干旱和鹽脅迫對(duì)鴨茅葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

李 碩，聶中南,2，陳 偉，姜哲浩，陳建綱，張德罡

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.澳大利亞維多利亞第一產(chǎn)業(yè)部；3.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

干旱和鹽脅迫對(duì)鴨茅葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

李 碩1，聶中南1,2，陳 偉3，姜哲浩1，陳建綱1，張德罡1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.澳大利亞維多利亞第一產(chǎn)業(yè)部；3.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為了研究鴨茅對(duì)干旱、鹽脅迫的回饋，采用隨機(jī)區(qū)組盆栽試驗(yàn)。試驗(yàn)包括4種相對(duì)含水量處理，相對(duì)含水量為75%(CK)、55%、35%、20%和3種鹽濃度(100，70和35 mmol/L)，以相對(duì)含水量75%作為對(duì)照,研究干旱脅迫和鹽脅迫對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響。結(jié)果表明:隨著相對(duì)含水量的減少，鴨茅的非光化學(xué)熒光淬滅(NPQ)幅度逐漸降低，光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)逐漸增加；最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、潛在活性(Fv/F0)逐漸減少；電子傳遞速度(ETR)逐漸降低；實(shí)際原初光能的捕獲效率Y(Ⅱ)降低。但在極度干旱脅迫時(shí)，熱耗散能力降低，光合作用上升，潛在最大光合效率和潛在光合效率增加，實(shí)際原初光能的捕獲效率增加；表明在極度干旱的條件下，鴨茅的內(nèi)部機(jī)制會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)，來避免惡劣的環(huán)境。鹽脅迫時(shí)，低濃度促進(jìn)熱耗散幅度抑制光合作用，相反高濃度抑制剩余光能的轉(zhuǎn)化和促進(jìn)光合效率；鴨茅的Fv/Fm先上升后下降，F(xiàn)v/F0與Fv/Fm有相同的趨勢(shì)；ETR先上升后減少，原初光能的捕獲效率先增加后降低。綜合評(píng)定,鴨茅受鹽脅迫影響大于干旱脅迫。

鴨茅；葉綠素?zé)晒?；干旱脅迫；鹽脅迫

鴨茅(Dactylisglomerata) 是一種起源于歐洲的優(yōu)良冬性牧草,葉量豐富、草質(zhì)柔嫩,家畜均喜食、具有適應(yīng)性強(qiáng),營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)。由于其表現(xiàn)出較好的抗性和生產(chǎn)性能,是退耕還草,建立復(fù)合植被等生態(tài)工程及草地建設(shè)的重要草種。在新西蘭、澳大利亞、英國(guó)等也占有重要地位。近年來,鴨茅在我國(guó)四川、重慶、山西、甘肅、黑龍江等地廣泛栽培應(yīng)用,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益[1]。

前人研究結(jié)果表明,光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)在植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)過程中起著重要作用[2,3]。鹽脅迫是抑制植物光合作用的主要環(huán)境因子之一，鹽脅迫條件下能加速植物葉綠素的降解，降低類囊體膜的穩(wěn)定性，從而降低葉綠體對(duì)光能的吸收，導(dǎo)致植物光合速率下降，且對(duì)植物光合特性的影響程度直接決定著植物的抗性水平和產(chǎn)量水平[4]。

有關(guān)研究報(bào)道鴨茅的葉綠素?zé)晒廨^少，葉綠素?zé)晒馐侵参锕夂献饔玫挠行结?可反映光合機(jī)構(gòu)內(nèi)一系列重要的調(diào)節(jié)過程，通過對(duì)各種熒光參數(shù)的分析,可以得到有關(guān)光能利用途徑的信息。以鴨茅為材料,研究干旱脅迫和鹽脅迫對(duì)葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?旨在揭示鴨茅的耐旱、耐鹽機(jī)理，以便為鴨茅在蘭州地區(qū)種植提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以鴨茅作為供試材料，盆栽試驗(yàn)于2014年8～10月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院組織培養(yǎng)室進(jìn)行。用規(guī)格相同的塑料盆(內(nèi)徑19 cm,深14 cm)，分別裝相同重量的基質(zhì)，基質(zhì)為草炭土和蛭石(1∶1)；鴨茅播量4 kg/hm2。試驗(yàn)包含4個(gè)水分梯度，分別是75%(正常條件CK)、55%(輕度脅迫)、35%(重度脅迫)和20%(極度脅迫)；鹽脅迫基于正常澆水條件下，分別是35，70和100 mmol/L NaCl，以相對(duì)含水量為75%作為對(duì)照(CK)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)4次。待鴨茅生長(zhǎng)2個(gè)月后，開始進(jìn)行脅迫,脅迫20 d，每天17∶00用稱重法補(bǔ)充水分以控制水分含量。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

試驗(yàn)選擇晴朗天氣，早上9∶00開始利用調(diào)制熒光成像系統(tǒng)Mini-IMAGING-PAM(WALZ，德國(guó))測(cè)量葉片葉綠素?zé)晒?。葉片暗適應(yīng)30 min后進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)處理測(cè)定2～4個(gè)葉片。經(jīng)過充分暗適應(yīng)后，打開弱測(cè)量光不大于0.1 μmol/(m2·s)測(cè)定初始熒光(F0)，此時(shí)再打開1次飽和脈沖光測(cè)定葉綠素的最大熒光Fm。然后，在自然光下，穩(wěn)態(tài)熒光(Ft)穩(wěn)定后，給1次飽和脈沖光測(cè)定Fm′。

經(jīng)計(jì)算得光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ) 最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/F0)和PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量Y(Ⅱ),每處理至少測(cè)4片葉。

由光合作用引起的熒光猝滅，光化學(xué)猝滅系數(shù)數(shù)(qP)：

qP=(Fm′ -Ft)/Fv′ =1-(Ft-F0′ )/(Fm′ -F0′)

由熱耗散引起的熒光猝滅，非光化學(xué)猝滅：

NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′=Fm/Fm′-1

電子傳遞的相對(duì)速率ETR=Yield×PAR×0.5× 0.84

式中：0.84是植物的經(jīng)驗(yàn)性吸光系數(shù)，0.5是假設(shè)植物吸收的光能被兩個(gè)光系統(tǒng)均分。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用GENSTAT 9.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，F(xiàn)v/Fm和Fv/F0采用LSD法進(jìn)行多重比較。用Office 2010 應(yīng)用軟件處理測(cè)定數(shù)據(jù),并制作圖表。采用隸屬函數(shù)值法，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值用模糊數(shù)學(xué)隸屬度公式進(jìn)行定量轉(zhuǎn)換，分別對(duì)所測(cè)的指標(biāo)采用公式求出不同脅迫各指標(biāo)的具體隸屬值。

U(Xi)=(Xij-Xjmin)/(Ximax-Xjmin)，Δ=1/n∑U(Xi)

如果某一指標(biāo)與耐性為負(fù)相關(guān)，用反隸屬函數(shù)計(jì)算其耐性隸屬函數(shù)值，即：

U(Xi)=1-(Xij-Xjmin)/(Ximax-Xjmin)，Δ=1/n∑U(Xi)

式中：Xij為第i個(gè)脅迫第j個(gè)測(cè)定指標(biāo)；U(Xi)∈[0,1]；Δ為每個(gè)脅迫各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定的綜合評(píng)定結(jié)果；n為測(cè)定的指標(biāo)總數(shù)；Ximax，Xjmin為第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值和最小值。

2 結(jié)果

2.1 不同脅迫對(duì)鴨茅光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學(xué)效率(Fv /Fm)和PSⅡ潛在活性(Fv/F0)影響

在干旱脅迫下，不同土壤相對(duì)含水量之間，F(xiàn)v/Fm和Fv/F0的含量均有顯著差異(P<0.05)。當(dāng)Fv/Fm下降時(shí)，代表植物受到脅迫。隨著土壤相對(duì)含水量的減少，F(xiàn)v/Fm和Fv/F0也隨著減少；表明兩者含量與土壤相對(duì)含水量呈正相關(guān)；但在20%時(shí)，兩者含量有所上升(表1)。

在NaCl脅迫下，不同鹽濃度所對(duì)應(yīng)的同一指標(biāo)之間的差異極顯著(P<0.01)。隨著鹽濃度的增大，兩者均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)；表明鹽濃度對(duì)Fv/Fm和Fv/F0的含量在低濃度促進(jìn)，高濃度抑制。Fv/Fm在土壤相對(duì)含水量為35%是最大，緊接著是55%，CK(75%)和20%；與Fv/Fm相比，F(xiàn)v/F0有相同的趨勢(shì)。

表1 不同脅迫處理下鴨茅Fv/Fm和Fv/F0Table 1 Effect of drought and salt stresses on Fv/Fmand Fv/F0 of cocksfoot

注：*表示差異顯著(P<0.05),**表示差異極顯著(P<0.01)

2.2 不同脅迫對(duì)鴨茅光系統(tǒng)(PSⅡ)實(shí)際量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)影響

在干旱脅迫下，PSⅡ的Y(Ⅱ)總體表現(xiàn)為75%> 55%>20%>35%(圖1)；且隨著土壤相對(duì)含水量的減少而減少，兩者呈正相關(guān)，同F(xiàn)v/Fm有相同的趨勢(shì)。NaCl脅迫下，在0～160 s時(shí)，對(duì)照的Y(Ⅱ)高于70 mmol/L；80 s以后，鴨茅的Y(Ⅱ)100 mmol/L>35 mmol/L(圖1)。

2.3 不同脅迫對(duì)鴨茅光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)的影響

葉綠素?zé)晒獯銣缡侨~綠體耗散能量的一種途徑。qP值是由植物的光合作用而引起的熒光淬滅，反映了植物光合活性的高低。在干旱脅迫下，鴨茅葉綠素qP表現(xiàn)為CK<20%<35%<55%(圖2)，表明隨著干旱脅迫的加劇，鴨茅的光合能力逐漸增強(qiáng)。在鹽脅迫下，對(duì)照的葉綠素?zé)晒庀陆的芰ψ羁?；鹽濃度為100 mmol/L時(shí)，鴨茅的葉綠素?zé)晒庀陆的芰ψ盥?圖2)。試驗(yàn)均表明對(duì)照的光合作用最強(qiáng)；100 mmol/L時(shí)，光合作用最差。

圖1 不同脅迫下鴨茅實(shí)際量子產(chǎn)量熒光時(shí)間的變化Fig.1 Variation of Y(Ⅱ) of cocksfoot under drought and salt stresses

圖2 不同脅迫下鴨茅光化學(xué)淬滅系數(shù)隨熒光動(dòng)力時(shí)間的變化Fig.2 Variation of qP of cocksfoot under drought and salt stresses

2.4 不同脅迫對(duì)鴨茅非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)影響

NPQ由于熱耗散引起的熒光淬滅，反映了植物耗散過剩光能為熱能的能力，也就是光保護(hù)能力。在干旱脅迫下，120 s以前，NPQ以35%>CK(75%)>20% > 55%(圖3)；120 s以后，對(duì)照的熱耗散速度增加。在鹽脅迫下，鹽濃度為70 mmol/L時(shí)，鴨茅的熱耗散最大，100 mmol/L時(shí)，熱耗散次之，對(duì)照最小(圖3)。

2.5 不同脅迫對(duì)鴨茅電子傳遞速率(ETR)影響

ETR反映實(shí)際光強(qiáng)條件下的表觀電子傳遞效率。在干旱脅迫下，土壤相對(duì)含水量為CK(75%)時(shí)，鴨茅的ETR最大；55%時(shí)，ETR次之；140 s以前，35%>20%，在140～260 s，20%>35%，260 s以后，35%的ETR又上升(圖4)。對(duì)鹽脅迫而言，相對(duì)電子傳遞速率總體表現(xiàn)為CK>70 mmol/L>100 mmol/L>35 mmol/L(圖4)。

圖3 不同脅迫下鴨茅非光化學(xué)淬滅系數(shù)隨熒光動(dòng)力時(shí)間的變化Fig.3 Variation of NPQ of cocksfoot under drought and salt stresses

圖4 不同脅迫下鴨茅相對(duì)電子傳遞速率隨熒光動(dòng)力時(shí)間的變化Fig.4 Variation of ETR of cocksfoot under drought and salt stresses

2.6 不同脅迫下鴨茅抗寒性和抗鹽性綜合評(píng)價(jià)

采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)的方法，對(duì)于鴨茅抗性關(guān)系相關(guān)的6 個(gè)生理生化指標(biāo)，作為抗旱和抗鹽生理反應(yīng)與適應(yīng)能力綜合能力指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。2個(gè)脅迫隸屬度平均值分別為鹽脅迫3.249和干旱脅迫2.137(表2)；由此綜合評(píng)定鴨茅抗鹽性能力高于抗旱性。

表2 鴨茅各指標(biāo)隸屬度平均值及抗性綜合評(píng)定結(jié)果Table 2 The comprehensive evaluation on resistance of cocksfoot

3 討論與結(jié)論

Fv/Fm是PSⅡ最大光合效率,它表示當(dāng)所有反應(yīng)中心開放時(shí)PSⅡ的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量,即PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)的原初轉(zhuǎn)化效率，是衡量PSⅡ的光抑制程度重要指標(biāo)[5]。Fv/F0常用于表示植物葉片PSⅡ的潛在活性[6]。結(jié)果表明：干旱脅迫時(shí)，隨著相對(duì)含水量的減少，F(xiàn)v/Fm逐漸減少；在極度干旱的條件下，鴨茅的潛在光合效率增加。在鹽脅迫下，隨著鹽濃度的增加，鴨茅的最大光合效率先上升后下降。潛在活性與最大光合效率有相同的趨勢(shì)。

Y(Ⅱ)表示電子傳遞的量子效率，是PSⅡ反應(yīng)中心在部分關(guān)閉的情況下的實(shí)際原初光能的捕獲效率[7]。對(duì)干旱脅迫而言，隨著含水量的減少實(shí)際原初光能的捕獲效率降低，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后20%的實(shí)際捕獲效率高于35%的效率。在未受鹽脅迫時(shí)，鴨茅對(duì)原初光能的捕獲速率最淡，但在被脅迫時(shí)，隨著鹽濃度的增加，原初光能的捕獲效率先增加后降低。

ETR反映了實(shí)際光強(qiáng)條件下的表觀電子傳遞效率；在脅迫下，植物葉片的ETR會(huì)下降[8]。試驗(yàn)分析表明，隨著相對(duì)含水量的減少，ETR的幅度表現(xiàn)為CK(75%)>55%>35%>20%。隨著鹽濃度的增加，相對(duì)電子傳遞速率CK(75 mmol/L)>70 mmol/L>100 mmol/L>35 mmol/L。

光系統(tǒng)中葉綠素吸收的光能主要通過光合電子傳遞、葉綠素?zé)晒獍l(fā)射和熱耗散3種途徑來消耗[9,10]。光合速率上升引起的qP反映了PSⅡ天線色素捕獲的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額;而由熱耗散引起的NPQ反映的則是PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光化學(xué)電子傳遞而以熱的形式消耗掉的部分[11,12]。結(jié)果表明：隨著土壤相對(duì)含水量的減少，鴨茅的熱耗散加劇，光合作用減少；但在極度干旱脅迫時(shí)，熱耗散能力降低，光合作用上升。鹽脅迫時(shí)，低濃度促進(jìn)熱耗散幅度抑制光合作用，相反高濃度抑制剩余光能的轉(zhuǎn)化和促進(jìn)光合效率。

采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)的方法，對(duì)鴨茅的鹽脅迫和干旱脅迫進(jìn)行了綜合性評(píng)價(jià)：其總體評(píng)價(jià)結(jié)果鴨茅鹽脅迫大于干旱脅迫。

隨著相對(duì)含水量的減少，鴨茅的熱耗散加劇，光合作用減少；Fv/Fm、Fv/F0逐漸減少，ETR逐漸降低；實(shí)際原初光能的捕獲效率Y(Ⅱ)降低。但在極度干旱脅迫時(shí)，熱耗散能力降低，光合作用上升，潛在光合效率增加，Y(Ⅱ)增加。

鹽脅迫時(shí)，低濃度促進(jìn)熱耗散幅度抑制光合作用，相反高濃度抑制剩余光能的轉(zhuǎn)化和促進(jìn)光合效率；鴨茅的最大光合效率先上升后下降，潛在活性與最大光合效率有相同的趨勢(shì)；ETR先上升后減少，原初光能的捕獲效率先增加后降低。

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Responses of the chlorophyll fluorescence parameters of cocksfoot (Dactylisglomerata) to water and salt stress

LI Shuo1,NIE Zhong-nan1,2,CHEN Wei3,JIANG Zhe-hao1,CHEN Jian-gang1，ZHANG De-gang1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China；2.DepartmentofEnvironmentandPrimaryIndustries,PrivateBag105,Hamilton,VIC3300,Australia;3.LanzhouCityUniversity,Lanzhou730070,China)

In order to understand the response of cocksfoot (Dactylisglomerata) to drought and salt stresses,a pot experiment was conducted in a randomized completely block design.There were 7 treatments including 4 water stress treatments (75%,55%,35% and 20% of gravimetric water content) and 3 salinity stress treatments (35 mmol/L NaCl,70 mmol/L NaCl and 100 mmol/L NaCl).The water content of 75% was used as control.After 20 days of the drought and salt stress treatment,the chlorophyll fluorescence parameters were measured using the chlorophyll fluometer.The results showed thatFv/Fm,Fv/F0,ETR,Y(Ⅱ) and NPQ gradually decreased,and qP increased with water content decreasing.However,under extreme water stress,heat dissipation was decreased,and photosynthesis and its efficacy were increased in cocksfoot,indicating that cocksfoot responded to water stress to avoid potential damage to the plants.With the increasing of salt stress level,Fv/Fmof cocksfoot initially increased and then declined.ETR,Fv/F0and Y(Ⅱ) showed a similar trend asFv/Fm.The heat dissipation increased at lower salinity levels but decreased at higher salinity levels.The photosynthesis responded in an opposite way to heat dissipation.The tolerance of cocksfoot to water stress was better than salt stress under the experimental conditions.

chlorophyll fluorescence parameters；drought stress；salt stress；Dactylisglomerata

2015-04-27；

2015-06-15

農(nóng)業(yè)部全國(guó)畜牧總站“草地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵產(chǎn)品與服務(wù)實(shí)物量測(cè)度研究”項(xiàng)目資助。

李碩 (1989-)，男，甘肅慶陽人，在讀碩士。 E-mail：lishuo858@foxmail.com 張德罡為通訊作者。

Q 945.78,Q 945.11

A

1009-5500(2015)05-0023-05