3個玉蘭材料對水澇脅迫的響應(yīng)與耐澇性評價

葉 康,陳伯祥,杜習(xí)武,,秦 俊,曾 麗,胡永紅

(1 上海辰山植物園,上海 201602;2 上海城市樹木生態(tài)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,上海 200020;3 上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院,上海 200240)

玉蘭屬(YulaniaSpach)植物是中國重要的園林綠化樹種,栽培歷史悠久[1-2]。星花玉蘭[Yulaniastellata(Siebold et Zucc.) N. H. Xia]原產(chǎn)日本,為低矮灌木,具有分枝密集、樹冠飽滿和花量大等特點,開發(fā)利用前景可觀[3]。但因星花玉蘭及品種在地勢低洼、排水不暢的環(huán)境下生長受到限制,常出現(xiàn)葉片發(fā)黃、干枯脫落甚至植株死亡的情況。長三角地區(qū)海拔低、地勢平坦、地下水位高,在雨季易發(fā)生澇害。因此,選育耐澇性較強(qiáng)的星花玉蘭及品種具有重要意義。目前,星花玉蘭相關(guān)研究多集中在生理學(xué)、形態(tài)學(xué)和遺傳學(xué)方面[4-5],逆境抗性相關(guān)研究較少。為此,研究星花玉蘭及2個品種在水澇脅迫后葉片的光合特性和葉綠素?zé)晒獾认嚓P(guān)的14個指標(biāo)變化,建立星花玉蘭的耐澇性綜合評價方法,評價星花玉蘭及2個品種的耐澇性強(qiáng)弱,為星花玉蘭的耐澇品種選育提供理論依據(jù)。

水分是限制植物生長重要的非生物因子之一,影響植物的生存、生長發(fā)育乃至地理分布等[6]。水分過多對植物的生長產(chǎn)生不利影響[7],與正常生境相比,水分過多導(dǎo)致的水澇脅迫使植物體內(nèi)的O2濃度等發(fā)生顯著的變化,限制了植物有氧呼吸和維持生命活動所需能量產(chǎn)生[8]。植物的生理過程是復(fù)雜的,植物的抗性受多種因素影響,單獨用某一指標(biāo)很難反映植物耐澇的實質(zhì),也不利于揭示植物耐澇的本質(zhì)。目前,關(guān)于植物的水澇脅迫研究有不少報道,應(yīng)用最為廣泛的是丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、可溶性蛋白等指標(biāo)評價耐澇性,在生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)[9]、番茄(SolanumlycopersicumL.)[10]等植物的耐澇性評價中已有大量報道。

主成分分析法在不損失數(shù)據(jù)原有的信息下,能將原始數(shù)據(jù)多個彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成新的、個數(shù)較少且彼此獨立的綜合指標(biāo),避免了重復(fù)信息的干擾[11]。隸屬函數(shù)分析法是基于模糊數(shù)學(xué)原理,通過計算每一個指標(biāo)相應(yīng)的隸屬函數(shù)值,并進(jìn)行加權(quán)得到其綜合評價值,可較為全面地對測試指標(biāo)進(jìn)行綜合評價,有結(jié)果可靠和具有可比性的優(yōu)點[12]。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料分別是星花玉蘭(Y.stellata)、星花玉蘭‘菊花’(Y.stellata‘Chrysanthemiflora’)及玉蘭‘皮魯埃特’[Y.‘(Mag’s)Piroutte’]的3年生苗(以下分別簡稱2個品種為‘菊花’和‘皮魯埃特’)?！栈ā切腔ㄓ裉m實生選育品種;‘皮魯埃特’是星花玉蘭與柳葉玉蘭[Y.salicifolia(Siebold et Zucc.) D.L.Fu]的雜交品種。所有供試植株生長健康,無病蟲害發(fā)生。栽培容器為535 mm×360 mm塑料花盆,栽培基質(zhì)為V(園土)∶V(草炭)∶V(介質(zhì)土)=5∶2∶3的混合基質(zhì)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在上海辰山植物園試驗地進(jìn)行,采用雙套盆法,于2020年5月27日開始淹水處理,淹水至植株土壤表面以上約3 cm,總時長為14 d;對照組植株正常澆水管理,遵循表層土壤不干不澆水、澆即澆透的原則。3種玉蘭的對照組(CK)與水澇處理組(FL)均為20株,共120株。對照組在0 d測定各項試驗指標(biāo),處理組在水澇脅迫14 d時測定各項試驗指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)和方法

1.3.1 光合特性和葉綠素?zé)晒馓匦灾笜?biāo)測定葉片氣體交換參數(shù)測定時間為上午9:00—11:00,各處理組與對照組均測量3株,選取植株中部側(cè)枝第3枚成熟葉片,用Li-6400光合測定儀(Li-COR Inc,USA)測定,采用標(biāo)準(zhǔn)Li-COR葉室,紅藍(lán)光源(6400-02 LED光源),設(shè)定光照強(qiáng)度為1 400 μmol/(m2·s)和空氣流速為500 μmol/s。測定內(nèi)容包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。

葉綠素?zé)晒馓匦允褂肕INI-PAM 便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(德國WALZ公司)測定,包括最小熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSⅡ的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)和PSⅡ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量(Yield),測定樣本選擇方式同葉片氣體交換參數(shù)。

1.3.2 生理指標(biāo)測定各處理組與對照組,均隨機(jī)選擇3株,取植株中部側(cè)枝第3枚成熟葉片,測定葉綠素含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性及丙二醛(MDA)含量。葉綠素含量使用95%丙酮-乙醇提取法[13]測定;可溶性蛋白、SOD、MDA測定采用上海索橋生物科技有限公司生產(chǎn)的試劑盒。均測3個重復(fù)。

1.3.3 內(nèi)源激素含量測定采用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)分析測定脫落酸(ABA)和1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)。各處理組與對照組隨機(jī)選取植株枝條中部側(cè)枝的葉片3枚,用研磨儀研磨(30 Hz,1 min)至粉末狀,稱取50 mg研磨后的樣本,加入適量內(nèi)標(biāo),用V(甲醇)∶V(水)∶V(甲酸)=15∶4∶1混合液1 mL提取;提取液濃縮后用V(甲醇)∶V(水)=4∶1混合液100 μL復(fù)溶,過0.22 μm濾膜,置于進(jìn)樣瓶中,用于LC-MS/MS分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表制作,標(biāo)準(zhǔn)差使用STDEVP函數(shù)計算。用SPSS 22進(jìn)行方差分析和主成分分析,顯著性分析采用Duncan法。隸屬函數(shù)分析法的計算公式為:

指標(biāo)與耐澇性為正相關(guān)時,

Uij=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

指標(biāo)與耐澇性為負(fù)相關(guān)時,

Uij=1-(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(2)

式中:Xij為第i個品種第j個指標(biāo)的測定值;Ximin為j指標(biāo)中的最小值;Ximax為j指標(biāo)中的最大值;Uij為i品種j指標(biāo)的隸屬值。

通過隸屬函數(shù)公式計算出各個品種的綜合評價值,綜合評價值越大表明耐澇性越強(qiáng),綜合評價值計算公式為:

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 水澇脅迫下光合參數(shù)的影響

由圖1可知,水澇處理14 d后3種玉蘭葉片凈光合速率(Pn)均較處理前顯著下降,大小依次為:‘皮魯埃特’、‘菊花’和星花玉蘭。其中‘皮魯埃特’在水澇后的Pn最高為1.59 μmol/(m2·s),較水澇前降低了77.4%。而‘菊花’和星花玉蘭的Pn分別為0.08～0.09 μmol/(m2·s),下降幅度為99.1%和100.9%。

同一材料的不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。圖1 水澇脅迫對星花玉蘭及其品種光合參數(shù)的影響Different letters of the same material indicate significant difference (P <0.05). The same as below. Fig.1 Effects of flooding stress on photosynthetic parameters of Y. stellata and its cultivars

在水澇處理14 d后葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)均顯著下降,大小依次為:‘皮魯埃特’、星花玉蘭和‘菊花’。其中‘皮魯埃特’在水澇后的Gs為17.0 mmol/(m2·s);星花玉蘭為12.7 mmol/(m2·s);而‘菊花’僅為3.7 mmol/(m2·s),下降幅度為95.5%。

在水澇處理14 d后3種玉蘭葉片胞間CO2濃度(Ci)有不同的變化。其中‘菊花’和星花玉蘭的Ci均顯著增加,增加幅度分別為80.4%和141.3%;而‘皮魯埃特’的Ci比處理前降低了24.0 μmol/mol,下降幅度為10.3%。

在水澇處理14 d后3種玉蘭葉片的蒸騰速率(Tr)均大幅降低。其中‘皮魯埃特’14 d時為0.44 μmol/(m2·s),降低了76.0%,是3種玉蘭中Tr最大的且降低幅度最小的。星花玉蘭的Tr為0.26 μmol/(m2·s),降低了79.9%。而‘菊花’水澇后的Tr最小為0.24 μmol/(m2·s),同時降幅也最大為83.5%。

在水澇處理14 d后3種玉蘭葉片的葉綠素含量均降低。其中‘菊花’的葉綠素含量最高為8.11 mg/g,較水澇前下降了20.7%;‘皮魯埃特’的葉綠素含量為4.63 mg/g,下降幅度為9.5%;而星花玉蘭葉綠素含量2.57 mg/g,下降幅度最大,為44.6%。

綜上所述,水澇脅迫對光合特性有顯著影響,3種玉蘭葉片Pn、Gs、Tr和葉綠素含量均顯著降低;‘菊花’和星花玉蘭處理組的Ci顯著增加,‘皮魯埃特’則降低。‘皮魯埃特’的Gs、Tr值也較高,表明‘皮魯埃特’在水澇脅迫后的受害小于‘菊花’和星花玉蘭。

2.2 水澇脅迫對葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

由圖2可以看出,3種玉蘭葉片在水澇14 d后的Fo、Fm、Fv/Fm和Yield均小于水澇處理前。其中,‘菊花’在14 d的Fo、Fm、Fv/Fm和Yield分別下降了10.7%、14.4%和4.7%和30.0%;‘皮魯埃特’在14 d分別下降了6.9%、16.4%和9.1%和19.7%;而星花玉蘭4個指標(biāo)下降了6.0%、10.1%和7.3%和15.8%。

圖2 水澇脅迫對星花玉蘭及其品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.2 Effects of flooding stress on Chlorophyll fluorescence of Y. stellata and its cultivars

2.3 水澇脅迫對葉片生理指標(biāo)的影響

由圖3可知,在水澇處理14 d后3種玉蘭葉片的可溶性蛋白含量均較水澇前降低。其中‘菊花’葉片的可溶性蛋白含量最低,為84.5 μg/g,較水澇前降低了74.2%;星花玉蘭的可溶性蛋白含量最高,為184.1 μg/g;并且降幅最低,降低了57.9%;而‘皮魯埃特’的可溶性蛋白含量為129.97 μg/g,降幅最大,降低了83.0%。在水澇處理14 d后3種玉蘭的葉片MDA含量均升高。其中‘菊花’MDA增加了3.8 μmol/g,增幅最低,僅為5.7%;‘皮魯埃特’增加了15.3 μmol/g,增幅為21.6%;星花玉蘭增加了24.7 μmol/g,增幅最高,為33.3%。在水澇處理14 d后3種玉蘭葉片SOD活性均顯著升高。‘菊花’的SOD活性升高了25.6 U/g,增幅最小,為116.5%;‘皮魯埃特’的最高為35.18 U/g,增幅為128.4%;而星花玉蘭的升高了34.7 U/g,但增幅最大,為226.0%。綜上所述,3種玉蘭葉片可溶性蛋白含量均較水澇前降低,表明葉片均受到了一定的傷害。而MDA含量和SOD活性在水澇14 d后均有不同的增加幅度,表明植株葉片在受到水澇脅迫傷害的同時也在抑制傷害的加深。

圖3 水澇脅迫對星花玉蘭及其品種生理指標(biāo)的影響Fig.3 Effects of flooding stress on physiological indexes of Y. stellata and its cultivars

2.4 水澇脅迫對葉片內(nèi)源激素含量的影響

由圖4看出,水澇脅迫14 d 3種玉蘭葉片的ABA含量均顯著增加。其中‘皮魯埃特’增加最顯著,升高了1 171.0 ng/g,增幅為207.0%;‘菊花’升高了837.7 ng/g,增幅為179.9%;星花玉蘭升高了735.3 ng/g,增幅為158.2%。‘菊花’和星花玉蘭葉片ACC含量均較水澇前升高,增幅分別為59.4%和159.1%;‘皮魯埃特’較水澇前降低了20.1 ng/g,降幅為36.5%。

圖4 水澇脅迫對星花玉蘭及其品種葉片激素含量的影響Fig.4 Effects of flooding stress on leaf hormone contents of Y. stellata and its cultivars

2.5 水澇脅迫下生理指標(biāo)與內(nèi)源激素的主成分分析

根據(jù)處理組數(shù)據(jù)進(jìn)行耐澇性評價,將可溶性蛋白、MDA、SOD、ABA和ACC這5個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。

由表1可知,前2個綜合指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率分別為69.1%和25.1%,方差貢獻(xiàn)率達(dá)94.2%,基本包含所測指標(biāo)的全部信息。因此可提取第一主成分(Y1)和第二主成分(Y2),其余主成分可忽略不計。由表2可知,決定第一主成分指標(biāo)主要包括可溶性蛋白(-0.862)、ABA(0.822)、SOD(0.957)和ACC(0.970)這4個指標(biāo)。決定第二主成分的主要是MDA(0.965)。因此,‘菊花’、‘皮魯埃特’和星花玉蘭耐澇性的生理指標(biāo)及內(nèi)源激素重要性排序依次為1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)、超氧化物歧化酶(SOD)、脫落酸(ABA)、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)。

表1 方差分解主成分提取分析Table 1 Variance decomposition principal component extraction analysis table

表2 各指標(biāo)的系數(shù)及貢獻(xiàn)率Table 2 Coefficients and proportions of each indexes

2.6 星花玉蘭及2個品種的耐澇性綜合評價

2.6.1 利用主成分分析法計算綜合得分表2中2個主成分的表達(dá)式分別為:

Y1=-0.39X1+0.18X2+0.53X3+0.51X4+0.52X5

(4)

Y2=0.52X1+0.81X2-0.03X3+0.25X4-0.11X5

(5)

把每個原始指標(biāo)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后代入到公式(1)和公式(2)中,可得到‘菊花’、‘皮魯埃特’及星花玉蘭對應(yīng)的前2個主成分的值,再分別以2個主成分所對應(yīng)的貢獻(xiàn)率為各自的權(quán)重,從而得到基于主成分分析法的‘菊花’、‘皮魯埃特’及星花玉蘭耐澇性綜合評價模型,即加權(quán)值計算公式為:

Z=0.691Y1+0.251Y2

(6)

將3種玉蘭的Y1、Y2數(shù)據(jù)分別代入公式(6)中得到綜合得分。由表3可知,‘皮魯埃特’綜合得分最高,耐澇性最強(qiáng),星花玉蘭次之,‘菊花’得分最低。

表3 主成分分析法綜合得分Table 3 Comprehensive evaluation scores of principal component analysis

2.6.2 利用隸數(shù)函數(shù)分析法計算綜合得分將篩選后的評價指標(biāo)通過隸屬函數(shù)公式計算出各個品種的綜合評價值;隸屬函數(shù)值越大,耐澇性越強(qiáng),隸數(shù)函數(shù)值越小,耐澇性越弱。由表4可知,‘皮魯埃特’綜合評價值最高,耐澇性最強(qiáng),之后依次為星花玉蘭、‘菊花’。

表4 隸屬函數(shù)分析法綜合評價值Table 4 Comprehensive evaluation value of membership function method

3 討 論

植物在長時間的水澇脅迫后,葉片葉綠素含量降低、發(fā)黃萎蔫、碳水化合物大量消耗,光合酶活性和PSⅡ反應(yīng)中心活性降低,凈光合速率和光化學(xué)量子效率降低等現(xiàn)象[14]。在脅迫14 d后3種玉蘭葉片的Pn、Fv/Fm和葉綠素含量等均顯著降低,表明葉綠體受到水澇脅迫的嚴(yán)重破壞,這與張青俠對芍藥(PaeonialactifloraPall.)的研究結(jié)果[15]一致。光合作用是植物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)[16];而‘皮魯埃特’脅迫后的Pn最大、葉綠素含量降低幅度最小,表明其受到的傷害小于星花玉蘭和‘菊花’,這與兩種方法綜合評價的結(jié)果一致。

葉片MDA含量為逆境脅迫下植物受害程度的重要指標(biāo),脅迫會造成膜脂過氧化反應(yīng)加劇,導(dǎo)致膜系統(tǒng)受損,從而影響膜透性,間接反映植物組織抗氧化的能力[17-18]。SOD作為內(nèi)源活性氧清除劑能夠在一定程度上清除體內(nèi)過剩的活性氧,維持活性氧代謝平衡,保護(hù)膜結(jié)構(gòu),使植物具有抵抗逆境脅迫的能力。在脅迫14 d后3種玉蘭葉片的MDA含量均上升,表明葉片膜系統(tǒng)均受到水澇的迫害;SOD含量均上升,表明水澇發(fā)生后,植株通過提高葉片SOD含量清除活性氧,以保護(hù)葉肉細(xì)胞膜結(jié)構(gòu);可溶性蛋白含量均下降,表明葉肉細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力的下降以及脅迫對葉片已有明顯傷害;這與常春麗對丁香(SyringaoblateLindl.)研究結(jié)果[19]一致。而‘皮魯埃特’在脅迫后的SOD含量最高,表明其對抗水澇脅迫的能力強(qiáng)。

在水澇脅迫下植物地上部分ABA合成加強(qiáng),ABA是一種調(diào)節(jié)休眠、脫落和植物脅迫反應(yīng)的生長抑制物質(zhì),誘導(dǎo)植株體內(nèi)與植物抗性有關(guān)的酶重新合成表達(dá),抑制生長和促進(jìn)氣孔關(guān)閉[20]。經(jīng)水澇處理14 d后3種玉蘭葉片的ABA含量均顯著增加,而Gs、Tr均顯著降低,氣孔的關(guān)閉,導(dǎo)致葉片Tr降低,從而使水分運輸速率降低、CO2擴(kuò)散阻力增加,這與王延雙等研究紅花玉蘭水淹脅迫的結(jié)果[21]一致。而‘皮魯埃特’在脅迫后的Gs、Tr均為最高,再次印證其耐澇性最強(qiáng)。

乙烯(ET)的快速積累是植物應(yīng)對水澇脅迫的重要途徑,在缺氧條件下ET生物合成的直接前體ACC在ACC合酶(ACS)的催化下大量生成[22]。在脅迫14 d后‘菊花’和星花玉蘭ACC含量均較水澇前升高;表明水澇脅迫使‘菊花’及星花玉蘭的凈光合速率趨近于0,氣孔導(dǎo)度顯著下降,讓葉片的非光合細(xì)胞獲取的氧氣大大減少,植株缺氧。因此,促進(jìn)植株合成的ACC進(jìn)一步合成ET,這與劉光亞等對棉花(GossypiumhirsutumL.)研究結(jié)果[23]一致。而‘皮魯埃特’的ACC含量較水澇前降低了36.5%,這可能與其凈光合速率有關(guān),較高的凈光合速率依然能為葉片提供一定量的O2;但其具體機(jī)理仍有待后續(xù)研究。

耐澇性狀為復(fù)雜的數(shù)量性狀,受到多種因素的影響;因此,需要選擇多種評價指標(biāo)綜合分析才能科學(xué)地反映植物的耐澇性。本研究選擇了可溶性蛋白、SOD、MDA、ACC和ABA這5個指標(biāo),分別通過主成分分析方法和隸屬函數(shù)分析法進(jìn)行耐澇性綜合評價。通過主成分分析方法提取主成分,得到加權(quán)值計算公式對3種玉蘭進(jìn)行耐澇性評價;隸屬函數(shù)分析法計算的綜合評價D值進(jìn)行耐澇性評價;兩種分析方法相結(jié)合的評價結(jié)果相同,表明這兩種分析方法均可用于星花玉蘭和2個品種的耐澇性綜合評價。通過這兩種評價方法建立的星花玉蘭及2個品種的耐澇性評價方法,可綜合反映耐澇性。該兩種分析方法相結(jié)合的評價方法已在油菜[24](BrassicachinensisL.)和番茄[25](SolanumlycopersicumL.)等植物中應(yīng)用?！敯Ｌ亍蜐承宰顝?qiáng),這可能與其雜交親本之一的柳葉玉蘭有一定關(guān)系,柳葉玉蘭野外常生長于山地溪溝邊,具有較強(qiáng)的耐澇性,而‘菊花’則是星花玉蘭實生選育品種。因此在星花玉蘭的育種過程中,科學(xué)地將耐澇性強(qiáng)的種質(zhì)參與雜交,可以獲得耐澇性更強(qiáng)的雜交后代。

經(jīng)過14 d的水澇脅迫,‘菊花’、‘皮魯埃特’及星花玉蘭均有顯著的傷害,但3種玉蘭對水澇脅迫表現(xiàn)出不同的耐澇性。通過主成分分析提取權(quán)重,3種玉蘭耐澇性的生理及內(nèi)源激素指標(biāo)重要性依次為:1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)、超氧化物歧化酶(SOD)、脫落酸(ABA)、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)。分別通過主成分分析法和隸屬函數(shù)分析法對3種玉蘭進(jìn)行耐澇性綜合評價,耐澇性強(qiáng)弱均依次為:‘皮魯埃特’、星花玉蘭和‘菊花’。