5个生姜品种对淹水胁迫的生理响应及耐涝性评价

李港，彭慧敏，蔡小东，马佳伟，马慧慧，尹军良，尚淼，张中华，朱永兴*，刘奕清*

（1长江大学园艺园林学院香辛作物研究院，湖北荆州 434025；2长江大学农学院湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北荆州 434025；3宜昌市农业科学院，湖北宜昌 443004；4潍坊市安丘市农业农村局，山东潍坊 262100）

0 引言

【研究意义】生姜（Zingiber officinaleRoscoe）是姜科（Zingiberaceae）姜属（Zingiber）多年生单子叶草本植物，具有重要的食用、药用和经济价值（陈艳和杜红霞，2018）。江汉平原地处长江中游，地势低洼、多雨湿润，年均降雨量达1100～1300 mm，且雨量集中于4—7月，导致涝渍灾害频发（曹隽隽等，2013；吴启侠，2016）。生姜是浅根性植物，根系不发达，喜湿而不耐涝，生长过程中对水分条件要求严格，且其关键生长期在5—11月（李策明，2005），与江汉平原降水高峰期重叠，因此在江汉平原地区种植生姜极易遭受涝害，严重影响其高产稳产。研究淹水胁迫下生姜的生理响应机制并筛选耐涝种质资源，对于生姜抗涝育种、栽培技术探索具有重要意义。【前人研究进展】涝害是指土壤水分过多对植物产生的伤害，显著影响土壤的理化性质和生物学特性，导致土壤含氧量急剧下降，造成根系缺氧，进而影响植物自身的生理过程和代谢反应，抑制其生长（丁慧芳等，2020）。生姜的生长、发育及品质和产量受涝害的严重限制，其幼苗期处于多雨季节，易遭受涝害影响，导致产量下降甚至严重减产（李策明，2005）。淹水胁迫导致植株的根系活力和根系生物量下降，株高、叶面积和根长等生长指标降低（Song et al.，2015）。王琼等（2012）研究发现，淹水胁迫下油菜的根系总长度、根系表面积及须根数量显著降低。正常生理状态下，植物细胞中活性氧的产生和消除维持在平衡状态，但受到胁迫时活性氧产生和清除失衡导致其大量积累，造成细胞膜脂过氧化损伤（张洁，2019）。陈娟等（2015）研究发现，涝害前期，生姜幼苗抗氧化酶活性升高以应对逆境，清除体内的活性氧，使丙二醛（MDA）含量未明显上升，但随着涝渍时间的延长，保护酶系统受损，酶活性降低，MDA含量也相应增加。无花果受到淹水胁迫时叶片O2-·和MDA出现积累，光合参数也有不同程度的降低（齐琳等，2015）。淹水胁迫下，植物PSⅡ活性中心受损，光合性能下降，叶绿素含量降低（童梦莹等，2019）。叶绿素荧光参数反映叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散和分配等信息，已广泛应用于各种环境胁迫对植物光合作用影响的研究中（Tschiersch et al.，2017）。研究表明，淹水胁迫严重影响樱桃番茄的生长发育及叶片叶绿素荧光，导致其PSⅡ活性中心受到破坏，光合能力下降（童梦莹等，2019）。目前关于植物抗逆性评价的研究中，多数采用主成分分析与隶属函数法联用，结合多指标进行综合评价，该方法可避免由单一指标评价带来的片面性和不完整性，较为科学、可靠（高雪等，2018）。白丹凤等（2019）运用隶属函数法对4种基因型猕猴桃的耐涝性进行综合评价，筛选出耐涝种质资源，初步解析了猕猴桃耐涝的生理机制；任保兰等（2021）用隶属函数法结合叶绿素荧光参数、渗透调节物质含量、光合色素含量等指标对辣木的耐涝性进行综合评价，探明了淹水胁迫下辣木幼苗的生理响应规律及其耐涝性。【本研究切入点】已有研究表明淹水胁迫严重影响生姜的正常生长发育，导致其大面积减产，但目前关于生姜在淹水胁迫下的形态变化及生理响应机制尚不明确，生姜耐涝种质资源评价的相关研究也未见报道。【拟解决的关键问题】以生姜主产区的5个主栽品种为研究对象，研究淹水胁迫下其生长指标、生理指标及叶绿素荧光参数等的响应，结合主成分分析与隶属函数法对品种耐涝性进行综合评价，建立耐涝评价体系，为生姜的耐涝机理研究及耐涝品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于湖北省荆州市长江大学西校区玻璃温室进行，供试的生姜材料为山东大姜、罗平小黄姜、竹根姜、贵州小黄姜、凤头姜。5份生姜种质资源均由长江大学香辛作物研究院收集保存。挑选健康且大小基本一致的种姜，2021年4月初种植于花盆中，花盆规格为底部有孔，上径、底径、高分别为20、18和23 cm，种植基质为园土∶椰糠∶珍珠岩=6∶3∶1的混合基质。

1.2 试验方法

当种姜生长至约60 cm高度时，选取健康且长势一致的姜苗进行处理。每个品种设2个处理，正常水分处理（CK）和淹水处理（Treatment，TR），每个处理3次重复，每个重复10株。CK：正常浇水，使土壤含水量为田间最大持水量的75%。TR：采用双套盆法，即生姜苗在塑料桶（上径、底径、高分别为35、30和45 cm）中进行淹水，每天补水使土壤含水量过饱和，保持水面高出基质土表面3 cm；淹水7 d时大部分生姜显现不同程度涝害（叶片萎蔫或枯黄），但尚未致死，因此选定淹水7 d时对各项指标进行测定。每次重复选取2株苗，取成熟叶片测定生理生化指标，取新鲜根尖测定根系活力；同时每次重复另选2株同样位置的叶片测定叶绿素荧光参数。

淹水处理7 d后分别记录株高、茎粗，第7 d时对植株叶片进行拍照记录。采用TTC法测定根系活力；硫代巴比妥酸法测定叶片MDA含量；碘化钾法测定叶片过氧化氢（H2O2）含量；氮蓝四唑（NBT）光还原法测定叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性；愈创木酚显色法测定叶片过氧化物酶（POD）活性；紫外吸收法测定叶片过氧化氢酶（CAT）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性（高俊凤，2006）。叶绿素荧光参数测定：采用FluorCam大型植物多光谱荧光成像平台（FlourCam 800 MF，捷克）测定PSII最大光化学效率（Fv/Fm）、非光化学淬灭系数（NPQ）和光化学淬灭系数（qP）等荧光参数，测定前先进行充足的暗适应。

1.3 评价方法及数据处理

数据处理与统计分析使用Excel 2010及SPSS 26.0，差异显著性检验采用Duncan’s新复极差法，相关分析采用Pearson相关系数法，利用GraphPad Prism 9.0制图。运用DPS 9.5完成主成分分析，使用隶属函数法综合评价各品种的耐涝性，主要步骤和公式如下：

（1）耐涝系数（β）（周广生等，2003）：

（2）主成分分析：对单项指标的耐涝系数进行主成分分析，将其转换为新的独立综合指标。

（3）隶属函数法分析。综合指标的隶属函数值（U）由以下公式求得（周广生等，2003）：

（4）权重（Wj）的确定（马瑞娟等，2013）：

（5）耐涝性综合评价值（D）计算（任保兰等，2021）：

式中，Xj为第j个综合指标，Xmin为第j个综合指标的最小值，Xmax为第j个综合指标的最大值；Pj为各品种第j个综合指标的贡献率。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对生姜叶片形态的影响

如图1所示，淹水处理7 d后，各品种叶片形态的变化差异较为明显。其中，山东大姜有少数叶尖轻微黄化，叶片其他部分保持鲜活嫩绿；罗平小黄姜多数叶片严重黄化，叶尖多数卷曲枯死；贵州小黄姜少数叶片轻微黄化，叶尖黄化卷曲；竹根姜和凤头姜叶片均严重黄化，其中近半数叶片枯死，叶尖全部黄化且卷曲枯死。说明淹水胁迫对各品种的叶片形态均有影响，其中，对山东大姜的叶片形态影响最小，对竹根姜和凤头姜的叶片形态影响较大。

2.2 淹水胁迫对生姜生长指标的影响

由表1可知，正常水分条件下，山东大姜的株高和茎粗均为最大值；竹根姜的株高最低，凤头姜的茎粗最小。淹水处理后，与CK相比，各生姜品种的株高和茎粗均有不同程度下降。其中，山东大姜的株高较CK降低0.46%，但不显著（P＞0.05，下同），罗平小黄姜、竹根姜、贵州小黄姜和凤头姜的株高分别显著降低2.45%、3.83%、2.16%和2.42%（P＜0.05，下同）；山东大姜的茎粗较CK减小0.56%，罗平小黄姜、竹根姜、贵州小黄姜和凤头姜的茎粗分别显著减小1.27%、1.63%、1.01%和1.41%。表明淹水胁迫对各品种的生长指标均有影响，对山东大姜的影响较小，对竹根姜的影响较大。

表1 淹水胁迫对不同品种生姜生长指标的影响Table 1 Effects of waterlogging stress on growth indexes of different varieties of ginger

2.3 淹水胁迫对生姜根系活力的影响

由图2可知，正常水分条件下，贵州小黄姜的根系活力显著高于其他品种，罗平小黄姜的根系活力显著低于其他品种，山东大姜、竹根姜和凤头姜的根系活力无显著差异。淹水处理后，山东大姜、罗平小黄姜、竹根姜、贵州小黄姜和凤头姜的根系活力分别显著下降35.07%、41.09%、70.96%、26.76%和36.23%。淹水胁迫使各生姜品种根系活力大幅下降，对生姜根系造成严重的损伤。5个品种中贵州小黄姜的根系活力下降幅度最小，竹根姜的根系活力下降幅度最大。

2.4 淹水胁迫对生姜叶片生理指标的影响

2.4.1 对生姜叶片MDA和H2O2含量的影响由表2可知，正常水分条件下，山东大姜和凤头姜的叶片MDA和H2O2含量均显著低于其他3个品种。淹水处理后各生姜品种的叶片MDA和H2O2含量均显著上升。其中，山东大姜、罗平小黄姜、竹根姜、贵州小黄姜和凤头姜的叶片MDA含量分别显著上升23.34%、31.31%、72.53%、26.68%和62.70%，山东大姜的上升幅度最小，竹根姜的上升幅度最大；同时，叶片H2O2含量分别显著上升18.20%、27.24%、35.48%、21.09%和58.10%，山东大姜的上升幅度最小，凤头姜的上升幅度最大。

2.4.2 对生姜叶片抗氧化酶活性的影响由表2可知，正常水分条件下，山东大姜的叶片SOD活性显著低于其他品种，罗平小黄姜的叶片POD活性显著低于其他品种，但其叶片CAT活性显著高于其他品种。淹水处理后，各生姜品种叶片SOD活性有不同程度的上升或下降，其中，山东大姜、罗平小黄姜和贵州小黄姜的叶片SOD活性分别显著上升50.92%、9.35%和13.87%；竹根姜的叶片SOD活性有所下降，凤头姜的叶片SOD活性有所上升，但均未达显著水平。淹水处理后，竹根姜的叶片POD活性有所下降，但不显著；山东大姜、罗平小黄姜、贵州小黄姜和凤头姜的叶片POD活性分别显著上升8.67%、31.99%、8.08%和8.69%；罗平小黄姜、竹根姜、贵州小黄姜和凤头姜的叶片CAT活性分别显著下降46.69%、36.77%、26.56%和21.34%；山东大姜叶片CAT活性有所上升，但不显著。

2.4.3 对生姜叶片PAL活性的影响 由表2还可知，正常水分条件下，竹根姜的叶片PAL活性最高，凤头姜的叶片PAL活性最低。淹水处理后，罗平小黄姜的叶片PAL活性显著上升34.12%，竹根姜的叶片PAL活性显著下降33.25%；山东大姜和贵州小黄姜的叶片PAL活性有所上升，凤头姜的叶片PAL活性有所下降，但差异均不显著。

表2 淹水胁迫对生姜叶片生理指标的影响Table 2 Effects of waterlogging stress on physiological indexes of ginger leaves

2.5 淹水胁迫对生姜叶绿素荧光参数的影响

由图3可知，正常水分条件下，5个品种间的Fv/Fm和qP均无显著差异，贵州小黄姜和凤头姜的NPQ显著高于其他品种，罗平小黄姜的NPQ显著低于其他品种。淹水处理后，各生姜品种的荧光参数均有显著变化，与CK相比，山东大姜、罗平小黄姜、竹根姜、贵州小黄姜和凤头姜的Fv/Fm分别显著下降20.01%、25.11%、24.84%、21.67%和41.83%，山东大姜的下降幅度最小，凤头姜的下降幅度最大；NPQ分别显著升高20.30%、62.35%、56.79%、25.40%和45.80%，山东大姜的上升幅度最小，罗平小黄姜的上升幅度最大；qP分别显著下降35.12%、49.05%、54.29%、45.49%和58.49%，山东大姜的下降幅度最小，凤头姜的下降幅度最大。

2.6 隶属函数法对不同品种生姜的耐涝性综合评价

对5个品种生姜苗期淹水胁迫下的12个指标进行主成分分析，共提取3个主成分（PC），PC1～PC3的特征值分别为7.47、2.39和1.66，贡献率分别为62.25%、19.92%和13.79%，累积贡献率达95.96%。决定PC1大小的主要是株高、茎粗、MDA含量、SOD活性和qP等指标，决定PC2大小的主要是POD活性、CAT活性、PAL活性和NPQ等指标，决定PC3大小的主要是根系活力、H2O2含量和Fv/Fm等指标（表3）。

表3 生姜耐涝性综合评价指标的系数、特征值及贡献率Table 3 Coefficient，eigenvalue and contribution rate of comprehensive evaluation index of ginger waterlogging tole-rance

根据综合评价公式求出各生姜品种的综合评价值（D值），D值越大，则该品种的耐涝性越强。结果表明，5个生姜品种的耐涝性排序为山东大姜＞贵州小黄姜＞罗平小黄姜＞凤头姜＞竹根姜（表4）。

表4 生姜品种的综合指标值、权重、U（Xj）、D值及耐涝性排序Table 4 Comprehensive index value，weight，U（Xj），D value and ranking of waterlogging resistance of ginger varieties

对淹水胁迫下5个生姜品种苗期的12个指标及D值进行相关分析，结果表明，各指标中相关性最高的是株高与茎粗，相关系数达0.99；相关性最低的是Fv/Fm与POD，仅0.03。MDA、SOD、qP与株高、茎粗均显著相关，qP与SOD、PAL与POD显著相关，株高与茎粗、H2O2与Fv/Fm极显著相关（P＜0.01，下同）。株高、MDA与D值极显著相关，相关系数分别为0.96和-0.97，茎粗与D值显著相关，相关系数为0.92（图4）。

3 讨论

3.1 淹水胁迫对生姜叶片形态、生长指标及根系活力的影响

叶片外部形态的变化可直观地反映植物遭受涝害的严重程度，当遭受淹水胁迫时，植物地上部叶片逐渐发黄萎蔫、干枯甚至脱落（郑佳秋等，2016）。本研究中5个生姜品种在淹水处理后均出现不同程度的受害症状，其中山东大姜只有少数叶尖轻微黄化，受涝害影响最轻；而竹根姜和凤头姜所有叶片均严重黄化，近半数叶片枯死，受涝害影响较严重。淹水处理后各品种外在形态上的变化十分直观，同时也在一定程度上反映出不同品种对于涝害的耐受能力，但由于植物的耐涝性是一个复杂的综合性状，单凭表型的变化来评价其耐涝性还不够全面。需要运用科学的方法进行综合评价，才能得出合理的结论。

淹水胁迫打破植物地上部与地下部的平衡，使光合作用和根系吸收能力下降，导致植株生长受到抑制（Kuai et al.，2015）。本研究中，淹水处理7 d后各生姜品种的株高和茎粗均低于CK，说明淹水后生姜生长均受到抑制。在淹水发生后，5个品种中山东大姜的株高和茎粗相比CK降幅最小（0.46%和0.52%），竹根姜的株高和茎粗降幅最大（3.83%和1.63%），可能是由于山东大姜的适应性较强，面对涝害能短时间内调控体内代谢的正常进行，暂时维持自身的生长；而竹根姜的适应性较差，遭受涝害时体内代谢被快速扰乱，导致自身生长严重受阻。

植物根系抗逆性的重要评价指标之一是根系活力，淹水胁迫发生后植物根系受到损伤导致根系活力下降（白丹凤等，2019）。本研究结果显示，在淹水胁迫下，5个生姜品种的根系活力均显著下降，但不同生姜品种的根系活力下降程度有所不同，下降幅度越大的品种根系受涝害的影响越大，根系损伤越严重。本研究中竹根姜根系活力降幅最大（70.96%），根系受损最严重；贵州小黄姜根系活力降幅最小（26.76%），根系受损最轻。

3.2 淹水胁迫对生姜叶片活性氧、MDA及抗氧化酶活性变化的影响

正常状况下，植物体内活性氧的产生和清除维持在一个平衡状态，受到胁迫时平衡被打破，导致活性氧大量积累，膜脂过氧化程度加剧（Zhu et al.，2019；刘晓慧等，2020）。本研究发现淹水处理后5个生姜品种叶片的H2O2含量均显著上升，说明各品种生姜叶片均受到了一定程度的氧化损伤，其中增幅大的品种活性氧清除能力较差；增幅小的品种活性氧清除能力较强。本研究中叶片H2O2含量上升幅度最大的是凤头姜（56.10%），上升幅度最小的是山东大姜（18.20%）。表明凤头姜的活性氧清除能力最差，叶片的氧化损伤最严重；山东大姜的活性氧清除能力最强，叶片的氧化损伤最轻。遭受逆境时，抗氧化酶系统通过酶促反应清除活性氧等物质，协助植物抵御氧化损伤（Suzuki et al.，2012）。本研究中，各品种生姜叶片的SOD、POD和CAT活性有不同程度的上升或下降，例如竹根姜的叶片SOD和POD活性下降，其他4个品种的叶片SOD和POD活性上升，山东大姜的叶片CAT活性上升，其他4个品种的叶片CAT活性下降，变化趋势存在差异，可能与不同品种的抗氧化酶反应敏感程度有关。

膜脂过氧化主要产物MDA的含量高低直接反映逆境胁迫下植物的受伤害程度（Yin et al.，2019）。本研究中，与CK相比，淹水处理后5个品种生姜叶片的MDA含量均显著上升，与Phukan等（2014）在淹水条件下薄荷体内MDA含量变化的研究结果相似，表明淹水后各生姜品种的叶片细胞均受到一定程度的膜脂过氧化损伤，其中竹根姜的叶片MDA含量相比CK增幅最大（72.53%），损伤最严重；山东大姜的叶片MDA含量相比CK增幅最小（23.33%），损伤最轻。PAL是植物体内苯丙烷代谢的关键酶，对植物的生长发育和逆境防御具有重要的生理意义。当植物遭受某些生物、非生物胁迫时，PAL活性升高，提高对逆境的抵抗能力（Zhang and Liu，2015）。本研究中，淹水处理后PAL活性变化并不明显，且不同品种间的变化趋势存在差异。

3.3 淹水胁迫下生姜叶绿素荧光参数的变化情况

叶绿素荧光是研究光合作用的探针，在探测植物光合生理与逆境胁迫的关系方面应用十分普遍（Guidi et al.，2019）。参数Fv/Fm主要反映植物PSⅡ的原初光能转化效率；qP可反映光化学反应中热耗散的大小；NPQ反映植物将PSⅡ反应中过剩光能散耗为热的能力（Repo et al.，2016；Tschiersch et al.，2017）。本研究中，与CK相比，淹水处理后5个生姜品种的Fv/Fm、qP均显著下降，NPQ均显著升高，表明淹水处理显著降低了生姜的PSII原初光能转换效率，抑制了光合原初反应过程，使PSⅡ反应中心受到一定程度的损伤，该结果与郭欣欣等（2015）在淹水胁迫对不结球白菜幼苗光合特性影响中的研究结果类似。

3.4 生姜苗期的耐涝性综合评价

研究表明，运用单一指标对植物耐涝性进行判定较片面且不完整（朱向涛等，2017）。本研究中，各生姜品种在单项指标上表现出的抗性并不一致，贵州小黄姜的根系活力下降幅度最小，竹根姜下降幅度最大；山东大姜的叶片MDA含量下降幅度最小，竹根姜下降幅度最大。研究表明，运用主成分分析将若干个单项指标进行降维处理得到相应综合指标，再利用隶属函数法结合综合指标计算植物的抗性得分来判定植物的耐涝性是一种有效的评价方法（任保兰等，2021）。本研究采用主成分分析对5个生姜品种的生长生理等12个单项指标进行降维处理，转化为3个独立的综合指标，对综合指标值及相应的隶属函数值进行加权，得到综合评价值D值，将D值排序即得到各品种的耐涝性排名。从各单项指标与D值的相关分析结果可看出耐涝性与哪些指标的关联性较强，本研究通过绘制相关分析热图将各指标间的相关性可视化，通过颜色差异直观反映相关性强弱。结果表明，株高、茎粗、叶片MDA含量与D值的相关性达显著水平，因此株高、茎粗、叶片MDA含量可作为生姜耐涝品种筛选的主要参考指标。在进行耐涝性评价时若品种数量过多，可通过主要参考指标来大体判断各品种的耐涝性强弱，缩小筛选范围，然后对目标品种进行多指标综合评价，准确判定耐涝性强弱并进行排序。

4 结论

淹水胁迫下，生姜通过维持较高的根系活力，提高自身抗氧化能力来抵御氧化损伤，其中，耐涝性较强的品种通过调节自身生理特性，保持根系尽可能少受损伤，迅速激活体内抗氧化酶活系统，使叶片氧化损伤物质积累较慢，以适应涝害。5个品种中山东大姜耐涝性最强，竹根姜耐涝性最差。株高、茎粗和叶片MDA含量可作为生姜耐涝品种筛选的主要参考指标。