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    米槁幼苗光合色素與光合特征對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

    2019-08-20 13:46:50劉濟(jì)明李佳文愛(ài)華鄧明明
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年9期
    關(guān)鍵詞:生理指標(biāo)干旱脅迫光合作用

    劉濟(jì)明 李佳 文愛(ài)華 鄧明明

    摘要:以一年生米槁幼苗為研究對(duì)象,研究盆栽下3種不同土壤相對(duì)含水量對(duì)米槁幼苗葉片相對(duì)含水量、葉綠素含量、光合生理指標(biāo)變化趨勢(shì)以及光響應(yīng)特征的影響。結(jié)果表明,(1)米槁幼苗葉片相對(duì)含水量隨土壤干旱脅迫加劇而明顯降低,但下降幅度小于土壤相對(duì)含水量的下降幅度,表明米槁幼苗遭受干旱脅迫時(shí)葉片具有一定的保水能力。(2)米槁幼苗葉片相對(duì)含水量與凈光合速率極顯著正相關(guān),是影響葉片凈光合速率的重要因子。(3)隨著干旱脅迫的加劇,葉綠素(Chl)、葉綠素a(Chla)、類(lèi)胡蘿卜素(Car)、葉片水分利用率(WUE)、胞間CO2濃度(Ci)逐漸升高,葉綠素Chla/b先減少后升高,凈光合速率(Pn)隨干旱脅迫加重而逐漸降低,氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)先降低后升高??梢?jiàn)土壤含水量直接影響植物各項(xiàng)光合生理指標(biāo),從而影響植物的光合作用。

    關(guān)鍵詞:米槁;含水量;生理指標(biāo);光合作用;干旱脅迫

    中圖分類(lèi)號(hào): S567.1+90.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

    文章編號(hào):1002-1302(2019)09-0171-04

    水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必不可少的因素,它參與細(xì)胞內(nèi)的多種代謝活動(dòng),水分脅迫造成植物生長(zhǎng)與生理生態(tài)發(fā)生顯著變化[1-3]。全球氣溫升高,土壤干旱化越發(fā)嚴(yán)重[4],研究植物耐旱能力是植物生理生態(tài)學(xué)的重點(diǎn)問(wèn)題[5]。植物的光合能力是植物能夠生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素,也是植物在生長(zhǎng)環(huán)境下生理狀況的綜合體現(xiàn),可以衡量不同植物間的差異以及受環(huán)境脅迫的程度[6]。植物遭受長(zhǎng)期水分脅迫時(shí),常造成光合速率的下降[7]。植物的光合作用是一個(gè)復(fù)雜的生理過(guò)程,極易受到生態(tài)因子的影響。生態(tài)因子不僅直接影響光合作用的強(qiáng)弱,還間接改變植物體內(nèi)的生理因子進(jìn)而對(duì)光合作用產(chǎn)生影響[8]。

    米槁(Cinnamomum migao H.W.Li)是一種常綠喬木,隸屬于樟科樟屬,別稱(chēng)麻告、大果樟,是貴州省苗族特色中藥。米槁有驅(qū)寒、止痛、健脾等功效,苗族民間用米槁治療胸痛、胸悶及哮喘,特別是對(duì)于確診為冠心病、心絞痛的患者有明顯的緩解作用[9-11]。米槁光合及水分生理特性的研究至今甚少有報(bào)道,而國(guó)內(nèi)外對(duì)樟科植物的研究主要集中于藥用價(jià)值的開(kāi)發(fā)。本試驗(yàn)以一年生的米槁幼苗為材料,進(jìn)行盆栽控水干旱處理,探究干旱脅迫與米槁光合作用的相關(guān)性。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    試驗(yàn)于2015年6—10月在貴州大學(xué)進(jìn)行。材料為長(zhǎng)勢(shì)良好且較為一致的一年生米槁幼苗,取自貴州省羅甸縣的米槁基地,種植于底部?jī)?nèi)徑為24 cm、盆口內(nèi)徑為29 cm、高為 27 cm 的花盆。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    設(shè)置3個(gè)土壤水分梯度處理,對(duì)照(W1)土壤相對(duì)含水量為(80±5)%;中度脅迫(W2)相對(duì)含水量為(60±5)%;重度脅迫(W3)相對(duì)含水量為(35±5)%,每個(gè)處理20盆。采用盆栽稱(chēng)質(zhì)量控水法[12]確定盆栽總質(zhì)量,各處理組質(zhì)量分別控制為11.025、10.524、9.860 kg。每20 d對(duì)光合和水分生理生化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。每2次試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)處理的1個(gè)時(shí)期,分前、中、后3個(gè)試驗(yàn)階段。

    1.3 測(cè)定指標(biāo)和測(cè)定方法

    1.3.1 葉片相對(duì)含水量

    參照鄒琦的方法[13]測(cè)定葉片相對(duì)含水量(relative water content,RWC)。

    RWC=(葉片鮮質(zhì)量-葉片干質(zhì)量)/(葉片飽和鮮質(zhì)量-葉片干質(zhì)量)×100%。

    1.3.2 光合色素含量

    利用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定并記錄數(shù)據(jù)。最后根據(jù)計(jì)算公式測(cè)定各處理組下葉片葉綠素a(Chla)含量、葉綠素b(Chlb)含量、葉綠素(Chl)總含量以及類(lèi)胡蘿卜素(Car)含量。

    Chla含量(mg/L)=13.95D665 nm-6.88D649 nm;

    Chlb含量(mg/L)=24.96D649 nm-7.32D665nm;

    Car含量(mg/L)=(1 000D470 nm-2.05Chla-114Chlb)/245;

    Chl含量(mg/g)=Chla含量+Chlb含量;

    光合色素含量(mg/g)=(色素濃度C×提取液體積V)/樣品鮮質(zhì)量。

    其中提取液體積單位為mL,樣品鮮質(zhì)量單位為g。

    1.3.3 光合作用光響應(yīng)測(cè)定:采用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400光合作用測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。選擇在連續(xù)晴朗無(wú)風(fēng)(微風(fēng))的天氣內(nèi),于09:00—11:30之間進(jìn)行光響應(yīng)測(cè)定。選取受光方向一致的上部葉片,每個(gè)處理設(shè)置3盆,每盆3張長(zhǎng)勢(shì)相同的葉片,共9張。測(cè)定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等光合指標(biāo),氣體流速設(shè)置為500 μmol/s,葉室中CO2濃度控制在(380±2) μmol/mol,空氣相對(duì)濕度處于(65±5)%,葉片溫度控制為(20±0.5) ℃,在該條件下采用1 500 μmol/(m2·s)光照度活化10 min。在上述設(shè)置的條件控制下,對(duì)光合測(cè)定系統(tǒng)的02B-LED紅藍(lán)光源進(jìn)行設(shè)定,米槁屬陽(yáng)性植物,其葉片光飽和點(diǎn)較高,2 000 μmol/(m2·s)以?xún)?nèi)都為其可以接受的光合有效輻射(PAR)范圍[14]。用光合測(cè)定儀自動(dòng)記錄凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率等光合參數(shù),最終選取平均值進(jìn)行分析。根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算葉片水分利用率(WUE):WUE=Pn/Tr[15]。

    1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

    使用Excel整理數(shù)據(jù),用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 干旱處理對(duì)葉片相對(duì)含水量的影響

    細(xì)胞水分含量常表示為相對(duì)含水量,植物細(xì)胞遭受環(huán)境脅迫時(shí),RWC變化范圍可從100%到50%或更低[16]。由圖1可以看出,RWC隨土壤含水量的降低呈明顯的下降趨勢(shì),但是下降幅度較土壤含水量下降幅度要小。與W1相比,W2和W3處理下葉片相對(duì)含水量下降了4~10百分點(diǎn),但是土壤相對(duì)含水量相差15百分點(diǎn)和40百分點(diǎn)(圖2),說(shuō)明米槁幼苗具有一定的保水性。

    2.2 干旱處理對(duì)米槁幼苗光合色素的影響

    2.2.1 不同處理對(duì)光合色素的影響 光合色素是植物將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)變成有機(jī)物的關(guān)鍵介質(zhì),是反映植物光合作用能力及營(yíng)養(yǎng)作用的重要指標(biāo)之一,包括葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素,它們的含量以及各組分的比例對(duì)植物光合作用有很大影響,在一定程度上影響植株的正常生長(zhǎng)和抗逆性[17]。圖3可見(jiàn),在不同處理下,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),Chla含量呈線性上升趨勢(shì)。在重度干旱脅迫下Chla的含量達(dá)到最大,試驗(yàn)中期和后期含量較前期大,可能是植株為抵御干旱造成的損傷,通過(guò)增加葉綠素a吸收更多的光量子。由此可以看出,米槁葉片Chla的含量對(duì)干旱脅迫處理并不敏感。比較圖3、圖4和圖5,各脅迫處理下,Chla含量均占葉綠素含量的64%以上。Chl含量的變化趨勢(shì)與Chla的相一致。

    Chlb含量隨土壤水分的減少先明顯升高,隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而大致表現(xiàn)為下降趨勢(shì)逐漸下降(圖4)。中度脅迫(W2)下Chlb含量變化趨勢(shì)最明顯,在后期明顯下降 0.17 mg/g。W1和W3處理下的Chlb含量變化無(wú)差異,Chlb含量對(duì)中度干旱脅迫較為敏感。

    Chla/b值不僅可以反映Chla和Chlb的變化程度,還可以表示葉片的衰老程度[18],也表示葉綠素類(lèi)囊體的疊加程度,Chla/b值越小,表明疊加程度越小,光抑制現(xiàn)象越嚴(yán)重[19]。因此,Chla/b值的改變?cè)谝欢ǔ潭壬象w現(xiàn)了光合速率的強(qiáng)弱[20]。在圖6中Chla/b隨土壤水分的減少先減少后增加,中度干旱脅迫下植物出現(xiàn)光抑制的現(xiàn)象,但是在重度干旱脅迫下又上升,可能是米槁通過(guò)增加Chla的含量適應(yīng)脅迫環(huán)境。

    2.2.2 不同處理對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的影響 類(lèi)胡蘿卜素的主要功能是清除體內(nèi)活性氧,保護(hù)光合膜系統(tǒng),在水分缺失時(shí)含量也會(huì)相應(yīng)降低[21]。Car含量隨著干旱程度的加劇都呈緩慢升高的趨勢(shì)(圖7),隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)其增加幅度略有減小。Car會(huì)清除細(xì)胞內(nèi)的活性氧,保護(hù)葉綠體光合膜系統(tǒng),在遭受逆境脅迫時(shí),米槁幼苗植株通過(guò)類(lèi)胡蘿卜素的積累來(lái)保護(hù)葉綠體,保證光合作用的發(fā)生,促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育。

    2.3 不同干旱脅迫處理對(duì)米槁幼苗光合生理指標(biāo)的影響

    由表1可見(jiàn),米槁的凈光合速率隨著土壤水分減少而逐漸降低,并且處理間有顯著差異?;赑n和Tr計(jì)算的單位水平瞬時(shí)水分利用效率隨水分的減少而逐漸上升。這與Pn的變化趨勢(shì)相反。氣孔是水分和空氣中CO2氣體密切聯(lián)系的通道。植物的光合作用是通過(guò)氣孔的傳遞進(jìn)行的。隨著水分的減少,氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的變化一致,先減少后增加。在W1處理下蒸騰速率最大,說(shuō)明適度的干旱脅迫有利于改善米槁葉片的蒸騰速率。重度干旱脅迫下葉片的蒸騰速率降低主要是由氣孔導(dǎo)度的降低引起的。Tr的減少也是植物適應(yīng)干旱脅迫的一種方式。胞間CO2的濃度隨著干旱程度的增加而逐漸升高。

    2.4 光合參數(shù)與光合色素相關(guān)性分析

    從表2可以看出,Car與Chla和Chl之間具有極顯著正相關(guān)(r≥0.899),與Pn、Gs、Ci、Tr、RWC呈負(fù)相關(guān),與WUE呈正相關(guān)。Pn與RWC具有極顯著的正相關(guān),說(shuō)明葉片相對(duì)含水量對(duì)米槁光合速率的影響較大。

    3 討論

    葉片相對(duì)含水量作為水分生理指標(biāo),能夠間接反映干旱脅迫下葉片水勢(shì)的高低,以及隨干旱脅迫的加深對(duì)葉片水分含量的影響。因此,干旱脅迫下植物葉片的相對(duì)含水量能反映植物的抗旱能力[22]。本研究中,RWC隨土壤含水量的降低呈明顯的下降趨勢(shì),但是下降幅度較土壤含水量的下降幅度要小。這與前人對(duì)油橄欖、高叢藍(lán)莓等植物的研究結(jié)果[22-23]相一致,說(shuō)明米槁具有一定的保水能力。并且米槁RWC與凈光合速率具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系,是影響葉片凈光合速率的重要因子。

    光合色素是植物葉片進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ),光合色素的含量高低直接反映植株光合作用的強(qiáng)弱。其中葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素與光合作用密切相關(guān),葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素的含量以及各組分的比例對(duì)植物光合作用水平有很大影響,在一定程度上可以直接影響植株的正常生長(zhǎng)和抗逆性[17]。Rosevear等研究發(fā)現(xiàn),影響色素構(gòu)成的主要原因不是物種的生態(tài)來(lái)源,而是其生長(zhǎng)的條件[24]。干旱脅迫已經(jīng)成為制約光合作用的一個(gè)重要因素,干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致葉綠素含量降低,嚴(yán)重缺水時(shí)不僅影響葉綠素的合成,還會(huì)加快降解已經(jīng)合成的葉綠素[25-26],造成葉片發(fā)黃,而類(lèi)胡蘿卜素的主要功能是清除體內(nèi)活性氧,保護(hù)光合膜系統(tǒng),在水分缺失時(shí)含量也相應(yīng)降低[21,27]。本試驗(yàn)中隨著干旱脅迫的加劇,Chla、Chl、Car含量逐漸升高,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸上升。這與他人的研究不同,可能是因?yàn)槊组峦ㄟ^(guò)增加光合色素的含量來(lái)緩解干旱脅迫。Chlb含量則先升高再下降,張明生等研究發(fā)現(xiàn),Chla/b相較于CK下降幅度越大,物種抗旱性越強(qiáng)[28]。本研究中葉綠素Chla/b則隨著干旱處理先降低后升高,在W3水分處理下比值最高。說(shuō)明米槁具有一定的抗旱性。各指標(biāo)表明米槁為抵抗干旱脅迫而使體內(nèi)的光合生理機(jī)制發(fā)生了相應(yīng)的變化。米槁幼苗通過(guò)增加Chla、Car的含量來(lái)保證植物光合作用的正常進(jìn)行。

    Pn隨著水分減少而逐漸降低,Gs和Tr具有相同的變化趨勢(shì),都隨著水分的減少而先降低后升高,Ci則先升高后降低,WUE與Pn正好相反,呈逐漸增加的趨勢(shì)。干旱脅迫下,光合速率的下降是由氣孔限制或非氣孔限制造成的[29]。研究發(fā)現(xiàn),在輕度的干旱脅迫下氣孔限制是光合速率下降的原因[30-32],而嚴(yán)重的干旱脅迫其主要原因是非氣孔限制。Farquhar等認(rèn)為,可分析Gs和Ci的變化趨勢(shì)是否一致,Gs降低而Ci升高或不變?yōu)榉菤饪紫拗?,Gs降低伴隨著Ci降低為氣孔限制[33]。但是當(dāng)氣孔限制和非氣孔限制這2種因素同時(shí)存在時(shí),胞間CO2濃度變化的方向取決于占優(yōu)勢(shì)的因素[34]。本研究中,Gs與Ci的變化趨勢(shì)完全相反,則米槁在干旱脅迫的環(huán)境下光合速率下降是因?yàn)榉菤饪紫拗埔蛩卣純?yōu)勢(shì),可能是由葉肉細(xì)胞光合活性的下降引起的。米槁在重度干旱脅迫下WUE上升,是氣孔關(guān)閉造成,這也造成植物光合速率的降低。

    4 結(jié)論

    米槁幼苗葉片相對(duì)含水量隨土壤干旱脅迫加劇而明顯降低,但下降幅度小于土壤含水量的下降幅度,表明米槁幼苗遭受干旱脅迫時(shí)葉片具有一定的保水能力。米槁幼苗葉片相對(duì)含水量與凈光合速率具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系,是影響葉片凈光合速率的重要因子。

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