11 个鲜食葡萄品种应对淹水胁迫的光合响应及耐涝性评价*

2022-06-09崔东阳张晓利姜建福刘崇怀张国海

中国果树 2022年6期

崔东阳，刘强，张晓利，姜建福，刘崇怀，张国海

（1 河南科技大学园艺与植物保护学院，洛阳 471023）（2 中国农业科学院郑州果树研究所，河南省果树瓜类生物学重点实验室）（3 河南科技学院食品学院）

葡萄用途广、易栽培、效益高，在我国各省广泛栽培，已成为与第二、第三产业紧密结合的新型产业，在我国农村经济结构调整、乡村振兴和农民脱贫致富中发挥着重要作用[1]。2019 年，我国葡萄栽培面积72.62 万hm2，位居世界第2 位，产量1 419.54 万t，位居世界第1 位，尤其是鲜食葡萄面积和产量多年位居世界首位。近年来随着全球气候变化加剧的影响，极端天气事件发生频繁，洪涝灾害上升成为农业生产的重要灾害[2]，尤其是2021年我国河南、湖北、陕西、山西等多地遭受罕见的极端暴雨洪涝灾害危害，大批良田被淹，葡萄园也不例外，给葡萄种植生产造成了难以估计的损失，部分园区地下水位高、排灌系统缺乏或者失修，葡萄产业面临着洪涝灾害问题的巨大挑战[3]。因此开展耐涝葡萄品种的筛选与选育具有重要的理论和现实意义。耐涝鉴定评价是开展耐涝品种选育的基础，近年来，许多学者开展了耐涝种质的鉴定评价工作，尤其是在玉米、小麦、大豆、西瓜、黄瓜、菊花等大田、蔬菜、花卉作物上研究较多[4-9]，筛选出了一批抗涝性较强的种质材料。国内外学者就淹水胁迫对葡萄品质和机理也开展了部分研究，如Kang 等研究了长期淹水胁迫对韩国主栽品种康拜尔早生和巨峰养分和果实品质的影响，表明淹水胁迫对树体地上和地下部分的生长都有影响，康拜尔早生的养分吸收能力更强，同时淹水胁迫未影响康拜尔早生的果实品质，但使巨峰的单粒重和可滴定酸含量降低，表明康拜尔早生的耐涝能力更强[10]；李艳等研究了不同砧木嫁接的酿酒葡萄赤霞珠对淹水的生理响应，表明砧木可以提高赤霞珠的耐涝性，同时对国内7 个主要砧木品种的耐涝性进行了鉴定评价，表明SO4 砧木耐涝性较好[11-12]；丁慧芳等研究了不同淹水时间对酿酒葡萄美乐光合及根系生理的影响，结果表明淹水会不同程度地降低叶片叶绿素、类胡萝卜素含量和根系活力，且随着淹水时间的增加，植株受损程度增加[13]；Ruperti 等研究了淹水胁迫下葡萄在生理、转录组及代谢水平上的响应，表明葡萄根系在淹水低氧胁迫下代谢产物增加，生长激素等的合成通路受阻，进一步影响根系的生长[14]；Zhu 等对葡萄叶片响应涝渍胁迫的转录组调控网络进行了分析，共有6 837 个差异基因表达，进一步分析表明，这些基因在抗氧化系统、糖酵解和发酵、叶绿素代谢、氨基酸代谢和激素途径中发挥作用[15]。我国是鲜食葡萄生产大国，鲜食葡萄面积占80%以上[16]，目前有关鲜食葡萄水涝胁迫的研究较少，洪涝灾害发生时对鲜食葡萄的影响较大，对国内主栽鲜食葡萄的耐涝性系统评价未见报道。本研究选择11 个主栽鲜食葡萄品种，采用模拟水涝的方式，研究了不同品种对淹水的光合生理响应并对其耐涝性进行综合评价，探明不同品种对淹水胁迫的生理响应机制、筛选耐涝品种，以期为易涝葡萄产区鲜食品种选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及处理

试验在中国农业科学院郑州果树研究所智能温室进行。11 个葡萄品种信息如表1 所示。

表1 供试葡萄品种及其亲本来源信息

模拟淹水方法参考李艳等[11]的方法并稍作修改，具体为：春季将生长基本一致的1 年生自根葡萄幼苗栽植于塑料花盆中，花盆上口直径、下口直径和高度分别为26、22、18 cm，每盆1 株，基质为沙壤土，常规管理。待小苗长至12 片叶完全展开时开始摘心，并抹去多余副梢。于2020 年9 月开始采用“双套盆”的方式模拟水涝胁迫，将花盆放入不漏水的塑料周转箱（规格为70 cm×50 cm×38 cm）中，每个周转箱放置3 盆植株，使周转箱内水面始终保持高于盆土2～3 cm，进行淹水胁迫处理，对照为正常浇水管理。在淹水后第0、3、6、9、12、15 d 观察地上部植株形态变化，观测涝害程度并测定叶绿素含量和光合响应等指标。每个周转箱内3 盆植株为1 次重复，设置3 次重复。

1.2 测定指标与方法

（1）植株形态观察及涝害指数计算。分别于淹水后每隔3 d 观察并统计各品种植株叶片的受害程度及死亡率，直至15 d 大部分品种死亡。参照郭洪等[17]的方法将受害程度分为6 级，根据受害等级及植株数量确定涝害指数。

涝害指数（%）=［Σ（该级数值×各级株数）/（最高级值×总株数）］×100

（2）叶片相对叶绿素含量的测定。使用手持式SPAD 仪（SPAD-502，日本）测定从下往上第8 片成龄叶片的相对叶绿素含量，每片叶片测定10个数据，取平均数。

（3）叶片光合指标的测定。分别于采样期9：00—11：00 采用手持便携光合仪CIRAS-3（PP Systems，美国），测定从基部向上第8 片成龄叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）以及气孔导度（Gs）的相关数据，淹水处理和对照均设置3 次重复，测试条件控制光强为（1 000±50）μmol·m-2·s-1，CO2浓度为（360±20）μL/L，温度为（26±1）℃。

（4）叶片叶绿素荧光响应指标的测定。分别于采样期上午采用便携式调制叶绿素荧光仪PAM-2500（WALZ，德国）测定叶片的叶绿素荧光参数，叶片选择同光合指标测定。叶片暗适应20 min后，开启检测光（0.15 μmol·m-2·s-1）得到叶绿素荧光参数初始荧光Fo，饱和脉冲光（4 000 μmol·m-2·s-1，0.8 s）测得最大荧光（Fm），计算最大光化学效率（Fv/Fm）。

Fv/Fm＝（Fm－Fo）/Fm

（5）隶属函数分析。隶属函数计算参照曾宪海等[18]的方法进行，并对各指标隶属函数值累加求平均，平均值越小，其耐涝性越弱，反之则耐涝性越强。

1.3 数据处理

采用Excel 2019 软件进行数据处理，用Origin Pro 9.1 绘图，单因素方差分析和差异显著性检验分析使用SPSS 23.0 软件进行。

2 结果与分析

2.1 淹水对不同葡萄品种植株形态及涝害指数的影响

淹水胁迫过程中，不同葡萄品种响应胁迫的时间也不同。淹水胁迫处理3 d 时，早霞玫瑰、巨玫瑰、美人指和玫瑰香叶片最早出现受害症状，尤其是早霞玫瑰受害症状最明显，其他品种基本上正常生长。淹水至6 d，早霞玫瑰上部叶片开始出现黄化现象，叶柄开始下垂，下部叶片叶尖有干枯，叶片开始失绿变黄。淹水至9 d，早霞玫瑰地上部出现明显的受害症状，叶片基本上彻底萎蔫，叶绿素含量急剧下降，已无正常叶片可以进行光合等指标测定；巨玫瑰、玫瑰香、醉金香叶片萎蔫，开始出现黄化，叶片叶尖干枯。淹水至12 d，早霞玫瑰植株干枯，已全部萎蔫死亡；巨玫瑰、玫瑰香、醉金香地上部萎蔫严重，叶柄下垂，全部叶片变黄，底部叶片干枯；克瑞森无核、户太8 号、紫甜无核、美人指开始出现受害症状；夏黑、阳光玫瑰、深红无核表现出较强的耐涝性。淹水至15 d，夏黑、阳光玫瑰、深红无核、克瑞森无核有部分叶片黄化，叶片偏薄，叶绿素含量降低，但并未完全萎蔫死亡。如图1 所示，随着淹水胁迫时间的持续延长，所有供试葡萄品种的涝害指数呈现逐步升高趋势，早霞玫瑰最高，耐涝性最弱；夏黑最低，涝害指数仅为40%，耐涝程度最佳。

图1 淹水对不同葡萄品种涝害指数的影响

2.2 淹水对不同葡萄品种叶片相对叶绿素含量的影响

如图2 所示，不同葡萄品种的叶片相对叶绿素含量均随淹水时间延长呈现下降趋势，淹水15 d下降了15.8%～82.4%。其中早霞玫瑰、巨玫瑰、醉金香、玫瑰香、美人指呈持续下降趋势，早霞玫瑰在淹水6 d 时SPAD 值下降了55.4%，巨玫瑰、醉金香、玫瑰香分别下降了47.0%、54.8%和57.3%，美人指SPAD 值下降幅度较小，与初始值相比仅降低了5.5%。户太8 号在淹水6 d 后SPAD值开始缓慢回升，深红无核和阳光玫瑰分别在淹水9、12 d 后开始上升。

图2 不同葡萄品种淹水处理后叶片相对叶绿素含量的变化

2.3 淹水对不同葡萄品种光合生理指标的影响

淹水对不同葡萄品种净光合速率（Pn）的影响如图3 所示，淹水胁迫下11 个葡萄品种，除夏黑、紫甜无核、醉金香Pn 在淹水3 d 有小幅上升外，其他品种均随淹水时间的延长Pn 呈现下降趋势，至淹水结束下降59.2%～119.5%。早霞玫瑰、玫瑰香Pn 在淹水3 d 时即大幅度下降，与初始值相比分别下降80.5%和53.4%；淹水6 d 时分别下降90.7%和98.6%；淹水9 d 时，早霞玫瑰的Pn 已降至负数，基本丧失光合能力。紫甜无核、巨玫瑰、美人指、醉金香在淹水6 d 时，Pn 开始明显下降，之后呈持续下降趋势，早霞玫瑰、玫瑰香、醉金香、美人指、巨玫瑰叶片由于受涝害严重，淹水12 d 时全部萎蔫无叶片可测定。阳光玫瑰、夏黑、深红无核、克瑞森无核和户太8 号淹水6 d 时Pn 虽下降至最低，之后略有上升并保持在较低水平，并未明显受持续淹水的影响，对淹水胁迫表现出了一定的适应能力，说明耐涝性优于其他品种。

图3 不同葡萄品种淹水处理后净光合速率的变化

淹水对不同葡萄品种蒸腾速率（Tr）的影响如图4 所示，Tr 的变化规律与Pn 较一致，随着淹水胁迫加剧Tr 显著下降，至淹水结束下降62.1%～94.6%。阳光玫瑰、克瑞森无核、深红无核、玫瑰香和早霞玫瑰在淹水3 d 时Tr 下降明显，但阳光玫瑰、克瑞森无核、深红无核在淹水超过9 d 后以较低的Tr 保持生长，玫瑰香和早霞玫瑰则在淹水9 d 后出现了严重的萎蔫和干枯，表现出较低的耐涝程度。

图4 不同葡萄品种淹水处理后蒸腾速率的变化

气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道，气孔导度对于水涝胁迫的响应最为敏感[19]。不同葡萄品种气孔导度（Gs）对于淹水胁迫的响应不同，如图5 所示，随着淹水时间的延长，所有品种叶片Gs 均显著下降。在淹水第6 d 下降幅度最大，所有品种的降幅均超过63.6%。醉金香、美人指、玫瑰香和早霞玫瑰在淹水第6 d 分别比淹水0 d 时下降了76.9%、84.0%、87.9%和91.9%。在淹水后期阳光玫瑰、夏黑、克瑞森无核、深红无核的Gs 维持在较低的水平，其他品种则持续下降，下降67.3%～98.7%。

图5 不同葡萄品种淹水处理后气孔导度的变化

CO2为光合作用提供直接的碳源，因此胞间CO2浓度（Ci）是影响植物光合作用的重要因素[20]。淹水对不同葡萄品种Ci 的影响如图6 所示，随着淹水时间延长，各品种Ci 均有所增加，除早霞玫瑰外，其他品种Ci 在淹水第9 d 达到最大。其中，美人指和醉金香增幅最大，分别增加122.6%和106.2%，夏黑、紫甜无核增幅最小，分别为24.2%和37.6%。这可能与气孔关闭、蒸腾速率降低有关。

图6 不同葡萄品种淹水处理后胞间CO2浓度的变化

水分利用率（WUE）是植物光合速率与蒸腾速率的比值，由于蒸腾速率下降速度大于净光合速率的下降速度，因此WUE 呈现上升趋势。淹水对不同葡萄品种WUE 的影响如图7 所示，随着淹水处理时间延长，除了克瑞森无核、户太8 号和早霞玫瑰外，其他品种WUE 均呈先上升再下降的趋势，在淹水第3 d 时美人指增长81.6%，之后开始下降，至淹水结束不同品种WUE 减少29.8%～86.7%。

图7 不同葡萄品种淹水处理后水分利用率的变化

2.4 淹水对不同葡萄品种最大光化学效率（Fv/Fm）的影响

Fv/Fm 为PSⅡ最大光化学量子产量，用于指示植物受到胁迫的程度，当植物受到胁迫时PSⅡ反应中心原初光能转化效率大幅度下降，植株受损伤严重[21]。如表2 所示，所有葡萄品种叶片的最大光化学效率（Fv/Fm）随着淹水时间的延长呈下降趋势。尤其是早霞玫瑰、玫瑰香在淹水第3 d 时分别下降10.5%、12.6%；淹水第6 d 时分别下降76.7%、35.9%；在淹水第9 d 时，早霞玫瑰因无正常生长的叶片无法测定其最大光化学效率，玫瑰香下降66.8%，随着淹水时间的延长呈现快速下降趋势。醉金香、美人指淹水第3 d 和第6 d 分别下降4.1%、9.0%和8.2%、28.0%，下降趋势相对缓慢，夏黑、阳光玫瑰、深红无核、克瑞森无核、紫甜无核呈现先下降再缓慢上升趋势。

表2 淹水胁迫下不同葡萄品种最大光化学效率的变化

2.5 不同葡萄品种耐涝性隶属函数分析

利用上述8 项生理指标进行隶属函数分析，根据隶属函数值的平均值大小对供试葡萄品种的耐涝性进行排序，平均隶属函数值越大则耐涝性越强。从表3 可以看出，根据平均隶属函数值得出耐涝性由强到弱依次为夏黑＞阳光玫瑰＞深红无核＞克瑞森无核＞紫甜无核＞户太8 号＞巨玫瑰＞美人指＞醉金香＞玫瑰香＞早霞玫瑰。综合评价表明：夏黑耐涝性最强；阳光玫瑰、深红无核、克瑞森无核、紫甜无核的数值较为接近，耐涝性次之；户太8号、巨玫瑰、美人指、醉金香、玫瑰香的数值较为接近，耐涝性一般；早霞玫瑰的综合评价数值最低（0.294），且远远低于夏黑的数值（0.530），耐涝性最弱。

表3 淹水胁迫下各葡萄品种生理及各项光合指标的隶属函数值

3 讨论

水分是影响植物生长发育最主要因子之一，在参与植物新陈代谢、物质运输、维持植物固有形态和正常体温方面发挥着重要的作用[22]。水分过多或者过少均对植物的生长发育不利，土壤中水分过少会造成亏缺胁迫，使植株发生萎蔫，抑制植物生长，而水分过多就会引发涝害胁迫，使植物根际缺氧，造成植物体内水分平衡失调，影响其矿质营养的吸收、根叶中氮和碳水化合物的代谢，进而影响植物的生长发育、品质和产量，严重的还会导致植物死亡[23-24]。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素之一，随着淹水程度进一步加剧，叶绿素含量降低。有研究表明，水涝发生后叶绿素含量降低，并且随着水涝胁迫的加深，叶绿素含量显著下降[19,25-27]。这是因为植物叶绿素合成相关酶活性降低，叶绿素合成能力降低造成的[28]。本研究中早霞玫瑰、玫瑰香、巨玫瑰、醉金香、美人指的叶绿素含量急剧下降，其他品种的叶绿素含量下降较缓和，不同品种在受到胁迫时叶绿素受到的破坏程度不同，这与李艳等[12]的研究结果相一致。叶绿素含量的降低会导致光合能力大幅度下降[28]，导致其净光合速率、蒸腾速率以及气孔导度受到极大的影响。本研究中变化幅度最大的为气孔导度，在受到水涝胁迫时，开放气孔急剧减少，气孔导度降低，细胞间CO2浓度大幅上升，水分利用率先上升之后下降，蒸腾速率下降严重，净光合产物减少。不同品种的下降幅度不同，夏黑、阳光玫瑰、深红无核、克瑞森无核、户太8 号的各项光合指标在淹水前6 d 下降幅度较大，之后维持在一个较低的水平，其他品种则呈现持续下降的趋势。有研究认为，耐淹的植物在淹水前期Pn 下降，但之后随着淹水时间的增加，会产生一定的适应性，逐渐恢复正常或者维持在一定的水平，而不耐淹的植物Pn 会一直下降，本研究的趋势也与前人的研究基本相同[29-30]。

叶绿素荧光参数的变化反映了外界胁迫对光系统Ⅱ的损伤程度，正常情况下最大光化学效率（Fv/Fm）在0.8 左右，在胁迫条件下降低[31]。整体上11 个葡萄品种的Fv/Fm 在淹水过程中持续下降，与净光合速率的下降趋势一致，其中早霞玫瑰Fv/Fm 降幅较大，夏黑降幅最小，说明早霞玫瑰受淹水胁迫影响较大，光系统Ⅱ受到损伤，进而降低了其活性和光合效率，而夏黑的光系统Ⅱ的损伤程度较小，表现出对淹水胁迫有较强的适应性。早霞玫瑰耐涝性弱，对于易涝地区及地下水位浅的地方不适宜栽培。夏黑葡萄原产地为日本，属于无核三倍体欧美杂种品种，早熟性好，扦插易生根，同时抗性和生长势强，很多地区使用夏黑作砧木来嫁接葡萄新品种，在一些地下水位浅或者易积水地区栽培葡萄时可以使用夏黑作为砧木进行嫁接栽培。

淹水胁迫对葡萄成龄叶叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度以及气孔导度、水分利用率、最大光化学效率等都有一定的影响，很难用单一指标准确地对其耐涝性进行评价。隶属函数法是品种筛选最常用的评价方法之一，通过采用模糊数学中的隶属函数法，把各项指标进行隶属函数值转化，再对其指标加和求平均数，进而较为可靠地对其耐性进行评价[32]。近年来，隶属函数法在辣木[33]、水稻[34]、桃[35]、猕猴桃[36]、枣[37]等作物耐涝性鉴定评价中均得到了广泛的应用。

淹水胁迫下，不同鲜食葡萄品种的相对叶绿素含量、光合指标及叶绿素荧光参数均表现出不同程度的下降趋势，不同品种对淹水胁迫的响应不同，本试验中隶属函数分析结果表明，11 个葡萄品种的耐涝性由强到弱依次为夏黑＞阳光玫瑰＞深红无核＞克瑞森无核＞紫甜无核＞户太8 号＞巨玫瑰＞美人指＞醉金香＞玫瑰香＞早霞玫瑰，目前我国大面积发展的夏黑和阳光玫瑰耐涝性最强，而早霞玫瑰耐涝性最弱。