鄧文+莫榮利+李勇+于翠+朱志賢+胡興明

摘要：以五年生桑樹（Morus alba L.）品種強桑1號、農桑14號、育71-1為試驗材料，研究田間長期或短期淹水對桑樹生長及生理特性的影響。結果顯示，4個月長期淹水脅迫導致強桑1號植株生長和光合作用明顯受阻，與對照相比，枝條長度、葉面積大小、節(jié)間長度及桑葉產量極顯著減小，凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）顯著降低。短期淹水脅迫導致強桑1號、農桑14號和育71-1葉片H2O2含量升高，而后隨脅迫時間延長維持在相對穩(wěn)定的水平；各桑樹品種葉片丙二醛（MDA）含量差異明顯，農桑14號葉片MDA含量總體相對較低。短期淹水脅迫下，3個桑樹品種葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性總體呈下降趨勢，而過氧化氫酶（POD）活性隨時間的延長不斷增加。農桑14號葉片SOD和POD活性均高于其他兩個品種，表現(xiàn)出較強的耐淹水能力。

關鍵詞：桑樹（Morus alba L.）；淹水脅迫；凈光合速率；丙二醛；抗氧化酶活性

中圖分類號：S888.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）23-4559-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.036

Abstract： Five-years-old mulberry varieties Qiangsang No.1， Nongsang No.14 and Yu 71-1 were used as test materials to investigate the seedlings growth and physiological-biochemical characteristics of mulberry under long-term or short-term flooding stress. The results showed that，the plant growth and photosynthesis were obviously blocked under long-term flooding stress for four months. Compared with the control，the branch length， leaf area， internodes length and leaf yield of mulberry were remarkably decreased and the Pn，Tr and Gs of mulberry leaves were significantly inhibited. The H2O2 content in the leaves of Qiangsang No.1，Nongsang No.14 and Yu 71-1 increased at the early stage of short-term flooding stress，and then maintained a relatively stable level with the increase of treatment time. The MDA content in leaves of three mulberry varieties was obviously different，and the MDA content in leaves of Nongsang No.14 was lower under short-term flooding stress. With the increase of short-term flooding stress，the SOD activity of leaves in three mulberry varieties decreased，while the POD activity increased. The activity of SOD and POD in leaves of Nongsang No.14 was higher and the submergence tolerance ability of Nongsang No.14 was stronger.

Key words： mulberry （Morus alba L.）； flooding stress； net photosynthetic rate； malondialdehyde； antioxidant enzyme activity

隨著全球氣候變暖，世界各地極端自然災害頻發(fā)，而尤以洪澇災害對植物生長和農業(yè)生產威脅最大[1，2]。以2016年武漢地區(qū)及2017年貴州、湖南等地為例，中短期極端暴雨形成的洪澇災害，使當?shù)氐闹参锖娃r業(yè)生產遭受致命的破壞，造成的經濟損失已無法用簡單的數(shù)字估量。此外，人類活動建造的三峽水庫和丹江口水庫對植物造成了長期的淹水脅迫。庫區(qū)水位季節(jié)性漲落形成的消落帶區(qū)域，是水域生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)交互過渡的地帶[3，4]，其周期性的淹水、干旱生態(tài)環(huán)境幾乎讓絕大多數(shù)植物“有去無回”，適生性植物種類逐年減少[5]。因此，了解淹水對植物的影響及植物對淹水的響應，篩選耐淹性植物對農業(yè)生產及消落帶治理具有重要的理論和實踐意義。

桑樹（Morus alba L.）是桑科桑屬多年生落葉喬木。隨著“立桑為業(yè)、多元發(fā)展”的理念不斷深入，桑樹以其對多種自然惡劣環(huán)境的超強適應能力備受關注，與其他植物相比，尤以超強的反季節(jié)耐淹水能力最為突出[6，7]。姚芳等[6]研究結果顯示，成林桑樹水淹20 d仍能正常生長。賀秀斌等[7]對三峽庫區(qū)消落帶植被生長情況進行了一個淹水年周期的調查，結果顯示10 m深水下淹沒6個月后，桑樹是消落帶出露水面后最早萌生的植物。張建軍等[8]調查發(fā)現(xiàn)，在經歷3～4個月的沒頂水淹，60%以上的桑苗仍能正常萌發(fā)。筆者對2016年武漢市洪澇受災地塊（水深1.5 m，淹水2個月）進行植被生長情況調查，除了雜草之外，木本植物僅見桑樹存活并正常生長。董瑞華等[9]研究結果顯示，冬春季生長休眠期，一年生桑苗苗根淹水和苗干一半淹水最長90 d也能正常萌芽生長。徐子棋等[10]發(fā)現(xiàn)，夏季生長旺盛期，一年生盆栽桑苗對長期的根淹具有很好的適應性，但是無法適應長期的沒頂水淹。目前有關桑樹耐淹性試驗主要采用室內盆栽模擬淹水環(huán)境，探討水淹時間和水淹深度對桑樹萌發(fā)、地上和地下部生長的影響[9，11]。為此，試驗以成年桑樹為試驗材料，探討田間長期或短期淹水對桑樹生長及生理特性的影響，以期在庫區(qū)消落帶治理中為桑樹的生態(tài)價值和經濟價值的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及試驗設計

試驗以五年生田間栽植的桑樹品種強桑1號為材料，于休眠期（2016年2月17日）開始進行田間長期淹水（根淹）處理，空白對照組為正常生長的桑樹，每個試驗組共20株。剪伐方式為春伐，除淹水處理外，不采用任何其他的栽培管理措施。

為了能夠更好地研究自然環(huán)境下田間栽植桑樹的耐淹能力，試驗利用2016年7月武漢當?shù)貜娊涤晷纬傻膬葷硹l件（表1），選擇湖北省桑樹種質資源圃地勢低洼處五年生桑樹品種強桑1號、農桑14號、育71-1為試驗材料，研究了短期自然淹水對田間栽植桑樹生理特性的影響，分別于淹水0、5、15、20、25 d采集第6或7位葉片用于后續(xù)試驗。每3株為一次重復，共3次重復。

1.2 植株生長及產葉量調查

于2016年6月12日分別測定長期淹水和對照組桑樹葉面積大小，利用葉面積測定儀，每個處理隨機測定50片葉片。每個處理隨機選擇3株，分別統(tǒng)計單株枝條數(shù)（條）、單株枝條長度（精確到0.1 cm）、平均枝條長度、單株產葉量、米條長產葉量。隨機選取20根枝條，利用游標卡尺測定枝條中部節(jié)間長度和枝條橫徑，精確到0.1 mm。

1.3 光合日變化測定

基于LI-6400型光合作用測定系統(tǒng)，對長期淹水桑樹葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）日變化進行了測定，從6：00到18：00，每2 h記錄一次數(shù)據(jù)。選擇植株枝條第4～5位葉作為測定對象，每個處理隨機選取3株，每株測定3片葉，每片葉重復記錄3次數(shù)據(jù)。

1.4 丙二醛、過氧化氫含量及抗氧化酶活性測定

將桑樹葉片于液氮中研磨成粉末，稱取0.3 g樣品于5 mL離心管中，并迅速加入3 mL預冷的磷酸緩沖液（50 mmol/L，pH 7.8，含1% PVP），快速振蕩混勻，置于冰上抽提10 min，4 ℃ 12 000 r/min離心10 min，取上清液用于后續(xù)試驗。丙二醛（MDA）、過氧化氫（H2O2）含量及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（POD）活性測定采用購買自南京建成生物工程研究所的試劑盒，其操作步驟按試劑盒說明書進行。各樣品總蛋白含量測定采用考馬斯亮藍法[12]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

基于IBM SPSS 19.0.0 軟件系統(tǒng)，采用鄧肯氏單因素多重比較進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 長期淹水對桑樹生長情況的影響

試驗結果顯示，長期淹水脅迫下，強桑1號枝條生長受到顯著抑制，單株枝條長度和平均枝條長度均極顯著低于對照（圖1）。此外，枝條橫徑和節(jié)間長度也極顯著低于對照（圖2）。4個月長期淹水導致桑樹葉片面積極顯著減小，葉面積大小僅為對照組的40%（圖3a），表明長期淹水顯著抑制了桑樹葉片的生長。但長期淹水對桑樹的萌發(fā)力影響較小，枝條數(shù)甚至略多于對照（圖3b），表明長期淹水對桑樹潛伏芽的萌發(fā)具有一定的刺激作用。

目前，桑樹經濟價值的主要體現(xiàn)是桑葉作為飼養(yǎng)家蠶的專一性飼料。本研究從桑樹經濟性狀的角度探討了長期淹水對強桑1號產葉量的影響，單株產葉量和米條長產葉量結果表明，長期淹水極顯著降低了桑葉產量，減產達80%以上（圖4）。

2.2 長期淹水對桑樹光合生理的影響

基于LI-6400型光合作用測定系統(tǒng)，研究了長期淹水對強桑1號葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）日變化的影響。結果顯示，長期淹水處理顯著降低了強桑1號葉片凈光合速率和蒸騰速率，且Pn和Tr雙峰值分別出現(xiàn)在10：00和14：00，分別較對照Pn雙峰值推遲（8：00）和提前（16：00）2 h（圖5a、圖5b）。長期淹水處理Gs峰值出現(xiàn)在6：00，且日變化無明顯的雙峰特征（圖5c）。長期淹水處理也導致Ci顯著高于對照（圖5d）。綜合以上結果表明，長期淹水顯著抑制了桑樹葉片的光合作用。

2.3 短期淹水對桑樹葉片H2O2和MDA含量的影響

基于自然環(huán)境條件，研究了田間短期淹水對桑樹生理生化特性的影響。結果顯示，淹水脅迫初期（0～5 d），3個桑樹品種強桑1號、農桑14號和育71-1葉片H2O2含量迅速升高，而后隨淹水脅迫時間的延長，H2O2含量維持在相對穩(wěn)定的水平（圖6a），而不同品種桑樹葉片H2O2含量及變化趨勢基本相似。

隨著淹水時間的延長，3個桑樹品種葉片MDA含量呈現(xiàn)波浪式變化，且淹水后0 d和25 d MDA含量基本維持在相同的水平，表明桑樹植株能夠在短時間內通過自身代謝不斷地調整適應淹水脅迫環(huán)境，降低植株膜脂過氧化損傷（圖6b）；而農桑14號MDA含量波動幅度較大，且總體含量低于強桑1號和育71-1，表明農桑14號對淹水脅迫具有較強的自我調節(jié)適應能力。

2.4 短期淹水對桑樹葉片SOD和POD活性的影響

淹水脅迫初期（淹水后5 d），強桑1號、育71-1和農桑14號SOD活性大幅降低，而后隨淹水時間的延長，SOD活性變化呈現(xiàn)品種特異性（圖7a）。淹水脅迫中后期（5～25 d），農桑14號葉片SOD活性隨時間的延長不斷升高，且總體活性均高于其他兩個品種；育71-1葉片SOD活性水平基本維持不變；強桑1號葉片SOD活性呈波動式變化。強桑1號葉片POD活性呈先升高后下降的趨勢，育71-1葉片SOD活性先升高后下降又升高，農桑14號葉片SOD活性隨淹水時間的延長不斷升高（圖7b）。3個桑樹品種間POD總體活性順序為農桑14號>育71-1>強桑1號。

3 小結與討論

3.1 田間長期淹水對桑樹生長、形態(tài)及光合生理的影響

淹水脅迫通常會造成土壤缺氧[13]，影響根系的生理生化活動，進而影響植物生長發(fā)育、形態(tài)變化[14-16]。前人研究表明，淹水脅迫下，植物生長發(fā)育減慢，節(jié)間及葉片生長受阻，葉片和葉面積減小[17]，凈光合速率降低[18]。本研究結果顯示，長期淹水脅迫抑制了桑樹植株的生長發(fā)育，導致枝條長度、葉片面積、節(jié)間長度及枝條橫徑顯著降低。這與沈玉麗等[19]和徐子棋等[10]報道結果一致，淹水脅迫抑制了桑苗的生長，阻礙了桑苗株高、地徑生長，類似的研究結果在楊樹[18]、麻櫟[20]中也有報道。

已有研究結果表明，淹水脅迫會引起植物凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度顯著降低[10，18，21，22]。光合作用是植物生長發(fā)育和生物量積累的基礎，其對淹水脅迫的響應可以反映植株的耐淹特性[23]。淹水脅迫導致植物光合能力下降可歸結為兩個原因：一是氣孔限制，即淹水初期，氣孔關閉導致CO2供應不足引起的光合速率下降；二是非氣孔限制，即隨淹水脅迫的加重，葉片細胞RuBP羧化酶活性降低，葉綠素降解，細胞功能受損所致[24]。本研究結果顯示，長期淹水顯著降低了強桑1號Pn、Gs、Tr，且Pn和Tr日變化雙峰值分別較對照推遲（上午）和提前2 h（下午），而Gs呈不斷下降趨勢，表明長期淹水脅迫顯著抑制桑樹光合作用，有效光合同化時間縮短，同化產物減少，進而導致植物生長受阻，節(jié)間及葉片減小。氣孔限制及葉肉細胞光合酶活性降低共同導致桑樹葉片光合能力的下降。

3.2 田間短期淹水對桑樹生理生化特性的影響

淹水脅迫會擾亂植物體內活性氧代謝平衡，致使細胞內超氧陰離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）等過度累積，細胞膜脂過氧化損傷加重，丙二醛含量增加[25]。短期淹水結果顯示，脅迫初期（淹水5 d）3個桑樹品種葉片H2O2含量迅速升高，而后維持相對穩(wěn)定水平；MDA含量呈現(xiàn)波浪式變化，但其含量基本維持在相同的水平，表明淹水脅迫在打破桑樹原有活性氧代謝平衡的基礎上，又建立了新的活性氧代謝平衡，通過自身代謝調整適應淹水脅迫環(huán)境，降低植株膜脂過氧化損傷，類似的結果在大豆[26]、楊樹[18]、構樹[27]、無花果[28]、桑樹[10]等植物上均有報道。SOD和POD是響應逆境脅迫的抗氧化酶類，催化O2-和H2O2代謝生成H2O和O2，緩解植物的氧化傷害[5，25]。本研究結果顯示，短期淹水初期，3個桑樹品種葉片SOD活性迅速降低，而后各品種SOD活性變化呈現(xiàn)基因型特異性，耐淹性強的品種SOD活性又隨淹水時間延長逐漸升高。楊鵬等[18]研究發(fā)現(xiàn)，淹水脅迫下青楊雌株幼苗SOD活性顯著降低，而雄株卻有所升高。淹水脅迫下，不同物種、不同品種間POD活性變化存在明顯的差異。3個桑樹品種葉片POD活性變化表現(xiàn)出品種特異性，耐淹性較強的品種農桑14號POD活性隨淹水脅迫時間的延長不斷升高，耐淹性較弱的品種強桑1號POD活性隨淹水時間的延長呈先升高后降低的變化特點。類似結果均有報道，短期淹水脅迫下，夾竹桃POD活性呈不斷增加趨勢[29]，而美洲黑楊無性系POD活性表現(xiàn)為先升高后下降的變化特點[30]。

綜合以上結果表明，田間長期淹水脅迫顯著抑制了桑樹的生長和光合作用，導致桑樹植株葉面積減小，枝條節(jié)間縮短，桑葉產量顯著降低；但對桑芽萌發(fā)力沒有明顯的影響。田間短期淹水脅迫導致桑樹葉片H2O2含量升高，3個桑樹品種MDA含量存在明顯的差異，耐淹性品種MDA含量相對較低。農桑14號葉片SOD和POD活性均高于其他兩個品種，表現(xiàn)出較強的耐淹水能力。

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