外源脫落酸對荒漠植物紅砂幼苗光合及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2020-06-09 02:35:08曾繼娟種培芳朱強
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年7期
曾繼娟 種培芳 朱強
摘要：以2年生紅砂幼苗為試材，采用盆栽試驗，通過噴施濃度為0.1、1、10、100 μmol/L的脫落酸（ABA）溶液，研究外源ABA對紅砂幼苗光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，旨在為荒漠區(qū)植被恢復(fù)提供依據(jù)。結(jié)果表明，葉面噴施ABA后，氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和凈光合速率（Pn）都在短時間內(nèi)得到較好的抑制，但是當(dāng)ABA噴施濃度為100 μmol/L 時，Pn下降，Gs的變化趨勢不明顯，主要與氣孔因素有關(guān)，說明適度的ABA濃度（<100 μmol/L）有助于紅砂更好地適應(yīng)逆境，超過此濃度，則不利于紅砂進(jìn)行光合作用。對照的PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）、PSⅡ的潛在光化學(xué)活性（Fv/Fo）、最大熒光/初始熒光（Fm/Fo）、可變熒光（Fv）均維持在較高水平，其中Fv/Fm>0.8，外施ABA后，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均不同程度地降低，隨著ABA濃度的變化，各處理的變化趨勢一致;隨著ABA脅迫時間的延長，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均低于脅迫初期。外施ABA對紅砂光合生理機能的影響表現(xiàn)為多個指標(biāo)的相互作用，并受ABA脅迫濃度、脅迫時間共同影響。綜合分析表明，噴施一定濃度的脫落酸可以維持紅砂生長季葉片正常的生理代謝功能，從而有效控制葉片的衰老進(jìn)程。
關(guān)鍵詞：紅砂;脫落酸;光合特性;葉綠素?zé)晒?/p>
中圖分類號： Q945.78文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A
文章編號：1002-1302（2020）07-0136-06
近年來，全球氣候變化和過度的人為活動加劇了我國北方荒漠草原的沙漠化進(jìn)程，其生態(tài)環(huán)境極為脆弱，成為制約我國“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略實施的重要因素[1]。植被恢復(fù)與重建可以有效抵御荒漠化威脅，而水分是影響植物生長與分布的關(guān)鍵因子。因此，研究荒漠植物抗旱的生理生態(tài)適應(yīng)機制，采用有效的方法提高植物的抗旱性，對于荒漠區(qū)植被恢復(fù)與重建意義重大。
紅砂（Reamuria soongarica）是檉柳科紅砂屬超旱生小灌木，廣泛分布于我國干旱荒漠地區(qū)，其抗逆性強，生態(tài)可塑性大，具有較強的抗旱、耐鹽和集沙能力[2]，是西北干旱、半干旱地區(qū)的荒漠復(fù)蘇植物和主要的牧草飼料[3-4]。近年來，對于紅砂的研究主要集中于種子萌發(fā)[5]、幼苗建植[6]、遺傳多樣性[7]、耐鹽[8]、抗旱以及氣候因子[9-10]等生理生態(tài)學(xué)方面，這對于分析荒漠化進(jìn)程中水分對紅砂的影響機制具有重要作用。
脫落酸（abscisic acid，ABA）最初被認(rèn)為是一種抑制型激素，隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)ABA在植物整個生長發(fā)育過程中不但能誘導(dǎo)植物休眠、合成種子貯藏蛋白，還在氣孔開閉、水分調(diào)節(jié)、光合作用、衰老及植物對逆境的適應(yīng)等多方面起到重要的調(diào)控作用[11]。干旱脅迫在諸多自然逆境中占據(jù)首位，成為制約許多地區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的瓶頸。植物根系最先感知到外界水分脅迫刺激，誘導(dǎo)ABA的生物合成，通過一系列代謝過程降低氣孔開度來調(diào)節(jié)植株水分的散失和生長等。目前，干旱脅迫下脫落酸對小麥（Triticum aestivum L.）、玉米（Zea mays）、樟子松（Pinus sylvestris）、尖果沙棗（Elaeagnus oxycarpa Schlecht.）、生姜（Zingiber officinale Roscoe）、擬南芥（Arabidopsis thaliana）、梭梭（Haloxylon ammodendron）等植物影響的研究已有相關(guān)報道[12-18]，這些研究結(jié)果均表明，干旱脅迫誘導(dǎo)植物根部合成大量脫落酸后轉(zhuǎn)移到葉片中，進(jìn)而調(diào)節(jié)其生長、生理特性、氣孔開度及光合作用等，使植物不斷適應(yīng)干旱環(huán)境。當(dāng)前，鮮有針對脫落酸對荒漠優(yōu)勢種植物紅砂影響的研究報道。因此，本研究通過分析外施ABA對紅砂光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，擬從光合生理的角度探討外源ABA對紅砂抗旱性的調(diào)控機制。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于甘肅省武威市林業(yè)綜合服務(wù)中心良種繁育基地（103°51′E，38°38′N），地處甘肅省河西走廊東北部。該區(qū)屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候，土壤為堿性沙土，年均降水量為113.2 mm，年均蒸發(fā)量為2 604.3 mm，年均氣溫為7.6 ℃，海拔為1 378 m。
1.2 試驗材料與處理
2015年4月17日在甘肅省武威市林業(yè)綜合服務(wù)中心良種繁育基地選擇大小、長勢較為一致的2年生紅砂裸根苗木，株高18 cm，移栽在外口徑28 cm、內(nèi)口徑25 cm、高21 cm的塑料花盆中，土壤為沙壤土，每盆1株，置于遮陰棚內(nèi)緩苗，緩苗期間正常澆水。緩苗結(jié)束后，即5月17日進(jìn)行干旱脅迫，脅迫前將所有苗木澆透水，采用便攜式土壤水分速測儀（GMK-770S）和稱質(zhì)量法相結(jié)合的方式進(jìn)行水分控制。計算土壤含水量并根據(jù)缺水量于每天17：30—18：00定量補充水分，使土壤含水量為田間持水量的45%～50%。6月2日（控水16 d后）開始人工噴施外源ABA，濃度分別設(shè)置為0.1、1、10、100 μmol/L，設(shè)3次重復(fù)，參照阮英慧等的方法[19]使用手持式噴霧器于晴朗無風(fēng)的15：00—17：00 在植株葉片正反兩面均勻噴施，用量以噴施部位濕潤滴水為宜，每周噴施1次ABA，共8次，于ABA處理30、60 d后分別測定光合生理指標(biāo)[蒸騰速率（Tr）、凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）]并擬合得到光響應(yīng)曲線，同時測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)等指標(biāo)。
1.3 測定項目與方法
采用LI-6400光合測定儀，參照周朝彬等的方法[20]測定光合生理指標(biāo)并擬合得到光響應(yīng)曲線，測定時控制空氣CO2濃度為（375±5） μmol/mol，光合作用有效輻射（PAR）為（2 000±1） μmol/（m2·s），空氣溫度為（28±0.5） ℃。設(shè)置光照度為2 000、1 500、1 000、500、400、300、200、100、0 μmol/（m2·s），每個光照度下的測定時間均為120 s，每個處理選取標(biāo)記枝條中部的3張成熟葉片進(jìn)行測定，取平均值。
使用便攜式脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（PAM-2100，英國）測定外源ABA處理下紅砂葉片的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)，與光響應(yīng)曲線的測定同步進(jìn)行。主要參數(shù)有可變熒光（Fv）、最大熒光（Fm）、初始熒光（Fo）、PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）、實際光化學(xué)反應(yīng)量子效率ΦPSⅡ[ΦPSⅡ=（Fm′-Fo′）/Fm′]。按照Rohacek的公式[21]計算非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN[qN=（Fm-Fm′）/Fv]、PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率[Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm]。其中在測定Fo、Fm前必須使葉片經(jīng)過30 min的完全暗適應(yīng)。一般來說，在室內(nèi)24 h或12 h的暗適應(yīng)是最好的。由于在野外操作不方便，本試驗采用葉綠素?zé)晒夥治鰞x的暗適應(yīng)夾子遮光處理30 min，每個枝條測定3次，每個處理3次重復(fù)。
1.4 統(tǒng)計分析方法
試驗數(shù)據(jù)通過Excel 2010和SPSS 16.0進(jìn)行處理，試驗結(jié)果采用Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性多重比較。
2 結(jié)果與分析
2.1 外源ABA對紅砂幼苗光合特性的影響
如圖1所示，對照紅砂葉片的蒸騰速率一直保持在高水平，噴施ABA后，各處理的Tr均不同程度地低于CK。隨著光照度的增加，Tr先快速上升然后緩慢上升接著趨于穩(wěn)定，隨著ABA濃度的增大，Tr也隨之下降，當(dāng)ABA濃度為100 μmol/L時，Tr最小且變化趨勢最明顯，這可能說明外源ABA作用能夠誘導(dǎo)紅砂葉片氣孔關(guān)閉，減少蒸騰，導(dǎo)致Tr降低，以便更好地適應(yīng)外界環(huán)境;噴施ABA 60 d時，各處理的Tr均低于脅迫30 d時。由此推測，外施ABA濃度、作用時間均影響蒸騰速率的變化，Tr受限制主要與氣孔因素有關(guān)。
如圖2所示，同一ABA濃度下，紅砂葉片的凈光合速率隨著光照度的增大在達(dá)到光飽和點（LSP）前表現(xiàn)出先直線式快速升高而后曲線式緩慢升高的變化趨勢。對照的Pn維持在最低水平，ABA脅迫30 d后，Pn呈不同程度的上升趨勢，在ABA濃度為10 μmol/L時最大，而ABA濃度為100 μmol/L 時，Pn反而下降，出現(xiàn)光飽和點;ABA脅迫60 d后，各處理的Pn均低于脅迫初期且部分處理顯著高于對照。說明外施一定濃度的ABA可以有效促進(jìn)紅砂的光合作用，但這種作用有一定的ABA濃度限制（10 μmol/L），達(dá)到或超過該濃度，促進(jìn)作用會減緩。
隨著光照度的增加，紅砂葉片氣孔導(dǎo)度呈先快速上升接著緩慢上升而后下降的趨勢（圖3）。對照的Gs維持在較高水平，ABA脅迫30 d后，各處理的Gs均隨著ABA濃度的增大而顯著降低，其中在CK、0.1 μmol/L ABA條件下，Gs的變化幅度較大，ABA濃度為100 μmol/L時，Gs的變化趨勢不明顯，這可能說明該濃度下紅砂的氣孔基本上失去了調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致對光照度變化的響應(yīng)不敏感;當(dāng)ABA脅迫60 d后，隨著脅迫時間的延長，各處理的Gs均不同程度地高于脅迫初期，說明紅砂植株生長在旱季時其Gs低于雨季，ABA脅迫時間的延長可能增強了植物氣孔的調(diào)節(jié)能力，可見該植物在干旱時通過降低氣孔開度來減少水分的散失，更有利于紅砂適應(yīng)逆境。
紅砂光合作用的胞間CO2濃度的光響應(yīng)變化規(guī)律不同于Gs，有2種不同的趨勢：當(dāng)光照度為0～500 μmol/（m2·s）時，隨著光照度升高，在ABA濃度為10、100 μmol/L的條件下，Ci先上升后下降;在CK、0.1 μmol/L ABA和1 μmol/L ABA處理下，Ci呈先下降后上升的趨勢（圖4）。ABA脅迫30 d后，在0～500 μmol/（m2·s）光照度范圍內(nèi)，各處理的Ci變化幅度較大，但是隨著光照度的增加，變化趨勢基本一致，均緩慢上升且顯著高于CK;ABA脅迫60 d后，隨著脅迫時間的延長，各處理的Ci均低于脅迫初期，分析其原因，可能是隨著Pn的上升，消耗的CO2增多，胞間CO2不能及時得到補足，所以導(dǎo)致Ci下降，此外，可能與土壤水分條件有關(guān)。
2.2 外源ABA對紅砂幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
葉綠素?zé)晒馐枪夂献饔玫奶结?，通過測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠得出相關(guān)光能使用路徑的信息，間接判斷植物生長情況和抗逆性的大小，其中Fv/Fm、Fv/Fo（PSⅡ的潛在光化學(xué)活性）、Fm/Fo（最大熒光/初始熒光）、Fv（可變熒光）用來反映質(zhì)體醌A（QA）的復(fù)原情況[22]。光化學(xué)效率的高低直接決定葉片光合作用的高低，因此，由于某種原因造成的光化學(xué)效率降低會成為光合作用的重要限制因子[23]。在正常供水（CK）條件下，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均較大，噴施ABA后，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均較CK有不同程度的降低，但是在ABA為100 μmol/L時又高于對照（圖5），說明在該濃度下，紅砂葉片用于光合電子傳遞的能量增大，從而維持較高的電子傳遞速率，促進(jìn)植物生長。當(dāng)ABA濃度為0～1 μmol/L 時，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均呈下降趨勢，在1～10 μmol/L ABA濃度范圍內(nèi)，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo呈緩慢上升趨勢，而Fv呈下降趨勢，在10～100 μmol/L ABA濃度范圍內(nèi)，各處理的參數(shù)均表現(xiàn)出快速直線上升的趨勢，說明ABA濃度的增加可有效促進(jìn)PSⅡ的電子傳遞活性。當(dāng)ABA脅迫60 d后，各處理的參數(shù)較脅迫30 d時呈下降趨勢。以上變化表明，ABA脅迫能夠調(diào)節(jié)紅砂對環(huán)境的適應(yīng)性，并且與ABA濃度、脅迫時間有關(guān)。
3 討論與結(jié)論
3.1 外源ABA對紅砂幼苗光合特性的影響
外施ABA可以調(diào)節(jié)葉片氣孔的開度，使氣孔阻力增大，抑制氣孔的蒸騰作用，大大降低葉片蒸騰失水的速度[24]，因此可以通過提高CO2的同化能力和增強葉黃素循環(huán)來提高植物對光抑制的抗性。本試驗結(jié)果表明，紅砂通過保持較高水平的凈光合速率和蒸騰速率來生存，屬于植物避旱型，葉面噴
[FK（W20][TPZJJ5.tif][FK）]
施ABA后，氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率都在短時間內(nèi)得到較好的抑制，抑制作用較為明顯;隨著光照度增大，Pn在達(dá)到光飽和點前表現(xiàn)出先直線式快速上升然后曲線式緩慢升高的規(guī)律，隨著ABA濃度的增加，紅砂葉片Tr和Gs隨之降低且變化規(guī)律一致，在ABA濃度為100 μmol/L時，Pn下降，Gs隨光照度增大的變化趨勢不明顯，說明其氣孔基本上失去了調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致對光照度變化不敏感，主要與氣孔因素有關(guān)。
ABA脅迫30 d后，隨著光照度的增加，氣孔打開，葉片Gs緩慢上升，但快速增加的Pn使得CO2的供應(yīng)速度趕不上光合速率中CO2消耗的速度，胞間CO2不能及時得到補足，使得Ci在前期迅速下降[光照度≤500 μmol/（m2·s）];隨著光照度進(jìn)一步增加，Pn增加趨勢變緩，而此時Gs也進(jìn)一步開放，因此Ci下降速度變緩，這與周朝彬等對胡楊的研究結(jié)果[20]相似。隨著ABA脅迫時間的延長，Ci、Pn和Tr均低于脅迫初期;而Gs均高于脅迫初期，這可能說明紅砂植株在生長旱季的Gs低于雨季。這些變化表明，適度的ABA濃度（<100 μmol/L）有助于紅砂更好地適應(yīng)逆境，達(dá)到或超過此濃度則不利于紅砂進(jìn)行光合作用，10～100 μmol/L的濃度范圍較大，有效ABA濃度也有可能存在于這一范圍內(nèi)。另外，以上結(jié)果可能還受紅砂自身新合成的ABA、紅砂植株大小以及葉片選擇的影響，更可靠的結(jié)論還需通過進(jìn)一步研究證明。
3.2 外源ABA對紅砂幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
當(dāng)前，越來越多的研究結(jié)果表明，葉綠素的熒光信號通過植物體內(nèi)發(fā)出，蘊含的光合作用信息非常豐富，其特征與植物受脅迫的水平有著密切關(guān)系，能夠迅速、敏銳和無損傷地研究和探測完整植株在應(yīng)力條件下光合作用的真實活動，常用來評估光合功效以及應(yīng)激脅迫對葉綠素?zé)晒庑盘柕挠绊?，所以通過植物光合過程中熒光特征的觀測，能夠了解植物受脅迫的生理狀況[25]。許多研究結(jié)果表明，逆境脅迫的嚴(yán)重程度與Fm/Fo、Fv/Fo、qP、qN等參數(shù)被抑制的水平之間呈正相關(guān)關(guān)系，這些參數(shù)可以作為植物的抗性指數(shù)[26]，已在多種植物中得到了應(yīng)用，對玉米和冬小麥幼苗的研究結(jié)果表明，隨著水分的降低，F(xiàn)o增大，而Fv、Fv/Fm、Fv/Fo顯著降低[27-28]。在通常情況下，暗適應(yīng)后葉片的Fv/Fm是判斷植物是否發(fā)生光抑制的指標(biāo)，未受到環(huán)境脅迫時的Fv/Fm>0.8。本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在正常供水（CK）條件下，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均維持在較高水平，其中Fv/Fm在0.8以上，噴施ABA后，這些參數(shù)均不同程度地降低，但隨著ABA濃度變化，各處理的變化趨勢一致，即在ABA為0～1 μmol/L的范圍內(nèi)，各參數(shù)值均下降;在ABA為1～10 μmol/L的范圍內(nèi)，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo呈緩慢上升趨勢，而Fv呈下降趨勢;在ABA為10～100 μmol/L的范圍內(nèi)，各處理的參數(shù)均表現(xiàn)出直線式快速上升的趨勢;當(dāng)ABA濃度為100 μmol/L時，各參數(shù)值均高于對照。由此說明，ABA能緩解干旱脅迫時PSⅡ的傷害，有利于葉片光能的捕捉和轉(zhuǎn)換，從而增強光合作用，緩解脅迫對紅砂的傷害程度，促進(jìn)紅砂幼苗生長，這與毛桂蓮等對枸杞的研究結(jié)果[22]一致。隨著ABA脅迫時間的延長，各處理的參數(shù)均低于脅迫初期。以上變化說明，紅砂幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)與ABA脅迫濃度、脅迫時間有關(guān)。
綜上所述，外施一定濃度ABA（<100 μmol/L），能夠緩解干旱脅迫對紅砂的傷害程度，有效控制葉片的衰老進(jìn)程，促進(jìn)光合作用，超過該濃度時，作用會減小。因此，在荒漠植被恢復(fù)中，可通過噴施外源ABA來提高紅砂的抗旱性，但必須掌握好噴施的濃度。
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曾繼娟 種培芳 朱強
摘要：以2年生紅砂幼苗為試材，采用盆栽試驗，通過噴施濃度為0.1、1、10、100 μmol/L的脫落酸（ABA）溶液，研究外源ABA對紅砂幼苗光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，旨在為荒漠區(qū)植被恢復(fù)提供依據(jù)。結(jié)果表明，葉面噴施ABA后，氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和凈光合速率（Pn）都在短時間內(nèi)得到較好的抑制，但是當(dāng)ABA噴施濃度為100 μmol/L 時，Pn下降，Gs的變化趨勢不明顯，主要與氣孔因素有關(guān)，說明適度的ABA濃度（<100 μmol/L）有助于紅砂更好地適應(yīng)逆境，超過此濃度，則不利于紅砂進(jìn)行光合作用。對照的PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）、PSⅡ的潛在光化學(xué)活性（Fv/Fo）、最大熒光/初始熒光（Fm/Fo）、可變熒光（Fv）均維持在較高水平，其中Fv/Fm>0.8，外施ABA后，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均不同程度地降低，隨著ABA濃度的變化，各處理的變化趨勢一致;隨著ABA脅迫時間的延長，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均低于脅迫初期。外施ABA對紅砂光合生理機能的影響表現(xiàn)為多個指標(biāo)的相互作用，并受ABA脅迫濃度、脅迫時間共同影響。綜合分析表明，噴施一定濃度的脫落酸可以維持紅砂生長季葉片正常的生理代謝功能，從而有效控制葉片的衰老進(jìn)程。
關(guān)鍵詞：紅砂;脫落酸;光合特性;葉綠素?zé)晒?/p>
中圖分類號： Q945.78文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A
文章編號：1002-1302（2020）07-0136-06
近年來，全球氣候變化和過度的人為活動加劇了我國北方荒漠草原的沙漠化進(jìn)程，其生態(tài)環(huán)境極為脆弱，成為制約我國“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略實施的重要因素[1]。植被恢復(fù)與重建可以有效抵御荒漠化威脅，而水分是影響植物生長與分布的關(guān)鍵因子。因此，研究荒漠植物抗旱的生理生態(tài)適應(yīng)機制，采用有效的方法提高植物的抗旱性，對于荒漠區(qū)植被恢復(fù)與重建意義重大。
紅砂（Reamuria soongarica）是檉柳科紅砂屬超旱生小灌木，廣泛分布于我國干旱荒漠地區(qū)，其抗逆性強，生態(tài)可塑性大，具有較強的抗旱、耐鹽和集沙能力[2]，是西北干旱、半干旱地區(qū)的荒漠復(fù)蘇植物和主要的牧草飼料[3-4]。近年來，對于紅砂的研究主要集中于種子萌發(fā)[5]、幼苗建植[6]、遺傳多樣性[7]、耐鹽[8]、抗旱以及氣候因子[9-10]等生理生態(tài)學(xué)方面，這對于分析荒漠化進(jìn)程中水分對紅砂的影響機制具有重要作用。
脫落酸（abscisic acid，ABA）最初被認(rèn)為是一種抑制型激素，隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)ABA在植物整個生長發(fā)育過程中不但能誘導(dǎo)植物休眠、合成種子貯藏蛋白，還在氣孔開閉、水分調(diào)節(jié)、光合作用、衰老及植物對逆境的適應(yīng)等多方面起到重要的調(diào)控作用[11]。干旱脅迫在諸多自然逆境中占據(jù)首位，成為制約許多地區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的瓶頸。植物根系最先感知到外界水分脅迫刺激，誘導(dǎo)ABA的生物合成，通過一系列代謝過程降低氣孔開度來調(diào)節(jié)植株水分的散失和生長等。目前，干旱脅迫下脫落酸對小麥（Triticum aestivum L.）、玉米（Zea mays）、樟子松（Pinus sylvestris）、尖果沙棗（Elaeagnus oxycarpa Schlecht.）、生姜（Zingiber officinale Roscoe）、擬南芥（Arabidopsis thaliana）、梭梭（Haloxylon ammodendron）等植物影響的研究已有相關(guān)報道[12-18]，這些研究結(jié)果均表明，干旱脅迫誘導(dǎo)植物根部合成大量脫落酸后轉(zhuǎn)移到葉片中，進(jìn)而調(diào)節(jié)其生長、生理特性、氣孔開度及光合作用等，使植物不斷適應(yīng)干旱環(huán)境。當(dāng)前，鮮有針對脫落酸對荒漠優(yōu)勢種植物紅砂影響的研究報道。因此，本研究通過分析外施ABA對紅砂光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，擬從光合生理的角度探討外源ABA對紅砂抗旱性的調(diào)控機制。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于甘肅省武威市林業(yè)綜合服務(wù)中心良種繁育基地（103°51′E，38°38′N），地處甘肅省河西走廊東北部。該區(qū)屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候，土壤為堿性沙土，年均降水量為113.2 mm，年均蒸發(fā)量為2 604.3 mm，年均氣溫為7.6 ℃，海拔為1 378 m。
1.2 試驗材料與處理
2015年4月17日在甘肅省武威市林業(yè)綜合服務(wù)中心良種繁育基地選擇大小、長勢較為一致的2年生紅砂裸根苗木，株高18 cm，移栽在外口徑28 cm、內(nèi)口徑25 cm、高21 cm的塑料花盆中，土壤為沙壤土，每盆1株，置于遮陰棚內(nèi)緩苗，緩苗期間正常澆水。緩苗結(jié)束后，即5月17日進(jìn)行干旱脅迫，脅迫前將所有苗木澆透水，采用便攜式土壤水分速測儀（GMK-770S）和稱質(zhì)量法相結(jié)合的方式進(jìn)行水分控制。計算土壤含水量并根據(jù)缺水量于每天17：30—18：00定量補充水分，使土壤含水量為田間持水量的45%～50%。6月2日（控水16 d后）開始人工噴施外源ABA，濃度分別設(shè)置為0.1、1、10、100 μmol/L，設(shè)3次重復(fù)，參照阮英慧等的方法[19]使用手持式噴霧器于晴朗無風(fēng)的15：00—17：00 在植株葉片正反兩面均勻噴施，用量以噴施部位濕潤滴水為宜，每周噴施1次ABA，共8次，于ABA處理30、60 d后分別測定光合生理指標(biāo)[蒸騰速率（Tr）、凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）]并擬合得到光響應(yīng)曲線，同時測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)等指標(biāo)。
1.3 測定項目與方法
采用LI-6400光合測定儀，參照周朝彬等的方法[20]測定光合生理指標(biāo)并擬合得到光響應(yīng)曲線，測定時控制空氣CO2濃度為（375±5） μmol/mol，光合作用有效輻射（PAR）為（2 000±1） μmol/（m2·s），空氣溫度為（28±0.5） ℃。設(shè)置光照度為2 000、1 500、1 000、500、400、300、200、100、0 μmol/（m2·s），每個光照度下的測定時間均為120 s，每個處理選取標(biāo)記枝條中部的3張成熟葉片進(jìn)行測定，取平均值。
使用便攜式脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（PAM-2100，英國）測定外源ABA處理下紅砂葉片的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)，與光響應(yīng)曲線的測定同步進(jìn)行。主要參數(shù)有可變熒光（Fv）、最大熒光（Fm）、初始熒光（Fo）、PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）、實際光化學(xué)反應(yīng)量子效率ΦPSⅡ[ΦPSⅡ=（Fm′-Fo′）/Fm′]。按照Rohacek的公式[21]計算非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN[qN=（Fm-Fm′）/Fv]、PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率[Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm]。其中在測定Fo、Fm前必須使葉片經(jīng)過30 min的完全暗適應(yīng)。一般來說，在室內(nèi)24 h或12 h的暗適應(yīng)是最好的。由于在野外操作不方便，本試驗采用葉綠素?zé)晒夥治鰞x的暗適應(yīng)夾子遮光處理30 min，每個枝條測定3次，每個處理3次重復(fù)。
1.4 統(tǒng)計分析方法
試驗數(shù)據(jù)通過Excel 2010和SPSS 16.0進(jìn)行處理，試驗結(jié)果采用Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性多重比較。
2 結(jié)果與分析
2.1 外源ABA對紅砂幼苗光合特性的影響
如圖1所示，對照紅砂葉片的蒸騰速率一直保持在高水平，噴施ABA后，各處理的Tr均不同程度地低于CK。隨著光照度的增加，Tr先快速上升然后緩慢上升接著趨于穩(wěn)定，隨著ABA濃度的增大，Tr也隨之下降，當(dāng)ABA濃度為100 μmol/L時，Tr最小且變化趨勢最明顯，這可能說明外源ABA作用能夠誘導(dǎo)紅砂葉片氣孔關(guān)閉，減少蒸騰，導(dǎo)致Tr降低，以便更好地適應(yīng)外界環(huán)境;噴施ABA 60 d時，各處理的Tr均低于脅迫30 d時。由此推測，外施ABA濃度、作用時間均影響蒸騰速率的變化，Tr受限制主要與氣孔因素有關(guān)。
如圖2所示，同一ABA濃度下，紅砂葉片的凈光合速率隨著光照度的增大在達(dá)到光飽和點（LSP）前表現(xiàn)出先直線式快速升高而后曲線式緩慢升高的變化趨勢。對照的Pn維持在最低水平，ABA脅迫30 d后，Pn呈不同程度的上升趨勢，在ABA濃度為10 μmol/L時最大，而ABA濃度為100 μmol/L 時，Pn反而下降，出現(xiàn)光飽和點;ABA脅迫60 d后，各處理的Pn均低于脅迫初期且部分處理顯著高于對照。說明外施一定濃度的ABA可以有效促進(jìn)紅砂的光合作用，但這種作用有一定的ABA濃度限制（10 μmol/L），達(dá)到或超過該濃度，促進(jìn)作用會減緩。
隨著光照度的增加，紅砂葉片氣孔導(dǎo)度呈先快速上升接著緩慢上升而后下降的趨勢（圖3）。對照的Gs維持在較高水平，ABA脅迫30 d后，各處理的Gs均隨著ABA濃度的增大而顯著降低，其中在CK、0.1 μmol/L ABA條件下，Gs的變化幅度較大，ABA濃度為100 μmol/L時，Gs的變化趨勢不明顯，這可能說明該濃度下紅砂的氣孔基本上失去了調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致對光照度變化的響應(yīng)不敏感;當(dāng)ABA脅迫60 d后，隨著脅迫時間的延長，各處理的Gs均不同程度地高于脅迫初期，說明紅砂植株生長在旱季時其Gs低于雨季，ABA脅迫時間的延長可能增強了植物氣孔的調(diào)節(jié)能力，可見該植物在干旱時通過降低氣孔開度來減少水分的散失，更有利于紅砂適應(yīng)逆境。
紅砂光合作用的胞間CO2濃度的光響應(yīng)變化規(guī)律不同于Gs，有2種不同的趨勢：當(dāng)光照度為0～500 μmol/（m2·s）時，隨著光照度升高，在ABA濃度為10、100 μmol/L的條件下，Ci先上升后下降;在CK、0.1 μmol/L ABA和1 μmol/L ABA處理下，Ci呈先下降后上升的趨勢（圖4）。ABA脅迫30 d后，在0～500 μmol/（m2·s）光照度范圍內(nèi)，各處理的Ci變化幅度較大，但是隨著光照度的增加，變化趨勢基本一致，均緩慢上升且顯著高于CK;ABA脅迫60 d后，隨著脅迫時間的延長，各處理的Ci均低于脅迫初期，分析其原因，可能是隨著Pn的上升，消耗的CO2增多，胞間CO2不能及時得到補足，所以導(dǎo)致Ci下降，此外，可能與土壤水分條件有關(guān)。
2.2 外源ABA對紅砂幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
葉綠素?zé)晒馐枪夂献饔玫奶结?，通過測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠得出相關(guān)光能使用路徑的信息，間接判斷植物生長情況和抗逆性的大小，其中Fv/Fm、Fv/Fo（PSⅡ的潛在光化學(xué)活性）、Fm/Fo（最大熒光/初始熒光）、Fv（可變熒光）用來反映質(zhì)體醌A（QA）的復(fù)原情況[22]。光化學(xué)效率的高低直接決定葉片光合作用的高低，因此，由于某種原因造成的光化學(xué)效率降低會成為光合作用的重要限制因子[23]。在正常供水（CK）條件下，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均較大，噴施ABA后，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均較CK有不同程度的降低，但是在ABA為100 μmol/L時又高于對照（圖5），說明在該濃度下，紅砂葉片用于光合電子傳遞的能量增大，從而維持較高的電子傳遞速率，促進(jìn)植物生長。當(dāng)ABA濃度為0～1 μmol/L 時，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均呈下降趨勢，在1～10 μmol/L ABA濃度范圍內(nèi)，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo呈緩慢上升趨勢，而Fv呈下降趨勢，在10～100 μmol/L ABA濃度范圍內(nèi)，各處理的參數(shù)均表現(xiàn)出快速直線上升的趨勢，說明ABA濃度的增加可有效促進(jìn)PSⅡ的電子傳遞活性。當(dāng)ABA脅迫60 d后，各處理的參數(shù)較脅迫30 d時呈下降趨勢。以上變化表明，ABA脅迫能夠調(diào)節(jié)紅砂對環(huán)境的適應(yīng)性，并且與ABA濃度、脅迫時間有關(guān)。
3 討論與結(jié)論
3.1 外源ABA對紅砂幼苗光合特性的影響
外施ABA可以調(diào)節(jié)葉片氣孔的開度，使氣孔阻力增大，抑制氣孔的蒸騰作用，大大降低葉片蒸騰失水的速度[24]，因此可以通過提高CO2的同化能力和增強葉黃素循環(huán)來提高植物對光抑制的抗性。本試驗結(jié)果表明，紅砂通過保持較高水平的凈光合速率和蒸騰速率來生存，屬于植物避旱型，葉面噴
[FK（W20][TPZJJ5.tif][FK）]
施ABA后，氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率都在短時間內(nèi)得到較好的抑制，抑制作用較為明顯;隨著光照度增大，Pn在達(dá)到光飽和點前表現(xiàn)出先直線式快速上升然后曲線式緩慢升高的規(guī)律，隨著ABA濃度的增加，紅砂葉片Tr和Gs隨之降低且變化規(guī)律一致，在ABA濃度為100 μmol/L時，Pn下降，Gs隨光照度增大的變化趨勢不明顯，說明其氣孔基本上失去了調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致對光照度變化不敏感，主要與氣孔因素有關(guān)。
ABA脅迫30 d后，隨著光照度的增加，氣孔打開，葉片Gs緩慢上升，但快速增加的Pn使得CO2的供應(yīng)速度趕不上光合速率中CO2消耗的速度，胞間CO2不能及時得到補足，使得Ci在前期迅速下降[光照度≤500 μmol/（m2·s）];隨著光照度進(jìn)一步增加，Pn增加趨勢變緩，而此時Gs也進(jìn)一步開放，因此Ci下降速度變緩，這與周朝彬等對胡楊的研究結(jié)果[20]相似。隨著ABA脅迫時間的延長，Ci、Pn和Tr均低于脅迫初期;而Gs均高于脅迫初期，這可能說明紅砂植株在生長旱季的Gs低于雨季。這些變化表明，適度的ABA濃度（<100 μmol/L）有助于紅砂更好地適應(yīng)逆境，達(dá)到或超過此濃度則不利于紅砂進(jìn)行光合作用，10～100 μmol/L的濃度范圍較大，有效ABA濃度也有可能存在于這一范圍內(nèi)。另外，以上結(jié)果可能還受紅砂自身新合成的ABA、紅砂植株大小以及葉片選擇的影響，更可靠的結(jié)論還需通過進(jìn)一步研究證明。
3.2 外源ABA對紅砂幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
當(dāng)前，越來越多的研究結(jié)果表明，葉綠素的熒光信號通過植物體內(nèi)發(fā)出，蘊含的光合作用信息非常豐富，其特征與植物受脅迫的水平有著密切關(guān)系，能夠迅速、敏銳和無損傷地研究和探測完整植株在應(yīng)力條件下光合作用的真實活動，常用來評估光合功效以及應(yīng)激脅迫對葉綠素?zé)晒庑盘柕挠绊?，所以通過植物光合過程中熒光特征的觀測，能夠了解植物受脅迫的生理狀況[25]。許多研究結(jié)果表明，逆境脅迫的嚴(yán)重程度與Fm/Fo、Fv/Fo、qP、qN等參數(shù)被抑制的水平之間呈正相關(guān)關(guān)系，這些參數(shù)可以作為植物的抗性指數(shù)[26]，已在多種植物中得到了應(yīng)用，對玉米和冬小麥幼苗的研究結(jié)果表明，隨著水分的降低，F(xiàn)o增大，而Fv、Fv/Fm、Fv/Fo顯著降低[27-28]。在通常情況下，暗適應(yīng)后葉片的Fv/Fm是判斷植物是否發(fā)生光抑制的指標(biāo)，未受到環(huán)境脅迫時的Fv/Fm>0.8。本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在正常供水（CK）條件下，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo、Fv均維持在較高水平，其中Fv/Fm在0.8以上，噴施ABA后，這些參數(shù)均不同程度地降低，但隨著ABA濃度變化，各處理的變化趨勢一致，即在ABA為0～1 μmol/L的范圍內(nèi)，各參數(shù)值均下降;在ABA為1～10 μmol/L的范圍內(nèi)，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo呈緩慢上升趨勢，而Fv呈下降趨勢;在ABA為10～100 μmol/L的范圍內(nèi)，各處理的參數(shù)均表現(xiàn)出直線式快速上升的趨勢;當(dāng)ABA濃度為100 μmol/L時，各參數(shù)值均高于對照。由此說明，ABA能緩解干旱脅迫時PSⅡ的傷害，有利于葉片光能的捕捉和轉(zhuǎn)換，從而增強光合作用，緩解脅迫對紅砂的傷害程度，促進(jìn)紅砂幼苗生長，這與毛桂蓮等對枸杞的研究結(jié)果[22]一致。隨著ABA脅迫時間的延長，各處理的參數(shù)均低于脅迫初期。以上變化說明，紅砂幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)與ABA脅迫濃度、脅迫時間有關(guān)。
綜上所述，外施一定濃度ABA（<100 μmol/L），能夠緩解干旱脅迫對紅砂的傷害程度，有效控制葉片的衰老進(jìn)程，促進(jìn)光合作用，超過該濃度時，作用會減小。因此，在荒漠植被恢復(fù)中，可通過噴施外源ABA來提高紅砂的抗旱性，但必須掌握好噴施的濃度。
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