水分脅迫對(duì)柑橘光合特性的影響

謝深喜，劉強(qiáng)，熊興耀，張秋明，C. J. Lovatt

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128；2．國(guó)家柑橘改良中心 長(zhǎng)沙分中心，湖南 長(zhǎng)沙410128；3.美國(guó)加州大學(xué)河濱分校 植物科學(xué)系，美國(guó) 河濱市 92521- 0124）

光合作用是柑橘生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的決定性因素之一．柑橘光合生理特性可作為評(píng)價(jià)柑橘優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和適應(yīng)性的重要指標(biāo)．水不僅是柑橘生長(zhǎng)發(fā)育的重要生態(tài)因子，而且是光合作用的主要原料之一．土壤含水率和空氣相對(duì)濕度都影響光合作用．水分脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)和代謝的影響是多方面的，其中對(duì)光合作用的影響尤為突出[1-3]．水分脅迫對(duì)植物光合作用的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它不僅影響光合器官的形態(tài)構(gòu)造[4]，而且影響光合作用的生理、生化過(guò)程[5-6]．水分脅迫時(shí)，光合作用被抑制是氣孔機(jī)制和非氣孔機(jī)制共同作用的結(jié)果，同一時(shí)段內(nèi)，輕度水分脅迫導(dǎo)致光合速率下降主要是由氣孔限制引起的，重度水分脅迫導(dǎo)致光合速率下降主要由非氣孔限制引起的[7]．文獻(xiàn)[8-10]從不同植物的光合特性、凈光合速率的日變化和對(duì)生態(tài)因子的響應(yīng)等方面報(bào)道了果樹(shù)光合特性的遺傳差異及影響因素．筆者用盆栽控水法模擬不同程度的土壤水分狀況，對(duì)不同柑橘品種在不同水分脅迫下的光合特性進(jìn)行研究，以期探討水分脅迫與柑橘葉片光合特性的關(guān)系，從光合生理、生化的角度闡明水分脅迫對(duì)柑橘光合特性影響的機(jī)理，為柑橘園土壤水分管理提供理論依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

以湖南省農(nóng)業(yè)廳良種示范場(chǎng)提供的一年生枳橙砧紐荷爾臍橙、山下紅溫州蜜柑、沙田柚盆栽嫁接苗為試材．

主要儀器為美國(guó)MILTON ROY公司生產(chǎn)的Spectronic-1201雙光束分光光度計(jì)和美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400光合儀．

1.2 方 法

試驗(yàn)在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所進(jìn)行．將普通河沙、棉子殼、普通菜園土按一定比例拌勻，放入溫度70 ℃的烘箱中烘干，將干燥的培養(yǎng)土分裝到1 L的培養(yǎng)缽中，于每盆定植1株幼苗后稱重（W1）．充分澆水，直到培養(yǎng)土吸水飽和不再有水流出時(shí)，稱取苗、培養(yǎng)土、花盆三者的總質(zhì)量（W2），計(jì)算培養(yǎng)土最大持水量W（W=W2－W1）．

將枳橙砧紐荷爾臍橙、山下紅溫州蜜柑、沙田柚盆栽嫁接苗置于溫室中培養(yǎng)，日常管理．待嫁接苗完全成活后，放入溫度30 ℃的人工氣候箱中培養(yǎng)30 d，停止?jié)菜?，進(jìn)行水分脅迫處理，水分脅迫處理的前7 d每隔2 d稱重1次，7 d后每天稱重1次（W3），計(jì)算出土壤中的含水量和失水率．以正常澆水的盆栽苗為對(duì)照．含水量=W3－W1．失水率=（W3－W1）/W．

分別取盆栽土壤水分含量分別為最大田間持水量的60%、40%、20%（以下簡(jiǎn)稱60% PC、40% PC、20% PC處理）的盆栽苗各5盆，掛牌編號(hào)，每天18:30稱取盆重，補(bǔ)充當(dāng)天失去的水分，使各處理保持設(shè)定的相對(duì)含水量，連續(xù)控水30 d后進(jìn)行指標(biāo)觀察和測(cè)定．以正常澆水的盆栽苗為對(duì)照．

將達(dá)到試驗(yàn)處理要求的盆栽苗移出溫室，選每株苗的當(dāng)年生春梢頂端以下第 3、4片葉為光合作用測(cè)樣對(duì)象，采第4片葉進(jìn)行葉綠素含量測(cè)定．

1.3.1 測(cè)定指標(biāo)及方法

采用分光光度法測(cè)定葉綠素含量[10]．用光合儀測(cè)定凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等光合作用指標(biāo)．光合作用日變化測(cè)定時(shí)間為6:00—18:00，每隔2 h測(cè)定1次，結(jié)果取3片功能葉的平均值．用軟件SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析．

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對(duì)柑橘葉片葉綠素含量的影響

水分脅迫下各供試品種的葉綠素含量較對(duì)照均有不同程度的下降（圖1）．在正常供水條件下，各品種間葉綠素含量存在差異，沙田柚葉綠素a與葉綠素b的含量和（以下記為Chl a+Chl b）最高，達(dá)3.12 mg/g（鮮重，下同）．60%PC處理植株的Chl a+Chl b比對(duì)照少，但差異不明顯；20%PC處理Chl a+Chl b比對(duì)照明顯減少，紐荷爾臍橙、山下紅溫州蜜柑、沙田柚分別減少了26.35%、26.5%、25.38%．圖1結(jié)果還表明，在水分脅迫下，各處理柑橘品種葉綠素b含量的下降幅度比葉綠素a小，因此，Chl a/ Chl b隨水分脅迫處理的加重而變小，這說(shuō)明Chl a比Chl b更易受到破壞．20%PC處理紐荷爾臍橙、山下紅溫州蜜柑、沙田柚的 Chl a/Chl b分別為2.096、2.819、2.233，分別比對(duì)照減少了 5.17%、3.27%、1.93%．

圖1 各柑橘品種不同土壤含水量的葉片葉綠素含量Fig.1 Chlorophyll content of Citrus leaves under different soil water content

2.2 水分脅迫對(duì)柑橘光合特性的影響

從表1可知，不同處理柑橘的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均低于對(duì)照，且下降幅度從大到小依次為 20%PC（重度脅迫）、40%PC（中度脅迫）、60%PC（輕度脅迫）．20%PC處理沙田柚、紐荷爾臍橙、山下紅溫州蜜柑的凈光合速率比對(duì)照分別降低了 73.94%、80.88%、78.06%．方差分析表明，除60%PC處理沙田柚和紐荷爾臍橙的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率外，3個(gè)品種柑橘植株各水分脅迫處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，均與對(duì)照差異顯著．在相同外界環(huán)境條件下，同一時(shí)間測(cè)定的3個(gè)柑橘品種光合特性差異明顯，無(wú)論是正常灌水還是水分脅迫處理，沙田柚的凈光合速率最高，氣孔導(dǎo)度和水分蒸騰速率最大，說(shuō)明沙田柚的光合特性強(qiáng)于其他2個(gè)品種．

表1 水分脅迫對(duì)不同柑橘品種光合特性的影響Table 1 Effect of water-deficit on photosynthesis characteristics of different Citrus varities

2.3 不同品種柑橘 40%PC處理凈光合速率的日變化

由圖2可見(jiàn)，沙田柚、紐荷爾臍和山下紅溫州蜜柑對(duì)照的凈光合速率日變化曲線均為雙峰曲線，但峰值出現(xiàn)的時(shí)間有差異，凈光合速率的峰值分別為12.90、8.08、7.75 μmol/（m2·s），首峰出現(xiàn)時(shí)間分別為10:00、9:00、8:00左右，次峰出現(xiàn)時(shí)間分別為16:00、16:00、15:00左右，三者均有明顯的“午休”現(xiàn)象，“午休”分別出現(xiàn)在14:00、14:00、13:00左右，其值分別為 6.69、2.76、4.15 μmol/（m2·s）．40%PC處理沙田柚的凈光合速率日變化曲線（圖 2-A）為單峰曲線，峰值比對(duì)照減小56.4%，出現(xiàn)時(shí)間比對(duì)照遲2 h；紐荷爾臍橙為雙峰曲線（圖2-B），峰值出現(xiàn)的時(shí)間與對(duì)照相同，但峰值比對(duì)照明顯降低；山下紅溫州蜜柑為雙峰曲線（圖2-C），但峰值比對(duì)照小，且出現(xiàn)時(shí)間均推遲．

圖2 40% PC處理柑橘凈光合速率的日變化Fig.2 Daily change of Citrus photosynthetic rate under 40% PC treatment

2.4 不同處理山下紅溫州蜜柑凈光合速率的日變化

圖3結(jié)果表明，CK、60%PC、40%PC處理的凈光合速率日變化曲線均為雙峰曲線，20%PC處理的凈光合速率日變化為單峰曲線．正常水分處理和60%PC處理的植株凈光合速率日變化模式相同，首峰出現(xiàn)在8:00左右，次峰出現(xiàn)在15:00左右，“午休”現(xiàn)象出現(xiàn)在13:00左右；60%PC處理植株的凈光合速率明顯比對(duì)照低．20%PC處理的凈光合速率在各個(gè)時(shí)期均明顯低于其他處理，呈單峰曲線，且變化不明顯，其最大凈光合速率出現(xiàn)在10:00左右，僅為2.01 μmol/（m2·s），比對(duì)照降低了74.06%，比60%PC處理降低了67.63%．

圖3 各處理溫州蜜柑凈光合速率的日變化Fig.3 Daily change of Citrus photosynthetic rate under different treatment

3 結(jié)論與討論

a. 水分脅迫對(duì)不同品種柑橘葉片葉綠素含量的影響較大，當(dāng)土壤含水量為最大田間持水量的60%時(shí)，水分脅迫植株的葉綠素含量（Chl a + Chl b）比對(duì)照小，但差異不明顯；當(dāng)土壤含水量為最大田間持水量的20%時(shí)，水分脅迫植株葉片中的Chl a+Chl b明顯比對(duì)照小．葉綠素含量下降是水分脅迫過(guò)程中由功能性影響到器官性傷害的一個(gè)中間過(guò)程[10]．

b. 水分脅迫處理植株的葉綠素 b含量較葉綠素a含量下降幅度小，因此，葉綠素a與葉綠素b的含量比隨水分脅迫處理的加重而變小，說(shuō)明Chl a比Chl b更易受到破壞．曹慧等[11]發(fā)現(xiàn)水分脅迫使蘋果屬植物葉綠素和類胡蘿卜素含量明顯降低．嚴(yán)重水分脅迫時(shí)黃連木的Chl a、Chl b含量以及Chl a與Chl b的含量比均有顯著下降，光合色素發(fā)生明顯降解[12]．王孝威等[13]也報(bào)道了水分脅迫可使果樹(shù)葉片葉綠素分解和類胡蘿卜素含量減少．

c. 隨土壤相對(duì)含水量的降低，柑橘葉片的凈光合速率和蒸騰速率呈下降趨勢(shì)，而氣孔阻力呈上升趨勢(shì)．說(shuō)明凈光合速率和蒸騰速率的下降與氣孔阻力的升高有關(guān)．水分脅迫可使葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，嚴(yán)重脅迫時(shí)葉綠體解體[4]，因此，筆者認(rèn)為，水分脅迫下柑橘光合速率的下降是氣孔限制和非氣孔限制雙重作用的結(jié)果．二者在不同脅迫階段發(fā)揮的作用不同：輕度干旱脅迫下（40%～60%），氣孔限制是光合作用下降的主要原因，而嚴(yán)重干旱脅迫下（20%～40%），非氣孔限制是光合作用下降的主要原因．柑橘光合作用顯著下降的土壤相對(duì)含水量閾值為40%左右．許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)[12-16]，水分脅迫對(duì)植物光合作用的影響主要有兩條途徑，一是直接影響光合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與活性，同時(shí)也影響光合作用中的光化學(xué)反應(yīng)和暗反應(yīng)；二是通過(guò)影響植物體中其他生理、生化過(guò)程而間接影響光合作用．

d. 正常灌水處理下，沙田柚、紐荷爾臍橙、山下紅溫州蜜柑的凈光合速率日變化曲線相似，但峰值的大小和出現(xiàn)的時(shí)間有差異，并有明顯的“午休”現(xiàn)象．40%PC處理沙田柚葉片的凈光合速率日變化為單峰曲線；紐荷爾臍橙為雙峰曲線．正常水分處理、60%PC處理、40%PC處理山下紅溫州蜜柑葉片凈光合速率日變化曲線為雙峰曲線，但40%PC處理時(shí)峰值減小，峰值出現(xiàn)的時(shí)間較對(duì)照延遲，20%PC處理的為單峰曲線．說(shuō)明水分脅迫處理不僅能影響柑橘凈光合速率，而且能影響其日變化進(jìn)程．有研究[17-18]表明，在陽(yáng)光充足、水分灌溉正常的狀況下，果樹(shù)單葉的凈光合速率日變化進(jìn)程有單峰、雙峰、三峰等幾種，因種類、品種、葉位、葉齡、天氣、栽培條件等而異，一般光合作用日進(jìn)程為雙峰曲線的果樹(shù)，首峰值大于次峰值，有明顯的“午休”現(xiàn)象．許大全[17]認(rèn)為導(dǎo)致光合作用發(fā)生“午休”的主要因素是強(qiáng)光、高溫、低濕和土壤干旱等，易干軍等[18]發(fā)現(xiàn)，造成“午休”的主要原因是高溫引起的氣孔部分關(guān)閉．路丙社等[19]發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下阿月渾子葉片凈光合速率明顯低于對(duì)照，且日變化曲線為單峰．水分脅迫能導(dǎo)致葉綠體偶聯(lián)因子的結(jié)構(gòu)受到傷害，使得與光合磷酸化的底物ADP的親和力下降，光和磷酸化活性下降，ATP合成受阻，抑制光合碳循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)[20]．輕度脅迫下凈光合速率日變化與對(duì)照相似，以氣孔限制為主，嚴(yán)重脅迫下凈光合速率日進(jìn)程模式發(fā)生變化，以非氣孔限制為主[19-21]．

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英文編輯：羅文翠