3个玉兰材料对水涝胁迫的响应与耐涝性评价

叶 康,陈伯祥,杜习武,,秦 俊,曾 丽,胡永红

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

玉兰属(YulaniaSpach)植物是中国重要的园林绿化树种,栽培历史悠久[1-2]。星花玉兰[Yulaniastellata(Siebold et Zucc.) N. H. Xia]原产日本,为低矮灌木,具有分枝密集、树冠饱满和花量大等特点,开发利用前景可观[3]。但因星花玉兰及品种在地势低洼、排水不畅的环境下生长受到限制,常出现叶片发黄、干枯脱落甚至植株死亡的情况。长三角地区海拔低、地势平坦、地下水位高,在雨季易发生涝害。因此,选育耐涝性较强的星花玉兰及品种具有重要意义。目前,星花玉兰相关研究多集中在生理学、形态学和遗传学方面[4-5],逆境抗性相关研究较少。为此,研究星花玉兰及2个品种在水涝胁迫后叶片的光合特性和叶绿素荧光等相关的14个指标变化,建立星花玉兰的耐涝性综合评价方法,评价星花玉兰及2个品种的耐涝性强弱,为星花玉兰的耐涝品种选育提供理论依据。

水分是限制植物生长重要的非生物因子之一,影响植物的生存、生长发育乃至地理分布等[6]。水分过多对植物的生长产生不利影响[7],与正常生境相比,水分过多导致的水涝胁迫使植物体内的O2浓度等发生显著的变化,限制了植物有氧呼吸和维持生命活动所需能量产生[8]。植物的生理过程是复杂的,植物的抗性受多种因素影响,单独用某一指标很难反映植物耐涝的实质,也不利于揭示植物耐涝的本质。目前,关于植物的水涝胁迫研究有不少报道,应用最为广泛的是丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、可溶性蛋白等指标评价耐涝性,在生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)[9]、番茄(SolanumlycopersicumL.)[10]等植物的耐涝性评价中已有大量报道。

主成分分析法在不损失数据原有的信息下,能将原始数据多个彼此相关的指标转换成新的、个数较少且彼此独立的综合指标,避免了重复信息的干扰[11]。隶属函数分析法是基于模糊数学原理,通过计算每一个指标相应的隶属函数值,并进行加权得到其综合评价值,可较为全面地对测试指标进行综合评价,有结果可靠和具有可比性的优点[12]。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料分别是星花玉兰(Y.stellata)、星花玉兰‘菊花’(Y.stellata‘Chrysanthemiflora’)及玉兰‘皮鲁埃特’[Y.‘(Mag’s)Piroutte’]的3年生苗(以下分别简称2个品种为‘菊花’和‘皮鲁埃特’)。‘菊花’是星花玉兰实生选育品种;‘皮鲁埃特’是星花玉兰与柳叶玉兰[Y.salicifolia(Siebold et Zucc.) D.L.Fu]的杂交品种。所有供试植株生长健康,无病虫害发生。栽培容器为535 mm×360 mm塑料花盆,栽培基质为V(园土)∶V(草炭)∶V(介质土)=5∶2∶3的混合基质。

1.2 试验设计

试验在上海辰山植物园试验地进行,采用双套盆法,于2020年5月27日开始淹水处理,淹水至植株土壤表面以上约3 cm,总时长为14 d;对照组植株正常浇水管理,遵循表层土壤不干不浇水、浇即浇透的原则。3种玉兰的对照组(CK)与水涝处理组(FL)均为20株,共120株。对照组在0 d测定各项试验指标,处理组在水涝胁迫14 d时测定各项试验指标。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 光合特性和叶绿素荧光特性指标测定叶片气体交换参数测定时间为上午9:00—11:00,各处理组与对照组均测量3株,选取植株中部侧枝第3枚成熟叶片,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(6400-02 LED光源),设定光照强度为1 400 μmol/(m2·s)和空气流速为500 μmol/s。测定内容包括净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)。

叶绿素荧光特性使用MINI-PAM 便携式调制叶绿素荧光仪(德国WALZ公司)测定,包括最小荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSⅡ的最大光化学量子产量(Fv/Fm)和PSⅡ有效光化学量子产量(Yield),测定样本选择方式同叶片气体交换参数。

1.3.2 生理指标测定各处理组与对照组,均随机选择3株,取植株中部侧枝第3枚成熟叶片,测定叶绿素含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性及丙二醛(MDA)含量。叶绿素含量使用95%丙酮-乙醇提取法[13]测定;可溶性蛋白、SOD、MDA测定采用上海索桥生物科技有限公司生产的试剂盒。均测3个重复。

1.3.3 内源激素含量测定采用液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)分析测定脱落酸(ABA)和1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)。各处理组与对照组随机选取植株枝条中部侧枝的叶片3枚,用研磨仪研磨(30 Hz,1 min)至粉末状,称取50 mg研磨后的样本,加入适量内标,用V(甲醇)∶V(水)∶V(甲酸)=15∶4∶1混合液1 mL提取;提取液浓缩后用V(甲醇)∶V(水)=4∶1混合液100 μL复溶,过0.22 μm滤膜,置于进样瓶中,用于LC-MS/MS分析。

1.4 数据分析

用Excel 2010进行数据整理和图表制作,标准差使用STDEVP函数计算。用SPSS 22进行方差分析和主成分分析,显著性分析采用Duncan法。隶属函数分析法的计算公式为:

指标与耐涝性为正相关时,

Uij=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

指标与耐涝性为负相关时,

Uij=1-(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(2)

式中:Xij为第i个品种第j个指标的测定值;Ximin为j指标中的最小值;Ximax为j指标中的最大值;Uij为i品种j指标的隶属值。

通过隶属函数公式计算出各个品种的综合评价值,综合评价值越大表明耐涝性越强,综合评价值计算公式为:

(3)

2 结果与分析

2.1 水涝胁迫下光合参数的影响

由图1可知,水涝处理14 d后3种玉兰叶片净光合速率(Pn)均较处理前显著下降,大小依次为:‘皮鲁埃特’、‘菊花’和星花玉兰。其中‘皮鲁埃特’在水涝后的Pn最高为1.59 μmol/(m2·s),较水涝前降低了77.4%。而‘菊花’和星花玉兰的Pn分别为0.08～0.09 μmol/(m2·s),下降幅度为99.1%和100.9%。

同一材料的不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。图1 水涝胁迫对星花玉兰及其品种光合参数的影响Different letters of the same material indicate significant difference (P <0.05). The same as below. Fig.1 Effects of flooding stress on photosynthetic parameters of Y. stellata and its cultivars

在水涝处理14 d后叶片气孔导度(Gs)均显著下降,大小依次为:‘皮鲁埃特’、星花玉兰和‘菊花’。其中‘皮鲁埃特’在水涝后的Gs为17.0 mmol/(m2·s);星花玉兰为12.7 mmol/(m2·s);而‘菊花’仅为3.7 mmol/(m2·s),下降幅度为95.5%。

在水涝处理14 d后3种玉兰叶片胞间CO2浓度(Ci)有不同的变化。其中‘菊花’和星花玉兰的Ci均显著增加,增加幅度分别为80.4%和141.3%;而‘皮鲁埃特’的Ci比处理前降低了24.0 μmol/mol,下降幅度为10.3%。

在水涝处理14 d后3种玉兰叶片的蒸腾速率(Tr)均大幅降低。其中‘皮鲁埃特’14 d时为0.44 μmol/(m2·s),降低了76.0%,是3种玉兰中Tr最大的且降低幅度最小的。星花玉兰的Tr为0.26 μmol/(m2·s),降低了79.9%。而‘菊花’水涝后的Tr最小为0.24 μmol/(m2·s),同时降幅也最大为83.5%。

在水涝处理14 d后3种玉兰叶片的叶绿素含量均降低。其中‘菊花’的叶绿素含量最高为8.11 mg/g,较水涝前下降了20.7%;‘皮鲁埃特’的叶绿素含量为4.63 mg/g,下降幅度为9.5%;而星花玉兰叶绿素含量2.57 mg/g,下降幅度最大,为44.6%。

综上所述,水涝胁迫对光合特性有显著影响,3种玉兰叶片Pn、Gs、Tr和叶绿素含量均显著降低;‘菊花’和星花玉兰处理组的Ci显著增加,‘皮鲁埃特’则降低。‘皮鲁埃特’的Gs、Tr值也较高,表明‘皮鲁埃特’在水涝胁迫后的受害小于‘菊花’和星花玉兰。

2.2 水涝胁迫对叶绿素荧光特性的影响

由图2可以看出,3种玉兰叶片在水涝14 d后的Fo、Fm、Fv/Fm和Yield均小于水涝处理前。其中,‘菊花’在14 d的Fo、Fm、Fv/Fm和Yield分别下降了10.7%、14.4%和4.7%和30.0%;‘皮鲁埃特’在14 d分别下降了6.9%、16.4%和9.1%和19.7%;而星花玉兰4个指标下降了6.0%、10.1%和7.3%和15.8%。

图2 水涝胁迫对星花玉兰及其品种叶绿素荧光参数的影响Fig.2 Effects of flooding stress on Chlorophyll fluorescence of Y. stellata and its cultivars

2.3 水涝胁迫对叶片生理指标的影响

由图3可知,在水涝处理14 d后3种玉兰叶片的可溶性蛋白含量均较水涝前降低。其中‘菊花’叶片的可溶性蛋白含量最低,为84.5 μg/g,较水涝前降低了74.2%;星花玉兰的可溶性蛋白含量最高,为184.1 μg/g;并且降幅最低,降低了57.9%;而‘皮鲁埃特’的可溶性蛋白含量为129.97 μg/g,降幅最大,降低了83.0%。在水涝处理14 d后3种玉兰的叶片MDA含量均升高。其中‘菊花’MDA增加了3.8 μmol/g,增幅最低,仅为5.7%;‘皮鲁埃特’增加了15.3 μmol/g,增幅为21.6%;星花玉兰增加了24.7 μmol/g,增幅最高,为33.3%。在水涝处理14 d后3种玉兰叶片SOD活性均显著升高。‘菊花’的SOD活性升高了25.6 U/g,增幅最小,为116.5%;‘皮鲁埃特’的最高为35.18 U/g,增幅为128.4%;而星花玉兰的升高了34.7 U/g,但增幅最大,为226.0%。综上所述,3种玉兰叶片可溶性蛋白含量均较水涝前降低,表明叶片均受到了一定的伤害。而MDA含量和SOD活性在水涝14 d后均有不同的增加幅度,表明植株叶片在受到水涝胁迫伤害的同时也在抑制伤害的加深。

图3 水涝胁迫对星花玉兰及其品种生理指标的影响Fig.3 Effects of flooding stress on physiological indexes of Y. stellata and its cultivars

2.4 水涝胁迫对叶片内源激素含量的影响

由图4看出,水涝胁迫14 d 3种玉兰叶片的ABA含量均显著增加。其中‘皮鲁埃特’增加最显著,升高了1 171.0 ng/g,增幅为207.0%;‘菊花’升高了837.7 ng/g,增幅为179.9%;星花玉兰升高了735.3 ng/g,增幅为158.2%。‘菊花’和星花玉兰叶片ACC含量均较水涝前升高,增幅分别为59.4%和159.1%;‘皮鲁埃特’较水涝前降低了20.1 ng/g,降幅为36.5%。

图4 水涝胁迫对星花玉兰及其品种叶片激素含量的影响Fig.4 Effects of flooding stress on leaf hormone contents of Y. stellata and its cultivars

2.5 水涝胁迫下生理指标与内源激素的主成分分析

根据处理组数据进行耐涝性评价,将可溶性蛋白、MDA、SOD、ABA和ACC这5个指标进行主成分分析。

由表1可知,前2个综合指标的方差贡献率分别为69.1%和25.1%,方差贡献率达94.2%,基本包含所测指标的全部信息。因此可提取第一主成分(Y1)和第二主成分(Y2),其余主成分可忽略不计。由表2可知,决定第一主成分指标主要包括可溶性蛋白(-0.862)、ABA(0.822)、SOD(0.957)和ACC(0.970)这4个指标。决定第二主成分的主要是MDA(0.965)。因此,‘菊花’、‘皮鲁埃特’和星花玉兰耐涝性的生理指标及内源激素重要性排序依次为1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)、超氧化物歧化酶(SOD)、脱落酸(ABA)、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)。

表1 方差分解主成分提取分析Table 1 Variance decomposition principal component extraction analysis table

表2 各指标的系数及贡献率Table 2 Coefficients and proportions of each indexes

2.6 星花玉兰及2个品种的耐涝性综合评价

2.6.1 利用主成分分析法计算综合得分表2中2个主成分的表达式分别为:

Y1=-0.39X1+0.18X2+0.53X3+0.51X4+0.52X5

(4)

Y2=0.52X1+0.81X2-0.03X3+0.25X4-0.11X5

(5)

把每个原始指标的数据标准化后代入到公式(1)和公式(2)中,可得到‘菊花’、‘皮鲁埃特’及星花玉兰对应的前2个主成分的值,再分别以2个主成分所对应的贡献率为各自的权重,从而得到基于主成分分析法的‘菊花’、‘皮鲁埃特’及星花玉兰耐涝性综合评价模型,即加权值计算公式为:

Z=0.691Y1+0.251Y2

(6)

将3种玉兰的Y1、Y2数据分别代入公式(6)中得到综合得分。由表3可知,‘皮鲁埃特’综合得分最高,耐涝性最强,星花玉兰次之,‘菊花’得分最低。

表3 主成分分析法综合得分Table 3 Comprehensive evaluation scores of principal component analysis

2.6.2 利用隶数函数分析法计算综合得分将筛选后的评价指标通过隶属函数公式计算出各个品种的综合评价值;隶属函数值越大,耐涝性越强,隶数函数值越小,耐涝性越弱。由表4可知,‘皮鲁埃特’综合评价值最高,耐涝性最强,之后依次为星花玉兰、‘菊花’。

表4 隶属函数分析法综合评价值Table 4 Comprehensive evaluation value of membership function method

3 讨 论

植物在长时间的水涝胁迫后,叶片叶绿素含量降低、发黄萎蔫、碳水化合物大量消耗,光合酶活性和PSⅡ反应中心活性降低,净光合速率和光化学量子效率降低等现象[14]。在胁迫14 d后3种玉兰叶片的Pn、Fv/Fm和叶绿素含量等均显著降低,表明叶绿体受到水涝胁迫的严重破坏,这与张青侠对芍药(PaeonialactifloraPall.)的研究结果[15]一致。光合作用是植物生长发育和产量形成的生理基础[16];而‘皮鲁埃特’胁迫后的Pn最大、叶绿素含量降低幅度最小,表明其受到的伤害小于星花玉兰和‘菊花’,这与两种方法综合评价的结果一致。

叶片MDA含量为逆境胁迫下植物受害程度的重要指标,胁迫会造成膜脂过氧化反应加剧,导致膜系统受损,从而影响膜透性,间接反映植物组织抗氧化的能力[17-18]。SOD作为内源活性氧清除剂能够在一定程度上清除体内过剩的活性氧,维持活性氧代谢平衡,保护膜结构,使植物具有抵抗逆境胁迫的能力。在胁迫14 d后3种玉兰叶片的MDA含量均上升,表明叶片膜系统均受到水涝的迫害;SOD含量均上升,表明水涝发生后,植株通过提高叶片SOD含量清除活性氧,以保护叶肉细胞膜结构;可溶性蛋白含量均下降,表明叶肉细胞渗透调节能力的下降以及胁迫对叶片已有明显伤害;这与常春丽对丁香(SyringaoblateLindl.)研究结果[19]一致。而‘皮鲁埃特’在胁迫后的SOD含量最高,表明其对抗水涝胁迫的能力强。

在水涝胁迫下植物地上部分ABA合成加强,ABA是一种调节休眠、脱落和植物胁迫反应的生长抑制物质,诱导植株体内与植物抗性有关的酶重新合成表达,抑制生长和促进气孔关闭[20]。经水涝处理14 d后3种玉兰叶片的ABA含量均显著增加,而Gs、Tr均显著降低,气孔的关闭,导致叶片Tr降低,从而使水分运输速率降低、CO2扩散阻力增加,这与王延双等研究红花玉兰水淹胁迫的结果[21]一致。而‘皮鲁埃特’在胁迫后的Gs、Tr均为最高,再次印证其耐涝性最强。

乙烯(ET)的快速积累是植物应对水涝胁迫的重要途径,在缺氧条件下ET生物合成的直接前体ACC在ACC合酶(ACS)的催化下大量生成[22]。在胁迫14 d后‘菊花’和星花玉兰ACC含量均较水涝前升高;表明水涝胁迫使‘菊花’及星花玉兰的净光合速率趋近于0,气孔导度显著下降,让叶片的非光合细胞获取的氧气大大减少,植株缺氧。因此,促进植株合成的ACC进一步合成ET,这与刘光亚等对棉花(GossypiumhirsutumL.)研究结果[23]一致。而‘皮鲁埃特’的ACC含量较水涝前降低了36.5%,这可能与其净光合速率有关,较高的净光合速率依然能为叶片提供一定量的O2;但其具体机理仍有待后续研究。

耐涝性状为复杂的数量性状,受到多种因素的影响;因此,需要选择多种评价指标综合分析才能科学地反映植物的耐涝性。本研究选择了可溶性蛋白、SOD、MDA、ACC和ABA这5个指标,分别通过主成分分析方法和隶属函数分析法进行耐涝性综合评价。通过主成分分析方法提取主成分,得到加权值计算公式对3种玉兰进行耐涝性评价;隶属函数分析法计算的综合评价D值进行耐涝性评价;两种分析方法相结合的评价结果相同,表明这两种分析方法均可用于星花玉兰和2个品种的耐涝性综合评价。通过这两种评价方法建立的星花玉兰及2个品种的耐涝性评价方法,可综合反映耐涝性。该两种分析方法相结合的评价方法已在油菜[24](BrassicachinensisL.)和番茄[25](SolanumlycopersicumL.)等植物中应用。‘皮鲁埃特’耐涝性最强,这可能与其杂交亲本之一的柳叶玉兰有一定关系,柳叶玉兰野外常生长于山地溪沟边,具有较强的耐涝性,而‘菊花’则是星花玉兰实生选育品种。因此在星花玉兰的育种过程中,科学地将耐涝性强的种质参与杂交,可以获得耐涝性更强的杂交后代。

经过14 d的水涝胁迫,‘菊花’、‘皮鲁埃特’及星花玉兰均有显著的伤害,但3种玉兰对水涝胁迫表现出不同的耐涝性。通过主成分分析提取权重,3种玉兰耐涝性的生理及内源激素指标重要性依次为:1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)、超氧化物歧化酶(SOD)、脱落酸(ABA)、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)。分别通过主成分分析法和隶属函数分析法对3种玉兰进行耐涝性综合评价,耐涝性强弱均依次为:‘皮鲁埃特’、星花玉兰和‘菊花’。