淹水脅迫及排澇對四種菊科宿根花卉生理特性的影響

劉 洋，韓 濤，張鴻翎，劉集鋒

（內蒙古農業大學林學院，呼和浩特 010018）

20世紀以來，隨著全球環境不斷惡化，生態系統遭到嚴重破壞，氣候異常的加劇，雨量分布不均，導致澇害頻發，中國約有2/3國土面積存在不同程度的澇害［1］。我國也把生態文明建設對城市發展的重要性放到了重要的位置，海綿城市、雨水花園等可持續發展的新型理念已不斷深入人心［2］，因此研究植物抗澇性機制，選育抗澇性較強的植物，有效解決澇地土地利用問題，已成為未來研究中一個前景廣闊的領域。植物正常生長需要水分，但水分高于或低于一定量將引起植物生理方面的變化［3］。土壤淹水脅迫會影響到植物生理生化和新陳代謝，限制植物生長發育甚至導致死亡，淹水脅迫引起植物細胞膜防御系統、抗氧化系統、能量代謝等發生改變，由此適應或減輕缺氧帶來的傷害［4］。4種菊科（Compositae）宿根花卉觀賞性高、生態適應性強、經濟效益高，具有一定的耐寒性，是節約型園林綠化美化的優良之選。為此，試驗以4種菊科宿根花卉為研究對象，測定淹水脅迫條件下各項生理生化指標，了解各植物對淹水脅迫的響應及抗性差異，并通過模糊隸屬函數法進行分析比較，篩選出抗澇性較強的植物，以期為園林綠化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取宿根天人菊（Gaillardia aristata）、夏菊（Chrysanthemum morifolium）、野菊花（Dendranthema indicum）、千葉蓍（Achillea millefolium）為研究對象。

1.2 試驗設計

試驗在內蒙古農業大學教學試驗溫室內進行。挑選整齊一致、生長健壯的花卉，帶土球栽于塑料花盆（口徑14 cm×高10 cm）中，每盆2株，基質由園土、草炭土、腐熟羊糞（體積比為2∶1∶1）混合配制而成，放置于可通風的塑料大棚內，正常管理2個月，植株生長期間正常澆水。淹水處理時，每種花卉各挑選24盆，并采用雙套盆法，分別把苗盆放于12個長1.2 m、寬0.5 m、高0.5 m的塑料水箱中，使水面位于花盆1/2高度處，每天及時補充水分，保證水面高度。試驗時間設置為淹水16 d，每隔4 d采樣1次，處理分別為CK（對照）、W4（淹水脅迫4 d）、W8（淹水脅迫8 d）、W12（淹水脅迫12 d）、W16（淹水脅迫16 d），淹水脅迫16 d后排澇，每隔2 d采樣1次，處理分別為R2（排澇后第2天）、R4（排澇后第4天）。每個時間點采樣重復3次，采樣時間為上午8：00—9：00。

1.3 指標測定

葉片相對含水量（RWC）采用稱重法測定［5］；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定［5］；游離脯氨酸（Pro）含量采用酸性茚三酮比色法測定［5］；可溶性蛋白質（SP）含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定［5］；可溶性糖（SS）含量采用蒽酮比色法測定［5］；葉綠素含量（Chl）采用乙醇提取法測定［6］。

1.4 數據處理與分析

所有指標均重復測定3次，取平均值，采用Microsoft Excel 2010對原始數據進行處理，用SPSS 25.0對數據進行方差分析及主成分分析，用Duncan檢驗法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 4種菊科宿根花卉葉片相對含水量的變化

從圖1可知，4種菊科宿根花卉淹水脅迫初期，相對含水量（RWC）除夏菊外均小幅上升，后期均持續下降。野菊花和千葉蓍變化趨勢相似，淹水脅迫W8出現峰值，W16降至最低值，且顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK降低13.88、12.20個百分點；排澇后，R4處理野菊花和千葉蓍RWC分別為CK的94%、98%，野菊花顯著低于CK，千葉蓍與CK比變化不顯著（P＞0.05）。宿根天人菊RWC在W4時達到最大值，為94.66%，W16出現最低值，為82.50%；排澇后，R4比對照降低3.98個百分點，顯著低于CK（P＜0.05）。夏菊在整個淹水脅迫過程中RWC始終呈下降趨勢，W16時RWC為81.40%，是CK的93%，排澇后，RWC逐漸升高，R4時與CK比無顯著差異（P＞0.05）。

2.2 4種菊科宿根花卉游離脯氨酸含量的變化

從圖2可以看出，在不同水分脅迫下，4種菊科宿根花卉游離脯氨酸（Pro）含量總體來看在不斷積累。宿根天人菊CK時Pro含量顯著低于其他3種花卉（P＜0.05），W4時出現最大值，是CK的4.84倍。排澇后，Pro含量不斷降低，但仍顯著高于CK（P＜0.05）。夏菊脅迫過程中Pro積累明顯，W4、W8增幅較大，分別為CK的1.85、3.59倍，W16出現最大積累量，是CK的5.52倍。排澇后，Pro含量不斷下降，R4下降至765.79 μg/g，但仍顯著高于CK（P＜0.05）。野菊花Pro含量逐漸上升，W8達到峰值，是CK的2.47倍。排澇后，Pro積累量明顯降低，R4時顯著低于CK（P＜0.05）。千葉蓍Pro含量為先降后升的趨勢，W4出現最小值，比CK降低24.20%，W16上升為最大值，比CK提高358.82%。排澇后呈逐漸降低趨勢，但仍顯著高于CK（P＜0.05）。

圖2 4種菊科宿根花卉Pro含量的變化

2.3 4種菊科宿根花卉可溶性蛋白質含量的變化

如圖3所示，總體來看，宿根天人菊和夏菊可溶性蛋白質（SP）含量變化趨勢相似，為先升后降再升，野菊花和千葉蓍的變化趨勢為先升后降。宿根天人菊和夏菊在淹水脅迫過程中，SP含量在W4均達到最大值，分別為9.16、16.02 mg/g，W8時分別減少為6.27、5.32 mg/g，夏菊在W12后出現下降趨勢。排澇后，SP含量遞減，R4處理宿根天人菊和夏菊SP含量分別為4.53、2.19 mg/g，宿根天人菊顯著高于CK（P＜0.05），而夏菊顯著低于CK（P＜0.05）。野菊花、千葉蓍SP含量分別在W8、W12時達到峰值，分別比CK提高116.57%、146.78%。排澇后，SP含量仍持續下降，R4處理時野菊花和千葉蓍SP含量分別比CK減小41.42%、13.65%，均顯著低于CK（P＜0.05）。

圖3 4種菊科宿根花卉SP含量的變化

2.4 4種菊科宿根花卉可溶性糖含量的變化

隨著淹水脅迫時間的不斷延長，如圖4所示，總體來看，4種菊科宿根花卉可溶性糖（SS）含量先增后降，夏菊W4、W16出現2個峰值，其他3種宿根花卉均在W12時出現1個峰值。宿根天人菊SS含量持續增長，W12出現峰值，比CK增加330.00%，W16 SS含量顯著高于其他3種花卉（P＜0.05），含量為0.036%；排澇后，R4時SS含量顯著高于對照（P＜0.05）。夏菊SS含量逐漸增長，W4出現第1個峰值，比CK增加123.08%，W16出現第2個峰值，比CK增加130.77%；排澇后，降幅明顯，R4 SS含量顯著高于CK（P＜0.05）。野菊花和千葉蓍SS含量變化趨勢相似，W12出現峰值，分別為0.039%、0.044%；排澇后，R4處理野菊花和千葉蓍SS含量分別為0.016%、0.029%，均顯著高于CK（P＜0.05）。

圖4 4種菊科宿根花卉SS含量的變化

2.5 4種菊科宿根花卉丙二醛含量的變化

如圖5所示，隨著時間的推移，4種菊科宿根花卉丙二醛（MDA）含量變化相對平緩，總體呈上升趨勢。宿根天人菊和千葉蓍變化趨勢相似，在脅迫過程中MDA含量呈不斷增長的趨勢，W16達到最大值，分別為6.37、5.28 μmol/g，比CK提高27.40%、22.22%。排澇后MDA含量逐漸降低，R4處理宿根天人菊和千葉蓍MDA含量分別為5.09、4.66 μmol/g，宿根天人菊與CK比無顯著差異（P＞0.05），千葉蓍顯著大于CK（P＜0.05）。夏菊在脅迫及排澇過程中MDA含量始終顯著高于其他3種花卉（P＜0.05），變化趨勢和野菊花相似，W8處理夏菊和野菊花MDA含量最低值分別為9.47、6.41 μmol/g。排澇后，MDA含量不斷降低，R4處理時夏菊和野菊花MDA含量分別為10.47、6.71 μmol/g，夏菊顯著高于CK（P＜0.05），野菊花與CK無顯著差異（P＞0.05）。

圖5 4種菊科宿根花卉MDA含量的變化

2.6 4種菊科宿根花卉葉綠素含量的變化

如圖6所示，在淹水脅迫過程中4種菊科宿根花卉葉綠素（Chl）含量除千葉蓍外均呈先降后升再降的變化趨勢。宿根天人菊和野菊花在脅迫過程中W8時出現較低值，分別比CK降低15.22%、27.87%，W12時達到峰值，宿根天人菊較CK增長15.22%，野菊花較CK減少14.75%。排澇后，宿根天人菊Chl含量先降低后升高，野菊花Chl含量持續降低，R4時宿根天人菊Chl含量顯著高于CK，野菊花Chl含量顯著低于CK（P＜0.05）。夏菊Chl含量在W4時出現較低值，比CK減少17.65%，W12時Chl含量出現較大值，但仍顯著低于CK（P＜0.05），比CK降低1.96%；排澇后，變化趨勢為先升后降，夏菊Chl含量R4時顯著低于CK（P＜0.05）。千葉蓍W4時Chl含量與CK比變化不顯著（P＞0.05），W16時夏菊Chl含量比CK高，但與CK比變化不顯著（P＞0.05）；排澇后千葉蓍Chl含量為先降后升的趨勢，R4時千葉蓍Chl含量顯著低于CK（P＜0.05）。

圖6 4種菊科宿根花卉Chl含量的變化

2.7 4種菊科宿根花卉抗澇性綜合評價

從表1可以看出，淹水脅迫下，4種菊科宿根花卉各項指標變化存在一定差異，單一指標不能準確反映4種菊科宿根花卉抗澇性的強弱，因此運用模糊數學中的隸屬函數值法對各種抗澇指標進行綜合分析評價，評價結果為4種菊科宿根花卉抗澇性由強到弱排序為夏菊、千葉蓍、野菊花、宿根天人菊。

表1 4種菊科宿根花卉抗澇性綜合得分與排名

各生理指標在鑒定相應植物抗澇性時的貢獻率存在差異，因此通過主成分分析法得出各指標的重要性。主成分分析法即是在最大程度保留信息的情況下，把多個具有相關性的指標轉換成少數幾個新的綜合指標，這些綜合指標彼此獨立［7］。通過表2可知，淹水脅迫下前2個主成分的累積貢獻率為86.677%，表明前2個主成分可以反映4種菊科宿根花卉的抗澇性，第一主成分特征值為3.325，貢獻率為55.419%，反映了4種菊科宿根花卉的抗澇性主要由游離脯氨酸、可溶性蛋白質、可溶性糖、丙二醛及葉綠素指標決定。第二主成分特征值為1.875，貢獻率為31.258%，抗澇性主要由葉片相對含水量指標決定。因此，以上2個主成分幾乎可以反映全部指標信息，通過成分得分系數，得到以下主成分表達式：

表2 4種菊科宿根花卉各生理指標主成分分析結果

由上述公式整理并進行歸一化處理，構建主成分綜合模型，如下式：

由以上主成分分析綜合模型，根據各指標所占權重值大小，得出各指標淹水脅迫下的重要程度，權重值和重要性為正相關關系。因此，4種菊科宿根花卉抗澇性指標重要性由大至小依次為游離脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、葉綠素、可溶性蛋白質、葉片相對含水量。

3 小結與討論

3.1 4種菊科宿根花卉葉片相對含水量變化情況

一般情況下，植物在過度的水分條件下由于根際缺氧無法吸取足夠的水分，葉片會逐漸失水萎蔫，含水量下降，RWC能反映植物水分狀況，間接地反映植物體的生長代謝狀況［8］。李博［9］在淹水脅迫條件下，發現玉簪RWC在脅迫初期有不同程度的升高，而后在一段時期內保持較穩定的含水量，脅迫后期有下降的趨勢。范龍惠［10］在淹水脅迫試驗中發現，4個核桃品種幼苗隨著淹水脅迫時間的延長，RWC整體呈下降的趨勢。本試驗中，4種花卉RWC變化趨勢與玉簪相似，前期小幅增加，之后不斷降低，W16處理夏菊與CK相比降幅最大。

3.2 4種菊科宿根花卉滲透調節物質變化情況

淹水脅迫下，植物為了在逆境下維持細胞膨壓，植物體內會主動在短期內迅速積累一些有機滲透調節物質如Pro、SP、SS，來調節細胞的滲透勢，穩定細胞內生物大分子活性的構象，保持細胞內膨壓的平衡，提高自身對淹水脅迫的適應性并為植物提供生長所需的營養與能量［11，12］。

研究表明，Pro是植物體內主要的滲透調節物質［13］，能夠保持植物細胞原生質體與外界環境的滲透平衡，進而維持細胞正常的膨壓，同時Pro可通過與蛋白質相結合來維持其可溶性，減少SP產生沉淀，增強蛋白質的水合作用，從而保持膜結構的完整性［14］。植物體內Pro積累量越大，植物抗性越強［15］。王娟［16］在淹水對牡丹生理特性的影響試驗中發現，Pro在輕度淹水處理時逐漸增加，在深度淹水處理時則先升后降。蔡進等［17］對2個鐵線蓮品種淹水處理后發現，Pro含量隨時間延長增加。本試驗中，4種花卉隨著淹水脅迫的加劇，Pro含量總體在不斷地積累，W16時積累量由大到小排序為夏菊、千葉蓍、野菊花、宿根天人菊，說明夏菊能有效積累Pro來維持細胞滲透勢平衡，宿根天人菊則相對較弱。

植物體內的SP多數是參與各種代謝的酶類，其含量是植物代謝水平的一個重要指標［18］。舒正悅等［19］對竹葉花椒進行淹水處理，發現SP呈先增后降的趨勢。張虎等［14］研究發現，隨著淹水脅迫時間的延長，湖北海棠葉片SP含量呈明顯上升趨勢。本試驗發現，在脅迫過程中，宿根天人菊和夏菊SP含量為先升后降再升，野菊花和千葉蓍的變化趨勢為先升后降。淹水脅迫前期，植物為抵御淹水脅迫的傷害，不斷合成新的蛋白質，隨著時間的延長，蛋白質被降解的速度遠遠超過新的蛋白質合成的速度，導致其含量降低，后期宿根天人菊、夏菊不斷誘導新的蛋白質合成，含量又逐漸升高，野菊花和千葉蓍合成機制可能受阻。

淹水脅迫下植物通過在體內積累SS，調節體內物質代謝，增加植物對淹水環境的適應性，減輕受到淹水的危害［20］。劉聰聰等［21］對櫻桃番茄進行淹水脅迫后發現，脅迫可增加櫻桃番茄葉片中SS含量；王華等［22］的研究顯示，在淹水前期不結球白菜體內SS含量逐漸增大，隨時間延長則不斷下降。本研究中，SS總體呈先升后降的趨勢，前期含量上升是植物為調節體內代謝平衡，提高細胞體內SS含量，以減小細胞滲透勢，在一定程度上減低水淹造成的傷害，后期由于長期的淹水脅迫，導致植物不斷消耗SS來適應此環境。

對Pro、SP、SS含量的變化趨勢相關聯后分析發現，4種菊科宿根花卉中SP啟動最為迅速，SS啟動最慢，且不同花卉各滲透調節物質達到最大值的時間也不同，宿根天人菊所用時間最短，夏菊所用時間較長。結合隸屬函數分析結果發現，宿根天人菊抗澇性最弱，而夏菊抗澇性較強。植物抗澇性是否與滲透調節物質達到最大積累量的時間有關，還有待進一步探究。

3.3 4種菊科宿根花卉丙二醛變化情況

MDA是植物細胞膜脂過氧化產物［3，23］，其含量是衡量植物細胞膜脂過氧化和質膜損傷程度的重要指標，隨淹水脅迫加劇，質膜透性增大，MDA含量增大，受到的傷害也變大［24，25］。潘雅楠等［26］對3種基因型東方杉進行淹水處理后發現，MDA含量總體上均隨著淹水時間的延長而增加；王延雙等［27］對紅花玉蘭苗木進行水淹脅迫后指出MDA含量均呈上升趨勢。本試驗發現，4種菊科宿根花卉MDA含量與3種基因型東方杉的變化趨勢一致，整個脅迫過程中，MDA含量不斷增大，膜脂過氧化增加，膜結構逐漸損傷［28］，W16時宿根天人菊積累量最多，受到傷害也最大。

3.4 4種菊科宿根花卉葉綠素變化情況

植物進行淹水脅迫后，最先感應到的是葉片，首先葉片上的氣孔會關閉，然后會對CO2的擴散產生一定的阻力。植物在淹水脅迫過程中，Chl含量會降低，對光合作用產生影響，隨著綠葉的面積逐漸下降，植物生長發育也會受到影響，因此，淹水脅迫下植物的Chl含量可作為評價植物耐澇性強弱的重要指標［29］。姚妮爾［30］對核桃楸幼苗進行研究發現，隨著淹水處理時間的延長，兩個種源核桃楸幼苗的Chl含量先上升后下降。吳靜［31］在水分脅迫環境下對雞爪槭幼苗進行研究發現，Chl含量為先下降再小幅上升，之后急劇下降的變化趨勢。本研究發現，4種菊科宿根花卉淹水脅迫下Chl含量的變化與雞爪槭幼苗的變化趨勢相似。宿根天人菊、夏菊、野菊花逐漸下降趨勢，W12小幅升高，之后不斷減少。脅迫過程Chl含量不斷降低說明其不斷降解但合成機制未受到抑制，仍有增長的趨勢，后期隨著淹水脅迫加劇，合成逐漸受到抑制，含量持續降低。而千葉蓍前期變化不顯著，說明此時光合作用仍能正常進行，W8時開始下降，說明為抵御淹水帶來的傷害Chl不斷降解，W16時有所提高，其合成機制未受到抑制，也表明千葉蓍抗澇能力較強。

排澇后，R4時4種菊科宿根花卉的RWC顯著增加，Pro、SP、SS、MDA、Chl含量均比W16時顯著減少，說明4種菊科宿根花卉生理狀態有所恢復。

綜上所述，試驗從淹水脅迫下生理響應差異解釋4種菊科宿根花卉抗澇能力存在差異的可能機制。由于植物抗澇機理較為復雜，不能采用單一指標對其進行抗澇評價［32］，本試驗采用模糊數學中隸屬函數法對其抗澇性的強弱進行綜合評價，得出抗澇的強弱關系為夏菊＞千葉蓍＞野菊花＞宿根天人菊。采用主成分分析法對抗澇性指標重要性進行排序，由大至小依次為游離脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、葉綠素、可溶性蛋白、葉片相對含水量。故在洼地、濕地、水邊等可選擇夏菊造景，有效解決澇地土地利用問題。