干旱脅迫下杜鵑葉片生理與PSII活性變化

周媛++董艷芳++童俊++毛靜++徐冬云++何朝斌

摘要：以6個杜鵑（Rhododendron L.）品種胭脂蜜[Rhododendron obtusum （Lindl.） Planch. cv. Yanzhimi]、鴛鴦錦（R. obtusum cv. Yuanyangjin）、花蝴蝶（R. hybridum Hort. cv. Variegated Butterfly）、紫宸殿[R. indicum （L.） Sweet. cv. Zichendian]、錦袍（R. hybridum cv. Jinpao）、紫鶴（R. championiae Hook. cv. Zihe）為研究對象，比較了干旱脅迫下不同杜鵑品種的外觀形態(tài)、生理指標和葉綠素熒光參數(shù)的變化。結(jié)果表明，隨著干旱脅迫時間的延長，所有杜鵑品種葉片出現(xiàn)了不同程度的下垂、萎蔫甚至死亡的情況，其中錦袍的受傷害程度相對最輕。MDA含量呈持續(xù)上升或先升后降的趨勢；可溶性蛋白含量變化較平緩，總體呈下降的趨勢，其中紫鶴在干旱第10天時含量達到最高；葉綠素含量呈先下降后上升的變化趨勢；初始熒光（F0）總體呈現(xiàn)下降再平緩上升的狀態(tài)，其中花蝴蝶與紫鶴在10 d后急劇下降直至消失，這與外觀形態(tài)表現(xiàn)一致；最大光化學效率（Fv/Fm）與PSII潛在活性（Fv/F0）變化規(guī)律一致，除2個干旱敏感品種花蝴蝶和紫鶴急劇降低以外，其他品種均保持平穩(wěn)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：杜鵑（Rhododendron L.）；干旱脅迫；抗旱性；生理響應；葉綠素熒光參數(shù)

中圖分類號：S685.21+3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）18-4730-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.026

杜鵑是杜鵑花科（Ericaceae）杜鵑花屬（Rhododendron L.）木本植物的總稱，別名映山紅、滿山紅等，其種類繁多、花色艷麗、姿態(tài)優(yōu)美，為世界上著名的觀賞花卉，對世界園林植物有著重大影響；也是中國傳統(tǒng)十大名花之一，有“花中西施”的美譽[1，2]。干旱是影響園林植物正常生長并導致其觀賞性下降的重要因素，不同的杜鵑（種、品種）其耐旱性具有顯著的不同；李娟[3]對西鵑（R. hybridum Hort.）和毛鵑（R. pulchrum Sweet.）進行了干旱處理，并對西鵑和毛鵑的葉片含水量、葉片相對含水量和葉綠素、脯氨酸、蛋白質(zhì)含量以及過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶活性等生理特性做了比較，得出西鵑抗旱性大于毛鵑的結(jié)論。黃承玲等[4]對持續(xù)干旱條件下高山類型杜鵑露珠杜鵑（R. irroratum Franch.）、迷人杜鵑（R. agastum Balf. f. et W. W. Smith）、大白杜鵑（R. decorum Franch.）的保護酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、丙二醛（MDA）含量和質(zhì)膜相對透性進行了測定，并進行抗旱評價，得出丙二醛含量和保護酶活性可以作為高山類型杜鵑抗旱性評價的主要指標結(jié)論。葉綠素熒光技術(shù)是研究植物光合作用的機制和探測光合生理狀況的一種新興技術(shù)，能夠快速靈敏、無損傷地反映光合系統(tǒng)Ⅱ（Photosynthetic system Ⅱ，PSⅡ）對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面的動態(tài)，被認為是研究植物光合能力及對環(huán)境脅迫響應的有效手段[5-7]。在杜鵑抗旱性研究中，關(guān)于生理指標的研究相對較多，但是將生理指標與葉綠素熒光參數(shù)相結(jié)合來比較杜鵑抗旱性的報道相對較少。為了更全面地了解杜鵑在干旱脅迫條件下的生理響應機制，課題組對前期篩選出的觀賞價值高的5個杜鵑品種與目前園林中栽培應用較多的1個杜鵑品種進行了干旱脅迫條件下的外觀形態(tài)、生理指標和葉綠素熒光參數(shù)測定，以期綜合反映杜鵑對干旱逆境的抗性，從而為杜鵑的抗旱育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2014年6～10月在武漢市農(nóng)業(yè)科學院林業(yè)果樹科學研究所內(nèi)進行。供試材料為6個杜鵑品種，分別為胭脂蜜[R.obtusum（Lindl.） Planch. cv. Yanzhimi]、鴛鴦錦（R. obtusum cv. Yuanyangjin）、花蝴蝶（R. hybridum cv. Variegated Butterfly）、紫宸殿[R. indicum（L.）Sweet. cv. Zichendian]、錦袍（R. hybridum cv. Jinpao）、紫鶴（R. championiae Hook. cv. Zihe）。前5個品種為前期篩選出的觀賞價值高的品種，紫鶴為園林綠化市場上常見栽培種。所有參試品種均為大棚內(nèi)常規(guī)管理的扦插盆苗，選取二年生生長一致、健壯的盆苗參加試驗。

1.2 取樣及方法

在溫室內(nèi)采用盆栽控水法實施水分脅迫處理，并保持與室外的通風。干旱處理為先給盆苗澆清水至飽和后不再澆水，每隔5 d在上午8：00-9：00采葉片樣，采樣后立即剪碎，混合均勻后對樣品進行生理生化指標（MDA、可溶性蛋白、葉綠素含量）檢測；試驗期間觀察記錄植株葉片形態(tài)變化，以葉片傷害率表示葉片萎蔫程度，直至供試植株葉片嚴重萎蔫為止。葉片傷害率計算公式：

葉片傷害率=（單株葉片萎蔫數(shù)/單株葉片數(shù)）×100%。

在測定生理指標的同時進行葉綠素熒光參數(shù)檢測，葉綠素熒光參數(shù)采用OS-1p便攜式脈沖調(diào)制熒光測定儀（美國OPTI-sciences 公司）檢測，選擇每一參試品種的葉片，都以6個葉片作為重復，分別進行初始熒光值（Minimal fluorescence，F(xiàn)o）、最大熒光值（Maximal fluorescence，F(xiàn)m）、暗適應最大可變熒光（Fv=Fm-Fo）等有關(guān)熒光參數(shù)的測定；在葉片測定前充分暗適應30 min，然后測定初始熒光Fo，此時葉片PSII反應中心全部處于開放狀態(tài)；之后用強飽和脈沖光激發(fā)，使原初電子受體全部處于還原狀態(tài)，激發(fā)最大熒光Fm；根據(jù)測得的熒光參數(shù)，可得PSII的最大光化學效率（Fv/Fm），非光化學猝滅（Non-photochemical quenching，NPQ，葉綠素熒光產(chǎn)量的下降稱淬滅，由光合作用引起的熒光淬滅稱之為光化學淬滅，由熱耗散引起的熒光淬滅稱之為非光化學猝滅）按Kooten等[8]的公式計算，

NPQ=Fm′/Fm′-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對杜鵑葉片外觀形態(tài)的影響

干旱脅迫對杜鵑葉片傷害的輕重程度見表1。從表1可見，在干旱處理5 d時，各杜鵑品種基本上生長良好，僅花蝴蝶部分葉片出現(xiàn)了失水下垂萎蔫現(xiàn)象；在干旱處理10 d時，除紫宸殿、錦袍無明顯傷害外，其他品種葉片開始出現(xiàn)明顯萎蔫，其中花蝴蝶與紫鶴的萎蔫較為嚴重，整體植株瀕臨死亡，因此10 d以后不再進行這2個品種的生理與光合指標檢測；至干旱15 d時，胭脂蜜與鴛鴦錦葉片出現(xiàn)了明顯萎蔫，而紫宸殿與錦袍仍然處于傷害較輕的狀態(tài)；至干旱20 d時，所有杜鵑品種均出現(xiàn)大面積葉片萎蔫，但錦袍的傷害程度相對最輕。

2.2 干旱脅迫對杜鵑葉片生理指標的影響

2.2.1 干旱脅迫對杜鵑葉片MDA含量的影響 植物在逆境條件下，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，MDA是其產(chǎn)物之一，通常利用它作為膜脂過氧化指標，表示細胞膜脂過氧化程度。干旱脅迫對杜鵑葉片MDA含量的影響情況見圖1。從圖1可知，干旱脅迫會使所有杜鵑品種的MDA含量呈上升趨勢或先升后降的變化趨勢，其中紫宸殿與錦袍在干旱5 d與15 d出現(xiàn)峰值，并且15 d的峰值要高于5 d的峰值；花蝴蝶與紫鶴在干旱5 d即達到高峰，之后迅速下降；胭脂蜜與鴛鴦錦的MDA含量在干旱脅迫下平緩上升，其中胭脂蜜在10 d達到最大值后平緩下降。

2.2.2 干旱脅迫對杜鵑葉片可溶性蛋白含量的影響 干旱脅迫對杜鵑葉片可溶性蛋白含量的影響情況見圖2。從圖2可見，杜鵑葉片可溶性蛋白含量除紫鶴先降低后急劇升高以外，大部分品種的可溶性蛋白含量變化較平緩，基本呈現(xiàn)緩和波動狀態(tài)。其中胭脂蜜、鴛鴦錦與紫宸殿是前期緩慢下降、后期緩慢增加；而花蝴蝶與錦袍是前期緩慢增加、后期緩慢下降。

2.2.3 干旱脅迫對杜鵑葉片葉綠素含量的影響 干旱脅迫對杜鵑葉片葉綠素含量的影響情況見圖3。從圖3可見，干旱脅迫后不同杜鵑品種葉片葉綠素含量變化趨勢基本呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，其中花蝴蝶與紫鶴在干旱5 d后急劇上升，而其他品種在15 d以后才開始明顯上升，以鴛鴦錦在后期上升的幅度相對較大。

2.2 干旱脅迫下杜鵑葉片葉綠素熒光參數(shù)的變化

2.3.1 干旱脅迫對杜鵑葉片F(xiàn)o的影響 Fo是暗適應下的初始熒光，可反映捕光色素復合體（Light Harvest Complex of PSⅡ，LHCII）與PSⅡ的結(jié)合狀態(tài)。干旱脅迫對杜鵑葉片葉綠素熒光參數(shù)F0的影響情況見圖4。從圖4可以看出，干旱脅迫后不同杜鵑品種的Fo變化趨勢不同，基本趨勢是脅迫初期略有下降，隨著脅迫時間延長Fo上升，其中干旱敏感品種花蝴蝶在脅迫5 d后急劇上升，紫鶴則一直下降，都在脅迫5 d后由于葉片失水萎蔫死亡，F(xiàn)o也檢測不到；而其他4個品種在干旱10 d后Fo才開始增加，其中胭脂蜜與紫宸殿在處理15 d后Fo增加幅度加大，而錦袍與鴛鴦錦變化較平緩，這與其葉片外觀形態(tài)的變化是一致的。

2.3.2 干旱脅迫對杜鵑葉片F(xiàn)v/F0的影響 Fv/Fo可以反映PSII的潛在活性，干旱脅迫對杜鵑葉片葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fo的影響情況見圖5。從圖5可見，干旱脅迫后不同杜鵑品種的Fv/Fo變化規(guī)律不同，其中花蝴蝶與紫鶴從干旱初始就一直呈現(xiàn)下降趨勢，在5 d后急劇下降；而干旱脅迫10 d前，其他4個杜鵑品種的變化趨勢不大，在干旱脅迫10 d后，除鴛鴦錦變化不明顯外，其他品種均有小幅增加，但在15 d后均下降。

2.3.3 干旱脅迫對杜鵑葉片F(xiàn)v/Fm的影響 Fv/Fm表示植物葉片PSII最大或潛在的光化學效率，適宜環(huán)境條件并經(jīng)充分暗適應的葉片F(xiàn)v/Fm一般保持在0.75～0.85之間，當植物遭受逆境脅迫時，F(xiàn)v/Fm會明顯降低；干旱脅迫對杜鵑葉片葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm的影響情況見圖6。從圖6可見，干旱脅迫后不同杜鵑品種的Fv/Fm變化趨勢不同，如紫鶴在干旱處理 5 d后就發(fā)生急劇下降，在干旱處理10 d時已接近于0；花蝴蝶在干旱處理10 d后發(fā)生急劇下降；而其他品種胭脂蜜、紫宸殿、錦袍、鴛鴦錦在干旱處理過程中變化不明顯，一直保持著較穩(wěn)定的狀態(tài)，只是在干旱脅迫15 d后略有降低。

3 討論

植物抗旱能力受多因素影響，測定外觀形態(tài)、生理指標與光合指標可以較全面地反映植物對干旱逆境的抗性。從外觀形態(tài)看，杜鵑品種花蝴蝶與紫鶴較早出現(xiàn)傷害癥狀，而紫宸殿與錦袍較晚出現(xiàn)，表明后兩者抗旱性較強。MDA含量與細胞膜相對透性具有相關(guān)性，是植物受傷害程度的標志之一；一般MDA含量越高，植物受傷害程度越重。本研究表明MDA含量總體呈上升趨勢，其中花蝴蝶與紫鶴是在干旱脅迫初期迅速上升，至峰值后又迅速下降；紫宸殿與錦袍出現(xiàn)2個峰值，這與黃承玲等[4]在迷人杜鵑等高山杜鵑上的研究結(jié)果一致，表明植物感受到干旱脅迫后，會啟動防御機制來抑制膜脂過氧化進程；后期隨著脅迫程度增加，防御系統(tǒng)損傷較大，導致MDA又急劇上升。干旱脅迫使6個杜鵑品種的細胞膜相對透性明顯增強，這與前人的研究結(jié)果一致[9]。

杜鵑的可溶性蛋白含量變化趨勢較平緩，主要呈現(xiàn)先增加后降低或從脅迫初始就持續(xù)降低的狀態(tài)；末期的上升可能是由于葉片水分急劇喪失、以至單位鮮重范圍內(nèi)的葉片數(shù)量增加導致。有研究認為，可溶性蛋白具有滲透調(diào)節(jié)功能，脅迫初期的可溶性蛋白增加可維持細胞保持較低的滲透勢，以抵抗水分脅迫帶來的傷害[10]。另有報道認為，逆境脅迫誘導了某些調(diào)控蛋白表達，導致可溶性蛋白增加[11]。本試驗發(fā)現(xiàn)參試杜鵑品種可溶性蛋白含量變化平緩，可能是由于杜鵑的可溶性蛋白含量與干旱脅迫關(guān)系較弱的緣故。

葉綠素總含量在一定程度上反映了植物同化物質(zhì)的能力，干旱脅迫下葉綠素含量的變化可以指示植物對干旱脅迫的敏感性。植物受到干旱脅迫后，由于葉片嚴重失水，常常造成細胞質(zhì)的破壞，葉綠素也隨之降解。研究顯示，抗旱性強的植物，其葉片葉綠素含量表現(xiàn)為下降的趨勢，而抗性弱的則表現(xiàn)為上升[12]，這與本試驗結(jié)果一致。較早出現(xiàn)傷害癥狀的花蝴蝶與紫鶴在干旱脅迫初期急劇上升，而其他品種在脅迫前期下降，至脅迫末期才緩慢上升，并且紫宸殿、錦袍與鴛鴦錦的上升幅度較小。

葉綠素熒光參數(shù)的測定可以更清晰地顯示植物光合作用中對光能的吸收、傳遞、耗散和分配情況。Fo是暗適應下的初始熒光，一般認為，逆境脅迫下類囊體膜結(jié)構(gòu)改變導致Fo緩慢增加，反映了PSII反應中心失活或LHCII與PSII的分離[13，14]。本試驗結(jié)果表明，大部分參試杜鵑品種的Fo基本表現(xiàn)為在干旱脅迫初期略微下降，而后期緩慢上升，其中花蝴蝶與紫鶴在10 d后急劇下降至無，這與花蝴蝶與紫鶴較早出現(xiàn)失水萎蔫傷害癥狀較一致。Fv/Fo可以反映PSII的潛在活性，試驗中除對干旱敏感的花蝴蝶與紫鶴Fv/Fo在脅迫5 d后迅速下降外，其他品種一直處于平緩波動狀態(tài)。Fv/Fm是PSII最大或潛在光化學效率，在逆境脅迫下常被用于指示PSII的受損程度，F(xiàn)v/Fm的下降與Fo的上升相伴出現(xiàn)是光抑制發(fā)生的標志。試驗發(fā)現(xiàn)Fv/Fm與Fv/Fo變化規(guī)律一致，除2個干旱敏感杜鵑品種急劇降低以外，其他品種均保持平穩(wěn)狀態(tài)，表明干旱脅迫對杜鵑葉片PSII的傷害不是漸進式的，而是突發(fā)式的，在沒有達到品種耐熱閾值時對PSII沒有造成明顯傷害，而達到某一閾值時對PSII的傷害可突然導致不可逆轉(zhuǎn)的水平，繼而使葉片或整株植物死亡。

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