淹水胁迫对桑树生长及生理特性的影响

邓文+莫荣利+李勇+于翠+朱志贤+胡兴明

摘要：以五年生桑树（Morus alba L.）品种强桑1号、农桑14号、育71-1为试验材料，研究田间长期或短期淹水对桑树生长及生理特性的影响。结果显示，4个月长期淹水胁迫导致强桑1号植株生长和光合作用明显受阻，与对照相比，枝条长度、叶面积大小、节间长度及桑叶产量极显著减小，净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）显著降低。短期淹水胁迫导致强桑1号、农桑14号和育71-1叶片H2O2含量升高，而后随胁迫时间延长维持在相对稳定的水平；各桑树品种叶片丙二醛（MDA）含量差异明显，农桑14号叶片MDA含量总体相对较低。短期淹水胁迫下，3个桑树品种叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性总体呈下降趋势，而过氧化氢酶（POD）活性随时间的延长不断增加。农桑14号叶片SOD和POD活性均高于其他两个品种，表现出较强的耐淹水能力。

关键词：桑树（Morus alba L.）；淹水胁迫；净光合速率；丙二醛；抗氧化酶活性

中图分类号：S888.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）23-4559-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.036

Abstract： Five-years-old mulberry varieties Qiangsang No.1， Nongsang No.14 and Yu 71-1 were used as test materials to investigate the seedlings growth and physiological-biochemical characteristics of mulberry under long-term or short-term flooding stress. The results showed that，the plant growth and photosynthesis were obviously blocked under long-term flooding stress for four months. Compared with the control，the branch length， leaf area， internodes length and leaf yield of mulberry were remarkably decreased and the Pn，Tr and Gs of mulberry leaves were significantly inhibited. The H2O2 content in the leaves of Qiangsang No.1，Nongsang No.14 and Yu 71-1 increased at the early stage of short-term flooding stress，and then maintained a relatively stable level with the increase of treatment time. The MDA content in leaves of three mulberry varieties was obviously different，and the MDA content in leaves of Nongsang No.14 was lower under short-term flooding stress. With the increase of short-term flooding stress，the SOD activity of leaves in three mulberry varieties decreased，while the POD activity increased. The activity of SOD and POD in leaves of Nongsang No.14 was higher and the submergence tolerance ability of Nongsang No.14 was stronger.

Key words： mulberry （Morus alba L.）； flooding stress； net photosynthetic rate； malondialdehyde； antioxidant enzyme activity

隨着全球气候变暖，世界各地极端自然灾害频发，而尤以洪涝灾害对植物生长和农业生产威胁最大[1，2]。以2016年武汉地区及2017年贵州、湖南等地为例，中短期极端暴雨形成的洪涝灾害，使当地的植物和农业生产遭受致命的破坏，造成的经济损失已无法用简单的数字估量。此外，人类活动建造的三峡水库和丹江口水库对植物造成了长期的淹水胁迫。库区水位季节性涨落形成的消落带区域，是水域生态系统和陆地生态系统交互过渡的地带[3，4]，其周期性的淹水、干旱生态环境几乎让绝大多数植物“有去无回”，适生性植物种类逐年减少[5]。因此，了解淹水对植物的影响及植物对淹水的响应，筛选耐淹性植物对农业生产及消落带治理具有重要的理论和实践意义。

桑树（Morus alba L.）是桑科桑属多年生落叶乔木。随着“立桑为业、多元发展”的理念不断深入，桑树以其对多种自然恶劣环境的超强适应能力备受关注，与其他植物相比，尤以超强的反季节耐淹水能力最为突出[6，7]。姚芳等[6]研究结果显示，成林桑树水淹20 d仍能正常生长。贺秀斌等[7]对三峡库区消落带植被生长情况进行了一个淹水年周期的调查，结果显示10 m深水下淹没6个月后，桑树是消落带出露水面后最早萌生的植物。张建军等[8]调查发现，在经历3～4个月的没顶水淹，60%以上的桑苗仍能正常萌发。笔者对2016年武汉市洪涝受灾地块（水深1.5 m，淹水2个月）进行植被生长情况调查，除了杂草之外，木本植物仅见桑树存活并正常生长。董瑞华等[9]研究结果显示，冬春季生长休眠期，一年生桑苗苗根淹水和苗干一半淹水最长90 d也能正常萌芽生长。徐子棋等[10]发现，夏季生长旺盛期，一年生盆栽桑苗对长期的根淹具有很好的适应性，但是无法适应长期的没顶水淹。目前有关桑树耐淹性试验主要采用室内盆栽模拟淹水环境，探讨水淹时间和水淹深度对桑树萌发、地上和地下部生长的影响[9，11]。为此，试验以成年桑树为试验材料，探讨田间长期或短期淹水对桑树生长及生理特性的影响，以期在库区消落带治理中为桑树的生态价值和经济价值的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及试验设计

试验以五年生田间栽植的桑树品种强桑1号为材料，于休眠期（2016年2月17日）开始进行田间长期淹水（根淹）处理，空白对照组为正常生长的桑树，每个试验组共20株。剪伐方式为春伐，除淹水处理外，不采用任何其他的栽培管理措施。

为了能够更好地研究自然环境下田间栽植桑树的耐淹能力，试验利用2016年7月武汉当地强降雨形成的内涝条件（表1），选择湖北省桑树种质资源圃地势低洼处五年生桑树品种强桑1号、农桑14号、育71-1为试验材料，研究了短期自然淹水对田间栽植桑树生理特性的影响，分别于淹水0、5、15、20、25 d采集第6或7位叶片用于后续试验。每3株为一次重复，共3次重复。

1.2 植株生长及产叶量调查

于2016年6月12日分别测定长期淹水和对照组桑树叶面积大小，利用叶面积测定仪，每个处理随机测定50片叶片。每个处理随机选择3株，分别统计单株枝条数（条）、单株枝条长度（精确到0.1 cm）、平均枝条长度、单株产叶量、米条长产叶量。随机选取20根枝条，利用游标卡尺测定枝条中部节间长度和枝条横径，精确到0.1 mm。

1.3 光合日变化测定

基于LI-6400型光合作用测定系统，对长期淹水桑树叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）日变化进行了测定，从6：00到18：00，每2 h记录一次数据。选择植株枝条第4～5位叶作为测定对象，每个处理随机选取3株，每株测定3片叶，每片叶重复记录3次数据。

1.4 丙二醛、过氧化氢含量及抗氧化酶活性测定

将桑树叶片于液氮中研磨成粉末，称取0.3 g样品于5 mL离心管中，并迅速加入3 mL预冷的磷酸缓冲液（50 mmol/L，pH 7.8，含1% PVP），快速振荡混匀，置于冰上抽提10 min，4 ℃ 12 000 r/min离心10 min，取上清液用于后续试验。丙二醛（MDA）、过氧化氢（H2O2）含量及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（POD）活性测定采用购买自南京建成生物工程研究所的试剂盒，其操作步骤按试剂盒说明书进行。各样品总蛋白含量测定采用考马斯亮蓝法[12]。

1.5 数据统计分析

基于IBM SPSS 19.0.0 软件系统，采用邓肯氏单因素多重比较进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 长期淹水对桑树生长情况的影响

试验结果显示，长期淹水胁迫下，强桑1号枝条生长受到显著抑制，单株枝条长度和平均枝条长度均极显著低于对照（图1）。此外，枝条横径和节间长度也极显著低于对照（图2）。4个月长期淹水导致桑树叶片面积极显著减小，叶面积大小仅为对照组的40%（图3a），表明长期淹水显著抑制了桑树叶片的生长。但长期淹水对桑树的萌发力影响较小，枝条数甚至略多于对照（图3b），表明长期淹水对桑树潜伏芽的萌发具有一定的刺激作用。

目前，桑树经济价值的主要体现是桑叶作为饲养家蚕的专一性饲料。本研究从桑树经济性状的角度探讨了长期淹水对强桑1号产叶量的影响，单株产叶量和米条长产叶量结果表明，长期淹水极显著降低了桑叶产量，减产达80%以上（图4）。

2.2 長期淹水对桑树光合生理的影响

基于LI-6400型光合作用测定系统，研究了长期淹水对强桑1号叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）日变化的影响。结果显示，长期淹水处理显著降低了强桑1号叶片净光合速率和蒸腾速率，且Pn和Tr双峰值分别出现在10：00和14：00，分别较对照Pn双峰值推迟（8：00）和提前（16：00）2 h（图5a、图5b）。长期淹水处理Gs峰值出现在6：00，且日变化无明显的双峰特征（图5c）。长期淹水处理也导致Ci显著高于对照（图5d）。综合以上结果表明，长期淹水显著抑制了桑树叶片的光合作用。

2.3 短期淹水对桑树叶片H2O2和MDA含量的影响

基于自然环境条件，研究了田间短期淹水对桑树生理生化特性的影响。结果显示，淹水胁迫初期（0～5 d），3个桑树品种强桑1号、农桑14号和育71-1叶片H2O2含量迅速升高，而后随淹水胁迫时间的延长，H2O2含量维持在相对稳定的水平（图6a），而不同品种桑树叶片H2O2含量及变化趋势基本相似。

随着淹水时间的延长，3个桑树品种叶片MDA含量呈现波浪式变化，且淹水后0 d和25 d MDA含量基本维持在相同的水平，表明桑树植株能够在短时间内通过自身代谢不断地调整适应淹水胁迫环境，降低植株膜脂过氧化损伤（图6b）；而农桑14号MDA含量波动幅度较大，且总体含量低于强桑1号和育71-1，表明农桑14号对淹水胁迫具有较强的自我调节适应能力。

2.4 短期淹水对桑树叶片SOD和POD活性的影响

淹水胁迫初期（淹水后5 d），强桑1号、育71-1和农桑14号SOD活性大幅降低，而后随淹水时间的延长，SOD活性变化呈现品种特异性（图7a）。淹水胁迫中后期（5～25 d），农桑14号叶片SOD活性随时间的延长不断升高，且总体活性均高于其他两个品种；育71-1叶片SOD活性水平基本维持不变；强桑1号叶片SOD活性呈波动式变化。强桑1号叶片POD活性呈先升高后下降的趋势，育71-1叶片SOD活性先升高后下降又升高，农桑14号叶片SOD活性随淹水时间的延长不断升高（图7b）。3个桑树品种间POD总体活性顺序为农桑14号>育71-1>强桑1号。

3 小结与讨论

3.1 田间长期淹水对桑树生长、形态及光合生理的影响

淹水胁迫通常会造成土壤缺氧[13]，影响根系的生理生化活动，进而影响植物生长发育、形态变化[14-16]。前人研究表明，淹水胁迫下，植物生长发育减慢，节间及叶片生长受阻，叶片和叶面积减小[17]，净光合速率降低[18]。本研究结果显示，长期淹水胁迫抑制了桑树植株的生长发育，导致枝条长度、叶片面积、节间长度及枝条横径显著降低。这与沈玉丽等[19]和徐子棋等[10]报道结果一致，淹水胁迫抑制了桑苗的生长，阻碍了桑苗株高、地径生长，类似的研究结果在杨树[18]、麻栎[20]中也有报道。

已有研究结果表明，淹水胁迫会引起植物净光合速率、蒸腾速率及气孔导度显著降低[10，18，21，22]。光合作用是植物生长发育和生物量积累的基础，其对淹水胁迫的响应可以反映植株的耐淹特性[23]。淹水胁迫导致植物光合能力下降可归结为两个原因：一是气孔限制，即淹水初期，气孔关闭导致CO2供应不足引起的光合速率下降；二是非气孔限制，即随淹水胁迫的加重，叶片细胞RuBP羧化酶活性降低，叶绿素降解，细胞功能受损所致[24]。本研究结果显示，长期淹水显著降低了强桑1号Pn、Gs、Tr，且Pn和Tr日变化双峰值分别较对照推迟（上午）和提前2 h（下午），而Gs呈不断下降趋势，表明长期淹水胁迫显著抑制桑树光合作用，有效光合同化时间缩短，同化产物减少，进而导致植物生长受阻，节间及叶片减小。气孔限制及叶肉细胞光合酶活性降低共同导致桑树叶片光合能力的下降。

3.2 田间短期淹水对桑树生理生化特性的影响

淹水胁迫会扰乱植物体内活性氧代谢平衡，致使细胞内超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）等过度累积，细胞膜脂过氧化损伤加重，丙二醛含量增加[25]。短期淹水结果显示，胁迫初期（淹水5 d）3个桑树品种叶片H2O2含量迅速升高，而后维持相对稳定水平；MDA含量呈现波浪式变化，但其含量基本维持在相同的水平，表明淹水胁迫在打破桑树原有活性氧代谢平衡的基础上，又建立了新的活性氧代谢平衡，通过自身代谢调整适应淹水胁迫环境，降低植株膜脂过氧化损伤，类似的结果在大豆[26]、杨树[18]、构树[27]、无花果[28]、桑树[10]等植物上均有报道。SOD和POD是响应逆境胁迫的抗氧化酶类，催化O2-和H2O2代谢生成H2O和O2，缓解植物的氧化伤害[5，25]。本研究结果显示，短期淹水初期，3个桑树品种叶片SOD活性迅速降低，而后各品种SOD活性变化呈现基因型特异性，耐淹性强的品种SOD活性又随淹水时间延长逐渐升高。杨鹏等[18]研究发现，淹水胁迫下青杨雌株幼苗SOD活性显著降低，而雄株却有所升高。淹水胁迫下，不同物种、不同品种间POD活性变化存在明显的差异。3个桑树品种叶片POD活性变化表现出品种特异性，耐淹性较强的品种农桑14号POD活性随淹水胁迫时间的延长不断升高，耐淹性较弱的品种强桑1号POD活性随淹水时间的延长呈先升高后降低的变化特点。类似结果均有报道，短期淹水胁迫下，夹竹桃POD活性呈不断增加趋势[29]，而美洲黑杨无性系POD活性表现为先升高后下降的变化特点[30]。

综合以上结果表明，田间长期淹水胁迫显著抑制了桑树的生长和光合作用，导致桑树植株叶面积减小，枝条节间缩短，桑叶产量显著降低；但对桑芽萌发力没有明显的影响。田间短期淹水胁迫导致桑树叶片H2O2含量升高，3个桑树品种MDA含量存在明显的差异，耐淹性品种MDA含量相对较低。农桑14号叶片SOD和POD活性均高于其他两个品种，表现出较强的耐淹水能力。

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