淹水對‘美樂’葡萄光合作用及根系生理特性的影響

丁慧芳，楊文莉，代紅軍*，王振平

（寧夏大學農學院，寧夏銀川 750021）

葡萄在我國已有數千年的栽培歷史。近年來，我國葡萄栽培發展迅速，在世界葡萄產業中占有重要地位[1]。由于全球氣候變暖，使得災害天氣時有發生，暴雨天氣頻率也有所增加，全球受澇害影響的土地越來越多。我國是自然災害比較嚴重的幾個國家之一，大部分地區屬于典型的季風型氣候。南方耕地地下水位高，降雨又多，易發生澇害。北方果園在7、8月進入降雨的高峰期，正值果樹生長旺盛時期，暴雨、排水不良等原因引起的澇害嚴重影響了果樹的產量和品質。

植物澇害是指土壤水分過多對植物產生的傷害。水分過多引起植物根系缺氧，從而產生一系列危害，例如：爛根、病蟲害蔓延、生長緩慢。澇漬是使農作物受害最嚴重的非生物脅迫之一，它能夠導致雨季葡萄果實產量和品質嚴重下降，進而影響葡萄酒的質量[2]。澇漬災害是農業主產區水土資源利用中最重要的環境問題和社會經濟問題[3]。研究內澇防治對控制內澇、保障糧食安全具有重要的現實意義[4]。李艷試驗發現，‘赤霞珠’嫁接苗在淹水后枝條生長量明顯降低，而根系的反應大于地上部，表現為根系干物質量降低，根冠比降低，根系活力下降，根相對膜透性增加[5]。柳樹是耐澇樹種，在澇漬脅迫下，其氣孔導度短時間內下降，但能很快恢復，而楊樹恢復能力差，這說明氣孔導度在一定程度上能反映植物的抗澇能力[6]。楊暹等[7]研究表明，水淹脅迫導致菜心菜葉片及根系的過氧化氫酶（CAT）活性、葉片的過氧化物酶（POD）活性出現先降后升，然后再下降的現象；根系的POD活性出現先降后升的現象；葉片的超氧化物歧化酶（SOD）活性先升后降，根系的SOD活性出現先降后升再下降的現象。王三根[8]發現淹水下植物葉片中的可溶性糖含量逐漸增大，且顯著高于未淹水的植株。葡萄屬于耐澇性植物，國內外關于葡萄的抗逆性研究多集中在抗寒、抗旱性，關于葡萄抗澇性的研究不足。本試驗針對葡萄澇害這一問題，以釀酒葡萄‘美樂’為試驗材料，研究淹水脅迫對其光合作用以及根系生理活動的影響，為葡萄抗澇性及澇漬排水管理提供一定的參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2019年6月在寧夏農墾集團玉泉營農場，國家葡萄產業技術體系水分生理與節水栽培崗位科學家試驗基地溫室中進行，能有效防止自然降雨對淹水試驗的干擾。

春季對溫室中5年生‘美樂’盆栽葡萄進行正常管理，每盆一株。待到葡萄綠果期（6月份）選取生長健壯、長勢均勻的12盆葡萄進行淹水試驗。盆栽容器用上口徑×底徑×高為32 cm×21 cm×23 cm的紅陶粗砂花盆，花盆下部帶有出水口，底部帶有隔水層，供試土壤為珍珠巖、蛭石及草炭灰（體積比為1:1:1）。其中，土壤主要養分含量為：全氮8.42 mg/L、全磷2.75 mg/L、全鉀0.82 mg/L。

1.2 試驗設計

選3盆葡萄正常澆水，剩余9盆分別進行淹水試驗。淹水處理采用雙層盆法，將盆栽葡萄放置于體積較大的塑料盆（上口徑×底徑×高為41 cm×26 cm×17 cm ），用自然水淹沒至離花盆頂部4 cm處，每3 h添一次水，以維持淹水水層3 cm高度。在淹水結束當日人工將積水排掉，自然恢復至正常水平。

試驗采用單因素隨機區組設計，以不淹水盆栽釀酒葡萄為對照（CK），共設淹水時間為4、6、8 d三個處理（即T1、T2和T3）。以1盆為1個處理，每個處理3個重復。試驗共取根樣5次，在淹水2、4、6、8、10 d時采集根尖，之后液氮速凍，于-80 ℃冰箱保存備用。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 光合指標及葉綠素的測定

（1）光合特性。用德國WALZ公司生產的GFS-3000型便攜式光合儀測定葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導度（Gs）。選用開放式氣路，設定光強為1000μmol/(m2·s)，采用定點法，以基部向上的第8片葉為光合測定對象。對不同日期的同項指標采用定時測定，每2 d測1次，均在上午9:00—11:00時進行。

（2）葉綠素含量測定（乙醇提取法）。取新鮮葡萄葉片，洗凈，剪碎（去掉中脈），混勻后稱取葉片0.1 g，加95%乙醇10 mL，封口，置于暗處浸提48 h，于波長665、649、470 nm下測定吸光度，以95%乙醇為對照。然后計算出葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素及類胡蘿卜素含量。

1.3.2 根系生理指標的測定

（1）細胞膜相對透性用電導法測定[9]。取處理后的根用去離子水沖洗數次后，剪成小段，放入盛有去離子水的試管中，用封口膜封口。在室溫下暗處理置于水浴中保溫，然后用DDS-307型電導率儀測定溶液的電導率，用R1表示；然后于100 ℃水浴20 min，冷卻至室溫后測定電導率，用R2表示。用下列公式計算相對電導率，表示質膜相對透性。細胞膜相對透性/%=R1/R2×100。

（2）丙二醛（MDA)含量的測定參考李合生等的方法[10]。稱取0.5 g根加入磷酸緩沖液（pH7.8)，在冰浴上研磨成勻漿后定容至8 mL，在4 ℃下以12000 r/s轉速離心20 min，取上清液用于測定。按照趙世杰等[11]方法，取測定液1.5 mL于帶塞試管中，加入0.5%TBA溶液2.5 mL，混合后于沸水上反應20 min，冷卻離心，上清液分別于532，600、450 nm下測定OD值。重復3次。

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

MDA含量=MDA濃度×提取液體積/稱取鮮重

（3）游離脯氨酸含量的測定。選取不同處理的地下部根系，取0.5 g剪碎，使用酸性茚三酮法[12]，以蒸餾水作為參比液，使用UV755B型分光光度計于520 nm波長下比色，并計算根系組織內游離脯氨酸含量。

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

1.3.3 數據處理

本試驗數據采用DPS 7.05進行統計分析，Excel等軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 淹水對葡萄葉片光合指標及葉綠素含量的影響

2.1.1 淹水對葡萄葉片光合作用的影響

由圖1A可知，處理T1、T2、T3的光合速率均先降低，后升高，表現出先受影響后恢復的過程。T1處理在4 d時最低，顯著低于對照，6 d開始有所升高，逐漸恢復，10 d能夠恢復到接近CK水平。T2處理6 d最低，8 d開始恢復，恢復期延遲。T3處理8 d最低，與T1、T2相比恢復期繼續延遲，10 d開始恢復。在10 d時，CK與T1相近，T1高于T2、T3處理，T2高于T3處理，說明淹水時間越長，恢復越慢。

由圖1B可知，葡萄葉片的蒸騰速率與光合速率顯現相同的變化規律，3個處理均先降低，后升高，表現出先影響后恢復的過程。與CK相比，3個處理均能顯著降低葉片的蒸騰速率，各處理間均達到顯著差異。T1在第10天時恢復到CK水平，T2與T3在第10天仍然低于CK，沒有恢復到正常狀態。

由圖1C可知，與對照相比，3個處理均能顯著降低葉片的氣孔導度。T1在淹水4 d時最低，T2在6 d時最低，T3在8 d達到最低值；T1在10 d時恢復到CK水平，T2、T3恢復較緩慢。說明淹水能不同程度的降低葉片的氣孔導度。

由圖1D可知，淹水脅迫下胞間CO2濃度各處理均有不同程度的增加。T1在淹水4 d時達到最大；T2在淹水6 d時，達到最大值，升幅為13.06%；T3在8 d時受影響最大。說明淹水處理后葡萄的胞間CO2濃度上升。

綜合以上分析，‘美樂’受到淹水脅迫后，葉片氣孔導度降低，胞間CO2濃度升高，葉片光合作用減弱，凈光合速率也隨之下降。

2.1.2 淹水對葡萄葉綠素含量的影響

淹水8 d時，T1、T2已經解除脅迫，T3淹水脅迫時間最長，各處理間指標變化不同。因此本試驗在8 d采集枝條成熟葉片進行葉綠素含量的測定。淹水脅迫下，植株葉片葉綠素遭到不同程度的破壞。淹水8 d時，T1已解除脅迫4 d，葉綠素a含量較對照減少7.2%，葉綠素b含量減少11.29%；類胡蘿卜素和葉綠素總量也低于CK水平，但與CK無顯著差異。T2處理葉綠素a含量較對照減少8.56%，葉綠素b、類胡蘿卜素和葉綠素總量均呈下降趨勢。T3處理葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及葉綠素總量較對照減少幅度最大，差異顯著。說明淹水脅迫破壞了植株葉片葉綠素，且不同處理間破壞程度不同。

2.2 淹水對葡萄根系生理指標的影響

2.2.1 淹水對根系細胞膜相對透性的影響

相對電導率是衡量細胞膜透性的重要指標，其值越大，表示電解質的滲漏越多，細胞膜受傷害程度越大。如圖2可知，T1相對膜透性在淹水4 d時達到最大值，在淹水脅迫解除后逐漸降低；T2在淹水6 d時相對膜透性達到最高值，之后開始下降；T3在淹水8 d時相對膜透性達到最大值。T2、T3處理根系細胞膜被破壞較嚴重，淹水脅迫解除后，膜透性開始下降。說明淹水會使葡萄根系細胞膜透性增大，細胞完整性遭到了破壞。

2.2.2 淹水對葡萄根系丙二醛含量的影響

植物器官在逆境條件下，往往發生膜脂過氧化作用產生丙二醛。丙二醛含量可以表示植物對逆境條件反應的強弱。經過方差分析，根系丙二醛含量在不同處理間差異顯著。由圖3可知，對照組根系丙二醛含量維持在較低水平。淹水過程中各處理丙二醛含量均呈上升趨勢。在第10天時，T3處理丙二醛含量仍顯著高于其他兩個處理，T2次之，T1已恢復到CK水平。說明在淹水環境中，T1根系所受到的傷害程度最小，T2次之，T3最大。

表1 淹水對葉綠素含量的影響Table 1 Effect of flooding on chlorophyll content/(mg/g)

2.2.3 淹水對葡萄根系脯氨酸含量的影響

脯氨酸是最有效的滲透調節物質之一，能緩解植物在逆境脅迫下的過度失水。由圖4可知，淹水引起了葡萄根系脯氨酸的積累。通過對試驗數據的顯著性分析表明，CK的脯氨酸含量在淹水2、4、6、8、10 d時均無顯著差異。淹水結束時，3個處理的脯氨酸含量均顯著升高。淹水脅迫解除后，脯氨酸含量降低，表現出先受影響后恢復的過程。3個處理的脯氨酸含量均在淹水結束時達到最大值。T2處理6 d達到最高值，恢復時間延遲，恢復速率變慢。T3處理8 d時達到最高值，與T1、T2相比恢復期繼續延遲，說明淹水時間越長，恢復越慢。

2.2.4 淹水對葡萄根系活力的影響

由圖5可知，在淹水處理過程中，不同處理根系活力呈下降趨勢。淹水時間為2～4 d時，3個處理與對照之間存在顯著差異，但3個處理間無顯著差異。之后T1根系活力開始恢復，T2、T3繼續下降，6 d時較CK下降幅度分別達到46.8%、49.6%。淹水8 d時，T1可以恢復到CK水平，T2、T3恢復時間延長，T3根系活力達到最低值，根系組織被嚴重破壞，較難恢復。說明在淹水處理中，根系活力與淹水脅迫程度緊密相關，淹水處理時間越長，根系活力越低，根系受傷害越嚴重，且恢復越慢。

3 討論與結論

葉綠素是作物進行光合作用時必不可少的物質，其含量的多少可直接反映光合能力的強弱。類胡蘿卜素是光吸收的輔助色素，對光合作用和光保護有著重要作用，它與膜上的抗氧化分子相結合，通過葉綠素循環以非輻射的方式耗散光系統過剩的能量來保護葉綠素在高溫強光的環境中免遭破壞[14]。向永玲等[15]發現，澇害后小麥頂三葉葉綠素含量較對照下降，澇害時間越長，下降程度越大；不同葉位葉片澇害后下降差值差異顯著，下葉位下降值大，澇害后7 d恢復，上葉位葉綠素含量較對照差值明顯增加，澇害后下葉位葉片先受害，而后向上葉位葉片擴展。本試驗表明，‘美樂’葡萄葉片中葉綠素及類蘿卜素均隨著淹水時間的增加而顯著下降，這與李艷等[14]研究結果一致。隨著脅迫解除時間的延長，不同樹種葉綠素含量呈現上升趨勢[16]，說明淹水脅迫解除后植株得到恢復。本試驗表明，淹水解除后，‘美樂’各處理均得到一定程度地恢復，且淹水時間越短恢復越快。

植物淹水脅迫最早受到影響的是氣孔。氣孔的變化是植物對淹水脅迫最為敏感的一個指標[17]，在一定程度上能夠反應植物的耐澇能力。本試驗表明，隨著淹水天數的增加，‘美樂’葡萄凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率均顯著下降，這與前人研究結果一致[16-17]。

植物組織在受到逆境傷害時，最敏感的是細胞膜，由于膜的功能受損或結構破壞，使其透性增大，導致電解質外滲量的增加進而影響植物代謝，同時根系活力明顯下降。本試驗中淹水對葡萄根系的影響表現在相對膜透性的增加和根系活力的降低，淹水程度歷時越長，影響越明顯。植物體內活性氧的產生與清除處于平衡狀態，在正常的生長環境中，當植物處于澇害、干旱、高溫等逆境脅迫條件下，這種平衡會遭到破壞，植物體內的超氧化物陰離子自由基（O2-）、羥自由基（OH-）、O2、H2O2等活性氧迅速積累，并由此引發和加劇膜脂過氧化作用，使植物細胞損傷，直至植株死亡[18]。丙二醛是細胞膜脂過氧化作用的直接產物，作為活性氧積累而導致膜傷害的膜脂過氧化物，淹水后作物根系中的丙二醛含量顯著升高[19]。本研究表明，淹水后‘美樂’葡萄根系中丙二醛含量增加且淹水后期較前期增加幅度大，淹水脅迫解除后，各處理均能得到一定程度的恢復，脅迫時間越短，恢復越快。

逆境條件下，脯氨酸和可溶性糖含量的增加有助于細胞的保水和正常代謝的進行，因為積累的脯氨酸和可溶性糖可以降低原生質的滲透勢，防止細胞水分散失，對原生質起到保護作用。李艷[20]發現，淹水脅迫下，各砧木根系中的脯氨酸含量有不同程度的增加。本試驗表明，淹水條件下‘美樂’葡萄根系中的脯氨酸含量均隨著淹水時間的延長而顯著增加。說明葡萄可以通過增加脯氨酸等滲透調節物質的含量來保持原生質體與環境的滲透平衡，保持膜結構的完整性，從而抵抗逆境，減輕水澇給植物帶來的傷害。

在本研究中，淹水能不同程度地降低‘美樂’葡萄凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率，可能會抑制‘美樂’葡萄葉綠素及類胡蘿卜素的合成并促進其分解，最終導致‘美樂’葡萄光合作用受到抑制；淹水脅迫導致根系受到傷害，細胞膜被破壞，根系活力下降，相對電導率及丙二醛含量上升，滲透調節物質脯氨酸迅速積累；脅迫解除后，葡萄澇害程度不同，恢復速率也不同。綜合以上結論，可在實踐生產中利用本試驗中所測定項目作為研究澇害對葡萄影響的指標。