鹽和干旱脅迫對(duì)歐李幼苗光合生理特性的影響

牟 靜, 李秋霞, 高小剛, 王文銀, 徐當(dāng)會(huì)

蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730000

非生物因子對(duì)植物的影響覆蓋了其整個(gè)生長(zhǎng)周期，其中水分因子至關(guān)重要. 廣義上的水分脅迫包括鹽和干旱脅迫[1]. 植物可以感知非生物脅迫，并在其代謝、生長(zhǎng)和發(fā)育過程中做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)[2]，如在適應(yīng)環(huán)境過程中，葉綠體結(jié)構(gòu)成分和光合功能的變化有同步的趨勢(shì)[3]. 土壤中高濃度的鹽使根系更難提取水分以及植物內(nèi)部高濃度的鹽可以產(chǎn)生毒性[4]，即鹽脅迫對(duì)植物組織的損害主要由水分、離子(Cl-、Mg2+等)脅迫引起[5]，常造成植物細(xì)胞中毒、組織中活性氧代謝失衡、光合能力下降等[6]. 在干旱、半干旱氣候條件下，植物遭遇干旱脅迫，根系供水困難，蒸騰速率迅速升高[7]，會(huì)發(fā)生因組織缺水而引起的氣孔關(guān)閉、葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以及相關(guān)酶變性失活等一系列反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光合器官的損傷. 由于植物對(duì)鹽和干旱環(huán)境的響應(yīng)緊密相關(guān)，且機(jī)制重疊，而目前關(guān)于水分脅迫的研究太過廣泛，植物對(duì)鹽、干旱脅迫的響應(yīng)沒有明確的界限[1]，需對(duì)二者加以區(qū)分.

歐李(Cerasushumilis)隸屬薔薇科(Rosaceae)櫻桃屬(Cerasus)，落葉小灌木果樹，既具抗干燥性，又具儲(chǔ)水性，耐寒、耐旱、耐鹽堿，具有較強(qiáng)的抗水土流失能力，可用于改善受損土壤和環(huán)境綠化，固土保水能力較強(qiáng)[8]，因此該物種是干旱、半干旱地區(qū)綠化的首選樹種. 歐李根系龐大，在地下呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是防風(fēng)固沙、荒漠治理的先鋒植物，其在水土保持、維持生態(tài)平衡等方面的作用明顯高于傳統(tǒng)樹種——沙棘、檸條等[9]. 在干旱、半干旱地區(qū)造林和綠化過程中，歐李經(jīng)常面臨著干旱、鹽等各種非生物脅迫，使其陷入成活率低、綠化效果不佳等困境. 目前對(duì)歐李的研究多集中于對(duì)其種質(zhì)資源、增殖技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估等方面，也有關(guān)于其對(duì)不同脅迫響應(yīng)的研究，但較少且較單一. 衛(wèi)嬌嬌等[10]比較了不同種植密度下歐李的光合生理特性. YIN等[11-12]分析了干旱脅迫下歐李的生理響應(yīng)、蛋白質(zhì)含量變化：發(fā)現(xiàn)水分虧損會(huì)刺激滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，通過增加光反應(yīng)和卡爾文循環(huán)可促進(jìn)CO2同化，從而導(dǎo)致碳代謝的重新規(guī)劃；參與歐李保護(hù)系統(tǒng)的外源亞精胺和精胺會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生一些抗氧化物酶以防止活性氧(ROS)的形成，避免發(fā)生過氧化反應(yīng). 而目前有關(guān)歐李對(duì)不同類型非生物脅迫的光合生理響應(yīng)研究較少，尤其是不同強(qiáng)度脅迫下的光合生理變化. 鑒于此，該研究采用控制試驗(yàn)，分別模擬不同強(qiáng)度的鹽和干旱脅迫，研究歐李在不同脅迫處理下的光合特性，以期為歐李在治理水土流失、荒山綠化等生態(tài)修復(fù)工作中作用的高效發(fā)揮提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)處理

試驗(yàn)于2017年4—7月在蘭州大學(xué)榆中校區(qū)(103°4′E、38°37′N)遮雨大棚內(nèi)進(jìn)行，歐李(Cerasushumilis)由寧夏林業(yè)研究院股份有限公司提供. 于2017年4月中旬選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的歐李幼苗，半徑3～5 mm，高度100～150 mm不等，根據(jù)前期實(shí)際觀測(cè)，選擇大小適用的180 mm×270 mm的塑料花盆進(jìn)行移栽，每盆裝土6 kg，一盆一株，充分灌水，使土壤含水量保持基本一致，經(jīng)測(cè)定此時(shí)田間持水量為20.03%；之后定期澆水使其適應(yīng)生長(zhǎng)，參考馮蕾等[13-14]的試驗(yàn)方法并結(jié)合實(shí)際情況，于6月上旬分別進(jìn)行鹽(NaCl)脅迫、干旱脅迫處理. 歐李是典型的抗性品種，需增大處理梯度，設(shè)置鹽脅迫濃度分別為0(CK)、3‰(S1)、5‰(S2)、8‰(S3)；干旱脅迫下澆水量分別為田間持水量的80%～85%(CK)、30%～35%(W1)、40%～45%(W2)、50%～55%(W3)，每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù).

1.2 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

1.2.1光合氣體參數(shù)

從2017年7月上旬開始，選擇晴朗無風(fēng)天氣，對(duì)長(zhǎng)勢(shì)良好的歐李葉片使用便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定儀(Li-6400，Li-COR，USA)進(jìn)行活體測(cè)定，所測(cè)指標(biāo)主要包括Tr(蒸騰速率)、Pn(凈光合速率)、Gs(氣孔導(dǎo)度)、Ci(胞間CO2濃度). 測(cè)定時(shí)采用內(nèi)置紅藍(lán)光源，因歐李是常見的綠化樹種，在陽坡砂地、山地灌叢或是庭院栽培中都可見到，故其自然立地環(huán)境下的光照強(qiáng)度也由強(qiáng)到弱不等，1 200 μmol(m2·s)是接近其在自然立地環(huán)境中的平均光照強(qiáng)度，故設(shè)置恒定光強(qiáng)為 1 200 μmol(m2·s). 為避免外界光強(qiáng)變化對(duì)試驗(yàn)的影響，待讀數(shù)穩(wěn)定后開始計(jì)數(shù)，同一葉片重復(fù)計(jì)數(shù)6次；測(cè)定結(jié)束后，采集所測(cè)葉片，使用葉面積掃描儀測(cè)量葉面積，計(jì)算實(shí)際光合氣體交換參數(shù)值.

1.2.2Pn-PAR響應(yīng)曲線

設(shè)置CO2濃度為400 μmolmol，流速為500 μmols，由高到低依次設(shè)置光強(qiáng)為 2 000、1 500、1 200、1 000、750、500、250、150、100、60、20、0 μmol(m2·s)，運(yùn)用自動(dòng)測(cè)定程序測(cè)定不同光強(qiáng)下葉片的凈光合速率(Pn)，Pn-PAR響應(yīng)曲線采用葉子飄等[15]提出的直角雙曲線修正模型進(jìn)行擬合，其公式為

(1)

式中：Pn為凈光合速率，μmol(m2·s)；α為Pn-PAR響應(yīng)曲線的初始斜率(無量綱)，即表觀量子效率；I為光合有效輻射，μmol(m2·s)；β為修正系數(shù)；γ為一個(gè)與光強(qiáng)無關(guān)的系數(shù)；Rd為暗呼吸速率，μmol(m2·s).

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，不同處理間差異采用單因素方差分析檢驗(yàn)，顯著性差異水平為P<0.05；采用Origin 8.5作圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽和干旱脅迫對(duì)歐李幼苗的光合參數(shù)的影響

由圖1可見，Tr、Pn與Gs均隨著鹽脅迫程度的增加而逐漸降低. 與CK相比，S1、S2、S3處理下，Tr分別下降25.81%、57.68%、59.21%〔(見圖1(A)〕，Pn分 別下降13.88%、66.29%、65.02%〔(見圖1(B)〕，Gs分別下降58.95%、81.48%、83.26%〔(見圖1(C)〕. 與CK相比，S1處理下，Gs下降趨勢(shì)最明顯〔(見圖1(C)〕，Tr、Pn則在S2、S3處理下顯著降低〔(見圖1(A)(B)〕.Ci隨鹽脅迫的變化則未表現(xiàn)出明顯趨勢(shì)，經(jīng)鹽處理的Ci均低于CK，且表現(xiàn)為S2>S1>S3〔(見圖1(D)〕.

注： 不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05). 下同.圖1 鹽脅迫對(duì)歐李光合氣體參數(shù)的影響Fig.1 Effect of salt stress on photosynthetic gas parameters of C. humilis

干旱脅迫對(duì)歐李幼苗光合氣體參數(shù)的影響如圖2所示. 結(jié)果顯示，隨著干旱程度的減弱，Tr呈不規(guī)律變化，W3處理下Tr較CK顯著降低〔(見圖2(A)〕；干旱脅迫下各處理間Gs均顯著低于CK，但各處理之間沒有顯著差異〔(見圖2(C)〕；各處理間Pn、Ci未出現(xiàn)顯著差異〔(見圖2(B)(D)〕.

圖2 干旱脅迫對(duì)歐李光合氣體參數(shù)的影響Fig.2 Effect of drought stress on photosynthetic gas parameters of C. humilis

圖3 鹽和干旱脅迫下歐李的Pn-PAR響應(yīng)曲線Fig.3 Pn-PAR response curve of C. humilis under salt and drought stresses

2.2 鹽和干旱脅迫下歐李幼苗的Pn-PAR響應(yīng)曲線

由圖3(A)可見，隨著鹽脅迫程度的增加，PAR較低〔0～500 μmol(m2·s)〕時(shí)，隨著PAR的增加，Pn呈上升趨勢(shì)；隨著PAR的繼續(xù)增加，Pn增加趨勢(shì)變緩，S1處理下達(dá)到峰值〔2.82 μmol(m2·s)〕；PAR較高〔1 500～2 000 μmol(m2·s)〕時(shí)，S1處理下Pn呈略微下降趨勢(shì)，說明歐李幼苗出現(xiàn)了光抑制現(xiàn)象. 相反，在S2、S3處理下，PAR較高時(shí)凈光合速率仍呈增加趨勢(shì)，說明中、高度鹽脅迫下，歐李幼苗表現(xiàn)出其喜光的特性.

由圖3(B)可見，干旱脅迫下，在PAR較低〔0～500 μmol(m2·s)〕時(shí)，Pn隨著PAR的增加而增大；隨著PAR的繼續(xù)增加，Pn增加趨勢(shì)變緩，直至變得平緩(W1處理)、下降(W2處理)或呈略微上升趨勢(shì)(W3處理). W2處理下，歐李葉片在PAR約為500 μmol(m2·s)時(shí)即達(dá)到光飽和點(diǎn)，繼而出現(xiàn)嚴(yán)重的光抑制現(xiàn)象，而在W3處理下則表現(xiàn)出積極的光響應(yīng). 這說明在W1、W3處理下，歐李幼苗能對(duì)光強(qiáng)做出積極響應(yīng)，在該處理范圍內(nèi)的土壤水分更有利于歐李幼苗進(jìn)行光合作用.

2.3 鹽和干旱脅迫下歐李幼苗光響應(yīng)特征參數(shù)的比較

不同處理下歐李幼苗Pn-PAR響應(yīng)曲線擬合所得光響應(yīng)參數(shù)如表1所示. 結(jié)果顯示，鹽脅迫下α隨著脅迫程度的加重而逐漸減小，說明歐李幼苗對(duì)光能的利用效率逐漸降低；Rd、Pnmax均在S2處理下達(dá)到最大值〔1.10和5.41 μmol(m2·s)〕；Lcp隨著脅迫程度的增強(qiáng)而逐漸增大；Lsp在S1處理下較CK減小，達(dá)到最小值〔882.17 μmol(m2·s)〕,S2、S3處理下較CK有增大趨勢(shì)〔見表1，圖3(A)〕.

不同干旱脅迫處理下，α、Rd均在W2處理下出現(xiàn)最大值〔分別為0.05和1.47 μmol(m2·s)〕；W2處理下光能利用效率最大，在弱光環(huán)境下，Rd最大.Pnmax在W3處理下達(dá)到最大值〔5.94 μmol(m2·s)〕. 隨著干旱程度減弱，Lcp先增后減，在W2處理下達(dá)到最大值〔35.79 μmol(m2·s)〕；較CK而言，Lsp在W1處理下增至最大值〔1 581.56 μmol(m2·s)〕，而在W2、W3處理下則減小(見表1)，說明歐李幼苗在W2、W3處理下對(duì)光照環(huán)境適應(yīng)性減弱.

2.4 討論

2.4.1鹽和干旱脅迫對(duì)歐李幼苗光合氣體參數(shù)的影響

光照強(qiáng)度作為影響植物光合作用最根本、最直接的環(huán)境因子，從根本上影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育. 隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng)，歐李幼苗光合氣體參數(shù)Tr、Pn均呈現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)，與CK相比，這些參數(shù)在S1處理下變化不顯著，在S2處理下顯著降低，原因是植物通常通過減弱光合作用和蒸騰作用來適應(yīng)鹽脅迫逆境，Elfeky等[16-17]在對(duì)長(zhǎng)春花(Catharanthusroseus)和紫穗槐(Amorphafruticosa)的研究中也得到類似結(jié)果；但隨著脅迫程度的持續(xù)增強(qiáng)(S3處理)，Pn、Tr則鮮少出現(xiàn)變化. 這可能是因?yàn)镾2處理已致使歐李葉片氣孔結(jié)構(gòu)、光合系統(tǒng)等出現(xiàn)損傷，再繼續(xù)增強(qiáng)脅迫時(shí)，葉片無法做出積極響應(yīng).Gs在S2、S3處理下沒有顯著變化的原因與之類似，鹽脅迫導(dǎo)致葉片氣孔結(jié)構(gòu)損傷，光合作用減弱. 限制植物光合作用的因素除氣孔因素外，還包括非氣孔因素，尤其在嚴(yán)重脅迫條件下非氣孔因素常占主導(dǎo)作用[18]. S2處理下，歐李幼苗Pn的降低即為非氣孔因素引起，這與王文銀等[19-20]對(duì)沙拐棗(Calligonumarborescens)和冬小麥的研究結(jié)果一致. 雖然氣孔限制被普遍認(rèn)為是脅迫下光合作用減弱的主要決定因子[21]，且部分研究指出，光合磷酸化、1,5二磷酸核酮糖(RuBP)再生及ATP合成等一些被定義為非氣孔因素的過程均受氣孔影響[22-24]，但不同環(huán)境條件下氣孔變化動(dòng)態(tài)是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)節(jié)過程，需客觀地將氣孔作為一個(gè)綜合參數(shù)來評(píng)估植物光合作用的變化.

表1 鹽和干旱脅迫下歐李幼苗的光響應(yīng)特征參數(shù)

植物實(shí)際的水分吸收利用和根系深度有關(guān)，在土壤表層水分缺乏的情況下，較深層的根系會(huì)吸收更深層的土壤水分，以維持水分缺乏條件下植物氣孔開放[25]. 歐李根系龐大復(fù)雜，且主要以水平根系為主，較深層土壤水分對(duì)其根莖生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)較小，而在該試驗(yàn)中，由于盆栽處理導(dǎo)致了部分水分下滲，一定程度上限制了表層土壤水分含量，影響了歐李幼苗對(duì)土壤水分的吸收，故干旱脅迫處理對(duì)其光合氣體參數(shù)的影響較小. 在今后的研究試驗(yàn)中應(yīng)考慮改進(jìn)試驗(yàn)方案，加大盆栽體積，盡可能地減弱其對(duì)根系功能的影響.

2.4.2鹽和干旱脅迫對(duì)歐李幼苗光響應(yīng)特征參數(shù)的影響

Pn-PAR曲線能反映出植物光合作用的強(qiáng)弱，由曲線得出的Lsp、Lcp、Rd及α等參數(shù)對(duì)研究綠色植物光合特性有重要意義[26]，如α能反映植物對(duì)光能的利用效率，尤其是在弱光條件下；Lsp、Lcp分別反映植物對(duì)強(qiáng)光和弱光的適應(yīng)能力[27]. 筆者對(duì)歐李幼苗的Pn-PAR曲線擬合結(jié)果顯示，其α主要分布在0.03～0.05之間，相對(duì)于適宜條件下植物正常表觀量子效率而言較低，表現(xiàn)出歐李幼苗的喜光特性. S2處理下，Pn低于CK，但高于S1、S3處理，可能的原因是，在鹽脅迫程度逐漸增強(qiáng)的過程中，可能存在最適宜的NaCl濃度，使得光合效果達(dá)到最佳；在干旱處理下，則未出現(xiàn)這種現(xiàn)象，反而在土壤水分含量較低(W1處理)或較高(W3處理)時(shí)，光合作用較強(qiáng)，Pn均高于W2處理. 究其原因：①植物對(duì)干旱逆境具有可塑性[28]，即在較極端環(huán)境中依舊可以保持較高的生理活性；②由于葉片光合作用的非均一性，即因?yàn)橥蝗~片上氣孔分布不均勻，導(dǎo)致葉片光合作用的異質(zhì)性，使得Pn的變化不同于預(yù)期[29]. 植物光響應(yīng)曲線擬合模型有多種，要根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜模型. FANG等[30]提出，直角雙曲線模型和直角雙曲線修正模型對(duì)歐美楊中林46(Populus×Euramericanacv. ‘Zhonglin’46)光響應(yīng)曲線的擬合效果更佳；CHEN等[31]則提出，指數(shù)修正模型對(duì)煙草(NicotianatabacumL.)光響應(yīng)曲線的擬合效果最好. 因此要根據(jù)不同植物的不同特征選擇適合的光響應(yīng)曲線模型，以得出合理的光響應(yīng)曲線參數(shù)，科學(xué)評(píng)估脅迫條件下植物的光合生產(chǎn)能力.

3 結(jié)論

a) 歐李幼苗對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)較為敏感，其各處理下的光合參數(shù)多具有顯著性差異；干旱脅迫下，由于歐李根系多以水平根系為主，且盆栽試驗(yàn)條件部分地限制了其水平根系對(duì)水分的吸收，故各處理間則鮮有顯著差異.

b) 輕度鹽脅迫(S1)、中度干旱脅迫(W2)處理下，較CK而言，歐李幼苗出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象. 鹽脅迫下，隨著脅迫程度的增強(qiáng)，相較于CK，Lcp逐漸增大；Lsp在S1處理下減小，S2、S3處理下有增大趨勢(shì)，歐李幼苗光能利用效率隨脅迫增強(qiáng)而減弱. 干旱脅迫下，相較于CK，隨著干旱程度的減弱，Lcp、Lsp均先增后減.

c) 該試驗(yàn)分別研究了單一鹽、干旱脅迫對(duì)歐李幼苗光合生理特性的影響，但在自然環(huán)境中往往是多種脅迫交互發(fā)生，故需進(jìn)一步了解歐李對(duì)多種脅迫交互發(fā)生的響應(yīng)機(jī)制，以充分發(fā)揮歐李在固土保水、荒山綠化等生態(tài)修復(fù)工程中的價(jià)值.