章 毅 蔡建國 孫歐文 施健健

(浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 臨安 311300)

水淹脅迫是世界各地常見的一種逆境脅迫，其能直接改變土壤的理化性質(zhì)，導(dǎo)致土壤中氧氣供應(yīng)不足[1]，使植物根系長期處于厭氧環(huán)境，引發(fā)植物水分吸收能力受阻，光合能力降低，枝葉萎蔫等生理現(xiàn)象[2]。研究表明，植物在水淹脅迫下葉片光合速率下降，光抑制現(xiàn)象出現(xiàn)是導(dǎo)致植物生長速率減緩的重要原因之一[3]；葉肉細(xì)胞和葉綠體常處于水飽和環(huán)境中，因此水淹脅迫對植物光合作用的影響一般是間接的[4]，而其引起植物光合速率、光化學(xué)效率等變化的因素，有氣孔限制因素，也有非氣孔限制因素[5-6]。一方面，植物根系由于缺氧而產(chǎn)生的化學(xué)信號物質(zhì)轉(zhuǎn)移到地上部分，迫使葉片關(guān)閉氣孔，使植物對CO2的吸收能力降低，體內(nèi)光合底物含量減少，從而降低光合速率[7-8]；另一方面，植物在缺氧情況下進(jìn)行無氧呼吸，產(chǎn)生乳酸、乙醇等代謝物質(zhì)，打破活性氧代謝平衡，降解葉綠素，使光合機(jī)構(gòu)受到損害,產(chǎn)生過剩激發(fā)能，從而引起光抑制，甚至光破壞[9-10]。植物在適應(yīng)水淹環(huán)境的過程中，為了維持正常的光合作用，可以形成一系列形態(tài)及生理生態(tài)防御機(jī)制，保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受過剩光能的損害[11]，如為吸收氧氣來應(yīng)對供氧不足而形成不定根[12]；為消除活性氧自由基而產(chǎn)生大量抗氧化酶[13]。同時，植物還可以通過光呼吸、葉綠體呼吸和梅勒反應(yīng)等耗能代謝將過剩的光能和電子耗散掉[14]；通過跨類囊體膜質(zhì)子梯度變化、光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心可逆失活、葉黃素循環(huán)等機(jī)制將過剩光能以熱耗散的形式消耗掉；加強(qiáng)D1蛋白的周轉(zhuǎn)等[15]。植物在逆境脅迫下的光保護(hù)機(jī)制，尤其是光能的分配和轉(zhuǎn)化，具有重大研究意義。研究發(fā)現(xiàn)最適條件下，植物吸收的光能有50%以上以熱耗散的形式被損耗；在長期水淹條件下，熱耗散消耗的光能甚至可以達(dá)到70%以上[16]。為了探索植物在逆境脅迫下光合響應(yīng)及光保護(hù)機(jī)制，學(xué)者們通常借助葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)具有無損、快速、靈敏等優(yōu)點，在光合作用中，可精確反映葉片對光能的吸收、分配、耗散等過程的情況[17]。為了在生理和生物化學(xué)水平上迅速了解光合機(jī)構(gòu)的實際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，以及電子傳遞速率與不同代謝過程的關(guān)系，常把葉片的熒光分析和氣體交換測定技術(shù)結(jié)合起來，使結(jié)果更加全面[18]。

繡球(Hydrangeamacrophylla)別名八仙花，屬于虎耳草科繡球?qū)俾淙~灌木，其花期長久，花色豐富，花型飽滿，具有較高的觀賞價值[19]。繡球喜半陰環(huán)境，適應(yīng)能力強(qiáng)，具有耐陰、耐寒、抗病蟲害等特點[20]，可應(yīng)用于庭園花境，疏林路緣等場景，也可用作室內(nèi)盆花和鮮切花材料。近年來，隨著海綿城市概念的興起，園林設(shè)計師們逐漸將繡球應(yīng)用于花溪、雨水花園或生態(tài)濕地之中，增加了繡球遭受水淹脅迫的概率。目前，對繡球的研究主要集中在組織培養(yǎng)、花色調(diào)控和光合特性等方面[21]，而關(guān)于繡球在水濕環(huán)境適應(yīng)情況的研究鮮見報道。本研究以2個繡球品種無盡夏新娘(Hydrangeamacrophyllacv.endless summer bride)和銀邊(HydrangeamacrophyllaTricolor)為試驗材料，采用浸盆法模擬水淹脅迫，從光合與能力耗散角度分析其在水淹脅迫下的響應(yīng)及防御機(jī)制，以期為繡球的栽培育種及濱水園林應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗于2017年在浙江農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院智能溫室內(nèi)進(jìn)行。

供試品種：無盡夏新娘和銀邊，均是浙江農(nóng)林大學(xué)花卉研究團(tuán)隊經(jīng)過耐澇性篩選所知的高耐澇品種。因二者在澇害過程中的形態(tài)表現(xiàn)略有差異，推測其具有不同的適應(yīng)途徑，故以這2個品種生長健壯、長勢一致的一年生扦插苗為試驗材料。

2012年，浙江農(nóng)林大學(xué)植物園從浙江虹越花卉苗圃基地引種繡球種苗，經(jīng)過4年的栽培養(yǎng)護(hù)，長勢良好。2016年6月，剪取生長整齊一致的插穗，扦插于河沙中至生根。同年7月，各品種選取30株長勢良好且一致的生根苗移栽至浙江農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院智能溫室(溫室日均溫25℃，相對濕度60%)，栽植于育苗缽中(上口徑25 cm，下口徑20 cm，高30 cm)，單株定植；培養(yǎng)基質(zhì)按v(基質(zhì))∶v(珍珠巖)=1∶1配比，常規(guī)水肥管理。2017年5月利用浸盆法進(jìn)行水淹處理，分為對照組(不進(jìn)行水淹，常規(guī)供水，記為CK)和水淹組(水淹處理，深度4 cm，記為WL)，每組15盆。水淹處理持續(xù)30 d后進(jìn)行指標(biāo)測定，每盆測定3片葉子。

1.2 試驗方法

1.2.1 比葉質(zhì)量的測定 待氣體交換和熒光參數(shù)測量結(jié)束，每盆材料采取3片中部新生葉片，用YMJ-B便攜式葉面積儀(浙江宏觀儀器有限公司)測定葉面積；以85℃烘干葉片至恒重，稱取葉片干重；按照公式計算比葉質(zhì)量(leaf mass per area，LMA)：

LMA(g·m-1)=葉片干重/葉面積

(1)。

1.2.2 光響應(yīng)曲線的測定 于2017年5月下旬，利用LI-6400XT便攜式光合儀(LI-COR公司，美國)進(jìn)行光響應(yīng)曲線測定。CO2濃度設(shè)定為400 μmol·mol-1，由CO2小鋼瓶自動控制；葉室相對濕度控制為40%±5%；氣體流速為500 μmol·s-1;葉室溫度控制 25±1℃；設(shè)置光強(qiáng)梯度為2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol·m-2·s-1。選取中部新生葉片作為測定葉，每株測定3片。先對葉片進(jìn)行20 min光誘導(dǎo)，光強(qiáng)設(shè)置為1 000 μmol·m-2·s-1，然后進(jìn)行光響應(yīng)曲線的測定。

1.2.3 光合氣體交換參數(shù) 測定時間、工具及各參數(shù)設(shè)置同上。光強(qiáng)設(shè)為1 000 μmol·m-2·s-1，選取中部新生葉片作為測定葉，每株測定3片。測定參數(shù)包括單葉凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)等。按照公式計算水分利用效率(water use efficiency，WUE)：

WUE=Pn/Tr

(2)。

1.2.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 選取中部新生葉片作為測定葉(3片·株-1)。測定前1 d傍晚用錫紙包裹選定葉片，經(jīng)充分暗適應(yīng)后，于第2天清晨應(yīng)用LI-6400XT便攜式光合儀測定初始熒光(original fluorescence，F(xiàn)o)、最大熒光(maximal fluorescence，F(xiàn)m)，然后按照公式計算PSⅡ最大光化學(xué)效率(maximum photochemical,Fv/Fm)：

Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm

(3)

(4)

(5)

(6)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Ye[23]的直角雙曲線修正模型擬合光響應(yīng)曲線，表達(dá)式如下：

Pn(Ⅰ)=α(1-βⅠ)/(1+γⅠ)Ⅰ-Rd

(7)

式中，α：光響應(yīng)曲線的初始斜率；β：修正系數(shù)；γ：光響應(yīng)曲線初始斜率與最大光合速率的比值；Ⅰ：光合有效輻射(μmol·m-2·s-1)；Pn：凈光合速率(μmol CO2·m-2·s-1)；Rd：暗呼吸速率(dark respiration rate，μmol CO2·m-2·s-1)。據(jù)此計算出表觀量子效率(apparent quantum yield，AQY，mmol CO2·mol-1photos)、光飽和點(light saturation point，LSP，μmol·m-2·s-1)和光補(bǔ)償點(light compensation point，LCP，μmol·m-2·s-1)。

利用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)；SPSS 19.0軟件及Tukey檢驗進(jìn)行顯著性差異分析；光合計算4.0.1軟件輔助擬合光響應(yīng)曲線。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 水淹脅迫對LMA的影響

LMA與葉片的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，對光合作用有潛在作用，可反映植物的資源利用效率[24]。由圖1可知，水淹脅迫后2個繡球品種的LMA均有不同程度的升高。無盡夏新娘在水淹后LMA顯著高于CK，升高約44%；而銀邊的LMA雖有所升高，但不顯著，WL處理僅較CK高約11%；水淹后無盡夏新娘的LMA明顯高于銀邊。結(jié)果表明，無盡夏新娘在水淹脅迫下能夠提高葉片的資源利用效率，從而增強(qiáng)其對脅迫的耐受性。

注：不同小寫字母表示同一品種不同處理間 差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments of the same uniety at 0.05 level. The same as following.圖1 水淹脅迫對繡球比葉質(zhì)量的影響Fig.1 Effect of waterlogging stress on LMA in Hydrangea macrophylla

2.2 水淹脅迫對光合-光響應(yīng)曲線的影響

由圖2可知，水淹脅迫明顯降低了繡球的凈光合速率，但未改變繡球?qū)鈴?qiáng)的響應(yīng)趨勢，即當(dāng)光合有效輻射(photosynthetic active radiation，PAR)為0時，Pn為負(fù)值；隨著PAR的增強(qiáng)，Pn迅速升高，且由負(fù)轉(zhuǎn)正；當(dāng)PAR>400 μmol·m-2·s-1時，Pn緩慢增加，且逐漸趨于平穩(wěn)。Pnmax能夠反映植物在脅迫下對光能利用效率的高低。2個品種的Pnmax差距較大，其中銀邊的Pnmax高于無盡夏新娘，所以其在水淹脅迫下的光能利用率相對較好。

圖2 水淹脅迫下繡球葉片的光響應(yīng)曲線Fig.2 Light response curves of Hydrangea macrophylla leaves under waterlogging stress

由表1可知，水淹脅迫顯著降低了繡球的Pnmax和LSP(P<0.05)，提高了Rd、LCP，但除銀邊的Rd其他變化均不顯著。表明繡球在水淹脅迫后對光能的利用效率降低，光輻射有效利用范圍變窄，不利于繡球有機(jī)物質(zhì)的積累；其中無盡夏新娘的LSP在水淹脅迫下降低88.7%，導(dǎo)致其對強(qiáng)光利用率大幅度降低，而銀邊僅降低26.8%，表明其對水淹環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)；低LCP且高AQY的植物對弱光的利用率較高，水淹脅迫下，銀邊表現(xiàn)出對弱光較高的利用效率，但其Rd較高，不利于在低Pn條件下維持碳平衡。

2.3 水淹脅迫對光合氣體交換參數(shù)的影響

由表2可知，水淹脅迫顯著降低了無盡夏新娘Pn和銀邊Gs(P<0.05)，其他各指標(biāo)在同一品種內(nèi)均有所降低，但變化不顯著。水淹脅迫下，無盡夏新娘和銀邊的Pn分別下降94.4%和43.6%，表明銀邊在水淹脅迫下能更好地保護(hù)光合機(jī)構(gòu)，維持一定的光合能力。Farquhar 等[25]研究發(fā)現(xiàn)Pn下降除與氣孔因素有關(guān)，還取決于Gs和Ci的變化趨勢。當(dāng)Pn下降時，如

表1水淹脅迫對繡球光響應(yīng)特性的影響
Table1Effectofwaterloggingstressonphotosynthesis-lightresponseparametersofHydrangeamacrophylla

參數(shù)Parameter無盡夏新娘H. macrophylla cv. endless summer bride銀邊H. macrophylla TricolorCKWLCKWL表觀量子效率AQY/(mmol CO2·mol-1photos)0.04±0.01b0.03±0.01b0.15±0.03a0.18±0.03a最大凈光合速率Pnmax/(μmol CO2·m-2·s-1)6.80±0.36b1.24±0.16c9.57±0.14a6.85±0.43b暗呼吸速率Rd/(μmol CO2·m-2·s-1)0.70±0.06b0.97±0.17b1.12±0.22b1.92±0.13a光飽和點LSP/(μmol·m-2·s-1)897.64±69.65a101.39±4.65d672.49±27.36b492.51±20.20c光補(bǔ)償點LCP/(μmol·m-2·s-1)19.73±0.01ab28.71±5.56a8.20±0.04b15.79±3.12ab

果Ci隨著Gs的降低而下降，表明Pn降低主要是由氣孔因素限制；若隨著Gs降低，Ci升高或保持不變，表明是非氣孔因素限制。水淹脅迫下無盡夏新娘的Pn顯著降低，Gs和Ci雖然有所降低，但是降幅并不顯著，不足以引起Pn的顯著變化，表明無盡夏新娘的Pn降低主要由非氣孔因素限制。銀邊的Gs在水淹脅迫下降低66.7%，且變化顯著，但Pn和Ci并無顯著變化，這可能是由于銀邊的Pn和Ci的變化具有滯后性，需要繼續(xù)脅迫一段時間才有顯著變化。2個繡球品種的Tr和WUE在各處理間差異均不顯著，表明繡球在水淹脅迫下仍能維持較高的水分蒸騰和利用效率，從而具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

表2 水淹脅迫對光合氣體交換參數(shù)的影響Table 2 Effect of waterlogging stress on the gas exchange parameters of Hydrangea macrophylla

2.4 水淹脅迫對葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

表3 水淹脅迫對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.5 水淹脅迫對繡球葉片光能分配的影響

由表4可知，水淹脅迫下，無盡夏新娘的光化學(xué)反應(yīng)耗散和非光化學(xué)反應(yīng)耗散分別降低69.0%和25.6%，而天線熱耗散升高12.7%，表明繡球具有自我保護(hù)機(jī)制，在受到光抑制時，能夠通過天線熱耗散等途徑將過剩的光能完全損耗掉。銀邊的天線熱耗散和光化學(xué)反應(yīng)耗散分別降低5.9%和31.5%，而非光化學(xué)反應(yīng)耗散升高26.5%，這與NPQ和qP的下降相對應(yīng)，表明其保護(hù)性調(diào)節(jié)機(jī)制未發(fā)揮作用，過剩光能可能將會對其PSⅡ產(chǎn)生光破壞。同時，水淹脅迫下，無盡夏新娘與銀邊的天線熱耗散、光化學(xué)反應(yīng)耗散和非光化學(xué)反應(yīng)耗散均存在顯著差異，表明不同繡球品種光能分配途徑存在差異。

表4 水淹脅迫對葉片吸收光能分配的影響Table 4 Effect of the distribution of light energy absorbed in Hydrangea macrophylla under waterlogging stress /%

注：不同大寫字母表示同一處理下不同品種間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level among different varieties under the same treatment

3 討論

LMA高的植物，其單位葉面積投入較高，細(xì)胞壁厚度增加，對逆境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，但會導(dǎo)致其光合能力和生長速率降低[29]。本研究表明，無盡夏新娘通過提高LMA來提升資源利用效率，從而加強(qiáng)對水淹脅迫的適應(yīng)能力，而銀邊則不依賴LMA的變化來適應(yīng)脅迫。Pnmax是衡量葉片光合能力的重要指標(biāo)，其值越大，產(chǎn)生的干物質(zhì)越多，有助于LMA的提高。本研究中，水淹脅迫下無盡夏新娘的LMA明顯高于銀邊，但其Pnmax較低，這可能是由于其較低的Rd有助于干物質(zhì)的積累[30]。AQY反映植物對弱光的利用能力；LSP和LCP反映植物對強(qiáng)弱光的利用效率，LSP與LCP跨度越大的植物，對光照的適應(yīng)幅度越大[31]。本研究中，水淹脅迫下繡球的LCP和Rd上升，LSP迅速下降，表明水澇逆境導(dǎo)致繡球?qū)饽艿奈蘸屠眯适茏?，光合產(chǎn)物積累量降低；無盡夏新娘的AQY下降，表明其可能發(fā)生光抑制，葉片獲取的光能無法轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，甚至?xí)?dǎo)致光合機(jī)構(gòu)遭到破壞。同時，其Fv/Fm和ETR均呈下降趨勢，證明其Pn的降低由非氣孔因素主導(dǎo)。銀邊表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性，這是由于其具有相對較高的電子傳遞效率和對弱光的利用效率，在無盡夏新娘的光合機(jī)構(gòu)受到破壞時，其光能利用效率仍可維持在較高水平。2個繡球品種的LSP和LCP協(xié)同變化的差異，反映了不同品種間耐澇性的差異。

植物在非生物脅迫下，葉片的光合機(jī)構(gòu)能主動形成多種光能耗散機(jī)制，調(diào)節(jié)對光能的吸收、分配和轉(zhuǎn)換，減輕或避免過剩光能對光能機(jī)構(gòu)的損傷[32-33]。了解吸收光能的分配途徑有助于解釋植物對逆境的調(diào)節(jié)機(jī)制[34]。本研究結(jié)果表明，繡球在水淹脅迫下光化學(xué)反應(yīng)耗散值降低，表明繡球為減輕PSⅡ反應(yīng)中心的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷而減少分配光化學(xué)反應(yīng)的能量份額；無盡夏新娘的天線熱耗散值升高，非光化學(xué)反應(yīng)耗散值降低，表明其具有通過熱耗散調(diào)節(jié)吸收光能的機(jī)制，以防止過剩光能積累，這是植物光合機(jī)構(gòu)主要光保護(hù)機(jī)制之一[35]；銀邊的天線熱耗散值降低，非光化學(xué)反應(yīng)耗散值升高，從能量分配角度看，水淹脅迫降低了其葉片吸收光能向PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)和天線熱耗散等調(diào)節(jié)途徑的分配，導(dǎo)致反應(yīng)中心過量激發(fā)能的積累，可能會引起過氧離子的大量產(chǎn)生，最終損害光合機(jī)構(gòu)；但根據(jù)AQY和Fv/Fm等指標(biāo)可知，銀邊并未發(fā)生光抑制，且其Pn降低是由氣孔因素引起的，而非光合機(jī)構(gòu)受損等原因造成，因此其對脅迫的適應(yīng)性可能依賴其他機(jī)制。研究表明，PSⅡ循環(huán)電子傳遞可能參與PSⅡ的光破壞防御，其機(jī)理是PSⅡ反應(yīng)中心的葉綠素分子(P680)受光激發(fā)發(fā)生電荷分離，電子經(jīng)過Cyt b559等又回到P680+，通過此無效循環(huán)將過剩光能變成熱散失消耗掉，從而保護(hù)反應(yīng)中心免遭破壞[36]。非光化學(xué)反應(yīng)耗散與植物光合電子傳遞過程相關(guān)，非光化學(xué)反應(yīng)耗散值升高，可能有助于PSⅡ循環(huán)電子傳遞的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而防止銀邊在水淹脅迫下發(fā)生光抑制。但關(guān)于繡球在水淹脅迫下是否還有其他光保護(hù)機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

不同繡球品種在水淹脅迫下的光合響應(yīng)和光保護(hù)機(jī)制存在差異。水淹脅迫下，2個繡球品種對光輻射有效利用范圍變窄，光合能力和電子傳遞速率降低；但無盡夏新娘通過提高LMA來提升資源利用效率，穩(wěn)定Gs和Tr以減少水分散失，以天線熱耗散為主要保護(hù)途徑進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，減輕光合機(jī)構(gòu)所受的傷害；銀邊的適應(yīng)性相對較好，在脅迫下能維持相對較高的光化學(xué)效率和水分利用能力，并以PSⅡ循環(huán)電子傳遞為能量調(diào)節(jié)的主要途徑，進(jìn)而保護(hù)光合機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行。綜上，本研究證實了部分繡球品種對水淹脅迫具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可在濱水河岸、低洼濕地等場地中配植，為今后繡球的抗性研究和園林應(yīng)用提供了理論依據(jù)。