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香榧Torreya grandis ‘Merrillii’ 属红豆杉科Taxaceae榧树属Torreya,原产于浙江会稽山脉附近,是中国南方特有的珍稀干果树种,果实营养丰富,具有很高的保健、药用和综合开发利用价值[1−3]。作为中国原产的经济树种,香榧种植区域覆盖浙江、江苏、福建、江西、安徽、湖南、湖北、贵州、重庆、四川、云南等11个省(市),其中在会稽山区的诸暨、东阳、嵊州、柯桥等地广泛栽培,面积逾10.6万hm2,年产值达60亿元,已成为促进山区农民增收和助力乡村经济发展的林业产业[4]。在每年5—6月的香榧生理落果期,浙江多个地区频发季节性降雨,导致种植区常发涝害。林地积水常导致正在膨大的幼果大量脱落[5],严重影响香榧产量与质量[6]。因此,选育和推广耐涝性强的香榧品种对于主产区具有重要的经济价值。同时,植物在水涝胁迫下表现出的渗透调节能力增强与抗逆性提升等特性,也为香榧的高效栽培提供了理论依据[7]。目前,已有诸多针对桃Prunus persica[8]、簕杜鹃Bougainvillea sp. [9]、玉兰Yulania spp.[10]等对涝害胁迫响应等相关研究,但有关裸子植物,尤其是香榧的耐涝性综合评价的研究鲜有报道。
本研究以9个香榧品种砧木为材料,比较不同品种相关生理指标在淹水胁迫前后的变化与差异,并利用主成分分析和隶属函数等对其耐涝性进行综合评价,旨在为香榧的耐涝机制研究提供理论基础,为中国南方地区香榧的种植提供理论指导。
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供试材料为‘珍珠榧’‘Zhenzhufei’、‘早缘榧’‘Zaoyuanfei’、‘玉山鱼榧’‘Yushanyufei’、‘金叶红象牙榧’‘Jinyehongxiangyafei’、‘茄榧’‘Qiefei’、‘长叶榧’‘Changyefei’、‘小籽象牙榧’‘Xiaozixiangyafei’、‘龙凤细榧’‘Longfengxifei’、‘芝麻榧’‘Zhimafei’等9个香榧品种的1年生实生苗。幼苗置于生长室内培养。生长室的环境条件设置:白天14 h,温度为25 ℃,相对湿度为60%,光合有效辐射为500 µmol·m−2·s−1;夜间10 h,温度为23 ℃,相对湿度60%。栽于内径20 cm、深17 cm的塑料苗盆中。盆土为普通园土。
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9个香榧品种实生苗分别设置正常水分(对照)和淹水2种处理。每种处理设置3个重复,每个重复10株。淹水处理采用双套盆法,在打孔的苗盆外再套1个无孔的塑料苗盆进行淹水处理,水位保持高出土层2~3 cm。对照组正常浇水,并及时补充水分使土壤含水量保持田间持水量的75%左右。处理6 d后取样进行生理指标测定。
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叶绿素a和叶绿素b质量分数利用乙醇抽提后,用朗伯-比尔定律计算[11];电解质渗透率使用电导仪测定[12];过氧化氢(H2O2)质量摩尔浓度、丙二醛(MDA)质量摩尔浓度、脯氨酸(Pro)质量分数、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性等均使用试剂盒测定。试剂盒均购自苏州科铭生物技术有限公司。各项生理指标测定所选采样部位均为香榧实生苗叶片。
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耐涝系数的计算采用马瑞娟等[13]的方法:耐涝系数=(处理测定值/对照测定值)×100%。隶属函数的计算公式:Ui=(xi−xmin)/(xmax−xmin)。其中:Ui为测定各指标的隶属函数值;xi 为各指标的实测值;xmin、xmax分别为各指标的最小值和最大值[14]。权重计算方法:$ {W}_{i}={P}_{i}/\displaystyle \sum \limits_{i=1}^{n}{P}_{i} $。其中:i为指标数;Wi为第i个指标在所有指标中的重要程度;Pi为各品种第i个指标的贡献率。综合得分计算方法:$ {D}_{i}=\displaystyle \sum \limits_{i=1}^{n}{U}_{i}\times {W}_{i} $,其中Di为综合评价值。
采用Excel 2023、SPSS 17.0软件进行数据统计分析。
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各项指标的测定数据见附表(网址)。由图1可知:与对照组相比,淹水胁迫对各香榧品种砧木的生理生化指标产生了不同程度的影响。各处理组的叶绿素a质量分数均呈下降趋势,除‘金叶红象牙榧’外,其余品种均表现出显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)差异。叶绿素b质量分数在除‘芝麻榧’外的各组中亦极显著(P<0.01)下降。H2O2和MDA质量摩尔浓度整体呈极显著(P<0.01)上升趋势,表明淹水胁迫诱导了不同程度的氧化损伤。除‘茄榧’外,其余品种的电解质渗透率与脯氨酸质量分数均显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)升高。在抗氧化酶活性方面,‘珍珠榧’‘玉山鱼榧’‘金叶红象牙榧’和‘长叶榧’的APX活性在淹水处理后变化不显著,其他品种则表现为显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)上升。‘金叶红象牙榧’和‘小籽象牙榧’的CAT活性在淹水处理后无显著变化,‘茄榧’则显著(P<0.05)下降,而其余品种均显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)升高。SOD活性在各处理组中普遍升高,除‘茄榧’和‘小籽象牙榧’外,其余品种均显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)升高。POD活性在除‘玉山鱼榧’和‘茄榧’外的其余各组中,均在淹水处理后显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)升高。
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由表1可见:H2O2质量分数、MDA质量分数、电解质渗透率、SOD活性和POD活性的耐涝系数均大于100%;叶绿素a和叶绿素b质量分数的耐涝系数均小于100%。脯氨酸质量分数、APX活性和CAT活性等指标在不同品种间呈现分化趋势,即部分品种高于100%,部分低于100%。由此可见,单一指标难以全面准确反映香榧品种的耐涝性,评价结果易受个体差异影响,具有一定的片面性和不一致性。
香榧品种 耐涝系数/% 叶绿素a 叶绿素b H2O2 MDA 电解质渗透率 脯氨酸 APX活性 CAT活性 SOD活性 POD活性 ‘珍'珠榧’ 53.30 58.46 122.07 175.64 110.49 131.60 110.11 127.52 124.79 111.75 ‘早缘榧’ 59.08 52.59 131.75 167.45 178.96 165.25 116.52 126.44 127.71 118.47 ‘玉山鱼榧’ 70.21 64.42 132.86 140.46 127.86 136.80 110.41 124.77 125.26 117.94 ‘金叶红象牙榧’ 88.49 78.95 137.45 150.41 156.05 106.89 104.58 107.79 124.51 116.21 ‘茄榧’ 86.36 61.27 135.00 192.99 113.11 90.64 113.99 91.04 111.23 112.75 ‘小籽象牙榧’ 69.00 65.24 145.25 170.51 329.53 118.43 127.68 105.72 115.96 124.40 ‘长叶榧’ 81.02 82.33 127.89 136.86 121.60 144.65 92.20 143.03 159.85 142.75 ‘龙凤细榧’ 69.07 68.96 144.71 183.40 303.65 110.54 119.70 107.77 117.20 118.64 ‘芝麻榧’ 54.66 54.48 133.83 198.65 146.26 118.90 122.35 113.40 117.40 121.68 Table 1. Waterlogging tolerance coefficients of different T. grandis ‘Merrillii’ rootstocks for each index
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对各生理指标的耐涝系数进行相关性分析后得到表2。结果表明:各指标间存在不同程度的相关性。H2O2质量摩尔浓度与电解质渗透率呈极显著正相关(P<0.01),脯氨酸质量分数与H2O2质量摩尔浓度、电解质渗透率等指标均呈负相关;CAT活性与脯氨酸质量分数之间呈极显著正相关(P<0.01);SOD活性与CAT活性、POD活性之间也呈极显著正相关(P<0.01)。上述结果说明:各耐涝相关指标之间存在一定的关联性,部分信息存在重叠,表明采用单一指标对耐涝性进行评价难以全面、客观地反映品种间差异。因此,有必要引入多指标综合评价方法。
指标 相关系数 叶绿素a
质量分数叶绿素b
质量分数H2O2质量
摩尔浓度MDA质量
摩尔浓度电解质
渗透率脯氨酸
质量分数APX活性 CAT活性 SOD活性 POD活性 叶绿素a质量分数 1 叶绿素b质量分数 0.741* 1 H2O2质量摩尔浓度 0.281 0.151 1 MDA质量摩尔浓度 −0.379 −0.648 0.216 1 电解质渗透率 −0.088 0.043 0.844** 0.187 1 脯氨酸质量分数 −0.477 −0.180 −0.474 −0.475 −0.142 1 APX活性 −0.478 −0.670* 0.586 0.699* 0.633 −0.239 1 CAT活性 −0.315 0.181 −0.649 −0.627 −0.335 0.846** −0.591 1 SOD活性 0.173 0.573 −0.495 −0.720* 0.337 0.590 −0.824** 0.850** 1 POD活性 0.193 0.558 −0.042 −0.484 0.062 0.368 −0.457 0.576 0.812** 1 说明:*表示在 0.05水平上相关显著(双尾);**表示在 0.01 水平上相关极显著(双尾)。 Table 2. Correlation of flood tolerance coefficients of indicators
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主成分分析能够有效降低数据维度,消除数据中的冗余信息。主成分分析结果可得:前3个主成分的特征值分别为4.874、2.599和1.621,贡献率分别为48.74%、25.99%和16.21%,累积贡献率可达90.935%,表明在淹水胁迫下,前3个综合指标可以用于评价各指标耐涝性。对应的主成分表达式分别为:F1=0.195x1+0.551x2−0.597−0.806x4−0.483x5+0.596x6−0.889x7+0.862x8+0.97+0.681x10;F2=0.881x1+0.797x2+0.61x3−0.263x4+0.32x5−0.597x6−0.215x7−0.415x8+0.043x9+0.257x10;F3=−0.333x1+0.028x2+0.486x3−0.131x4+0.784x5+0.427x6+0.376x7+0.254x8+0.152x9+0.479x10。其中:x1为叶绿素a质量分数;x2为叶绿素b质量分数;x3为 H2O2质量摩尔浓度;x4 为MDA质量摩尔浓度;x5为电解质渗透率;x6为脯氨酸质量分数;x7为APX活性;x8为CAT活性;x9为SOD活性;x10为POD活性。
根据各主成分的系数绝对值可发现:第1主成分(F1)中MDA质量摩尔浓度、APX活性、CAT活性和SOD活性的贡献较大,第2主成分(F2)中叶绿素a和叶绿素b质量分数的贡献较大,第3主成分(F3)中电解质渗透率的贡献较大。
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根据上述3个主成分表达式计算出各香榧品种砧木的综合指标值,再分别计算相应的隶属函数值。进一步根据3个主成分贡献率计算权重,计算结果分别为0.536、0.286、0.178;最后通过隶属函数和权重求出各香榧品种砧木的综合评价值(表3)。可见,9个香榧品种砧木的耐涝性从强到弱依次为‘长叶榧’‘金叶红象牙榧’‘玉山鱼榧’‘小籽象牙榧’‘龙凤细榧’‘早缘榧’‘珍珠榧’‘茄榧’‘芝麻榧’。
香榧品种 综合指标值 隶属函数值 综合评价值(Di) 排名 F1 F2 F3 U1 U2 U3 ‘珍珠榧’ 62.408 36.093 309.311 0.531 0 0.151 0.312 7 ‘早缘榧’ 48.901 47.320 386.847 0.484 0.093 0.519 0.378 6 ‘玉山鱼榧’ 87.655 76.725 331.989 0.620 0.336 0.258 0.475 3 ‘金叶红象牙榧’ 45.649 139.299 329.112 0.472 0.854 0.245 0.541 2 ‘茄榧’ −24.334 110.054 277.571 0.226 0.612 0 0.296 8 ‘小籽象牙榧’ −88.497 156.930 488.100 0 1.000 1.000 0.464 4 ‘长叶榧’ 195.562 95.947 340.320 1.000 0.495 0.298 0.731 1 ‘龙凤细榧’ −82.569 152.098 457.518 0.021 0.960 0.855 0.438 5 ‘芝麻榧’ −13.391 59.736 338.716 0.264 0.196 0.290 0.249 9 Table 3. Comprehensive evaluation of waterlogging tolerance of nine T. grandis ‘Merrillii’ rootstock varieties under waterlogging stress
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植物在遭遇水淹等逆境时会产生不同的生理生化反应,同时启动自我保护机制[15]。已有相关研究表明:在淹水胁迫下植物叶绿素下降,光合效能显著降低[16],一些酶类如SOD、POD等活性下降,叶片中膜脂过氧化物和电解质渗漏率升高[17−18],使植物细胞膜完整性被破坏,影响植物正常生长甚至导致植物死亡。近年来,浙江多个地区频发季节性降雨,导致香榧种植区常发涝害,严重影响香榧产量与质量。因此,选育和推广香榧耐涝品种,对于香榧主产地具有重要的经济意义。探讨淹水胁迫下香榧所展现出的渗透调节功能和抗逆性等特质,也能为香榧的高效栽培提供理论依据[7]。
淹水胁迫下,植物叶片细胞膜脂过氧化加剧,MDA积累,细胞内合成代谢受阻,光合作用相关酶活性降低,影响叶绿素合成,导致叶片变黄脱落,从而影响植物的正常生长[19−20]。本研究中,各香榧品种MDA均呈升高趋势,且与对照相比差异显著。除‘金叶红象牙榧’和‘茄榧’外其他香榧品种的砧木均受淹水胁迫的影响,叶绿素a和叶绿素b较对照组均显著降低,不同品种降低程度有所不同。这与前人研究结果一致[21−22]。淹水胁迫所导致的缺氧会使植物细胞内的电子传递链发生功能紊乱,这一过程触发活性氧(ROS)的过量积累,细胞中ROS产生和清除的动态平衡被打破[23],进一步导致膜脂质过氧化和细胞膜通透性增加,细胞内容物大量外泄,最终致使细胞死亡[24]。本研究中,各香榧品种淹水处理后H2O2呈升高趋势,且差异显著,电解质渗透率与脯氨酸除‘茄榧’外均显著升高,说明淹水胁迫处理导致了不同程度的氧化损伤及细胞损伤。
在淹水胁迫下,植物会激活自身的抗氧化防御系统,以减轻淹水胁迫引发的氧化损伤。在缺氧条件下, SOD、CAT、APX和POD等抗氧化酶活性显著上调,有效清除体内过量的ROS,减缓植物的氧化应激,提高植物耐涝性。这类物质活性的变化程度,也可一定程度上表明香榧各品种砧木的抗氧化能力的高低。本研究发现,淹水处理后,‘珍珠榧’‘玉山鱼榧’‘金叶红象牙榧’和‘长叶榧’APX活性变化不显著,‘金叶红象牙榧’和‘小籽象牙榧’CAT活性变化不显著,‘茄榧’CAT活性呈显著下降趋势,‘玉山鱼榧’和‘茄榧’POD活性变化不显著。其他香榧品种淹水处理后,APX、CAT、SOD与POD活性均呈显著升高趋势。此外,对于淹水胁迫的研究,未来应在上述常规生理指标的基础上增加水势相关参数(如叶水势、渗透势和主茎水势等)的测定,以更直接反映植株对水分胁迫的感知与利用规律。
植物在生长发育过程中持续面临盐碱、干旱、涝害及极端温度等复杂多变的非生物胁迫。为保障正常生长与繁殖,植物进化出一系列保护机制[25]。耐涝性强的品种在淹水胁迫下展现出更强的渗透调节与抗氧化能力。值得注意的是,涝渍、干旱、盐碱等不同类型的胁迫常引发相似的生理变化(如渗透胁迫、氧化胁迫、离子毒害等)。例如,在杨树Populus耐涝种质中积累的渗透调节物质,也参与其在干旱胁迫下维持渗透平衡[26]。因此,具备较强耐涝性的植物通常也拥有应对这些共性挑战的有效机制,暗示其可能同时具备较强的耐旱、耐盐碱能力。这一现象提示,未来研究可进一步探讨耐涝性强的香榧品种在其他胁迫(如干旱、盐碱)条件下的适应表现,以拓展研究成果的应用范围。
砧木与嫁接品种之间存在显著的互作效应。砧木不仅为接穗提供物理支持,还通过调控水分与养分运输、激素信号传导以及抗逆反应途径,与接穗形成复杂的生理和分子互作网络,从而影响植株在不同环境条件下的生长表现与抗逆能力。NITTA等[27]对Actinidia rufa嫁接苗、葛枣猕猴桃A. polygama以及自根生长的‘海沃德’‘Hayward’猕猴桃进行研究发现:砧木类型会显著影响接穗的生长表现。将涝渍敏感的猕猴桃接穗嫁接在耐涝砧木上,可显著提高其整体耐涝能力[28]。因此,后续研究应进一步关注砧木与接穗间的互作机制,并在多砧木和多接穗组合中系统比较其在生长、生理及分子水平的差异,以揭示其对植株适应性和抗逆性的综合影响。
不同种质的砧木面对淹水胁迫时的生理响应会有所不同,单一的生理生化指标无法保证植物耐涝性评价的客观全面。因此,使用综合评价体系和隶属函数对植物耐涝性进行综合性评价更具有代表性和准确性[29]。本研究通过对叶绿素a和叶绿素b等生理指标进行主成分分析,得到3个综合指标值并通过隶属函数和权重计算出各香榧品种砧木的综合评价值,从而得出更为客观和全面的综合评价排序。
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9个香榧品种砧木的耐涝性由强到弱依次为‘长叶榧’‘金叶红象牙榧’‘玉山鱼榧’‘小籽象牙榧’‘龙凤细榧’‘早缘榧’‘珍珠榧’‘茄榧’‘芝麻榧’。因此,淹水胁迫下,‘长叶榧’‘金叶红象牙榧’‘玉山鱼榧’表现出较强的耐涝性。在林业育种时可以选择这3个品种作为香榧的耐涝品种,有效避免雨季地面积水或树木被长时间淹水胁迫所导致的生长发育停滞和减产问题。此外,在育种应用的同时,也有必要在分子层面对耐涝机制进行深入研究,比如未来可选取耐涝表型差异显著的香榧品种,结合转录组测序与功能基因组学手段,系统挖掘与耐涝性密切相关的关键基因及调控因子,进一步深入解析耐涝的分子调控网络及其互作机制。
Physiological response and waterlogging tolerance of rootstocks of 9 Torreya grandis ‘Merrillii’ cultivars under waterlogging stress
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20250398
- Received Date: 2025-07-26
- Accepted Date: 2025-12-16
- Rev Recd Date: 2025-12-09
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Key words:
- Torreya grandis ‘Merrillii’ /
- rootstock /
- waterlogging tolerance /
- principal component analysis /
- membership function /
- comprehensive evaluation
Abstract:
| Citation: | DAI Kunrong, LIU Ya, YU Weiwu, et al. Physiological response and waterlogging tolerance of rootstocks of 9 Torreya grandis ‘Merrillii’ cultivars under waterlogging stress[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2025, 43(X): 1−8 doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20250398 |
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