水淹脅迫下外源亞精胺對油茶光合及細胞膜系統的影響

黃金富，張 娟，郭璐瑤，苗靈鳳，楊 帆

(海南大學 生態與環境學院，海南省生態環境修復工程中心，海南省農林環境過程與生態調控重點實驗室, 海南 ?？?570228)

油茶(CamelliaoleiferaAbel.)在海南又稱山柚，屬山茶科，山茶屬常綠小喬木．作為世界四大木本油料作物之一，油茶在生態文明建設、提升森林質量、助力精準扶貧等方面有重要作用．在海南省油茶產業將成為具有海南特色的優勢產業[1]．油茶屬于典型的亞熱帶經濟樹種，其在我國湖南、江西和廣西等亞熱帶丘陵地區廣泛種植．然而油茶主要適應于亞熱帶適當的降雨環境，它對高溫多雨的環境缺乏一定的耐受性[2]．海南省是我國緯度最低的省份，同時也是獨一無二的熱帶島嶼，作為國內降雨量最多的省份之一，其近60年的年平均降雨量可達到1 800 mm．在海南，由極端降雨、臺風等造成的水澇不僅限制了海南油茶的分布，而且還直接影響了油茶的生長和產量[3]．水淹會直接影響植物的形態、生理和細胞超微結構，降低光合作用和光合色素含量等，從而影響植物的生長發育；同時水淹還會導致植物根系缺氧，致使植物體內活性氧簇物質大量積累，這些物質會對細胞膜系統的穩定性、葉綠體及抗氧化系統造成嚴重傷害，對植物的代謝平衡造成負面影響，甚至導致植株死亡[4-6]．然而植物本身能夠從形態、生理、生化等方面，比如形成不定根或通氣膨大組織、維持較高的糖酵解代謝相關酶活性、調節細胞質pH及抗氧化酶活力等，進行自我調節以應對水淹脅迫[7-8]．

亞精胺(C7H22N3，Spd)是一種能夠提高植物對環境脅迫抗性的生物活性物質，是植物在調節自身生長發育過程中重要的生理代謝調節物質[9-10]．亞精胺對于植物抗逆性作用的提高主要表現為抗干旱脅迫[11]、抗硝酸鈣脅迫[12]、抗鹽脅迫[13]、抗重金屬脅迫[14]、抗滲透脅迫[3]及抗水淹脅迫[5]等．當前，在“外源亞精胺對植物水淹抗逆性”的研究中，大部分的研究對象為草本植物的玉米(ZeamaysL.)、黃瓜(CucumissativusL.)等，但是“有關亞精胺對喬木樹種的水淹抗逆性”的研究卻鮮有報道，如尤東玲等(2016)的研究表明，外源亞精胺對提高水淹脅迫下玉米的抗氧化能力具有顯著的效果；冀保毅等(2018)的研究表明，水分脅迫下Spd可通過提高小麥葉片中抗氧化代謝酶的活性來降低MDA的含量,提高可溶性蛋白和Pro的積累量,從而緩解水分脅迫對小麥幼苗的傷害．鑒此，本研究以海南本地小型喬木—油茶為試驗材料，研究了噴施外源亞精胺后其對水淹脅迫下海南本地油茶的光合及生理特性的影響，闡明了油茶對水淹脅迫的響應；評價了外源亞精胺對提高油茶耐水淹能力的影響．

1 材料與方法

1.1 試驗材料試驗材料為由種子萌發的一年生海南?？诒镜匾吧胀ㄓ筒鑼嵣纾囼灥攸c位于海南大學海甸校區的熱帶農林學院教學實驗基地內，6～10月白天(8∶00～20∶00)平均溫度為32.6 ℃，平均濕度為72.9 %，晚上(20∶00～8∶00)，平均溫度為27.1 ℃，平均濕度為88.2 %．2018年6月底，將無病害的健康幼苗移栽至基質為V紅壤土∶V椰糠∶V沙=3∶2∶1的苗盆(口徑21 cm，高19 cm)中培育，每盆基質為5.0 kg，每盆定植1株，并放置托盤．幼苗定植2個月后的9月1日，挑選長勢基本一致的健康幼苗進行試驗處理．實驗前測定土壤基質的基本理化性質：最大田間持水量為48.66%，pH值為6.53，全氮、全磷、有機質、有機碳分別為1.55 g·kg-1、0.54 g·kg-1、54.21 g·kg-1、30.55 g·kg-1．

1.2 試驗設計試驗設置4個處理，即正常水分下的對照組(CK)、正常水分下噴施外源亞精胺組(CK+Spd)、水淹組(WT)、水淹下噴施外源亞精胺組(WT+Spd)．每個處理設置4個重復，每個重復4株幼苗(盆)，每個處理16株，共計64株(盆)植物．水淹試驗(半淹處理)是在教學基地大棚內進行，水面高于土壤表面10 cm，待水淹處理下的幼苗出現明顯葉片枯黃或有部分老葉掉落時結束處理，并進行采樣與測定，試驗處理時間為15 d．試驗處理期間，每天下午6點充分噴施1 mmol/L的外源亞精胺于葉片的正反面(施加外源亞精胺處理)；對照組試驗處理期間，每天下午6點充分噴施清水于葉片的正反面．

1.3 生長指標的測定及方法采用數顯游標卡尺(DL91150，得力集團有限公司，中國)于根莖貼近地面處測量地徑，讀數精確至0.1 mm．試驗處理前重復測量每株幼苗的地徑3次，取其平均值作為初始值，水淹處理結束后再次測量并將其值作為最終值．地徑增長(Ground diameter, mm)=G15-G1．G15：油茶幼苗第15天時的地徑；G1：油茶幼苗第1天時的地徑．

1.4 生理指標的測定及方法在2018年9月15日，于水淹處理組，在油茶出現明顯的葉片枯黃或部分老葉出現落葉現象時測定光合指標并采樣．于4個處理中均隨機選擇6株幼苗，選取頂芽以下的第3～8片成熟功能葉，并進行測定．光合指標是采用LI-6400XT光合儀(LI-COR，USA)并參考Yang等[16]的方法測定；葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和總葉綠素含量(TChl)則是參考Yang等[16]的方法測定(丙酮法)；葉片水勢(LWP) 參考的是苗靈鳳等[17]的方法并采用WP4C露點水勢儀(Gene Company Limited, USA)測定；相對電導率參考的是Dong等[18]的方法，同時采用電導率儀(FE38, METTLER TOLEDO, 中國)測定；丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量參考的是Han等[19]的方法，并采用紫外分光光度計(UV-1800 PC, 上海美譜達儀器有限公司, 中國)測定．

1.5 數據處理采用SPSS 23.0，Excel 2013和GraphpadPrism 8軟件完成數據分析與作圖，接著用SPSS軟件進行單因素方差(ANOVA)的Duncan顯著性分析(P<0.05)．

2 結果與分析

2.1 外源亞精胺對水淹脅迫下海南油茶幼苗地徑生長量的影響如圖1所示，在正常水分條件下，油茶幼苗經過噴施外源Spd后(處理15 d)，其對幼苗生長的影響并不明顯，CK組與CK+Spd組之間在地徑生長量上無顯著差異(P>0.05)．水淹脅迫顯著降低了油茶幼苗的地徑生長(P<0.05)，WT組地徑生長量比CK組地徑生長量降低了43.9%；于水淹下施加外源Spd，因水淹脅迫而抑制地徑生長的現象得到顯著緩解，即外源Spd能促進水淹下油茶幼苗地徑的生長，在WT+Spd組，其地徑生長量較WT組的地徑生長量提高了40.2%，達到顯著差異；然而，WT+Spd組的地徑生長量仍顯著低于CK組的地徑生長量．

2.2 外源亞精胺對水淹脅迫下海南油茶幼苗葉片數的影響如圖2所示，正常水分條件下，油茶幼苗經過噴施外源Spd后(處理15 d)，其對幼苗葉片數無明顯的影響，CK組與CK+Spd組之間于葉片數上無顯著差異(P>0.05)．水淹脅迫下，WT組與WT+Spd組之間在葉片數上也無顯著差異(P>0.05)，WT組的葉片數僅比CK組的葉片數降低了13.43%；而在水淹下施加外源Spd后， WT+Spd組的葉片數較WT組的葉片數提高了8.62%．

2.3 外源亞精胺對海南油茶光合特性的影響如圖3所示，在CK+Spd處理中，油茶幼苗的Pn、Gs、Ci和Tr與CK組之間無顯著差異；在水淹處理下，WT組的Pn、Gs、Ci和Tr與CK組的Pn、Gs、Ci和Tr相比分別下降了35.2%、36.4%、32.5%和21.6%，這表明水淹脅迫下油茶幼苗的各項光合指標均顯著降低．WT+Spd組的Pn、Gs、Ci和Tr與WT組的Pn、Gs、Ci和Tr相比分別上升了16.3%、34.9%、16.1%和13.1%，這表明水淹脅迫下噴施外源Spd可在一定程度上提高油茶幼苗的各項光合指標，但均未達到CK組的水平.

圖3 外源亞精胺對油茶光合特性的影響

2.4 外源亞精胺對海南油茶光合色素的影響如圖4所示，在CK+Spd處理中，油茶幼苗的TChl、Chla、Chlb含量較CK組的TChl、Chla、Chlb含量分別增長了32.5%、41.8%、17.8%，正常水分下噴施外源Spd可顯著提高油茶幼苗的TChl和Chla；水淹處理后，WT組的TChl、Chla、Chlb含量較CK組的TChl、Chla、Chlb含量分別降低了22.1%、23.3%、20.1%，表明水淹脅迫下油茶幼苗的TChl和Chla含量顯著降低，同時Chlb的含量也較明顯地降低．WT+Spd組的TChl、Chla、Chlb含量較WT組的TChl、Chla、Chlb含量分別增長了14.3%、8.9%、22.6%，表明水淹脅迫下噴施外源Spd可在一定程度上提高油茶幼苗的光合色素含量，但均未達到顯著水平．

圖4 外源亞精胺對油茶葉綠素含量的影響

2.5 外源亞精胺對海南油茶葉片水勢的影響如圖5所示，在CK+Spd處理，油茶幼苗的葉片水勢與CK組油茶幼苗的葉片水勢無顯著差異．在水淹處理下，WT組的葉片水勢較CK組的葉片水勢降低了71.6%，這說明水淹脅迫下油茶幼苗的葉片水勢顯著降低了；WT+Spd組的葉片水勢較WT組的葉片水勢提高了66%，這說明水淹脅迫下噴施外源Spd可顯著地提高油茶幼苗的葉片水勢．

圖5 外源亞精胺對油茶葉片水勢的影響

2.6 外源亞精胺對海南油茶的相對電導率、丙二醛含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量的影響如圖6所示，在CK+Spd處理中，植株的相對電導率、MDA含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量與CK組相比均無顯著差異．在水淹處理下，WT組的相對電導率、MDA含量、可溶性蛋白含量以及可溶性糖含量較CK組的同類項分別升高了32.66%、29.48%、58.24%、119.31%，且變化均達到顯著水平．WT+Spd組的相對電導率、MDA含量、可溶性糖含量較WT組的同類項降低了29.67%、16.75%、29.61%，但可溶性蛋白含量與水淹組的可溶性蛋白含量無顯著差異．水淹下噴施外源Spd可顯著降低油茶幼苗的電導率、丙二醛和可溶性糖含量．

圖6 外源亞精胺對油茶的相對電導率(RC)、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響

3 討論和結論

水淹脅迫下，植物的根系處于低氧環境，這會導致植物的水分與氧氣吸收能力降低[20]．水淹脅迫下，植物處于缺氧的環境，其根莖的水分代謝會失調，產生生理性缺水，從而會導致葉片水勢下降和引起葉片氣孔導度下降[21]．同時，水淹還會導致植物根系腐爛，使其對養分的吸收大幅減少，也使其對生長發育所需的微量元素無法吸收，最終導致其正常的生長發育減慢．葉綠素是保證植物進行正常光合作用的重要光合色素[22]，在水淹脅迫下，植物由于有氧呼吸受阻而轉換為無氧呼吸，此過程會產生乙醇、過氧化氫、超氧陰離子等有害物質，有氧呼吸的氧化磷酸化受阻會引起葉綠素的合成途徑受阻，同時，自由基的積累會破壞內囊體薄膜的正常結構與功能，導致葉綠素的含量顯著降低[5,8,23-25]．該研究的結果顯示，短時間的水淹脅迫(15 d)會導致海南油茶的葉片發黃、植株生長緩慢以及其葉片水勢、葉綠素含量和光合作用參數等顯著降低，這些現象綜合表明，水淹脅迫會導致葉綠體功能受損．然而，水淹脅迫下施加外源Spd后，受水淹脅迫抑制的植株生長、葉片水勢、葉綠素含量、光合作用參數等均得到了一定程度的緩解，這表明施加外源Spd可在一定程度上緩解水淹對海南油茶的傷害，但其緩解能力有限．

相對電導率是判斷植物在逆境條件下細胞膜結構被破壞程度的重要指標[26]．水淹脅迫下細胞膜會受到累積的MDA、H2O2等過氧化產物的傷害，致使細胞膜結構與功能被破壞，從而導致細胞液外滲和引起植物葉片的相對電導率增大[27]．因此，在水淹脅迫下，葉片的相對電導率能反映細胞膜結構和功能的完整性，故其常被作為植物是否耐澇的重要指標之一[28]．MDA作為膜脂過氧化的最終產物之一，在水淹脅迫下其含量的變化可直接反映植物在逆境下受脅迫的程度[29]．在本研究中，在水淹下施加外源亞精胺，油茶的相對電導率和MDA含量均顯著降低，這表明外源亞精胺對于保護細胞膜系統和清除水淹脅迫下油茶葉片所產生的膜脂過氧化物有顯著的作用．

可溶性蛋白與可溶性糖是植物體內維持滲透勢平衡的重要調節物質[13]．水淹脅迫下，由于缺氧而抑制了植物的有氧呼吸，耐水淹植物會通過無氧呼吸來消耗可溶性糖等碳水化合物，并產生少量的ATP以維持生理活動[30]，此時植物先迅速積累葉片中的可溶性糖與可溶性蛋白，然后依靠細胞非酶抗氧化系統來清除活性氧自由基，同時維持細胞的膨壓和提高細胞的吸水與保水能力，在適應水淹脅迫后，植物中的可溶性糖與可溶性蛋白的含量又會恢復至正常水平．在本研究中，在水淹脅迫下噴施外源Spd后，油茶可溶性蛋白與可溶性糖的含量顯著降低，這表明外源Spd對緩解水淹脅迫下油茶滲透調節物質的劇烈變化有顯著效果．

綜上所述，海南本地油茶對水淹脅迫較為敏感，短時間的水淹(15 d)對植株生長、葉片水勢、光合色素含量、光合作用參數、膜脂過氧化等會產生較明顯的負面影響．水淹處理下，施加1 mmol·L-1的外源亞精胺能有效地緩解水淹脅迫對海南本地油茶的傷害作用，同時也表明，施加外源亞精胺可在一定程度上緩解水淹對油茶生長和根系發育的抑制，這與亞精胺能夠緩解細胞衰老和促進油茶大分子蛋白質的合成有關．因此，噴施外源亞精胺能有效緩解水淹脅迫對油茶幼苗生長發育帶來的不利影響，可在一定程度上提高油茶幼苗對水淹脅迫的抗逆性．該研究結果可用于指導極端氣候條件下的油茶栽培管理．