干旱脅迫對(duì)銀杏幼苗葉片光合性狀的影響

張斌++周廣柱++聶義豐

摘要：以3年生銀杏幼苗為材料，設(shè)置輕度、中度、重度3種干旱處理，測(cè)定葉片光合參數(shù)變化。結(jié)果表明，干旱脅迫條件下銀杏葉片相對(duì)含水量保持在75.31%～87.19%；隨著干旱脅迫的加重，光合速率及氣孔導(dǎo)度加速下降，而胞間CO2濃度先下降后上升；PSⅡ反應(yīng)中心電子受體側(cè)、供體側(cè)結(jié)構(gòu)變化，葉綠素?zé)晒獬跏紵晒庵饾u上升，最大熒光、電子傳遞活性下降，熱耗散增大；50%～65%的田間持水量條件下，光量子效率最高。這表明在輕度干旱時(shí)，銀杏葉片光合作用下降主要是氣孔因素引起的，光合機(jī)構(gòu)沒有受到嚴(yán)重的損傷，而在中度、重度干旱脅迫下，葉片光合作用下降是由非氣孔因素引起的，伴隨著PSⅡ反應(yīng)中心電子供體側(cè)和受體側(cè)的結(jié)構(gòu)損傷。

關(guān)鍵詞：銀杏；干旱脅迫；葉片相對(duì)含水量；光合特性；葉綠素?zé)晒?/p>

中圖分類號(hào)： S664.301文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0202-04

收稿日期：2016-01-08

基金項(xiàng)目：遼寧省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：2014207005）。

作者簡(jiǎn)介：張斌（1990—），女，遼寧大連人，碩士研究生，主要從事園林植物方向研究。E-mail：bin1990515@126.com。

通信作者：周廣柱，教授，主要從事園林植物栽培與應(yīng)用的研究。E-mail：zhouguangzhu@sina.com。銀杏樹由于其觀賞價(jià)值高而被廣泛的應(yīng)用于城市綠化，是城市綠化和景觀應(yīng)用的重要樹種。銀杏原產(chǎn)于年降水量900～2 000 mm的地區(qū)，所以當(dāng)年降水量在800 mm以上時(shí)，生長(zhǎng)期一般不需要灌溉。然而，由于城市地面的硬化，留給降水滲入土壤的綠化樹池面積過小，導(dǎo)致城市土壤水分嚴(yán)重虧缺。因此，在一些城市，當(dāng)銀杏達(dá)到一定規(guī)格時(shí)，土壤缺水就成為制約樹體生長(zhǎng)發(fā)育和存活的重要因素[1]。在干旱脅迫下，銀杏表現(xiàn)的主要癥狀是提早黃葉和落葉，在嚴(yán)重干旱條件下甚至整株死亡。干旱脅迫可通過氣孔阻力增大來降低光合速率[2-4]，還可能通過葉肉細(xì)胞及葉綠體結(jié)構(gòu)破壞[5-7]和光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心失活[8-9]等機(jī)制抑制光合作用。干旱脅迫對(duì)銀杏葉片光合作用的影響與脅迫的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)[10-12]，還與氣溫高低和光照強(qiáng)度有關(guān)[13-15]。目前遼寧省沈陽市栽植銀杏樹的街路和廣場(chǎng)有50多個(gè)，總計(jì)16 000多株，也經(jīng)常遭受干旱脅迫的嚴(yán)重影響。因此，本研究以沈陽地區(qū)城市綠化應(yīng)用較多的銀杏為材料，研究本地區(qū)溫、光條件下干旱脅迫對(duì)銀杏葉片光合作用的影響，以期為銀杏樹體培養(yǎng)和水分管理提供理論參考。

1材料與方法

1.1材料

本試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。采用長(zhǎng)勢(shì)一致的3年生銀杏苗為試驗(yàn)材料，盆栽培養(yǎng)。栽培基質(zhì)采用黃土和泥炭混合配制，黃土與泥炭體積配比為7 ∶3。干旱脅迫分為3個(gè)處理：（1）輕度干旱組（T1、T2），土壤含水量控制在田間持水量65%和50%；（2）中度干旱組（T3），含水量控制在田間持水量35%；（3）重度干旱組（T4、T5），含水量控制在田間持水量20%和10%。以土壤田間持水量80%為對(duì)照組（CK）。

每個(gè)處理30盆，每盆裝干土3.5 kg，設(shè)有托盤。試驗(yàn)在塑料遮雨棚內(nèi)進(jìn)行。為消除生長(zhǎng)的邊際效應(yīng)，每15 d輪換1次盆缽擺放位置。通過自然蒸散方式降低盆土含水量，當(dāng)降至試驗(yàn)要求的范圍時(shí)，即采用單盆逐一稱重法測(cè)定盆內(nèi)土壤的失水量。試驗(yàn)期間，每天稱重1次，時(shí)間為早晨08：00，之后補(bǔ)水至所設(shè)水分梯度含水量。

1.2測(cè)定指標(biāo)及方法

1.2.1葉片相對(duì)含水量的測(cè)定干旱脅迫45 d，從每個(gè)處理中選取上層健康完整、長(zhǎng)勢(shì)接近的葉片，剪下后稱鮮質(zhì)量，然后將葉片放入裝有蒸餾水的燒杯中，黑暗處放置12 h后稱飽和質(zhì)量，在80 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，稱量干質(zhì)量，每個(gè)處理3次重復(fù)。依據(jù)公式（鮮質(zhì)量-干質(zhì)量）/（飽和質(zhì)量-干質(zhì)量）×100%計(jì)算相對(duì)含水量（RWC）。

1.2.2光合參數(shù)的測(cè)定干旱脅迫45 d，每個(gè)處理隨機(jī)選取5株，每株選取3張健康完整功能葉采用0GFS-3000便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定光響應(yīng)曲線，用便攜式植物效能儀（Handy PEA）測(cè)定葉綠素?zé)晒馇€并計(jì)算熒光參數(shù)。于09：00—11：30之間測(cè)定，每張葉片重復(fù)3次，取平均值。光合參數(shù)測(cè)定時(shí)，葉室溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為（60±5）%，CO2濃度為（390±10）μmol/mol，光合有效輻射強(qiáng)度為1 200 μmol/（m2·s），光響應(yīng)曲線測(cè)定光合有效輻射強(qiáng)度分別設(shè)為1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、300、200、150、100、50、20 μmol/（m2·s）。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 17軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2結(jié)果與分析

2.1干旱脅迫對(duì)銀杏葉片相對(duì)含水量（RWC）的影響

葉片相對(duì)含水量代表植物葉片維持水分含量的能力。在干旱脅迫下，葉片相對(duì)含水量越高，對(duì)干旱的適應(yīng)能力就越強(qiáng)[16]。如圖1所示，隨著干旱脅迫的加重，銀杏葉片相對(duì)含水量加速下降。干旱處理的銀杏葉片相對(duì)含水量與對(duì)照處理相比差異顯著（P<0.05）；其中T1與T2處理差異不顯著，說明在該土壤水分范圍內(nèi)銀杏葉片通過滲透調(diào)節(jié)等機(jī)制可以維持較高的RWC；T3、T4、T5之間差異顯著，說明在嚴(yán)重干旱脅迫下，土壤含水量較小幅度的降低都對(duì)葉片RWC產(chǎn)生較大的影響。

2.2干旱脅迫對(duì)銀杏幼苗葉片光合參數(shù)的影響

2.2.1干旱脅迫對(duì)葉片凈光合速率（Pn）的影響圖2-a可見，與對(duì)照相比，干旱處理的銀杏葉片光合作用的飽和光強(qiáng)降低。在飽和光強(qiáng)下，T1的最大凈光合速率與對(duì)照相比顯著降低，T2、T3、T4和T5極顯著降低。其中T3、T4和T5凈光合速率只有對(duì)照的67.48%、43.40%和39.86%。而且，隨著光照的增強(qiáng)，干旱處理葉片凈利用光能增加幅度都低于對(duì)照。這些結(jié)果說明輕度干旱脅迫就已經(jīng)顯著影響銀杏葉片的光合作用。

當(dāng)光合有效輻射（PAR）<200 μmol/（m2·s）時(shí)，各處理Pn值呈線性增加，其斜率代表葉片將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的效率，稱為光量子效率（AQY）[17]。本試驗(yàn)5種干旱處理下的銀杏葉片AQY如圖2-b所示，其大小為T1>CK>T2>T3>T4>T5。除輕度干旱處理的T1外，其他處理的光量子利用效率都低于對(duì)照。

2.2.2干旱脅迫對(duì)葉片氣孔導(dǎo)度的影響在1 200 μmol/（m2·s）PAR下，不同干旱處理銀杏葉片的氣孔導(dǎo)度如圖3所示。除輕度干旱處理T1外，其他處理的葉片氣孔導(dǎo)度與對(duì)照處理相比差異顯著（P<0.05）。對(duì)照葉片的氣孔導(dǎo)度（Gs）較大，為73.90 mmol/（m2·s），隨干旱脅迫的加重，葉片Gs加速下降，T5處理Gs下降幅度最大。其中T3、T4和T5氣孔導(dǎo)度只有對(duì)照的57.70%、29.86%和25.38%，這些說明干旱脅迫嚴(yán)重影響葉片與環(huán)境的氣體交換和CO2同化作用。

2.2.3干旱脅迫對(duì)葉片胞間CO2的影響在1 200 μmol/（m2·s）PAR下，不同干旱處理銀杏葉片的CO2濃度（Ci）如圖4所示。輕度干旱處理T1的葉片Ci與對(duì)照相比變化不大。輕度干旱處理T2的Ci與對(duì)照相比明顯下降，下降幅度達(dá)11.42%。中度干旱處理T3的Ci與對(duì)照相比有較小幅度的增加。重度干旱處理T4、T5的Ci與對(duì)照相比明顯的上升，分別上升10.41%、11.54%。表明中度和重度干旱處理影響了葉片光合結(jié)構(gòu)和光合酶活性，抑制了CO2同化作用。

2.3干旱脅迫對(duì)銀杏葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>

2.3.1干旱脅迫對(duì)葉片葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線的影響銀杏葉片經(jīng)過暗適應(yīng)后測(cè)得的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線形成OJIP 4個(gè)特征點(diǎn)位（圖5）。與對(duì)照相比，干旱處理熒光曲線的OJIP點(diǎn)位熒光強(qiáng)度發(fā)生顯著變化，說明電子傳遞受到影響。在O-J點(diǎn)位之間大于對(duì)照值，J-P點(diǎn)位之間小于對(duì)照值，其變化幅度前者顯著大于后者。經(jīng)過計(jì)算[WOK=（Ft-Fo）/（F300μs-Fo）；WOJ=（Ft-Fo）/（Fj-Fo）；Δ=W脅迫-W對(duì)照]并繪制ΔWOK（圖6-a）和ΔWOJ的曲線（圖6-b），證明O-J點(diǎn)位之間存在L點(diǎn)與K點(diǎn)，形成具有O-L-K-J-I-P 6個(gè)特征點(diǎn)位的曲線。其L點(diǎn)位出現(xiàn)在80～160 μs時(shí)間段內(nèi)，K點(diǎn)位出現(xiàn)在300 μs左右。曲線的L、K點(diǎn)上升，說明 PSⅡ 反應(yīng)中心電子供體側(cè)受到傷害。在本試驗(yàn)中，T3的L和K點(diǎn)與對(duì)照相比已經(jīng)顯著上升，T4和T5處理則急速上升，說明隨干旱處理的加重，PSⅡ供體側(cè)受到的傷害加劇。

2.3.2干旱脅迫對(duì)葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響圖7為葉綠素?zé)晒鈪?shù)雷達(dá)分析圖，所有參數(shù)均是與對(duì)照的比值。隨著干旱脅迫的加重，初始熒光（Fo）、Fo/Fm、單位反應(yīng)中心吸收的光能（ABS/RC）、單位反應(yīng)中心捕獲的光能（TRo/RC）、單位反應(yīng)中心耗散的能量（DIo/RC）值加速增大，說明PSⅡ反應(yīng)中心受到影響；最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、PSⅡ潛在活力（Fv/Fo）、綜合指數(shù)（PIabs）、單位截面積電子傳遞能力（ETo/CSo）值加速減小，說明電子傳遞受阻。其中，綜合指數(shù)PIabs對(duì)干旱處理的響應(yīng)比Fv/Fm更加靈敏，說明PIabs能夠更快地反映干旱脅迫下光合機(jī)構(gòu)活力的變化。標(biāo)準(zhǔn)化的J-P相和直線F=Fm之間的面積（Sm）的降低反映PSⅡ反應(yīng)中心的電子受體側(cè)受到傷害的程度。在本試驗(yàn)中，隨著土壤干旱脅迫的加重，T3的Sm與對(duì)照相比已經(jīng)顯著降低，T4和T5處理則是急劇下降，說明隨干旱脅迫的加重，PSⅡ受體側(cè)也受到嚴(yán)重傷害。

3討論和結(jié)論

與對(duì)照相比，輕度干旱（土壤田間持水量65%和50%）的銀杏葉片相對(duì)含水量降低，凈光合速率下降，氣孔阻力增大，但胞間CO2減少。在干旱脅迫下葉片胞間CO2濃度下降有2個(gè)方面的原因，一是由于氣孔阻力增大進(jìn)入葉片內(nèi)部的CO2數(shù)量減少，二是由于光合細(xì)胞具有較強(qiáng)的CO2同化能力。因此，在輕度干旱脅迫下，銀杏凈光合速率下降的主要原因是氣孔因素，即由于葉片缺水導(dǎo)致氣孔阻力增大減少CO2的供應(yīng)所致。然而，本試驗(yàn)結(jié)果表明，即使在輕度干旱脅迫下，葉片的光反應(yīng)活性和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化，表示PSⅡ反應(yīng)

中心活力的指標(biāo)Fv/Fm和PIabs下降，反映結(jié)構(gòu)變化的指標(biāo)Fo增大，反映PSⅡ供體側(cè)傷害的曲線L點(diǎn)的K點(diǎn)沒有劇烈上升，反映PSⅡ受體側(cè)傷害的Sm也沒有劇烈下降。所以，在輕度干旱脅迫下，PSⅡ結(jié)構(gòu)變化對(duì)凈光合速率的影響仍然有限。因?yàn)?，一般在光合作用的氣孔限制階段，恢復(fù)水分供應(yīng)后光合作用可以較快地恢復(fù)正常。

在中度干旱脅迫（土壤田間持水量35%）和重度干旱脅迫（田間持水量20%和10%）下，銀杏葉片凈光合速率下降，氣孔阻力增大，胞間CO2濃度增大。同時(shí)，反應(yīng)PSⅡ結(jié)構(gòu)變化和傷害的葉綠素參數(shù)Fo、L點(diǎn)和K點(diǎn)劇烈上升，Sm劇烈下降。這些結(jié)果說明在中、重度干旱脅迫下，光合作用下降的主要原因是非氣孔因素，而且光合作用的限制與光反應(yīng)損傷有關(guān)[18-20]。在本試驗(yàn)中，葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線中的L點(diǎn)急劇上升，說明反應(yīng)中心各個(gè)單位之間的排列變松散，穩(wěn)固性下降；K點(diǎn)位的急劇上升說明PSⅡ放氧復(fù)合體受到損傷，抑制水的光氧化分解，減少光合電子傳遞鏈的電子供應(yīng)。Sm反映P680受體側(cè)的PQ庫大小，在中度與重度干旱脅迫下Sm劇烈下降，可能是由于葉片缺水導(dǎo)致電子傳遞體QB脫落，使PQ庫容量變小，降低光合電子傳遞的速率。

綜上所述，在沈陽地區(qū)，在輕度干旱時(shí)，銀杏葉片光合作用下降主要是氣孔因素引起的，光合機(jī)構(gòu)沒有受到嚴(yán)重的損傷，而在中、重度干旱脅迫下，葉片光合作用下降是由非氣孔因素引起的，伴隨著PSⅡ反應(yīng)中心電子供體側(cè)和受體側(cè)的結(jié)構(gòu)損傷，因此建議及時(shí)灌溉。本試驗(yàn)的結(jié)果也表明，葉綠素?zé)晒鈪?shù)是一個(gè)理想的、測(cè)定簡(jiǎn)便的反映銀杏葉片在干旱脅迫下光合作用傷害的指標(biāo)。