載荷量較大，可作為流蘇樹耐澇性強(qiáng)弱鑒定的指標(biāo)。

表5 流蘇樹各指標(biāo)主成分分析Tab.5 Principal component analysis of each index of C.retusus

2.6 不同種源流蘇樹耐澇性綜合評(píng)價(jià)

通過對(duì)流蘇樹的11項(xiàng)生理指標(biāo)的耐澇性隸屬函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合主成分分析結(jié)果對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行合成，獲得不同種源流蘇樹的耐澇性綜合指數(shù)（表6）。河南種源流蘇樹的綜合指數(shù)為0.78，江蘇種源流蘇樹的綜合指數(shù)為0.66，山東種源流蘇樹的綜合指數(shù)為0.51，說明三個(gè)種源流蘇樹的耐澇性強(qiáng)弱順序?yàn)椋汉幽戏N源＞江蘇種源＞山東種源。

表6 淹水脅迫下的隸屬函數(shù)值Tab.6 The subordinate function values under waterlogging stress

3 討論與結(jié)論

植物在逆境條件下會(huì)大量積累活性氧，導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能受損，膜透性增大，胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲，因此，常用相對(duì)電導(dǎo)率的大小表示細(xì)胞膜受傷害的程度［35-37］。MDA已被確認(rèn)為是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，其含量的高低反映了逆境脅迫對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的影響［38］。孫慧［39］等研究表明，隨著淹水程度的增加，楊樹葉片MDA含量不斷上升，葉片膜質(zhì)受損程度不斷增大。在本試驗(yàn)中，不同種源流蘇樹幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA質(zhì)量摩爾濃度變化不一，河南種源流蘇樹在各處理下REC和MDA質(zhì)量摩爾濃度變化幅度不大，而江蘇和山東種源流蘇樹則明顯上升，說明淹水脅迫過程中，河南種源流蘇樹細(xì)胞膜能維持一定的完整性，而江蘇和山東種源流蘇樹細(xì)胞膜受到嚴(yán)重傷害，致使細(xì)胞各項(xiàng)功能紊亂。

逆境條件下，良好的滲透調(diào)節(jié)能力是植物具有較強(qiáng)抗性的重要特征之一。SS、SP是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)劑。逆境脅迫下，體內(nèi)大量積累滲透調(diào)節(jié)劑有助于維持細(xì)胞水分和代謝平衡，維持胞內(nèi)的滲透勢(shì)，提升代謝所需酶的活性，以便更好的適應(yīng)逆境［40］。本研究發(fā)現(xiàn)，滲透調(diào)節(jié)在流蘇樹的耐澇機(jī)制中起了一定的作用，且不同種源流蘇樹之間存在調(diào)節(jié)程度的差異。河南種源流蘇樹SS含量顯著上升，山東種源流蘇樹SS含量為先上升后下降的變化趨勢(shì)，河南和江蘇種源流蘇樹SP質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高，說明在淹水脅迫下河南種源流蘇樹可溶性糖和可溶性蛋白都發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用，江蘇種源流蘇樹能夠抵抗淹水脅迫帶來的傷害，但是當(dāng)淹水脅迫過強(qiáng)時(shí)，其滲透調(diào)節(jié)能力有所下降。

在淹水脅迫下，植物通常會(huì)通過提高抗氧化酶活性來降低體內(nèi)大量積累的活性氧（Reactive oxygen species，ROS）對(duì)植物造成的傷害，在前人的研究中，抗氧化物酶系統(tǒng)中的SOD和POD活性一般具有同步的變化趨勢(shì)［41］。本研究中，河南、江蘇種源流蘇樹兩種酶活性表現(xiàn)為同步上升趨勢(shì)；山東種源流蘇樹SOD活性隨淹水脅迫程度加深而上升，POD活性呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)，說明重度淹水脅迫下山東種源體內(nèi)積累的ROS引起生物大分子損傷導(dǎo)致細(xì)胞受損，且已經(jīng)超出了其自我調(diào)節(jié)能力。

淹水脅迫過程中，Chl含量會(huì)下降，本試驗(yàn)中三個(gè)種源流蘇樹整體上在脅迫過程中Chl含量均顯著低于CK，這與對(duì)辣木幼苗［34］的研究結(jié)果一致，表明淹水脅迫影響了流蘇樹葉片葉綠體的合成，加速了葉綠素的降解，使流蘇樹光合能力下降。本試驗(yàn)中的流蘇樹Chl含量下降幅度與淹水脅迫程度呈負(fù)相關(guān)，這表明隨著脅迫程度的增加，流蘇樹能夠通過自身調(diào)節(jié)來提高葉綠素含量以應(yīng)對(duì)淹水環(huán)境。

大部分植物在淹水脅迫過程中Pn呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其主要原因一般分為氣孔限制因素和非氣孔限制因素。本試驗(yàn)中，輕度淹水脅迫下，河南和江蘇種源流蘇樹Gs和Pn上升，而山東種源流蘇樹Gs顯著下降，其原因可能是輕度淹水脅迫并未引起河南和江蘇流蘇樹氣孔關(guān)閉，保證了其正常的氣體交換，維持了相對(duì)穩(wěn)定的Pn，而山東種源流蘇樹在輕度淹水脅迫下氣孔迅速關(guān)閉；中度和重度淹水脅迫下，各種源流蘇樹的Ci、Gs、Tr和Pn均有不同幅度的下降，說明中度和重度淹水脅迫下，氣孔限制因素是導(dǎo)致本試驗(yàn)流蘇樹Pn下降的主要原因。各種源流蘇樹Ci在淹水脅迫下有不同程度的下降，這是流蘇樹為了適應(yīng)水淹環(huán)境迅速關(guān)閉葉片氣孔的表現(xiàn)。

本研究綜合了三種種源流蘇樹在淹水脅迫下的各項(xiàng)生理指標(biāo)，并利用主成分分析和隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)其耐澇性，其強(qiáng)弱排序?yàn)椋汉幽戏N源＞江蘇種源＞山東種源。這種綜合評(píng)價(jià)方法增加了對(duì)3個(gè)種源耐澇性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性，為今后園林綠化在喬木的選擇和科學(xué)應(yīng)用上提供了依據(jù)。