趙珍妮,童再康,賴 江

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)亞熱帶森林培育國家重點實驗室,浙江 杭州 311300； 2.建德市林業(yè)局，浙江 建德 311600)

高山杜鵑是杜鵑花屬(RhododendronL.)常綠杜鵑亞屬(Subgenushymenanthes)的一類具有特殊觀賞價值的植物類群，原產(chǎn)于海拔 700 m以上的中、高山地區(qū)，素有 “花中皇后”之稱[1]。各類樹種及品種色彩豐富、花姿艷麗、樹形優(yōu)美，與多數(shù)人審美及消費觀相契合[2]，作為具有高觀賞價值的品種類群，家庭園藝與園林綠化應(yīng)用前景廣闊。同時，高山杜鵑也是優(yōu)良的山地水土保持樹種，且可提取芳香油、殺蟲劑、鞣質(zhì)等工業(yè)原料[3]。

干旱是制約農(nóng)林業(yè)發(fā)展的重要因素[4-5]，隨著全球氣候變化，我國杜鵑花主要分布區(qū)干旱的范圍明顯擴大、強度增強、持續(xù)時間增長、頻率增多[6-7]。高山杜鵑喜冷涼高濕環(huán)境，受其遺傳因素制約，抗旱能力較差[8-9]。在眾多的非生物脅迫因子中, 干旱是制約杜鵑花遷地保育與園林綠化應(yīng)用的關(guān)鍵因子[10]。目前，國內(nèi)外學(xué)者多從外部形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)[11]、光合作用、抗氧化系統(tǒng)及滲透調(diào)節(jié)的響應(yīng)[12-13]和內(nèi)源激素[14]等方面探討杜鵑花對干旱脅迫的響應(yīng)機制。干旱脅迫對云錦杜鵑(R.fortunei)葉片形態(tài)、光合特性日變化、光溫響應(yīng)和水分利用效率的影響已有系統(tǒng)研究[15-17]，對高山杜鵑的研究主要集中在組織培養(yǎng)快繁體系、耐熱性、栽培基質(zhì)等方面，關(guān)于水分管理的研究較少，而有關(guān)品種間、引種與鄉(xiāng)土樹種的干旱與復(fù)水研究還未見報道。因此探究其持續(xù)干旱及復(fù)水的耐旱機制及耐旱性對高山杜鵑在南方引種栽培及抗旱性育種意義深遠。

為探索高山杜鵑潛在栽培區(qū)域及種苗培育中水分控制，本文采用盆栽控水法，以云錦杜鵑(R.fortunei)為參照，測定了高山杜鵑萊姆(R. Halfdem lem)、惠特尼(R.Ann Rose Whitney)和弗吉尼亞(R.Virginia Richards)3個品種的光合參數(shù)、葉綠素熒光參數(shù)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等耐旱性生理生化指標，評價其抗旱能力，以期為明確高山杜鵑栽培區(qū)以及抗旱品種育種與園林應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料及方法

1.1 供試材料

試驗在浙江省杭州市臨安區(qū)浙江農(nóng)林大學(xué)實驗基地(30°15′ N,119°43′ E)進行，選取生長良好、長勢一致的3年生高山杜鵑容器苗為試驗材料，盆栽基質(zhì)為泥炭∶珍珠巖=2∶1(容積比)，置于60%遮蔭條件下培養(yǎng)。試驗期間基地實測氣溫見圖1。

圖1 試驗期間栽培地大氣溫度變化

1.2 試驗方法

2021年7月20日至8月20日將試驗容器苗置大棚內(nèi)進行自然干旱脅迫處理。試驗設(shè)自然干旱和對照(CK)共2個處理，9株重復(fù)。試驗開始前先給苗木澆清水至土壤飽和，土壤含水量(SWC)為60%—65%，之后自然干旱組停止?jié)菜?，對照組正常供水。持續(xù)干旱第31天時，葉片出現(xiàn)嚴重萎蔫，然后澆水至土壤飽和，即行復(fù)水處理，隨后正常養(yǎng)護，弗吉尼亞因復(fù)水后無法恢復(fù)而枯死，不再記錄復(fù)水后數(shù)據(jù)。

持續(xù)干旱過程中，每天16:00用JK-100高周波土壤水分測定儀測定SWC。結(jié)合葉片萎蔫狀態(tài)，分別在輕度干旱(第12天，SWC在44.46%—50.84%)、中度干旱(第20天，SWC在31.44%—36.28%)、重度干旱(第30天，SWC在15.12%—22.23%)和復(fù)水10 d(第40天，SWC在60.7%—67.3%)采樣，期間對照組隔日澆水使土壤含水量始終保持在(60±3)%。葉片采樣時間為8:30，選擇植株枝條頂端向下第3至第5個葉片用于光合參數(shù)、葉綠素熒光參數(shù)測定，后立即采集經(jīng)液氮速凍后保存于-80 ℃冰箱，用于生理生化指標測定。

1.3 指標測定

光合參數(shù)的測定：用Li-6400便攜式光合儀于9:00—11:00測定葉片光合參數(shù)，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)，并計算植株單葉水分利用效率(WUE=Pn/Tr)。PAR設(shè)定為800 μmol/(m2·s),葉室相對濕度設(shè)定為70%，溫度25 ℃，選擇中上部成熟葉片為測定葉，測定5株，每株重復(fù)3次。

葉綠素熒光參數(shù)的測定：用便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀PAM-2500測定PSII最大光合效率(Fv/Fm)、PSII化學(xué)潛在活性(Fv/Fo)、PSII 電子傳遞速率(ETR)和光化學(xué)淬滅(qP) 等葉綠素熒光參數(shù)。

生理指標測定：葉片水勢用METER-WP4C露點水勢儀測定。質(zhì)膜透性采樣相對電導(dǎo)率法，脯氨酸含量、可溶性糖含量、H2O2含量采用南京建成生物有限公司的試劑盒測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2016和SPSS26.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和主成分分析。取4種高山杜鵑在重度干旱下各測定指標進行標準化，參照林海明等[18]的方法，構(gòu)建耐旱性主成分函數(shù)表達式，通過主成分降維獲得綜合評價方程，計算隸屬函數(shù)值進行耐旱性綜合評價。隸屬函數(shù)值越大，耐旱性越強。

2 結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水對植物外部形態(tài)的影響

逆境下植物形態(tài)會有明顯變化，葉片受損情況是評價植物抗逆性最直觀的指標。據(jù)觀察，4種高山杜鵑品種容器苗在對照處理下葉片均生長正常。輕度干旱時，惠特尼與弗吉尼亞上部葉片出現(xiàn)下垂；中度干旱時，惠特尼與弗吉尼亞下部分老葉自然脫離，上層葉片下垂發(fā)黃，萊姆與云錦上部葉片出現(xiàn)下垂；重度干旱時，4種高山杜鵑葉片均出現(xiàn)嚴重下垂情況，弗吉尼亞葉片出現(xiàn)變黃、卷曲；復(fù)水10 d后，弗吉尼亞全部枯死，惠特尼有2株枯死，云錦杜鵑與萊姆均恢復(fù)正常。

2.2 持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水對光合作用的影響

由結(jié)果(見圖2)可見，干旱脅迫下，4種高山杜鵑葉片的Pn，Tr，Gs，Ci均呈下降趨勢，且隨干旱加劇，下降程度越高。復(fù)水10 d后除弗吉尼亞外均有不同程度的上升。品種間Ci對干旱響應(yīng)的差異顯著小于Pn，Tr和Gs的差異，且不同品種對干旱脅迫響應(yīng)差異較大，云錦杜鵑在輕度干旱和中度干旱時均保持較高的Pn，Tr和Gs，重度干旱時大幅下降，而萊姆的Ci對干旱脅迫的響應(yīng)顯著大于其他3個品種。在重度干旱下，與CK對比，云錦杜鵑、萊姆、弗吉尼亞和惠特尼的Pn降幅4個品種分別為66.21%，89.33%，92.37%和98.17%。品種的WUE變化趨勢不同，萊姆和云錦杜鵑的WUE隨持續(xù)干旱呈上升趨勢，而弗吉尼亞和惠特尼則先升高后下降?？傮w趨勢上看，干旱脅迫條件下萊姆的WUE均高于其余其他品種。

圖2 持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水對高山杜鵑葉片光合作用的影響

2.3 持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水對葉綠素熒光參數(shù)的影響

試驗結(jié)果(見圖3)顯示，在正常供水條件下，4個品種葉片的Fv/Fm、Fv/Fo無顯著差異，而干旱脅迫導(dǎo)致2者不同程度的降低，前期降幅平緩，后期降幅變大，弗吉尼亞在整個干旱過程中Fv/Fm、Fv/Fo始終低于其他品種，在重度干旱時降幅達到最大，分別較對照下降13.94%和41.88%。各品種的ETR隨干旱程度加劇呈下降趨勢，弗吉尼亞在重度干旱時大幅下降，較對照下降52.41%。各品種干旱脅迫處理的ETR和qP均顯著高于對照組，其中萊姆的ETR與qP一直高于其他品種，且其qP下降幅度較小，意味著其具有較強的耐旱性。

圖3 持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水對高山杜鵑葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.4 持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水對葉片水勢和相對電導(dǎo)率的影響

持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水后葉片水勢變化見圖4。對照組在試驗期間葉片水勢變化幅度均較小。在持續(xù)干旱脅迫過程中，云錦杜鵑葉片水勢差異不顯著(P>0.05)，萊姆與惠特尼在輕度干旱和中度干旱時降幅較小，重度干旱時明顯下降，而弗吉尼亞一直呈下降趨勢，在重度干旱時萊姆、弗吉尼亞、惠特尼和云錦杜鵑的葉片水勢分別較對照下降了127.72%，181.72%，115.11%和49.41%。復(fù)水10 d后萊姆、惠特尼和云錦杜鵑的葉片水勢均能迅速恢復(fù)。其中，云錦杜鵑葉片水勢下降幅度最小，說明在干旱脅迫環(huán)境下，其能保持較高的水勢，防止細胞失水，保持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定態(tài)。

干旱脅迫對4個品種的相對電導(dǎo)率有顯著影響(見圖4)。相對電導(dǎo)率隨干旱脅迫程度的加重逐漸升高，在重度干旱脅迫下達最大值，與CK對比，萊姆、弗吉尼亞、惠特尼和云錦杜鵑分別增加25.99%，29.88%，54.40%和27.02%。

圖4 持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水對高山杜鵑葉片水勢和相對電導(dǎo)率的影響

2.5 持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和H2O2含量的影響

與對照相比，在干旱脅迫過程中各品種葉片的脯氨酸、可溶性糖和H2O2含量均高于對照(見圖5)，且有明顯的增加過程，復(fù)水后呈下降趨勢。從品種比較看，弗吉尼亞葉片的Pro含量、可溶性糖含量及H2O2含量在干旱過程中持續(xù)升高，萊姆、惠特尼在前期有較明顯上升，隨后變化趨勢轉(zhuǎn)為平緩，復(fù)水后含量又明顯下降。而云錦杜鵑葉片比較特殊，在持續(xù)干旱過程中3種物質(zhì)含量變化最小，略有緩慢上升，復(fù)水后略有下降。

圖5 持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水對高山杜鵑葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和H2O2含量的影響

2.6 高山杜鵑品種耐旱性的綜合評價

主成分與各指標間的載荷系數(shù)反映了該指標對主成分負荷的相對大小和作用方向，載荷系數(shù)越大，關(guān)系越密切(見表1)。測定的14個生理生化指標可簡化為累計貢獻率為88.67%的2個綜合指標，主成分1中除Ci、WUE、qP和ETR外，其余10個指標的載荷系數(shù)均較高；主成分2綜合了植株的葉綠素熒光參數(shù)、Ci、WUE及REC。用這2個綜合指標可反映14項測定指標的絕大部分信息，可用于綜合評價高山杜鵑品種的耐旱性強弱。

用2個綜合變量Z1，Z2代替14個指標觀測值，根據(jù)表1中各耐旱指標的主成分載荷系數(shù)及第1和第2主成分對應(yīng)的特征值，計算特征向量，作為各指標權(quán)重，得到2個主成分的表達式(其中X1—X14均為標準化后的變量)：

Z1=0.329X1+0.338X2+0.343X3+0.161X4-0.099X5+0.005X6+0.123X7+0.293X8+0.318X9+0.293X10-0.231X11-0.283X12-0.36X13-0.277X14

Z2=-0.08X1-0.138X2-0.144X3-0.394X4+0.354X5+0.425X6+0.424X7+0.259X8+0.217X9-0.019

X10+0.346X11-0.266X12-0.015X13-0.095X14

憑借單一的Z1或Z2無法對高山杜鵑耐旱性做出綜合評價，故以選取2個主成分的貢獻率α1和α2為權(quán)重，構(gòu)建耐旱性綜合評價方程：F=α1Z1+α2Z2，即F=0.549 61Z1+0.337 11Z2。

由表2可知，云錦杜鵑作為本地區(qū)中高海拔區(qū)域的鄉(xiāng)土樹種，其耐旱性優(yōu)于引進的3個觀賞品種，列第1，且綜合評價F值(1.87)遠高于其他3個品種。萊姆列第2，弗吉尼亞表現(xiàn)最差，經(jīng)重度干旱后已無法恢復(fù)而全部枯死。從3個引進的優(yōu)異觀賞品種比較看，萊姆具有較強的葉片保水性、光合調(diào)節(jié)能力及滲透調(diào)節(jié)能力，在中國南方中高海拔高溫高濕地區(qū)應(yīng)用具有較大的潛力。

表1 干旱脅迫下4種高山杜鵑各類指標的主成分分析

表2 4種高山杜鵑耐旱性的綜合評價F值及排名

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫嚴重影響植物生長與代謝，尤其影響光合作用。Farquhar等提出[19]，當葉片的胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度變化趨勢均為下降時，則凈光合速率下降為氣孔限制所致。本研究結(jié)果表明干旱脅迫下3個高山杜鵑品種的Pn、Gs和Ci均下降，說明氣孔限制因素是導(dǎo)致其光合速率下降的主要原因。干旱脅迫下氣孔導(dǎo)度降低有利于減少水分蒸發(fā)，各品種氣孔開放程度持續(xù)降低，蒸騰速率也隨之降低，在干旱脅迫對花葉鵝掌柴(Scheffleraodoratacv.Variegata)、白蟾(Gardeniajasminoidesvarfortuniana)等6種園林灌木的光合生理影響研究中也得到了驗證[20]。水分利用效率是凈光合速率與蒸騰速率的比值，隨干旱程度的不斷加劇，降低光合速率的同時更大程度地降低葉片的蒸騰速率是致使水分利用效率升高的主要原因。

葉綠素熒光參數(shù)能反映葉片對光能的利用情況[21]。Fv/Fm和Fv/Fo可用作判斷光合系統(tǒng)是否受損。本研究中Fv/Fm和Fv/Fo在脅迫過程中呈現(xiàn)下降趨勢，說明各品種均受到光抑制從而使光合系統(tǒng)活性降低，復(fù)水10 d后云錦杜鵑、萊姆和惠特尼能快速恢復(fù)趨近對照，說明這3種高山杜鵑具有較強的耐旱性。該結(jié)果與側(cè)柏[Platycladusorientalis(L.)Franco][22]、文冠果(Xanthocerassorbifolia)[23]等植物對干旱脅迫的響應(yīng)結(jié)果相一致。受干旱脅迫時PSII能通過調(diào)節(jié)ETR和qP來減少過剩光能對光合系統(tǒng)的傷害。在試驗過程中，各品種的ETR和qP均出現(xiàn)了不同程度的下降，表明干旱脅迫使其光能轉(zhuǎn)化和利用效率均受抑制[21]。復(fù)水后除弗吉尼亞外均能恢復(fù)至接近對照，表明干旱脅迫還未對云錦杜鵑、萊姆和惠特尼的光合細胞造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，云錦杜鵑的降幅遠小于其他3個品種，表明云錦杜鵑具有更強的耐旱性，能有效保持PSII功能的相對完整，減輕干旱所造成的光合傷害。

水勢是表示植物水分虧損或水分狀況的重要指標[24]。本研究中隨干旱脅迫的不斷加劇，葉片水勢下降，但復(fù)水后水勢有所增加。重度干旱時，云錦杜鵑的葉片水勢相對于對照下降幅度最小，說明其能更好地自我調(diào)節(jié)，維持較高的水勢，穩(wěn)定細胞內(nèi)部環(huán)境。葉片相對電導(dǎo)率隨干旱脅迫加劇均有不同程度提高，說明干旱脅迫已造成葉片質(zhì)膜透性增大，細胞膜功能減弱、下降。這與易家寧等[25]關(guān)于紫蘇[Perillafrutescens(L.)Britt]的研究結(jié)果一致。可見，通過測定干旱脅迫條件下的葉片水勢，一定程度上可判斷該品種的耐旱性。

當植物受干旱脅迫時，脯氨酸和可溶性糖作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)會在體內(nèi)快速積累，防止細胞脫水[26-27]。本研究結(jié)果與柯世省等[15]與黃承玲等[13]對高山杜鵑的研究結(jié)果一致。植物受干旱脅迫時會使活性氧的產(chǎn)生和清除失衡，導(dǎo)致H2O2含量的在體內(nèi)積累，由此，4種高山杜鵑在干旱脅迫處理后，H2O2含量均有不同幅度增加。

植物的耐旱性是一個綜合性生理過程，雖然干旱脅迫程度是最為重要的因子，但既與品種自身遺傳有關(guān)，也與植株的生理狀態(tài)有關(guān)[28]。本試驗涉及的耐旱評價單項指標較多，單一指標難以對高山杜鵑耐旱性進行客觀評價。若直接利用隸屬函數(shù)評價具有局限性，而通過觀測指標的主成分分析組建綜合指標用于品種抗逆性評價具有科學(xué)性與可操作性，可將原本多個指標在保證耐旱性評價準確度前提下簡化為少數(shù)彼此獨立的綜合指標，從而減少工作量。本文采用植株的光合特性、葉綠素熒光參數(shù)及有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等指標綜合評價其耐旱性，利用主成分分析和隸屬函數(shù)相結(jié)合的方法揭示了植物抗逆性的相關(guān)指標與抗逆性的關(guān)系，并對4個參試品種的耐旱性進行了排序。相較而言，鄉(xiāng)土樹種云錦杜鵑的耐旱性最強，引進的3個觀賞品種中，萊姆的耐旱性最好，惠特尼次之，弗吉尼亞的耐旱性最差，該結(jié)果與試驗過程中的植株性狀表現(xiàn)基本一致，結(jié)果比較可靠。