低水多變環(huán)境下玉米葉片的光合與反射光譜特征

孫 莉，蘇根強(qiáng)，劉艷梅，趙閆閆，史剛榮1，

(1.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100;2.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽淮北 235000)

1 前言

干旱是制約植物生長和生產(chǎn)力的重要環(huán)境因子之一。嚴(yán)重干旱幾乎影響植物的所有代謝過程，導(dǎo)致植物死亡[1]。玉米是我國重要的糧食作物，其生育期耗水較多且對(duì)水分脅迫比較敏感，干旱對(duì)其生長發(fā)育影響較大[2]。我國每年玉米種植面積約為3 000萬hm2，2/3的面積分布于依靠自然降雨的丘陵或平原上。由于降雨量不足或分布不均，導(dǎo)致玉米生產(chǎn)受到干旱的極大制約[3，4]。因此，干旱脅迫對(duì)玉米生長發(fā)育的影響一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

干旱與短期濕潤交替，即“多變低水”是我國北方，也是所有半干旱區(qū)作物生長的實(shí)際田間環(huán)境[5]。在無灌溉條件的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)，自然狀態(tài)下的作物生長，不時(shí)處在干濕變化的水分環(huán)境中，并且具有一定的普遍性。在具備補(bǔ)充灌水能力的半干旱、半濕潤地區(qū)，干濕交替供水作為一種新的灌水模式，已被人們廣泛采用。因此，研究植物對(duì)多變低水環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制較之單純研究抗旱機(jī)制將更具現(xiàn)實(shí)意義。

光合作用作為植物初生代謝的關(guān)鍵生理過程，在植物抵御干旱脅迫的過程中起著重要作用[6，7]。當(dāng)水分虧缺時(shí)，植物葉片光合速率下降，其同化產(chǎn)物將主要向根系分配，從而增加根冠比，以適應(yīng)干旱環(huán)境。水分虧缺既可通過影響葉肉組織和氣孔運(yùn)動(dòng)限制CO2擴(kuò)散，從而降低胞間 CO2濃度和同化速率[8]，又可通過降低光合色素含量[1]，抑制光合作用的關(guān)鍵酶的活性[9]，導(dǎo)致葉片光合速率下降。此外，干旱還可誘發(fā)氧脅迫，通過活性氧破壞光合機(jī)構(gòu)[10]，間接導(dǎo)致光合速率下降。

關(guān)于干旱脅迫對(duì)植物光合生理特性的影響已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[6，8～10]，但對(duì)于多變低水條件下植物光合作用的變化及其生理生態(tài)意義的研究相對(duì)較少，且主要局限于單個(gè)干旱－復(fù)水周期的研究[11，12]，關(guān)于植物光合作用在干旱－復(fù)水周期中的變化規(guī)律尚不清楚。另外，光譜反射技術(shù)能夠反映植物葉片光合色素的變化，由于其實(shí)時(shí)、快速、無損、精確等特點(diǎn)，近年來在脅迫研究中得到廣泛應(yīng)用[13～15]。因此，通過研究多變低水條件下葉片的光合特性和反射光譜特征的變化規(guī)律，為玉米抗旱節(jié)水栽培提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為蘇玉19(cv.Suyu 19，購自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院)。盆栽試驗(yàn)于2011年3—5月在塑料大棚中進(jìn)行(不補(bǔ)充光照)。土壤取自淮北農(nóng)田土壤(田間最大持水量為25.2%)。每盆(內(nèi)徑18 cm、深16 cm)裝入2.2 kg的風(fēng)干土。通過插到底部的硬質(zhì)塑料管澆水(以避免堵塞和土壤板結(jié))。每天稱量補(bǔ)水并記錄。實(shí)驗(yàn)分為對(duì)照(田間持水量的75% ～80%)、持續(xù)干旱(田間持水量的35% ～40%)和干濕交替(干旱脅迫2周，復(fù)水處理1周，再干旱脅迫2周，復(fù)水處理1周)3個(gè)處理，每個(gè)處理24盆。三葉期定苗，每盆留大小相同的幼苗2株。在每次復(fù)水后第七天分別測(cè)定氣體交換、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及反射光譜等指標(biāo)。

2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

2.2.1 植株生物量

輕輕從土壤中挖出植株后，將根系和地上部分分開，根系用自來水沖洗干凈，連同地上部分一起置于105°C殺青30 min，再在70°C下烘至恒重，稱重并計(jì)算根冠比。

2.2.2 葉綠素?zé)晒?/p>

在收獲前，用Mini PAM(Walz，德國)測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。植株葉片暗適應(yīng)30 min后，測(cè)定最小熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和Fv/Fm(可變熒光和最大熒光之比)。在光強(qiáng)為 500 μmol·m－2·s－1光化光下測(cè)定瞬時(shí)熒光 Fs，在光強(qiáng)為5 000 μmol·m－2·s－1的飽和脈沖下測(cè)定最大熒光(Fm')，按下式計(jì)算光系統(tǒng)II有效量子產(chǎn)額(ΦPS II):ΦPS II=(Fm'－ Fs)/Fm'。

2.2.3 氣體交換

采用美國LI－6400便攜式光合作用測(cè)定儀(Li－Cor，Lincoln，美國)測(cè)定倒2葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(E)，光量子通量密度(PFD)為1 000 μmol·m－2·s－1。

2.2.4 反射光譜的測(cè)量

采用 UNI－spec反射光譜分析系統(tǒng)(PPSystems，美國)測(cè)定310－1138 nm波長范圍的葉片反射光譜，并計(jì)算:mSR705=(R705－R445)/(R750+R445);SIPI=(R800－R445)/(R800－R680);chlNDI=(R750－R705)/(R750+R705);REP=700+40×[(Rre– R700)/(R740– R700)]，其中，Rre=(R670+R780)/2，R表示光譜反射率。

2.3 數(shù)據(jù)分析

原始數(shù)據(jù)用SPSS for windows 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用one way ANOVA揭示不同處理對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)比較影響。用Duncan檢驗(yàn)進(jìn)行比較，確定相應(yīng)指標(biāo)在不同處理間的差異是否顯著(P＜0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 旱后復(fù)水對(duì)玉米生物量及根冠比的影響

生物量是植物的基本外部特征，地下生物量反映了植物根系的生長狀況。根冠比是衡量生物量分配比例受水分脅迫影響程度的重要指標(biāo)。由圖1可見，第一次復(fù)水后，玉米幼苗的根系生物量在不同處理之間無顯著差異(P＜0.05)，但多變低水和持續(xù)干旱處理幼苗的地上部分生物量顯著低于對(duì)照，從而導(dǎo)致根冠比顯著大于對(duì)照(P＜0.05)。地上部分生物量和根冠比在多變低水和持續(xù)干旱之間差異不顯著(P＞0.05)。第二次復(fù)水后，多變低水和持續(xù)干旱處理的根系和地上部分生物量均顯著低于對(duì)照(P＜0.05)。根冠比在對(duì)照與多變低水處理之間沒有差異，且二者均顯著小于持續(xù)干旱(P＞0.05)。

圖1 旱后復(fù)水對(duì)玉米生物量及根冠比的影響Fig.1 Effects of rewetting after drought onbiomass and root to shoot ratio of maize

3.2 旱后復(fù)水對(duì)氣體交換的影響

由圖2可見，第一次復(fù)水后，持續(xù)干旱處理的幼苗葉片凈光合速率(Pn)顯著小于對(duì)照，多變低水處理介于對(duì)照和持續(xù)干旱處理之間。氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度和蒸騰速率(E)在不同處理之間沒有顯著差異(P＞0.05)。第二次復(fù)水后，持續(xù)干旱處理植株的Pn和Gs顯著低于對(duì)照和多變低水處理(P＜0.05)，而在對(duì)照和多變低水處理之間的差異不顯著(P＞0.05)。胞間CO2濃度在不同處理之間沒有顯著差異(P＞0.05)。與對(duì)照相比，多變低水處理顯著增大葉片的蒸騰速率，而持續(xù)干旱則顯著降低蒸騰速率(P＜0.05)。

圖2 旱后復(fù)水對(duì)玉米葉片氣體交換的影響Fig.2 Effects of rewetting after drought on gas exchange in leaves of maize

3.3 旱后復(fù)水對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖3可見，第一次復(fù)水后，不同處理植株的Fv/Fm和ΦPS II沒有顯著差異(P＞0.05)。第二次復(fù)水后，持續(xù)干旱處理植株的Fv/Fm顯著低于對(duì)照和多變低水處理，處理組植株的Fv/Fm顯著高于持續(xù)干旱處理(P＜0.05)，但Fv/Fm在對(duì)照和多變低水處理之間的差異不顯著(P＞0.05);ΦPS II在三個(gè)處理之間無顯著差異(P＞0.05)。

圖3 旱后復(fù)水對(duì)玉米葉片葉綠素?zé)晒獾挠绊慒ig.3 Effects of rewetting after drought on chlorophyll fluorescence in leaves of maize

3.4 旱后復(fù)水對(duì)葉片反射光譜特征參數(shù)的影響

由圖4可知，第一次復(fù)水后，持續(xù)干旱處理植株的葉片反射光譜特征參數(shù)(mSR705、chlNDI和REP)顯著低于對(duì)照(P＜0.05)，多變低水處理界于二者之間，且無顯著差異(P＞0.05)，SIPI在三個(gè)處理之間的差異不顯著(P＞0.05)。第二次復(fù)水后，持續(xù)干旱處理葉片mSR705、chlNDI和REP顯著低于對(duì)照(P＜0.05)，而上述指標(biāo)在多變低水處理中則略高于對(duì)照，但差異不顯著。多變低水處理下，葉片SIPI顯著低于對(duì)照和持續(xù)干旱處理植株，后二者之間的差異不顯著(P＞0.05)。

圖4 旱后復(fù)水對(duì)玉米葉片葉綠素?zé)晒獾挠绊慒ig.4 Effects of rewetting after drought on chlorophyll fluorescence in leaves of maize

4 結(jié)語

植物在受到資源限制時(shí)，通常會(huì)調(diào)節(jié)生物量分配以適應(yīng)環(huán)境變化。在干旱脅迫下，地上與地下生物量的合理分配有利于增加植物的水分利用效率及干旱適應(yīng)能力。一般地，在干旱脅迫下植物通過增大地下部分比例來提高水分及養(yǎng)分的利用效率[16]。研究結(jié)果表明，干旱脅迫明顯抑制了玉米植株根系和地上部分的生物量積累，但根冠比顯著增大。干旱誘導(dǎo)根冠比的增大在發(fā)育早期更為顯著。說明在水分虧缺時(shí)，玉米通過增加地下生物量分配，將生長中心向根系轉(zhuǎn)移，試圖從土壤中吸收更多的水分。結(jié)果與前人的報(bào)道相一致[16，17]。

已有研究證明，水分脅迫并不是完全對(duì)作物生長不利，在某生育階段經(jīng)過適度水分脅迫后復(fù)水可以使作物產(chǎn)生生理、生長和產(chǎn)量的補(bǔ)償效應(yīng)，提高其水分利用效率[18，19]。研究結(jié)果表明，在低水多變處理下，玉米幼苗的根系和地上部分生物量均顯著小于正常供水。根冠比在第一次復(fù)水后顯著大于正常供水，但在第二次復(fù)水后與正常供水沒有差異?？梢姡诘退嘧儹h(huán)境下，玉米通過調(diào)節(jié)生物量分配適應(yīng)水分的時(shí)間異質(zhì)性。

光合作用是植物重要的生命活動(dòng)，是植物生長的生理基礎(chǔ)。許多研究表明，光合作用對(duì)葉片水分虧缺非常敏感，輕度的干旱脅迫就會(huì)使植物的光合速率下降，生長受到明顯抑制[6，8，9]。因此，植物在干旱脅迫條件下的光合生產(chǎn)力常被認(rèn)為是鑒定植物耐旱能力的重要指標(biāo)之一。在該研究中，持續(xù)干旱導(dǎo)致玉米光合速率顯著下降，且下降幅度隨干旱時(shí)間的延長而增大。然而，在低水多變條件下，玉米葉片的Pn、Gs和Ci與正常供水沒有顯著差異。可見，多變低水環(huán)境下，玉米幼苗光合作用能夠維持在較高水平。

植物葉片凈光合速率在受到環(huán)境脅迫時(shí)下降分為氣孔限制和非氣孔限制兩類。Farquhar和Sharkey[20]認(rèn)為只有 Pn、Gs和 Ci變化規(guī)律相同時(shí)，Pn 的變化是由Gs引起的，反之，如果Pn、Gs和Ci的變化不一致，則Pn的變化是由葉肉細(xì)胞活性決定的即非氣孔限制。在第一次復(fù)水后，持續(xù)干旱引起玉米Pn的下降并不伴隨Gs和Ci的下降，因此可以認(rèn)為是由非氣孔限制因素所致。然而，在第二次復(fù)水后，Pn和Gs同時(shí)下降，但Ci保持不變，說明既有氣孔限制因素，又有非氣孔限制因素。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)是快速、靈敏、無損傷的研究和探測(cè)干旱逆境對(duì)植物光合作用影響的理想方法[21]，干旱脅迫主要傷害植物光合機(jī)構(gòu)PS II[22]，PS II主動(dòng)調(diào)節(jié)電子傳遞速率和光化學(xué)效率，以響應(yīng)CO2同化能力降低，通過熱耗散形式避免或減輕過剩光能對(duì)其系統(tǒng)的損傷[23]。ФPS II表示的是PS II的實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率，它反映PS II反應(yīng)中心在有部分關(guān)閉情況下的實(shí)際原初光能捕獲效率[24]。該研究中，第一次復(fù)水后，玉米的Fv/Fm和ФPS II在不同處理之間無顯著差異，表明早期幼苗PS II對(duì)干旱脅迫不敏感。然而，在第二次復(fù)水后，持續(xù)干旱處理幼苗的Fv/Fm較對(duì)照顯著降低，說明干旱導(dǎo)致植物葉片系統(tǒng)受到損害，光合機(jī)構(gòu)及光合酶系統(tǒng)被破壞[25]。低水多變處理的玉米Fv/Fm和ФPS II與正常供水沒有顯著差異。

光合色素是植物進(jìn)行光合作用的必要條件，其含量的高低直接影響光合能力。由于反射光譜特征與植物葉片的色素含量密切相關(guān)，所以可以有效地反映植物受脅迫的情況[26]。mSR705、REP與葉綠素的含量密切相關(guān)，chlNDI表示的是葉綠素 a的大小[27]。在該試驗(yàn)中，持續(xù)干旱處理幼苗的mSR705、chlNDI和REP均顯著小于對(duì)照，說明干旱脅迫導(dǎo)致葉片葉綠素含量降低。SIPI反映類胡蘿卜素/葉綠素a比值的變化[28]。在該實(shí)驗(yàn)中，SIPI不受持續(xù)干旱影響。但在第二次復(fù)水后，多變低水處理幼苗的SIPI顯著小于對(duì)照。表明多變低水條件下玉米葉片類胡蘿卜素/葉綠素a比值下降。Pn的變化趨勢(shì)與mSR705、chlNDI和REP相一致，說明水分虧缺導(dǎo)致的葉綠素含量下降是光合速率下降的重要原因。

綜上所述，持續(xù)干旱處理抑制植株生長，增加根冠比，并通過氣孔限制和非氣孔限制因素抑制光合作用。在多變低水環(huán)境下，玉米生物量分配、光合作用和光譜特征均維持在正常供水植株水平，這種表型維持現(xiàn)象隨干濕交替次數(shù)的增加更趨明顯，這可能是玉米適應(yīng)多變低水環(huán)境的重要生理機(jī)制。

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