不同土壤含水率對紅豆杉幼苗葉片氣體交換和葉綠素熒光特性的影響

張玉豪，姚素梅，孟 麗，鄧 哲

(河南科技學院生命科技學院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

紅豆杉具有珍貴的藥用價值，是我國一級重點保護植物，其主要有效藥用成分紫杉醇能夠抑制癌細胞的繁殖與轉(zhuǎn)移，對癌癥有很好的療效[1-3]。如今，癌癥患者的數(shù)量不斷增加，紫杉醇的需求量逐漸增大，由于通過組織培養(yǎng)或真菌發(fā)酵等途徑獲取紫杉醇的成本高、產(chǎn)量低、步驟復雜，因此，從紅豆杉屬植株中直接提取紫杉醇是解決紫杉醇供應(yīng)不足的有效途徑[4-6]。但由于紅豆杉生長緩慢，且對生長環(huán)境有很高的要求，野生紅豆杉資源十分有限。近些年野生紅豆杉被人類大肆采伐，致使野生紅豆杉呈瀕危狀態(tài)[7]。土壤水分是影響植物生長發(fā)育的重要因素之一[8]，探究出適合紅豆杉生長的土壤含水率閾值對紅豆杉人工馴化栽培技術(shù)的研究具有十分重要的意義。但前人對紅豆杉栽培技術(shù)的研究多集中在不同土壤基質(zhì)[9]、光照[10]和溫度[11]對紅豆杉生理和生長的影響，而不同土壤含水率對紅豆杉幼苗光合特性影響的研究不夠深入且報道甚少，本試驗通過設(shè)定不同的土壤含水率閾值，研究不同土壤含水率對紅豆杉幼苗葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光特性的影響，為紅豆杉的人工馴化栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年3—6月在位于河南省新鄉(xiāng)市的河南科技學院藥用植物栽培場(113°54′E,35°18′N)進行，該地屬大陸性季風氣候，多年平均降水量600 mm左右，多年平均氣溫14.4℃。栽培場頂部采用鐵皮棚進行遮雨，四周用6針型遮陽網(wǎng)進行遮陰處理，遮陽棚用鋼架制造，高約3 m，紅豆杉幼苗盆栽所用盆的直徑和高度均為30 cm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以30盆生長一致的5 a生太行紅豆杉幼苗盆栽為材料，將紅豆杉幼苗盆栽分成5組并均勻放置在陰涼通風的防雨棚中，用稱重法將5組紅豆杉幼苗的土壤含水率閾值分別控制在田間持水率的90%～100%(W1)、80%～90%(W2)、70%～80%(W3)、60%～70%(W4)、50%～60%(W5)。每2 d測量1次土壤含水率，若土壤含水率低于設(shè)定的閾值下限則澆水至閾值上限。其中紅豆杉幼苗盆栽所用基質(zhì)的成分是稻殼∶土∶雞糞=3∶3∶1，其田間持水率為21%(質(zhì)量含水率)。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 紅豆杉幼苗葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素相對含量(SPAD值)的測定 采用Li-6400型便攜式光合測定儀于晴朗天氣的上午9∶00—11∶00隨機選取各處理具有代表性的植株3株測定其葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等葉片氣體交換參數(shù)。由于紅豆杉葉片較小不能鋪滿葉室，測量時同時夾取4片葉子，使其相互平行不重疊且與葉室垂直，測量上述各指標后用游標卡尺測量葉片寬度，換算出實際葉面積，用于數(shù)據(jù)處理。采用日本產(chǎn)SPAD-502型葉綠素儀測定紅豆杉葉片的葉綠素相對含量，測量時，所有處理在同一冠層處選取葉片，每個處理選取10片葉片，每片葉用葉綠素儀重復測定20次，取其平均值(SPAD值)。

1.3.2 紅豆杉幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)和快速光曲線(r(ETR-PAR))的測定 采用德國WALZ公司生產(chǎn)的PAM-2500型便攜式葉綠素熒光儀于晴天上午9∶00—11∶00測量紅豆杉幼苗葉片的葉綠素熒光參數(shù)和快速光曲線。測量時，選擇各處理相同冠層處的葉片進行活體測量。測量前先將暗適應(yīng)葉夾夾在葉片上，讓葉片進行20 min以上的暗適應(yīng)，然后測量葉片的慢速動力學曲線，得到F0、Fm、qP、NPQ、ETR和Y(Ⅱ)等熒光參數(shù)，并根據(jù)所測定的熒光參數(shù)計算最大光合量子產(chǎn)量Fv/Fm(Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm)和PSⅡ潛在活性Fv/F0(Fv/F0=(Fm-F0)/F0)。測量快速光曲線時，將光合有效輻射PAR分別設(shè)置為0、1、5、30、63、100、140、197、270、362、473、618、784、980、1 159、1 385、1 662 μmol·m-2·s-1。采用1980年P(guān)latt等[12]提出的擬合方程(式1)對快速光曲線進行擬合：

P=Pm·(1-e-α·PAR/Pm)·e-β·PAR/Pm

(1)

式中，P為光合速率，即相對電子傳遞速率rETR，Pm為最大光合速率，即最大相對電子傳遞速率rETRmax，α為初始斜率，β為光抑制參數(shù)。

半飽和光強(Ik) 的計算公式為:

Ik=Pm/α

1.3.3 紅豆杉幼苗生長狀況的測定 于試驗結(jié)束前測量各處理紅豆杉幼苗的株高、地莖和葉面積指數(shù)(LAI)等生長指標。從盆栽的盆沿處到植株頂端的距離記為紅豆杉幼苗的株高。與盆栽盆沿等高處的株干直徑為紅豆杉幼苗的地徑。采用LAI-2200型冠層分析儀于每日的日出前或日落后光線比較均勻時測量各處理的葉面積指數(shù)(LAI值)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用SAS統(tǒng)計軟件中的ANOVA過程對數(shù)據(jù)進行方差分析。利用Microsoft Excel 2013對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤含水率對紅豆杉幼苗葉片氣體交換參數(shù)和SPAD值的影響

從表1得知，隨著土壤含水率的下降紅豆杉幼苗葉片的SPAD值呈先升高后下降趨勢，W2處理的SPAD值最大且與W1、W4和W5處理差異顯著。各處理間凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率的變化趨勢與葉綠素相對含量的趨勢基本相似，均在W2處理達到最大值，分別比W1增長了24.65%、19.71%和49.37%，比W5增長了53.03%、35.91%和85.60%。但各處理葉片的胞間CO2濃度無顯著差異，表明土壤含水率過高和過低均不利于紅豆杉幼苗葉片葉綠素的積累和氣孔的開放，使葉片的凈光合速率下降。其中，W2處理的紅豆杉幼苗葉片SPAD值和凈光合速率最大，有利于紅豆杉幼苗光合作用的進行。

2.2 不同土壤含水率對紅豆杉幼苗葉片葉綠素熒光特性的影響

2.2.1 不同土壤含水率對紅豆杉幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)F0、Fm、Fv/F0和Fv/Fm的影響PSⅡ最大光合量子產(chǎn)量Fv/Fm能夠反映出PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率，在植物未受到脅迫時，F(xiàn)v/Fm的數(shù)值一般在0.8左右[13]。從圖1得知，本試驗中，各處理Fv/Fm的數(shù)值均在0.8左右且無顯著差異，各處理紅豆杉幼苗葉片的初始熒光產(chǎn)量F0、最大熒光產(chǎn)量Fm和PSⅡ潛在活性Fv/F0均無顯著差異。表明50%～100%的土壤含水率均未能使紅豆杉幼苗葉片的光合機構(gòu)受到損傷，低土壤含水率處理的紅豆杉幼苗葉片PSⅡ仍保持較高的潛在活性。

2.2.2 不同土壤含水率對紅豆杉幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)qP、NPQ、ETR和Y(Ⅱ)的影響 光化學淬滅系數(shù)qP可表示葉綠素吸收的光能用于光化學反應(yīng)的大小，能夠反映出植物PSⅡ反應(yīng)中心將光能轉(zhuǎn)化成電勢能的能力[14]。非光化學淬滅系數(shù)NPQ能夠表示光合色素吸收的光能以熱能的形式散去的部分，在干旱等逆境環(huán)境下，NPQ數(shù)值增大，植物通過增大熱耗散來避免過剩光能對光合系統(tǒng)造成損傷[15-16]。電子傳遞速率ETR能夠反映實際光強條件下的表觀電子傳遞速率[17]，實際光化學效率Y(Ⅱ)常用來表示植物光合作用電子傳遞的量子產(chǎn)額，可反映出植物葉片光合電子傳遞速率的快慢[18]。從圖2得知，隨著土壤含水率的降低，紅豆杉幼苗葉片qP、ETR和Y(Ⅱ)的趨勢先升后降，在W2處理處達到最大值，分別比W5增長了15.38%、30.74%和21.76%。隨著土壤含水率的下降，紅豆杉幼苗葉片NPQ升高，葉片熱耗散能力增加，W5的NPQ值達1.4347，比W1增長了36.78%，且差異顯著。表明W2處理能夠顯著增大PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，有利于光能向電勢能的轉(zhuǎn)化，增大了電子傳遞速率。隨著土壤含水率的降低，紅豆杉幼苗通過增大熱耗散的形式抵御干旱，避免紅豆杉幼苗光合系統(tǒng)受到損傷。

表1 不同處理紅豆杉幼苗葉片氣體交換參數(shù)和SPAD值

注: 圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著( P<0.05) 。下同。 Note: The different lowercase letters in the figure indicate the significant difference among treatments (P<0.05). The same below.圖1 不同處理的紅豆杉幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0Fig.1 Chlorophyll fluorescence parameters F0, Fm, Fv/Fm, and Fv/F0 in leaves ofTaxus chinensis seedlings under different treatments

圖2 不同處理的紅豆杉幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)qP、NPQ、ETR和Y(Ⅱ)Fig.2 Chlorophyll fluorescence parameters qP, NPQ, ETRand Y(Ⅱ) in leaves ofTaxus chinensis seedlings under different treatments

2.2.3 不同土壤含水率對紅豆杉幼苗葉片快速光曲線(r(ETR-PAR))的影響 由圖3可知，5個處理的rETR快速光擬合曲線趨勢相似，W1和W5處理的rETR快速光擬合曲線基本一致，各處理rETR隨PAR的增大迅速升高，當PAR>400 μmol·m2·s-1時，rETR增速放緩，之后趨于穩(wěn)定。W2處理的紅豆杉幼苗葉片rETR值最大，W5處理的紅豆杉幼苗葉片rETR值最小，W1、W3和W4處理的紅豆杉幼苗葉片rETR值位于W2和W5處理之間。從表2可知，各處理的擬合參數(shù)最大相對電子傳遞速率rETRmax值和半飽和光強Ik值存在顯著差異，初始斜率α值無顯著差異，其中，W5處理的rETRmax和Ik數(shù)值最小，W2葉片rETRmax和半飽和光強Ik數(shù)值最大，與W1、W3、W4和W5相比，W2葉片rETRmax增長了24.40%、4.93%、12.60%和26.15%，Ik增長了25.06%、7.70%、18.20%、和27.08%。初始斜率α能夠表示光化學反應(yīng)的啟動速率，半飽和光強Ik能夠表示植株的耐強光能力[19-20]。試驗表明，50%～100%的土壤含水率未能影響紅豆杉幼苗葉片光化學反應(yīng)的啟動速率，但W2處理能夠顯著增大紅豆杉幼苗葉片的rETRmax和耐強光能力，使紅豆杉幼苗葉片有較強的光合電子傳遞能力。

圖3 不同處理的紅豆杉幼苗葉片rETR快速光曲線Fig.3 Rapid light curveof rETR in leaves of Taxus chinensis seedlings under different treatments

2.3 不同土壤含水率對紅豆杉幼苗生長狀況的影響

從表3得知，不同土壤含水率能夠顯著影響紅豆杉幼苗的生長狀況，不同處理的紅豆杉幼苗株高、地徑和葉面積指數(shù)LAI值均于試驗后期出現(xiàn)差異。其中，W2處理的紅豆杉幼苗株高、地徑和葉面積指數(shù)LAI值最大，分別為58.95 cm、7.76 mm和4.01，且與其他處理差異顯著，W1處理的紅豆杉幼苗株高顯著低于W2～W4處理，地徑顯著低于W2～W3處理,W5處理的紅豆杉幼苗各生長指標最小且與其他處理差異顯著，表明土壤含水率過高和過低均不利于紅豆杉幼苗的生長，W2處理為適合紅豆杉幼苗生長的土壤含水率閾值。

3 討 論

土壤水分狀況能夠顯著影響植物葉片的光合特性，適宜的土壤水分含量可使植物的光合效率達到最大，而土壤水分含量過高或過低均會使植物的光合效率降低[21-22]。本試驗中，不同土壤含水率對紅豆杉幼苗的葉片氣體交換參數(shù)有著顯著影響。紅豆杉幼苗葉片的葉綠素相對含量、氣孔導度、蒸騰速率和凈光合速率均在土壤含水率閾值為W2時達到最大值，當土壤含水率閾值為W1、W4和W5時，葉綠素相對含量開始顯著下降，而氣孔導度在W5處理時才開始顯著降低，可能是因為葉片氣孔開度的變化與蒸騰量和根系吸水等因素有關(guān)[23]，W5處理土壤含水率低，根系吸水量小于蒸騰量，葉片通過減小氣孔的開放程度來應(yīng)對干旱環(huán)境。葉綠素熒光作為光合作用的探針, 能夠反映出葉片光能吸收和光化學反應(yīng)等光合作用過程[24-25]，且可以在不破壞葉片的前提下快速、準確地判斷植物的光合特性、受脅迫狀態(tài)和光保護能力[26]。本試驗中，各處理紅豆杉幼苗葉片F(xiàn)0、Fm、Fv/Fm、Fv/F0和初始斜率α等參數(shù)無顯著差異，NPQ呈上升趨勢，表明5個處理的紅豆杉幼苗葉片光合機構(gòu)未受到破壞，低土壤含水率處理的紅豆杉幼苗葉片可以通過增加熱耗散的方式抵御干旱環(huán)境，從而使PSⅡ反應(yīng)中心仍保持較高的潛在活性和光化學反應(yīng)啟動速率。但在W2土壤含水率閾值下，紅豆杉幼苗葉片的PSⅡ反應(yīng)中心開放程度最大，電子傳遞速率最快，葉片的耐強光能力最大，可以將捕獲的光能最大程度地轉(zhuǎn)化成電勢能，從而提升了紅豆杉幼苗葉片的光合電子傳遞能力，增強紅豆杉幼苗的光合能力。因此，土壤含水率閾值為W2時有利于紅豆杉幼苗光合作用的進行。

表2 不同處理紅豆杉幼苗葉片快速光曲線Platt模型擬合參數(shù)

表3 不同處理的紅豆杉幼苗生長性狀

植物光合作用的增強會促進植物干物質(zhì)的積累，從而改善植物的生長狀況，提升作物的產(chǎn)量[27]。本試驗中，不同土壤含水率對紅豆杉幼苗的光合作用影響顯著，在試驗后期，各處理紅豆杉幼苗株高、地徑和葉面積指數(shù)LAI值等生長指標均表現(xiàn)出了差異。其中，在W2土壤含水率閾值下，紅豆杉幼苗的株高、地徑和葉面積指數(shù)LAI值達到最大，且與其他各處理相比差異顯著，因此，在試驗土壤含水率閾值范圍內(nèi)，W2處理是適合紅豆杉幼苗生長的最佳土壤含水率閾值。

4 結(jié) 論

1)不同土壤含水率能夠顯著影響紅豆杉幼苗的葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光特性。紅豆杉幼苗葉片葉綠素相對含量、氣孔導度、凈光合速率和蒸騰速率在W2處理達到最大值，且W2土壤含水率處理下紅豆杉幼苗葉片qP、ETR和Y(Ⅱ)值最高。隨著土壤含水率的下降，紅豆杉幼苗葉片NPQ升高，葉片熱耗散能力增強，W5 處理的NPQ值達1.4347。W2顯著增大了葉片rETRmax和半飽和光強Ik，因此，在試驗閾值范圍內(nèi)，土壤含水率閾值為W2時有利于紅豆杉幼苗光合作用的進行。

2)不同土壤含水率能夠顯著影響紅豆杉幼苗的生長狀況。W2處理的紅豆杉幼苗株高、地徑和葉面積指數(shù)LAI值最大，分別為58.95 cm、7.76 mm和4.01,且與其他處理差異顯著。因此，在試驗閾值范圍內(nèi)，土壤含水率閾值為W2時(田間持水率的80%～90%)最適合紅豆杉幼苗的生長。