淹水胁迫对星花玉兰及其品种光合特性的影响

杜习武 秦 俊 叶 康 胡永红 陶懿伟 彭勇政沈雁翔 梁 言 曾 丽*

（1. 上海交通大学农业与生物学院，上海 200240；2. 上海辰山植物园，上海 201602；3. 上海城市树木生态应用工程技术研究中心，上海 200020）

木兰科（Magnoliaceae）植物是公认的“叶花果兼美、色香韵皆妙”的优良园林绿化树木类群，在我国有着悠久的园林应用历史，在园林绿化中应用广泛。但是木兰科原生种类多以高大乔木为主，移栽存活率低，使其应用受到限制，而灌木型玉兰因具有植株矮小、移栽容易，园林应用形式灵活等优势得到越来越多的关注与应用。星花玉兰（）为玉兰属（）低矮的灌木类型，分枝密集，树冠饱满，花量大，尤其花为星芒状，不同于其他种类的玉兰，因此具有更高的观赏价值和园林应用价值，开发利用前景可观。但由于我国南方地区降雨量高，季节分布不均匀，且在城市园林绿化地中常由于排水不良易出现水涝现象，影响星花玉兰的生长，限制其在城市园林绿化中的应用。

淹水胁迫是植物受到的主要逆境之一，淹水会导致植物根系对水分的吸收速率下降，气孔关闭，蒸腾作用降低，CO扩散阻力增加，碳水化合物大量消耗，光合酶活性和PSⅡ反应中心活性降低，叶绿素加速分解，净光合速率和光化学量子效率降低等现象。其中光合特性是反应植物在逆境下受伤害程度的重要指标，国内外有关淹水胁迫的光合响应机制研究较多。

目前围绕星花玉兰的研究主要在野生自然杂交、种子繁育方法、野生幼苗发育条件、生境的自然演替，以及遗传多样性的研究等方面，对星花玉兰耐涝性研究较少。王晶等在生长及外观形态层面进行耐涝性评价。有关星花玉兰及其品种在淹水胁迫下光合生理响应方面的研究尚未见报道。因此，本文以星花玉兰及其品种为试验材料，研究淹水胁迫下光合特性变化，以期了解星花玉兰及其品种在淹水胁迫下的光合响应规律，为筛选出适应南方湿涝地区或易积水地区栽植的星花玉兰品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于上海辰山植物园试验地（31°4′N、121°11′E）内进行，属亚热带季风性气候，年平均气温为15.6 ℃，最低温度−8.9 ℃，最高温度37.6 ℃，年降水量为1 213 mm，四季分明，日照充足，雨量充沛。

1.2 供试材料

以星花玉兰、‘菊花’玉兰（‘Chrysan⁃themiflora’）、‘贝蒂’玉兰（‘Bety’）、‘皮鲁埃特’玉兰（‘（Mag’s）Piroutte’）及‘朱迪’玉兰（‘Ju⁃dy’）（以下分别简称为菊花、贝蒂、皮鲁埃特及朱迪）为试验材料。菊花为星花玉兰实生选育品种，皮鲁埃特为星花玉兰与柳叶玉兰（）杂交品种，贝蒂和朱迪为星花玉兰与紫玉兰（）杂交品种。星花玉兰及其品种为3年生嫁接苗，砧木均为望春玉兰（）；供试植物生长健康，无病虫害发生。栽培容器为535 mm×360 mm 塑料花盆，栽培基质为（园土）∶（草炭）∶（介质土）=5∶2∶3。

1.3 试验方法

试验于2020 年9 月22 日进行，选取生长健壮植株作为试验材料，设置2个处理：①对照：正常浇水（CK），每个品种5 株；②淹水处理（FL），每个品种25 株，共150 株。淹水处理用双套盆法，淹水高度为土壤表面。淹水植株进行淹水处理28 d，对照植株正常浇水。对照组用于光响应曲线测定分析，其余测试指标以淹水0 d作为对照。

在淹水处理第0、1、3、7、14、21、28 d 时分别采样。从各品种处理组3 株上分别取同一部位的5枚成熟、健康叶片，放入内含湿巾的自封袋中，密封运至实验室。后避开叶脉剪取0.1 g叶片于试管中，加入10 mL 体积分数95%乙醇，避光浸提48 h直至叶片无颜色，取200 μL提取液至酶标板中，用酶标仪（Tecan Infinite M200 Pro）测定其在波长为663、645 nm 下的值重复3 次，取平均值。叶绿素含量的计算：

叶绿素a含量=（13.95×−6.8×）×0.01/0.2（1）

叶绿素b含量=（24.96×−7.32×）×0.01/0.2（2）

总叶绿素含量=（18.16×+6.63×）×0.01/0.2（3）

采样时间和方法与测定叶绿素方法相同，使用叶面积仪Li-3000A 进行叶面积测定，然后立即将样品于烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃下烘干24 h 至恒质量，并称其干质量。由叶片叶面积与干质量的比值求得比叶面积。

在淹水处理的0、1、3、7、14、21、28 d 测量叶片的气体交换参数，每测量时间点测量3 株，测定时间为上午09：00—11：00。每次固定选取植株中部枝条从顶端向下的第3枚完全展开的成熟叶片，用LI-6400 光合测定仪（LI-COR Inc，USA）测定，采用标准LI-COR 叶室，红蓝光源（6400-02LED 光源），设定光照强度为1 400 μmol·m·s和空气流速为500 μmol·s，重复3 次。测定内容包括净光合速率（）、蒸腾速率（）、气孔导度（）、胞间CO浓度（），计算水分利用效率（），为净光合速率与蒸腾速率的比值。

淹水处理第9～11天连续3 d利用Li-6400便携式光合仪对淹水处理和对照植株进行光响应曲线测定，于09：00—11：00 选取植株树中部枝条朝向一致、叶位相同、健康完整的叶片进行测定，每个品种测定3 株，每株选取3 片叶。使用开放式气路。温度控制在（25±1）℃。光响应曲线测定的光强依次为1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol·m·s，测定不同光强下的净光合速率。测定前使用1 800 μmol·m·s光强诱导30 min，使叶片充分光适应。每个光强下适应2～3 min，数据稳定后记录。每个测定重复5 次。采用非直角双曲线模型进行光响应曲线拟合，公式为：

式中：（）为净光合速率（μmol·m·s）；为光合有效辐射（μmol·m·s）；为初始量子效率（μmol·μmol）；为最大净光合速率（μmol·m·s）；为暗呼吸速率（μmol·m·s）；为非直角双曲线模型的曲角。

淹水处理的0、1、3、7、14、21、28 d 使用MINIPAM便携式调制叶绿素荧光仪（德国WALZ公司）测量植株叶片的荧光特性，叶片选择与光合 参数相同。经过30 min暗适应，使用小于0.05 μmol·m·s测定初始荧光，施加饱和脉冲光（4 000 μmol·m·s，0.6 s）测得最大荧光并计算PSⅡ最大光化学量子产量（/），在自然光下充分光适应30 min 后测得PSⅡ有效光化学量子产量（）。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2019初步处理，方差分析与光响应曲线模型的拟合使用SPSS 22.0 软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫下叶绿素的变化

由图1 可知，淹水前（0 d）各品种总叶绿素含量为：朱迪>贝蒂>皮鲁埃特>星花玉兰>菊花。随着淹水处理时间的增加，菊花和皮鲁埃特叶绿素a含量无显著性变化；贝蒂、朱迪和星花玉兰的总叶绿素含量分别在7、28 d 时出现不同程度的下降，与0 d 相比下降幅度分别为74.12%、30.24%和38.76%。叶绿素a 含量与总叶绿素b 含量的变化规律与总叶绿素含量的变化规律类似。

图1 淹水胁迫对星花玉兰及其品种叶绿素含量的影响不同小写字母表示同一处理时间不同品种间差异显著（P<0.05）；不同大写字母表示同一品种不同处理时间差异显著（P<0.05）Fig.1 Effect of flooding stress on the chlorophy Ⅱcontent of Y.stellata and its cultivars The different lowercase letters indicate significant difference between different cultivars at the same time treatmen（tP<0.05）；Different uppercase letters mean that there is significant difference between different days treatment of the same cultiva（rP<0.05）

2.2 淹水胁迫下比叶面积的变化

由图2可知，淹水胁迫下不同星花玉兰品种的比叶面积变化趋势不同，菊花比叶面积显著降低，下降幅度为49.96%，贝蒂、皮鲁埃特、星花玉兰和朱迪比叶面积无显著性降低，下降幅度分别为：5.9%、8.8%、6.2%和7.4%。

图2 淹水胁迫对星花玉兰及其品种比叶面积的影响不同大写字母表示同一处理天数不同品种间差异显著（P<0.05）；不同小写字母表示同一品种不同处理时间差异显著（P<0.05）；下同Fig.2 Effect of flooding stress on the leaf area of Y.stellata and its cultivars The different uppercase letters indicate significant difference between different cultivars at the same time treatmen（tP<0.05）；Different lowercase letters mean that there is significant difference between different days treatment of the same cultiva（rP<0.05）；The same as below

2.3 淹水胁迫下光合参数的变化

由图3 可知，处理前各品种之间无显著性差异。处理1 d 导致显著下降。3～7 d 时，除贝蒂外，其余品种均回升。14 d 时除菊花外，其余品种值又有较大幅度下降。在淹水处理期间，菊花、贝蒂、皮鲁埃特、星花玉兰和朱迪下降幅度分别为：69.3%、89.0%、59.7%、72.8%和76.3%。各品种的变化规律与相似，均在1 d 时显著下降，3 d时显著上升，7～14 d时大幅度降低。28 d时为：菊花>皮鲁埃特>星花玉兰>朱迪>贝蒂。

图3 淹水胁迫对星花玉兰及其品种光合参数的影响Fig.3 Effect of flooding stress on the leaf area of Y.stellata and its cultivars

淹水胁迫下菊花和星花玉兰的变化规律与类似，贝蒂和朱迪则是在1 d 时上升之后下降，皮鲁埃特呈下降趋势。各品种值的变化总体随淹水处理先上升后下降再上升，但各品种发生的时间节点不一致。在淹水胁迫过程中，皮鲁埃特变化幅度小；其余品种均处于下降趋势，但在14 d时升高。

由图4 可以看出，星花玉兰及其4 个品种光响应曲线变化趋势基本一致，净光合速率均随着光合有效辐射的增加而不断升高，淹水导致了净光合速率的明显下降。

图4 淹水胁迫对星花玉兰及其品种光响应曲线的影响A.菊花；B.贝蒂；C.皮鲁埃特；D.星花玉兰；E.朱迪Fig.4 Light response curve of Y.stellata and its cultivars under flooding stress A.Y.stellata‘Chrysanthemiflora’；B.Y‘.Bety’；C.Y‘.（Mag’s）Piroutte’；D.Y.stellata；E.Y‘.Judy’

对各品种的光响应曲线分析表明（见表1），淹水胁迫对星花玉兰及其品种的光响应参数产生了显著影响，最大净光合速率在淹水处理后均显著低于对照，处理组为：菊花>皮鲁埃特>朱迪>星花玉兰>贝蒂，与CK 相比，下降幅度分别为：21.3%、29.5%、12.7%、34.4%和44.6%。各品种表观量子效率对淹水处理有不同的响应，其中菊花、贝蒂和星花玉兰的与对照相比显著降低，皮鲁埃特与对照相比无显著性变化，朱迪显著升高，升幅为94.5%。淹水导致菊花和星花玉兰的升高，贝蒂和朱迪降低，皮鲁埃特无显著性变化。菊花和皮鲁埃特的暗呼吸速率为处理组高于对照组，贝蒂、朱迪和星花玉兰在淹水处理后显著降低。

表1 水淹胁迫下星花玉兰及其品种的光响应曲线参数Table 1 Characteristic parameters of light response curve of Y.stellata and its cultivars under flooding stress

2.4 淹水胁迫下叶绿素荧光参数的变化

由图5可知，皮鲁埃特与朱迪在淹水胁迫下整体下降幅度分别为8.4%和24.7%。菊花、贝蒂和星花玉兰则下降幅度较大，分别为76.7%、85.7%和64.6%，各品种在淹水胁迫过程中的变化复杂。

图5 淹水胁迫对星花玉兰及其品种叶绿素荧光参数的影响Fig.5 Effect of flooding stress on the chlorophyll fluores⁃cence parameters of Y.stellata and its cultivars

星花玉兰及其品种/在淹水处理过程中均为下降的趋势，菊花、贝蒂、皮鲁埃特、星花玉兰和朱迪下降幅度分别为14.7%、32.9%、18.2%、19.4%和8.8%。

3 讨论

淹水胁迫对星花玉兰及其品种是一个持续的伤害过程，各品种比叶面积呈降低趋势，通常是由于碳同化产物向保卫结构和增加叶肉细胞密度方向积累，有利于减少叶片水分散失和提高光合效率，这与前人研究结果一致。贝蒂在淹水处理期间，呈持续降低趋势，在3 d 时持续下降、保持不变，表明其由气孔限制因素向非气孔限制因素转变，此时叶绿素含量也显著降低。14～21 d和/降低，PSⅡ系统受害。在21～28 d时，含量显著增加，表明此时暗反应受阻，CO的同化和固定受到影响，此时水分利用效率较低，也是导致其低净光合速率的原因。

除贝蒂外，其他4 个品种净光合速率的降幅小，且有回升现象，根据和的变化相同判断为气孔限制因素导致的变化，气孔限制因素主要为蒸腾速率降低和气孔关闭，光合系统未受损害，其叶绿素含量无显著变化，表明菊花、皮鲁埃特、星花玉兰和朱迪可以承受短期淹水胁迫。7～14 d 时降低，PSⅡ反应中心开放比例降低，叶片PSⅡ电子传递能力受到抑制，其降低的趋势与净光合速率降低趋势重合，表明在淹水14 d 光合电子传递链的受阻也是光合速率降低的原因之一，这与许楠等和童梦莹等的研究结果一致。星花玉兰和朱迪在14～28 d下降幅度较大，叶绿素含量、和/均降低，表明的降低可能与电子传递链受阻、PSⅡ光合系统受损和叶绿素含量降低有关；皮鲁埃特和菊花在14～28 d下降幅度较小，主要原因是电子传递受阻，PSⅡ系统受损。淹水胁迫会导致净光合速率显著下降，各品种响应不同，这与前人关于红花玉兰（）、牡丹（）和枫香（）的研究结果一致。皮鲁埃特无明显变化，表明在淹水期间可以维持叶片正常的水分利用。皮鲁埃特与菊花的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量无显著性降低，也表明其受涝害影响较小。

通过光响应曲线模型的拟合，可以得到重要的光合生理参数。是衡量叶片光合能力大小的指标，可以反映植物的光合潜力，经过淹水处理后星花玉兰及其4个品种均显著下降，表明其光合潜力受到限制，与吴海云等和陈玉凤等对甘薯（）和桢楠（）的研究结果一致。和反映对弱光的利用能力，且星花玉兰及其4 个品种处理组均低于20 μmol·m·s，表明这些品种均为阴性植物。而皮鲁埃特和朱迪增加和降低反映对弱光利用能力增强。星花玉兰及其4 个品种均显著降低，限制对光的利用范围。贝蒂、朱迪和星花玉兰淹水处理后显著降低，减少光合产物消耗。

4 结论

本研究结果表明，星花玉兰及其品种在淹水胁迫下，各品种均显著上升，、、不同品种间变化趋势不同，其余指标均显著降低。淹水胁迫对星花玉兰及其品种的影响是一个持续的伤害过程，除贝蒂外4个品种在淹水处理前7 d时，光合速率的降幅小，且主要为气孔限制因素，叶绿素含量无显著变化，其光合系统运转未受损害，表明星花玉兰及其品种可以承受短期淹水胁迫。分析不同品种对淹水胁迫的响应发现，贝蒂受涝害影响较快且受害严重，皮鲁埃特具有较强的光合能力和涝害适应能力。