干旱胁迫下砧木‘110R’对‘黑比诺’葡萄抗旱性的影响

2023-12-03马龙徐美隆范培格乔改霞刘玉娟王荣谢军马东海

中外葡萄与葡萄酒 2023年6期

马龙，徐美隆*，范培格*，乔改霞，刘玉娟，王荣，谢军，马东海

（1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；2.中国科学院植物研究所，北京 100093；3.宁夏农林科学院园艺研究所，宁夏银川 750002；4.宁夏林业研究院/种苗生物工程国家重点实验室，宁夏银川 750002）

葡萄作为全球重要的果树之一，具有极高的栽培价值。据国际葡萄与葡萄酒组织（OIV）统计，2021年全球葡萄种植面积达730万 hm2[1]。我国是葡萄生产大国，种植面积约为78.3万 hm2，占全球总面积的10.73%[2]。我国酿酒葡萄种植区域主要集中于北方地区，以西北地区种植面积最广。由于这些地区淡水资源匮乏，降水量较低，干旱成为了酿酒葡萄产业健康可持续发展的主要限制因素之一[3-4]。干旱环境下植物叶片中的叶绿素发生降解，光合能力、原初光能转化效率（Fv/Fm）下降，同时，叶片受水分亏缺的影响导致与外界环境进行气体交换的通道关闭，叶片的光合速率和蒸腾速率下降，胞间CO2浓度因此降低[5]，膜脂过氧化反应也随干旱胁迫的延长而加重，细胞膜选择透性发生改变，严重影响了植物的正常生长发育[6]。通过嫁接抗旱性强的砧木改变植株根系构型，在干旱环境下表现出较高的活力和水分利用效率，有的砧木还出现增强接穗枝条生长、改变物候期、增大叶面积等一些优良特性[7]。众多研究和实践表明，利用抗性砧木嫁接可以明显增强栽培品种的抗逆性，从而扩大了葡萄的种植区域[8-9]。目前关于抗旱砧木的研究已取得一定的成效，‘110R’为抗旱能力突出的葡萄砧木之一，针对其耐旱能力的评价研究也较多[10-11]。而‘黑比诺’作为宁夏酿酒葡萄产区主栽品种之一，抗性相对较弱。因此，以砧木‘110R’嫁接增强‘黑比诺’对干旱的耐受性，系统评价砧木‘110R’嫁接葡萄的耐旱性，对加快葡萄耐旱砧木的推广应用具有重要的意义。

本研究以‘110R’自根苗、‘黑比诺’自根苗、‘黑比诺’自接苗和‘黑比诺/110R’嫁接苗为试材，对比分析干旱胁迫下葡萄叶片生理指标的变化，并利用主成分分析和隶属函数对其耐旱能力进行综合评价，为宁夏产区‘黑比诺’葡萄嫁接苗的砧木选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为一年生砧木品种‘110R’、酿酒品种‘黑比诺’扦插营养袋苗，由种苗生物工程国家重点实验室提供。2022年6月2日将生长基本一致的葡萄苗木移栽于营养钵（盆高×盆底径=18 cm×21 cm），每盆栽种1株葡萄苗。移栽后浇透水，正常管理。每盆含6.0 kg营养土（体积比为黄土∶草炭∶珍珠岩=4∶2∶1）。2022年7月10日在宁夏银川植物园日光温室采用劈接法分别进行‘黑比诺/黑比诺’和‘黑比诺/110R’嫁接，砧木嫁接口粗度为0.3 cm左右，嫁接高度为15 cm左右。

1.2 试验方法

1.2.1 干旱胁迫

选择生长基本一致的‘黑比诺’自根苗（DH）、‘110R’自根苗（DR）、‘黑比诺’自接苗（DHH）和‘黑比诺/110R’嫁接苗（DHR）植株各20株，进行正常管理。于2022年8月7日，待植株长至10片叶以后开始进行中度干旱胁迫处理，即通过人工控水的方式，利用称重法将营养钵中的土壤含水量控制在田间持水量的40%～50%，在干旱胁迫处理后第15天选取相同部位的叶片进行不同生理指标的测定，3个重复。

1.2.2 生理指标测定

新梢生长量、光合指数、叶绿素荧光等生理指标为活体测定，叶片水势、相对含水量、相对电导率、叶绿素含量等生理指标采用鲜样测定，可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等生理指标测定的样品为采后液氮速冻，置于-80 ℃保存。

其中，新梢生长量用直尺直接测量（干旱胁迫后株高减去胁迫前株高）；叶片水势的测定选取不同植株从基部第11片叶开始，采用PSYPRO露点水势仪（Wescor公司，美国）和C52样品室进行测定；光合指数的测定采用GFS-3000光合仪（Heinz Walz GmbH公司，德国）于晴天上午10:00测定基部第7片叶；叶绿素荧光参数测定采用OS-30P荧光仪（美国OPTISCIENC-E仪器公司）测定基部第7片叶；叶片相对含水量采用饱和相对含水量法[12]测定；叶绿素含量采用乙醇浸提比色法[13]测定；叶片相对电导率采用电导率法[14]测定；可溶性糖、可溶性蛋白含量分别采用蒽酮比色法和考马斯亮蓝G-250染色法[12]测定；MDA、Pro、SOD、POD和CAT含量选用索莱宝公司的相关试剂盒通过比色法测定，具体方法参考使用说明。

1.2.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理与分析；采用SPSS 22.0软件进行方差分析和主成分分析。

按照下列公式计算自根苗和嫁接苗各综合指标的隶属函数值：

与生长呈正相关的参数用公式（1）计算各综合指标的隶属函数值：

与生长呈负相关的参数用公式（2）计算各综合指标的隶属函数值：

式中，u(Xij)表示第i个处理第j项指标的隶属，且u(Xij)[0,1]；Xj表示第j个综合指标；Xmax和Xmin分别表示所有参试处理中的第j个综合指标的最大值和最小值。

各综合指标的权重和D值：

式中，Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的权重；Pj为自根苗和嫁接苗第j个综合指标的贡献率；D值为干旱条件下综合指标评价所得的评价值。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对葡萄新梢生长量的影响

由图1可知，干旱胁迫下‘110R’新梢生长量最大，为146.15 mm，与其他3种试材存在显著性差异，‘黑比诺/110R’嫁接苗的新梢生长量次之，与‘黑比诺’自根苗和自接苗具有显著性差异。

2.2 干旱胁迫对叶片相对含水量和水势的影响

由图2 可知，干旱胁迫下叶片相对含水量以‘110R’自根苗最高，为92.59%，与其他3个材料具有显著性差异。‘黑比诺/110R’嫁接苗的降幅较小，‘黑比诺’自根苗和自接苗的降幅较大，且嫁接苗与后两者差异显著。

图2 干旱胁迫对葡萄叶片相对含水量（A）和叶片水势（B）的影响Figure 2 Effects of drought conditions on relative water content (A) and water potential (B) of grapevine leaves

干旱胁迫下叶片水势以‘110R’与‘黑比诺/110R’嫁接苗相近，分别为-1.44、-1.45 MPa，均与‘黑比诺’自根苗、自接苗存在显著性差异。

2.3 干旱胁迫对葡萄叶片光合作用的影响

由表1所示，干旱胁迫下‘黑比诺’自根苗的叶绿素含量最高，为1.37 mg·g-1，显著高于其他3个材料。‘110R’自根苗的叶绿素含量次之，为1.25 mg·g-1，‘黑比诺/110R’嫁接苗的叶绿素含量高于‘黑比诺’自接苗。

表1 干旱胁迫对葡萄叶片光合作用的影响Table 1 Effects of drought stress on photosynthesis of grapevine leaves

干旱胁迫下，原初光能转化效率（Fv/Fm）和潜在光化学效率（Fv/Fo）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、净光合速率（Pn）和胞间CO2浓度（Ci）等光合参数在不同处理中呈现相同规律，即砧木‘110R’的这些光合参数均为最大值，且显著高于其他3个材料；而‘黑比诺/110R’嫁接苗次之，也是显著高于‘黑比诺’自根苗和自接苗。

2.4 干旱胁迫对葡萄叶片细胞膜损伤的影响

由表2可知，干旱胁迫后对叶片的相对电导率和MDA含量有一定的影响，以‘黑比诺/110R’嫁接苗相对电导率最小，为15.32%，显著低于‘110R’自根苗和‘黑比诺’自接苗，而‘黑比诺’自根苗和自接苗之间的叶片相对电导率差异不显著。MDA含量在4个材料之间的差异也与叶片相对电导率的趋势基本一致，即‘黑比诺/110R’嫁接苗叶片MDA含量显著低于其他3个材料。

表2 干旱胁迫对葡萄叶片细胞膜损伤和渗透调节物质的影响Table 2 Effects of drought stress on cell membrane damage and osmotic adjustment substances in grapevine leaves

由表2所示，干旱胁迫下，不同的渗透调节物质在4个不同材料中的变化趋势存在差别，其中，‘黑比诺/110R’嫁接苗叶片中可溶性糖含量达到3.89%，显著高于其他3个材料；‘黑比诺’自根苗叶片中的可溶性蛋白低于其他3个材料；‘110R’自根苗叶片中的脯氨酸含量显著高于其他3个材料。

2.5 干旱胁迫对葡萄叶片抗氧化酶的影响

本研究重点关注干旱胁迫下不同材料中的SOD、POD和CAT三种抗氧化酶的差异，结果见表3。干旱胁迫下，SOD和POD活性在4个材料中的变化趋势是一致的，即‘110R’自根苗叶片中最高，与其他3个材料的差异显著，而‘黑比诺’自根苗和‘黑比诺’自接苗叶片中的SOD和POD活性相对较低，两者间无显著差异；‘黑比诺/110R’嫁接苗叶片中CAT活性最高，显著高于其他3个处理，而‘110R’自根苗叶片中的CAT活性则处于较低水平。

表3 干旱胁迫对葡萄叶片抗氧化酶活性的影响Table 3 Effects of drought stress on antioxidant enzymes in grapevine leaves

2.6 不同葡萄植株耐旱性综合评价

干旱胁迫往往会引起植物多项生理指标的变化，利用单一或少数几个生理指标评判植物的耐旱性具有片面性，为更加科学地评价‘黑比诺’自根苗和自接苗、‘110R’自根苗和‘黑比诺/110R’嫁接苗的耐旱性，需对获得的各项指标进行主成分分析和隶属函数综合评价。

利用主成分分析，前2 个主成分贡献率达95.21%（图3和表4），其中，主成分1累计贡献率为69.80%，反映了新梢生长量、叶片含水量、叶片水势、原初光能转化效率（Fv/Fm）、潜在光化学效率（Fv/Fo）、蒸腾速率、气孔导度、光合速率、胞间二氧化碳浓度（Ci）、相对电导率、可溶性蛋白、脯氨酸、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）的指标信息，第一主成分的这14个指标综合反映了树体长势、叶片的水分变化和吸收、叶片光合、细胞膜损伤和大部分渗透调节物质及抗氧化酶的状况；主成分2累计贡献率为25.41%，主要反映了叶绿素含量、丙二醛（MDA）、可溶性糖和过氧化氢酶（CAT）的指标状况。

图3 葡萄各指标因子载荷分布图Figure 3 Load distribution map of each index factor of grape

各项指标的隶属函数值见表5。综合利用隶属函数值和权重，计算干旱胁迫下‘110R’自根苗、‘黑比诺’自根苗及自接苗和‘黑比诺/110R’嫁接苗干旱条件下综合指标评价所得D值（表6）。并利用D值评价干旱胁迫不同植株综合表现。结果表明，干旱胁迫下不同植株的综合表现排序为：‘110R’自根苗＞‘黑比诺/110R’嫁接苗＞‘黑比诺’自根苗＞‘黑比诺’自接苗。说明砧木‘110R’的耐旱性高于‘黑比诺’，而以‘110R’为砧木嫁接后，可以提高酿酒葡萄‘黑比诺’的耐旱性。

表5 各项葡萄植株生长和叶片生理指标隶属函数值Table 5 Membership function values of various grape plant growth and leaf physiological indexes

表6 葡萄综合评分和排序Table 6 Grapevine comprehensive score and sorting

3 讨论

植物受干旱胁迫的影响可直接表现在枝条生长量和叶片失水状况上。相对于抗旱能力弱的植物而言，抗旱性强的植物在干旱胁迫下生存能力与体内水分运输水平较强，具有较高的生长量和保水能力[15-16]。本研究中，‘110R’自根苗较‘黑比诺’自根苗新梢生长量和叶片水分亏缺受干旱胁迫抑制较弱，植株各种代谢活动能正常进行。‘黑比诺’自接苗的叶片含水量和叶片水势下降幅度比‘黑比诺/110R’嫁接苗大；同时，‘黑比诺’自接苗新梢生长量受干旱胁迫影响较大，而以‘110R’为砧木的嫁接苗可以自身的某种机制调节叶片组织内的水分状况，增强叶片的保水能力，减少水分的散失。

干旱胁迫下，参与光合作用的叶绿素被降解，叶绿素含量相应减少[17]。本试验干旱胁迫下，自根苗的叶绿素含量以‘黑比诺’较高，这可能是叶绿素含量超出光合能力的范围或与色素之间的转化有关，嫁接苗的叶绿素含量以‘黑比诺/110R’较高，叶绿素含量与抗旱系数是否相关还有待验证[18]。研究表明，抗旱性强的品种做砧木时接穗在水分胁迫环境中表现出顽强的生命力，叶片光合能力也相应的提高[19-20]。同时，处于同一逆境下的植物叶片Fv/Fm越高，该植物对于光能的转化效率就越大，在逆境中的生存能力就越强[21]。本研究通过对比两种自根苗叶绿素荧光参数和光合指数发现，‘110R’自根苗较‘黑比诺’自根苗的光能转化效率和光合速率更高。对应的嫁接苗PSⅡ活性中心损伤越轻，光合参数下降幅度越小，适应干旱的能力就越强，叶片光合能力也相应提高，已有相关报道[22-23]。

植物遭受逆境伤害时，植物体内的活性氧迅速增加，并发生膜脂过氧化反应，产生丙二醛[24]。同时，由于膜通透性增大，导致电解质外渗，植物的相对电导率也会增大[25]。为保证植物正常生长，植物本身会主动积累更多的渗透调节物质，通过渗透调节使其维持原本的生理代谢过程[26]。本试验通过比较干旱胁迫下两种自根苗和两种嫁接苗的相对电导率、MDA、可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等生理指标发现，两种自根苗可溶性糖含量差异不显著；‘110R’自根苗的相对电导率变化较‘黑比诺’自根苗大，这可能与品种间的差异有关；其余指标说明了‘110R’自根苗的耐旱性强于‘黑比诺’自根苗。对比两种嫁接苗生理指标发现，除可溶性蛋白含量差异不显著外，其余指标间接证明了‘110R’作为砧木可有效提升接穗‘黑比诺’的耐旱性，这与徐美隆、刘国志等[27-28]研究结果相似。

抗氧化酶具有清除植物组织内活性氧自由基（ROS）的功效，将形成的过氧化物转换为毒害较低或无害物质，缓解环境因素对植物造成的伤害[29]。由于干旱胁迫引起迅速产生的大量ROS对膜系统造成一定的损伤，使蛋白质的合成和酶的活性受到影响，SOD、POD、CAT作为植物体内的酶促保护系统，与抗旱性密切相关[30]。本研究中，‘110R’自根苗具有较‘黑比诺’自根苗更强的ROS清除能力。嫁接苗以‘黑比诺/110R’叶片中SOD、POD和CAT含量较高，这与甘海峰等[31]研究结果相似。说明‘110R’砧木能显著增强接穗的抗氧化酶系统。

砧穗互作是一个极其复杂的过程，逆境条件下，抗性砧木嫁接往往会引起接穗的生理应答机制发生改变，从而增强接穗的抗逆性[32]。对于我国西北地区，干旱是葡萄栽培的主要逆境因素之一，其引起的植物生理响应是一个系统工程，以单一的生理指标对葡萄的耐旱性进行评价存在片面性，而采用主成分分析和隶属函数分析方法对各项生理指标进行综合性评价更加科学。目前，该方法已经在苹果、葡萄、大豆等[33-35]多种植物的抗旱性评价中得到了应用。本研究采用主成分分析和隶属函数分析方法对各项生理指标进行综合性评价，得出4种供试材料中抗旱性强弱为‘110R’自根苗＞‘黑比诺/110R’嫁接苗＞‘黑比诺’自根苗＞‘黑比诺’自接苗。