烏蘭布和沙漠油蒿葉片PSⅡ葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)及其光響應(yīng)曲線動(dòng)態(tài)

張景波，張金鑫，盧 琦，辛智鳴，李新樂，劉慶新，李宏亮

（1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200；3. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091；4. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，北京 100091；

5. 通遼市水務(wù)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

油蒿(Artemisia ordosica)為菊科蒿屬龍蒿亞屬低矮半灌木植物，株高50～100 cm，無明顯主莖，多分枝，具有抗風(fēng)力侵蝕、耐干旱、貧瘠等特性[1]。油蒿生態(tài)適應(yīng)能力強(qiáng)，在我國(guó)西北地區(qū)半荒漠、荒漠草原和典型草原等植被類型地帶都有分布[2-3]，是我國(guó)西北沙地分布最廣的建群種，在沙漠及沙地的植被恢復(fù)中起著重要的作用[4-5]。干旱貧瘠是荒漠區(qū)最主要的特征，直接影響著植物物種的多樣性及分布[6-7]。油蒿的深根、低矮及結(jié)實(shí)多等表型特征是長(zhǎng)期對(duì)荒漠逆境適應(yīng)的結(jié)果[8]。光合作用是植物獲取能量的唯一生物途徑，也是植物生理代謝過程能量需求的主要來源，是植物能夠生存并完成生活史的基礎(chǔ)。油蒿適生的荒漠生境具有降水少、光照強(qiáng)、蒸發(fā)量大、晝夜溫差大等特點(diǎn)，油蒿在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中也形成了獨(dú)特的光合生理生態(tài)適應(yīng)機(jī)制。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要反映植物對(duì)光能的吸收、轉(zhuǎn)化、利用與分配，可以實(shí)時(shí)反映植物葉片中光化學(xué)反應(yīng)活性及其自我保護(hù)能力[9-10]。利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)，可探測(cè)植物葉片光合器官的功能以及探明光合機(jī)構(gòu)受影響的部位等[11-12]，是研究植物與環(huán)境適應(yīng)性的重要手段[13-16]，已被廣泛應(yīng)用于植物引種馴化與栽培管理[17-18]、植物響應(yīng)逆境的表型可塑性反應(yīng)[19]等方面的基礎(chǔ)研究?；诖耍狙芯坷萌~綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)，對(duì)烏蘭布和沙漠地區(qū)不同生長(zhǎng)季油蒿的生長(zhǎng)特征、生態(tài)適應(yīng)性以及葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)等變化進(jìn)行原位測(cè)定，并分析植株生長(zhǎng)特征、環(huán)境因子與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的相關(guān)性，以期為草原植被生態(tài)恢復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位站(40°24′ N，106°43′ E)，地處河套平原和蒙古高原的烏蘭布和沙漠之間交界處。該區(qū)多年平均氣溫8.84 ℃，多年平均降水量147 mm，6-9月降水量占多年平均的77.5%(1983-2012年)。多年平均蒸發(fā)量為2 381 mm。土壤類型為風(fēng)沙土和灰棕漠土。植物群落主要由油蒿組成，還有其他耐旱物種，如半灌木唐古特白刺(Nitraria tangutorum)，多年生草本沙鞭(Psammochloa villosa)，一年生物種沙蓬(Agriophyllum arenarium)和蒙古蟲實(shí)(Corispermum mongolicum)等。

1.2 樣地選擇

在油蒿群落研究地設(shè)置 3 個(gè) 10 m × 10 m 的樣方，每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)選擇1個(gè)灌叢沙堆作為研究對(duì)象。

1.3 葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定

利用Li-6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)(LiCor Environmental Sciences, Lincoln, NE, USA)、 熒 光 葉室(Li-6400-40)以及多相脈沖(multiphase falsh)技術(shù)對(duì)油蒿葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)和快速光響應(yīng)曲線進(jìn)行了測(cè)定。測(cè)定葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)時(shí)，于04:00-06:00在弱光下測(cè)定初始熒光(Fo)，然后利用 2 800 μmol·(m2·s)-1光強(qiáng)進(jìn)行飽和脈沖光處理，得到黑暗中的最大熒光(Fm)。經(jīng)充分暗適應(yīng)后，由選定模式下系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、表觀電子傳遞速率(ETR)、有效量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN、NPQ等參數(shù)。

利用多相脈沖技術(shù)測(cè)定沙蒿葉片的熒光光合響應(yīng)曲線，選擇油蒿完全展開葉，將葉室內(nèi)葉片暴露在不同光強(qiáng)梯度 (photosynthetic photon flux density,PPFD)[0、5、10、20、30、40、50、100、200、500、1 000、1 500、2 000 μmol·(m2·s)-1]下 (藍(lán)光占 10%)。CO2濃度為 400 μmol·mol-1，溫度控制在 27 ℃，最大光合有效光量子流密度 (Flow)為 300 μmol·s-1，緩變率為30%，調(diào)制頻率為20 kHz，平均濾波頻率為 50 Hz。

1.4 比葉面積測(cè)定

將測(cè)量完光合的葉片摘下并帶回實(shí)驗(yàn)室，用方正U300掃描儀掃描葉片，利用Ipp 6.0圖像分析軟件計(jì)算葉片的葉面積 (leaf area, LA)；將該葉片放入恒溫箱，在105 ℃處理30 min后，60 ℃條件下處理48 h，保證葉片完全干燥，稱量葉片干重(leaf dry weight, W)。 然 后 計(jì) 算 比 葉 面 積 (specific leaf area,SLA)。

SLA = LA/W。

1.5 葉氮含量測(cè)定

采集每株植物葉片3～5片，于105 ℃下殺青10 min，70 ℃下烘干至恒重。將葉片粉碎后過0.2 mm 的篩子。采用 vario MACRO cube 元素分析儀 (Elementar Company,Germany)測(cè) 量 葉 氮(Nmass)含量。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件包(SPSS22.0 for windows, Chicago, USA)對(duì)油蒿生長(zhǎng)季不同生長(zhǎng)階段的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行方差方析，多重比較采用LSD法，顯著性水平為P＜0.05。所有結(jié)果為3次重復(fù)數(shù)據(jù)的均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)期油蒿比葉面積與葉氮含量動(dòng)態(tài)

7-9月為油蒿關(guān)鍵生長(zhǎng)期。試驗(yàn)結(jié)果顯示，油蒿SLA在8月最大，顯著大于9月(P＜0.05)，為9月的 1.23倍 (圖 1A)，而 8月油蒿的 Nmass則最低，顯著低于7和9月(P＜0.05)，為9月的77.4%，7月與9月植株葉片Nmass相當(dāng)(圖1B)。

圖 1 油蒿生長(zhǎng)期比葉面積與葉氮含量動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes of specific leaf area and leaf nitrogen content in Artemisia ordosica

2.2 油蒿生長(zhǎng)期葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)

油蒿葉綠素初始熒光Fo在整個(gè)生長(zhǎng)期無明顯變化，即光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心處于完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)量保持穩(wěn)定(圖2A)。但油蒿光下最小熒光Fo′在8月達(dá)到峰值；到9月，隨著氣溫下降，F(xiàn)o′降至最低值，為 8 月的 43.13%(P＜0.05)(圖 2B)。

油蒿最大熒光產(chǎn)量Fm′在生長(zhǎng)期內(nèi)無明顯變化(圖2C)。但光下實(shí)際最大熒光產(chǎn)量Fm′的生長(zhǎng)期不同階段存在顯著變化，出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，7-8月豐雨期，葉綠素最大熒光產(chǎn)量短期內(nèi)快速增加，由7月的160.0達(dá)到8月的294.1，進(jìn)入9月后Fm′驟 降 至 136.7， 僅 為 8 月 峰 值 的 46.5%(P＜0.05)(圖 2D)。

油蒿葉片PSⅡ最大光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)在生長(zhǎng)期內(nèi)不隨氣象因素變化而改變(圖2E)。Fv/Fo反映PSⅡ潛在活性，F(xiàn)v/Fo在生長(zhǎng)期持續(xù)升高(P＜0.05)(圖2F)，這說明油蒿葉片PSⅡ潛在活性隨著植物生長(zhǎng)進(jìn)入末期開始有限釋放。

圖 2 生長(zhǎng)期油蒿葉綠素?zé)晒鈪?shù)動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic change of chlorophyll fluorescence parameters in Artemisia ordosica

2.3 油蒿葉綠素?zé)晒鈪?shù)快速光響應(yīng)曲線動(dòng)態(tài)

葉片PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量ΦPSⅡ反映的是實(shí)際光能轉(zhuǎn)換效率，隨著光強(qiáng)的增加而降低，其中以7月下降幅度最大。相同光強(qiáng)條件下，7月份葉片F(xiàn)v′/Fm′顯著低于其他月份，但當(dāng)光強(qiáng)增至2 000 μmol·(m2·s)-1后，各月份油蒿葉片 ΦPSⅡ穩(wěn)定在同一水平(圖3A)。

油蒿的qP在低光強(qiáng)條件下快速下降，隨著光強(qiáng)的增加，qP下降速度減緩(圖3B)。相同光強(qiáng)條件下，以9月油蒿葉片qP最高，而7月葉片qP最低 (圖 3B)。

非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)隨著光強(qiáng)的增加而迅速升高，不同月份間差異顯著(P＜0.05)。7月份，當(dāng)光強(qiáng)大于 500 μmol·(m2·s)-1時(shí)，NPQ 升高速率顯著減 緩 (圖 3C)， 光 強(qiáng) 超 過 1 500 μmol·(m2·s)-1時(shí) ，NPQ開始下降；相同光強(qiáng)條件下，以9月份油蒿葉片的NPQ最高，而8月份油蒿葉片的NPQ最低。

油蒿葉片表觀電子傳遞速率(ETR)在各個(gè)月均隨光照強(qiáng)度的增加呈上升趨勢(shì)(圖3D)。其中相同光照強(qiáng)度條件下，7月油蒿葉片ETR顯著低于8、9月葉片ETR(P＜0.05)，而進(jìn)入9月后，油蒿植物葉片ETR在不同光強(qiáng)條件下均高于其他月份。

圖 3 油蒿葉綠素主要熒光參數(shù)快速光響應(yīng)曲線動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Dynamic change of fast light response curve of main fluorescence parameters of Artemisia ordosica

3 討論與結(jié)論

3.1 油蒿葉片特征對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期環(huán)境的適應(yīng)性

葉部形態(tài)、厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到水分、溫度、光照等生態(tài)因子的影響[1]。SLA作為植物重要的葉片性狀，與植物的生長(zhǎng)狀況及生存策略密切相關(guān)，在植物的不同生長(zhǎng)時(shí)期存在顯著差異[7]。低SLA表明植物有較強(qiáng)的抗干旱耐貧瘠能力，而高SLA則表明植物生理代謝旺盛，對(duì)礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收利用率高[20]。降雨相對(duì)集中的7-8月，油蒿SLA較高，進(jìn)入干旱期的9月份，油蒿SLA顯著降低，說明油蒿可通過改變?nèi)~片表型調(diào)控對(duì)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收與利用速率，從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

3.2 油蒿葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)荒漠環(huán)境的適應(yīng)性調(diào)節(jié)

葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)與光合作用過程緊密相關(guān)，可直接反映植物對(duì)逆境的響應(yīng)[21-23]。Fo和Fv/Fm分別表示PSⅡ處于完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)量和PSⅡ受傷害的程度。本研究中，F(xiàn)o和Fv/Fm在整個(gè)生長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定，說明油蒿葉片PSⅡ未受到不可逆損傷[24]且保持較好反應(yīng)活性，通過適應(yīng)性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。

葉綠素PSⅡ吸收的光能主要通過光化學(xué)轉(zhuǎn)化(φPSⅡ)、調(diào)節(jié)性能量耗散(NPQ)和非調(diào)節(jié)性的能量耗散(NO)共3個(gè)途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化與耗散[25]。本研究表明，油蒿可通過自身調(diào)節(jié)機(jī)制平衡葉片光能捕獲、利用與耗散關(guān)系，保持葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性。本研究還發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光可誘導(dǎo)油蒿葉片qP快速下降，這說明油蒿葉片在不同光強(qiáng)下可調(diào)節(jié)PSⅡ反應(yīng)中心的開放比例，從而控制光合電子傳遞速率。

逆境不僅引發(fā)葉片PSⅡ反應(yīng)中心關(guān)鍵組織損傷，同時(shí)也影響光合電子傳遞速率(ETR)。本研究中，在高溫高蒸騰量的7月，油蒿葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性下降或部分受損，通過捕獲的光化學(xué)能量主要以非光化學(xué)猝滅形式耗散，而9月天氣轉(zhuǎn)涼與干旱逆境疊加，PSⅡ反應(yīng)中心開放，光能利用效率提高，從而減少了非光化學(xué)猝滅能量耗散。說明油蒿在長(zhǎng)期進(jìn)化過程，通過PSⅡ反應(yīng)中心活性可逆轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)極強(qiáng)的多重逆境適應(yīng)能力，成為荒漠半荒漠草原優(yōu)勢(shì)建群種之一。

綜上所述，油蒿可通過改變比葉面積、調(diào)節(jié)植物體內(nèi)光合器官氮素含量及其利用效率，調(diào)控葉片PSⅡ光能捕獲及熱能耗散等生理過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)荒漠環(huán)境高溫、干旱、高光強(qiáng)與高蒸騰等多種逆境的生態(tài)適應(yīng)。