旺長期水分脅迫對紅麻葉片中葉綠素和胡蘿卜素含量的影響

張麗霞，郭曉彥，史鵬飛，聶良鵬，張琳，李梅，凌敬偉，楊光，呂玉虎，潘茲亮*，易紅巖，陳紅，李平

（1.信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 信陽 464000；2.信陽市土壤肥料工作站，河南 信陽 464000）

葉綠素是植物進行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量可以反映植物的光合能力與生長情況［1］。水分不足可引起植物體內(nèi)葉綠素含量發(fā)生變化，因此，水分脅迫下葉綠素含量的變化是植物對水分脅迫反應(yīng)敏感的生理指標之一［2］。目前，有關(guān)水分脅迫影響作物葉綠素含量的研究國內(nèi)已有大量報道［3-13］，董守坤等［4］研究了干旱脅迫對春大豆的影響，發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫程度的加強，葉綠素含量呈下降趨勢；黃承建等［5］研究了干旱脅迫對苧麻葉綠素含量的影響，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫降低了苧麻葉綠素含量，降低幅度和顯著程度取決于干旱脅迫程度和干旱持續(xù)的時間；王蕾等［6］研究了干旱脅迫對3個烤煙品種葉綠素含量的影響，發(fā)現(xiàn)3個烤煙品種的葉綠素含量隨干旱脅迫程度的推進呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

紅麻（Kenaf）是錦葵科（Malvaceae）木槿屬（Hibiscus）一年生韌皮纖維作物，是麻紡和造紙的重要原料，具有纖維產(chǎn)量高、耐旱、耐鹽堿、耐貧瘠、抗逆性強、適應(yīng)性廣、易栽培等特點，在麻紡、造紙、板材、動物飼料、可降解地膜、食用和藥用等領(lǐng)域被廣泛開發(fā)利用［14］。目前國內(nèi)對紅麻的研究多集中在基因測序、重金屬修復(fù)、品種選育和栽培技術(shù)等方面，有關(guān)水分脅迫對紅麻葉綠素等影響的研究較少。基于此，本文著重研究了不同水分脅迫條件下紅麻葉綠素的變化，以期揭示水分脅迫對紅麻葉綠素的響應(yīng)機制及對策，為豫南氣候條件下抗旱節(jié)水栽培提供實踐指導(dǎo)，并為紅麻抗旱指標的選取和紅麻抗旱性研究提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗所采用的紅麻品種為雜紅992，由信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院和廣西大學(xué)共同培育。試驗所用試劑均為分析純。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽方法進行，試驗期間搭遮雨棚。瓦盆規(guī)格為28 cm×40 cm，內(nèi)裝13 kg風(fēng)干沙土，沙土中有機質(zhì)含量 29.32 g/kg，堿解氮 60.87 mg/kg，有效磷 184.21 mg/kg，速效鉀 137.77 mg/kg，pH 5.7，土壤田間最大持水量26%。設(shè)置4個土壤水分處理組：正常灌水（CK），含水量為土壤最大持水量的75%～80%；輕度脅迫（LS），含水量為土壤最大持水量的60%～65%；中度脅迫（MS），含水量為土壤最大持水量的40%～45%；重度脅迫（SS），含水量為土壤最大持水量的20%～25%。土壤含水量根據(jù)GB7172-1987采用（105±2）℃烘干法測定。每個處理重復(fù)4次，每重復(fù)4盆，每盆留4株麻苗。試驗采用稱重法控水，分別于每天早上7：00和傍晚18：00各稱重1次，并補充水分，保持各處理的土壤含水量基本穩(wěn)定。各處理除水分外的其他管理措施均一致。

1.3 葉綠素及類胡蘿卜素含量測定

葉綠素及類胡蘿卜素含量的測定參照王學(xué)奎［15］的方法進行。紅麻旺長期分別于水分處理后5、10、15、20 d取紅麻植株頂部倒數(shù)第6～7葉，去除葉脈后剪碎、混勻。取剪碎混勻后的紅麻葉片0.2 g置于研缽中，加少量石英砂和碳酸鈣粉及95%乙醇2～3 mL，研磨成勻漿，再加95%乙醇10 mL，繼續(xù)研磨至組織變白，靜置3～5 min。濾紙過濾除渣后，濾液用95%乙醇定容至25 mL。以95%乙醇為空白，用紫外可見分光光度計（1 cm比色槽）測定定容后的濾液在665、649、470 nm波長下的吸收值。葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a＋b）和類胡蘿卜素含量采用下列公式計算，并以mg/g表示。

式中：

A665、A649、A470—相應(yīng)波長下的最大吸收峰值；

V—提取液的體積，mL；

N—稀釋倍數(shù)；

W—葉片鮮重，g；

Ca—葉綠素 a含量，mg/L；

Cb—葉綠素 b含量，mg/L。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

采用Excel 2007進行圖表制作，采用SAS8.0對數(shù)據(jù)進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對紅麻葉片中葉綠素a含量的影響

由圖1可知，隨著脅迫時間的延長，CK和LS處理下，紅麻葉片中葉綠素a含量呈下降的趨勢；而MS處理和SS處理下，紅麻葉片中葉綠素a含量則表現(xiàn)為先降低后升高。脅迫5 d時，SS處理的葉綠素a含量顯著高于對照（CK），且達極顯著水平（p＜0.01），而LS處理和MS處理的葉綠素a含量比對照略低，未達到顯著水平（p＞0.05）。隨著脅迫時間延長，SS處理的葉綠素a含量急速降低，脅迫10 d時，SS處理的葉綠素a含量顯著低于CK（p＜0.05），LS處理的葉綠素a含量也有所下降，但和CK比未達到顯著水平，MS處理的葉綠素a含量顯著低于對照，同時低于LS處理。之后，CK處理的葉綠素a含量繼續(xù)下降，其他3個處理葉綠素a含量有不同程度回升，脅迫到15 d時，3個處理的葉綠素a含量均高于對照（CK），且達到極顯著水平。其中，MS處理回升的幅度最大，其次是SS處理。脅迫從15～20 d的過程中，CK處理葉綠素a含量繼續(xù)下降，LS處理也有小幅下降，MS處理小幅度上升，SS處理快速上升，脅迫20 d時，SS處理葉綠素a含量顯著高于其他3個處理，LS和MS處理之間不顯著，但同時高于CK處理，形成SS＞MS＞LS＞CK的趨勢。

圖1 脅迫時間對不同脅迫處理葉綠素a含量的影響Fig.1 Effect of stress time on chlorophyll-a content under different stress treatments

2.2 水分脅迫對紅麻葉片中葉綠素b含量的影響

從圖2可見，除LS處理隨脅迫時間的延長葉綠素b含量持續(xù)下降外，其他2個處理的葉綠素b含量同對照有相同的變化趨勢，均隨脅迫時間的延長先下將后上升，且隨脅迫程度的加深，下降和上升的幅度增加，而且均在脅迫15 d時葉綠素b含量降到最低。脅迫5 d時，SS處理葉綠素b含量略高，其他3個處理幾乎相同，處理間未達到顯著水平（p＞0.05）。隨著脅迫時間的延長，各處理葉綠素b含量的差距加大。脅迫10 d和15 d時葉綠素b含量均呈現(xiàn)LS＞SS＞MS＞CK的趨勢，且LS處理葉綠素b含量均顯著高于對照，10 d時LS處理葉綠色素b含量和MS、SS處理相比差異不顯著（p＞0.05），15 d時相較于MS處理差異顯著（p＜0.05），但同SS處理相比不顯著；之后LS處理葉綠素b含量繼續(xù)下降，但其他3個處理葉綠素b含量開始上升，脅迫到20 d時，SS處理葉綠素b含量已超過LS處理，且顯著高于其他3個處理（p＜0.01）。MS處理和CK處理葉綠素b含量均稍有增加，且MS處理顯著高于CK（p＜0.05），和LS相比未達顯著水平（p＞0.05），LS處理持續(xù)下降，MS處理葉綠素b含量反超LS處理，脅迫結(jié)束，葉綠素b含量的趨勢也變?yōu)镾S＞MS＞LS＞CK。

圖2 脅迫時間對不同脅迫處理葉綠素b含量的影響Fig.2 Effect of stress time on chlorophyll-b content under different stress treatments

2.3 干旱脅迫對紅麻葉片中葉綠素（a＋b）含量的影響

由圖3可看出，葉綠素（a＋b）含量的變化趨勢和葉綠素a的變化趨勢一致。隨著脅迫時間的延長，CK和LS處理下紅麻葉片中的葉綠素（a＋b）含量呈下降的趨勢，MS和SS處理下紅麻葉片中的葉綠素（a＋b）含量先降低后升高。脅迫5 d時，SS和CK處理的葉綠素（a＋b）含量高于LS和MS處理，SS處理葉綠素（a＋b）最高，但和CK處理相比未達顯著水平。脅迫到10 d時，SS處理葉片中葉綠素（a＋b）含量顯著低于LS處理，和CK處理相比未達顯著水平，顯著高于MS處理；MS處理葉片中葉綠素（a＋b）含量同時顯著低于LS處理，和CK相比不顯著，LS處理葉片中葉綠素（a＋b）含量和CK相比不顯著。脅迫到15 d，CK處理的葉綠素（a＋b）含量已極顯著低于其他3個處理（p＜0.01），而LS處理葉綠素（a＋b）含量顯著高于MS和SS處理，MS和SS處理間未達顯著水平。之后，CK處理葉綠素（a＋b）含量繼續(xù)下降，LS處理也有小幅下降，MS處理小幅度上升，SS處理快速上升。脅迫到20 d時，SS處理的葉綠素（a＋b）含量已極顯著高于其他3個處理，MS和LS處理也顯著高于對照，兩處理間差異不顯著，SS＞MS＞LS＞CK的趨勢再次出現(xiàn)。

圖3 脅迫時間對不同脅迫處理葉綠素（a＋b）含量的影響Fig.3 Effect of stress time on chlorophyll（a＋b）content under different stress treatments

2.4 干旱脅迫對紅麻葉片中葉綠素 a/b值的影響

圖4顯示，對照（CK）處理葉片中葉綠素a/b值先升高后降低，且從始至終高于其他處理；LS處理葉綠素a/b值先下降后上升，MS和SS處理葉綠素a/b值均是先降低后升高再降低。MS處理脅迫10 d時略降低，之后經(jīng)歷了快速增加和緩慢降低兩個過程，SS處理在整個脅迫過程中葉綠素a/b值較穩(wěn)定。脅迫5 d時，LS處理的葉綠素a/b值低于其他3個處理，但處理間差異不顯著（p＞0.05）。脅迫到10 d時，LS和MS處理葉片中葉綠素a/b值顯著低于CK處理（p＜0.05），低于SS處理，兩處理間差異不顯著。脅迫到15 d時，CK處理葉片中葉綠素a/b值顯著高于LS和SS處理（p＜0.05），高于MS處理，但未達顯著水平，LS、MS和 SS處理間差異不顯著。脅迫到20 d，LS和MS處理的葉綠素a/b值和CK處理相比差異不顯著，SS處理顯著低于對照處理（p＜0.01）。脅迫結(jié)束后各處理葉片中葉綠素a/b的順序為CK＞LS＞MS＞SS。

圖4 脅迫時間對不同脅迫處理葉綠素a/b值的影響Fig.4 Effect of stress time on chlorophyll a/b content under different stress treatments

2.5 干旱脅迫對紅麻葉片中類胡蘿卜素含量的影響

類胡蘿卜素可參與植物光合機構(gòu)中過剩光能的耗散，進而使植物免受光抑制的損傷，除吸收傳遞光能外，還可起保護作用［16］。由圖5可知，不同脅迫處理葉片中類胡蘿卜素含量變化趨勢并不一致，CK和LS處理的葉片類胡蘿卜素含量隨脅迫時間的延長持續(xù)降低；MS處理葉片中類胡蘿卜素含量經(jīng)歷了先降低后升高然后又下降的過程，而SS處理葉片中類胡蘿卜素含量則先下降后升高。4個處理中LS處理葉片中類胡蘿卜素含量變化相對穩(wěn)定。脅迫開始到第5 d，CK處理葉片中的類胡蘿卜素含量顯著高于MS和SS處理，和LS處理相比差異不顯著，MS、SS和LS 3處理間差異也不顯著；脅迫到第10 d時，CK處理葉片中類胡蘿卜素含量顯著高于其他3個處理，且和MS處理相比達極顯著水平；脅迫到15 d，CK處理葉片中類胡蘿卜素含量持續(xù)降低，已顯著低于LS和MS處理，但和SS處理相比未達顯著水平；脅迫到20 d，CK處理葉片中類胡蘿卜素含量已顯著低于其他3個處理，且和MS和SS處理相比達極顯著水平（p＜0.01），MS處理葉片中類胡蘿卜素含量顯著低于SS處理。經(jīng)過20 d的脅迫，類胡蘿卜素含量趨勢變?yōu)镾S＞MS＞LS＞CK。

3 討論和結(jié)論

葉綠素對光能的吸收、轉(zhuǎn)換和利用起著重要作用，葉綠素a反映作物對長波光的吸收程度［17］，葉綠素b有利于短波光吸收，參與光能傳遞［18］。葉綠素（a＋b）含量在一定程度上可以代表作物光合作用的強度，含量變化指示植物對水分脅迫的敏感性，直接影響光合效率和光合產(chǎn)量［19］。

在水分脅迫下，葉綠素含量、葉綠素成分組成及比例在不同的處理間有著不同的變化［20］，有研究［21-23］顯示，在水分脅迫下作物葉片的葉綠素含量降低，也有研究［24-26］顯示經(jīng)過一定的水分脅迫葉綠素含量反而升高，目前尚不清楚水分脅迫對葉綠素含量的影響途徑和機理，但植物在水分脅迫下增加葉綠素含量，將增強其在逆境中的生存能力［20］。本研究表明，在一定的土壤含水量下（CK和LS），葉綠素（a＋b）含量隨脅迫時間的延長而降低，超過一定的土壤含水量（MS和SS）后，植株葉片的葉綠素（a＋b）含量不降反升，這可能是水分脅迫減弱了植物光合作用，植物通過提高葉綠素含量來維持光合速率。水分脅迫下葉綠素含量下降的原因可能與質(zhì)膜透性、膜質(zhì)過氧化物MDA、葉綠素分解加快有關(guān)［27］，或者是葉綠素分解量大于葉綠素濃度的相應(yīng)增加量，這與李葉峰等［28］的研究相似。也可能是因為土壤水分充足時紅麻長勢較好，葉面積擴展快，葉綠素的積累少；在土壤含水量較低的情況下，葉綠素含量上升可能是由于土壤干旱，造成葉片失水，葉綠素的濃度相應(yīng)增加導(dǎo)致，且這種現(xiàn)象在耐旱性極強的植物中很是常見，抗旱性強的植物，即使在水分脅迫下，也能保持較高的葉綠素含量，從而保持較高的生長速率［25-26］。

葉片中葉綠素a的變化趨勢和葉綠素（a＋b）一致，持續(xù)的水分脅迫過程中葉綠素b的含量只是出現(xiàn)了較小的波動，這說明持續(xù)水分脅迫并未嚴重影響到葉綠素b的含量，葉綠素（a＋b）變化主要是由葉綠素a的減少引起的。這可能是由于水分脅迫引起植物體內(nèi)活性氧的積累，進而引發(fā)了葉綠素a的破壞［20］，直接證明了葉綠素a更容易被分解破壞，這和趙靜等［18］的研究一致。

葉綠素的代謝是一個動態(tài)平衡的過程，光合強度與葉綠素a/b值密切相關(guān)［19］，葉綠素a/b值下降的程度可評定植物的抗旱性［29-30］。前人研究［18，29］表明，葉綠素 a/b與作物抗旱性呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，在一定范圍內(nèi)比值越低，吸收率越高。據(jù)張明生等［29］報道，葉綠素a/b比值愈大，膜脂過氧化作用愈強，品種抗旱性愈弱；聶華堂等［30］認為抗旱性越強的品種，隨著水分脅迫程度的加深，葉綠素a/b值的變化幅度越小。本試驗研究中，CK處理的葉綠素a/b值始終高于其他3個脅迫處理，說明在水分脅迫的情況下，葉綠素的轉(zhuǎn)化和傳遞受到抑制。這也驗證了水分脅迫下葉綠素a較葉綠素 b更為敏感，容易被分解破壞。SS處理葉綠素a/b值相對穩(wěn)定，也驗證了聶華堂等［30］的結(jié)論，說明紅麻的抗旱性很強。

類胡蘿卜素是植物體中重要的抗氧化物質(zhì)，在減輕和消除由干旱等逆境引發(fā)的活性氧傷害方面直接發(fā)揮作用，同時通過逆境激素 ABA間接在植物抗旱中發(fā)揮作用［31］。白志英等［16］研究表明，在水分脅迫下，小麥葉片類胡蘿卜素含量明顯下降。本試驗中，LS和CK處理的類胡蘿卜素含量隨脅迫時間的延長持續(xù)降低，MS處理先降低后升高然后又下降，SS處理呈先下降后升高的趨勢。脅迫結(jié)束時，類胡蘿卜素含量趨勢為SS＞MS＞LS＞CK，這和葉綠素總量和葉綠素成分組成的變化趨勢完全一致。CK和LS處理類胡蘿卜素含量降低，可能是水分脅迫減弱了葉片類胡蘿卜素的生物合成過程，使類胡蘿卜素含量有減小的趨勢，也可能是葉片的長勢太快，稀釋了類胡蘿卜素的濃度造成的；而MS和SS處理，類胡蘿卜素含量先降低后升高，降低原因可能是類胡蘿卜素的降解速度大于生成速度，也可能是稀釋作用導(dǎo)致的，而上升的原因可能是植株葉片含水率降低，葉片組織液濃縮，同時誘導(dǎo)了類胡蘿卜素相關(guān)基因的表達，從而使葉片單位面積類胡蘿卜素的濃度增加。MS處理類胡蘿卜素含量增加后的降低可能是紅麻本身的長勢和類胡蘿卜素的降解速度共同決定的。

愈世雄等［12］研究表明，小麥花期適當干旱，可誘發(fā)植株的抗旱能力。作物在逆境條件下，若關(guān)鍵生育期內(nèi)能保持葉片較高的葉綠素含量，維持一定的持綠特性，可有效增強作物在逆境條件下的生存能力，提高產(chǎn)量和品質(zhì)［32］。本試驗結(jié)果顯示，適當?shù)母珊担梢越档图t麻葉片中葉綠素含量，但在較低的土壤水分含量情況下經(jīng)過短期脅迫，紅麻葉片能夠保持較高的葉綠素含量，這和蘇其紅［33］、周宇飛等［34］的研究一致，同時也進一步證明了紅麻是適應(yīng)性廣、耐旱性強的作物。

由上述的分析可以得出，在水分脅迫下，通過比較不同水分脅迫處理下紅麻葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素（a＋b）含量、葉綠素（a/b）值的變化以及類胡蘿卜素含量發(fā)現(xiàn)，紅麻抗旱特性顯著。但鑒于葉綠素在水分脅迫下變化的復(fù)雜性，還需進一步的深入研究，探索其變化對紅麻抗性的影響。