紫云英（Astragalus sinicus L.）又名红花草、草子、翘摇、红花菜、荷花郎等，是豆科黄芪属越年生或一年生草本植物，南方稻区普遍种植的绿肥作物，同时也是优质的蜜源植物和饲料^[1]。紫云英原产于我国长江中下游地区，种植历史悠久且分布广泛^[2]。其中，湖南和江西两省份紫云英种植面积分别占全国面积的 27.2% 和 22.6%^[3]。合理种植紫云英可有效提升土壤肥力，改善土壤微生态，同时增加地表冬季覆盖度，进而防控水土流失^[4]。紫云英还田可部分替代化肥、减少农田养分流失，降低农业生产成本和面源污染风险^[5]。因此，在提倡有机农业、大力发展低碳农业的今天，发展以紫云英为代表的“绿肥 +”模式，对于保障国家粮食安全、农业可持续发展具有重大意义^[6]。然而，紫云英不耐涝害，尤其在江淮流域，苗期容易受到水淹胁迫，导致紫云英生长发育停滞、养分积累量明显下降^[7]。同时，作为南方稻田冬季绿肥，若农田排水不畅极易受到涝害影响。但目前紫云英对涝害响应机制的相关研究较少，成为了阻碍紫云英大面积推广种植的重要限制因素。

一般认为，水淹胁迫会导致土壤中含氧量快速降低，影响根系的正常生理活动，如水分及矿质元素的吸收、有毒次生代谢产物的外排等，进而影响植株的正常生长发育^[8]。同时，涝害后光合受阻是造成作物产量和品质下降的重要因素^[9]。光系统 II（PSII）最大光化学效率（F_v/F_m）是光化学反应状况评价的重要参数，可以反映植物遭受淹水胁迫时的光抑制程度。研究发现，随着水淹程度的增加，紫苏、酸模叶蓼、金纽扣和少花龙葵 4 种草本植物的 F_v/F_m 显著下降，PSII 潜在活性受损，光合受阻^[10]。电子传递效率（rETR）可以表征植物在光合作用下的实际电子传递效率，因此也可以作为植物受胁迫程度的评价指标。植物在经历淹水胁迫时，植物体过剩光能热耗散的增加会导致光化学淬灭系数（qP）下降而非光化学淬灭系数（qN）上升^[10]。此外，植物在遭受水分胁迫时，体内的活性氧平衡机制会被干扰，引起膜脂过氧化作用，导致过氧化产物丙二醛（MDA）含量增加^[11]。为了适应淹水环境，植物细胞内的多种抗氧化酶活性增加，以清除自由基，避免或者减轻细胞伤害^[12]。不同植物对水淹胁迫的响应不同，同种植物不同品种间对水淹胁迫的响应也存在差异。研究发现，随着水淹程度的增加，虎尾草的过氧化物酶（POD） 和过氧化氢酶（CAT）活性逐渐上升，超氧化物歧化酶（SOD）活性先升后降^[13]。韩乃鹏^[14] 研究发现耐受性较强的植物在遭受水淹胁迫时，SOD、 POD 和 CAT 活性短时间内会增强，随着胁迫时长的增加，酶活性会逐步减弱。

目前，涝害已成为紫云英生长发育和产量的重要限制因子，但关于水淹胁迫对紫云英生长的作用机制，尤其是不同品种紫云英抗涝性差异的研究较少。因此，本文选取了 3 个具有代表性的紫云英地方品种，通过研究涝害对紫云英生长和生理代谢的影响，明确紫云英对涝害的响应特征，评价不同品种的耐涝性，以期为紫云英耐涝性品种选育以及抗逆栽培技术提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于 2021 年 10 月到 12 月在安徽大学南门网室（31°76′12″N，117°19′25″E）中进行。供试紫云英品种分别为余干种、闽紫 2 号和弋江籽，由国家绿肥作物种质资源库提供。将 3 个品种的紫云英种子分别用 75% 乙醇处理 30 s，后用无菌水冲洗 3 次，最后挑选饱满度一致的种子种入花盆（16 cm× 13 cm×16 cm）中，每盆装土 2 kg，统一均匀灌溉。待幼苗长至 2～3 片真叶时定苗，每盆选留长势均匀的幼苗 20 株。试验用土为栽培土和沙子按 4∶1 的质量比例混合组成，其中栽培土为试验基地周边农田土壤 0～20 cm 的表层土，基本理化性质为 pH 6.38，有机质 6.69 g·kg^-1，全氮 0.52 g·kg^-1。

1.2 试验方法

培养 60 d 后将盆栽置于塑料盆（69.5 cm×43 cm× 20 cm）中，以水面超过花盆顶部土壤平面 2 cm 作为水淹胁迫的标准（WL），以正常浇水维持土壤含水量在土壤最大持水量的 75%～80% 作为对照 （CK）。每个品种的对照及水淹胁迫处理均设置 5 个重复，共 30 盆。试验期间采取常规的育苗管理，所有花盆随机排列、定时搬动，并对花盆及时进行水位管理保持水位稳定。淹水处理 10 d 后进行采样并测定各项指标。

测量植株基部到最上部展开叶叶尖的距离作为株高。然后将植物从土壤中取出，洗净吸水后分成地上部和地下部。从每盆中取长势最好的第二片展开叶，用锡纸包裹带回实验室用叶绿素调制荧光成像系统（IMAGING-PAM，WALZ，德国）测定叶绿素荧光参数，每个重复测定 3 次，结果取平均值。分别称取 0.5 g 紫云英叶片和根系，浸提后测定抗氧化相关指标，其中 POD 活性采用愈创木酚法，CAT 活性采用高锰酸钾滴定法，SOD 活性采用氮蓝四唑光化还原法，MDA 采用硫代巴比妥酸比色法^[15]。植株地上部和地下部在 105℃烘箱中杀青 2 h，然后 65℃下烘干至恒重后称重，计算根冠比。

1.3 数据处理

采用 SPSS 22.0 进行方差分析及最小显著法 （LSD）对数据进行多重比较，Excel2016 进行图表绘制。参照曾宪海等^[16]的方法进行耐涝性综合分析。各种指标的隶属函数计算公式如下，与耐涝性呈正相关的指标的隶属函数值计算公式为：

$\begin{array}{c}U\left(X_j\right)=\left(X_j-X_{\text{min}}\right)/\left(X_{max}-X_{\text{min}}\right),\\ j=\mathrm{1,\; 2},3,\cdots n\end{array}$

与耐涝性呈负相关的指标的隶属函数值计算公式为：

$\begin{array}{c}U\left(X_j\right)=1-\left(X_j-X_{min}\right)/\left(X_{max}-X_{min}\right),\\ j=\mathrm{1,\; 2},3,\cdots n\end{array}$

其中，U（X_j）为每种指标的耐涝隶属函数，X_j 为第 j 个指标的测定值，X_min 和X_max 表示第 j个指标的最小测量值和最大测量值。最后各指标的隶属函数值进行累加求其平均值，平均值越大，其耐涝性越强，反之则耐涝性越弱。

2 结果与分析

2.1 水淹胁迫对紫云英生长的影响

由表1 可知，水淹胁迫下 3 个紫云英品种的株高显著降低，其中余干种、闽紫 2 号和弋江籽较对照分别下降 17.5%、16.2% 和 17.6%，与对照差异显著（P<0.05）。水淹胁迫下 3 个品种紫云英总生物量、地上生物量和地下生物量均显著降低，其中余干种、闽紫 2 号和弋江籽的总生物量较对照分别下降 34.5%、29.0% 和 38.1%，地上生物量较对照分别下降 22.6%、22.3% 和 34.8%；地下生物量较对照分别显著下降 43.3%、33.9% 和 40.7%。水淹胁迫下，余干种和闽紫 2 号的根冠比较对照分别显著下降了 26.5% 和 15.7%，但弋江籽的根冠比较对照仅下降了 8.9%，未达到显著差异水平。

2.2 水淹胁迫对紫云英叶绿素荧光参数的影响

由图1 可知，3 个紫云英品种的F_v/F_m 在水淹胁迫下，相比于对照有不同程度的下降。余干种、闽紫 2 号和弋江籽较对照分别显著下降了 29.3%、24.1% 和 23.2%。水淹胁迫下，余干种、闽紫2号和弋江籽的 qN 较对照分别显著上升了7 0.8%、41.8% 和 54.9%。3 个品种紫云英的 qP 相比对照下降程度不同，其中闽紫 2 号和余干种较对照分别显著下降 14.8% 和 8.4%，弋江籽较对照下降 8.3%，未达到显著水平。水淹胁迫显著降低余干种、闽紫 2 号和弋江籽的 rETR，较对照分别下降 34.8%、 31.5% 和 32.6%。

注：表中数据为平均数 ± 标准差，同列不同字母表示差异显著（P<0.05）。

注：误差线表示平均数 ± 标准差，不同字母表示在 0.05 水平上差异显著，下同。

2.3 水淹胁迫对紫云英抗氧化指标的影响

由图2 可知，3 个品种紫云英地上部抗氧化指标对水淹胁迫的响应不同。水淹胁迫下，余干种和弋江籽地上部 POD 活性较对照分别上升 30.4% 和 30.7%，均未达到显著水平，而闽紫 2 号较对照显著上升 46.7%。闽紫 2 号和余干种 CAT 活性分别显著提高 164.0% 和 127.1%，弋江籽无显著变化。余干种、闽紫 2 号和弋江籽的地上部 SOD 活性较对照分别显著上升 12.5%、10.2% 和 15.0%，MDA 含量较对照分别显著上升 68.6%、63.6% 和 72.0%。由图3 可知，水淹胁迫对 3 个品种紫云英地下部 CAT 活性和 SOD 活性均无显著影响。但闽紫 2 号、余干种和弋江籽的地下部 POD 活性较对照分别显著提高 57.8%、29.4% 和 82.5%，MDA 含量较对照分别显著上升 63.1%、61.3% 和 52.4%。

2.4 耐涝性综合评价结果分析

通过隶属函数法得出 3 个品种紫云英的每个指标的隶属值及平均隶属值，平均隶属值越大则耐涝性越强。3 个品种紫云英的耐涝性顺序为闽紫 2 号＞ 余干种＞弋江籽（表2）。

3 讨论与结论

水淹是紫云英生长的重要限制因子，水淹胁迫会对其形态和生理代谢造成不同程度的影响^[17]。吴一群等^[7]研究认为淹水处理使紫云英总生物量及养分含量明显下降。本研究结果表明，10 d 的淹水处理后供试 3 个品种紫云英总生物量、地上生物量、地下生物量较对照下降显著，其中弋江籽生物量降幅最大，淹水处理下总干重仅为对照的 61.9%。3 个供试品种在正常条件下生物量未表现出明显差异，但淹水处理下 3 个品种的生物量差异显著，说明其对涝害敏感程度不同。逆境胁迫下，植物可通过改变生物量分配格局，以适应环境的变化^[18]。本试验结果表明，水淹胁迫下 3 个品种紫云英根冠比较对照均呈下降趋势，其中余干种和闽紫 2 号下降幅度达到显著水平。Nishiuchi 等^[19]研究表明水淹后植物可通过增加对地上生物量的分配，加快植物出露水面，以获取足够的氧气增加光合效率，从而缓解水淹对植物的损伤。本试验中， 3 个品种的紫云英遭受水淹后株高显著下降，其中弋江籽株高降低幅度最大，达 17.6%。但与生物量相比，3 个紫云英品种株高变化幅度较小。本研究中，水淹条件下供试 3 个品种根冠比降低，株高降低幅度较生物量降低幅度小，可能是地下部遭受的胁迫较大，生长抑制更强。

植物遭受水淹胁迫时，生物量的降低与光合作用的下降密不可分，而叶绿素荧光参数的变化是评价植物逆境生理、光合利用率和生态适应性的重要指标^[20-21]。本试验结果显示，3 个品种紫云英 F_v/F_m 均显著下降，表明水淹胁迫使紫云英 PSII 反应中心受到伤害，抑制了紫云英的光合潜在活性。这与吴一群等^[7]在不同土壤田间含水量对紫云英生长及生理代谢影响中的研究结果相似。荧光淬灭是植物体内光合量子效率调节的一个重要方面，它分为光化学淬灭和非光化学淬灭两类。qP反映的是 PSII 天线色素吸收的光能用于光化学传递的份额^[22]， qN 反映的是 PSII 天线色素吸收的光能否用于光合电子传递而以热能形式耗散掉的光能部分^[23]。水淹胁迫下，3 个品种紫云英qP 均降低，qN 均上升，可能是水淹导致紫云英吸收的光能用于光化学反应的部分减少，以至于 PSII 反应中心的光化学活性降低造成积累的 qP下降，但紫云英通过提高qN及时消耗掉过剩的光能，使其以热能形式散失，从而缓解逆境对自身的伤害^[24]。供试 3 个品种紫云英的 rETR 在水淹条件下均显著下降，说明水淹胁迫使紫云英 PSII 捕获光量子转化成化学能的能力受损， PSII 电子传递活性减小，光合利用效率降低。

水淹胁迫所形成的低氧环境会导致植物自身 O₂^- 的代谢，即“产生-消除”的平衡遭到破坏，植物体内O₂^-大量积累，从而导致细胞膜结构的破坏^[25]。植物在遭受水淹胁迫时，体内的活性氧平衡机制会被干扰，引起膜脂过氧化作用^[11]。SOD 可以分解 O₂^-，使其转化为过氧化氢，SOD 催化分解产生多余的过氧化氢则需要 POD 和 CAT 两种酶共同作用来清除^[26]。本试验结果显示，淹水胁迫下 3 个品种紫云英的地上部和地下部 POD、CAT 和 SOD 的活性较对照都呈上升趋势，这是植株在逆境胁迫下的反馈机制，有利于自由基的清除。MDA 是膜脂过氧化的主要产物之一，具有很强的细胞毒性，其含量的高低是反映细胞膜脂过氧化作用的程度和植物对逆境胁迫反映强弱的重要指标^[27]。大豆研究发现，抗涝品种幼苗叶片中的 O₂^- 的生成速率和 MDA 含量较敏感品种明显下降^[28]。本试验结果显示，3 个品种紫云英地上部和地下部 MDA 在淹水胁迫下较对照均显著上升，表明受到逆境胁迫，细胞内自由基增多，且 3 个品种紫云英的地下部 MDA 含量均高于地上部，这可能是因为根部是水淹时最先遭受胁迫的器官，地上部受到的影响较小，根系遭受胁迫程度更大。

本研究表明，涝害对苗期紫云英生长具有显著的抑制作用，其中弋江籽总生物量降低幅度最大，达 38.1%。水淹胁迫会对紫云英幼苗叶片光合结构产生损害，降低 PSII 反应中心活性，阻碍电子传递，进而降低紫云英的光合能力。水淹胁迫下 3 种紫云英叶片和根系的 SOD 与 CAT、POD 3种抗氧化酶活性升高，MDA 含量显著增加。紫云英在受到涝害胁迫，可以通过调节植株形态和生理指标来适应胁迫环境，但 3 个品种对涝害响应敏感度不同。通过隶属函数法对 3 个紫云英品种的耐涝性排序为闽紫 2 号＞余干种＞弋江籽。不同品种紫云英的遗传特性不同，对涝害胁迫的防御反应也不尽相同，因此，在季节性洪涝灾害频繁发生的地区推广紫云英种植，必须综合各类指标进行全面评价。

参考文献