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(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院，呼和浩特 010018）

20世紀以來，隨著全球環(huán)境不斷惡化，生態(tài)系統(tǒng)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(fā)，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(tài)文明建設(shè)對城市發(fā)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(xù)發(fā)展的新型理念已不斷深入人心［2］，因此研究植物抗?jié)承詸C制，選育抗?jié)承暂^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(lǐng)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(fā)育甚至導致死亡，淹水脅迫引起植物細胞膜防御系統(tǒng)、抗氧化系統(tǒng)、能量代謝等發(fā)生改變，由此適應(yīng)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(tài)適應(yīng)性強、經(jīng)濟效益高，具有一定的耐寒性，是節(jié)約型園林綠化美化的優(yōu)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(yīng)及抗性差異，并通過模糊隸屬函數(shù)法進行分析比較，篩選出抗?jié)承暂^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(shè)計

試驗在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學教學試驗溫室內(nèi)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(zhì)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(nèi)，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(shè)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(fù)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(zhì)（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(shù)據(jù)處理與分析

所有指標均重復(fù)測定3次，取平均值，采用Microsoft Excel 2010對原始數(shù)據(jù)進行處理，用SPSS 25.0對數(shù)據(jù)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(jié)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(xù)下降。野菊花和千葉蓍變化趨勢相似，淹水脅迫W8出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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(zhì)（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(xiàn)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(xù)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(xiàn)2個峰值，其他3種宿根花卉均在W12時出現(xiàn)1個峰值。宿根天人菊SS含量持續(xù)增長，W12出現(xiàn)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(xiàn)第1個峰值，比CK增加123.08%，W16出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xù)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(xiàn)較低值，比CK減少17.65%，W12時Chl含量出現(xiàn)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?jié)承跃C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?jié)承缘膹娙?，因此運用模糊數(shù)學中的隸屬函數(shù)值法對各種抗?jié)持笜诉M行綜合分析評價，評價結(jié)果為4種菊科宿根花卉抗?jié)承杂蓮姷饺跖判驗橄木铡⑶~蓍、野菊花、宿根天人菊。

表1 4種菊科宿根花卉抗?jié)承跃C合得分與排名

各生理指標在鑒定相應(yīng)植物抗?jié)承詴r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(guān)性的指標轉(zhuǎn)換成少數(shù)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?jié)承?，第一主成分特征值?.325，貢獻率為55.419%，反映了4種菊科宿根花卉的抗?jié)承灾饕捎坞x脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)、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?jié)承灾饕扇~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(shù)，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(jié)果

由上述公式整理并進行歸一化處理，構(gòu)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(jù)各指標所占權(quán)重值大小，得出各指標淹水脅迫下的重要程度，權(quán)重值和重要性為正相關(guān)關(guān)系。因此，4種菊科宿根花卉抗?jié)承灾笜酥匾杂纱笾列∫来螢橛坞x脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)、葉片相對含水量。

3 小結(jié)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(fā)現(xiàn)玉簪RWC在脅迫初期有不同程度的升高，而后在一段時期內(nèi)保持較穩(wěn)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(fā)現(xiàn)，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(diào)節(jié)物質(zhì)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(nèi)會主動在短期內(nèi)迅速積累一些有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如Pro、SP、SS，來調(diào)節(jié)細胞的滲透勢，穩(wěn)定細胞內(nèi)生物大分子活性的構(gòu)象，保持細胞內(nèi)膨壓的平衡，提高自身對淹水脅迫的適應(yīng)性并為植物提供生長所需的營養(yǎng)與能量［11，12］。

研究表明，Pro是植物體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)［13］，能夠保持植物細胞原生質(zhì)體與外界環(huán)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(zhì)相結(jié)合來維持其可溶性，減少SP產(chǎn)生沉淀，增強蛋白質(zhì)的水合作用，從而保持膜結(jié)構(gòu)的完整性［14］。植物體內(nèi)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(nèi)的SP多數(shù)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(fā)現(xiàn)SP呈先增后降的趨勢。張虎等［14］研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(zhì)，隨著時間的延長，蛋白質(zhì)被降解的速度遠遠超過新的蛋白質(zhì)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(zhì)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(nèi)積累SS，調(diào)節(jié)體內(nèi)物質(zhì)代謝，增加植物對淹水環(huán)境的適應(yīng)性，減輕受到淹水的危害［20］。劉聰聰?shù)龋?1］對櫻桃番茄進行淹水脅迫后發(fā)現(xiàn)，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(jié)球白菜體內(nèi)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(diào)節(jié)體內(nèi)代謝平衡，提高細胞體內(nèi)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(yīng)此環(huán)境。

對Pro、SP、SS含量的變化趨勢相關(guān)聯(lián)后分析發(fā)現(xiàn)，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(diào)節(jié)物質(zhì)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(jié)合隸屬函數(shù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，宿根天人菊抗?jié)承宰钊?，而夏菊抗?jié)承暂^強。植物抗?jié)承允欠衽c滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)達到最大積累量的時間有關(guān)，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(chǎn)物［3，23］，其含量是衡量植物細胞膜脂過氧化和質(zhì)膜損傷程度的重要指標，隨淹水脅迫加劇，質(zhì)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)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(yīng)到的是葉片，首先葉片上的氣孔會關(guān)閉，然后會對CO2的擴散產(chǎn)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(chǎn)生影響，隨著綠葉的面積逐漸下降，植物生長發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(huán)境下對雞爪槭幼苗進行研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(xù)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?jié)衬芰^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(tài)有所恢復(fù)。

綜上所述，試驗從淹水脅迫下生理響應(yīng)差異解釋4種菊科宿根花卉抗?jié)衬芰Υ嬖诓町惖目赡軝C制。由于植物抗?jié)硻C理較為復(fù)雜，不能采用單一指標對其進行抗?jié)吃u價［32］，本試驗采用模糊數(shù)學中隸屬函數(shù)法對其抗?jié)承缘膹娙踹M行綜合評價，得出抗?jié)车膹娙蹶P(guān)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?jié)承灾笜酥匾赃M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。