干旱脅迫條件下菊苣的光合響應(yīng)

韓永芬，羅天瓊，李 娟，趙相勇，楊 菲，陸瑞霞

(貴州省草業(yè)研究所,貴州 貴陽 550006)

菊苣(Cichoriumintybus)為菊科多年生草本植物，其產(chǎn)草量高、營養(yǎng)豐富、適口性好、刈割后再生能力強，是一種很有開發(fā)潛力的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼草[1-2]。國內(nèi)對菊苣的生產(chǎn)性能及飼用效果進行了較多的報道，如普那菊苣不同生育期的營養(yǎng)動態(tài)與產(chǎn)草量的關(guān)系[3]，菊苣用于養(yǎng)豬、兔的效果[4-5]等。但對菊苣生理特性，如光合特性、蒸騰特性及環(huán)境因子對生理反應(yīng)的影響等方面的研究不多。Devacht等[6-8]研究了低溫脅迫對商業(yè)種植菊苣早期活力、光合作用、葉綠素?zé)晒夂腿~片色素含量的影響。Monti等[9]研究了菊苣凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與水分條件的關(guān)系。當(dāng)前，菊苣航天誘變育種獲得成功[10]，但對于普那菊苣原始品系和航天誘變篩選出的新品系(PA-82、PA-43)之間在干旱脅迫下的光合及葉綠素?zé)晒馓匦缘牟町惥鶡o系統(tǒng)研究。筆者曾對篩選出的新品系和對照普那菊苣作了葉片旱生結(jié)構(gòu)及水分脅迫下枯葉率等研究，結(jié)果表明，PA-82的抗旱性較強[11]。為了保證菊苣能在易遭遇干旱地區(qū)得到合理的推廣應(yīng)用，為草地畜牧業(yè)的發(fā)展提供優(yōu)良牧草，有必要對菊苣在干旱脅迫狀態(tài)下的光合特性等進行研究。

本試驗通過觀測3個抗旱性不同的菊苣品系在水分脅迫下的光合作用日動態(tài)、光合響應(yīng)以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)特征等，對這3個菊苣品系的光合特性及對干旱脅迫的響應(yīng)進行研究，旨在揭示菊苣水分與光合生理之間的關(guān)系，了解菊苣的抗旱潛力，為菊苣選育和推廣提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗材料 參試材料為航天誘變菊苣新品系PA-82(抗旱性強，與親本普那菊苣相比葉片變短、薄，葉型為披針形，葉色9級深綠，有絨毛，葉脈綠色)和PA-43(抗旱性差，與親本普那菊苣比葉片變窄、寬，披針形，葉色8級深綠，有絨毛，葉脈白色)[10-11]和親本普那菊苣。

1.2試驗處理 試驗于2010年7月在貴州省草業(yè)研究所進行，采用盆栽方式。選用盆口直徑40 cm、高30 cm的塑料盆，取田間表土[12](黃壤，土壤含水量19.65%)，粉碎混勻，不做滅菌處理，每盆裝干土8 kg。每盆播種籽粒飽滿、大小均勻、無病蟲的種子20粒。待苗齊后間苗，每盆留健苗10株，待苗高20 cm時進行試驗。每個材料12盆，設(shè)4個水分處理，3次重復(fù)，完全隨機區(qū)組排列。處理A(無水分脅迫)，水分含量為田間持水量的75%～80%；處理B(輕度水分脅迫)為田間持水量的65%～70%；處理C(中度水分脅迫)為田間持水量的55%～60%；處理D(重度水分脅迫)為田間持水量的40%～45%[12]。處理前，每盆加水至土壤達到飽和狀態(tài)，然后使其自然干旱至設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，并維持。待各水分梯度形成后開始進行水分脅迫，每盆中的水量用稱重法控制，于每天17:00向盆中插孔補充水分，雨天將花盆搬至塑料大棚中，在保持設(shè)定的含水量15 d后測定各參數(shù)指標(biāo)[13]。

1.3測定項目和方法

1.3.1光合作用日變化測定 選擇晴朗無云的天氣，利用Li-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)，測定水分處理A(無水分脅迫)狀態(tài)下菊苣的凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，μmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(Cond， mol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)、光合有效輻射(PAR，μmol·m-2·s-1)、氣溫(Ta，℃)、相對濕度(RH，%)、大氣CO2濃度等。測定時間為08：00-20：00，每隔1 h測定一次，連續(xù)測定3 d，于2010年7月進行。測定時選取長勢相近的健康植株，選取從植株頂端下數(shù)第3片成熟葉片，每次測定5株的平均值[14]。

水分利用效率 (WUE)=Pn/Tr。

氣孔限制值(Ls)=(Ca-Ci)/Ca。

式中，Ca是大氣中CO2濃度，Ci是胞間CO2濃度，均由光合作用測定系統(tǒng)導(dǎo)出。

1.3.2干旱脅迫條件下菊苣的光合響應(yīng) 脅迫15 d后，固定光照強度為1 200 μmol·m-2·s-1，CO2濃度400 μmol·mol-1，于09：00-11：00用Li-6400光合作用測定系統(tǒng)測定菊苣的Pn、Tr、Cond、Ci等。

1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定 功能葉片經(jīng)過24 h的暗適應(yīng)后，于05：00-09：00利用Li-6400便攜式光合測定儀熒光葉室測定各處理熒光參數(shù)。如初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、暗適應(yīng)下可變熒光(Fv=Fm-Fo)、暗適應(yīng)下PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅(qN)等。

1.4數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析采用Excel和SPSS軟件，圖表處理采用 Excel軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1主要氣象因子日變化 日出后，PAR逐漸增大，在10：00左右達到一個峰值，在13：00達到全天的最大值，然后呈下降的趨勢，變化范圍在763.61～1 418.96 μmol·m-2·s-1；Pn從早上開始上升，于13：00達到全天的最大值，然后開始下降，變化范圍在26.10～34.46 ℃；RH早晚較高，13：00出現(xiàn)最低值，變化范圍在42.93%～59.27%；大氣CO2濃度早晨較高，至 10：00左右達到最低值，而后上升，于13：00時達到最高值，然后略有回升，變化范圍在383.34～388.43 μmol·mol-1。

2.2菊苣光合特性的日變化規(guī)律

2.2.1菊苣葉片的Pn、Tr和Cond日變化規(guī)律 3個菊苣品系光合速率日變化趨勢都是雙峰曲線(圖1a)。第一峰值出現(xiàn)時間是10:00，谷值出現(xiàn)時間是12:00，此時出現(xiàn)午休現(xiàn)象，第二峰值出現(xiàn)時間是14:00。PA-82的Pn峰值最大為31.2 μmol·m-2·s-1，PA-43的Pn峰值最小為27.3 μmol·m-2·s-1。3個菊苣品系Tr日變化也呈雙峰曲線(圖1b)，其中第一峰值出現(xiàn)時間是11:00，第二峰值出現(xiàn)時間是16:00。第一、二峰值的出現(xiàn)時間比Pn推遲1～2 h。PA-82的Tr峰值最大為5.6 μmol·m-2·s-1，PA-43的Tr峰值最小為4.5 μmol·m-2·s-1。方差分析表明，菊苣的光合速率、蒸騰速率在品系差異間達顯著水平。3個菊苣品系Cond日變化呈雙峰曲線(圖1c)，其中第一峰值出現(xiàn)時間是10:00，第二峰值出現(xiàn)時間是14:00。PA-82的Cond最大，為0.44 mol·m-2·s-1，PA-43的Cond最小，為0.31 mol·m-2·s-1。

2.2.2菊苣葉片Ci和Ls的日變化規(guī)律 3個菊苣品系Ci日變化在10：00時降至低谷后在12:00升至一個高峰，其變化與Pn和Cond日變化曲線相反(圖1d)。

12:00時，普那菊苣、PA-82、PA-43的Ls降低，Ci增高(圖1d、圖2)，表明其光合速率的降低主要由非氣孔限制導(dǎo)致。同時，葉片Pn和Cond均在12:00下降至谷點，表明菊苣的午休是由非氣孔因素造成的。

2.2.3菊苣WUE日變化 菊苣WUE與Pn具有相同的規(guī)律，均呈雙峰曲線(圖1c、圖3)。WUE于08：00開始上升，10：00達最高，之后下降，到12：00達第一谷值，然后緩慢升高，到14：00達第二峰值，而后下降。WUE以PA-82為最高，說明其節(jié)水能力強，耐旱生產(chǎn)力高，表現(xiàn)為最抗旱；普那菊苣居中，說明其節(jié)水能力、耐旱生產(chǎn)力一般，抗旱性為中等；PA-43的WUE值最低，說明其節(jié)水能力低、耐旱生產(chǎn)力弱，抗旱性差。

圖1 3個菊苣品系葉片凈光合速率(a)、蒸騰速率(b)、氣孔導(dǎo)度(c)和胞間CO2濃度(d)的日動態(tài)Fig.1 Diurnal changes of net photosynthetic rate(a), transpiration rate(b), stromatal conductance(c) and intercellular CO2 concentration(d) in leaves of three chicory lines

圖2 3個菊苣品系氣孔限制值日動態(tài)Fig.2 Diurnal changes of stromatal limitation value in leaves of three chicory lines

圖3 3個菊苣品系水分利用效率日變化Fig.3 Diurnal changes of water use efficiency in leaves of three chicory lines

2.3干旱脅迫對菊苣葉片Pn、Tr、Ci和Cond的影響 隨著干旱脅迫程度的加劇，菊苣的Pn、Tr、Cond都有較大幅度的下降，以PA-43品系下降速率最快(圖4)。其中，在中度和重度水分脅迫下，Pn下降到10 μmol·m-2·s-1以下，分別比對照降低了51%和62% 。另外兩個品系下降速率相對緩慢，普那菊苣在輕、中、重度水分脅迫下，下降幅度分別是18%、27%、37%， PA-82在輕、中、重度水分脅迫下，下降幅度分別是11%、19%、25%。方差分析表明，在不同程度水分脅迫下，不同菊苣品系的Pn值間差異顯著(P<0.05)，說明土壤干旱對菊苣品系的影響很大。PA-43的Tr在輕、中和重度脅迫時分別比對照下降了17%、31%、41%。另外兩個品系Tr的下降幅度相對較小，普那菊苣在輕、中、重度脅迫下，分別比對照下降了11%、16%、25%，PA-82在輕、中和重度脅迫下，分別比對照下降了8%、15%、21%。方差分析表明，不同菊苣品系在不同水分脅迫下Tr值差異顯著(P<0.05)。PA-43的Cond在輕、中和重度脅迫時分別比對照下降了27%、38%、53%。與對照相比，普那菊苣在輕、中和重度脅迫時分別比對照下降了15%、27%、38%，PA-82在輕、中和重度脅迫時分別比對照下降了14%、25%、34%。方差分析表明，在不同程度的水分脅迫下，菊苣間的Cond值存在顯著差異 (P<0.05)，說明土壤干旱對菊苣品系的影響很大。

隨著干旱脅迫程度的加劇，3個菊苣品系的Ci呈上升趨勢。與普那菊苣相比，PA-43的Ci上升最快，在輕、中和重度脅迫時分別比對照上升了13%、25%、35%。另外兩個品系的Ci上升幅度相對較小，普那菊苣在輕、中、重度脅迫下，分別比對照上升了11%、22%、27%，PA-82在輕、中、重度脅迫下，分別比對照上升了9%、16%、24%。方差分析表明，不同菊苣品系在不同水分脅迫下Ci值差異顯著(P<0.05)(圖4)。

圖4 3個菊苣品系不同水分脅迫下的凈光合速率(a)、蒸騰速率(b)、胞間CO2濃度(c)和氣孔導(dǎo)度(d)Fig.4 Net photosynthesis rate(a), transpiration rate(b), intercellular CO2 concentration(c) and stromatal conductance(d) in leaves of three chicory lines under different drought stresses

2.4干旱脅迫過程中菊苣葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

2.4.1Fv/Fm和Fv/Fo的變化 在該試驗中，水分脅迫下Fv/Fm與Fv/Fo均顯著降低(圖5a、圖5b)，但3個菊苣品系Fv/Fm和Fv/Fo的下降幅度不同?？傮w上PA-82下降幅度最小，PA-43下降幅度最大，即抗旱性越弱的品種下降幅度越大，其葉綠素?zé)晒馐芩置{迫的影響也越大。與對照相比，在輕、中、重度干旱脅迫下3個菊苣Fv/Fm的下降幅度分別為普那菊苣的8.2%、11.3%、16.7%,PA-82的5.6%、9.8%、10.5%,PA-43的10.6%、17.2%、26.3%。與對照相比，在輕、中、重度干旱脅迫下3個菊苣品系Fv/Fo的下降幅度分別為普那菊苣的8.7%、15.2%、28.3%,PA-82的6.7%、11.1%、17.6%,PA-43的17.2%、30.3%、36.8%。上述結(jié)果說明，抗旱性差的菊苣品系的PSⅡ的原初光能轉(zhuǎn)化效率在水分脅迫條件下降低程度更高，PSⅡ潛在活性中心受損程度更大。

2.4.2水分脅迫對菊苣葉片qP、qN的影響 水分脅迫下3個菊苣品系qP值總體呈降低趨勢(圖6)。在輕度水分脅迫下，PA-82和普那菊苣的qP值下降幅度較小，分別為5.8%和6.7%，PA-43的qP值下降了11.3%。中度脅迫下，3個菊苣品系qP值都有較大幅度的降低，與對照相比,PA-43的下降幅度最大，為21.2%，PA-82的降低的幅度最小，為8.9%。重度脅迫下PA-82、普那菊苣、PA-43的qP值繼續(xù)降低，與各自對照相比分別下降了11.5%、14.6%、25.4%。方差分析表明，普那菊苣在不同處理間qP值差異顯著(P<0.05)，PA-43方差分析結(jié)果與普那菊苣一致。PA-82在中度脅迫和重度脅迫下qP值差異不顯著(P>0.05)，其它處理間差異顯著(P<0.05)。這表明，在干旱脅迫下菊苣葉片的PSⅡ反應(yīng)中心電子傳遞活性受到了不同程度的影響，PA-82的qP值下降幅度較低，說明受到的影響最小，普那菊苣受到的影響相對較大，而PA-43受到的影響最大。

植物受到不利環(huán)境的脅迫時，qN值升高。本研究表明，菊苣的qN值在干旱條件下會增大，與對照相比，普那菊苣和PA-82的qN值增幅程度大于PA-43(圖6b)。說明抗旱性強的菊苣在干旱脅迫時PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度高，電子傳遞與熱耗散能力均較強，從而有效地避免了過剩光能對光合機構(gòu)的損傷。

圖5 水分脅迫對Fv/Fm(a)和Fv/Fo(b)的影響Fig.5 Effects of water stress on Fv/Fm(a) and Fv/Fo(b)

圖6 水分脅迫對qP(a)和qN(b)的影響Fig.6 Effects of water stress on coefficient of photochemical quenching(a) and nonphotochemical quenching(b)

3 討論

Pn的下降可歸結(jié)為氣孔限制和非氣孔限制兩個方面的原因。根據(jù)氣孔導(dǎo)度和非氣孔因素來測定葉片光合速率的變化方向，Cond下降會直接影響Ci降低和Ls升高；而非氣孔因素下降會直接影響Ci升高和Ls降低[13]。本研究發(fā)現(xiàn),午間Pn下降時，Ci升高，Ls下降，表明非氣孔限制是3個菊苣品系在12:00時光合作用降低的主要原因，即菊苣的光午休現(xiàn)象主要是由非氣孔因素所致。同時，Tr在12:00時也達到一天中的最高值，可能是中午時分菊苣受高溫脅迫，蒸騰作用劇烈，導(dǎo)致葉片水勢下降，光合磷酸化進程受阻，使得Pn降低。

在相同環(huán)境條件下，植物的WUE值越大，說明植物的經(jīng)濟用水能力越高，抵御干旱的能力越強。因此，在選育和栽培優(yōu)良品種或農(nóng)作物時，植物的WUE是評價其耐旱能力的重要因素之一[14]。WUE以PA-82為最高，說明其節(jié)水能力強，耐旱生產(chǎn)力高，表現(xiàn)為最抗旱；普那菊苣居中，說明其節(jié)水能力、耐旱生產(chǎn)力一般，抗旱性為中等；PA-43的WUE值最低，說明其節(jié)水能力低、耐旱生產(chǎn)力弱，抗旱性差。

在葉綠素?zé)晒鈪?shù)中，F(xiàn)v/Fm代表參數(shù)的可變部分，能體現(xiàn)PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度和獲取激發(fā)能的效率。該比值是反映植物遭受脅迫下的重要指標(biāo)，任何對PSⅡ效能不利的因素都會降低Fv/Fm。高等植物在正常環(huán)境下，其葉片的Fv/Fm為0.80～0.83[12]。本研究表明，3個菊苣品系葉片在水分適當(dāng)條件下，F(xiàn)v/Fm在0.808～0.812范圍內(nèi)。隨著干旱程度的加劇，3個菊苣品系葉片的Fv/Fm逐漸下降，說明這種脅迫損傷到PSⅡ效能，降低了PSⅡ反應(yīng)中心的潛在活性能力，同時還抑制植物的光合作用，影響光合機構(gòu)的電子傳遞(如QA、QB及PQ庫的傳遞)。3個菊苣品系葉片的Fv/Fm從大到小排列分別是為PA-43>普那菊苣>PA-82，這表明抗旱性強的PA-82品系在干旱脅迫下的PSII效能受損最小，抗旱性弱的PA-43品系的PSII效能受損最大。

非輻射性熱耗散采用非光化學(xué)猝滅(qN)來檢測其消耗程度[15-16]。在干旱條件下，3個菊苣品系的PSⅡ效能明顯下降，說明在干旱脅迫條件下，菊苣的光合作用受到抑制，非光化學(xué)猝滅系數(shù)升高，形成一種自我保護的生理機制，在一定程度上保護了自身的光合機構(gòu)。與普那菊苣相比，PA-82品系的qN值增大的速率最快，而PA-43品系的qN值增大的速率最慢，充分說明了在同等干旱脅迫下，抗旱性強的PA-82具有很強的電子傳遞與PSⅡ潛在熱耗散能力，而抗旱性弱的PA-43的電子傳遞與PSⅡ潛在熱耗散能力較弱?？购敌詮姷钠废的軌蛴行У乇苊饷{迫環(huán)境損害光合機構(gòu)，在一定程度上提高其耐旱和抵制不利環(huán)境的能力。

不同抗旱等級的菊苣品系光合特性和對干旱脅迫的響應(yīng)也不同。航天誘變選育的PA-82品系在非干旱脅迫條件下具有最高的Pn、Tr、Cond和WUE值，在干旱脅迫條件下，PA-82的Fv/Fm、Fv/Fo、qP值的下降幅度最小，而qN值的增加幅度最大。因此,從其光合特性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)看， PA-82的抗旱能力優(yōu)于原始品系普那菊苣和另一航天誘變菊苣品系PA-43。結(jié)果與其葉片旱生結(jié)構(gòu)研究的結(jié)果[8]相同, 說明普那菊苣的抗旱能力與其葉片的光合特性、光合作用中心熒光特性以及葉片旱生結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。

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