夏季淹水胁迫对北美枫香苗木叶色及光合荧光特性的影响

仲 磊，张焕朝，范俊俊，张丹丹，江 皓，张往祥

(1.南京林业大学林学院，南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；2.江苏省林木种苗管理站，江苏 南京 210036；3.金陵科技学院园艺园林学院，江苏 南京 211169；4.金埔园林股份有限公司，江苏 南京 211100)

我国南方大部分地区滩涂、湿地资源丰富，绿化、彩化、美化潜力巨大。但是，目前耐涝树种选择或耐涝机理方面的研究主要集中于传统农业或生态树种[1-6]，并未充分重视耐水湿观赏树种的选育，且大多研究在大棚或实验室内进行。然而，我国南方洪水具有季节性发生特点，集中发生在高温高湿的夏季，仅仅在控制环境条件下模拟淹水胁迫，忽略夏季高温的交叉作用，不利于耐水良种的选育推广。

北美枫香(Liquidambarstyraciflua)原产于北美，为金缕梅科枫香属落叶阔叶乔木，生长快，抗风能力较强，其叶片秋季变黄色、紫红色，且彩叶期长，是园林配置中优秀的彩叶树种[7]。关于北美枫香，国内外学者开展了抗寒性、耐热性、抗旱性、引种繁殖等基础研究[8-10]，但耐水湿相关研究报道较少。本研究模拟南方洪水季节性发生的特点，在夏季高温期间人工模拟淹水胁迫，对北美枫香的耐水能力和淹水过程中的叶色变化及光合、荧光特性等进行分析，为其耐涝应用提供基础数据，也为沿海和涝害地区耐水湿观赏树种的筛选提供理论依据，以增强湿地生物多样性与景观多样性。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

于2017年初春，选取长势相近的500株北美枫香1年生扦插苗植株种植于容器中(口径30 cm，高30 cm)，盆土为普通园土，每盆装土量一致，每盆容器种植2～3棵，放置在南京林业大学江都试验基地(119°55′E，32°42′N)，露天正常水分管理养护5个月，至植株恢复稳定状态(适应性栽培)。2017年7月初，选择长势相近的植株300株，放置于露天水槽内(人工建造)，根据试验设计进行注水。

共设2个试验样地，试验1用于生长指标观测(0 d和60 d)，处理和对照(CK)样本数各30株；试验2用于形态、光合、荧光等指标动态测定(0～60 d)，处理和CK样本数各120株。处理组要求土壤含水量过饱和(涝害水平)，水面高于土壤面约5 cm，每3天换1次水；CK组保持正常的水分管理(土壤含水量约为田间持水量的75%)。

1.2 指标测定

1.2.1 形态指标测定

在试验1中，分别于0 和60 d测定苗高与地径(苗高为植株顶稍至盆口的距离，地径为距盆口以上2 cm处的直径)以及苗木成活率。计算苗木苗高与地径生长的耐受系数Y。苗高耐受系数计算公式为：

YH=ΔHT/ΔHCK。

地径耐受系数计算公式为:

YD=ΔDT/ΔDCK。

式中：H与D分别为淹水60 d后苗高与地径，T为淹水处理，CK为正常水分管理。

在试验2中，处理后0、10、20、30、40、50、60 d，选取苗木上部第4～7节位的功能叶10片，采用Canon EOS 5D Mark IV拍照设备(Canon，Japan)进行叶片色彩参数、叶片色素相对含量测定及典型叶片照片拍摄。

叶片色彩采用TSD010色差仪(X-Rite，USA)进行测定。每片叶片取均匀分布6个测定点。测定的光源选用内置D65光源，窗口直径为8 mm。为了减少外界光源的影响，将叶片放置在5 mm厚度的白纸上进行色差仪叶色测定。色彩亮度(L*)表示色彩的明亮程度；色相饱和度(C*)表示色彩饱和度；色调角(h)表示颜色属性，h在-30°～120°时为红黄色区域，其余为蓝绿色区域[11-12]。

采用Unispec-SC单通道便携式光谱分析仪(PP-System，USA)测定叶绿素(chlorophyll，Chl)、花青素(anthocyanidin，Anth)和类胡萝卜素(carotenoid，Car)相对含量，每叶片选取分布均匀的6个测定点。各色素的相对含量参照Merzlyak等[13]方法进行计算。

1.2.2 光合参数测定

在试验2中，于处理后0、10、20、30、40、50、60 d，在天气晴朗的上午(10:00至11:00)，选取北美枫香苗木中上部相同部位方向功能叶6片，采用CIRAS-2便携式光合系统(PP System，USA)进行气体交换参数测定，即净光合速率(Pn)，μmol/(m2·s)；气孔导度(Gs)，mol/(m2·s)；蒸腾速率(Tr)，mmol/(m2·s)；胞间CO2浓度(Ci)，μmol/mol。测定光辐射强度设为1 000 μmol/(m2·s)，CO2含量为380 μmol/mol，饱和光强叶室温度37 ℃，相对湿度为75%，每处理3个有效重复。

1.2.3 光响应曲线的测定

在试验2中，于淹水处理后的0、30、60 d，于天气晴朗的上午(8:00至11:30)，选取苗木中上部相同部位方向功能叶，使用CIRAS-2便携式光合仪(PP System，USA)测定光响应曲线。每处理3个有效重复。测定时，参比室CO2含量控制为380 μmol/mol，叶温控制为25 ℃，设置模拟光辐射强度为1 800、1 600、1 400、1 000、800、500、200、100、50、20、10和0 μmol/(m2·s)，测定其净光合速率Pn。光响应曲线的拟合选用非直角双曲线模型[14]

1.2.4 叶绿素荧光参数测定

于处理后0、10、20、30、40、50、60 d的上午(10:00至11:00)，采用Handy PEA连续激发式荧光仪(Hansatech，UK)进行叶绿素快相荧光动力学参数测定。选取北美枫香植株中上部的相同方向部位功能叶6片，暗适应30 min后进行测定。NRC/CSm为单位叶面积反应中心数，EABS/CSm为单位叶面积吸收的光能，ETRo/CSm为单位叶面积捕获的光能，EETo/CSm为单位叶面积电子传递的量子产额，EDIo/CSm为单位叶面积的热耗散，ψO为PSⅡ捕获能量从QA(与D1蛋白结合的质体醌)传递到QB(与D2蛋白结合的质体醌)的效率，φEo为用于电子传递的量子比率，φRo为受体侧末端电子受体的量子产额，Itotal为综合性能指数。

1.3 数据分析

采用SPSS 17.0和Origin 8.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 淹水对北美枫香生长、根系及成活率的影响

经观测，淹水胁迫下北美枫香苗高净生长量、地径净生长量及成活率分别为(9.43±2.86) cm、(1.98±0.48) cm和93.3%，而对照的分别为(5.16±0.61) cm、(1.55±0.47) cm及100%。这表明，淹水并未限制北美枫香的高生长(P<0.01，F=35.08，df=1)和径生长(P<0.05，F=6.91，df=1)，两个指标的耐受系数均大于1(YH=1.83；YD=1.27)。淹水胁迫下北美枫香表型变化见图1，可以看出淹水处理的植株叶色发生黄化，根系颜色也由健康的褐红色转变为白灰色，茎基部皮孔明显变大。

CK．对照(正常水分管理)control (normal water management)；T．淹水处理flooding treatment。下同。The same below.A．淹水0 d处理与对照北美枫香苗株的整体phenotype of the cutting seedlings of L.styraciflua at the beginning of flooding treatment (0 d)；B．淹水60 d处理与对照北美枫香苗株的整体phenotype of the cutting seedlings of L.styraciflua after 60 days of flooding treatment；C．淹水0 d处理与对照北美枫香苗株的根系roots of the cutting seedlings of L.styraciflua at the beginning of flooding treatment；D．淹水60 d处理与对照北美枫香苗株的根系root of the cutting seedlings of L.styraciflua after 60 days of flooding treatment。图1 淹水过程中北美枫香表型变化Fig.1 Phenotype change of L.styraciflua during the process of flooding

A.北美枫香叶色在CIELCH色空间中呈现的动态分布dynamic distribution of L.styraciflua leaf color in CIELCH color space；B.北美枫香在淹水过程中叶片叶绿素与胡萝卜素和花青素相对含量的比值变化change of the ratio of chlorophyll to carotene and anthocyanin [Chl/(Car+Anth)] during flooding；C.北美枫香在淹水过程中叶片表型色彩的变化change of leaf phenotypic color during flooding。图2 淹水对北美枫香叶色及色素含量的影响Fig.2 Change of leaf color and pigment content of L.styraciflua during the process of flooding

2.2 淹水对北美枫香叶色参数的影响

淹水处理下北美枫香叶色参数的变化见图2。从图2A可以看出，淹水过程中，北美枫香叶色在CIELCH色空间中呈现的动态分布格局与CK不同。在色彩明度L*维度方向，处理与CK所有位点均分布在30～50，然而，在淹水30 d后，处理L*值与CK差异显著(P<0.05，F=77.72～528.1，df=1)。在色彩饱和度C*维度方向上，CK所有位点均分布在17～32，而处理随着淹水时间的延长，C*值呈现明显的递减趋势(均值37→7)。在色调角h维度方向上，CK所有位点均分布在122°～130°，而处理随着淹水时间的延长，h值呈现明显的下降趋势，40 d后，叶片由绿色相域转变为红色相域(均值130°→33°)。

叶绿素与胡萝卜素和花青素相对含量的比值[Chl/(Car+Anth)]变化趋势(图2B)进一步表明，随着淹水处理时间延长，处理的Chl/(Car+Anth)的值呈现下降趋势。20 d后，处理Chl/(Car+Anth)值显著低于CK(P<0.05，F=22.45～580.7，df=1)，40 d后，比值小于1，这表明40 d后叶片中胡萝卜素和花青素相对含量占据主要地位。由图2C可以看出，随着淹水时间的延长，处理的植株叶片大小整体略小于CK，且在第50天左右叶边缘开始变红，第60天后叶整体变为红色。

2.3 淹水对北美枫香叶片光合特性的影响

对北美枫香光合气体交换参数(Pn、Tr、Gs和Ci)连续进行测定，结果见图3。

不同小写字母表示淹水处理与对照差异显著(P <0.05)，下同。Different letters indicated the difference significance between the treatment and control of L.styraciflua at P <0.05 levels.The same bellow.图3 淹水对北美枫香叶片气体交换参数的影响Fig.3 Variations of gas exchange parameters of L.styraciflua during the process of flooding

由图3看出，淹水处理的北美枫香叶片气体交换参数与CK变化趋势整体相似，但是在淹水中后期，处理各参数值显著低于CK(P<0.05，F=11.10～425.87，df=1)，且二者差异整体呈现增大趋势。

CK-0、CK-30及CK-60分别为对照0、30、60 d时的光响应曲线。The CK-0,CK-30 and CK-60 were the light response curves on the 0,30 and 60 d,respectively.T-0、T-30及T-60分别为处理0、30、60 d的光响应曲线。The T-0,T-30 and T-60 were the light response curves treated with the 0,30 and 60 d,respectively.图4 淹水对北美枫香的光响应曲线的影响Fig.4 Light response curves of L.styraciflua during the process of flooding

淹水初期(0 d)、中期(30 d)、末期(60 d)的北美枫香光响应曲线见图4。由图4可知，处理与CK北美枫香光响应曲线的变化趋势基本一致(R2≥0.91)，随着光强的增加，Pn都会有不同程度的上升，但在各光强下的Pn显著低于CK(P<0.05，F=9.62～682.64，df=1)，且随着淹水时间的延长，处理与CK的Pn差值越大，表现出较低的光能利用率。然而，当光合有效辐射达到1 800 μmol/(m2·s)时，淹水处理与CK仍未显示光抑制现象。

2.4 淹水对北美枫香叶片PSⅡ能量分配的影响

淹水对北美枫香叶片PSⅡ的能量分配的影响见图5。

图5 淹水对北美枫香叶片叶绿素荧光参数的影响Fig.5 Changes of chlorophyll fluorescence parameters of L.styraciflua during the process of flooding

由图5可以看出，在淹水前期(0～30 d)，处理的北美枫香单位叶面积上反应中心数量(NRC/CSm)、吸收(EABS/CSm)、捕获(ETRo/CSm)与传递(EETo/CSm)电子的能量均显著大于CK(P<0.05，F=13.80～534.28，df=1)，热耗散(EDIo/CSm)显著低于CK。此外，PSⅡ捕获能量的传递效率(Ψo)、传递电子的量子比率(φEo)及受体侧电子受体的量子产额(φRo)均显著大于CK(P<0.05，F=15.20～496.11，df=1)。然而，随着淹水时间的延长(20 d后)，处理的各参数变化趋势与CK相反，显著低于或高于CK(P<0.05，F=18.33～568.24，df=1)。

综合性能参数(Itotal)用于研究光系统间的电子传递活性，主要反映淹水胁迫对PSⅡ反应中心的影响。淹水20 d后，枫香的Itotal显著降低(P<0.05，F=67.35～523.69，df=1)(图5)，且随着淹水时间的延长，Itotal下降幅度逐渐增大(第60天除外)，该参数下降幅度明显比其他荧光参数大。

3 讨 论

植物形态结构与生长的变化是反映淹水对植物影响的直接表观结果。但是，任何植物耐水能力的评价均取决于所研究的物种年龄以及淹水胁迫的严重程度、胁迫持续时间等因素。通常淹水胁迫引起的形态或生理的变化随着胁迫的严重程度和持续时间而变化[15]。

本研究中持续淹水60 d并未对北美枫香的生长产生抑制作用，苗木的成活率达90%以上，这表明北美枫香对短期淹水具有较强的耐受能力。然而，在淹水处理下，北美枫香根系出现灰化现象、茎基部皮孔增大、地上叶片部分出现了转色现象。相关研究认为，茎基附近的自由基细胞分裂和扩张会导致皮孔肥厚性生长[16]。皮孔增大被认为与氧气向下扩散有关，能够促进氧气进入根系[17]。叶片的呈色现象主要受色素比值影响，当与红、黄色有关的花青素与类胡萝卜素的含量比值升高，叶片呈色就可能从绿色转变为红黄色[18-20]。此外，花青素可作为抗氧化剂减轻过剩激发能对植物造成的伤害[21-22]；类胡萝卜素能够清除胁迫下的氧自由基以及猝灭三线态的叶绿素[23]。因此，叶片中花青素和类胡萝卜素含量比值的升高能够在一定程度上降低植物对光合反应中心的破坏。本研究中，北美枫香色素比值在淹水20 d后显著低于CK，在淹水40 d后色素比值开始小于1，这与叶片外观形态变化表现出同步性，而且这种色素含量权重的变化能够提高北美枫香对胁迫的抵御能力。

叶绿素(光合色素)是光合作用的光能捕获物质基础[24-26]，叶绿素含量降低必然会造成光合作用强度的下降[27]。有研究结果表明，叶绿素含量对逆境胁迫反应的敏感性可作为衡量植物逆境耐受能力强弱的指标[28]。随着光合色素含量的降低，光合作用也会受到抑制[29-31]。本研究中，淹水初期北美枫香叶片气孔发生关闭，导致CO2扩散的阻力上升，进而引起光合速率降低。随着淹水时间的延长，叶绿素含量明显下降，进一步抑制植物的光合作用。荧光动力学参数变化进一步表明，在淹水初期(0～30 d)，淹水对北美枫香叶片PSⅡ并未产生胁迫反应，但随着淹水时间的延长，北美枫香叶片用于电子传递的能量配额逐渐减少，电子传递效率、量子比率大幅下降，造成单位叶面积上光能利用率的降低。同时，通过提高热耗散的配额来降低激发能的产生，减少过剩激发能产生的伤害，有助于减轻淹水对北美枫香造成影响以提高期耐水淹性。此外，光合参数、荧光参数及叶片色素比值变化的拐点出现的时间早晚不一致，呈节律性变化，分别为20、30及40 d时，其中光合参数反应最为灵敏。这可能是因为叶片色素是影响光合的因素之一，与光合速率之间存在较大的关联；荧光参数主要反映光反应的情况，因此与反映整体光合能力的光合速率之间并非完全同步。

综上所述，北美枫香具有较强的短期耐水淹能力，可应用于长江流域滩涂等地美化；北美枫香可通过增加叶片热耗散以及调节光合色素含量权重来减少激发能和过剩激发能产生的伤害，从而提高其耐涝性；叶片色素比值(叶片呈色)、光合参数及荧光参数拐点出现时间早晚不一致，但是呈现节律性变化，其中光合参数反应最为灵敏。