干旱脅迫對(duì)2種速生樹種葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>

2015-07-12 06:44:26白晶晶吳俊文李吉躍

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)訂閱 2015年1期 收藏

關(guān)鍵詞：竹柳葉綠素樹種

白晶晶，吳俊文，李吉躍，何 茜，邱 權(quán)，潘 昕

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州510642)

水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的關(guān)鍵因子［1］，因此高產(chǎn)速生林的高耗水問題引起廣泛關(guān)注［2］，篩選耐旱速生樹種是林業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［3-6］．植物受到水分脅迫后光反應(yīng)中心受損，發(fā)生一系列生理生態(tài)變化，其中探討光合作用受損原理一直是植物抗逆研究的重點(diǎn)．近年來葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)受到廣大學(xué)者關(guān)注［7-8］，它是研究光系統(tǒng)受損的主要途徑，并且具有反應(yīng)“內(nèi)在性”的特點(diǎn)，因此被視為研究植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針［9-10］．目前，對(duì)葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)，在干旱、鹽脅迫、低溫、強(qiáng)光、施肥過量等抗逆生理研究中得到了廣泛應(yīng)用［11-13］．

由于葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠診斷植物體內(nèi)光合機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況［14-17］，所以葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)在植物抗旱生理和抗旱植物選育方面具有重要意義［18-19］．國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已將葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、園藝作物抗旱研究中，而應(yīng)用于林木水分脅迫相對(duì)不多［20］．胡楊Populus euphratica、灰葉胡楊P．pruinosa、八棱海棠Malus micromalus、平邑甜茶Malus hupehensis、香椿Toona sinensis、金太陽杏Armeniaca vulgaris 等植物會(huì)出現(xiàn)光合速率下降，并有不同程度的葉綠體結(jié)構(gòu)的損壞．胡楊、灰葉胡楊、八棱海棠、平邑甜茶、雜交鵝掌楸 Liriodendron chinense×L.tulipifera、金太陽杏和香椿隨著干旱脅迫加劇，PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光量子產(chǎn)量(Yield)、表觀光合電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)均呈下降趨勢(shì)，而各樹種初始熒光(F0)均有不同程度的上升［21-24］．

竹柳(bamboo willow)又名美國(guó)竹柳，是由美國(guó)寒竹、朝鮮柳、筐柳組合雜交選育的優(yōu)良品系．尾巨桉Eucalyptus urophylla×E．grandis 是尾葉桉E．urophylla 和巨桉E．grandis 的雜交種，也是我國(guó)南方速生豐產(chǎn)林的首選樹種［25，12］．對(duì)于干旱脅迫下尾巨桉和竹柳的葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究鮮見報(bào)道．本研究利用OS5P 脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x(美國(guó))對(duì)這2個(gè)樹種的葉綠素?zé)晒馓匦裕踄ield、ETR、qP、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)、F0、最大熒光(Fm)和Fv/Fm這7 個(gè)參數(shù)］進(jìn)行了比較研究，旨在為華南地區(qū)選育優(yōu)良的抗旱樹種提供理論支持和科學(xué)依據(jù)．

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料與干旱處理

試驗(yàn)材料為盆栽竹柳和尾巨桉1年生苗木各30株，平均苗高、地徑分別為:竹柳(0.45 ±0.07)m、(9.10±2.12)mm，尾巨桉(0.40 ±0.03)m、(3.92 ±0.65)mm．于2011年5月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院溫室內(nèi)盆栽培育，花盆規(guī)格為25 cm×30 cm(上口徑×高)，盆栽土壤為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園內(nèi)林地赤紅壤，土壤田間持水量為(26.87 ± 2.07)%，容重為(1.34 ±0.07)g·cm－3．于2011年7月1日澆透水后停止?jié)菜?，讓其自然干旱?/p>

1．2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

對(duì)每株植株中生長(zhǎng)位置和葉片朝向相同、大小相似的5～8 片葉片進(jìn)行掛牌標(biāo)記，并于7月1日進(jìn)行第1 次測(cè)量，作為對(duì)照(正常水分條件)，之后在干旱第3～24 天每天進(jìn)行測(cè)量，同樹種每次測(cè)3 株，共3 個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)開始后每2 d 從2 種苗木中分別選定5 株，用波蘭Easy Test 公司生產(chǎn)的便攜式土壤濕度、溫度和鹽度計(jì)(FOM/mts-波蘭)進(jìn)行土壤水分測(cè)量，測(cè)定苗木盆內(nèi)土壤的含水量．

測(cè)量前，葉片暗適應(yīng)20 min，利用美國(guó)OPTI-sciences 公司脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x(OS5P-美國(guó))進(jìn)行F0、Fm、可變熒光(Fv，F(xiàn)v=Fm－F0)、Fv/Fm、qP，qN 及Yield 共7 個(gè)指標(biāo)的測(cè)定．

1．3 干旱脅迫程度劃分

土壤含水量占田間持水量80%以上為正常水平，50%～70% 為輕度干旱，30%～50% 為中度干旱，低于30%為重度干旱［26-27］．將試驗(yàn)時(shí)間按干旱脅迫程度劃分如表1．

1．4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2003 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并用SPSS19.0 進(jìn)行相關(guān)性分析．

表1 不同干旱脅迫程度劃分Tab．1 Divisions of drought stress severity

2 結(jié)果與分析

2．1 干旱脅迫對(duì)實(shí)際光量子產(chǎn)量的影響

Yield 能夠反映PSⅡ反應(yīng)中心在部分關(guān)閉情況下的實(shí)際原初光能捕獲效率，用來衡量植物光合電子傳遞的量子產(chǎn)量，可以作為植物葉片光合電子傳遞速率快慢的相對(duì)指標(biāo)［28］．正常條件下尾巨桉和竹柳的Yield 分別為:(0.791 ± 0.02)和(0.779 ±0.026)μmol·m－2·s－1(表2)，干旱脅迫第8 天之前，兩樹種Yield 降幅較小，降幅分別為7.33% 和7.79%，比較平穩(wěn)，到第12 天，尾巨桉依舊平穩(wěn)(降幅10.66%)，而竹柳自第8 天后開始呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，干旱脅迫第24 天，尾巨桉和竹柳的Yield 較對(duì)照分別下降63.51%和61.70%，兩者降幅相差較小，據(jù)表2 可知，對(duì)照和最后處理之間出現(xiàn)極顯著差異(P＜0.01)．以上結(jié)果表明在輕度干旱脅迫時(shí)期，尾巨桉和竹柳的Yield 受影響較小，嚴(yán)重干旱脅迫時(shí)期，2 種植物的Yield 均出現(xiàn)顯著抑制．

2．2 干旱脅迫條件下表觀光合電子傳遞速率的變化

ETR 在一定程度上可以反應(yīng)PSⅡ反應(yīng)中心的電子捕獲效率．隨著干旱脅迫的加劇，尾巨桉和竹柳的ETR 均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(表2)，在干旱脅迫第24 天，尾巨桉和竹柳的ETR 分別下降為正常水分條件下的48.02% 和25.12%．尾巨桉的ETR 降幅明顯大于竹柳(表2)．

2．3 干旱脅迫條件下熒光淬滅分析

熒光淬滅包括qP 和qN，qP 表示PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額［29］．要保持高的光化學(xué)淬滅系數(shù)就要使PSⅡ反應(yīng)中心處于“開放”狀態(tài)，所以光化學(xué)淬滅系數(shù)又在一定程度上反應(yīng)了PSⅡ反應(yīng)中心開放程度［30-32］．尾巨桉和竹柳的qP在輕度干旱脅迫時(shí)期降幅較小，到第12 天2 個(gè)樹種分別較正常水分條件下降了13.50%和10.55%，竹柳和尾巨桉的qP 分別在第12 和第16 天開始急劇下降，到干旱脅迫第24 天，分別下降為正常水分條件下的43.88%和49.45%，脅迫末期與對(duì)照相比，竹柳的降幅(49.80%)小于尾巨桉(58.67%)，PSⅡ的光合電子傳遞活性受到嚴(yán)重影響．

非光化學(xué)淬滅是PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞，以熱形式耗散掉的光能部分，其熱耗散能力可以用qN 表示［33］．就供試樹種而言，qN隨干旱程度逐漸增加(表2)，干旱脅迫第16 天，尾巨桉和竹柳qN 分別為0.45 和0.38，至干旱末期尾巨桉和竹柳 qN 上升幅度分別為 217.59% 和146.40%．竹柳qN 上升幅度較尾巨桉小，表明在受到干旱脅迫時(shí)，竹柳PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度較尾巨桉低．

表2 不同水分條件下葉綠素?zé)晒鈪?shù)方差分析和多重比較結(jié)果1)Tab．2 Variance analyses and multiple comparisons of chlorophyll fluorescence characteristics under drought stress

2．4 干旱脅迫對(duì)葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)Fm、F0、Fv/Fm的影響

F0是指PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)量．F0大小主要與PSⅡ天線色素內(nèi)的最初激子密度、天線色素以及PSⅡ反應(yīng)中心的激發(fā)能傳遞速率的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及葉綠素含量有關(guān)，而與光合作用光化學(xué)反應(yīng)無關(guān)［34］．隨著干旱條件的加劇，尾巨桉和竹柳的F0均呈上升趨勢(shì)(表3)，到干旱脅迫末期，上升幅度分別為92.03%和49.11%，說明尾巨桉和竹柳在干旱脅迫條件下PSⅡ反應(yīng)中心均受到一定程度的破壞，且尾巨桉PSⅡ反應(yīng)中心受到破壞的程度大于竹柳．SD 和CK 間均有顯著差異(P＜0.05)．

Fm是指PSⅡ反應(yīng)中心完全關(guān)閉時(shí)熒光的產(chǎn)量，其反映PSⅡ電子傳遞情況［35］．隨著干旱程度加劇，尾巨桉和竹柳的Fm不斷下降(表3)，到SD 期，其Fm分別為1 323 和1 645．尾巨桉的下降幅度(23.42%)高于竹柳(11.26%)．

Fv/Fm是反映PSⅡ反應(yīng)中心原初光能轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)重要指標(biāo)，其在受到光抑制和脅迫時(shí)明顯降低［21，36］．從表3 中可以看出:CK 期，尾巨桉和竹柳的初始Fv/Fm分別為0.81 ±0.01 和0.76 ±0.02，隨著干旱程度加重，其值均呈下降趨勢(shì);到SD 期，下降幅度分別為31.55%和21.84%，SD 和CK 間有顯著差異(P＜0.05)．尾巨桉下降幅度明顯大于竹柳，說明尾巨桉在干旱程度加劇時(shí)，更易出現(xiàn)光抑制，因此良好的水分條件有助于尾巨桉保持較高的光合生產(chǎn)力，保證其正常生長(zhǎng)．

表3 不同干旱處理下葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)方差分析和多重比較結(jié)果1)Tab．3 Variance analyses and multiple comparisons(Duncan's)of the kinetic parameters of chlorophyll fluorescence under drought stress

2．5 土壤干旱脅迫與熒光參數(shù)相關(guān)性分析

從表4 可以看出，尾巨桉的土壤質(zhì)量含水量與ETR 呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01，r=0.940)，與F0呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01，r=－0.925)，與Fm和Fv/Fm呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)．葉綠素?zé)晒鈪?shù)間均呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)．

表5 顯示，竹柳的土壤質(zhì)量含水量與ETR、Fm和Fv/Fm均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為:r=0.961、r=0.960、r=0.877;與Yield 和qP呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與F0和qN 呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)．葉綠素?zé)晒鈪?shù)間均呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)．

表4 尾巨桉葉綠素?zé)晒鈪?shù)與土壤含水量的相關(guān)性1)Tab．4 Correlation coefficients concerning chlorophyll fluorescence parameters of Eucalyptus urophylla×E．grandis and soil moisture

表5 竹柳葉綠素?zé)晒鈪?shù)與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)1)Tab．5 Correlation coefficients concerning chlorophyll fluorescence parameters of bamboo willow and soil moisture

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫下，尾巨桉和竹柳Yield 均呈現(xiàn)先平穩(wěn)后顯著下降的趨勢(shì)．但在脅迫初期，尾巨桉平穩(wěn)時(shí)期較長(zhǎng)，表明輕度干旱下尾巨桉比竹柳實(shí)際光能捕獲效率高，在脅迫后期，兩樹種Yield 均下降，表明光合程度受到強(qiáng)烈抑制．孫景寬等［37］研究的干旱脅迫下沙棗和孩兒拳頭Yield 變化趨勢(shì)也與本研究呈現(xiàn)相似的結(jié)果．ETR 均呈下降趨勢(shì)，且尾巨桉下降幅度顯著大于竹柳，表明竹柳PSⅡ反應(yīng)中心的電子捕獲效率高，光合能力顯著大于尾巨桉．李春霞等［22］也發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫，平邑甜茶和八棱海棠ETR 均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)．qP 的大小反映了PSⅡ開放中心的數(shù)目，其值越大，表明PSⅡ的電子傳遞活性越高，尾巨桉和竹柳的qP 隨干旱脅迫的加強(qiáng)而不斷下降，脅迫初期下降趨勢(shì)緩慢，尾巨桉比竹柳在抗旱初期表現(xiàn)更強(qiáng)的電子傳遞活性，而脅迫后期竹柳的下降幅度小于尾巨桉，在重度干旱下，竹柳抗旱性優(yōu)于尾巨桉．qN是PSⅡ反應(yīng)中心對(duì)天線色素吸收過量光能后的熱耗散能力，是一種保護(hù)機(jī)制，干旱脅迫下，竹柳的qN 上升幅度顯著大于尾巨桉，非輻射熱能耗散能力優(yōu)于尾巨桉，對(duì)光合系統(tǒng)的破壞亦小．F0增加是PSⅡ反應(yīng)中心出現(xiàn)不可逆失活和破壞的表現(xiàn)，其值下降表明光合色素?zé)岷纳⒃黾樱?7］．在干旱脅迫下，竹柳F0的上升幅度小于尾巨桉，不可逆破壞程度低于尾巨桉，因此耐旱能力大于尾巨桉．尾巨桉和竹柳Fm隨著干旱脅迫不斷加強(qiáng)而呈下降趨勢(shì)，尾巨桉的下降幅度大于竹柳，電子傳遞更易受到脅迫影響．正常條件下，尾巨桉和竹柳的Fv/Fm分別為:0.81 ±0.01 和0.76 ±0.02，隨著干旱程度加重，F(xiàn)v/Fm均呈下降趨勢(shì)，且尾巨桉下降幅度明顯大于竹柳，說明尾巨桉在受到干旱脅迫時(shí)出現(xiàn)更嚴(yán)重的光抑制．本試驗(yàn)對(duì)葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)F0、Fm和Fv/Fm的研究結(jié)果與李志軍等［21］相符．

在土壤含水量與各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的相關(guān)性上，桉樹和竹柳的表觀光合電子傳遞速率(ETR)均呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)，其中，土壤含水量與尾巨桉的F0呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Fm以及Fv/Fm均顯著相關(guān)(P＜0.05)，因此，兩樹種ETR 對(duì)干旱脅迫敏感性較高．李志軍等［21］對(duì)胡楊和灰葉胡楊的葉綠素?zé)晒鈪?shù)間相關(guān)性的研究表明，各參數(shù)間有連鎖相關(guān)關(guān)系，與本研究結(jié)果相似．

綜上所述，在輕度干旱下，尾巨桉在Yield、qP 上表現(xiàn)出優(yōu)于竹柳的抗旱性，而在重度干旱下，竹柳在ETR、qN、F0、Fm和Fv/Fm的指標(biāo)上，均比尾巨桉表現(xiàn)較強(qiáng)的適應(yīng)性，ETR 對(duì)兩樹種干旱響應(yīng)較敏感．生產(chǎn)上可在輕度干旱區(qū)栽植尾巨桉，在重度干旱區(qū)栽植竹柳．但由于葉綠素?zé)晒鈪?shù)受環(huán)境影響較大，各個(gè)指標(biāo)的變化還需要進(jìn)一步的研究和論證．

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