水淹胁迫对4年生华北紫丁香生理指标的影响*

白果，冷平生，胡增辉

(北京农学院 林木分子设计育种高精尖创新中心/园林学院，北京 102206)

水淹胁迫会对植物造成多方面的影响，包括离子毒害、低氧胁迫、降低光能利用、机械损伤、限制气体扩散、活性氧胁迫等，导致植物的生长受到抑制[1-2]。另一方面，植物也能通过调整生理生化过程抵御和缓解水淹胁迫。植物通过增强渗透调节能力、激活抗氧化酶系统、调节光合、改变代谢水平及激素平衡等，提升自身对水淹环境的适应性[3]。受到水淹胁迫的风箱果(Physocarpusamurensis)叶片光合碳同化能力显著降低[4]。湖北海棠(Malushupehensis)经水淹胁迫后，虽然生长、光合能力有所下降，但随着淹水时间的延长，各项指标生理生化变化趋于平稳，呈现出适应性响应[5]。梁行行等[6]通过测定和比较水淹胁迫下的生理指标，对7种西北地区常见灌木耐涝性进行了综合评价并排序，在生理水平上明显差异能明确反映不同植物的耐涝性。受到水淹胁迫后的红花玉兰(Magnoliawufengensis)幼苗，能够通过提高抗氧化酶活性和渗透调节物质含量，缓解伤害反应，提高耐涝性[7]。晏增等[8]通过测定质膜透性、叶绿素含量、净光合速率、抗氧化酶活性等生理指标，对不同品种美洲杨(Populusdeltoides)的耐涝能力进行了分析比较，明确了质膜相对透性、抗氧酶活性是影响耐涝性的主要指标。可以看出，通过测定和分析生理指标，能够直接了解水淹胁迫对植物生理过程的影响，反映植物对水淹胁迫的耐受性。

华北紫丁香(Syringaoblata)是我国优良的传统园林花木，花期长、花香浓郁，并具有较强的耐旱、耐寒及耐盐碱性，在北方城市广泛种植，但在雨季往往受到水淹胁迫，生长受到影响，甚至死亡[9]。已有一些研究对华北紫丁香遭受水淹的生理变化进行了测定。李娟娟等[10-11]测定并比较了水淹胁迫后华北紫丁香、暴马丁香(S.amurensis)、小叶丁香(S.microphylla)的叶绿素含量及荧光特性、抗氧化酶活性等生理指标，表明华北紫丁香的抗水淹性较弱。孙乃东等[12]对水淹环境中不同pH值条件下的华北紫丁香和小叶丁香叶绿素荧光特性进行了比较，发现华北紫丁香的耐酸性较强。常春丽等[13]分析了水淹胁迫对华北紫丁香和小叶丁香幼苗形态及生理特性的影响，也发现华北紫丁香受水淹胁迫的影响较为明显。但已有的研究使用的植物材料均为1 a生华北紫丁香幼苗，不能反映园林真正种植的成苗受到的影响。并且这些研究的处理方式均为水面完全淹没盆土表面，高于盆土2～3 cm，但在自然条件下一直长时间处于完全被水淹没的情况较少，更多的是在短时间完全淹没后，水位逐渐下降，但土壤较长时间保持饱和含水量的状态。

本研究以4 a生华北紫丁香成苗为材料，采用低于盆土表面水淹胁迫处理，而后测定叶片相对含水量、相对电导率、丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量、可溶性糖含量、脯氨酸(Proline，Pro)含量，以及过氧化物酶(Peroxidase，POD)、过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性，和叶绿素荧光等生理指标，探讨华北紫丁香成苗对持续水淹胁迫的生理响应，明确其耐涝性，为进一步推广应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究以4 a生华北紫丁香(株高1.3 m，树皮灰褐色，叶片心形对生)为材料，种植于底部带12孔的花盆(35 cm×35 cm)中，以河沙︰细土︰鸡粪=4︰5︰1的比例配制栽培基质，每3 d浇1次水，每周施用一次1/2 Hoagland 营养液。

1.2 方法

1.2.1 水淹处理

选择生长良好、整齐一致的华北紫丁香进行水淹处理。在试验前的预处理时，华北紫丁香在水淹20 d时叶片出现明显的萎蔫和失绿状态，因此水淹胁迫设置0、1、4、7、10、16 d共6个时间梯度，每个时间点设5棵独立植株作为重复，置于2个水泥池(2 m×1.5 m×0.5 m)内，同时开始处理。水淹处理时向池中加水，使水通过下部孔眼进入盆中，保持池中水面距盆土表面低2 cm，每2 d换1次水。在每个时间梯度结束点的上午10:00，采集丁香功能叶片测定生理指标。以维持正常养护管理的华北紫丁香为对照。

1.2.2 测定指标

在处理时间点采集植株中上部5片成熟功能叶片，放置于冰盒中带回实验室进行生理指标的测定。采用烘干法测定叶片相对含水量[14]；参考陈志新等[15]的方法测定相对电导率；采用硫代巴比妥酸比色法测定MDA含量[16]；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量[16]；采用酸性茚三酮显色法测定Pro含量[16]；采用愈创木酚比色法测定POD活性[16]；采用紫外吸收法测定CAT活性[16]。

叶绿素荧光参数使用便携式叶绿素荧光仪PAM-2100(Walz，德国)测定。选择植株中上部5片成熟功能叶片，在处理时间点的上午10:00进行测定。待测叶片暗适应20 min，测定Fo(PSⅡ反应中心全部开放时的初始荧光)、Fm(PSⅡ反应中心全部关闭时的最大荧光)、Fv/Fm(最大光化学效率)、Yield(有效光化学量子产量)。

1.3 数据分析

使用Excel整理数据，绘制图表，使用SPSS软件通过Duncan法进行差异显著性比较(P<0.05)，标注标准差±SD。

1.城市公共绿地少，且分布不均，中心城区公园绿地面积17.0hm2，人均公园绿地仅为1.3m2，居住区无大型公共绿地。城区内已建成的两处公园，服务设施尚不完善，不配套。缺乏形式美、自然美、意境美；街头绿地少，没有形成街头小环境。

2 结果与分析

2.1 水淹胁迫对华北紫丁香叶片相对含水量的影响

华北紫丁香受到水淹胁迫后，随着处理时间的延长叶片含水量逐渐降低(图1)。在处理7 d时，叶片含水量显著低于对照(P<0.05)，降低了11%。10 d后的降低幅度加剧，在处理16 d时，叶片含水量较对照显著降低了近20%(P<0.05)。

图1 水淹胁迫对华北紫丁香叶片相对含水量的影响注：不同小写字母表示在不同处理时间之间存在显著差异(P<0.05)。下同。Fig.1 Effect of waterlogging stress on the relative watercontent of S.oblata leaves

2.2 水淹胁迫对华北紫丁香叶片相对电导率的影响

图2显示了水淹胁迫对华北紫丁香叶片相对电导率的影响。随着胁迫时间的延长，水淹处理的华北紫丁香叶片相对电导率呈现出不断升高的趋势。处理4 d时，相对电导率较对照升高了17%，差异显著(P<0.05)。胁迫处理10 d和16 d时，水淹处理后的相对电导率分别达到对照的1.5和1.7倍。

图2 水淹胁迫对华北紫丁香叶片相对电导率的影响Fig.2 Effect of waterlogging stress on the relativeconductivity of S.oblata leaves

2.3 水淹胁迫对华北紫丁香叶片MDA含量的影响

由图3可知，华北紫丁香经水淹胁迫后，叶片MDA含量随时间呈现不断升高的趋势。水淹胁迫1 d后的叶片MDA含量与对照无明显差异。从胁迫4 d后开始，叶片MDA含量显著高于对照(P<0.05)，较对照高11%，而后MDA含量逐渐升高，而在胁迫16 d时，出现急剧增加，达到对照的1.5倍以上。

图3 水淹胁迫对华北紫丁香叶片MDA含量的影响Fig.3 Effect of waterlogging stress on the MDA contentof S.oblata leaves

2.4 水淹胁迫对华北紫丁香叶片可溶性糖含量的影响

由图4可以看出，水淹胁迫后，华北紫丁香叶片可溶性糖含量呈现出先升高后降低的趋势。在经过4 d的水淹胁迫后，可溶性糖含量急剧上升，显著升高(P<0.05)，较对照高23%。在水淹胁迫7 d时，可溶性糖含量达到最高，为对照的1.3倍，随后快速降低，在处理10 d和16 d时分别较对照低15%和32%。

图4 水淹胁迫对华北紫丁香叶片可溶性糖含量的影响Fig.4 Effect of waterlogging stress on the soluble reducingsugar content of S.oblata leaves

2.5 水淹胁迫对华北紫丁香叶片Pro含量的影响

随着水淹胁迫时间的延长，华北紫丁香叶片Pro含量呈现出不断升高的趋势(图5)。水淹胁迫后1～4 d，叶片Pro含量缓慢升高，到7 d时显著升高(P<0.05)，较对照高26%。水淹胁迫16 d时，Pro含量达到最高，为对照的1.5倍。

图5 水淹胁迫对华北紫丁香叶片Pro含量的影响Fig.5 Effect of waterlogging stress on the Pro contentof S.oblata leaves

2.6 水淹胁迫对华北紫丁香叶片POD活性的影响

受到水淹胁迫后，华北紫丁香叶片POD活性呈现出先增后降的趋势(图6)。水淹胁迫后1～4 d，叶片POD活性表现出逐渐增加的趋势，但与对照无显著差异(P<0.05)。水淹胁迫7 d后，POD活性出现显著升高(P<0.05)，达到峰值，较对照高15%，之后逐渐下降。在水淹胁迫10 d和16 d时，POD活性迅速下降，分别较对照降低18%和32%。

图6 水淹胁迫对华北紫丁香叶片POD活性的影响Fig.6 Effect of waterlogging stress on the POD activityof S.oblata leaves

2.7 水淹胁迫对华北紫丁香叶片CAT活性的影响

华北紫丁香叶片CAT活性变化规律与POD相似，均是表现出先增加后降低的趋势(图7)。水淹胁迫4 d时，CAT活性出现显著升高(P<0.05)，较对照高21%。胁迫第7 d时，CAT活性达到最高，为对照的1.3倍，而后快速下降，在胁迫16 d时降到最低，较对照降低27%。

图7 水淹胁迫对华北紫丁香叶片CAT活性的影响Fig.7 Effect of waterlogging stress on the CAT activityof S.oblata leaves

2.8 水淹胁迫对华北紫丁香叶片叶绿素荧光参数影响

表1 水淹胁迫对华北紫丁香叶片叶绿素荧光参数影响

3 讨论与结论

在胁迫条件下，植物组织含水量能反映植物受胁迫程度，是研究植物耐涝性的重要指标[6]。随着水淹胁迫时间的延长，华北紫丁香叶片含水量逐渐下降，特别是在7 d时与对照的明显差异表明其根系受损越来越重，吸水能力下降。但华北紫丁香叶片在胁迫末期的相对含水量还保持在65%以上，说明其叶片具有较好的保水能力，表现出一定的耐涝性[17]。

当植物受到逆境胁迫时，细胞膜会受到损伤，透性会增加，因此细胞膜的稳定性能反映植物抗逆性的高低[18]。华北紫丁香在受到水淹胁迫4 d时叶片相对电导率即出现较显著增加，反映出细胞膜已出现较明显的损伤，在7 d后的大幅度升高表明其受到的伤害进一步加重。此外，膜质过氧化的产物MDA在胁迫4 d后含量逐渐增加，也反映其膜系统受到损伤。水淹胁迫同样导致红花玉兰的叶片MDA含量逐渐增加，在15 d时也出现大幅度增加[7]。李娟娟等[11]和常春丽等[13]在1 a生华北紫丁香小苗中，发现MDA含量随水淹胁迫也出现较大幅度的增加，而相较于本试验中的4 a生成苗，出现的时间较早，说明4 a生的成苗耐涝性较强。

启动渗透调节是植物忍耐和抵御水淹胁迫的重要生理响应之一[19]。Pro[20]和可溶性糖[21]作为重要的细胞质渗透调节机制，在植物受到水淹胁迫时会发生大量积累。在华北紫丁香受到水淹胁迫后，叶片Pro和可溶性糖含量的升高表明其启动了渗透调节过程，以提高耐逆性，但其在7 d时才表现出显著升高。而可溶性糖含量先升高后下降的趋势表明在水淹胁迫前期华北紫丁香主要通过可溶性糖进行调节渗透，而随着胁迫时间的延长，可溶性糖下降，迫使华北紫丁香进入低能耗代谢抵御水淹伤害，此时通过增加Pro含量来维持渗透调节。

在水淹环境下，活性氧会大量积累，会对植物造成伤害[22]。POD和CAT是酶促清除系统2种重要的抗氧化酶[23]。在本试验中，华北紫丁香在胁迫前期的POD和CAT活性持续升高，以清除产生的较少活性氧，而随着胁迫的延长，活性氧积累越来越多，在胁迫10 d时超出抗氧化酶的清除能力，导致酶系统崩溃，酶活性降低，说明华北紫丁香受到严重伤害。随着水淹胁迫时间的延长，桢楠(Phoebezhennan)叶片抗氧化酶活性也呈先升高后降低的趋势[24]。常春丽等[13]在1 a生华北紫丁香幼苗中发现，水淹胁迫后POD等抗氧化酶活性没有升高，在整个胁迫期内保持了较低的水平。从本试验结果可以看出，相对于1 a生幼苗，4 a生成苗抗氧化酶系统的活化水平被水淹胁迫诱导升高，表现出相对较强的耐涝性。

叶绿素荧光能灵敏快速地评价逆境下植物光系统的受损程度[25]，反映水淹胁迫对植物的影响[26]。Fo和Fm分别为PSⅡ反应中心处于完全开放时和完全关闭时的荧光产量。华北紫丁香Fo和Fm在胁迫前期的升高，说明PSⅡ反应中心受到一定程度的抑制或破坏，在后期的降低表明随着胁迫程度的加深，PSⅡ反应中心受到了不可逆的严重损伤[27]。Fv/Fm和Yield分别为PSⅡ最大和实际光化学量子效率，反映PSⅡ反应中心的光能转化效率。不同品种蓝莓(Vacciniumspp.)叶片Fv/Fm在水淹胁迫下的不断减低，表明PSⅡ反应中心活性受到抑制，原初光能转换效率降低[28]。受到水淹胁迫后，华北紫丁香Fv/Fm和Yield的逐渐下降趋势，也说明其PSⅡ反应中心受损，光合作用受到影响。在受水淹胁迫的1 a生华北紫丁香幼苗中，同样发现其反应中心受到较严重伤害，并且出现伤害状态的反应时间更短[10]。

综上所述，在水淹胁迫下，4 a生华北紫丁香在相对含水量和光能利用率降低、相对电导率和MDA含量增大的同时，通过提升可溶性糖、Pro等渗透调节物质含量和POD、CAT等抗氧化酶的活性，来提高其对水淹逆境的适应性。但经超过7 d的较长时间胁迫后，虽然Pro含量逐渐增加，但是其他指标的下降，说明华北紫丁香已产生不可逆损伤。由此可见，4 a生华北紫丁香成苗表现出一定的耐涝性，可耐受近1周的水淹胁迫，因此有潜力通过进一步的筛选，培育耐涝性强的品系。但本研究仅对华北紫丁香叶片的生理变化进行了测定，下一步还需对根系在水淹胁迫的响应进行分析，另外从分子水平对其耐涝性探讨也是需要开展的工作。