不同竹种对淹水胁迫的生理响应

曹志华，吴中能，刘俊龙，苗婷婷，孙 慧，闫彩霞

（1.安徽省林业科学研究院，安徽 合肥 230031；2.安徽沙河林木育种国家长期科研基地，安徽 滁州 239004）

湿害又称渍害，是指土壤水分达到饱和形成嫌气环境，使植物因氧气亏缺而导致其水分代谢、呼吸紊乱，降低光合作用，改变细胞膜的通透性等，进而危害植株正常的生长发育[1-2]。我国大约国土面积的2/3 曾遭受着不同程度的渍害，尤其是在植物生长期，渍害产生的危害比旱害可能更大，而在所有的环境因子中，水分对植物的影响居于首要位置。

竹子大多是喜湿植物，积极开展耐水湿竹种筛选研究并加以推广，对提高沿江地区和低湿地土地资源的利用率以及生态环境的改善有较大的促进作用。关于竹子的抗性研究多集中在干旱胁迫[1-7]、高低温胁迫[6-13]，且主要集中在毛竹和观赏竹类竹种的理化指标响应；盐胁迫[14-16]主要集中在绿竹、大头典竹等丛生竹的叶绿素荧光和蛋白组学研究方向；淹水胁迫[17-19]主要针对河竹、水竹、观赏竹等竹种的理化指标和叶绿素荧光参数响应研究，且只针对单个生长理化指标的主成分或者隶属函数法分析，竹种综合评价报道较少。笔者于2015年开始借鉴国内外学者从不同角度研究了作物和树种耐湿机理以及耐湿性综合评价鉴定的方法[20-25]，以毛竹、实心竹、辐射毛竹优株等为试材，利用主成分分析法在不损失或很少损失原有信息的前提下，将生长理化指标等转换成少数且彼此独立的因子[26-27]。结合隶属函数法，得到各竹种淹水胁迫下基于理化指标的耐湿综合评价值，从而能较科学地对竹种的耐湿性等进行评价。因此，笔者再次通过人工模拟淹水胁迫，对淹水过程中11 个竹种表型、生理生态特征和生理生化指标的分析，系统解析不同竹种对淹水胁迫的适应性，结合上述耐湿性综合鉴定方法评价11 个竹种的耐湿性，筛选出耐湿竹种，为地下水位较高以及季节性积水的涝渍地区竹种的栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

选取11 个具有经济价值或生态价值的竹种：水竹Phllostachys heteroclada、灰水竹Phllostachysplatyglossa、阔叶箬竹Indocalamus latifolius、皖紫竹2 号Phllostachys nigra‘wanzizhu2’、金镶竹Phllostachys aureosulcataf.spectabilis、皖紫竹1 号Phllostachys nigra‘wanzizhu1’、斑苦竹Plieioblaslus maculatus、红哺鸡竹Phllostachys iridescens、淡竹Phllostachys glauca、黄古竹Phllostachys angusta、早园竹Phllostachys propinqua。

1.2 人工淹水试验设计

2018年3月7日在广德市竹类国家林木种质资源库选取径阶较小、分枝较低的母竹，每个竹种18 株，8日上午运往合肥，并于当天下午在安徽省林业科学研究院合肥基地完成移栽入盆。盆的规格为30 cm（直径）×40 cm（高）。盆栽试验竹种存放于遮阴棚下，早晚喷洒竹叶，保持盆土湿润；5月上旬移出遮阴棚，中午适度遮阴，正常浇水管理，保证竹种成活。

3 个处理水平分别为：A 为对照处理，正常浇水；B 为轻度淹水，水面在土壤表面以下15 cm，模拟地下水位过高；C 为重度淹水胁迫，水面高于土面4 cm 左右。淹水处理时间为60 d，8—10月开展淹水胁迫试验，试验直至重度胁迫处理下竹种有死亡现象为止。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 淹水胁迫下竹种形态特征的观察

淹水处理的第1、5、11、17、23、30、40、50 和60 天观测不同竹种有无叶片发黄脱落等形态变化特征。

1.3.2 淹水胁迫下不同竹种光合指标的测定

净光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）的测定：选择晴天9:00—11:30，使用Li-6400 光合仪的标准透明叶室对不同淹水处理下11 个竹种的功能叶片进行Pn、Gs测定，重复5 次。

PS Ⅱ最大光化学效率（Fv/Fm）的测定：采用Li-6400 光合仪的标准荧光叶室对不同淹水处理下11 个竹种的功能叶片进行测定。在6:00 前对要测定的叶片标记并暗适应30 min 后，测定其最大光化学效率Fv/Fm。

1.3.3 淹水胁迫下不同竹种生理指标的测定

淹水处理的第1、5、11、17、23、30、40、50 和60 天，分别采取功能竹叶测定叶绿素a（Chl a）含量和丙二醛（MDA）含量。Chl a 含量测定用95%的无水乙醇丙酮混合提取比色法[27]；MDA 含量采用硫代巴比妥酸法测定[28]。

1.4 数据处理

运用DPS V7.05 软件对不同竹种淹水胁迫下的5 个理化指标进行方差分析、相关性分析及主成分分析等数据处理，并利用隶属函数法对不同竹种淹水胁迫下的耐湿能力进行综合评价。运用的主要公式如下：根据所测得的数据，分别计算各竹种淹水处理组和对照组理化指标的平均值[23-26]。首先将原始数据以相对指标为单位进行标准化转换，求得各理化指标的耐湿系数，并进行简单相关分析，得出各理化指标的相关系数矩阵，耐湿系数计算公式如下：

（1）隶属函数值

式（2）中：Xj表示第j个因子的得分值；Xmin表示第j个因子得分的最小值；Xmax表示第j个因子得分的最大值。

（2）权重

式（3）中：Wj表示第j个公因子在所有公因子中的重要程度；Pj为各品种第j个公因子的贡献率。

（3）综合评价

式（4）中：D为材料在淹水胁迫条件下用综合指标评价所得的耐湿性综合评价值；j为样品数。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对不同竹种形态特征的影响

水竹、灰水竹、阔叶箬竹淹水0～30 d 变化较不明显，皖紫竹2 号、金镶玉、皖紫竹1 号、斑苦竹淹水0～17 d 无明显变化，红哺鸡竹、淡竹、黄古竹淹水0～5 d 无明显变化，具体情况详见表1。

表1 淹水胁迫对不同竹种形态特征的影响Table 1 Effects of waterlogging stress on the morphological characteristics of different bamboo species

2.2 淹水胁迫对不同竹种丙二醛含量的影响

淹水胁迫过程中，各竹种的丙二醛（MDA）变化如图1所示。与对照相比，B、C 处理下不同竹种的MDA 均呈增加趋势。

图1 淹水胁迫对不同竹种丙二醛含量的影响Fig.1 Effects of waterlogging stress on the MDA content of different bamboo species

水竹在B 处理下，与对照相比，淹水0～24 d MDA 基本呈缓慢增长，说明淹水对水竹的质膜透性影响较小，23～50 d MDA 增长了25.9%；在C 处理下，淹水60 d 时，MDA 增大了1 倍；至B 处理结束时，与对照相比，灰水竹、阔叶箬竹、皖紫竹2 号、金镶玉、皖紫竹1 号和斑苦竹的MDA 分别增大了62.4%、80.1%、109.9%、107.6%和113.0%；至C 处理结束时，与对照相比，灰水竹、阔叶箬竹、皖紫竹2 号、金镶玉、皖紫竹1 号和斑苦竹的MDA 分别增大了103.4%、151.0%、163.1%、191.9%、223.1%和235.2%。

与对照相比，红哺鸡竹、淡竹在B 处理结束时，MDA 分别增大了138.6%、188.0%；红哺鸡竹在C处理结束时，MDA 增大了270.9%；淡竹在C 处理50 d 后，MDA 增大了288.3%；黄古竹在B 处理结束时，MDA 增大了201.8%；在C 处理结束时，MDA 增大了305.1%；早园竹在B 处理30 d后MDA 增大了247.1%，处理40 d 后全部死亡；早园竹在C 处理23 d 后MDA 增大了308.7%，处理30 d 后全部死亡。

2.3 淹水胁迫对不同竹种叶片中叶绿素a 含量的影响

淹水胁迫过程中，各竹种的叶绿素a（Chl a）变化如图2所示。与对照相比，在B 处理下，淹水0～23 d，水竹的Chl a 呈增加趋势；淹水0～11 d，灰水竹、阔叶箬竹、皖紫竹2 号、金镶玉、皖紫竹1 号和斑苦竹的Chl a 均呈上升趋势，随后呈下降趋势；淹水0～5 d，红哺鸡竹、淡竹呈上升趋势，而黄古竹、早园竹呈下降趋势。淹水后期各竹种的Chl a 整体呈下降趋势。

图2 淹水胁迫对不同竹种叶绿素a 含量的影响Fig.2 Effects of waterlogging stress on the Chl a content of different bamboo species

水竹在B 处理下淹水0～23 d Chl a 含量比对照基本呈增加趋势，23～50 d 后略微下降，为2.41%；在C 处理下，淹水50 d 时Chl a 只下降了25.1%；至B 处理结束时，与对照相比，灰水竹、阔叶箬竹、皖紫竹2 号、金镶玉、皖紫竹1号和斑苦竹的Chl a 分别下降了34.2%、38.1%、45.6%、45.2%、54.4%和56.6%；至C 处理结束时，与对照相比，灰水竹、阔叶箬竹、皖紫竹2 号、金镶玉、皖紫竹1 号和斑苦竹的Chl a 分别下降了52.3%、58.2%、59.4%、61.3%、63.1%。

与对照相比，红哺鸡竹、淡竹和黄古竹在B处理结束后，Chl a 分别下降了59.8%、72.5%和78.0%；红哺鸡竹在C 处理结束后Chl a 下降了71.2%；淡竹在C 处理50 d 后Chl a 下降了90.5%；黄古竹在C 处理结束后下降了98.5%。早园竹在B 处理30 d 后Chl a 下降了87.0%，处理40 d后全部死亡；早园竹在C 处理23 d 后Chl a 下降了77.2%，处理30 d 后全部死亡。

2.4 淹水胁迫对不同竹种光合生理生态的影响

2.4.1 净光合速率和气孔导度

从图3可以看出，淹水胁迫对11 个竹种的净光合速率（Pn）影响总体呈显著水平（P＜0.05）。水竹、灰水竹和阔叶箬竹整体保持较高的光合能力，淹水30 d 时，与对照相比，水竹在B、C 处理下的Pn仅分别下降了4.6%、6.5%（P＞0.05），灰水竹在B、C 处理下的Pn分别下降了16.1%、18.7%（P＞0.05），阔叶箬竹在B、C 处理下的Pn分别下降了13.8%、26.8%（P＞0.05）；在淹水60 d 时，水竹在B、C 处理下的Pn仅分别下降了12.9%、27.1%（P＞0.05）；灰水竹在B、C处理下的Pn分别下降了32.5%、45.4%（P＜0.05），阔叶箬竹B、C 处理下的Pn分别下降了36.5%、50.7%（P＜0.05）。

图3 淹水胁迫对不同竹种Pn 的影响Fig.3 Effects of waterlogging stress on Pn of different bamboo species

皖紫竹1 号与皖紫竹2 号相比在淹水前期Pn变化幅度较小，淹水17 d 时，皖紫竹1 号在B、C处理下的Pn分别下降了4.8%、18.0%（P＜0.05）；皖紫竹2 号在B、C 处理下的Pn分别下降了15.4%、16.9%（P＞0.05）。而在淹水胁迫后期，皖紫竹2 号Pn下降幅度（淹水60 d，B 处理下降32.6%）显著低于皖紫竹1 号（淹水60 d，B 处理下降46.6%）。

金镶玉和斑苦竹在B、C 处理下的Pn变化比较平缓，淹水60 d 时，金镶玉分别下降36.9%、50.4%（P＜0.05），斑苦竹分别下降22.6%、31.7%（P＞0.05）；红哺鸡竹在B、C 处理下，0～30 dPn只分别下降了1.55、3.7 µmol·m-2·s-1，而30～60 d 则分别下降了5.20，7.68 µmol·m-2·s-1。

淹水17 d 时，淡竹在B、C 处理下的Pn分别下降了13.2%、48.1%（P＜0.01），黄古竹在B、C 处理下的Pn已分别下降了15.0%、30.6%（P＜0.05），早园竹在B、C 处理下的Pn分别下降了37.1%、49.1%（P＜0.05）；淹水30 d 时，淡竹在B、C 处理下的Pn分别下降了32.7%、48.4%（P＜0.05），黄古竹在B、C 处理下的Pn分别下降了47.1%、52.5%（P＞0.05），早园竹在B 处理下的Pn下降了85.1%、在C 处理下全部死亡；淹水50 d 时，淡竹在B、C 处理下的Pn分别下降了70.5%、80.2%，黄古竹在B、C 处理下的Pn分别下降了78.0%、85.1%，淡竹和黄古竹在C 处理60 d 后均全部死亡。

淹水胁迫下各竹种的气孔导度（Gs）变化与Pn的变化相似，详见图4。淹水50～60 d时，水竹的气孔导度略微下降，与对照相比，在B、C 处理下分别只下降了0.074 mol·m-2·s-1和0.083 mol·m-2·s-1；在B 处理下，灰水竹、阔叶箬竹、皖紫竹2 号、皖紫竹1 号、金镶玉、斑苦竹等均在淹水17 d 后气孔导度降低，在40 d 后下降幅度更大；红哺鸡竹在B 处理30～40 d 时，Gs下降了29%；在C 处理60 d 时下降82.3%；淡竹、黄古竹、早园竹在B 处理30 d 时，Gs分别下降了46.7%、49.4%和93.4%，C 处理下17 d 后Gs已经快速降至较低水平，气孔开放度严重下降，随后下降趋势均不显著（P＞0.05），说明植物气孔基本上失去了调节作用。

图4 淹水胁迫对不同竹种Gs 的影响Fig.4 Effects of waterlogging stress on Gs of different bamboo species

2.4.2 PS Ⅱ最大光化学量子效率

淹水胁迫过程中，各竹种的PS Ⅱ最大光化学量子效率（Fv/Fm）变化如图5所示。在B 处理下淹水0～5 d，红哺鸡竹、淡竹呈上升趋势，而黄古竹、早园竹呈下降趋势；淹水0～11 d，灰水竹、阔叶箬竹、皖紫竹2 号、金镶玉、皖紫竹1 号和斑苦竹的Fv/Fm均呈上升趋势，随后呈下降趋势；淹水0～23 d，水竹的Fv/Fm比对照呈增加趋势。淹水后期各竹种的Fv/Fm整体呈下降趋势。

图5 淹水胁迫对不同竹种Fv /Fm 的影响Fig.5 Effects of waterlogging stress on Fv/Fm of different bamboo species

水竹在B 处理下，与对照相比，淹水0～23 dFv /Fm基本呈增加趋势，23～50 d 略微下降，为5.1%，在C 处理下，淹水60 d 时，Fv/Fm只下降了12.9%。

至B 处理结束时，与对照相比，灰水竹、阔叶箬竹、皖紫竹2 号、金镶玉、皖紫竹1 号和斑苦竹的Fv/Fm分别下降了20.8%、34.0%、39.4%、39.9%、44.4%和44.8%；至C 处理结束时，与对照相比，灰水竹、阔叶箬竹、皖紫竹2 号、金镶玉、皖紫竹1 号和斑苦竹的Fv/Fm分别下降了34.4%、40.5%、44.6%、46.0%、50.2%。

与对照相比，红哺鸡竹、淡竹在B 处理结束Fv/Fm分别下降了55.8%、66.1%；红哺鸡竹在C处理结束Fv/Fm下降了72.2%，淡竹在C 处理50 d后Fv/Fm下降了89.7%。早园竹在B 处理30 d 后Fv/Fm下降了84.2%，处理40 d 后全部死亡；早园竹在C 处理23 d 后Fv/Fm下降了77.2%，处理30 d 后全部死亡。

2.5 不同竹种耐湿性评价

2.5.1 5 个理化指标的相关性分析

根据公式（1）得到11 个竹种5 个理化指标的耐湿系数（表2）。从表2及以上结果分析可知，不同竹种各单项指标的变化幅度不一，用不同单项指标的耐湿系数来评价竹种耐湿能力具有片面性。

2.5.2 5 个理化指标的相关性分析

基于5 个理化指标的耐湿系数进行相关分析，从表3可以看出，11 个竹种的Chla 含量、Pn和Gs3 个理化指标之间的相关性极显著，Fv/Fm与Chl a 含量、Pn和Gs的相关性也极显著，从而使得不同理化指标所提供的信息发生重叠，同时各指标在耐湿响应中所起的作用也不尽相同。因此，若直接利用单项指标对竹种的耐湿性进行评价，则不能准确评价竹种的耐湿能力。

表3 5 个理化指标的相关系数矩阵†Table 3 Correlation coefficient matrix of 5 physical and chemical indexes

2.5.3 主成分分析

为了更充分地反映出不同淹水处理下11 个竹种间起主导作用的综合指标，对上述5 个理化指标进行主成分分析，对11 个竹种的耐湿能力进行综合评价。根据累积贡献率≥85%的标准，本研究提取2 个综合指标，其贡献率分别为83.5%和12.8%，累积贡献率达96.3%，其余可忽略不计。这样就把原来5 个单项指标转换为2 个新的相互独立的综合指标，这2 个综合指标代表了原来5个单项指标96.3%的信息，同时根据贡献率的大小可知各综合指标的相对重要性。第1 主成分主要包括叶绿素a 含量、Pn和Gs；第2 主成分主要包括MDA 含量和Fv/Fm。根据各综合指标的指标系数（表4）及单项指标的耐湿系数（表2）求出每个竹种2 个综合指标（公因子），即C（χ）的得分值（表5）。

表2 11 个竹种5 个理化指标的耐湿系数Table 2 Waterlogging resistance coefficients of 5 physiological and chemical indexes of 11 bamboo species

表4 各综合指标的系数及贡献率Table 4 Coefficients and contribution rates of the composite indicators

2.5.4 综合评价

2.5.4.1 隶属函数分析和权重的确定

根据因子得分值，由公式（2）分别求出11个竹种所有因子的隶属函数值U(χ)（表5）。再根据2 个综合指标贡献率的大小（0.835 和0.128），由公式（3）分别求出各综合指标的权重，分别为0.867 和0.133（表5）。

表5 11 个竹种综合指标值C(χ)、权重、隶数函数值U(χ)、D 值和排序Table 5 Comprehensive index value C (χ),weight,subordinate value U (χ) ,value D and ranking of 11 bamboo species

2.5.4.2 综合评价值的确定

竹种耐湿性综合评价值反映了各竹种淹水胁迫下响应的能力大小，其中水竹、灰水竹综合评价值最高，D值分别为0.889 和0.773，表明这2个竹种耐湿能力最强；其次是金镶玉、阔叶箬竹、斑苦竹、皖紫竹2 号和皖紫竹1 号，D值分别为0.711、0.707、0.703、0.680 和0.601，其他竹种排序详见表5。

3 结论与讨论

3.1 结 论

竹种耐湿性综合评价D值反映了各竹种的综合耐湿能力的大小，其中水竹D值最大为0.889，表明该竹种最耐湿。根据综合评价D值可知竹种耐湿性强弱为水竹＞灰水竹＞金镶玉＞阔叶箬竹＞斑苦竹＞皖紫竹2 号＞皖紫竹1 号＞红哺鸡竹＞黄古竹＞淡竹＞早园竹。综合评价结果与各竹种在淹水胁迫下的叶片黄化程度、新老竹死亡现象相近，表明该综合评价方法在竹种耐湿选择上能较准确地把握竹种综合响应表现，较人工打分更准确、更科学，较适宜本次研究。

3.2 讨 论

淹水胁迫因造成土壤缺氧等会对植物的形态结构、光合作用、呼吸作用等产生显著影响[29-30]。植物的耐湿性评价指标主要包括存活率、生长量、形态结构和生理代谢等。形态结构是反应植物受害程度最直接的指标，也是植物适应淹水胁迫最基础的要素。淹水胁迫下植物形态结构的变化主要包括叶片黄化、萎蔫与脱落、生长变缓、根系死亡等[31]。本研究中，11 个竹种在淹水胁迫下均出现不同程度的叶片黄化和新老竹死亡，但胁迫时间节点不一、差异性较大。水竹在B、C 处理50 d 叶片开始黄化；灰水竹、阔叶箬竹在C 处理30 d 叶片开始黄化；金镶玉、斑苦竹在B、C 处理23 d 叶片开始黄化；金镶玉在C 处理60 d 后老竹有死亡现象；斑苦竹C 处理60 d 后新竹死亡1/3；皖紫竹1 号、皖紫竹2 号、红哺鸡竹、黄古竹、淡竹在C 处理11 d 后叶片开始黄化；皖紫竹1 号C 处理60 d 后新发竹死亡1/5；红哺鸡竹B 处理45 d 后老竹死亡2/5，C 处理30 d 后1/3 新竹死亡；黄古竹B 处理40 d 后新发竹死亡2/3，C 处理40 d 后新发竹死亡3/3；淡竹B 处理40 d 后新发竹死亡1/2，C 处理40 d 后新发竹死亡3/3；早园竹在B、C 处理5 d 后叶片开始黄化，C 处理17 d后死亡3/5、新竹死亡3/5，B、C 处理40 d 后新老竹均全部死亡。

淹水胁迫下不耐湿植物的光合速率会迅速下降，淹水初期光合作用下降的原因主要是气孔关闭，CO2扩散的气孔阻力增加[31]。随着淹水时间的延长，Chl a 含量下降，导致叶片早衰和脱落[32]，土壤缺氧会降低植物光合速率。本研究中，11 个竹种的Pn和Gs均随着淹水时间的延长而逐渐降低，这与很多植物在淹水胁迫下的表现一致[32-34]。Gs的变化是导致Pn变化的直接原因[35]。本研究中，11 个竹种Pn和Gs变化幅度增大的时间节点差异性较大，水竹、灰水竹、阔叶箬竹C 处理下30 d；斑苦竹、红哺鸡竹C 处理下23 d；皖紫竹1 号、皖紫竹2 号、金镶玉、淡竹和黄古竹C 处理下17 d；早园竹C 处理下5 d。

叶绿素荧光参数Fv/Fm是检测植物光化学反应状况的重要参数，可准确揭示植物光系统对光能的吸收、传递、耗散和分配等情况。已有报道表明，淹水胁迫下，该参数均会不同程度降低[36]。本研究中，11 个竹种淹水胁迫下的Fv/Fm均显著低于对照，表明淹水胁迫导致叶绿体光合机构受损，光合作用原初反应过程受抑制，光合CO2同化效率降低。但11 个竹种Fv/Fm的变化幅度有所不同，表明其光合系统的受损程度存在差异，这与其叶片气体交换参数的表现基本一致。

叶片MDA 含量是显示植物在逆境胁迫下受害程度的重要指标。已有研究结果表明，淹水胁迫往往导致植物叶片MDA 含量升高，本研究结果与已有报道一致[32-36]。11 个竹种的叶片MDA 含量随着淹水时间的延长持续上升，但上升幅度略有不同，表明其受到淹水胁迫的伤害有差异。

由以上可知，单个指标在淹水胁迫下响应的时间节点、变化幅度差异性均较大，用单一指标难以全面准确地反映竹种耐湿性的强弱。本研究运用主成分分析法和隶属函数法对多指标的交互作用进行深入综合分析，提高耐湿性竹种筛选的准确性，对沿江滩涂地和湿地造林提供理论基础。

植物的耐湿性不仅是一个受多种因素影响的复杂的数量性状，且不同竹种的抗逆机制不尽相同，从而使得不同竹种在逆境条件下对某一具体指标的反应也不尽相同。本研究对不同竹种在淹水胁迫下的生理响应进行了综合评价，但对淹水过程中内源激素和分子水平等的变化未能深入探究。计划增加淹水胁迫后恢复性试验，更深入地阐明淹水胁迫下不同竹种的响应机理，并结合内源激素变化等指标对竹种耐湿能力进行全面评价。