水淹脅迫對4年生華北紫丁香生理指標的影響*

白果，冷平生，胡增輝

(北京農學院 林木分子設計育種高精尖創新中心/園林學院，北京 102206)

水淹脅迫會對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、機械損傷、限制氣體擴散、活性氧脅迫等，導致植物的生長受到抑制[1-2]。另一方面，植物也能通過調整生理生化過程抵御和緩解水淹脅迫。植物通過增強滲透調節能力、激活抗氧化酶系統、調節光合、改變代謝水平及激素平衡等，提升自身對水淹環境的適應性[3]。受到水淹脅迫的風箱果(Physocarpusamurensis)葉片光合碳同化能力顯著降低[4]。湖北海棠(Malushupehensis)經水淹脅迫后，雖然生長、光合能力有所下降，但隨著淹水時間的延長，各項指標生理生化變化趨于平穩，呈現出適應性響應[5]。梁行行等[6]通過測定和比較水淹脅迫下的生理指標，對7種西北地區常見灌木耐澇性進行了綜合評價并排序，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節物質含量，緩解傷害反應，提高耐澇性[7]。晏增等[8]通過測定質膜透性、葉綠素含量、凈光合速率、抗氧化酶活性等生理指標，對不同品種美洲楊(Populusdeltoides)的耐澇能力進行了分析比較，明確了質膜相對透性、抗氧酶活性是影響耐澇性的主要指標。可以看出，通過測定和分析生理指標，能夠直接了解水淹脅迫對植物生理過程的影響，反映植物對水淹脅迫的耐受性。

華北紫丁香(Syringaoblata)是我國優良的傳統園林花木，花期長、花香濃郁，并具有較強的耐旱、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，生長受到影響，甚至死亡[9]。已有一些研究對華北紫丁香遭受水淹的生理變化進行了測定。李娟娟等[10-11]測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，表明華北紫丁香的抗水淹性較弱。孫乃東等[12]對水淹環境中不同pH值條件下的華北紫丁香和小葉丁香葉綠素熒光特性進行了比較，發現華北紫丁香的耐酸性較強。常春麗等[13]分析了水淹脅迫對華北紫丁香和小葉丁香幼苗形態及生理特性的影響，也發現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時間處于完全被水淹沒的情況較少，更多的是在短時間完全淹沒后，水位逐漸下降，但土壤較長時間保持飽和含水量的狀態。

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，而后測定葉片相對含水量、相對電導率、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，和葉綠素熒光等生理指標，探討華北紫丁香成苗對持續水淹脅迫的生理響應，明確其耐澇性，為進一步推廣應用提供依據。

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，葉片心形對生)為材料，種植于底部帶12孔的花盆(35 cm×35 cm)中，以河沙︰細土︰雞糞=4︰5︰1的比例配制栽培基質，每3 d澆1次水，每周施用一次1/2 Hoagland 營養液。

1.2 方法

1.2.1 水淹處理

選擇生長良好、整齊一致的華北紫丁香進行水淹處理。在試驗前的預處理時，華北紫丁香在水淹20 d時葉片出現明顯的萎蔫和失綠狀態，因此水淹脅迫設置0、1、4、7、10、16 d共6個時間梯度，每個時間點設5棵獨立植株作為重復，置于2個水泥池(2 m×1.5 m×0.5 m)內，同時開始處理。水淹處理時向池中加水，使水通過下部孔眼進入盆中，保持池中水面距盆土表面低2 cm，每2 d換1次水。在每個時間梯度結束點的上午10:00，采集丁香功能葉片測定生理指標。以維持正常養護管理的華北紫丁香為對照。

1.2.2 測定指標

在處理時間點采集植株中上部5片成熟功能葉片，放置于冰盒中帶回實驗室進行生理指標的測定。采用烘干法測定葉片相對含水量[14]；參考陳志新等[15]的方法測定相對電導率；采用硫代巴比妥酸比色法測定MDA含量[16]；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[16]；采用酸性茚三酮顯色法測定Pro含量[16]；采用愈創木酚比色法測定POD活性[16]；采用紫外吸收法測定CAT活性[16]。

葉綠素熒光參數使用便攜式葉綠素熒光儀PAM-2100(Walz，德國)測定。選擇植株中上部5片成熟功能葉片，在處理時間點的上午10:00進行測定。待測葉片暗適應20 min，測定Fo(PSⅡ反應中心全部開放時的初始熒光)、Fm(PSⅡ反應中心全部關閉時的最大熒光)、Fv/Fm(最大光化學效率)、Yield(有效光化學量子產量)。

1.3 數據分析

使用Excel整理數據，繪制圖表，使用SPSS軟件通過Duncan法進行差異顯著性比較(P<0.05)，標注標準差±SD。

1.城市公共綠地少，且分布不均，中心城區公園綠地面積17.0hm2，人均公園綠地僅為1.3m2，居住區無大型公共綠地。城區內已建成的兩處公園，服務設施尚不完善，不配套。缺乏形式美、自然美、意境美；街頭綠地少，沒有形成街頭小環境。

2 結果與分析

2.1 水淹脅迫對華北紫丁香葉片相對含水量的影響

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

圖1 水淹脅迫對華北紫丁香葉片相對含水量的影響注：不同小寫字母表示在不同處理時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 水淹脅迫對華北紫丁香葉片相對電導率的影響

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

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

2.3 水淹脅迫對華北紫丁香葉片MDA含量的影響

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

圖3 水淹脅迫對華北紫丁香葉片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出先升高后降低的趨勢。在經過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)，較對照高23%。在水淹脅迫7 d時，可溶性糖含量達到最高，為對照的1.3倍，隨后快速降低，在處理10 d和16 d時分別較對照低15%和32%。

圖4 水淹脅迫對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 水淹脅迫對華北紫丁香葉片Pro含量的影響

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

圖5 水淹脅迫對華北紫丁香葉片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活性呈現出先增后降的趨勢(圖6)。水淹脅迫后1～4 d，葉片POD活性表現出逐漸增加的趨勢，但與對照無顯著差異(P<0.05)。水淹脅迫7 d后，POD活性出現顯著升高(P<0.05)，達到峰值，較對照高15%，之后逐漸下降。在水淹脅迫10 d和16 d時，POD活性迅速下降，分別較對照降低18%和32%。

圖6 水淹脅迫對華北紫丁香葉片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活性變化規律與POD相似，均是表現出先增加后降低的趨勢(圖7)。水淹脅迫4 d時，CAT活性出現顯著升高(P<0.05)，較對照高21%。脅迫第7 d時，CAT活性達到最高，為對照的1.3倍，而后快速下降，在脅迫16 d時降到最低，較對照降低27%。

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

2.8 水淹脅迫對華北紫丁香葉片葉綠素熒光參數影響

表1 水淹脅迫對華北紫丁香葉片葉綠素熒光參數影響

3 討論與結論

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[6]。隨著水淹脅迫時間的延長，華北紫丁香葉片含水量逐漸下降，特別是在7 d時與對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，表現出一定的耐澇性[17]。

當植物受到逆境脅迫時，細胞膜會受到損傷，透性會增加，因此細胞膜的穩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時葉片相對電導率即出現較顯著增加，反映出細胞膜已出現較明顯的損傷，在7 d后的大幅度升高表明其受到的傷害進一步加重。此外，膜質過氧化的產物MDA在脅迫4 d后含量逐漸增加，也反映其膜系統受到損傷。水淹脅迫同樣導致紅花玉蘭的葉片MDA含量逐漸增加，在15 d時也出現大幅度增加[7]。李娟娟等[11]和常春麗等[13]在1 a生華北紫丁香小苗中，發現MDA含量隨水淹脅迫也出現較大幅度的增加，而相較于本試驗中的4 a生成苗，出現的時間較早，說明4 a生的成苗耐澇性較強。

啟動滲透調節是植物忍耐和抵御水淹脅迫的重要生理響應之一[19]。Pro[20]和可溶性糖[21]作為重要的細胞質滲透調節機制，在植物受到水淹脅迫時會發生大量積累。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了滲透調節過程，以提高耐逆性，但其在7 d時才表現出顯著升高。而可溶性糖含量先升高后下降的趨勢表明在水淹脅迫前期華北紫丁香主要通過可溶性糖進行調節滲透，而隨著脅迫時間的延長，可溶性糖下降，迫使華北紫丁香進入低能耗代謝抵御水淹傷害，此時通過增加Pro含量來維持滲透調節。

在水淹環境下，活性氧會大量積累，會對植物造成傷害[22]。POD和CAT是酶促清除系統2種重要的抗氧化酶[23]。在本試驗中，華北紫丁香在脅迫前期的POD和CAT活性持續升高，以清除產生的較少活性氧，而隨著脅迫的延長，活性氧積累越來越多，在脅迫10 d時超出抗氧化酶的清除能力，導致酶系統崩潰，酶活性降低，說明華北紫丁香受到嚴重傷害。隨著水淹脅迫時間的延長，楨楠(Phoebezhennan)葉片抗氧化酶活性也呈先升高后降低的趨勢[24]。常春麗等[13]在1 a生華北紫丁香幼苗中發現，水淹脅迫后POD等抗氧化酶活性沒有升高，在整個脅迫期內保持了較低的水平。從本試驗結果可以看出，相對于1 a生幼苗，4 a生成苗抗氧化酶系統的活化水平被水淹脅迫誘導升高，表現出相對較強的耐澇性。

葉綠素熒光能靈敏快速地評價逆境下植物光系統的受損程度[25]，反映水淹脅迫對植物的影響[26]。Fo和Fm分別為PSⅡ反應中心處于完全開放時和完全關閉時的熒光產量。華北紫丁香Fo和Fm在脅迫前期的升高，說明PSⅡ反應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反應中心受到了不可逆的嚴重損傷[27]。Fv/Fm和Yield分別為PSⅡ最大和實際光化學量子效率，反映PSⅡ反應中心的光能轉化效率。不同品種藍莓(Vacciniumspp.)葉片Fv/Fm在水淹脅迫下的不斷減低，表明PSⅡ反應中心活性受到抑制，原初光能轉換效率降低[28]。受到水淹脅迫后，華北紫丁香Fv/Fm和Yield的逐漸下降趨勢，也說明其PSⅡ反應中心受損，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，同樣發現其反應中心受到較嚴重傷害，并且出現傷害狀態的反應時間更短[10]。

綜上所述，在水淹脅迫下，4 a生華北紫丁香在相對含水量和光能利用率降低、相對電導率和MDA含量增大的同時，通過提升可溶性糖、Pro等滲透調節物質含量和POD、CAT等抗氧化酶的活性，來提高其對水淹逆境的適應性。但經超過7 d的較長時間脅迫后，雖然Pro含量逐漸增加，但是其他指標的下降，說明華北紫丁香已產生不可逆損傷。由此可見，4 a生華北紫丁香成苗表現出一定的耐澇性，可耐受近1周的水淹脅迫，因此有潛力通過進一步的篩選，培育耐澇性強的品系。但本研究僅對華北紫丁香葉片的生理變化進行了測定，下一步還需對根系在水淹脅迫的響應進行分析，另外從分子水平對其耐澇性探討也是需要開展的工作。