不同种源流苏树对淹水胁迫的生理响应及耐涝性评价

李立婷，刘文静，张鸽香

（南京林业大学风景园林学院，江苏 南京 210037）

由降雨引发的城市内涝问题已引起世界范围内的广泛关注［1］。我国随着城市化进程的加快，城市洪涝灾害屡屡发生［2］，江苏位于长江中下游地区，年平均降水量700～1 300 mm，多集中于夏季，短时间的强降水加上城市地面硬化程度高，排水不畅，引发的涝害严重影响了城市绿化植物［3］。水分是植物生长的必要条件之一，但土壤水分过多会限制植物根部呼吸，影响植物的正常生长。目前，抗涝性研究多以作物为主要研究对象［4］，对林木的抗涝性研究较少［5］。

流苏树（Chionanthus retusus）为木犀科流苏树属落叶灌木或小乔木，国内南、北均有分布，国外主要分布于朝鲜和日本［6］。流苏树树冠硕大，树形优美，初夏满树白花如云似雪，清丽可人，是优良的园林观赏树种。目前国内外关于流苏树的研究集中在种子解剖及休眠［7，8］、繁殖培育［9-14］、遗传多样性［15-18］、抗逆性［19-27］、药用价值［28-30］等方面。在耐盐、耐阴、耐热和抗寒等抗性生理方面有所研究，而耐涝性研究鲜见报道。本试验以河南、江苏和山东种源流苏树三年生种苗为研究对象，使用温室盆栽模拟自然界涝害环境，以正常水分处理做对照，探讨流苏树幼苗对淹水胁迫的生理响应特性，以期揭示流苏树的耐淹水胁迫机制，筛选出评价耐涝能力的指示性指标，综合评价分析流苏树耐淹水的指示性指标，筛选出具有较强耐淹能力的种源，这对解决涝渍地区林木生存问题具有一定的现实意义。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为2018年10月下旬从河南焦作、江苏宿迁和山东临沂三个种源地引进的流苏树2年生播种苗，栽植于口径为22 cm，内径×高度=19 cm×19 cm的花盆中，栽培基质按园土：腐叶土：营养土为0.5：0.5：1（体积比），每花盆基质同重，每盆栽植1株。栽后置于园林试验教学示范中心空地进行统一管理。苗期生长期间，进行正常浇水和维护管理。于2019年4月选取各种源生长健壮，长势基本一致的的流苏苗进行试验处理。

1.2 试验设计

试验在南京林业大学园林试验教学示范中心进行。每个种源流苏树设4个处理，分别为：CK（对照组，正常灌溉），T1（轻度渍害处理，保持水面在花盆内土壤高度一半处）、T2（渍害处理，土壤含水量处于完全饱和状态，盆土表面无积水）、T3（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）。每个处理3个重复，每个重复25株。胁迫20 d后，取植物自顶叶向下数第3～5节完全功能叶片测定各项生理生化指标。采样时间为早上8：00，留取一部分鲜样进行相对电导率的测定，其余部分立即置于-80℃冰箱贮存备用。

光合基本参数在胁迫20 d后选取晴朗无风的天气，于上午9：00-11：00采用CIRAS-3型便携式光合仪（Hansatech，UK）进行叶片不离体测定。选取各处理下每个种源流苏树中生长状况相对良好的3株，每株选择位于主新梢上第3-5节位且向阳的3个功能叶片进行测量。

1.3 指标测定

叶片相对电导率（Relative electrical conductivity，REC）采用电导仪法［31］进行测定；丙二醛（Malondialdehyde，MDA）用硫代巴比妥酸法［31］测定；可溶性糖（Soluble sugar，SS）用蒽酮比色法［31］测定；可溶性蛋白（Soluble protein，SP）用考马斯亮蓝（G-250）染色法［31］测定；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性用氮蓝四唑（Nitro-blue tetrazolium，NBT）还原法［31］；过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性用愈创木酚法测定［32］；叶绿素（Chlorophyll，Chl）含量测定用95%酒精提取分光光度法［33］；净光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、胞间二氧化碳浓度（Intercellular carbon dioxide concentration，Ci）、气孔导度（Stomatal Conductance，Gs）、蒸腾速率（Transpiration rate，Tr）用CIRAS-3型便携式光合仪（Hansatech，UK）进行叶片不离体测定。

1.4 综合评价方法

采用主成分分析法和模糊隶属函数法［34］对3个种源流苏树耐涝性进行综合评价。

（1）耐涝性主成分分析权重系数计算方法：

其中，i=1，2，3……n，Di表示经主成分分析所得各种源第i个综合指标的贡献率；Wi为第i个综合指标在所有综合指标中的权重；Fij为i耐涝指标在第j主成分上的负荷量；Yij代表i耐涝指标在第j主成分上的贡献率。

（2）隶属函数值计算方法：

若耐涝指标与耐涝性正相关，其公式为：

若耐涝指标与耐涝性负相关，其公式为：

各指标隶属函数值计算公式为：其中，R（Xi）为供试材料在淹水胁迫处理下对应指标的隶属度（0＜R（Xi）＜1）；Xi、Xmax和Xmin分别表示第i个综合指标、第i个综合指标的最大值、第i个综合指标的最小值；Ri为试验材料的隶属函数值。

（3）耐涝性综合指数计算方法：

其中，I为试验材料耐涝性综合指数，I越大表示其耐涝性越强，反之则越弱。

1.5 数据处理

用Excel进行表格的绘制，用SPSS 19.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对流苏树叶片细胞膜透性的影响

由表1可知，随着淹水胁迫程度的加深，不同种源流苏树叶片相对电导率（REC）呈上升趋势。轻度淹水胁迫下，与对照组（CK）相比，各种源流苏树叶片REC上升幅度不显著。中度淹水胁迫下，河南种源流苏树叶片REC与CK差异达到显著水平（P＜0.05），江苏种源和山东种源流苏树叶片REC与CK差异达到极显著水平（P＜0.01）。重度淹水胁迫下，与CK相比，江苏种源流苏树叶片REC上升幅度最大，为82.19%，河南种源流苏树上升幅度最小，为51.43%。

表1 淹水胁迫下不同种源流苏树相对电导率、MDA含量变化Tab.1 Changes of REC and MDA content of C.retusus from different provenances under waterlogging stress

河南种源流苏树各个处理下的丙二醛（MDA）含量与CK相比，差异均不显著。江苏种源流苏树叶片MDA含量随着淹水程度的增加，呈现先增后减的趋势，并于T2处理达到最大值，较CK显著增加38.0%（P＜0.05）。山东种源流苏树叶片MDA含量随淹水程度增加逐渐增加，在T3处理有最大值，较CK显著增加41.74%（P＜0.05）。

2.2 淹水胁迫对流苏树叶片细胞渗透调节物质的影响

由表2可知，在不同淹水胁迫程度下，各种源流苏树叶片可溶性糖（SS）含量变幅与CK相比存在差异。河南种源流苏树SS含量在重度淹水胁迫下显著升高（P＜0.05），江苏种源流苏树SS含量变化不显著，山东种源流苏树SS含量在中度淹水胁迫下增幅最大，较CK增加了74.35%（P＜0.01）。

表2 淹水胁迫下不同种源流苏树SS、SP含量变化Tab.2 Changes of SS and SP content of C.retusus from different provenances under waterlogging stress

江苏和山东种源流苏树可溶性蛋白（SP）含量随淹水胁迫程度加深而增大，并在重度淹水胁迫下显著高于CK（P＜0.05）；河南种源流苏树SP含量则先增后减，并在中度淹水胁迫下达到最高值并显著高于CK（P＜0.05）。各淹水胁迫程度下，山东种源流苏树SP含量上升幅度均最小，分别为2.13%、4.69%和34.33%，说明淹水胁迫下，河南与江苏种源流苏树相较山东种源流苏树能够积累更多的可溶性蛋白，维持细胞水分和代谢平衡。

2.3 淹水胁迫对流苏树叶片保护酶活性的影响

由表3可知，不同淹水程度下，各种源流苏树的SOD活性与CK相比极显著增加（P＜0.01），轻度和中度淹水胁迫下，山东种源流苏树SOD活性增幅最大，分别为66.95%和94.07%，重度淹水胁迫下，河南种源流苏树SOD活性增幅最大，为140.87%，各淹水胁迫下，江苏种源流苏树SOD活性增幅均最小。

表3 淹水胁迫下各种源流苏树SOD、POD活性的变化Tab.3 Changes of SOD and POD content of C.retusus from different provenances under waterlogging stress

轻度淹水胁迫下，河南和山东种源流苏树POD活性较CK分别增加了10.18%与13.20%，与CK差异不显著（P＞0.05），江苏种源增加了44.85%，与CK差异极显著（P＜0.01）。中度淹水胁迫下，3个种源流苏树POD活性较CK均极显著增加（P＜0.01），其中江苏种源增幅最大，为64.32%。重度淹水胁迫下，河南和江苏种源流苏树POD活性较CK极显著增加（P＜0.01），而山东种源流苏树POD活性较CK下降了9.29%，差异不显著（P＞0.05），说明重度淹水胁迫下山东种源流苏树自我调节抗氧化能力已经达到上限。

2.4 淹水胁迫对流苏树叶片光合特性的影响

由表4可知，各种源流苏树Chl含量在不同淹水胁迫下变化趋势存在差异。河南种源流苏树Chl含量在各淹水条件下均极显著低于CK（P＜0.01）。江苏种源流苏树Chl含量在轻度和重度淹水胁迫下极显著低于CK（P＜0.01），中度淹水胁迫下显著高于CK（P＜0.05）。山东种源流苏树Chl含量在轻度和重度淹水胁迫下低于CK，但差异不显著（P＞0.05），中度淹水胁迫下极显著低于CK（P＜0.01）。

表4 淹水胁迫下不同种源流苏树光合特性指标的变化Tab.4 Changes of photosynthetic characteristics of C.retusus from different provenances under waterlogging stress

随着淹水程度的加深，各种源流苏树Pn表现为先升后降的变化趋势。轻度淹水胁迫下，各种源流苏树Pn均高于CK，但差异不显著（P＞0.05），其中河南种源增幅最大，为17.07%，山东种源增幅最小，为2.80%。中度淹水胁迫下，各种源流苏树Pn均低于CK，差异不显著（P＞0.05），降幅分别为15.29%、4.19%和12.15%。重度淹水胁迫下，河南和江苏种源流苏树Pn极显著低于CK（P＜0.01），降幅分别为52.59%和51.96%，山东种源流苏树Pn比CK下降率35.70%，差异不显著（P＞0.05）。

随着淹水胁迫的加深，各种源流苏树Ci呈现下降趋势，并在重度淹水胁迫下达到最低值。轻度淹水胁迫下，河南和江苏种源流苏树Ci与CK差异不显著（P＞0.05），山东种源流苏树Ci极显著低于CK（P＜0.01）。中度淹水胁迫下，河南和山东种源流苏树Ci极显著低于CK（P＜0.01），江苏种源流苏树Ci较CK降幅不显著（P＞0.05）。重度淹水胁迫下，各种源流苏树Ci均极显著低于CK（P＜0.01），其中河南种源降幅最大，为28.73%，江苏种源降幅最小，为18.60%。

各种源流苏树在不同淹水胁迫下Gs变化存在差异。轻度淹水胁迫下，河南和江苏种源流苏树Gs均升高，且河南种源与CK之间差异极显著（P＜0.01），而山东种源流苏树Gs则显著低于CK（P＜0.05）。中度淹水胁迫下，3个种源流苏树Gs均低于CK，其中河南和山东种源与CK差异极显著（P＜0.01），江苏种源与CK差异显著（P＜0.05）。重度淹水胁迫下，各种源流苏树Gs均极显著低于CK（P＜0.01）。

各种源流苏树Tr随着淹水程度的加深不断下降。河南和江苏种源流苏树在各程度淹水胁迫下均与CK差异极显著（P＜0.01）。山东种源流苏树Tr在轻度淹水胁迫下与CK差异显著（P＜0.05），中度和重度淹水胁迫下与CK差异极显著（P＜0.01）。

2.5 主成分分析

对11个指标进行主成分分析，以特征值和贡献率为标准提取主成分。由表5可知，前两个主成分累积贡献率已达80.48%，能够充分反映流苏树耐涝能力情况。其中SP、SOD、POD、REC、Pn、Ci、Gs和Tr的载荷量较大，可作为流苏树耐涝性强弱鉴定的指标。

表5 流苏树各指标主成分分析Tab.5 Principal component analysis of each index of C.retusus

2.6 不同种源流苏树耐涝性综合评价

通过对流苏树的11项生理指标的耐涝性隶属函数值进行计算，并结合主成分分析结果对各指标进行合成，获得不同种源流苏树的耐涝性综合指数（表6）。河南种源流苏树的综合指数为0.78，江苏种源流苏树的综合指数为0.66，山东种源流苏树的综合指数为0.51，说明三个种源流苏树的耐涝性强弱顺序为：河南种源＞江苏种源＞山东种源。

表6 淹水胁迫下的隶属函数值Tab.6 The subordinate function values under waterlogging stress

3 讨论与结论

植物在逆境条件下会大量积累活性氧，导致细胞膜结构和功能受损，膜透性增大，胞内的电解质外渗，因此，常用相对电导率的大小表示细胞膜受伤害的程度［35-37］。MDA已被确认为是膜脂过氧化的最终产物，其含量的高低反映了逆境胁迫对细胞膜结构的影响［38］。孙慧［39］等研究表明，随着淹水程度的增加，杨树叶片MDA含量不断上升，叶片膜质受损程度不断增大。在本试验中，不同种源流苏树幼苗的相对电导率和MDA质量摩尔浓度变化不一，河南种源流苏树在各处理下REC和MDA质量摩尔浓度变化幅度不大，而江苏和山东种源流苏树则明显上升，说明淹水胁迫过程中，河南种源流苏树细胞膜能维持一定的完整性，而江苏和山东种源流苏树细胞膜受到严重伤害，致使细胞各项功能紊乱。

逆境条件下，良好的渗透调节能力是植物具有较强抗性的重要特征之一。SS、SP是植物体内重要的渗透调节剂。逆境胁迫下，体内大量积累渗透调节剂有助于维持细胞水分和代谢平衡，维持胞内的渗透势，提升代谢所需酶的活性，以便更好的适应逆境［40］。本研究发现，渗透调节在流苏树的耐涝机制中起了一定的作用，且不同种源流苏树之间存在调节程度的差异。河南种源流苏树SS含量显著上升，山东种源流苏树SS含量为先上升后下降的变化趋势，河南和江苏种源流苏树SP质量分数显著升高，说明在淹水胁迫下河南种源流苏树可溶性糖和可溶性蛋白都发挥了调节作用，江苏种源流苏树能够抵抗淹水胁迫带来的伤害，但是当淹水胁迫过强时，其渗透调节能力有所下降。

在淹水胁迫下，植物通常会通过提高抗氧化酶活性来降低体内大量积累的活性氧（Reactive oxygen species，ROS）对植物造成的伤害，在前人的研究中，抗氧化物酶系统中的SOD和POD活性一般具有同步的变化趋势［41］。本研究中，河南、江苏种源流苏树两种酶活性表现为同步上升趋势；山东种源流苏树SOD活性随淹水胁迫程度加深而上升，POD活性呈现先升后降的变化趋势，说明重度淹水胁迫下山东种源体内积累的ROS引起生物大分子损伤导致细胞受损，且已经超出了其自我调节能力。

淹水胁迫过程中，Chl含量会下降，本试验中三个种源流苏树整体上在胁迫过程中Chl含量均显著低于CK，这与对辣木幼苗［34］的研究结果一致，表明淹水胁迫影响了流苏树叶片叶绿体的合成，加速了叶绿素的降解，使流苏树光合能力下降。本试验中的流苏树Chl含量下降幅度与淹水胁迫程度呈负相关，这表明随着胁迫程度的增加，流苏树能够通过自身调节来提高叶绿素含量以应对淹水环境。

大部分植物在淹水胁迫过程中Pn呈现下降趋势，其主要原因一般分为气孔限制因素和非气孔限制因素。本试验中，轻度淹水胁迫下，河南和江苏种源流苏树Gs和Pn上升，而山东种源流苏树Gs显著下降，其原因可能是轻度淹水胁迫并未引起河南和江苏流苏树气孔关闭，保证了其正常的气体交换，维持了相对稳定的Pn，而山东种源流苏树在轻度淹水胁迫下气孔迅速关闭；中度和重度淹水胁迫下，各种源流苏树的Ci、Gs、Tr和Pn均有不同幅度的下降，说明中度和重度淹水胁迫下，气孔限制因素是导致本试验流苏树Pn下降的主要原因。各种源流苏树Ci在淹水胁迫下有不同程度的下降，这是流苏树为了适应水淹环境迅速关闭叶片气孔的表现。

本研究综合了三种种源流苏树在淹水胁迫下的各项生理指标，并利用主成分分析和隶属函数法综合评价其耐涝性，其强弱排序为：河南种源＞江苏种源＞山东种源。这种综合评价方法增加了对3个种源耐涝性评价的准确性和可靠性，为今后园林绿化在乔木的选择和科学应用上提供了依据。