4种高山杜鹃容器苗对持续干旱胁迫和复水的生理响应研究

赵珍妮,童再康,赖 江

(1.浙江农林大学亚热带森林培育国家重点实验室,浙江 杭州 311300； 2.建德市林业局，浙江 建德 311600)

高山杜鹃是杜鹃花属(RhododendronL.)常绿杜鹃亚属(Subgenushymenanthes)的一类具有特殊观赏价值的植物类群，原产于海拔 700 m以上的中、高山地区，素有 “花中皇后”之称[1]。各类树种及品种色彩丰富、花姿艳丽、树形优美，与多数人审美及消费观相契合[2]，作为具有高观赏价值的品种类群，家庭园艺与园林绿化应用前景广阔。同时，高山杜鹃也是优良的山地水土保持树种，且可提取芳香油、杀虫剂、鞣质等工业原料[3]。

干旱是制约农林业发展的重要因素[4-5]，随着全球气候变化，我国杜鹃花主要分布区干旱的范围明显扩大、强度增强、持续时间增长、频率增多[6-7]。高山杜鹃喜冷凉高湿环境，受其遗传因素制约，抗旱能力较差[8-9]。在众多的非生物胁迫因子中, 干旱是制约杜鹃花迁地保育与园林绿化应用的关键因子[10]。目前，国内外学者多从外部形态、解剖结构[11]、光合作用、抗氧化系统及渗透调节的响应[12-13]和内源激素[14]等方面探讨杜鹃花对干旱胁迫的响应机制。干旱胁迫对云锦杜鹃(R.fortunei)叶片形态、光合特性日变化、光温响应和水分利用效率的影响已有系统研究[15-17]，对高山杜鹃的研究主要集中在组织培养快繁体系、耐热性、栽培基质等方面，关于水分管理的研究较少，而有关品种间、引种与乡土树种的干旱与复水研究还未见报道。因此探究其持续干旱及复水的耐旱机制及耐旱性对高山杜鹃在南方引种栽培及抗旱性育种意义深远。

为探索高山杜鹃潜在栽培区域及种苗培育中水分控制，本文采用盆栽控水法，以云锦杜鹃(R.fortunei)为参照，测定了高山杜鹃莱姆(R. Halfdem lem)、惠特尼(R.Ann Rose Whitney)和弗吉尼亚(R.Virginia Richards)3个品种的光合参数、叶绿素荧光参数、渗透调节物质等耐旱性生理生化指标，评价其抗旱能力，以期为明确高山杜鹃栽培区以及抗旱品种育种与园林应用提供理论基础。

1 材料及方法

1.1 供试材料

试验在浙江省杭州市临安区浙江农林大学实验基地(30°15′ N,119°43′ E)进行，选取生长良好、长势一致的3年生高山杜鹃容器苗为试验材料，盆栽基质为泥炭∶珍珠岩=2∶1(容积比)，置于60%遮荫条件下培养。试验期间基地实测气温见图1。

图1 试验期间栽培地大气温度变化

1.2 试验方法

2021年7月20日至8月20日将试验容器苗置大棚内进行自然干旱胁迫处理。试验设自然干旱和对照(CK)共2个处理，9株重复。试验开始前先给苗木浇清水至土壤饱和，土壤含水量(SWC)为60%—65%，之后自然干旱组停止浇水，对照组正常供水。持续干旱第31天时，叶片出现严重萎蔫，然后浇水至土壤饱和，即行复水处理，随后正常养护，弗吉尼亚因复水后无法恢复而枯死，不再记录复水后数据。

持续干旱过程中，每天16:00用JK-100高周波土壤水分测定仪测定SWC。结合叶片萎蔫状态，分别在轻度干旱(第12天，SWC在44.46%—50.84%)、中度干旱(第20天，SWC在31.44%—36.28%)、重度干旱(第30天，SWC在15.12%—22.23%)和复水10 d(第40天，SWC在60.7%—67.3%)采样，期间对照组隔日浇水使土壤含水量始终保持在(60±3)%。叶片采样时间为8:30，选择植株枝条顶端向下第3至第5个叶片用于光合参数、叶绿素荧光参数测定，后立即采集经液氮速冻后保存于-80 ℃冰箱，用于生理生化指标测定。

1.3 指标测定

光合参数的测定：用Li-6400便携式光合仪于9:00—11:00测定叶片光合参数，包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)，并计算植株单叶水分利用效率(WUE=Pn/Tr)。PAR设定为800 μmol/(m2·s),叶室相对湿度设定为70%，温度25 ℃，选择中上部成熟叶片为测定叶，测定5株，每株重复3次。

叶绿素荧光参数的测定：用便携式调制叶绿素荧光仪PAM-2500测定PSII最大光合效率(Fv/Fm)、PSII化学潜在活性(Fv/Fo)、PSII 电子传递速率(ETR)和光化学淬灭(qP) 等叶绿素荧光参数。

生理指标测定：叶片水势用METER-WP4C露点水势仪测定。质膜透性采样相对电导率法，脯氨酸含量、可溶性糖含量、H2O2含量采用南京建成生物有限公司的试剂盒测定。

1.4 数据分析

采用Excel2016和SPSS26.0进行数据统计和主成分分析。取4种高山杜鹃在重度干旱下各测定指标进行标准化，参照林海明等[18]的方法，构建耐旱性主成分函数表达式，通过主成分降维获得综合评价方程，计算隶属函数值进行耐旱性综合评价。隶属函数值越大，耐旱性越强。

2 结果与分析

2.1 持续干旱胁迫及复水对植物外部形态的影响

逆境下植物形态会有明显变化，叶片受损情况是评价植物抗逆性最直观的指标。据观察，4种高山杜鹃品种容器苗在对照处理下叶片均生长正常。轻度干旱时，惠特尼与弗吉尼亚上部叶片出现下垂；中度干旱时，惠特尼与弗吉尼亚下部分老叶自然脱离，上层叶片下垂发黄，莱姆与云锦上部叶片出现下垂；重度干旱时，4种高山杜鹃叶片均出现严重下垂情况，弗吉尼亚叶片出现变黄、卷曲；复水10 d后，弗吉尼亚全部枯死，惠特尼有2株枯死，云锦杜鹃与莱姆均恢复正常。

2.2 持续干旱胁迫及复水对光合作用的影响

由结果(见图2)可见，干旱胁迫下，4种高山杜鹃叶片的Pn，Tr，Gs，Ci均呈下降趋势，且随干旱加剧，下降程度越高。复水10 d后除弗吉尼亚外均有不同程度的上升。品种间Ci对干旱响应的差异显著小于Pn，Tr和Gs的差异，且不同品种对干旱胁迫响应差异较大，云锦杜鹃在轻度干旱和中度干旱时均保持较高的Pn，Tr和Gs，重度干旱时大幅下降，而莱姆的Ci对干旱胁迫的响应显著大于其他3个品种。在重度干旱下，与CK对比，云锦杜鹃、莱姆、弗吉尼亚和惠特尼的Pn降幅4个品种分别为66.21%，89.33%，92.37%和98.17%。品种的WUE变化趋势不同，莱姆和云锦杜鹃的WUE随持续干旱呈上升趋势，而弗吉尼亚和惠特尼则先升高后下降。总体趋势上看，干旱胁迫条件下莱姆的WUE均高于其余其他品种。

图2 持续干旱胁迫及复水对高山杜鹃叶片光合作用的影响

2.3 持续干旱胁迫及复水对叶绿素荧光参数的影响

试验结果(见图3)显示，在正常供水条件下，4个品种叶片的Fv/Fm、Fv/Fo无显著差异，而干旱胁迫导致2者不同程度的降低，前期降幅平缓，后期降幅变大，弗吉尼亚在整个干旱过程中Fv/Fm、Fv/Fo始终低于其他品种，在重度干旱时降幅达到最大，分别较对照下降13.94%和41.88%。各品种的ETR随干旱程度加剧呈下降趋势，弗吉尼亚在重度干旱时大幅下降，较对照下降52.41%。各品种干旱胁迫处理的ETR和qP均显著高于对照组，其中莱姆的ETR与qP一直高于其他品种，且其qP下降幅度较小，意味着其具有较强的耐旱性。

图3 持续干旱胁迫及复水对高山杜鹃叶片叶绿素荧光参数的影响

2.4 持续干旱胁迫及复水对叶片水势和相对电导率的影响

持续干旱胁迫及复水后叶片水势变化见图4。对照组在试验期间叶片水势变化幅度均较小。在持续干旱胁迫过程中，云锦杜鹃叶片水势差异不显著(P>0.05)，莱姆与惠特尼在轻度干旱和中度干旱时降幅较小，重度干旱时明显下降，而弗吉尼亚一直呈下降趋势，在重度干旱时莱姆、弗吉尼亚、惠特尼和云锦杜鹃的叶片水势分别较对照下降了127.72%，181.72%，115.11%和49.41%。复水10 d后莱姆、惠特尼和云锦杜鹃的叶片水势均能迅速恢复。其中，云锦杜鹃叶片水势下降幅度最小，说明在干旱胁迫环境下，其能保持较高的水势，防止细胞失水，保持细胞内环境的稳定态。

干旱胁迫对4个品种的相对电导率有显著影响(见图4)。相对电导率随干旱胁迫程度的加重逐渐升高，在重度干旱胁迫下达最大值，与CK对比，莱姆、弗吉尼亚、惠特尼和云锦杜鹃分别增加25.99%，29.88%，54.40%和27.02%。

图4 持续干旱胁迫及复水对高山杜鹃叶片水势和相对电导率的影响

2.5 持续干旱胁迫及复水对渗透调节物质含量和H2O2含量的影响

与对照相比，在干旱胁迫过程中各品种叶片的脯氨酸、可溶性糖和H2O2含量均高于对照(见图5)，且有明显的增加过程，复水后呈下降趋势。从品种比较看，弗吉尼亚叶片的Pro含量、可溶性糖含量及H2O2含量在干旱过程中持续升高，莱姆、惠特尼在前期有较明显上升，随后变化趋势转为平缓，复水后含量又明显下降。而云锦杜鹃叶片比较特殊，在持续干旱过程中3种物质含量变化最小，略有缓慢上升，复水后略有下降。

图5 持续干旱胁迫及复水对高山杜鹃叶片渗透调节物质和H2O2含量的影响

2.6 高山杜鹃品种耐旱性的综合评价

主成分与各指标间的载荷系数反映了该指标对主成分负荷的相对大小和作用方向，载荷系数越大，关系越密切(见表1)。测定的14个生理生化指标可简化为累计贡献率为88.67%的2个综合指标，主成分1中除Ci、WUE、qP和ETR外，其余10个指标的载荷系数均较高；主成分2综合了植株的叶绿素荧光参数、Ci、WUE及REC。用这2个综合指标可反映14项测定指标的绝大部分信息，可用于综合评价高山杜鹃品种的耐旱性强弱。

用2个综合变量Z1，Z2代替14个指标观测值，根据表1中各耐旱指标的主成分载荷系数及第1和第2主成分对应的特征值，计算特征向量，作为各指标权重，得到2个主成分的表达式(其中X1—X14均为标准化后的变量)：

Z1=0.329X1+0.338X2+0.343X3+0.161X4-0.099X5+0.005X6+0.123X7+0.293X8+0.318X9+0.293X10-0.231X11-0.283X12-0.36X13-0.277X14

Z2=-0.08X1-0.138X2-0.144X3-0.394X4+0.354X5+0.425X6+0.424X7+0.259X8+0.217X9-0.019

X10+0.346X11-0.266X12-0.015X13-0.095X14

凭借单一的Z1或Z2无法对高山杜鹃耐旱性做出综合评价，故以选取2个主成分的贡献率α1和α2为权重，构建耐旱性综合评价方程：F=α1Z1+α2Z2，即F=0.549 61Z1+0.337 11Z2。

由表2可知，云锦杜鹃作为本地区中高海拔区域的乡土树种，其耐旱性优于引进的3个观赏品种，列第1，且综合评价F值(1.87)远高于其他3个品种。莱姆列第2，弗吉尼亚表现最差，经重度干旱后已无法恢复而全部枯死。从3个引进的优异观赏品种比较看，莱姆具有较强的叶片保水性、光合调节能力及渗透调节能力，在中国南方中高海拔高温高湿地区应用具有较大的潜力。

表1 干旱胁迫下4种高山杜鹃各类指标的主成分分析

表2 4种高山杜鹃耐旱性的综合评价F值及排名

3 结论与讨论

干旱胁迫严重影响植物生长与代谢，尤其影响光合作用。Farquhar等提出[19]，当叶片的胞间CO2浓度和气孔导度变化趋势均为下降时，则净光合速率下降为气孔限制所致。本研究结果表明干旱胁迫下3个高山杜鹃品种的Pn、Gs和Ci均下降，说明气孔限制因素是导致其光合速率下降的主要原因。干旱胁迫下气孔导度降低有利于减少水分蒸发，各品种气孔开放程度持续降低，蒸腾速率也随之降低，在干旱胁迫对花叶鹅掌柴(Scheffleraodoratacv.Variegata)、白蟾(Gardeniajasminoidesvarfortuniana)等6种园林灌木的光合生理影响研究中也得到了验证[20]。水分利用效率是净光合速率与蒸腾速率的比值，随干旱程度的不断加剧，降低光合速率的同时更大程度地降低叶片的蒸腾速率是致使水分利用效率升高的主要原因。

叶绿素荧光参数能反映叶片对光能的利用情况[21]。Fv/Fm和Fv/Fo可用作判断光合系统是否受损。本研究中Fv/Fm和Fv/Fo在胁迫过程中呈现下降趋势，说明各品种均受到光抑制从而使光合系统活性降低，复水10 d后云锦杜鹃、莱姆和惠特尼能快速恢复趋近对照，说明这3种高山杜鹃具有较强的耐旱性。该结果与侧柏[Platycladusorientalis(L.)Franco][22]、文冠果(Xanthocerassorbifolia)[23]等植物对干旱胁迫的响应结果相一致。受干旱胁迫时PSII能通过调节ETR和qP来减少过剩光能对光合系统的伤害。在试验过程中，各品种的ETR和qP均出现了不同程度的下降，表明干旱胁迫使其光能转化和利用效率均受抑制[21]。复水后除弗吉尼亚外均能恢复至接近对照，表明干旱胁迫还未对云锦杜鹃、莱姆和惠特尼的光合细胞造成不可逆转的损伤，云锦杜鹃的降幅远小于其他3个品种，表明云锦杜鹃具有更强的耐旱性，能有效保持PSII功能的相对完整，减轻干旱所造成的光合伤害。

水势是表示植物水分亏损或水分状况的重要指标[24]。本研究中随干旱胁迫的不断加剧，叶片水势下降，但复水后水势有所增加。重度干旱时，云锦杜鹃的叶片水势相对于对照下降幅度最小，说明其能更好地自我调节，维持较高的水势，稳定细胞内部环境。叶片相对电导率随干旱胁迫加剧均有不同程度提高，说明干旱胁迫已造成叶片质膜透性增大，细胞膜功能减弱、下降。这与易家宁等[25]关于紫苏[Perillafrutescens(L.)Britt]的研究结果一致。可见，通过测定干旱胁迫条件下的叶片水势，一定程度上可判断该品种的耐旱性。

当植物受干旱胁迫时，脯氨酸和可溶性糖作为重要的渗透调节物质会在体内快速积累，防止细胞脱水[26-27]。本研究结果与柯世省等[15]与黄承玲等[13]对高山杜鹃的研究结果一致。植物受干旱胁迫时会使活性氧的产生和清除失衡，导致H2O2含量的在体内积累，由此，4种高山杜鹃在干旱胁迫处理后，H2O2含量均有不同幅度增加。

植物的耐旱性是一个综合性生理过程，虽然干旱胁迫程度是最为重要的因子，但既与品种自身遗传有关，也与植株的生理状态有关[28]。本试验涉及的耐旱评价单项指标较多，单一指标难以对高山杜鹃耐旱性进行客观评价。若直接利用隶属函数评价具有局限性，而通过观测指标的主成分分析组建综合指标用于品种抗逆性评价具有科学性与可操作性，可将原本多个指标在保证耐旱性评价准确度前提下简化为少数彼此独立的综合指标，从而减少工作量。本文采用植株的光合特性、叶绿素荧光参数及有机渗透调节物质等指标综合评价其耐旱性，利用主成分分析和隶属函数相结合的方法揭示了植物抗逆性的相关指标与抗逆性的关系，并对4个参试品种的耐旱性进行了排序。相较而言，乡土树种云锦杜鹃的耐旱性最强，引进的3个观赏品种中，莱姆的耐旱性最好，惠特尼次之，弗吉尼亚的耐旱性最差，该结果与试验过程中的植株性状表现基本一致，结果比较可靠。