淹水脅迫對(duì)星花玉蘭及其品種光合特性的影響

杜習(xí)武 秦 俊 葉 康 胡永紅 陶懿偉 彭勇政沈雁翔 梁 言 曾 麗*

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

木蘭科（Magnoliaceae）植物是公認(rèn)的“葉花果兼美、色香韻皆妙”的優(yōu)良園林綠化樹(shù)木類群，在我國(guó)有著悠久的園林應(yīng)用歷史，在園林綠化中應(yīng)用廣泛。但是木蘭科原生種類多以高大喬木為主，移栽存活率低，使其應(yīng)用受到限制，而灌木型玉蘭因具有植株矮小、移栽容易，園林應(yīng)用形式靈活等優(yōu)勢(shì)得到越來(lái)越多的關(guān)注與應(yīng)用。星花玉蘭（）為玉蘭屬（）低矮的灌木類型，分枝密集，樹(shù)冠飽滿，花量大，尤其花為星芒狀，不同于其他種類的玉蘭，因此具有更高的觀賞價(jià)值和園林應(yīng)用價(jià)值，開(kāi)發(fā)利用前景可觀。但由于我國(guó)南方地區(qū)降雨量高，季節(jié)分布不均勻，且在城市園林綠化地中常由于排水不良易出現(xiàn)水澇現(xiàn)象，影響星花玉蘭的生長(zhǎng)，限制其在城市園林綠化中的應(yīng)用。

淹水脅迫是植物受到的主要逆境之一，淹水會(huì)導(dǎo)致植物根系對(duì)水分的吸收速率下降，氣孔關(guān)閉，蒸騰作用降低，CO擴(kuò)散阻力增加，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，葉綠素加速分解，凈光合速率和光化學(xué)量子效率降低等現(xiàn)象。其中光合特性是反應(yīng)植物在逆境下受傷害程度的重要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)淹水脅迫的光合響應(yīng)機(jī)制研究較多。

目前圍繞星花玉蘭的研究主要在野生自然雜交、種子繁育方法、野生幼苗發(fā)育條件、生境的自然演替，以及遺傳多樣性的研究等方面，對(duì)星花玉蘭耐澇性研究較少。王晶等在生長(zhǎng)及外觀形態(tài)層面進(jìn)行耐澇性評(píng)價(jià)。有關(guān)星花玉蘭及其品種在淹水脅迫下光合生理響應(yīng)方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文以星花玉蘭及其品種為試驗(yàn)材料，研究淹水脅迫下光合特性變化，以期了解星花玉蘭及其品種在淹水脅迫下的光合響應(yīng)規(guī)律，為篩選出適應(yīng)南方濕澇地區(qū)或易積水地區(qū)栽植的星花玉蘭品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于上海辰山植物園試驗(yàn)地（31°4′N、121°11′E）內(nèi)進(jìn)行，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫為15.6 ℃，最低溫度?8.9 ℃，最高溫度37.6 ℃，年降水量為1 213 mm，四季分明，日照充足，雨量充沛。

1.2 供試材料

以星花玉蘭、‘菊花’玉蘭（‘Chrysan?themiflora’）、‘貝蒂’玉蘭（‘Bety’）、‘皮魯埃特’玉蘭（‘（Mag’s）Piroutte’）及‘朱迪’玉蘭（‘Ju?dy’）（以下分別簡(jiǎn)稱為菊花、貝蒂、皮魯埃特及朱迪）為試驗(yàn)材料。菊花為星花玉蘭實(shí)生選育品種，皮魯埃特為星花玉蘭與柳葉玉蘭（）雜交品種，貝蒂和朱迪為星花玉蘭與紫玉蘭（）雜交品種。星花玉蘭及其品種為3年生嫁接苗，砧木均為望春玉蘭（）；供試植物生長(zhǎng)健康，無(wú)病蟲(chóng)害發(fā)生。栽培容器為535 mm×360 mm 塑料花盆，栽培基質(zhì)為（園土）∶（草炭）∶（介質(zhì)土）=5∶2∶3。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2020 年9 月22 日進(jìn)行，選取生長(zhǎng)健壯植株作為試驗(yàn)材料，設(shè)置2個(gè)處理：①對(duì)照：正常澆水（CK），每個(gè)品種5 株；②淹水處理（FL），每個(gè)品種25 株，共150 株。淹水處理用雙套盆法，淹水高度為土壤表面。淹水植株進(jìn)行淹水處理28 d，對(duì)照植株正常澆水。對(duì)照組用于光響應(yīng)曲線測(cè)定分析，其余測(cè)試指標(biāo)以淹水0 d作為對(duì)照。

在淹水處理第0、1、3、7、14、21、28 d 時(shí)分別采樣。從各品種處理組3 株上分別取同一部位的5枚成熟、健康葉片，放入內(nèi)含濕巾的自封袋中，密封運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。后避開(kāi)葉脈剪取0.1 g葉片于試管中，加入10 mL 體積分?jǐn)?shù)95%乙醇，避光浸提48 h直至葉片無(wú)顏色，取200 μL提取液至酶標(biāo)板中，用酶標(biāo)儀（Tecan Infinite M200 Pro）測(cè)定其在波長(zhǎng)為663、645 nm 下的值重復(fù)3 次，取平均值。葉綠素含量的計(jì)算：

葉綠素a含量=（13.95×?6.8×）×0.01/0.2（1）

葉綠素b含量=（24.96×?7.32×）×0.01/0.2（2）

總?cè)~綠素含量=（18.16×+6.63×）×0.01/0.2（3）

采樣時(shí)間和方法與測(cè)定葉綠素方法相同，使用葉面積儀Li-3000A 進(jìn)行葉面積測(cè)定，然后立即將樣品于烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃下烘干24 h 至恒質(zhì)量，并稱其干質(zhì)量。由葉片葉面積與干質(zhì)量的比值求得比葉面積。

在淹水處理的0、1、3、7、14、21、28 d 測(cè)量葉片的氣體交換參數(shù)，每測(cè)量時(shí)間點(diǎn)測(cè)量3 株，測(cè)定時(shí)間為上午09：00—11：00。每次固定選取植株中部枝條從頂端向下的第3枚完全展開(kāi)的成熟葉片，用LI-6400 光合測(cè)定儀（LI-COR Inc，USA）測(cè)定，采用標(biāo)準(zhǔn)LI-COR 葉室，紅藍(lán)光源（6400-02LED 光源），設(shè)定光照強(qiáng)度為1 400 μmol·m·s和空氣流速為500 μmol·s，重復(fù)3 次。測(cè)定內(nèi)容包括凈光合速率（）、蒸騰速率（）、氣孔導(dǎo)度（）、胞間CO濃度（），計(jì)算水分利用效率（），為凈光合速率與蒸騰速率的比值。

淹水處理第9～11天連續(xù)3 d利用Li-6400便攜式光合儀對(duì)淹水處理和對(duì)照植株進(jìn)行光響應(yīng)曲線測(cè)定，于09：00—11：00 選取植株樹(shù)中部枝條朝向一致、葉位相同、健康完整的葉片進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)品種測(cè)定3 株，每株選取3 片葉。使用開(kāi)放式氣路。溫度控制在（25±1）℃。光響應(yīng)曲線測(cè)定的光強(qiáng)依次為1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol·m·s，測(cè)定不同光強(qiáng)下的凈光合速率。測(cè)定前使用1 800 μmol·m·s光強(qiáng)誘導(dǎo)30 min，使葉片充分光適應(yīng)。每個(gè)光強(qiáng)下適應(yīng)2～3 min，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄。每個(gè)測(cè)定重復(fù)5 次。采用非直角雙曲線模型進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合，公式為：

式中：（）為凈光合速率（μmol·m·s）；為光合有效輻射（μmol·m·s）；為初始量子效率（μmol·μmol）；為最大凈光合速率（μmol·m·s）；為暗呼吸速率（μmol·m·s）；為非直角雙曲線模型的曲角。

淹水處理的0、1、3、7、14、21、28 d 使用MINIPAM便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（德國(guó)WALZ公司）測(cè)量植株葉片的熒光特性，葉片選擇與光合 參數(shù)相同。經(jīng)過(guò)30 min暗適應(yīng)，使用小于0.05 μmol·m·s測(cè)定初始熒光，施加飽和脈沖光（4 000 μmol·m·s，0.6 s）測(cè)得最大熒光并計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（/），在自然光下充分光適應(yīng)30 min 后測(cè)得PSⅡ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量（）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019初步處理，方差分析與光響應(yīng)曲線模型的擬合使用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫下葉綠素的變化

由圖1 可知，淹水前（0 d）各品種總?cè)~綠素含量為：朱迪>貝蒂>皮魯埃特>星花玉蘭>菊花。隨著淹水處理時(shí)間的增加，菊花和皮魯埃特葉綠素a含量無(wú)顯著性變化；貝蒂、朱迪和星花玉蘭的總?cè)~綠素含量分別在7、28 d 時(shí)出現(xiàn)不同程度的下降，與0 d 相比下降幅度分別為74.12%、30.24%和38.76%。葉綠素a 含量與總?cè)~綠素b 含量的變化規(guī)律與總?cè)~綠素含量的變化規(guī)律類似。

圖1 淹水脅迫對(duì)星花玉蘭及其品種葉綠素含量的影響不同小寫(xiě)字母表示同一處理時(shí)間不同品種間差異顯著（P<0.05）；不同大寫(xiě)字母表示同一品種不同處理時(shí)間差異顯著（P<0.05）Fig.1 Effect of flooding stress on the chlorophy Ⅱcontent of Y.stellata and its cultivars The different lowercase letters indicate significant difference between different cultivars at the same time treatmen（tP<0.05）；Different uppercase letters mean that there is significant difference between different days treatment of the same cultiva（rP<0.05）

2.2 淹水脅迫下比葉面積的變化

由圖2可知，淹水脅迫下不同星花玉蘭品種的比葉面積變化趨勢(shì)不同，菊花比葉面積顯著降低，下降幅度為49.96%，貝蒂、皮魯埃特、星花玉蘭和朱迪比葉面積無(wú)顯著性降低，下降幅度分別為：5.9%、8.8%、6.2%和7.4%。

圖2 淹水脅迫對(duì)星花玉蘭及其品種比葉面積的影響不同大寫(xiě)字母表示同一處理天數(shù)不同品種間差異顯著（P<0.05）；不同小寫(xiě)字母表示同一品種不同處理時(shí)間差異顯著（P<0.05）；下同F(xiàn)ig.2 Effect of flooding stress on the leaf area of Y.stellata and its cultivars The different uppercase letters indicate significant difference between different cultivars at the same time treatmen（tP<0.05）；Different lowercase letters mean that there is significant difference between different days treatment of the same cultiva（rP<0.05）；The same as below

2.3 淹水脅迫下光合參數(shù)的變化

由圖3 可知，處理前各品種之間無(wú)顯著性差異。處理1 d 導(dǎo)致顯著下降。3～7 d 時(shí)，除貝蒂外，其余品種均回升。14 d 時(shí)除菊花外，其余品種值又有較大幅度下降。在淹水處理期間，菊花、貝蒂、皮魯埃特、星花玉蘭和朱迪下降幅度分別為：69.3%、89.0%、59.7%、72.8%和76.3%。各品種的變化規(guī)律與相似，均在1 d 時(shí)顯著下降，3 d時(shí)顯著上升，7～14 d時(shí)大幅度降低。28 d時(shí)為：菊花>皮魯埃特>星花玉蘭>朱迪>貝蒂。

圖3 淹水脅迫對(duì)星花玉蘭及其品種光合參數(shù)的影響Fig.3 Effect of flooding stress on the leaf area of Y.stellata and its cultivars

淹水脅迫下菊花和星花玉蘭的變化規(guī)律與類似，貝蒂和朱迪則是在1 d 時(shí)上升之后下降，皮魯埃特呈下降趨勢(shì)。各品種值的變化總體隨淹水處理先上升后下降再上升，但各品種發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不一致。在淹水脅迫過(guò)程中，皮魯埃特變化幅度??；其余品種均處于下降趨勢(shì)，但在14 d時(shí)升高。

由圖4 可以看出，星花玉蘭及其4 個(gè)品種光響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)基本一致，凈光合速率均隨著光合有效輻射的增加而不斷升高，淹水導(dǎo)致了凈光合速率的明顯下降。

圖4 淹水脅迫對(duì)星花玉蘭及其品種光響應(yīng)曲線的影響A.菊花；B.貝蒂；C.皮魯埃特；D.星花玉蘭；E.朱迪Fig.4 Light response curve of Y.stellata and its cultivars under flooding stress A.Y.stellata‘Chrysanthemiflora’；B.Y‘.Bety’；C.Y‘.（Mag’s）Piroutte’；D.Y.stellata；E.Y‘.Judy’

對(duì)各品種的光響應(yīng)曲線分析表明（見(jiàn)表1），淹水脅迫對(duì)星花玉蘭及其品種的光響應(yīng)參數(shù)產(chǎn)生了顯著影響，最大凈光合速率在淹水處理后均顯著低于對(duì)照，處理組為：菊花>皮魯埃特>朱迪>星花玉蘭>貝蒂，與CK 相比，下降幅度分別為：21.3%、29.5%、12.7%、34.4%和44.6%。各品種表觀量子效率對(duì)淹水處理有不同的響應(yīng)，其中菊花、貝蒂和星花玉蘭的與對(duì)照相比顯著降低，皮魯埃特與對(duì)照相比無(wú)顯著性變化，朱迪顯著升高，升幅為94.5%。淹水導(dǎo)致菊花和星花玉蘭的升高，貝蒂和朱迪降低，皮魯埃特?zé)o顯著性變化。菊花和皮魯埃特的暗呼吸速率為處理組高于對(duì)照組，貝蒂、朱迪和星花玉蘭在淹水處理后顯著降低。

表1 水淹脅迫下星花玉蘭及其品種的光響應(yīng)曲線參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of light response curve of Y.stellata and its cultivars under flooding stress

2.4 淹水脅迫下葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

由圖5可知，皮魯埃特與朱迪在淹水脅迫下整體下降幅度分別為8.4%和24.7%。菊花、貝蒂和星花玉蘭則下降幅度較大，分別為76.7%、85.7%和64.6%，各品種在淹水脅迫過(guò)程中的變化復(fù)雜。

圖5 淹水脅迫對(duì)星花玉蘭及其品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.5 Effect of flooding stress on the chlorophyll fluores?cence parameters of Y.stellata and its cultivars

星花玉蘭及其品種/在淹水處理過(guò)程中均為下降的趨勢(shì)，菊花、貝蒂、皮魯埃特、星花玉蘭和朱迪下降幅度分別為14.7%、32.9%、18.2%、19.4%和8.8%。

3 討論

淹水脅迫對(duì)星花玉蘭及其品種是一個(gè)持續(xù)的傷害過(guò)程，各品種比葉面積呈降低趨勢(shì)，通常是由于碳同化產(chǎn)物向保衛(wèi)結(jié)構(gòu)和增加葉肉細(xì)胞密度方向積累，有利于減少葉片水分散失和提高光合效率，這與前人研究結(jié)果一致。貝蒂在淹水處理期間，呈持續(xù)降低趨勢(shì)，在3 d 時(shí)持續(xù)下降、保持不變，表明其由氣孔限制因素向非氣孔限制因素轉(zhuǎn)變，此時(shí)葉綠素含量也顯著降低。14～21 d和/降低，PSⅡ系統(tǒng)受害。在21～28 d時(shí)，含量顯著增加，表明此時(shí)暗反應(yīng)受阻，CO的同化和固定受到影響，此時(shí)水分利用效率較低，也是導(dǎo)致其低凈光合速率的原因。

除貝蒂外，其他4 個(gè)品種凈光合速率的降幅小，且有回升現(xiàn)象，根據(jù)和的變化相同判斷為氣孔限制因素導(dǎo)致的變化，氣孔限制因素主要為蒸騰速率降低和氣孔關(guān)閉，光合系統(tǒng)未受損害，其葉綠素含量無(wú)顯著變化，表明菊花、皮魯埃特、星花玉蘭和朱迪可以承受短期淹水脅迫。7～14 d 時(shí)降低，PSⅡ反應(yīng)中心開(kāi)放比例降低，葉片PSⅡ電子傳遞能力受到抑制，其降低的趨勢(shì)與凈光合速率降低趨勢(shì)重合，表明在淹水14 d 光合電子傳遞鏈的受阻也是光合速率降低的原因之一，這與許楠等和童夢(mèng)瑩等的研究結(jié)果一致。星花玉蘭和朱迪在14～28 d下降幅度較大，葉綠素含量、和/均降低，表明的降低可能與電子傳遞鏈?zhǔn)茏?、PSⅡ光合系統(tǒng)受損和葉綠素含量降低有關(guān)；皮魯埃特和菊花在14～28 d下降幅度較小，主要原因是電子傳遞受阻，PSⅡ系統(tǒng)受損。淹水脅迫會(huì)導(dǎo)致凈光合速率顯著下降，各品種響應(yīng)不同，這與前人關(guān)于紅花玉蘭（）、牡丹（）和楓香（）的研究結(jié)果一致。皮魯埃特?zé)o明顯變化，表明在淹水期間可以維持葉片正常的水分利用。皮魯埃特與菊花的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量無(wú)顯著性降低，也表明其受澇害影響較小。

通過(guò)光響應(yīng)曲線模型的擬合，可以得到重要的光合生理參數(shù)。是衡量葉片光合能力大小的指標(biāo)，可以反映植物的光合潛力，經(jīng)過(guò)淹水處理后星花玉蘭及其4個(gè)品種均顯著下降，表明其光合潛力受到限制，與吳海云等和陳玉鳳等對(duì)甘薯（）和楨楠（）的研究結(jié)果一致。和反映對(duì)弱光的利用能力，且星花玉蘭及其4 個(gè)品種處理組均低于20 μmol·m·s，表明這些品種均為陰性植物。而皮魯埃特和朱迪增加和降低反映對(duì)弱光利用能力增強(qiáng)。星花玉蘭及其4 個(gè)品種均顯著降低，限制對(duì)光的利用范圍。貝蒂、朱迪和星花玉蘭淹水處理后顯著降低，減少光合產(chǎn)物消耗。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，星花玉蘭及其品種在淹水脅迫下，各品種均顯著上升，、、不同品種間變化趨勢(shì)不同，其余指標(biāo)均顯著降低。淹水脅迫對(duì)星花玉蘭及其品種的影響是一個(gè)持續(xù)的傷害過(guò)程，除貝蒂外4個(gè)品種在淹水處理前7 d時(shí)，光合速率的降幅小，且主要為氣孔限制因素，葉綠素含量無(wú)顯著變化，其光合系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)未受損害，表明星花玉蘭及其品種可以承受短期淹水脅迫。分析不同品種對(duì)淹水脅迫的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，貝蒂受澇害影響較快且受害嚴(yán)重，皮魯埃特具有較強(qiáng)的光合能力和澇害適應(yīng)能力。