3個玉蘭材料對水澇脅迫的響應與耐澇性評價

葉 康,陳伯祥,杜習武,,秦 俊,曾 麗,胡永紅

(1 上海辰山植物園,上海 201602;2 上海城市樹木生態應用工程技術研究中心,上海 200020;3 上海交通大學 農業與生物學院,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、排水不暢的環境下生長受到限制,常出現葉片發黃、干枯脫落甚至植株死亡的情況。長三角地區海拔低、地勢平坦、地下水位高,在雨季易發生澇害。因此,選育耐澇性較強的星花玉蘭及品種具有重要意義。目前,星花玉蘭相關研究多集中在生理學、形態學和遺傳學方面[4-5],逆境抗性相關研究較少。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熒光等相關的14個指標變化,建立星花玉蘭的耐澇性綜合評價方法,評價星花玉蘭及2個品種的耐澇性強弱,為星花玉蘭的耐澇品種選育提供理論依據。

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、生長發育乃至地理分布等[6]。水分過多對植物的生長產生不利影響[7],與正常生境相比,水分過多導致的水澇脅迫使植物體內的O2濃度等發生顯著的變化,限制了植物有氧呼吸和維持生命活動所需能量產生[8]。植物的生理過程是復雜的,植物的抗性受多種因素影響,單獨用某一指標很難反映植物耐澇的實質,也不利于揭示植物耐澇的本質。目前,關于植物的水澇脅迫研究有不少報道,應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據原有的信息下,能將原始數據多個彼此相關的指標轉換成新的、個數較少且彼此獨立的綜合指標,避免了重復信息的干擾[11]。隸屬函數分析法是基于模糊數學原理,通過計算每一個指標相應的隸屬函數值,并進行加權得到其綜合評價值,可較為全面地對測試指標進行綜合評價,有結果可靠和具有可比性的優點[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’)。‘菊花’是星花玉蘭實生選育品種;‘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,無病蟲害發生。栽培容器為535 mm×360 mm塑料花盆,栽培基質為V(園土)∶V(草炭)∶V(介質土)=5∶2∶3的混合基質。

1.2 試驗設計

試驗在上海辰山植物園試驗地進行,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,處理組在水澇脅迫14 d時測定各項試驗指標。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 光合特性和葉綠素熒光特性指標測定葉片氣體交換參數測定時間為上午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,采用標準Li-COR葉室,紅藍光源(6400-02 LED光源),設定光照強度為1 400 μmol/(m2·s)和空氣流速為500 μmol/s。測定內容包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。

葉綠素熒光特性使用MINI-PAM 便攜式調制葉綠素熒光儀(德國WALZ公司)測定,包括最小熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSⅡ的最大光化學量子產量(Fv/Fm)和PSⅡ有效光化學量子產量(Yield),測定樣本選擇方式同葉片氣體交換參數。

1.3.2 生理指標測定各處理組與對照組,均隨機選擇3株,取植株中部側枝第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的試劑盒。均測3個重復。

1.3.3 內源激素含量測定采用液相色譜串聯質譜(LC-MS/MS)分析測定脫落酸(ABA)和1-氨基環丙烷-1-羧酸(ACC)。各處理組與對照組隨機選取植株枝條中部側枝的葉片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,加入適量內標,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復溶,過0.22 μm濾膜,置于進樣瓶中,用于LC-MS/MS分析。

1.4 數據分析

用Excel 2010進行數據整理和圖表制作,標準差使用STDEVP函數計算。用SPSS 22進行方差分析和主成分分析,顯著性分析采用Duncan法。隸屬函數分析法的計算公式為:

指標與耐澇性為正相關時,

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

(1)

指標與耐澇性為負相關時,

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

(2)

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

通過隸屬函數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,綜合評價值計算公式為:

(3)

2 結果與分析

2.1 水澇脅迫下光合參數的影響

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 水澇脅迫對葉綠素熒光特性的影響

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熒光參數的影響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與內源激素的主成分分析

根據處理組數據進行耐澇性評價,將可溶性蛋白、MDA、SOD、ABA和ACC這5個指標進行主成分分析。

由表1可知,前2個綜合指標的方差貢獻率分別為69.1%和25.1%,方差貢獻率達94.2%,基本包含所測指標的全部信息。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。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及內源激素重要性排序依次為1-氨基環丙烷-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 各指標的系數及貢獻率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)

把每個原始指標的數據標準化后代入到公式(1)和公式(2)中,可得到‘菊花’、‘皮魯埃特’及星花玉蘭對應的前2個主成分的值,再分別以2個主成分所對應的貢獻率為各自的權重,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,即加權值計算公式為:

Z=0.691Y1+0.251Y2

(6)

將3種玉蘭的Y1、Y2數據分別代入公式(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,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 利用隸數函數分析法計算綜合得分將篩選后的評價指標通過隸屬函數公式計算出各個品種的綜合評價值;隸屬函數值越大,耐澇性越強,隸數函數值越小,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,之后依次為星花玉蘭、‘菊花’。

表4 隸屬函數分析法綜合評價值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、發黃萎蔫、碳水化合物大量消耗,光合酶活性和PSⅡ反應中心活性降低,凈光合速率和光化學量子效率降低等現象[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重破壞,這與張青俠對芍藥(PaeonialactifloraPall.)的研究結果[15]一致。光合作用是植物生長發育和產量形成的生理基礎[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,脅迫會造成膜脂過氧化反應加劇,導致膜系統受損,從而影響膜透性,間接反映植物組織抗氧化的能力[17-18]。SOD作為內源活性氧清除劑能夠在一定程度上清除體內過剩的活性氧,維持活性氧代謝平衡,保護膜結構,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,表明葉片膜系統均受到水澇的迫害;SOD含量均上升,表明水澇發生后,植株通過提高葉片SOD含量清除活性氧,以保護葉肉細胞膜結構;可溶性蛋白含量均下降,表明葉肉細胞滲透調節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。

在水澇脅迫下植物地上部分ABA合成加強,ABA是一種調節休眠、脫落和植物脅迫反應的生長抑制物質,誘導植株體內與植物抗性有關的酶重新合成表達,抑制生長和促進氣孔關閉[20]。經水澇處理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,氣孔的關閉,導致葉片Tr降低,從而使水分運輸速率降低、CO2擴散阻力增加,這與王延雙等研究紅花玉蘭水淹脅迫的結果[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。

乙烯(ET)的快速積累是植物應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,氣孔導度顯著下降,讓葉片的非光合細胞獲取的氧氣大大減少,植株缺氧。因此,促進植株合成的ACC進一步合成ET,這與劉光亞等對棉花(GossypiumhirsutumL.)研究結果[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,較高的凈光合速率依然能為葉片提供一定量的O2;但其具體機理仍有待后續研究。

耐澇性狀為復雜的數量性狀,受到多種因素的影響;因此,需要選擇多種評價指標綜合分析才能科學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,分別通過主成分分析方法和隸屬函數分析法進行耐澇性綜合評價。通過主成分分析方法提取主成分,得到加權值計算公式對3種玉蘭進行耐澇性評價;隸屬函數分析法計算的綜合評價D值進行耐澇性評價;兩種分析方法相結合的評價結果相同,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合的評價方法已在油菜[24](BrassicachinensisL.)和番茄[25](SolanumlycopersicumL.)等植物中應用。‘皮魯埃特’耐澇性最強,這可能與其雜交親本之一的柳葉玉蘭有一定關系,柳葉玉蘭野外常生長于山地溪溝邊,具有較強的耐澇性,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,科學地將耐澇性強的種質參與雜交,可以獲得耐澇性更強的雜交后代。

經過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出不同的耐澇性。通過主成分分析提取權重,3種玉蘭耐澇性的生理及內源激素指標重要性依次為:1-氨基環丙烷-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分析法對3種玉蘭進行耐澇性綜合評價,耐澇性強弱均依次為:‘皮魯埃特’、星花玉蘭和‘菊花’。