水分胁迫对棱角山矾生长和生理的影响1)

赵楚 张岳 辛建攀 田如男

(南京林业大学，南京，210037)

棱角山矾(Symplocostetragona)为山矾科(Symplocaceae)山矾属(Symplocos)的优良常绿阔叶乔木树种，又名棱枝山矾、留春树等，原产于湖南、江西等地[1]。该树种观赏性强，适生性广，抗病虫能力强，耐高温，抗污染，并具有一定的耐寒能力，是城市绿化及生态风景林中的新优树种，应用前景广阔。水分是影响园林植物应用的关键因素之一，粗放管理模式下的园林植物更易受到干旱或涝渍的影响[2]。因此，探究棱角山矾生长生理特性，对推广棱角山矾的园林绿化作用具有重要的意义。为了推广棱角山矾优良种源扩繁及高效栽培技术，本课题组已对棱角山矾的繁殖和栽培技术等方面进行了相关的研究[3-5]。舒文将等[6]研究发现棱角山矾是中性树种，50%光强有利于幼苗生长，宜种植于荫蔽环境；邓小梅等[7]发现棱角山矾对SO2和HF表现出较强的抗性，尤其对S污染物具有较强的吸收和净化能力。此外，一些学者也研究了棱角山矾扦插繁殖、播种繁殖及种子休眠机理等[8-9]。本研究通过比较不同水分处理下棱角山矾幼苗生长指标、生物量及细胞膜透性等生理指标的差异，分析水分胁迫对棱角山矾幼苗生长和生理代谢活动的影响，以探讨棱角山矾对水分胁迫的生理适应机理，为棱角山矾的优质栽培管理、园林应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料培养

试验材料为棱角山矾2年生实生苗，购自江苏扬子江林业科技有限公司，在南京林业大学国家级园林实验教学示范中心进行试验。3月初，将幼苗移植于A180盆中(180 D×155 H)，每盆2株，装入1 kg土壤进行缓苗。缓苗后，于4月15日选取生长健壮、无病虫害、长势一致的苗木，对其进行水分胁迫处理。

1.2 试验设计

试验共设5个处理。每个处理16株，重复3次。处理分别为：W1(重度水淹胁迫，双套盆法，水面始终高于土面2 cm左右)、W2(轻度水淹胁迫，双套盆法，水面与土面相平)、W3(对照，土壤含水量为田间持水量的75%左右)、W4(干旱胁迫，土壤含水量为田间持水量的50%左右)、W5(重度干旱胁迫，土壤含水量为田间持水量的25%左右)。试验期间，采用仪器控制水量，每天17:00根据失水质量进行补充水分，使各处理水分稳定在设定范围内。为了消除苗木长大带来的误差，每隔5 d，用仪器(TDR表层式水分探头)测定土壤含水量，并对数据重新调整。

1.3 测定指标及方法

生长指标测定：在试验期间，每天观察、记录植物生长状况。根据植物在水分胁迫下表现，将植物伤害情况分为4个等级：0级(无伤害症状)；1级(轻度伤害，叶尖、叶缘或叶脉变黄、变褐)；2级(中度伤害，叶尖、叶缘、枝条焦枯)；3级(重度伤害，全株茎叶焦枯、根部腐烂，植株死亡)。然后，参照李文明等[5]的方法计算棱角山矾在水分胁迫下的伤害指数。

伤害指数={∑(伤害等级值×相应伤害等级株数)/(总株数×伤害最高等级值)}×100%。

生物量测定：采用全株收获法，用自来水冲去土壤，再用滤纸和吸水纸擦净苗木上的水分，分别称取其根、叶、茎的鲜质量，然后置于牛皮信封中，放入烘箱中，105 ℃杀青，15～20 min后降低烘箱温度，维持80 ℃烘干至恒质量，测定植株根、茎、叶的干质量。

生理指标测定：在处理第10、17、24、31、38 d的上午8:00—9:00，随机从成活幼苗顶端取完全展开的成熟叶片，进行生理指标的测定。叶片叶绿素和类胡萝卜素质量分数采用丙酮乙醇混合液法测定；细胞膜透性采用电导法测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定；可溶性蛋白质量分数采用考马斯亮蓝法；可溶性糖质量分数采用蒽酮比色法测定[10]。

1.4 数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2010进行计算与整理，并采用SPSS 25.0进行方差分析和Duncan多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对棱角山矾幼苗伤害指数的影响

由表1可知，与对照组相比，水分胁迫10 d时，W5处理的棱角山矾幼苗新叶开始萎蔫，W1、W2、W4处理的幼苗正常生长，无明显伤害症状；经W1、W2、W4、W5处理17 d时，幼苗均出现新叶萎蔫甚至叶片枯黄等症状。与对照组相比，随水分胁迫时间的继续延长，各处理组中幼苗伤害指数均呈上升趋势；至胁迫末期，在W1、W2、W4、W5处理下，幼苗伤害指数分别为72.15%、20.12%、32.46%和85.01%；此时，仅轻度水淹胁迫下，幼苗存活率可达100%，而干旱胁迫、重度水淹胁迫都对幼苗的存活率产生一定的影响，尤其是在重度干旱胁迫下，幼苗存活率只有45.27%。由此可见，虽然棱角山矾幼苗对于轻度水淹胁迫具有一定的耐受性，但重度水分胁迫严重妨碍幼苗生长，甚至造成植株死亡。

表1 水分胁迫下棱角山矾幼苗伤害指数的变化

由表2可知，与对照组相比，W1、W2、W4、W5处理10 d对棱角山矾株高无显著影响(P>0.05)。经不同程度水分胁迫17 d时，仅W5处理的幼苗株高比对照组显著降低13.58%(P<0.05)。与对照组相比，W1、W5处理24 d时，幼苗株高分别降低17.10%和13.04%。随胁迫时间的继续延长，各处理组中，棱角山矾幼苗株高均显著低于对照组(P<0.05)；在胁迫末期，各处理组中幼苗株高比对照组分别降低12.90%、5.71%、5.71%和16.63%。

2.2 水分胁迫对棱角山矾幼苗生物量的影响

由表3可知，与对照组相比，经水分胁迫38 d后，W1处理导致棱角山矾幼苗根、茎、叶生物量分别下降18.11%、17.21%和25.93%，W2处理对棱角山矾幼苗各器官(除茎以外)生物量无明显影响，表明重度水淹不利于棱角山矾幼苗生物量积累。同时，干旱胁迫能够明显抑制棱角山矾幼苗生物量的积累。W4处理的幼苗，根、茎、叶生物量比对照组分别下降8.32%、9.13%、31.94%；W5处理的幼苗，根、茎、叶生物量比对照组分别下降22.55%、31.94%、48.15%。此外，与W2处理相比，W4处理的棱角山矾幼苗生物量下降9.95%，W5处理的幼苗生物量也表现为相似的变化规律，表明棱角山矾对干旱胁迫更为敏感。

表2 水分胁迫下棱角山矾株高的变化

表3 水分胁迫下棱角山矾幼苗生物量的变化

2.3 水分胁迫对棱角山矾幼苗叶片光合色素质量分数的影响

由表4可知，5种处理的棱角山矾叶片叶绿素总质量分数随时间的延长呈上升趋势。棱角山矾幼苗经不同程度水分胁迫10 d时，W2处理下棱角山矾幼苗叶片叶绿素总质量分数与对照组无显著差异(P>0.05)，而W1、W4、W5处理则导致幼苗叶片叶绿素总质量分数比对照组分别降低19.63%、15.21%、20.11%。经不同程度水分胁迫17 d、24 d时，各处理与对照组幼苗叶片叶绿素总质量分数均无显著差异。与对照组相比，W1、W5处理31 d时，导致幼苗叶片叶绿素总质量分数分别显著降低34.85%、25.12%；胁迫末期，W1、W2、W4、W5处理组中，叶片叶绿素质量分数分别为对照组的63.86%、81.55%、66.34%和58.84%。

表4 不同处理水平下棱角山矾幼苗叶片叶绿素总质量分数的变化

由表5可知，棱角山矾幼苗经W1、W2处理10 d时，棱角山矾幼苗叶片类胡萝卜素质量分数比对照组分别显著增加14.37%、15.49%，而W4、W5与对照组无显著差异(P>0.05)。与对照组相比，W1、W2、W4、W5处理17 d时，幼苗叶片类胡萝卜素质量分数分别增加22.46%、15.22%、18.55%和63.04%；胁迫24 d、31 d时，各处理幼苗叶片类胡萝卜素质量分数无显著变化(P>0.05)；至胁迫末期，W4、W5处理导致棱角山矾幼苗叶片类胡萝卜素质量分数分别降低18.18%和27.27%。

表5 不同处理水平下棱角山矾幼苗叶片类胡萝卜素质量分数的变化

2.4 水分胁迫对棱角山矾幼苗叶片细胞相对电导率的影响

相对电导率是评价植物细胞膜状态的重要生理指标之一。在胁迫条件下，植物质膜蛋白容易受到损伤，使得细胞膜选择透过性增大，细胞内电解质外渗，从而导致电导率增大[11]。

由表6可知，5种处理下，棱角山矾叶片细胞相对电导率随处理时间的延长呈上升趋势。经不同程度水分胁迫10 d、17 d时，W2处理下棱角山矾叶片细胞相对电导率与对照组无显著差异(P>0.05)；W1、W4、W5处理10 d时，相对电导率分别比同期对照组显著升高16.89%、13.46%、29.88%；W1、W4、W5处理17 d时，相对电导率分别比同期对照组显著升高29.01%、15.17%、41.43%。与对照组相比，W1、W2、W4、W5处理24 d时，各处理组中叶片细胞相对电导率分别比同期对照组显著升高55.46%、22.40%、25.19%、37.87%；W1、W2、W4、W5处理31 d时，各处理组中叶片细胞相对电导率分别比同期对照组显著升高41.25%、17.45%、33.48%、55.95%。在水分胁迫末期，W2处理下棱角山矾幼苗叶片细胞相对电导率降至对照水平，W1、W4、W5处理导致幼苗叶片细胞相对电导率分别比对照组显著升高48.68%、22.27%和58.17%，且W1、W5处理达到同处理组最大值。由此可见，重度水淹、干旱胁迫对棱角山矾叶片细胞膜造成了一定的伤害。

表6 水分胁迫下棱角山矾幼苗叶片相对电导率的变化

2.5 水分胁迫对棱角山矾幼苗叶片细胞渗透调节物质质量分数的影响

由表7可知，除W2处理，其余各处理组的棱角山矾幼苗叶片细胞可溶性蛋白质量分数随时间的延长，总体上呈先上升后下降的趋势。与对照组相比，不同处理10 d时，各处理对棱角山矾幼苗叶片细胞可溶性蛋白质量分数无明显影响(P>0.05)。不同处理17 d时，水淹胁迫对幼苗叶片细胞可溶性蛋白质量分数与对照组无显著差异(P>0.05)；干旱胁迫导致叶片细胞可溶性蛋白质量分数分别比对照组升高14.05%、27.69%。不同处理24 d时，W1处理组中，叶片细胞可溶性蛋白质量分数达到同处理的最大值，且比对照组显著升高45.69%，其余各处理分别比对照组升高14.29%、13.13%和26.00%。随处理时间的继续延长，W1、W5处理组中，叶片细胞可溶性蛋白质量分数分别比对照组显著升高20.57%、30.92%。然而，重度水淹、长期干旱胁迫38 d时，棱角山矾幼苗叶片细胞可溶性蛋白质量分数显著低于对照组(P<0.05)。

表7 水分胁迫下棱角山矾幼苗叶片可溶性蛋白质量分数的变化

由表8可知，与对照组相比，试验期间W2处理对棱角山矾幼苗叶片细胞可溶性糖质量分数无显著影响(P>0.05)，W1、W4、W5处理总体上呈现先上升后下降的趋势。处理10 d时，W1、W4、W5处理，棱角山矾幼苗叶片细胞可溶性糖质量分数分别比对照组显著升高30.00%、25.00%和40.00%；处理17 d、24 d和31 d后，各处理有相似的变化趋势。处理38 d时，W5处理导致幼苗叶片细胞可溶性糖质量分数比对照组显著降低了20.69%。

2.6 水分胁迫对棱角山矾幼苗叶片细胞抗氧化酶活性的影响

由表9可知，处理10 d时，各处理组中，棱角山矾幼苗叶片细胞SOD活性与对照组之间无显差异(P>0.05)。处理17 d时，W1、W5处理组中叶片细胞SOD活性达到同处理组最大值，分别比对照组显著升高17.14%、25.08%，且与其他各处理组均呈显著性差异(P<0.05)。处理24 d时，各处理组中叶片细胞SOD活性与对照组无显著差异(P>0.05)。处理31 d时，W1处理导致叶片细胞SOD活性比对照组显著升高23.83%，而W5处理导致叶片细胞SOD活性比对照组显著降低18.62%。在处理末期，W1、W4、W5处理组中，叶片细胞SOD活性均显著低于对照组，分别是对照组的80.94%、73.91%和68.80%。

表8 水分胁迫下棱角山矾幼苗叶片可溶性糖质量分数的变化

表9 水分胁迫下棱角山矾幼苗叶片SOD活性的变化

由表10可知，处理10 d时，W1、W2、W5处理组中，幼苗叶片细胞POD活性分别比对照组显著升高89.71%、69.63%和103.74%。处理17 d时，W5处理组中，幼苗叶片细胞POD活性比对照组显著升高14.83%。处理24 d时，W1、W5处理组中，POD活性达到同处理组的最大值，分别比对照组显著升高53.03%和36.26%。处理31 d时，W1、W2处理组中，叶片细胞POD活性分别比对照组显著升高41.02%、26.39%，而W5处理下POD活性表现出相反的变化趋势。处理38 d时，W1、W5处理组中，幼苗叶片细胞POD活性分别比对照组显著下降26.10%、35.32%。

表10 水分胁迫下棱角山矾幼苗叶片POD活性的变化

3 结论与讨论

水分是影响植物生长的主要因素之一，当土壤水分含量超过植物的适应范围时，将不利于植物的生长发育，甚至造成植株死亡[12-13]。本研究中，重度水分胁迫早期导致棱角山矾幼苗出现新叶萎蔫、叶片枯黄等受害症状，同时显著抑制其生长发育。这与重度水分胁迫对牡荆(Vitexnegundovar.heterophylla)[14]、红花玉兰(Magnoliawufengensis)[15]等植物生长发育影响的研究结果较为一致，产生这种结果的原因是重度水分胁迫抑制了光合同化物的积累[16]。此外，与重度水淹胁迫相比，重度干旱胁迫导致植株的幼苗存活率、根生物量、茎生物量、叶生物量及总生物量分别降低39.76%、5.42%、17.80%、30.0%和14.87%，因为干旱胁迫对植物细胞的扩大和分裂有抑制作用[17]。棱角山矾幼苗对轻度水分胁迫具有一定的适应能力，在轻度水分胁迫下，棱角山矾幼苗于第17 d开始出现受害症状，且株高31 d时显著下降。与轻度水淹胁迫相比，轻度干旱胁迫下幼苗存活率、茎生物量、叶生物量及总生物量分别降低了16.68%、32.46%、27.59%和9.95%，与邓辉茗等[18]和王朝英等[19]的研究结果相一致，这可能与植物的需水特性有关。棱角山矾主要分布于湖南、江西、福建及浙江等地，喜温暖湿润气候，意味着该树种对干旱胁迫较为敏感，这在本研究中得到进一步证实。

植物叶片色素质量分数的改变是植物适应不良环境的重要特征，也是植物受害程度的重要体现。叶绿素是植物吸收光能并将其转化为化学能的活性物质，叶绿素质量分数的高低是反映植物光合作用强弱的一项重要指标[20]。研究表明，干旱胁迫会抑制叶绿素的生物合成，同时促进叶绿素降解，从而导致植物叶片叶绿素质量分数下降[21-22]。水涝胁迫抑制叶片中Mg2+的吸收[23]，从而导致叶绿素质量分数降低，叶片失绿。本试验中，在水分胁迫初期，与对照组相比，各处理对叶片叶绿素质量分数无明显影响，但在水分胁迫末期，各处理的叶片的叶绿素质量分数比对照组显著下降，与任丽花等[24]和Bayat et al.[25]的研究结果相一致。类胡萝卜素可及时清除叶绿体中活性氧，保护光合器官免受氧化损伤[17，26]。本试验中，在水分胁迫前期(14 d时)，各处理组中叶片类胡萝卜素质量分数比对照组显著升高了23.01%、15.73%、49.00%和63.34%，有利于避免叶片中活性氧的过量积累。在水分胁迫末期(38 d时)，W4、W5处理导致叶片类胡萝卜素质量分数比对照组显著降低18.18%、27.27%，因为长时间的干旱胁迫破坏了活性氧产生与清除之间的动态平衡，使叶绿体受到损伤[27]。

细胞膜的稳定是植物细胞执行正常生理功能的基础，相对电导率是衡量细胞膜透性的重要指标之一，可反映植物细胞膜受伤害程度，相对电导率的值越大，表明细胞膜受损程度越严重[20]。本试验中，棱角山矾幼苗叶片细胞相对电导率随胁迫强度增大和时间延长而增大，尤其是干旱胁迫下表现得更为明显，也表明水分胁迫对棱角山矾叶片细胞膜结构与功能产生了严重伤害。这与水分胁迫下文冠果(Xanthocerassorbifolia)[28]、黑壳楠(Linderamegaphylla)和香樟(Cinnamomumcamphora)[29]等植物叶片细胞相对电导率的变化趋势相一致，表明水分胁迫破坏了棱角山矾幼苗叶片细胞活性氧自由基(ROS)产生与清除之间的动态平衡。

渗透调节是植物响应水分胁迫的一种重要机制，植物可通过增加细胞内溶质浓度降低水势，维持细胞水分吸收能力和膨压，从而保证细胞各项代谢活动的正常进行[30]。可溶性蛋白和可溶性糖是常见的有机渗透调节物质，可溶性蛋白具有较强的亲水胶体性质，可增强细胞保水力[31]，可溶性糖的主动积累可以降低植物细胞渗透势，从而提高植物吸水能力[32]。本试验中，在胁迫至31 d时，除W2处理外，各处理组中，棱角山矾幼苗叶片可溶性蛋白、可溶性糖质量分数总体上比对照组显著上升，与刘佳宁等[27]和赵雪等[31]的研究结果相一致。在水分胁迫末期，幼苗叶片细胞可溶性蛋白、可溶性糖质量分数降低，是因为胁迫程度超出其渗透调节能力范围，植物的生理代谢活动受到抑制。

逆境胁迫会导致植物细胞ROS过量积累，诱发氧化损伤。为了维持正常的细胞功能，植物必须通过抗氧化机制来保持ROS生成与清除之间的动态平衡[33]。SOD和POD是植物细胞中重要的抗氧化酶，可以有效清除细胞中过量积累的ROS。多数研究表明，适度水分胁迫能够诱导植物细胞抗氧化酶活性上升，而胁迫程度加重或时间延长，则会导致细胞抗氧化酶活性逐渐降低，这在对茶树(Camelliasinensis)[34]、无患子(Sapindussaponaria)[35]及侧金盏花(Adonisamurensis)[36]等多种植物的研究中得到证实。本研究发现，水分胁迫下，棱角山矾幼苗叶片细胞SOD、POD活性也表现出相似的变化趋势，表明棱角山矾幼苗叶片细胞在水分胁迫早期可以积极启动抗氧化防御系统清除ROS，减缓细胞遭受氧化损伤。但是，随着胁迫时间的延长，叶片细胞SOD、POD活性显著低于对照组，因为ROS的积累水平超出了抗氧化酶的清除能力，植物细胞活性氧代谢平衡被打破。

综上所述，棱角山矾幼苗通过提高SOD、POD活性和渗透调节物质质量分数，在抵抗轻度水淹胁迫中表现出良好的适应性。同时，在干旱胁迫下，虽然棱角山矾幼苗叶片细胞渗透调节物质质量分数明显增加，但是幼苗仍然出现明显受害症状和细胞膜质过氧化作用加剧；尤其是在胁迫后期，SOD、POD活性与叶片类胡萝卜素质量分数下降，意味着干旱胁迫诱使细胞抗氧化还原系统的调控活性下降，导致ROS产生与清除之间的动态平衡被破坏。因此，棱角山矾幼苗喜湿润土壤，对干旱胁迫较为敏感；在土壤含水率50%至重度水淹(水面始终高于土面2 cm左右)胁迫下成活率超过75%；在土壤含水率75%至轻度水淹(水面与土面相平)胁迫下生长良好。