淹水胁迫对不同种源流苏树幼苗光合与叶绿素荧光参数的影响

穆寅生，刘文静，张鸽香

(南京林业大学 风景园林学院，江苏 南京 210037)

流苏树(Chionanthusretusus)为木犀科(Oleaceae)流苏树属(Chionanthus)落叶乔木或灌木，在我国南北均有栽培。流苏树观赏价值、经济价值和药用价值较高，近年来在园林景观应用中得到大力推广。流苏树花型纤细、气味芳香，是园林绿化中的优选树种；且流苏树的嫩叶及花可作为良好的药用材料[1]，其木材可制作器材和用作细木工[2]，果实则是油脂工业原料[3]。

近年来，随着极端气象事件增多，我国城市暴雨内涝灾害频发，严重影响了城市绿化环境[4]，雨后积水成为城市绿化树种的胁迫因素之一。植物的生长离不开水分，但过多的水分则会抑制植物根系对氧气的吸收，进而影响植物正常生长发育和营养吸收利用。叶片是植物光合作用的主要场所，对外界胁迫比较敏感，因此利用叶片的光合和叶绿素荧光参数来研究植物在淹水胁迫下的生长情况很有价值[5]。在淹水胁迫对植物叶片光合和叶绿素荧光参数的影响方面，许楠等[6]比较了风箱果(Physocarpusamurensis)和引种紫叶风箱果(Physocarpusopulifolius)淹水胁迫下叶片光合和叶绿素荧光参数的差异；江皓等[7]对中山杉(Taxodiumhybrid)叶片的光合曲线、叶绿素快相荧光曲线及其参数进行了测定分析；仲磊等[8]研究了北美枫香(Liqui-dambarstyraciflua)的光合和荧光参数等生理指标，并分析其耐涝机理。但目前关于淹水胁迫对流苏树叶片光合和叶绿素荧光参数影响的研究还较少。为此，本研究以3个种源流苏树幼苗为试验材料，分析淹水胁迫对流苏树叶片光合和叶绿素荧光参数的影响，比较了3个种源流苏树的耐涝性，以期筛选出耐淹能力较强的种源，为流苏树在湿地及其周边环境中的应用奠定一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2018年10月下旬从河南焦作、江苏宿迁和山东临沂3个种源地引进2年生流苏树种苗，用花盆栽植于南京林业大学园林试验教学示范中心空地进行统一管理。

1.2 试验设计

2019年4月中旬选取长势基本一致、生长健壮的各种源流苏树幼苗，移至玻璃防雨温室进行为期1个月的缓苗，以便幼苗充分适应温室内的生长环境。在试验开始的前一天傍晚给供试流苏树幼苗浇透水，使各盆的土壤相对含水量基本达到饱和。选取长势整齐且健康的3个种源地试验材料共900株，运用随机区组的试验设计方法，将试验区分为4个小区，每个小区包含3个种源，每个种源设定3组重复，每组重复25株幼苗。试验参考前人的研究方法[9-10]及预试验结果设置4个处理：对照组(土壤含水量为田间持水量的75%～80%，CK)、轻度淹水处理(保持水面在盆土高度1/2处，T1)、渍害处理(土壤含水量处于完全饱和状态，盆土表面无积水，T2)、涝害处理(土壤含水量过饱和，水面保持在盆土表面以上6 cm处，T3)。淹水试验于2019年6月4日开始，历时60 d，淹水期间每10 d于上午08：00取样，叶片取样为随机采取自顶叶向下第3～5节完全功能叶片，分成2部分，一部分鲜样用于测定叶绿素含量、光合和叶绿素荧光参数，另一部分立即置于-80 ℃ 冰箱贮存备用。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 叶绿素含量测定 参考高俊凤[11]的方法。取样后立即用去离子水洗净叶片，称取0.2 g，剪碎后放入加有25 mL体积分数95%乙醇的容量瓶中，加盖密封，置于室温下黑暗处，期间不断摇晃容量瓶，充分浸提，至叶片全部变白，然后用体积分数95%乙醇做空白对照，在波长665，649和470 nm下测定各管中样品OD值，根据相应公式分别计算出样品中叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量。

1.3.2 光合基本参数测定 每隔10 d选取晴朗无风天气，于上午 09:00-11:00，采用CIRAS-3型便携式光合仪(HansatechInstrument Ltd.,UK)测定叶片光合参数(净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、气孔限制值(Ls)、胞间CO2浓度(Ci))。从各处理每个种源流苏树中分别选取生长状况良好的3株，每株选择位于主新梢上从上到下第3～5节位且向阳的3个功能叶片，做好标记，以后每次参数测量均用相同叶片。每次测定重复3次，取平均值。测定期间大气CO2浓度为380～420 μmol/mol，有效光合辐射为1 200 μmol/(m2·s)，叶室温度25 ℃，叶室相对湿度75%。

1.3.3 叶绿素荧光参数测定 每隔10 d选取晴朗无风天气，于上午09:00-11:00，选用高速连续激发式荧光仪HandyPEA(HansatechInstrument Ltd.,UK)测定叶绿素荧光参数(最小荧光强度(Fo)、最大荧光强度(Fm)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在光化学效率(Fv/Fo))。测定光强为3 000 μmol/(m2·s)，光源为630 nm红光，记录时程为2 s。测定前用叶夹夹住叶片，避开主叶脉，于暗中适应20 min后推开叶夹即可测定。重复测定3次，取平均值。

1.4 数据处理

利用Excel 2016处理试验数据并绘制图表；SPSS 24.0软件进行差异显著性及主成分分析。利用主成分分析和隶属函数法对3个不同种源流苏树的耐淹水性进行评价[12]。

隶属函数计算公式如下[13]：

式中：X表示某一指标的测定值，Xmin、Xmax分别表示某一指标中的最小值和最大值。

将隶属函数值进行累加并取平均数，根据平均隶属函数值综合评价不同种源流苏树的耐水淹能力。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对不同种源流苏树叶片叶绿素含量的影响

由图1可以看出，随着淹水程度的加重和淹水时间的延长，3个种源流苏树叶片叶绿素含量整体均呈下降趋势，且始终低于对照，其中T3淹水胁迫的变化幅度比T2、T1处理更大，且3个种源流苏树叶片的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量大多在淹水60 d时达到最低值，此时河南种源叶片分别较对照下降17.86%，34.95%和23.87%，江苏种源分别下降28.89%，35.28%和31.00%，山东种源分别下降21.07%，28.87%和23.55%，且均差异显著(P<0.05)。

图1 淹水胁迫下不同种源流苏树叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量的变化

2.2 淹水胁迫对不同种源流苏树叶片光合参数的影响

2.2.1 净光合速率(Pn) 从图2可以看出，淹水胁迫下，河南、江苏和山东种源流苏树叶片净光合速率(Pn)总体呈现下降趋势。河南种源流苏树叶片Pn在T1淹水胁迫下与对照差异不显著，在T2、T3淹水胁迫下较对照有明显下降趋势，其中T2淹水处理50 d时，叶片Pn开始回升，表明流苏树对淹水胁迫有一定的自我调节能力，但随后又下降，较对照下降了46.66%，差异显著(P<0.05)；江苏、山东种源流苏树在不同程度淹水胁迫下Pn均显著小于对照，其中T2处理淹水胁迫50 d时2个种源流苏树叶片Pn同样出现了回升的趋势，随后缓慢下降，较对照分别下降了65.12%和70.57%，均差异显著(P<0.05)。

图2 淹水胁迫下不同种源流苏树叶片Pn的变化

2.2.2 气孔导度(Gs) 由图3可知，随着淹水胁迫程度的加重和淹水时间的延长，河南、江苏和山东种源流苏树叶片气孔导度(Gs)持续下降。河南种源流苏树叶片Gs在T1淹水胁迫下呈先上升后下降的趋势，至淹水结束时与对照差异不显著；在T2淹水胁迫下流苏树叶片Gs呈明显下降趋势，而在淹水50 d时出现回升但仍低于对照，随后迅速下降，最终较对照下降了72.27%，且差异显著(P<0.05)；在T3淹水胁迫下流苏树叶片Gs明显低于对照，至淹水60 d时较对照下降了88.55%，差异显著(P<0.05)。江苏、山东种源在不同淹水胁迫处理下Gs与对照均差异显著(P<0.05), 在T2淹水胁迫50 d时流苏树叶片Gs出现回升，随后迅速下降，至淹水60 d时较对照分别下降51.19%和81.02%。

图3 淹水胁迫下不同种源流苏树叶片Gs的变化

2.2.3 胞间CO2浓度(Ci) 从图4可以看出，随着淹水时间的延长，各种源流苏树胞间CO2浓度(Ci)的变化趋势较为复杂，总体呈现出“下降-上升-下降”的变化趋势。河南种源和江苏种源在T1淹水胁迫下流苏树叶片Ci的变化结果均与对照差异不显著；随着淹水胁迫程度的加深，2个种源流苏树叶片Ci与对照差异显著(P<0.05)。山东种源在不同淹水胁迫处理下，流苏树叶片Ci均与对照呈显著差异(P<0.05)，在T1、T2、T3淹水结束时分别较对照增加了5.50%，13.24%和15.10%。

2.2.4 气孔限制值(Ls) 不同淹水胁迫处理对不同种源流苏树叶片Ci的影响见图5。

图5 淹水胁迫下不同种源流苏树叶片Ls的变化

如图5所示，淹水胁迫下，河南、江苏和山东种源流苏树叶片气孔限制值总体(Ls)呈先上升后下降再上升的趋势，河南、江苏种源流苏树叶片Ls在T1淹水条件下与对照差异不显著，随着淹水程度加重和胁迫时间延长，下降幅度越来越大。山东种源流苏树叶片Ls在不同淹水胁迫处理下均与对照差异显著(P<0.05)，且自胁迫40 d起至胁迫结束时始终低于对照，其中在T3处理下Ls下降幅度最大，在淹水60 d时Ls较对照下降了28.57%。

2.3 淹水胁迫对不同种源流苏树叶片叶绿素荧光参数的影响

2.3.1 最小荧光强度(Fo)和最大荧光强度(Fm) 由图6可以看出，随着淹水时间的延长和淹水程度的加重，3个种源流苏树叶片Fo均呈上升趋势。在T1淹水处理下，整个胁迫期间河南种源流苏树叶片Fo与对照相比无明显变化，在T2、T3淹水处理下出现显著上升。在不同淹水处理下，江苏和山东种源流苏树叶片Fo均与对照差异显著(P<0.05)。在T3淹水条件下，河南、江苏和山东种源流苏树叶片Fo变化幅度较T1、T2处理更大，在淹水60 d时分别较对照上升60.30%，83.90%和84.74%，差异显著(P<0.05)。

图6 淹水胁迫下不同种源流苏树叶片Fo的变化

由图7可以看出，3个种源流苏树叶片Fm的变化趋势与Fo相反，大多呈持续下降趋势。对河南、江苏种源而言，在T1淹水胁迫期间，流苏树叶片Fm与对照相比均无明显变化，而在T2、T3淹水胁迫处理60 d时，流苏树叶片Fm分别较对照下降30.13%，37.91%和34.63%，43.09%，差异显著(P<0.05)。山东种源流苏树叶片Fm在不同处理淹水胁迫初期与对照相比无显著差异，在胁迫处理30～40 d开始出现明显变化，在淹水胁迫60 d时达到最小值，分别较对照下降33.40%，45.29%和44.09%，差异显著(P<0.05)。

图7 淹水胁迫下不同种源流苏树叶片Fm的变化

2.3.2 PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和PSⅡ潜在光化学效率(Fv/Fo)Fv/Fm表示暗适应下最大光化学效率，反映了PSⅡ原初光能的转换效率，自然条件下植物的Fv/Fm值一般恒定在0.83左右[14]。从图8可以看出，在CK条件下，3个种源流苏树叶片Fv/Fm均在0.80～0.85，处于正常水平。T1淹水胁迫期间，河南、江苏种源流苏树叶片Fv/Fm与对照相比无明显变化；在T2和T3处理下，随胁迫时间延长流苏树叶片Fv/Fm均呈下降趋势，胁迫60 d时分别较对照下降了25.29%，32.34%和33.08%，39.92%。山东种源流苏树在不同淹水胁迫处理下叶片Fv/Fm降幅更大，与对照相比，T1、T2、T3处理60 d时分别下降了23.32%，44.53%和53.62%，差异显著(P<0.05)。

图8 淹水胁迫下不同种源流苏树叶片Fv/Fm的变化

Fv/Fo是光化学反应状况的重要评价参数，反映了PSⅡ的潜在活性。由图9可以看出，3个种源流苏树叶片Fv/Fo随淹水时间的延长和淹水程度的加重明显下降。江苏种源流苏树叶片Fv/Fo在T1淹水条件下的整个胁迫期间与对照无显著差异，在T2、T3淹水条件下较对照明显下降，胁迫60 d时流苏树叶片Fv/Fo分别较对照下降了71.98%和81.46%，差异显著(P<0.05)。而河南、山东种源流苏树叶片Fv/Fo在各淹水胁迫下与对照相比均显著下降，其中T3淹水处理的降幅较T1、T2更大，淹水60 d时较对照分别下降了72.14%和84.74%，差异显著(P<0.05)。

图9 淹水胁迫下不同种源流苏树叶片Fv/Fo的变化

2.4 不同种源流苏树耐淹水能力的综合评价

2.4.1 主成分分析 以11个反映流苏树耐淹能力信息的光合和荧光指标的平均值为基础数据，将基础数据标准化处理后进行主成分分析[15]，以特征值和贡献率为标准来提取主成分，结果见表1。由表1可以看出，前2个主成分的特征值均大于1，累积贡献率达100%。第1主成分贡献率达81.305%，代表了原来11个指标81.305%的信息，以R≥0.300的特征向量为标准，选取该主成分的代表特征向量。由表2可知，可选特征向量为叶绿素a含量、总叶绿素含量、Fv/Fm、Fv/Fo、Pn、Gs、Ci和Ls。第2主成分贡献率达18.965%，该主成分中叶绿素b含量、Fo、Fm负荷量较高。

表1 淹水胁迫下流苏树幼苗11个指标的主成分分析结果

表2 流苏树幼苗抗淹水指标的负荷量

2.4.2 隶属函数分析 采用模糊数学隶属函数公式对测定指标进行定量换算，然后将各测定指标隶属函数值取平均值，通过平均值大小对河南、江苏和山东种源流苏树的耐淹能力进行比较[12]。根据主成分分析结果，共筛选出8个与流苏树耐淹能力具有较强相关性的指标进行隶属函数分析，分别为叶绿素a含量、总叶绿素含量、Fv/Fm、Fv/Fo、Pn、Gs、Ci和Ls。由表2可以看出，叶绿素a含量、总叶绿素含量与流苏树耐淹性呈负相关，Fv/Fm、Fv/Fo、Pn、Gs、Ci、Ls与流苏树耐淹性呈正相关。将淹水50～60 d时河南、江苏和山东种源流苏树4种水分处理下8个指标的测量数据代入1.4节的公式进行计算，应用隶属函数法对各项指标进行综合评定，结果见表3。由表3可知，3个种源流苏树的耐水淹能力强弱顺序依次为：河南种源>江苏种源>山东种源。

表3 不同种源流苏树幼苗耐淹能力隶属度的综合评价

3 结论与讨论

淹水环境会抑制植物叶片叶绿素的合成，加快叶绿素的降解，耐淹能力强的植物能够在一定程度上控制叶绿素的降幅，因此在淹水胁迫中可通过植物叶片叶绿素含量的变化量来判断植物的耐涝能力[12]。本试验结果显示，随着淹水胁迫时间的延长和淹水程度的加重，各种源流苏树幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均呈下降趋势，这可能是因为在低氧或缺氧环境下，各种源流苏树体内活性氧大量积累，加剧了叶绿体膜的膜脂过氧化，损坏了叶绿素膜系统，从而使叶绿素分解加速，这与前人对泡桐(Paulowniafortunei)、猕猴桃(Actinidiachinensis)、青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)的淹水胁迫研究结果[16-18]相似。在本研究中，T1淹水60 d后，河南、江苏种源流苏树叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量与对照差异不显著，推测这可能是因为夏季正好处于流苏树的旺盛生长季，此时外界气温高，而根部充足的水分条件为流苏树的生长创造了一定的有利条件；山东种源各叶绿素含量指标明显低于对照，可能是由于山东种源流苏树无法忍受高温和淹水的双重胁迫，表明淹水处理对山东种源流苏树幼苗叶片叶绿素含量影响更为显著。

植物光合作用的强弱可以反映其对逆境抵抗能力的大小[19]。本研究发现，淹水胁迫下流苏树叶片Pn和Gs均表现为下降趋势，这与前人对枫杨(Pterocaryastenoptera)和栓皮栎(Quercusvariabilis)的研究结果[20-21]有共同之处。随着胁迫时间的延长和淹水程度的加重，3个种源流苏树的Pn均呈下降趋势，这与对中山杉(Taxodiumhybrid)和薄壳山核桃(Caryaillinoensis)的研究结果[7,22]相同。本试验还发现，各种源流苏树叶片Pn和Gs并不是随着淹水时间的延长而持续下降，如T2处理下，在淹水50 d时，河南、江苏和山东种源叶片Pn和Gs均有不同程度回升，这可能是由于流苏树在淹水过程中产生皮孔，可促进氧气向缺氧根系输送，从而在一定程度上维持了植物的光合能力，这与前人研究[21]结果一致，说明流苏树属于耐淹树种。研究同时发现，T3淹水胁迫下并未出现此现象，说明3个种源流苏树对淹水环境具有一定的调节能力，但只能达到渍害程度，而不能承受涝害环境。Ci和Ls也是光合作用的重要指标，可以根据两者的变化来判断光合速率降低的原因。根据Farquhal等[23]的研究，如果Pn降低的同时，Ci降低而Ls增大，可判定此时Pn的降低是气孔关闭导致的，属于气孔因素限制；若Pn降低的同时，Ls降低而Ci增大，则此时Pn的降低主要是由于非气孔限制因素引起。本研究发现，淹水20～30 d时，流苏树叶片Pn显著下降，而Ci呈上升趋势，Ls呈下降趋势，淹水胁迫已经明显损坏了各种源流苏树幼苗叶片的光合器官，叶肉细胞同化CO2的能力明显下降，气孔即使处于打开状态，CO2也不能及时向叶内扩散，所以此时Pn的降低是由非气孔因素所致，这与前人对风箱果(Physocarpusamurensis)、山杜英(Elaeocarpussylvestris)、铁线莲(Clematisflorida)在淹水胁迫下的试验结果[6,24-25]基本一致。在淹水50～60 d时，总体上各种源流苏树叶片Pn持续下降，而Ls开始上升，Ci迅速下降，推测可能是淹水20～30 d时，流苏树能够通过形成肥大的皮孔等通气组织进行自我生理调节，使得流苏树叶片Pn的下降由单一因素导致，但随着淹水时间的延长，这些通气组织开始变黑、腐烂，气孔限制增加，光合器官被损害，生理调节功能受到严重抑制，此时流苏树叶片Pn的下降可能受到了气孔因素和非气孔因素的双重抑制，从而使流苏树的正常生长受到严重影响，这种变化趋势与前人对鸡爪槭(Acerpalmatum)的研究结果[26]基本一致。总体而言，河南种源各光合参数指标变化幅度小于江苏和山东种源，由此可见河南种源流苏树的耐淹能力更强。

叶绿素荧光参数常用于观察植物在遭受逆境胁迫期间光合作用和生长代谢的一系列变化[27-28]。本试验研究表明，流苏树叶片叶绿素荧光参数和光合参数变化基本一致，但光合参数对淹水胁迫的反应敏感度更大，说明淹水胁迫破坏了PSⅡ光合反应中心，使光合转换效率降低，造成淹水期间整个光合性能下降[29]。在整个淹水胁迫的过程中，河南、江苏和山东种源的Fm、Fv/Fm和Fv/Fo均明显下降，Fo则明显上升，说明淹水胁迫降低了PSⅡ原初光能转换效率和PSⅡ潜在活性，抑制了光合作用的电子传递和光合原初反应过程，使PSⅡ受到了伤害，这与任贵军[14]、童梦莹等[30]、张虎等[31]、梁启等[32]的研究结果相似。各叶绿素荧光参数变化幅度由高至低依次为山东种源、江苏种源、河南种源，说明山东种源在淹水胁迫下适应能力最差。

综上所述，由于植物耐淹机理的复杂性，仅靠单一指标评价其耐淹能力具有明显的局限性，因此可根据植物不同的生理特性，选择多个生理指标鉴定其抗逆性。本研究通过主成分和隶属函数分析对3个种源流苏树的耐淹水能力进行综合评价，覆盖了主成分分析筛选出的8个反映流苏树耐淹能力信息的光合和叶绿素荧光参数，最终得出3个种源流苏树耐淹能力强弱排序为河南种源>江苏种源>山东种源。