淹水对‘美乐’葡萄光合作用及根系生理特性的影响

丁慧芳，杨文莉，代红军*，王振平

（宁夏大学农学院，宁夏银川 750021）

葡萄在我国已有数千年的栽培历史。近年来，我国葡萄栽培发展迅速，在世界葡萄产业中占有重要地位[1]。由于全球气候变暖，使得灾害天气时有发生，暴雨天气频率也有所增加，全球受涝害影响的土地越来越多。我国是自然灾害比较严重的几个国家之一，大部分地区属于典型的季风型气候。南方耕地地下水位高，降雨又多，易发生涝害。北方果园在7、8月进入降雨的高峰期，正值果树生长旺盛时期，暴雨、排水不良等原因引起的涝害严重影响了果树的产量和品质。

植物涝害是指土壤水分过多对植物产生的伤害。水分过多引起植物根系缺氧，从而产生一系列危害，例如：烂根、病虫害蔓延、生长缓慢。涝渍是使农作物受害最严重的非生物胁迫之一，它能够导致雨季葡萄果实产量和品质严重下降，进而影响葡萄酒的质量[2]。涝渍灾害是农业主产区水土资源利用中最重要的环境问题和社会经济问题[3]。研究内涝防治对控制内涝、保障粮食安全具有重要的现实意义[4]。李艳试验发现，‘赤霞珠’嫁接苗在淹水后枝条生长量明显降低，而根系的反应大于地上部，表现为根系干物质量降低，根冠比降低，根系活力下降，根相对膜透性增加[5]。柳树是耐涝树种，在涝渍胁迫下，其气孔导度短时间内下降，但能很快恢复，而杨树恢复能力差，这说明气孔导度在一定程度上能反映植物的抗涝能力[6]。杨暹等[7]研究表明，水淹胁迫导致菜心菜叶片及根系的过氧化氢酶（CAT）活性、叶片的过氧化物酶（POD）活性出现先降后升，然后再下降的现象；根系的POD活性出现先降后升的现象；叶片的超氧化物歧化酶（SOD）活性先升后降，根系的SOD活性出现先降后升再下降的现象。王三根[8]发现淹水下植物叶片中的可溶性糖含量逐渐增大，且显著高于未淹水的植株。葡萄属于耐涝性植物，国内外关于葡萄的抗逆性研究多集中在抗寒、抗旱性，关于葡萄抗涝性的研究不足。本试验针对葡萄涝害这一问题，以酿酒葡萄‘美乐’为试验材料，研究淹水胁迫对其光合作用以及根系生理活动的影响，为葡萄抗涝性及涝渍排水管理提供一定的参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点与材料

试验于2019年6月在宁夏农垦集团玉泉营农场，国家葡萄产业技术体系水分生理与节水栽培岗位科学家试验基地温室中进行，能有效防止自然降雨对淹水试验的干扰。

春季对温室中5年生‘美乐’盆栽葡萄进行正常管理，每盆一株。待到葡萄绿果期（6月份）选取生长健壮、长势均匀的12盆葡萄进行淹水试验。盆栽容器用上口径×底径×高为32 cm×21 cm×23 cm的红陶粗砂花盆，花盆下部带有出水口，底部带有隔水层，供试土壤为珍珠岩、蛭石及草炭灰（体积比为1:1:1）。其中，土壤主要养分含量为：全氮8.42 mg/L、全磷2.75 mg/L、全钾0.82 mg/L。

1.2 试验设计

选3盆葡萄正常浇水，剩余9盆分别进行淹水试验。淹水处理采用双层盆法，将盆栽葡萄放置于体积较大的塑料盆（上口径×底径×高为41 cm×26 cm×17 cm ），用自然水淹没至离花盆顶部4 cm处，每3 h添一次水，以维持淹水水层3 cm高度。在淹水结束当日人工将积水排掉，自然恢复至正常水平。

试验采用单因素随机区组设计，以不淹水盆栽酿酒葡萄为对照（CK），共设淹水时间为4、6、8 d三个处理（即T1、T2和T3）。以1盆为1个处理，每个处理3个重复。试验共取根样5次，在淹水2、4、6、8、10 d时采集根尖，之后液氮速冻，于-80 ℃冰箱保存备用。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 光合指标及叶绿素的测定

（1）光合特性。用德国WALZ公司生产的GFS-3000型便携式光合仪测定叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）和气孔导度（Gs）。选用开放式气路，设定光强为1000μmol/(m2·s)，采用定点法，以基部向上的第8片叶为光合测定对象。对不同日期的同项指标采用定时测定，每2 d测1次，均在上午9:00—11:00时进行。

（2）叶绿素含量测定（乙醇提取法）。取新鲜葡萄叶片，洗净，剪碎（去掉中脉），混匀后称取叶片0.1 g，加95%乙醇10 mL，封口，置于暗处浸提48 h，于波长665、649、470 nm下测定吸光度，以95%乙醇为对照。然后计算出叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素含量。

1.3.2 根系生理指标的测定

（1）细胞膜相对透性用电导法测定[9]。取处理后的根用去离子水冲洗数次后，剪成小段，放入盛有去离子水的试管中，用封口膜封口。在室温下暗处理置于水浴中保温，然后用DDS-307型电导率仪测定溶液的电导率，用R1表示；然后于100 ℃水浴20 min，冷却至室温后测定电导率，用R2表示。用下列公式计算相对电导率，表示质膜相对透性。细胞膜相对透性/%=R1/R2×100。

（2）丙二醛（MDA)含量的测定参考李合生等的方法[10]。称取0.5 g根加入磷酸缓冲液（pH7.8)，在冰浴上研磨成匀浆后定容至8 mL，在4 ℃下以12000 r/s转速离心20 min，取上清液用于测定。按照赵世杰等[11]方法，取测定液1.5 mL于带塞试管中，加入0.5%TBA溶液2.5 mL，混合后于沸水上反应20 min，冷却离心，上清液分别于532，600、450 nm下测定OD值。重复3次。

MDA/(μmol/g)=6.4×(OD532－OD600)－0.56×OD450

MDA含量=MDA浓度×提取液体积/称取鲜重

（3）游离脯氨酸含量的测定。选取不同处理的地下部根系，取0.5 g剪碎，使用酸性茚三酮法[12]，以蒸馏水作为参比液，使用UV755B型分光光度计于520 nm波长下比色，并计算根系组织内游离脯氨酸含量。

（4）根系活力的测定。采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定植株根系活力[13]。

1.3.3 数据处理

本试验数据采用DPS 7.05进行统计分析，Excel等软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 淹水对葡萄叶片光合指标及叶绿素含量的影响

2.1.1 淹水对葡萄叶片光合作用的影响

由图1A可知，处理T1、T2、T3的光合速率均先降低，后升高，表现出先受影响后恢复的过程。T1处理在4 d时最低，显著低于对照，6 d开始有所升高，逐渐恢复，10 d能够恢复到接近CK水平。T2处理6 d最低，8 d开始恢复，恢复期延迟。T3处理8 d最低，与T1、T2相比恢复期继续延迟，10 d开始恢复。在10 d时，CK与T1相近，T1高于T2、T3处理，T2高于T3处理，说明淹水时间越长，恢复越慢。

由图1B可知，葡萄叶片的蒸腾速率与光合速率显现相同的变化规律，3个处理均先降低，后升高，表现出先影响后恢复的过程。与CK相比，3个处理均能显著降低叶片的蒸腾速率，各处理间均达到显著差异。T1在第10天时恢复到CK水平，T2与T3在第10天仍然低于CK，没有恢复到正常状态。

由图1C可知，与对照相比，3个处理均能显著降低叶片的气孔导度。T1在淹水4 d时最低，T2在6 d时最低，T3在8 d达到最低值；T1在10 d时恢复到CK水平，T2、T3恢复较缓慢。说明淹水能不同程度的降低叶片的气孔导度。

由图1D可知，淹水胁迫下胞间CO2浓度各处理均有不同程度的增加。T1在淹水4 d时达到最大；T2在淹水6 d时，达到最大值，升幅为13.06%；T3在8 d时受影响最大。说明淹水处理后葡萄的胞间CO2浓度上升。

综合以上分析，‘美乐’受到淹水胁迫后，叶片气孔导度降低，胞间CO2浓度升高，叶片光合作用减弱，净光合速率也随之下降。

2.1.2 淹水对葡萄叶绿素含量的影响

淹水8 d时，T1、T2已经解除胁迫，T3淹水胁迫时间最长，各处理间指标变化不同。因此本试验在8 d采集枝条成熟叶片进行叶绿素含量的测定。淹水胁迫下，植株叶片叶绿素遭到不同程度的破坏。淹水8 d时，T1已解除胁迫4 d，叶绿素a含量较对照减少7.2%，叶绿素b含量减少11.29%；类胡萝卜素和叶绿素总量也低于CK水平，但与CK无显著差异。T2处理叶绿素a含量较对照减少8.56%，叶绿素b、类胡萝卜素和叶绿素总量均呈下降趋势。T3处理叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及叶绿素总量较对照减少幅度最大，差异显著。说明淹水胁迫破坏了植株叶片叶绿素，且不同处理间破坏程度不同。

2.2 淹水对葡萄根系生理指标的影响

2.2.1 淹水对根系细胞膜相对透性的影响

相对电导率是衡量细胞膜透性的重要指标，其值越大，表示电解质的渗漏越多，细胞膜受伤害程度越大。如图2可知，T1相对膜透性在淹水4 d时达到最大值，在淹水胁迫解除后逐渐降低；T2在淹水6 d时相对膜透性达到最高值，之后开始下降；T3在淹水8 d时相对膜透性达到最大值。T2、T3处理根系细胞膜被破坏较严重，淹水胁迫解除后，膜透性开始下降。说明淹水会使葡萄根系细胞膜透性增大，细胞完整性遭到了破坏。

2.2.2 淹水对葡萄根系丙二醛含量的影响

植物器官在逆境条件下，往往发生膜脂过氧化作用产生丙二醛。丙二醛含量可以表示植物对逆境条件反应的强弱。经过方差分析，根系丙二醛含量在不同处理间差异显著。由图3可知，对照组根系丙二醛含量维持在较低水平。淹水过程中各处理丙二醛含量均呈上升趋势。在第10天时，T3处理丙二醛含量仍显著高于其他两个处理，T2次之，T1已恢复到CK水平。说明在淹水环境中，T1根系所受到的伤害程度最小，T2次之，T3最大。

表1 淹水对叶绿素含量的影响Table 1 Effect of flooding on chlorophyll content/(mg/g)

2.2.3 淹水对葡萄根系脯氨酸含量的影响

脯氨酸是最有效的渗透调节物质之一，能缓解植物在逆境胁迫下的过度失水。由图4可知，淹水引起了葡萄根系脯氨酸的积累。通过对试验数据的显著性分析表明，CK的脯氨酸含量在淹水2、4、6、8、10 d时均无显著差异。淹水结束时，3个处理的脯氨酸含量均显著升高。淹水胁迫解除后，脯氨酸含量降低，表现出先受影响后恢复的过程。3个处理的脯氨酸含量均在淹水结束时达到最大值。T2处理6 d达到最高值，恢复时间延迟，恢复速率变慢。T3处理8 d时达到最高值，与T1、T2相比恢复期继续延迟，说明淹水时间越长，恢复越慢。

2.2.4 淹水对葡萄根系活力的影响

由图5可知，在淹水处理过程中，不同处理根系活力呈下降趋势。淹水时间为2～4 d时，3个处理与对照之间存在显著差异，但3个处理间无显著差异。之后T1根系活力开始恢复，T2、T3继续下降，6 d时较CK下降幅度分别达到46.8%、49.6%。淹水8 d时，T1可以恢复到CK水平，T2、T3恢复时间延长，T3根系活力达到最低值，根系组织被严重破坏，较难恢复。说明在淹水处理中，根系活力与淹水胁迫程度紧密相关，淹水处理时间越长，根系活力越低，根系受伤害越严重，且恢复越慢。

3 讨论与结论

叶绿素是作物进行光合作用时必不可少的物质，其含量的多少可直接反映光合能力的强弱。类胡萝卜素是光吸收的辅助色素，对光合作用和光保护有着重要作用，它与膜上的抗氧化分子相结合，通过叶绿素循环以非辐射的方式耗散光系统过剩的能量来保护叶绿素在高温强光的环境中免遭破坏[14]。向永玲等[15]发现，涝害后小麦顶三叶叶绿素含量较对照下降，涝害时间越长，下降程度越大；不同叶位叶片涝害后下降差值差异显著，下叶位下降值大，涝害后7 d恢复，上叶位叶绿素含量较对照差值明显增加，涝害后下叶位叶片先受害，而后向上叶位叶片扩展。本试验表明，‘美乐’葡萄叶片中叶绿素及类萝卜素均随着淹水时间的增加而显著下降，这与李艳等[14]研究结果一致。随着胁迫解除时间的延长，不同树种叶绿素含量呈现上升趋势[16]，说明淹水胁迫解除后植株得到恢复。本试验表明，淹水解除后，‘美乐’各处理均得到一定程度地恢复，且淹水时间越短恢复越快。

植物淹水胁迫最早受到影响的是气孔。气孔的变化是植物对淹水胁迫最为敏感的一个指标[17]，在一定程度上能够反应植物的耐涝能力。本试验表明，随着淹水天数的增加，‘美乐’葡萄净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均显著下降，这与前人研究结果一致[16-17]。

植物组织在受到逆境伤害时，最敏感的是细胞膜，由于膜的功能受损或结构破坏，使其透性增大，导致电解质外渗量的增加进而影响植物代谢，同时根系活力明显下降。本试验中淹水对葡萄根系的影响表现在相对膜透性的增加和根系活力的降低，淹水程度历时越长，影响越明显。植物体内活性氧的产生与清除处于平衡状态，在正常的生长环境中，当植物处于涝害、干旱、高温等逆境胁迫条件下，这种平衡会遭到破坏，植物体内的超氧化物阴离子自由基（O2-）、羟自由基（OH-）、O2、H2O2等活性氧迅速积累，并由此引发和加剧膜脂过氧化作用，使植物细胞损伤，直至植株死亡[18]。丙二醛是细胞膜脂过氧化作用的直接产物，作为活性氧积累而导致膜伤害的膜脂过氧化物，淹水后作物根系中的丙二醛含量显著升高[19]。本研究表明，淹水后‘美乐’葡萄根系中丙二醛含量增加且淹水后期较前期增加幅度大，淹水胁迫解除后，各处理均能得到一定程度的恢复，胁迫时间越短，恢复越快。

逆境条件下，脯氨酸和可溶性糖含量的增加有助于细胞的保水和正常代谢的进行，因为积累的脯氨酸和可溶性糖可以降低原生质的渗透势，防止细胞水分散失，对原生质起到保护作用。李艳[20]发现，淹水胁迫下，各砧木根系中的脯氨酸含量有不同程度的增加。本试验表明，淹水条件下‘美乐’葡萄根系中的脯氨酸含量均随着淹水时间的延长而显著增加。说明葡萄可以通过增加脯氨酸等渗透调节物质的含量来保持原生质体与环境的渗透平衡，保持膜结构的完整性，从而抵抗逆境，减轻水涝给植物带来的伤害。

在本研究中，淹水能不同程度地降低‘美乐’葡萄净光合速率、气孔导度、蒸腾速率，可能会抑制‘美乐’葡萄叶绿素及类胡萝卜素的合成并促进其分解，最终导致‘美乐’葡萄光合作用受到抑制；淹水胁迫导致根系受到伤害，细胞膜被破坏，根系活力下降，相对电导率及丙二醛含量上升，渗透调节物质脯氨酸迅速积累；胁迫解除后，葡萄涝害程度不同，恢复速率也不同。综合以上结论，可在实践生产中利用本试验中所测定项目作为研究涝害对葡萄影响的指标。