淹水胁迫及排涝对四种菊科宿根花卉生理特性的影响

刘 洋，韩 涛，张鸿翎，刘集锋

（内蒙古农业大学林学院，呼和浩特 010018）

20世纪以来，随着全球环境不断恶化，生态系统遭到严重破坏，气候异常的加剧，雨量分布不均，导致涝害频发，中国约有2/3国土面积存在不同程度的涝害［1］。我国也把生态文明建设对城市发展的重要性放到了重要的位置，海绵城市、雨水花园等可持续发展的新型理念已不断深入人心［2］，因此研究植物抗涝性机制，选育抗涝性较强的植物，有效解决涝地土地利用问题，已成为未来研究中一个前景广阔的领域。植物正常生长需要水分，但水分高于或低于一定量将引起植物生理方面的变化［3］。土壤淹水胁迫会影响到植物生理生化和新陈代谢，限制植物生长发育甚至导致死亡，淹水胁迫引起植物细胞膜防御系统、抗氧化系统、能量代谢等发生改变，由此适应或减轻缺氧带来的伤害［4］。4种菊科（Compositae）宿根花卉观赏性高、生态适应性强、经济效益高，具有一定的耐寒性，是节约型园林绿化美化的优良之选。为此，试验以4种菊科宿根花卉为研究对象，测定淹水胁迫条件下各项生理生化指标，了解各植物对淹水胁迫的响应及抗性差异，并通过模糊隶属函数法进行分析比较，筛选出抗涝性较强的植物，以期为园林绿化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取宿根天人菊（Gaillardia aristata）、夏菊（Chrysanthemum morifolium）、野菊花（Dendranthema indicum）、千叶蓍（Achillea millefolium）为研究对象。

1.2 试验设计

试验在内蒙古农业大学教学试验温室内进行。挑选整齐一致、生长健壮的花卉，带土球栽于塑料花盆（口径14 cm×高10 cm）中，每盆2株，基质由园土、草炭土、腐熟羊粪（体积比为2∶1∶1）混合配制而成，放置于可通风的塑料大棚内，正常管理2个月，植株生长期间正常浇水。淹水处理时，每种花卉各挑选24盆，并采用双套盆法，分别把苗盆放于12个长1.2 m、宽0.5 m、高0.5 m的塑料水箱中，使水面位于花盆1/2高度处，每天及时补充水分，保证水面高度。试验时间设置为淹水16 d，每隔4 d采样1次，处理分别为CK（对照）、W4（淹水胁迫4 d）、W8（淹水胁迫8 d）、W12（淹水胁迫12 d）、W16（淹水胁迫16 d），淹水胁迫16 d后排涝，每隔2 d采样1次，处理分别为R2（排涝后第2天）、R4（排涝后第4天）。每个时间点采样重复3次，采样时间为上午8：00—9：00。

1.3 指标测定

叶片相对含水量（RWC）采用称重法测定［5］；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定［5］；游离脯氨酸（Pro）含量采用酸性茚三酮比色法测定［5］；可溶性蛋白质（SP）含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定［5］；可溶性糖（SS）含量采用蒽酮比色法测定［5］；叶绿素含量（Chl）采用乙醇提取法测定［6］。

1.4 数据处理与分析

所有指标均重复测定3次，取平均值，采用Microsoft Excel 2010对原始数据进行处理，用SPSS 25.0对数据进行方差分析及主成分分析，用Duncan检验法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 4种菊科宿根花卉叶片相对含水量的变化

从图1可知，4种菊科宿根花卉淹水胁迫初期，相对含水量（RWC）除夏菊外均小幅上升，后期均持续下降。野菊花和千叶蓍变化趋势相似，淹水胁迫W8出现峰值，W16降至最低值，且显著低于CK（P＜0.05），分别比CK降低13.88、12.20个百分点；排涝后，R4处理野菊花和千叶蓍RWC分别为CK的94%、98%，野菊花显著低于CK，千叶蓍与CK比变化不显著（P＞0.05）。宿根天人菊RWC在W4时达到最大值，为94.66%，W16出现最低值，为82.50%；排涝后，R4比对照降低3.98个百分点，显著低于CK（P＜0.05）。夏菊在整个淹水胁迫过程中RWC始终呈下降趋势，W16时RWC为81.40%，是CK的93%，排涝后，RWC逐渐升高，R4时与CK比无显著差异（P＞0.05）。

2.2 4种菊科宿根花卉游离脯氨酸含量的变化

从图2可以看出，在不同水分胁迫下，4种菊科宿根花卉游离脯氨酸（Pro）含量总体来看在不断积累。宿根天人菊CK时Pro含量显著低于其他3种花卉（P＜0.05），W4时出现最大值，是CK的4.84倍。排涝后，Pro含量不断降低，但仍显著高于CK（P＜0.05）。夏菊胁迫过程中Pro积累明显，W4、W8增幅较大，分别为CK的1.85、3.59倍，W16出现最大积累量，是CK的5.52倍。排涝后，Pro含量不断下降，R4下降至765.79 μg/g，但仍显著高于CK（P＜0.05）。野菊花Pro含量逐渐上升，W8达到峰值，是CK的2.47倍。排涝后，Pro积累量明显降低，R4时显著低于CK（P＜0.05）。千叶蓍Pro含量为先降后升的趋势，W4出现最小值，比CK降低24.20%，W16上升为最大值，比CK提高358.82%。排涝后呈逐渐降低趋势，但仍显著高于CK（P＜0.05）。

图2 4种菊科宿根花卉Pro含量的变化

2.3 4种菊科宿根花卉可溶性蛋白质含量的变化

如图3所示，总体来看，宿根天人菊和夏菊可溶性蛋白质（SP）含量变化趋势相似，为先升后降再升，野菊花和千叶蓍的变化趋势为先升后降。宿根天人菊和夏菊在淹水胁迫过程中，SP含量在W4均达到最大值，分别为9.16、16.02 mg/g，W8时分别减少为6.27、5.32 mg/g，夏菊在W12后出现下降趋势。排涝后，SP含量递减，R4处理宿根天人菊和夏菊SP含量分别为4.53、2.19 mg/g，宿根天人菊显著高于CK（P＜0.05），而夏菊显著低于CK（P＜0.05）。野菊花、千叶蓍SP含量分别在W8、W12时达到峰值，分别比CK提高116.57%、146.78%。排涝后，SP含量仍持续下降，R4处理时野菊花和千叶蓍SP含量分别比CK减小41.42%、13.65%，均显著低于CK（P＜0.05）。

图3 4种菊科宿根花卉SP含量的变化

2.4 4种菊科宿根花卉可溶性糖含量的变化

随着淹水胁迫时间的不断延长，如图4所示，总体来看，4种菊科宿根花卉可溶性糖（SS）含量先增后降，夏菊W4、W16出现2个峰值，其他3种宿根花卉均在W12时出现1个峰值。宿根天人菊SS含量持续增长，W12出现峰值，比CK增加330.00%，W16 SS含量显著高于其他3种花卉（P＜0.05），含量为0.036%；排涝后，R4时SS含量显著高于对照（P＜0.05）。夏菊SS含量逐渐增长，W4出现第1个峰值，比CK增加123.08%，W16出现第2个峰值，比CK增加130.77%；排涝后，降幅明显，R4 SS含量显著高于CK（P＜0.05）。野菊花和千叶蓍SS含量变化趋势相似，W12出现峰值，分别为0.039%、0.044%；排涝后，R4处理野菊花和千叶蓍SS含量分别为0.016%、0.029%，均显著高于CK（P＜0.05）。

图4 4种菊科宿根花卉SS含量的变化

2.5 4种菊科宿根花卉丙二醛含量的变化

如图5所示，随着时间的推移，4种菊科宿根花卉丙二醛（MDA）含量变化相对平缓，总体呈上升趋势。宿根天人菊和千叶蓍变化趋势相似，在胁迫过程中MDA含量呈不断增长的趋势，W16达到最大值，分别为6.37、5.28 μmol/g，比CK提高27.40%、22.22%。排涝后MDA含量逐渐降低，R4处理宿根天人菊和千叶蓍MDA含量分别为5.09、4.66 μmol/g，宿根天人菊与CK比无显著差异（P＞0.05），千叶蓍显著大于CK（P＜0.05）。夏菊在胁迫及排涝过程中MDA含量始终显著高于其他3种花卉（P＜0.05），变化趋势和野菊花相似，W8处理夏菊和野菊花MDA含量最低值分别为9.47、6.41 μmol/g。排涝后，MDA含量不断降低，R4处理时夏菊和野菊花MDA含量分别为10.47、6.71 μmol/g，夏菊显著高于CK（P＜0.05），野菊花与CK无显著差异（P＞0.05）。

图5 4种菊科宿根花卉MDA含量的变化

2.6 4种菊科宿根花卉叶绿素含量的变化

如图6所示，在淹水胁迫过程中4种菊科宿根花卉叶绿素（Chl）含量除千叶蓍外均呈先降后升再降的变化趋势。宿根天人菊和野菊花在胁迫过程中W8时出现较低值，分别比CK降低15.22%、27.87%，W12时达到峰值，宿根天人菊较CK增长15.22%，野菊花较CK减少14.75%。排涝后，宿根天人菊Chl含量先降低后升高，野菊花Chl含量持续降低，R4时宿根天人菊Chl含量显著高于CK，野菊花Chl含量显著低于CK（P＜0.05）。夏菊Chl含量在W4时出现较低值，比CK减少17.65%，W12时Chl含量出现较大值，但仍显著低于CK（P＜0.05），比CK降低1.96%；排涝后，变化趋势为先升后降，夏菊Chl含量R4时显著低于CK（P＜0.05）。千叶蓍W4时Chl含量与CK比变化不显著（P＞0.05），W16时夏菊Chl含量比CK高，但与CK比变化不显著（P＞0.05）；排涝后千叶蓍Chl含量为先降后升的趋势，R4时千叶蓍Chl含量显著低于CK（P＜0.05）。

图6 4种菊科宿根花卉Chl含量的变化

2.7 4种菊科宿根花卉抗涝性综合评价

从表1可以看出，淹水胁迫下，4种菊科宿根花卉各项指标变化存在一定差异，单一指标不能准确反映4种菊科宿根花卉抗涝性的强弱，因此运用模糊数学中的隶属函数值法对各种抗涝指标进行综合分析评价，评价结果为4种菊科宿根花卉抗涝性由强到弱排序为夏菊、千叶蓍、野菊花、宿根天人菊。

表1 4种菊科宿根花卉抗涝性综合得分与排名

各生理指标在鉴定相应植物抗涝性时的贡献率存在差异，因此通过主成分分析法得出各指标的重要性。主成分分析法即是在最大程度保留信息的情况下，把多个具有相关性的指标转换成少数几个新的综合指标，这些综合指标彼此独立［7］。通过表2可知，淹水胁迫下前2个主成分的累积贡献率为86.677%，表明前2个主成分可以反映4种菊科宿根花卉的抗涝性，第一主成分特征值为3.325，贡献率为55.419%，反映了4种菊科宿根花卉的抗涝性主要由游离脯氨酸、可溶性蛋白质、可溶性糖、丙二醛及叶绿素指标决定。第二主成分特征值为1.875，贡献率为31.258%，抗涝性主要由叶片相对含水量指标决定。因此，以上2个主成分几乎可以反映全部指标信息，通过成分得分系数，得到以下主成分表达式：

表2 4种菊科宿根花卉各生理指标主成分分析结果

由上述公式整理并进行归一化处理，构建主成分综合模型，如下式：

由以上主成分分析综合模型，根据各指标所占权重值大小，得出各指标淹水胁迫下的重要程度，权重值和重要性为正相关关系。因此，4种菊科宿根花卉抗涝性指标重要性由大至小依次为游离脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、叶绿素、可溶性蛋白质、叶片相对含水量。

3 小结与讨论

3.1 4种菊科宿根花卉叶片相对含水量变化情况

一般情况下，植物在过度的水分条件下由于根际缺氧无法吸取足够的水分，叶片会逐渐失水萎蔫，含水量下降，RWC能反映植物水分状况，间接地反映植物体的生长代谢状况［8］。李博［9］在淹水胁迫条件下，发现玉簪RWC在胁迫初期有不同程度的升高，而后在一段时期内保持较稳定的含水量，胁迫后期有下降的趋势。范龙惠［10］在淹水胁迫试验中发现，4个核桃品种幼苗随着淹水胁迫时间的延长，RWC整体呈下降的趋势。本试验中，4种花卉RWC变化趋势与玉簪相似，前期小幅增加，之后不断降低，W16处理夏菊与CK相比降幅最大。

3.2 4种菊科宿根花卉渗透调节物质变化情况

淹水胁迫下，植物为了在逆境下维持细胞膨压，植物体内会主动在短期内迅速积累一些有机渗透调节物质如Pro、SP、SS，来调节细胞的渗透势，稳定细胞内生物大分子活性的构象，保持细胞内膨压的平衡，提高自身对淹水胁迫的适应性并为植物提供生长所需的营养与能量［11，12］。

研究表明，Pro是植物体内主要的渗透调节物质［13］，能够保持植物细胞原生质体与外界环境的渗透平衡，进而维持细胞正常的膨压，同时Pro可通过与蛋白质相结合来维持其可溶性，减少SP产生沉淀，增强蛋白质的水合作用，从而保持膜结构的完整性［14］。植物体内Pro积累量越大，植物抗性越强［15］。王娟［16］在淹水对牡丹生理特性的影响试验中发现，Pro在轻度淹水处理时逐渐增加，在深度淹水处理时则先升后降。蔡进等［17］对2个铁线莲品种淹水处理后发现，Pro含量随时间延长增加。本试验中，4种花卉随着淹水胁迫的加剧，Pro含量总体在不断地积累，W16时积累量由大到小排序为夏菊、千叶蓍、野菊花、宿根天人菊，说明夏菊能有效积累Pro来维持细胞渗透势平衡，宿根天人菊则相对较弱。

植物体内的SP多数是参与各种代谢的酶类，其含量是植物代谢水平的一个重要指标［18］。舒正悦等［19］对竹叶花椒进行淹水处理，发现SP呈先增后降的趋势。张虎等［14］研究发现，随着淹水胁迫时间的延长，湖北海棠叶片SP含量呈明显上升趋势。本试验发现，在胁迫过程中，宿根天人菊和夏菊SP含量为先升后降再升，野菊花和千叶蓍的变化趋势为先升后降。淹水胁迫前期，植物为抵御淹水胁迫的伤害，不断合成新的蛋白质，随着时间的延长，蛋白质被降解的速度远远超过新的蛋白质合成的速度，导致其含量降低，后期宿根天人菊、夏菊不断诱导新的蛋白质合成，含量又逐渐升高，野菊花和千叶蓍合成机制可能受阻。

淹水胁迫下植物通过在体内积累SS，调节体内物质代谢，增加植物对淹水环境的适应性，减轻受到淹水的危害［20］。刘聪聪等［21］对樱桃番茄进行淹水胁迫后发现，胁迫可增加樱桃番茄叶片中SS含量；王华等［22］的研究显示，在淹水前期不结球白菜体内SS含量逐渐增大，随时间延长则不断下降。本研究中，SS总体呈先升后降的趋势，前期含量上升是植物为调节体内代谢平衡，提高细胞体内SS含量，以减小细胞渗透势，在一定程度上减低水淹造成的伤害，后期由于长期的淹水胁迫，导致植物不断消耗SS来适应此环境。

对Pro、SP、SS含量的变化趋势相关联后分析发现，4种菊科宿根花卉中SP启动最为迅速，SS启动最慢，且不同花卉各渗透调节物质达到最大值的时间也不同，宿根天人菊所用时间最短，夏菊所用时间较长。结合隶属函数分析结果发现，宿根天人菊抗涝性最弱，而夏菊抗涝性较强。植物抗涝性是否与渗透调节物质达到最大积累量的时间有关，还有待进一步探究。

3.3 4种菊科宿根花卉丙二醛变化情况

MDA是植物细胞膜脂过氧化产物［3，23］，其含量是衡量植物细胞膜脂过氧化和质膜损伤程度的重要指标，随淹水胁迫加剧，质膜透性增大，MDA含量增大，受到的伤害也变大［24，25］。潘雅楠等［26］对3种基因型东方杉进行淹水处理后发现，MDA含量总体上均随着淹水时间的延长而增加；王延双等［27］对红花玉兰苗木进行水淹胁迫后指出MDA含量均呈上升趋势。本试验发现，4种菊科宿根花卉MDA含量与3种基因型东方杉的变化趋势一致，整个胁迫过程中，MDA含量不断增大，膜脂过氧化增加，膜结构逐渐损伤［28］，W16时宿根天人菊积累量最多，受到伤害也最大。

3.4 4种菊科宿根花卉叶绿素变化情况

植物进行淹水胁迫后，最先感应到的是叶片，首先叶片上的气孔会关闭，然后会对CO2的扩散产生一定的阻力。植物在淹水胁迫过程中，Chl含量会降低，对光合作用产生影响，随着绿叶的面积逐渐下降，植物生长发育也会受到影响，因此，淹水胁迫下植物的Chl含量可作为评价植物耐涝性强弱的重要指标［29］。姚妮尔［30］对核桃楸幼苗进行研究发现，随着淹水处理时间的延长，两个种源核桃楸幼苗的Chl含量先上升后下降。吴静［31］在水分胁迫环境下对鸡爪槭幼苗进行研究发现，Chl含量为先下降再小幅上升，之后急剧下降的变化趋势。本研究发现，4种菊科宿根花卉淹水胁迫下Chl含量的变化与鸡爪槭幼苗的变化趋势相似。宿根天人菊、夏菊、野菊花逐渐下降趋势，W12小幅升高，之后不断减少。胁迫过程Chl含量不断降低说明其不断降解但合成机制未受到抑制，仍有增长的趋势，后期随着淹水胁迫加剧，合成逐渐受到抑制，含量持续降低。而千叶蓍前期变化不显著，说明此时光合作用仍能正常进行，W8时开始下降，说明为抵御淹水带来的伤害Chl不断降解，W16时有所提高，其合成机制未受到抑制，也表明千叶蓍抗涝能力较强。

排涝后，R4时4种菊科宿根花卉的RWC显著增加，Pro、SP、SS、MDA、Chl含量均比W16时显著减少，说明4种菊科宿根花卉生理状态有所恢复。

综上所述，试验从淹水胁迫下生理响应差异解释4种菊科宿根花卉抗涝能力存在差异的可能机制。由于植物抗涝机理较为复杂，不能采用单一指标对其进行抗涝评价［32］，本试验采用模糊数学中隶属函数法对其抗涝性的强弱进行综合评价，得出抗涝的强弱关系为夏菊＞千叶蓍＞野菊花＞宿根天人菊。采用主成分分析法对抗涝性指标重要性进行排序，由大至小依次为游离脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、叶绿素、可溶性蛋白、叶片相对含水量。故在洼地、湿地、水边等可选择夏菊造景，有效解决涝地土地利用问题。