不同水分條件下3種苔蘚植物的生理響應(yīng)

黎修東，駱華容，莫惠芝，吳 志，裴福云

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040)

水分是植物生長和發(fā)育的必要條件，也是光合作用的原料[1]。苔蘚植物沒有發(fā)達(dá)的吸水根系和可以控制水分蒸騰的氣孔[2]，葉片僅由一層細(xì)胞構(gòu)成，不具備輸導(dǎo)水分和營養(yǎng)物質(zhì)的維管組織，使植物體極易受到降水等自然環(huán)境因子變化的影響，甚至空氣濕度略微變化也可導(dǎo)致植物體含水量變化[3]。這決定了蘚體生理生化功能對(duì)濕度、溫度等環(huán)境因素的變化尤為敏感[4]。環(huán)境干旱下苔蘚會(huì)迅速失水而代謝緩慢甚至停止, 而當(dāng)環(huán)境變濕潤時(shí)，它們又可以迅速吸收水分、恢復(fù)正常的代謝活動(dòng)[5]。光合色素是客觀反映植物光能利用率的一類重要指標(biāo)，可以作為判斷植物光合生理能力、反映環(huán)境脅迫狀況的重要指標(biāo)[6-8]。葉綠素含量與植被的光合能力、發(fā)育階段具有較好的相關(guān)性，它通常是光合作用能力和植被發(fā)育階段(特別是衰老階段)的指示器[9]。因此在逆境環(huán)境中葉綠體是最易受到破壞的細(xì)胞器之一，其結(jié)構(gòu)的正常與否是判斷植物細(xì)胞活性的一個(gè)重要指標(biāo)[10]。

本課題研究了4組水分處理對(duì)3種苔蘚植物的生理生化指標(biāo)的影響，分析了3種苔蘚植物培育適宜的給水量，可為其科學(xué)培育創(chuàng)造最佳的生長條件以及提供數(shù)據(jù)參考。

1　實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1　實(shí)驗(yàn)地概況

實(shí)驗(yàn)地設(shè)于廣東省東莞市的鐵漢生態(tài)研發(fā)基地溫棚內(nèi)。實(shí)驗(yàn)期間，白天光照強(qiáng)度在10～120 μmol/(m2·s)之間；溫度變化范圍在22.5～36.0 ℃，其中在25～30 ℃較為集中；濕度變化范圍在60%～99%，濕度晝夜差較大，晚間濕度最高，在90%～99%，午間濕度最低，主要集中在60%～70%。

1.2　實(shí)驗(yàn)材料

3種供試苔蘚植物分別為大灰蘚(Hypnumplumaeforme)、尖葉匍燈蘚(Plagiomniumacutum)、檜葉白發(fā)蘚(Leucobryumjuniperoideum)。3種苔蘚植物均在研發(fā)基地溫棚中培育1年以上，生長健壯，覆蓋度100%。

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

選取大灰蘚、尖葉匐燈蘚、檜葉白發(fā)蘚3種苔蘚植物生長茂密、長勢(shì)較好的配子體，分別修剪成10 cm×10 cm大小的樣塊，實(shí)驗(yàn)設(shè)定4組水分處理：處理0(T0)為不澆水；處理1(T1)為每天澆1次水，共177.3 mL/(m2·d)；處理2(T2)為每天澆2次水，共354.5 mL/(m2·d)；處理3(T3)為每天澆3次水，共531.8 mL/(m2·d)。澆水采用自動(dòng)噴灌給水，選用四出口霧化噴頭，噴頭離種植面的高度為1.5 m；每個(gè)處理單次噴水時(shí)長為1 min，各處理一天的噴水量如表1所示。每個(gè)處理3次重復(fù)。實(shí)驗(yàn)觀察60 d后，測(cè)定各處理苔蘚植物的葉綠素含量和光響應(yīng)曲線參數(shù)。

1.4　測(cè)定方法

1.4.1葉綠素含量的測(cè)定葉綠素的提取參考包維楷等的研究，采用95%乙醇提取法[11]：剪取苔蘚植物生長末梢適量，淘去泥沙，去除雜質(zhì)，晾干表面水分，剪碎(2 mm左右)，混合均勻。每個(gè)樣品稱取0.2 g左右，3個(gè)重復(fù)，分別放入研缽中，加少量石英砂及2～3 mL 95%乙醇，研磨成漿，轉(zhuǎn)入10 mL離心管，再用少量乙醇洗凈研缽并轉(zhuǎn)入離心管中，以4000 r/min離心10 min；將上清液轉(zhuǎn)入25 mL棕色容量瓶中，沉淀再加適量95%乙醇，充分搖勻，再次離心10 min，上清液一并轉(zhuǎn)入容量瓶中，定容至刻度。比色測(cè)定色素，以95%乙醇為空白，在665、649 nm下測(cè)定吸光度。計(jì)算葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量，及葉綠素a/b。計(jì)算公式如下：

葉綠素a含量：ρchla=13.95A665nm-6.88A649nm

葉綠素b含量：ρchlb=24.96A649nm-7.32A665nm

色素含量/[w/(mg/g)]=ρ×V×N/m

總?cè)~綠素含量=葉綠素a含量+葉綠素b含量

葉綠素a/b=葉綠素a含量/葉綠素b含量

式中：ρ為色素濃度(mg/L)；V為提取液體積(L)；N為稀釋倍數(shù)；m為樣品鮮重(g)。

1.4.2光響應(yīng)曲線的測(cè)定于晴朗天氣，使用Li-6400便攜式光合系統(tǒng)分析儀測(cè)定不同處理苔蘚植物的光響應(yīng)曲線。測(cè)量時(shí)，使用專門的苔蘚葉室，大氣壓為(100±1) kPa，采用液化CO2鋼瓶提供穩(wěn)定的CO2供給，控制CO2濃度為380 μmol/mol，葉室溫度設(shè)定為(25±0.5)℃。光合有效輻射(PAR)強(qiáng)度由高到低設(shè)定為800、500、300、150、100、50、20、0 μmol/(m2·s)共8個(gè)。測(cè)量前，稱取測(cè)量樣品苔蘚鮮重，用于換算單位鮮重苔蘚凈光合效率(Pn)。

1.5　數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，用Duncan法進(jìn)行多重比較；采用Excel 2013軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)整理并制圖；采用Photosynthesis軟件進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合計(jì)算。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同水分處理下3種苔蘚植物的葉綠素含量

由表1可知，在相同的水分條件下，3種苔蘚植物中，無論是葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量，均以尖葉匐燈蘚的含量最高，大灰蘚次之，檜葉白發(fā)蘚最低。

大灰蘚：在4種不同水分處理?xiàng)l件下，除T0(干旱)處理外，其余3種處理的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和葉綠素a/b值均隨著澆水次數(shù)的增加而降低。大灰蘚的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量和葉綠素a/b均在T1處理?xiàng)l件下最高，在T3處理?xiàng)l件下顯著低于其它處理。

尖葉匐燈蘚：在4種不同水分處理?xiàng)l件中，其葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量均在T2處理?xiàng)l件下最高，由大到小排序均為T2>T1>T3>T0。葉綠素a/b值在T0處理下最高，T2次之，在T3處理下最低，且顯著低于其它處理。

檜葉白發(fā)蘚：在4種不同水分處理?xiàng)l件下，除T0(干旱)處理外，其余3種處理的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量均隨著澆水次數(shù)的減少而增加，在T1處理?xiàng)l件下最高，并且顯著高于其它處理。葉綠素a/b值在T0處理下顯著低于T1和T3處理，在T1處理下最高，T3次之。

表1　不同水分條件下3種苔蘚植物的葉綠素含量

2.2　不同水分條件下3種苔蘚植物的光合參數(shù)分析

如圖1所示，大灰蘚、尖葉匐燈蘚、檜葉白發(fā)蘚3種苔蘚在T0(干旱)條件下，光合速率均為負(fù)值，說明3種苔蘚在干旱處理下均停止生長，處于休眠狀態(tài)。大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚的光合速率均隨著澆水次數(shù)的增加而降低，同時(shí)均在T1條件下的光合速率最高，T2次之。尖葉匐燈蘚的光合速率在T2條件下最高，T1次之。

從圖1和表2中可知，在光照強(qiáng)度達(dá)到光飽和點(diǎn)前，3種苔蘚的凈光合速率隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，兩者之間具有明顯的正相關(guān)性；當(dāng)光照強(qiáng)度超過光飽和點(diǎn)后，光合速率趨于下降。不同水分條件下3種苔蘚的光補(bǔ)償點(diǎn)(Lcp)整體范圍為10～26 μmol/(m2·s)之間，同種苔蘚的光補(bǔ)償點(diǎn)變化不大。3種苔蘚的光補(bǔ)償點(diǎn)在T1～T3處理下，均隨水分的增加而略微升高。不同水分條件下3種苔蘚的光飽和點(diǎn)(Lsp)整體范圍為88～341 μmol/(m2·s)之間。不同水分處理對(duì)3種苔蘚的光飽和點(diǎn)均有不同程度的影響，檜葉白發(fā)蘚的Lsp隨水分的增加而降低；大灰蘚和尖葉匐燈蘚的Lsp均隨水分的增加而先升高后降低。從表2中可看出，不同水分條件下3種苔蘚的最大凈光合速率(Pmax)以尖葉匐燈蘚最高，大灰蘚次之，檜葉白發(fā)蘚最低。大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚的Pmax均在T1處理下最高，分別為2.08 μmol/(kg·s)和0.92 μmol/(kg·s)，T2次之，T3最低。尖葉匐燈蘚的Pmax在T2處理下最高，為4.64 μmol/(kg·s)，T1次之，T3最低。

圖1　不同水分處理下3種苔蘚的光響應(yīng)曲線

2.3　不同水分條件下3種苔蘚植物的蒸騰速率

由圖2可知，大灰蘚、尖葉匐燈蘚、檜葉白發(fā)蘚3種苔蘚的蒸騰速率在T0(干旱)條件下，均隨光照強(qiáng)度(PAR)的升高而呈現(xiàn)出很明顯的上升趨勢(shì)，但在其余3種條件下蒸騰速率基本保持恒定狀態(tài)，不會(huì)隨PAR值的上升而變動(dòng)。3種苔蘚植物在T1～T3條件下，尖葉匐燈蘚的蒸騰速率最高，大灰蘚次之，檜葉白發(fā)蘚最低。在T1～T3處理?xiàng)l件下，3種苔蘚植物的蒸騰速率范圍分別為：大灰蘚2.5～3.8 mmol/(kg·s)，尖葉匐燈蘚5.7～9.6 mmol/(kg·s)，檜葉白發(fā)蘚1.3～1.5 mmol/(kg·s)。大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚均在T1處理下的蒸騰速率略高，其各處理之間相差不大；尖葉匐燈蘚在T2處理下的蒸騰速率最高，T1和T3次之。

表2　3種苔蘚植物光響應(yīng)曲線參數(shù)

圖2　不同水分處理下3種苔蘚的蒸騰速率

3　結(jié)論與討論

葉綠素a是光能捕獲者，同時(shí)也是葉綠體膜內(nèi)光電子傳遞者，葉綠素b僅僅是光能的捕獲者[12-13]。凈光合速率(Pn)是植物光合生理特性的綜合反映, 也是體現(xiàn)其光合效能的直接指標(biāo)[14]。蒸騰是一個(gè)生理過程, 葉片的蒸騰能力反映植物體內(nèi)水分代謝的狀況或植物對(duì)水分利用的效率[15], 與植物的多種生理過程有關(guān), 對(duì)光合作用起到間接調(diào)節(jié)作用。植物葉片光合色素參與光合作用中光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化, 其含量直接影響植物的光合能力,其中葉綠素與光合作用的關(guān)系最密切[16-17]。在T1～T3條件下，3種苔蘚植物的光合速率與葉綠素含量的變化趨勢(shì)基本一致。干旱條件下，3種苔蘚的凈光合速率均為負(fù)值，蒸騰速率隨PAR的增加而明顯的上升，葉綠素含量均較高，僅次于最佳處理，說明在干旱條件下，3種苔蘚植物均生長停滯，陷入休眠狀態(tài)，但未死亡，遇水可恢復(fù)生機(jī)。大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚在177.3 mL/(m2·d)的給水條件下，葉綠素含量和光合效率最高；當(dāng)光照強(qiáng)度>200 μmol/(m2·s)時(shí)，大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚的光合效率均隨PAR值的上升而緩慢下降。而尖葉匐燈蘚在354.5 mL/(m2·d)的給水條件下，葉綠素含量和光合效率最高；當(dāng)光照強(qiáng)度>350 μmol/(m2·s)時(shí)，其光合效率隨PAR值的上升而緩慢下降。

植物受到干旱脅迫時(shí)，嚴(yán)重缺水常常造成細(xì)胞質(zhì)的破壞，葉綠素也會(huì)發(fā)生降解。李濤等研究表明，耐旱性強(qiáng)的植物葉綠素含量表現(xiàn)為先上升而后下降的趨勢(shì)，而抗旱性弱的則持續(xù)緩慢上升[18]。丁華嬌等[19]對(duì)尖葉匐燈蘚、細(xì)葉小羽蘚、南亞灰蘚和綠葉白發(fā)蘚4種苔蘚在干旱脅迫下葉綠素含量進(jìn)行了測(cè)定，其研究結(jié)果表明，4種苔蘚植物的葉綠素含量隨著干旱程度的加劇出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種苔蘚植物隨著給水量的減少，葉綠素含量均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，說明3種苔蘚均為耐旱性強(qiáng)的植物，這與丁華嬌等的研究結(jié)果基本相似。尖葉匐燈蘚對(duì)水分比較敏感，干旱下葉片極易卷曲，植株體失水比大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚快，但在合適的環(huán)境下生長速度均高于大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚。大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚為耐旱蘚種，水分過高會(huì)阻礙植物體對(duì)CO2的吸收能力，從而引起其光合作用速率的下降，主要是由于蘚類植物體表面的水膜增加了氣體交換的阻力[20]。在T3處理下，大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚均出現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象，說明隨著水分增加到一定程度，會(huì)引起大灰蘚和檜葉白發(fā)蘚黃化死亡。

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