干旱脅迫對6 種藤本植物光合作用及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

鄧沛怡，周杰良，陶抵輝，劉坤，吳易雄,2*

(1.湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院藤本植物研究所，湖南 長沙410127；2.湖南廣播電視大學(xué)，湖南 長沙 410004)

近年來，隨著全球氣溫的回升，中國南方大部分地區(qū)在盛夏都出現(xiàn)了高溫干旱天氣，這對植物的生長產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。藤本植物是園林綠化的重要組成部分，其種類繁多，生態(tài)適應(yīng)性強，生長迅速，在綠化引種及邊坡生態(tài)防護中有獨特的優(yōu)勢[1–4]。中國南方地區(qū)應(yīng)用較多的藤本植物有：扶芳藤(Euonymus fortunei)，為常綠蔓性灌木，生長旺盛，是庭院綠化的主要植物；金銀花(Lonicera japonica)，為半常綠木質(zhì)藤本植物，根系繁密發(fā)達(dá)，萌蘗性強，莖蔓著地即能生根；綠爬山虎(Parthenocissus laetevirens)，為葡萄科地錦屬植物，攀援于其他植物上，生長快，攀援力極強；絡(luò)石(Trachelospermum jasminoides)，為木質(zhì)藤本植物，常攀援于樹上、墻壁或巖石上，在園林中多作地被；常春油麻藤(Mucuna sempervirens)，為豆科油麻藤屬常綠藤本植物，適于攀附建筑物、陡坡、巖壁等處生長，是良好的垂直綠化植物[5]；常春藤(Hedera nepalensis)，為五加科常綠木質(zhì)藤本植物，在庭院中可用以攀援假山、巖石或在建筑陰面做垂直綠化材料[6]等。目前，葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種脅迫對植物生理生化影響的研究[7–8]中。有關(guān)干旱脅迫對扶芳藤、常春油麻藤等藤本植物生理生化指標(biāo)影響的研究[1,6]已有報道，而干旱脅迫對扶芳藤、金銀花、綠爬山虎等藤本植物的光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響的研究尚少。筆者對此進行了研究，現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1 材料與方法

1.1 供試材料

扶芳藤(Euonymus fortunei (Turcz.) Hand.–Mazz.)、金銀花(Lonicera japonica Thunb.)、綠爬山虎(Parthenocissus laetevirens Rehd.) 、 絡(luò) 石(Trachelospermum jasminoides (Lindl.) Lem.)、常春油麻藤(Mucuna sempervirens Hemsl.)、常春藤(Hedera nepalensis K. Koch var. sinensis (Tobl.) Rehd.) 6 種藤本植物均為湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院藤本植物研究所1年生扦插苗。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2014年6—9月在湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院內(nèi)進行。選取長勢一致的扦插苗，移栽到規(guī)格為15 cm×15 cm×12 cm 裝有基質(zhì)的塑料盆中?；|(zhì)的田間持水量為26.3%，其中含有機質(zhì)11.1g/kg，全氮0.5g/kg，全磷3.7mg/kg，速效鉀100.2mg/kg。干旱脅迫設(shè)4個水分處理：正常供水(CK)、輕度干旱(LS)、中度干旱(MS)、重度干旱(SS)，其土壤的含水量分別為田間持水量的90%～85%、75%～70%、55%～50%、35%～30%。用稱重法控制不同處理土壤水分恒定。播種后每天于18:00 稱重，并及時補充失去的水分，使各處理保持設(shè)定的土壤含水量[9]。土壤田間持水量=(當(dāng)天盆重－土壤干重)/ (澆透水盆重－土壤干重)。土壤在85℃下烘干后裝盆，稱重即為土壤干重；在下午澆透水過夜，使多余的水流掉，第二天早上稱重即為澆透水盆重。根據(jù)設(shè)定的田間持水量可以推算出當(dāng)天盆重。為了減少水分蒸發(fā)，在盆口套塑料袋[10]。每個處理9 盆，每種植物36 盆，共計216 盆。

1.3 測定項目與方法

干旱處理1個月后依次測定藤本植物光合參數(shù)、葉綠素SPAD 值和葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

1) 光合特性指標(biāo)的測定。2014年8月上旬連續(xù)3 d 的8:30—11:00 選取植株倒3 葉，用Li–6400xt便攜式光合儀(Li–COR USA)測定葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、細(xì)胞間CO2濃度(Ci)及蒸騰速率(Tr)。水分利用效率(WUE)=凈光合速率/蒸騰速率，測定時用紅藍(lán)光源，光強設(shè)為1 000 μmol/(m2·s)，CO2氣體由小鋼瓶提供，控制濃度為400 μmol/(m2·s) (下同)。每個處理測定3 株。重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

2) 光合–光響應(yīng)特征參數(shù)的測定。光合有效輻射梯度設(shè)定為2 400、2 100、1 800、1 500、 1 200、900、600、200、150、100、75、50、25、0 μmol/(m2·s)，用6400–LED 儀測定光合–光響應(yīng)特征參數(shù)。光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)等光合指標(biāo)根據(jù)葉子飄等[11]的直角雙曲線修正模型進行擬合計算。每個處理測定3 株。每株測定3 片葉。重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

3) 相對葉綠素含量的測定。采用SPAD–502 葉綠素測定儀(日本Konica 公司產(chǎn)品)，在測定光合作用的同時測定葉綠素相對含量。測定時，在每個葉片主脈兩側(cè)中部從葉尖到葉基部均等取9個點測量。每個處理測定3 株。每株測定3 片葉。重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

4) 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。采用Li–6400xt 便攜式光合儀(Li–COR，USA)，在凌晨破曉前，按照操作手冊對經(jīng)過充分暗適應(yīng)的葉片照射檢測光，測定Fo(初始熒光)，然后在施加飽和脈沖為7 200 μmol/(m2·s)的光強下0.8 s 測得暗適應(yīng)下最大熒光Fm；于當(dāng)天8:00 用葉室內(nèi)活化光將葉片活化30min以上測定光化學(xué)量子產(chǎn)量(Y)和電子傳遞速率(ETR)等參數(shù)。熒光參數(shù)的計算參照Rohá?ek 的方法[12]。每個處理測定3 株。每株測定3 片葉。重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Excel 2007 處理數(shù)據(jù)；用SPSS 17.0 軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對6 種藤本植物相對葉綠素含量(SPAD值)的影響

由圖1 可知，在CK 和LS 下，常春藤SPAD值高于其他植物，且差異顯著(P<0.05)；在MS和 SS下，常春藤SPAD 值低于扶芳藤及絡(luò)石，但高于其他植物；在所有處理中，綠爬山虎的SPAD 值均低于其他植物，且差異達(dá)到顯著水平 (P<0.05)。在 MS 下，與CK 相比，扶芳藤、金銀花、綠爬山虎、絡(luò)石、常春油麻藤、常春藤的SPAD 值分別降低了8.58 %、7.48%、9.41%、7.70%、10.61%、19.21%；在SS 下，SPAD 值分別降低了10.25%、17.04%、16.58%、23.28%、25.35%、30.33%，說明中度及重度干旱均對常春藤SPAD 值影響較大，重度干旱對扶芳藤SPAD 值影響較小。

圖1 干旱脅迫下6 種藤本植物的SPAD 值 Fig.1 Relative chlorophyll content of six kinds of lianas in drought stress

2.2 干旱對6 種藤本植物光合參數(shù)的影響

2.2.1 對凈光合速率的影響

圖2 表明，在CK、LS、MS 處理下，金銀花葉片的Pn最大；在SS 下，金銀花的Pn高于常春藤葉片的Pn，但低于其他4 種植物葉片的Pn。在4種處理下，常春藤葉片的Pn與其他5 種植物比較差異達(dá)到顯著水平 (P<0.05)。在MS 下，與CK 相比，扶芳藤、金銀花、綠爬山虎、絡(luò)石、常春油麻藤、常春藤的Pn分別降低了25.75%、35.58%、26.08%、22.28%、26.59%、24.18%，且差異達(dá)到顯著水平 (P<0.05)；在SS 下，與CK 相比，扶芳藤、金銀花、綠爬山虎、絡(luò)石、常春油麻藤、常春藤的Pn分別降低了59.93%、77.20%、65.16%、57.35%、56.04%、51.26%，且差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，說明在SS 下對金銀花和綠爬山虎葉片的Pn影響較大，Pn降幅由小到大的6 種藤本植物順序為常春藤、常春油麻藤、絡(luò)石、扶芳藤、綠爬山虎、金銀花。

圖2 干旱脅迫下6 種藤本植物的凈光合速率 Fig.2 Net photosynthetic rates of six kinds of lianas in drought stres s

2.2.2 對氣孔導(dǎo)度的影響

從圖3 可以看出，Gs的整體變化趨勢與Pn的一致，在CK、LS、MS 下，6 種植物中金銀花的Gs最大，在 SS 下，金銀花的 Gs較小，為 0.03 mmol/(m2·s)，說明重度干旱對金銀花葉片的Gs影響較大；常春藤葉片的Gs均低于其他藤本植物葉片的Gs。在SS 下，與CK 相比，扶芳藤、金銀花、綠爬山虎、絡(luò)石、常春油麻藤、常春藤的Gs分別降低了80.95 %、94.12%、73.33%、86.96%、85.00%、87.50%，且差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，其中，綠爬山虎的Gs降幅最小，金銀花的Gs下降幅度最大，其他4 種植物的Gs降幅介于綠爬山虎與金銀花之間。

圖3 干旱脅迫下6 種藤本植物的氣孔導(dǎo)度 Fig.3 Stomatal conductances of six kinds of lianas in drought stress

2.2.3 對蒸騰速率的影響

圖4 干旱脅迫下6 種藤本植物的蒸騰速率 Fig.4 Transpiration rates of six kinds of lianas in drought stress

由圖4 可知，Tr的變化趨勢與Pn和Gs的基本一致，在CK、LS 及MS 下，金銀花的Tr均高于其他5 種藤本植物的Tr；在SS 下，扶芳藤、金銀花、 綠爬山虎、絡(luò)石、常春油麻藤、常春藤的Tr分別為1.16、0.87、1.01、0.70、0.78、0.42 mmol/(m2·s)，說明在重度干旱條件下，扶芳藤和綠爬山虎的Tr較高，常春藤的Tr最低。

2.2.4 對胞間CO2濃度的影響

由圖5 可知，Ci的變化與Pn、Gs及Tr的變化無明顯相關(guān)性，在4 種處理下，常春藤的Ci均低于其他植物的Ci；在CK、LS、MS 下，金銀花、綠爬山虎、絡(luò)石、常春藤的Ci差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，說明MS 及LS 對Ci影響較小。與CK 相比，在SS 下，扶芳藤、金銀花、綠爬山虎、絡(luò)石、常春油麻藤、常春藤的Ci分別降低了22.02%、43.69%、37.30%、53.21%、49.48%、12.99%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖5 干旱脅迫下6 種藤本植物的胞間CO2 濃度 Fig.5 Intercellular CO2 concentration of six kinds of lianas in drought stress

2.2.5 對水分利用率的影響

由圖6 可知，隨著干旱脅迫的加重，6 種藤本植物的WUE 呈逐漸升高趨勢，說明干旱脅迫有利于提高植物的水分利用效率；在CK、LS、MS 下，常春藤的WUE 最高，分別為4.61、4.65、5.03 μmol/(m2·s)，在SS 處理下，WUE 由高到低的6 種藤本植物的順序為絡(luò)石、常春藤、常春油麻藤、扶芳藤、金銀花、綠爬山虎。

圖6 干旱脅迫下6 種藤本植物的水分利用率 Fig.6 Water use efficiency of six kinds of lianas in drought stress

2.3 干旱對6 種藤本植物光合–光響應(yīng)特征參數(shù)的影響

由表1 可知，6 種藤本植物最大凈光合速率(Pmax)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、表觀量子效率(AQY)及暗呼吸速率(Rd)的值隨著干旱脅迫的加重整體降低。金銀花葉片的Pmax均值最高，為12.45 μmol/(m2·s)；常春藤葉片的Pmax均值最低，為4.49 μmol/(m2·s)；扶芳藤、綠爬山虎、絡(luò)石、常春油麻藤的Pmax均值分別為9.25、9.21、11.21、7.52 μmol/(m2·s)。在正常供水(CK)下，扶芳藤的LSP 最高，為1 973 μmol/(m2·s)；常春藤的最低，為1 509 μmol/(m2·s)。在SS 下，絡(luò)石的LSP 最高，為703 μmol/(m2·s)；常春藤的LSP最低，為497 μmol/(m2·s)。光補償點(LCP)的高低說明植物對弱光的利用能力。金銀花和絡(luò)石的LCP 均值較高，分別為15.20、18.09 μmol/(m2·s)；綠爬山虎的LCP 均值最低，為6.36 μmol/(m2·s)。表觀量子效率(AQY)是植物葉片光能利用效率的一個重要指標(biāo)，它的大小反映葉片對弱光的利用能力[13]。金銀花和絡(luò)石的AQY 較低，而綠爬山虎的AQY 較高，說明金銀花和絡(luò)石適合在陽光較充足的環(huán)境下生長，而綠爬山虎較適合在陰濕的環(huán)境中生長。6 種藤本植物的暗呼吸速率(Rd)與Pmax呈正相關(guān)關(guān)系。

表1 干旱脅迫下6 種藤本植物的光合–光響應(yīng)特征參數(shù) Table 1 Effects of drought stress on photosynthetic-light response characteristics parameters of six kinds of lianas

2.4 干旱對6 種藤本植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表2 可以看出，干旱脅迫使6 種藤本植物的Fo增加，最大熒光(Fm)降低。在正常供水(CK)下，6種藤本植物的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)都在0.80 以上；在SS 下，金銀花、綠爬山虎、常春藤的Fv/Fm降低到0.75 以下，而絡(luò)石、常春油麻藤的Fv/Fm都在0.76 以上，說明金銀花、常春油麻藤及常春藤受到干旱脅迫的程度高于其他3 種藤本植物。6 種藤本植物的光化學(xué)量子產(chǎn)量(Y)、電子傳遞速率(ETR)及光化學(xué)猝滅系數(shù)(qp)隨著干旱脅迫的加重而降低。在SS下，與CK 相比，扶芳藤、金銀花、綠爬山虎、絡(luò)石、常春油麻藤、常春藤的ETR 分別降低了27.06%、39.52%、41.84%、23.47%、25.66%、40.41%，說明干旱脅迫對綠爬山虎的ETR 影響最大。

表2 干旱脅迫下6 種藤本植物的葉綠素?zé)晒鈪?shù) Table 2 Effects of drought stress on chlorophyll fluorescence parameters of six kinds of lianas

3 結(jié)論與討論

土壤水分脅迫對植物生長和代謝的影響是多方面的，其中對光合作用的影響尤為突出[14]。水分脅迫通常抑制葉綠素的生物合成，提高葉綠素酶活性并加速其分解，致使葉綠素含量下降[15]，本研究結(jié)果與之一致。葉綠體是植物進行光合作用的主要場所，干旱脅迫降低了葉綠素含量，即葉綠素SPAD值，從而使得光合酶活性和光合作用表光量子效率等下降，最終導(dǎo)致Pn降低，這主要是由非氣孔因素引起的[16]。影響光合作用的因素除了非氣孔因素外，還有氣孔因素[17]。通常情況下，植物Pn下降主要是由于植物氣孔阻力升高，即由氣孔導(dǎo)度降低引起的。 Gs降低是否是光合作用下降的原因，既要看Gs的大小，還要看Ci的變化[18]。如果Gs降低，Ci也降低，則Pn的下降主要是由氣孔因素引起的；相反，則是非氣孔因素引起的。本研究結(jié)果表明，在LS 和MS 下，6 種藤本植物的Pn和Gs稍有降低，而Ci并未降低，說明此時Pn降低主要是由非氣孔因素引起的；在SS 下，6 種藤本植物的Pn、氣孔導(dǎo)度及Ci均降低，說明此時Pn的降低主要是由氣孔因素引起的。

通過對6 種藤本植物光合生理指標(biāo)的比較發(fā)現(xiàn)，在正常供水下，金銀花的光合效率要高于其他5 種藤本植物，而常春藤葉片的Pn、Gs及Tr在本試驗設(shè)置的水分脅迫下均低于其他5 種藤本植物。WUE 是植物抗旱的重要指標(biāo)之一，雖然金銀花具有較高的Pn，但WUE 低于常春藤的，說明常春藤在長期自然條件下已經(jīng)形成了利用水分的特殊機制，在干旱脅迫下的表現(xiàn)更為明顯。隨著干旱脅迫的加重，6 種藤本植物的WUE 逐漸升高，植物通過降低Gs，從而減少蒸騰過程中水分的散失，保持較高的節(jié)水能力，這與尹麗等[19]的研究結(jié)果一致。在重度干旱下，絡(luò)石具有較高的Pn及WUE，說明絡(luò)石是干旱環(huán)境下抗旱的先鋒植物之一。

在光響應(yīng)曲線擬合過程中，大部分研究人員采用直角雙曲線模型與非直角雙曲線模型，不同模型擬合出的結(jié)果相差較大。筆者在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，用這些模型擬合光響應(yīng)數(shù)據(jù)時，所給出的最大凈光合速率遠(yuǎn)大于實測值[20]，而所給出的光飽和點遠(yuǎn)小于實測值[21]。由于這些模型是1 條漸進曲線，不存在極點，故無法由這些模型直接給出植物的光飽和點和最大凈光合速率的解析解。在6 種植物的光合曲線擬合過程中，采用非直角雙曲線模型擬合出的光飽和點較低，最大凈光合速率較高，與實測值相差甚遠(yuǎn)。本研究中采用的是葉子飄等[11]的直角雙曲線修正模型，擬合方法簡單，效果理想。

對6 種藤本植物的光合生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的綜合評價表明，在正常供水及輕度干旱下，光合效率從高到低的植物依次為金銀花、絡(luò)石、扶芳藤、綠爬山虎、常春油麻藤、常春藤；在重度干旱脅迫下，抗旱性由強到弱的植物依次為絡(luò)石、常春油麻藤、扶芳藤、常春藤、金銀花、綠爬山虎。

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