5個生姜品種對淹水脅迫的生理響應及耐澇性評價

李港，彭慧敏，蔡小東，馬佳偉，馬慧慧，尹軍良，尚淼，張中華，朱永興*，劉奕清*

（1長江大學園藝園林學院香辛作物研究院，湖北荊州 434025；2長江大學農學院濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北荊州 434025；3宜昌市農業科學院，湖北宜昌 443004；4濰坊市安丘市農業農村局，山東濰坊 262100）

0 引言

【研究意義】生姜（Zingiber officinaleRoscoe）是姜科（Zingiberaceae）姜屬（Zingiber）多年生單子葉草本植物，具有重要的食用、藥用和經濟價值（陳艷和杜紅霞，2018）。江漢平原地處長江中游，地勢低洼、多雨濕潤，年均降雨量達1100～1300 mm，且雨量集中于4—7月，導致澇漬災害頻發（曹雋雋等，2013；吳啟俠，2016）。生姜是淺根性植物，根系不發達，喜濕而不耐澇，生長過程中對水分條件要求嚴格，且其關鍵生長期在5—11月（李策明，2005），與江漢平原降水高峰期重疊，因此在江漢平原地區種植生姜極易遭受澇害，嚴重影響其高產穩產。研究淹水脅迫下生姜的生理響應機制并篩選耐澇種質資源，對于生姜抗澇育種、栽培技術探索具有重要意義。【前人研究進展】澇害是指土壤水分過多對植物產生的傷害，顯著影響土壤的理化性質和生物學特性，導致土壤含氧量急劇下降，造成根系缺氧，進而影響植物自身的生理過程和代謝反應，抑制其生長（丁慧芳等，2020）。生姜的生長、發育及品質和產量受澇害的嚴重限制，其幼苗期處于多雨季節，易遭受澇害影響，導致產量下降甚至嚴重減產（李策明，2005）。淹水脅迫導致植株的根系活力和根系生物量下降，株高、葉面積和根長等生長指標降低（Song et al.，2015）。王瓊等（2012）研究發現，淹水脅迫下油菜的根系總長度、根系表面積及須根數量顯著降低。正常生理狀態下，植物細胞中活性氧的產生和消除維持在平衡狀態，但受到脅迫時活性氧產生和清除失衡導致其大量積累，造成細胞膜脂過氧化損傷（張潔，2019）。陳娟等（2015）研究發現，澇害前期，生姜幼苗抗氧化酶活性升高以應對逆境，清除體內的活性氧，使丙二醛（MDA）含量未明顯上升，但隨著澇漬時間的延長，保護酶系統受損，酶活性降低，MDA含量也相應增加。無花果受到淹水脅迫時葉片O2-·和MDA出現積累，光合參數也有不同程度的降低（齊琳等，2015）。淹水脅迫下，植物PSⅡ活性中心受損，光合性能下降，葉綠素含量降低（童夢瑩等，2019）。葉綠素熒光參數反映葉片光合作用過程中光系統對光能的吸收、傳遞、耗散和分配等信息，已廣泛應用于各種環境脅迫對植物光合作用影響的研究中（Tschiersch et al.，2017）。研究表明，淹水脅迫嚴重影響櫻桃番茄的生長發育及葉片葉綠素熒光，導致其PSⅡ活性中心受到破壞，光合能力下降（童夢瑩等，2019）。目前關于植物抗逆性評價的研究中，多數采用主成分分析與隸屬函數法聯用，結合多指標進行綜合評價，該方法可避免由單一指標評價帶來的片面性和不完整性，較為科學、可靠（高雪等，2018）。白丹鳳等（2019）運用隸屬函數法對4種基因型獼猴桃的耐澇性進行綜合評價，篩選出耐澇種質資源，初步解析了獼猴桃耐澇的生理機制；任保蘭等（2021）用隸屬函數法結合葉綠素熒光參數、滲透調節物質含量、光合色素含量等指標對辣木的耐澇性進行綜合評價，探明了淹水脅迫下辣木幼苗的生理響應規律及其耐澇性。【本研究切入點】已有研究表明淹水脅迫嚴重影響生姜的正常生長發育，導致其大面積減產，但目前關于生姜在淹水脅迫下的形態變化及生理響應機制尚不明確，生姜耐澇種質資源評價的相關研究也未見報道。【擬解決的關鍵問題】以生姜主產區的5個主栽品種為研究對象，研究淹水脅迫下其生長指標、生理指標及葉綠素熒光參數等的響應，結合主成分分析與隸屬函數法對品種耐澇性進行綜合評價，建立耐澇評價體系，為生姜的耐澇機理研究及耐澇品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于湖北省荊州市長江大學西校區玻璃溫室進行，供試的生姜材料為山東大姜、羅平小黃姜、竹根姜、貴州小黃姜、鳳頭姜。5份生姜種質資源均由長江大學香辛作物研究院收集保存。挑選健康且大小基本一致的種姜，2021年4月初種植于花盆中，花盆規格為底部有孔，上徑、底徑、高分別為20、18和23 cm，種植基質為園土∶椰糠∶珍珠巖=6∶3∶1的混合基質。

1.2 試驗方法

當種姜生長至約60 cm高度時，選取健康且長勢一致的姜苗進行處理。每個品種設2個處理，正常水分處理（CK）和淹水處理（Treatment，TR），每個處理3次重復，每個重復10株。CK：正常澆水，使土壤含水量為田間最大持水量的75%。TR：采用雙套盆法，即生姜苗在塑料桶（上徑、底徑、高分別為35、30和45 cm）中進行淹水，每天補水使土壤含水量過飽和，保持水面高出基質土表面3 cm；淹水7 d時大部分生姜顯現不同程度澇害（葉片萎蔫或枯黃），但尚未致死，因此選定淹水7 d時對各項指標進行測定。每次重復選取2株苗，取成熟葉片測定生理生化指標，取新鮮根尖測定根系活力；同時每次重復另選2株同樣位置的葉片測定葉綠素熒光參數。

淹水處理7 d后分別記錄株高、莖粗，第7 d時對植株葉片進行拍照記錄。采用TTC法測定根系活力；硫代巴比妥酸法測定葉片MDA含量；碘化鉀法測定葉片過氧化氫（H2O2）含量；氮藍四唑（NBT）光還原法測定葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性；愈創木酚顯色法測定葉片過氧化物酶（POD）活性；紫外吸收法測定葉片過氧化氫酶（CAT）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性（高俊鳳，2006）。葉綠素熒光參數測定：采用FluorCam大型植物多光譜熒光成像平臺（FlourCam 800 MF，捷克）測定PSII最大光化學效率（Fv/Fm）、非光化學淬滅系數（NPQ）和光化學淬滅系數（qP）等熒光參數，測定前先進行充足的暗適應。

1.3 評價方法及數據處理

數據處理與統計分析使用Excel 2010及SPSS 26.0，差異顯著性檢驗采用Duncan’s新復極差法，相關分析采用Pearson相關系數法，利用GraphPad Prism 9.0制圖。運用DPS 9.5完成主成分分析，使用隸屬函數法綜合評價各品種的耐澇性，主要步驟和公式如下：

（1）耐澇系數（β）（周廣生等，2003）：

（2）主成分分析：對單項指標的耐澇系數進行主成分分析，將其轉換為新的獨立綜合指標。

（3）隸屬函數法分析。綜合指標的隸屬函數值（U）由以下公式求得（周廣生等，2003）：

（4）權重（Wj）的確定（馬瑞娟等，2013）：

（5）耐澇性綜合評價值（D）計算（任保蘭等，2021）：

式中，Xj為第j個綜合指標，Xmin為第j個綜合指標的最小值，Xmax為第j個綜合指標的最大值；Pj為各品種第j個綜合指標的貢獻率。

2 結果與分析

2.1 淹水脅迫對生姜葉片形態的影響

如圖1所示，淹水處理7 d后，各品種葉片形態的變化差異較為明顯。其中，山東大姜有少數葉尖輕微黃化，葉片其他部分保持鮮活嫩綠；羅平小黃姜多數葉片嚴重黃化，葉尖多數卷曲枯死；貴州小黃姜少數葉片輕微黃化，葉尖黃化卷曲；竹根姜和鳳頭姜葉片均嚴重黃化，其中近半數葉片枯死，葉尖全部黃化且卷曲枯死。說明淹水脅迫對各品種的葉片形態均有影響，其中，對山東大姜的葉片形態影響最小，對竹根姜和鳳頭姜的葉片形態影響較大。

2.2 淹水脅迫對生姜生長指標的影響

由表1可知，正常水分條件下，山東大姜的株高和莖粗均為最大值；竹根姜的株高最低，鳳頭姜的莖粗最小。淹水處理后，與CK相比，各生姜品種的株高和莖粗均有不同程度下降。其中，山東大姜的株高較CK降低0.46%，但不顯著（P＞0.05，下同），羅平小黃姜、竹根姜、貴州小黃姜和鳳頭姜的株高分別顯著降低2.45%、3.83%、2.16%和2.42%（P＜0.05，下同）；山東大姜的莖粗較CK減小0.56%，羅平小黃姜、竹根姜、貴州小黃姜和鳳頭姜的莖粗分別顯著減小1.27%、1.63%、1.01%和1.41%。表明淹水脅迫對各品種的生長指標均有影響，對山東大姜的影響較小，對竹根姜的影響較大。

表1 淹水脅迫對不同品種生姜生長指標的影響Table 1 Effects of waterlogging stress on growth indexes of different varieties of ginger

2.3 淹水脅迫對生姜根系活力的影響

由圖2可知，正常水分條件下，貴州小黃姜的根系活力顯著高于其他品種，羅平小黃姜的根系活力顯著低于其他品種，山東大姜、竹根姜和鳳頭姜的根系活力無顯著差異。淹水處理后，山東大姜、羅平小黃姜、竹根姜、貴州小黃姜和鳳頭姜的根系活力分別顯著下降35.07%、41.09%、70.96%、26.76%和36.23%。淹水脅迫使各生姜品種根系活力大幅下降，對生姜根系造成嚴重的損傷。5個品種中貴州小黃姜的根系活力下降幅度最小，竹根姜的根系活力下降幅度最大。

2.4 淹水脅迫對生姜葉片生理指標的影響

2.4.1 對生姜葉片MDA和H2O2含量的影響由表2可知，正常水分條件下，山東大姜和鳳頭姜的葉片MDA和H2O2含量均顯著低于其他3個品種。淹水處理后各生姜品種的葉片MDA和H2O2含量均顯著上升。其中，山東大姜、羅平小黃姜、竹根姜、貴州小黃姜和鳳頭姜的葉片MDA含量分別顯著上升23.34%、31.31%、72.53%、26.68%和62.70%，山東大姜的上升幅度最小，竹根姜的上升幅度最大；同時，葉片H2O2含量分別顯著上升18.20%、27.24%、35.48%、21.09%和58.10%，山東大姜的上升幅度最小，鳳頭姜的上升幅度最大。

2.4.2 對生姜葉片抗氧化酶活性的影響由表2可知，正常水分條件下，山東大姜的葉片SOD活性顯著低于其他品種，羅平小黃姜的葉片POD活性顯著低于其他品種，但其葉片CAT活性顯著高于其他品種。淹水處理后，各生姜品種葉片SOD活性有不同程度的上升或下降，其中，山東大姜、羅平小黃姜和貴州小黃姜的葉片SOD活性分別顯著上升50.92%、9.35%和13.87%；竹根姜的葉片SOD活性有所下降，鳳頭姜的葉片SOD活性有所上升，但均未達顯著水平。淹水處理后，竹根姜的葉片POD活性有所下降，但不顯著；山東大姜、羅平小黃姜、貴州小黃姜和鳳頭姜的葉片POD活性分別顯著上升8.67%、31.99%、8.08%和8.69%；羅平小黃姜、竹根姜、貴州小黃姜和鳳頭姜的葉片CAT活性分別顯著下降46.69%、36.77%、26.56%和21.34%；山東大姜葉片CAT活性有所上升，但不顯著。

2.4.3 對生姜葉片PAL活性的影響 由表2還可知，正常水分條件下，竹根姜的葉片PAL活性最高，鳳頭姜的葉片PAL活性最低。淹水處理后，羅平小黃姜的葉片PAL活性顯著上升34.12%，竹根姜的葉片PAL活性顯著下降33.25%；山東大姜和貴州小黃姜的葉片PAL活性有所上升，鳳頭姜的葉片PAL活性有所下降，但差異均不顯著。

表2 淹水脅迫對生姜葉片生理指標的影響Table 2 Effects of waterlogging stress on physiological indexes of ginger leaves

2.5 淹水脅迫對生姜葉綠素熒光參數的影響

由圖3可知，正常水分條件下，5個品種間的Fv/Fm和qP均無顯著差異，貴州小黃姜和鳳頭姜的NPQ顯著高于其他品種，羅平小黃姜的NPQ顯著低于其他品種。淹水處理后，各生姜品種的熒光參數均有顯著變化，與CK相比，山東大姜、羅平小黃姜、竹根姜、貴州小黃姜和鳳頭姜的Fv/Fm分別顯著下降20.01%、25.11%、24.84%、21.67%和41.83%，山東大姜的下降幅度最小，鳳頭姜的下降幅度最大；NPQ分別顯著升高20.30%、62.35%、56.79%、25.40%和45.80%，山東大姜的上升幅度最小，羅平小黃姜的上升幅度最大；qP分別顯著下降35.12%、49.05%、54.29%、45.49%和58.49%，山東大姜的下降幅度最小，鳳頭姜的下降幅度最大。

2.6 隸屬函數法對不同品種生姜的耐澇性綜合評價

對5個品種生姜苗期淹水脅迫下的12個指標進行主成分分析，共提取3個主成分（PC），PC1～PC3的特征值分別為7.47、2.39和1.66，貢獻率分別為62.25%、19.92%和13.79%，累積貢獻率達95.96%。決定PC1大小的主要是株高、莖粗、MDA含量、SOD活性和qP等指標，決定PC2大小的主要是POD活性、CAT活性、PAL活性和NPQ等指標，決定PC3大小的主要是根系活力、H2O2含量和Fv/Fm等指標（表3）。

表3 生姜耐澇性綜合評價指標的系數、特征值及貢獻率Table 3 Coefficient，eigenvalue and contribution rate of comprehensive evaluation index of ginger waterlogging tole-rance

根據綜合評價公式求出各生姜品種的綜合評價值（D值），D值越大，則該品種的耐澇性越強。結果表明，5個生姜品種的耐澇性排序為山東大姜＞貴州小黃姜＞羅平小黃姜＞鳳頭姜＞竹根姜（表4）。

表4 生姜品種的綜合指標值、權重、U（Xj）、D值及耐澇性排序Table 4 Comprehensive index value，weight，U（Xj），D value and ranking of waterlogging resistance of ginger varieties

對淹水脅迫下5個生姜品種苗期的12個指標及D值進行相關分析，結果表明，各指標中相關性最高的是株高與莖粗，相關系數達0.99；相關性最低的是Fv/Fm與POD，僅0.03。MDA、SOD、qP與株高、莖粗均顯著相關，qP與SOD、PAL與POD顯著相關，株高與莖粗、H2O2與Fv/Fm極顯著相關（P＜0.01，下同）。株高、MDA與D值極顯著相關，相關系數分別為0.96和-0.97，莖粗與D值顯著相關，相關系數為0.92（圖4）。

3 討論

3.1 淹水脅迫對生姜葉片形態、生長指標及根系活力的影響

葉片外部形態的變化可直觀地反映植物遭受澇害的嚴重程度，當遭受淹水脅迫時，植物地上部葉片逐漸發黃萎蔫、干枯甚至脫落（鄭佳秋等，2016）。本研究中5個生姜品種在淹水處理后均出現不同程度的受害癥狀，其中山東大姜只有少數葉尖輕微黃化，受澇害影響最輕；而竹根姜和鳳頭姜所有葉片均嚴重黃化，近半數葉片枯死，受澇害影響較嚴重。淹水處理后各品種外在形態上的變化十分直觀，同時也在一定程度上反映出不同品種對于澇害的耐受能力，但由于植物的耐澇性是一個復雜的綜合性狀，單憑表型的變化來評價其耐澇性還不夠全面。需要運用科學的方法進行綜合評價，才能得出合理的結論。

淹水脅迫打破植物地上部與地下部的平衡，使光合作用和根系吸收能力下降，導致植株生長受到抑制（Kuai et al.，2015）。本研究中，淹水處理7 d后各生姜品種的株高和莖粗均低于CK，說明淹水后生姜生長均受到抑制。在淹水發生后，5個品種中山東大姜的株高和莖粗相比CK降幅最小（0.46%和0.52%），竹根姜的株高和莖粗降幅最大（3.83%和1.63%），可能是由于山東大姜的適應性較強，面對澇害能短時間內調控體內代謝的正常進行，暫時維持自身的生長；而竹根姜的適應性較差，遭受澇害時體內代謝被快速擾亂，導致自身生長嚴重受阻。

植物根系抗逆性的重要評價指標之一是根系活力，淹水脅迫發生后植物根系受到損傷導致根系活力下降（白丹鳳等，2019）。本研究結果顯示，在淹水脅迫下，5個生姜品種的根系活力均顯著下降，但不同生姜品種的根系活力下降程度有所不同，下降幅度越大的品種根系受澇害的影響越大，根系損傷越嚴重。本研究中竹根姜根系活力降幅最大（70.96%），根系受損最嚴重；貴州小黃姜根系活力降幅最小（26.76%），根系受損最輕。

3.2 淹水脅迫對生姜葉片活性氧、MDA及抗氧化酶活性變化的影響

正常狀況下，植物體內活性氧的產生和清除維持在一個平衡狀態，受到脅迫時平衡被打破，導致活性氧大量積累，膜脂過氧化程度加劇（Zhu et al.，2019；劉曉慧等，2020）。本研究發現淹水處理后5個生姜品種葉片的H2O2含量均顯著上升，說明各品種生姜葉片均受到了一定程度的氧化損傷，其中增幅大的品種活性氧清除能力較差；增幅小的品種活性氧清除能力較強。本研究中葉片H2O2含量上升幅度最大的是鳳頭姜（56.10%），上升幅度最小的是山東大姜（18.20%）。表明鳳頭姜的活性氧清除能力最差，葉片的氧化損傷最嚴重；山東大姜的活性氧清除能力最強，葉片的氧化損傷最輕。遭受逆境時，抗氧化酶系統通過酶促反應清除活性氧等物質，協助植物抵御氧化損傷（Suzuki et al.，2012）。本研究中，各品種生姜葉片的SOD、POD和CAT活性有不同程度的上升或下降，例如竹根姜的葉片SOD和POD活性下降，其他4個品種的葉片SOD和POD活性上升，山東大姜的葉片CAT活性上升，其他4個品種的葉片CAT活性下降，變化趨勢存在差異，可能與不同品種的抗氧化酶反應敏感程度有關。

膜脂過氧化主要產物MDA的含量高低直接反映逆境脅迫下植物的受傷害程度（Yin et al.，2019）。本研究中，與CK相比，淹水處理后5個品種生姜葉片的MDA含量均顯著上升，與Phukan等（2014）在淹水條件下薄荷體內MDA含量變化的研究結果相似，表明淹水后各生姜品種的葉片細胞均受到一定程度的膜脂過氧化損傷，其中竹根姜的葉片MDA含量相比CK增幅最大（72.53%），損傷最嚴重；山東大姜的葉片MDA含量相比CK增幅最小（23.33%），損傷最輕。PAL是植物體內苯丙烷代謝的關鍵酶，對植物的生長發育和逆境防御具有重要的生理意義。當植物遭受某些生物、非生物脅迫時，PAL活性升高，提高對逆境的抵抗能力（Zhang and Liu，2015）。本研究中，淹水處理后PAL活性變化并不明顯，且不同品種間的變化趨勢存在差異。

3.3 淹水脅迫下生姜葉綠素熒光參數的變化情況

葉綠素熒光是研究光合作用的探針，在探測植物光合生理與逆境脅迫的關系方面應用十分普遍（Guidi et al.，2019）。參數Fv/Fm主要反映植物PSⅡ的原初光能轉化效率；qP可反映光化學反應中熱耗散的大小；NPQ反映植物將PSⅡ反應中過剩光能散耗為熱的能力（Repo et al.，2016；Tschiersch et al.，2017）。本研究中，與CK相比，淹水處理后5個生姜品種的Fv/Fm、qP均顯著下降，NPQ均顯著升高，表明淹水處理顯著降低了生姜的PSII原初光能轉換效率，抑制了光合原初反應過程，使PSⅡ反應中心受到一定程度的損傷，該結果與郭欣欣等（2015）在淹水脅迫對不結球白菜幼苗光合特性影響中的研究結果類似。

3.4 生姜苗期的耐澇性綜合評價

研究表明，運用單一指標對植物耐澇性進行判定較片面且不完整（朱向濤等，2017）。本研究中，各生姜品種在單項指標上表現出的抗性并不一致，貴州小黃姜的根系活力下降幅度最小，竹根姜下降幅度最大；山東大姜的葉片MDA含量下降幅度最小，竹根姜下降幅度最大。研究表明，運用主成分分析將若干個單項指標進行降維處理得到相應綜合指標，再利用隸屬函數法結合綜合指標計算植物的抗性得分來判定植物的耐澇性是一種有效的評價方法（任保蘭等，2021）。本研究采用主成分分析對5個生姜品種的生長生理等12個單項指標進行降維處理，轉化為3個獨立的綜合指標，對綜合指標值及相應的隸屬函數值進行加權，得到綜合評價值D值，將D值排序即得到各品種的耐澇性排名。從各單項指標與D值的相關分析結果可看出耐澇性與哪些指標的關聯性較強，本研究通過繪制相關分析熱圖將各指標間的相關性可視化，通過顏色差異直觀反映相關性強弱。結果表明，株高、莖粗、葉片MDA含量與D值的相關性達顯著水平，因此株高、莖粗、葉片MDA含量可作為生姜耐澇品種篩選的主要參考指標。在進行耐澇性評價時若品種數量過多，可通過主要參考指標來大體判斷各品種的耐澇性強弱，縮小篩選范圍，然后對目標品種進行多指標綜合評價，準確判定耐澇性強弱并進行排序。

4 結論

淹水脅迫下，生姜通過維持較高的根系活力，提高自身抗氧化能力來抵御氧化損傷，其中，耐澇性較強的品種通過調節自身生理特性，保持根系盡可能少受損傷，迅速激活體內抗氧化酶活系統，使葉片氧化損傷物質積累較慢，以適應澇害。5個品種中山東大姜耐澇性最強，竹根姜耐澇性最差。株高、莖粗和葉片MDA含量可作為生姜耐澇品種篩選的主要參考指標。