干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種光合日變化特征的差異分析

王 爽，侯毅興，褚佳瑤，盧倩倩，周 龍

（新疆農(nóng)業(yè)大學 園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052）

全世界的耕地面積（1.4×109hm2）中有43%的土地位于干旱和半干旱地區(qū)。隨著全球變暖，水資源短缺問題日益凸顯，干旱已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要災(zāi)害[1]。新疆維吾爾自治區(qū)是中國葡萄栽培面積最大的省區(qū)，其葡萄栽培地主要集中在南疆的塔里木盆地，南疆的土地面積占新疆全區(qū)土地總面積的73%，而其水資源徑流量卻僅占新疆全區(qū)水資源徑流總量的50%。因此，水資源的短缺已成為制約新疆葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因子[2]。土壤水分缺失會導致葡萄的光合作用受到限制，而光合作用是葡萄積累干物質(zhì)的重要途徑之一[3]。因此，研究干旱條件下葡萄的光合特性尤為重要，諸多學者對此方面的研究報道較多。胡宏遠等[4]研究發(fā)現(xiàn)，‘赤霞珠’在遭受干旱脅迫后其凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均明顯下降；馮延芝等[5]在對干旱脅迫下楸葉泡桐幼苗光合生理響應(yīng)情況的分析中發(fā)現(xiàn)，造成凈光合速率下降的主要原因為氣孔限制。姚春娟等[6]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下決明屬植物的光合速率日變化曲線類型表現(xiàn)為“雙峰”型；周興本等[7]的研究結(jié)果表明，‘無核白雞心’的光合速率日變化曲線呈單峰曲線，且在土壤含水量較低時其光合速率明顯低于土壤含水量較高組的?？霞披惖萚8]的研究結(jié)果表明，干旱脅迫下，抗旱性弱的品種其葉片光合能力的降幅顯著大于抗旱性強的品種的。目前，評價葡萄抗旱性的指標主要集中為相對含水量、細胞膜透性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化酶系統(tǒng)等生理生化方面的指標[9-10]，而從光合日變化的角度評價葡萄抗旱性的研究報道卻較少。為給干旱地區(qū)鮮食葡萄品種的引種提供理論參考依據(jù)，分別以新疆主栽的鮮食葡萄品種‘火焰無核’‘夏黑’和近年來從日本和美國等國家引進的鮮食葡萄品種‘黑脆無核’‘陽光玫瑰’‘深紅玫瑰’‘浪漫紅顏’‘絲路紅玫瑰’為研究對象，設(shè)置不同程度的干旱脅迫處理進行盆栽控制試驗，研究7個鮮食葡萄品種的光合日變化情況，旨在評價其抗旱能力的強弱。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為北方園藝廠提供的苗齡為1 a的扦插苗，基部粗度為8.5～9.5 mm，帶有4～6個芽眼，供試的7個品種的來源、親本及選育單位等基本信息見表1。

表1 供試品種的基本信息Table 1 Basic information of the tested varieties

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020年8月8日在新疆農(nóng)業(yè)大學園藝學院實驗地進行。將葡萄幼苗種植于上口直徑為25 cm、下口直徑為20 cm、高為25 cm的塑料花盆中，栽植土壤為營養(yǎng)土，每盆營養(yǎng)土的質(zhì)量為5 kg，每盆栽植葡萄幼苗1株，每個品種各栽12盆。定植后就開始控制土壤水分，直至2020年8月23日停止脅迫，持續(xù)處理時間共計15 d。采用稱重補水法控制盆栽土壤水分含量，于每天9:00時進行稱重補水，每個處理各重復處理3盆，共計84盆。搭建簡易遮雨棚以防止雨水洗淋。試驗共設(shè)置3個土壤水分梯度，即以土壤相對含水量分別達到20%、40%和60%依次代表重度干旱脅迫（H3）、中度干旱脅迫（H2）和輕度干旱脅迫（H1），以土壤相對含水量達到80%作為對照（CK）。

1.3 測定指標與測定方法

1.3.1 葉綠素的測定

采用日本Minolta公司生產(chǎn)的美能達牌SPAD-502葉綠素儀測定葉綠素的含量，每個處理各選取長勢一致的葡萄植株3株，選取新梢中部的成熟葉片做好標記，于脅迫處理后第15天，在葉緣和葉脈中間部位進行測定，每片葉重復讀數(shù)3次。

1.3.2 光合指標的測定

采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合儀測定光合指標，于脅迫處理后第15天的9:00—21:00時，每隔2 h測定1次凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)和繪圖，用SPSS 19.0軟件對各脅迫處理的觀測數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和主成分分析，再以分析得出的數(shù)據(jù)進行隸屬函數(shù)分析。當相關(guān)光合指標與抗旱性呈正相關(guān)時，隸屬函數(shù)值的計算公式為式（1）；若相關(guān)光合指標與抗旱性呈負相關(guān)時，隸屬函數(shù)值的計算公式為式（2）。綜合評價值（D）的計算公式為式（3）。

上式中：U(Xij)為i品種j指標的隸屬函數(shù)值；Xij為i品種j指標的測定值，Xjmin為該指標的最小值，Xjmax為該指標的最大值。Am為第m個主成分的權(quán)重系數(shù)，n為測定指標個數(shù)；D值表示綜合評價值，D值越大表示該葡萄品種的抗旱性越強[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同程度的干旱脅迫對7個鮮食葡萄品種葉綠素相對含量的影響

葉綠素是重要的光合色素，在光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)化等方面起著重要的作用[12]。葡萄葉片的葉綠素含量可以用葉綠素相對含量間接反映[13]。不同程度的干旱脅迫下7個葡萄品種的葉綠素相對含量（SPAD）見表2。由表2可知，在不同程度的干旱脅迫下，7個鮮食葡萄品種的葉綠素相對含量均低于對照處理的，且其葉綠素相對含量隨著干旱脅迫程度的加重而減小。對照處理下7個鮮食品種的葉綠素相對含量無顯著性差異，其含量為37.14～39.66；而隨著干旱脅迫的加劇，各個品種間開始出現(xiàn)顯著性差異，尤其是在重度干旱脅迫下，與對照處理的相比，‘絲路紅玫瑰’和‘浪漫紅顏’的葉綠素相對含量降幅分別達到36.62%與34.60%；而其降幅較小的葡萄品種分別為‘黑脆無核’和‘陽光玫瑰’，其降幅分別僅為15.71%與17.47%?！鹧鏌o核’‘夏黑’和‘深紅玫瑰’的葉綠素相對含量雖然也均呈下降趨勢，但其降幅處于中間水平。

表2 不同程度的干旱脅迫對7個鮮食葡萄品種葉綠素相對含量的影響?Table 2 The effects of different drought stress levels on the chlorophyll SPAD value of 7 fresh varieties

2.2 不同程度的干旱脅迫對7個鮮食葡萄品種凈光合速率日變化趨勢的影響

凈光合速率日變化特征反映了一天之中植物光合作用持續(xù)進行的能力。由于一天之中影響植物凈光合速率的生理生態(tài)因子是不斷變化的，這導致了植物的凈光合速率也呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律[14]。不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種的凈光合速率日變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，隨著干旱脅迫程度的加重，7個品種各個處理的凈光合速率皆出現(xiàn)相應(yīng)減小的變化趨勢，而在此期間，對照處理組的凈光合速率均明顯高于干旱脅迫處理組的。7個品種中，凈光合速率最大的品種為對照處理下的‘黑脆無核’，其凈光合速率達到16.92 μmol·m-2s-1；凈光合速率最小的品種為重度干旱脅迫下的‘絲路紅玫瑰’，其凈光合速率只有0.57 μmol·m-2s-1。進一步比較分析各個品種在對照處理和不同程度干旱脅迫處理之間凈光合速率的極差值后發(fā)現(xiàn)，極差值最大的品種是對照處理和重度干旱脅迫下的‘絲路紅玫瑰’，其極差值為15.20；極差值最小的品種是對照處理和輕度干旱脅迫下的‘陽光玫瑰’，其極差值為1.52。

圖1 不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種的凈光合速率日變化趨勢Fig.1 The diurnal variation trend of net photosynthetic rate of 7 fresh grape varieties under different degrees of drought stress

2.3 不同程度的干旱脅迫對7個鮮食葡萄品種蒸騰速率日變化趨勢的影響

蒸騰是植物體內(nèi)的水分以氣體狀態(tài)向外耗散的過程，是植物水分代謝極其重要的環(huán)節(jié)之一[15]，蒸騰速率反映了植物水分代謝能力。不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種的蒸騰速率日變化趨勢如圖2所示。從圖2中可以看出，7個品種的蒸騰速率隨著干旱脅迫程度的加重均呈下降趨勢。在輕度和中度干旱脅迫下，7個品種的蒸騰速率變化趨勢與對照處理的均相同，即7個鮮食葡萄品種的蒸騰速率在一天之中總體上均呈現(xiàn)出先上升后下降再上升最后又下降的變化趨勢，其峰值分別出現(xiàn)在11:00和17:00時，19:00時其蒸騰速率降至最低值；在重度干旱脅迫下，7個品種的蒸騰速率在一天之中的變化趨勢有所不同，其中變化較大的品種有‘黑脆無核’和‘陽光玫瑰’，這2個品種的蒸騰速率峰值均出現(xiàn)在11:00時，然后緩慢下降。7個品種中，蒸騰速率最大的品種是‘黑脆無核’，其蒸騰速率為5.12 mmol·m-2s-1；蒸騰速率最小的品種是‘絲路紅玫瑰’，其蒸騰速率為0.57 mmol·m-2s-1。

圖2 不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種的蒸騰速率日變化趨勢Fig.2 The diurnal variation trend of transpiration rate of 7 fresh grape varieties under different degrees of drought stress

2.4 不同程度的干旱脅迫對7個鮮食葡萄品種氣孔導度日變化趨勢的影響

植物進行光合作用時，會通過氣孔來調(diào)節(jié)CO2的吸收和蒸騰過程中水分的散失，氣孔導度的變化與凈光合速率及蒸騰速率緊密相關(guān)[16]。不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種的氣孔導度日變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，各品種對照處理組的氣孔導度日變化值明顯高于干旱脅迫處理組的，并且隨著干旱脅迫程度的加重，7個品種的氣孔導度均相應(yīng)減小。7個品種氣孔導度的日變化趨勢與其凈光合速率的日變化趨勢基本相似。在重度干旱脅迫下，其減小的趨勢因品種的不同而有所不同?！诖酂o核’和‘陽光玫瑰’的氣孔導度在一天之中總體上均呈現(xiàn)出先上升后下降再上升最后又下降的變化趨勢，其峰值均分別出現(xiàn)在11:00和17:00時；‘絲路紅玫瑰’‘浪漫紅顏’‘夏黑’‘火焰無核’和‘深紅玫瑰’的氣孔導度在一天之中總體上均呈現(xiàn)出先下降后上升然后持續(xù)下降的變化趨勢，其最大值均出現(xiàn)于9:00時，而其最小值均出現(xiàn)在19:00時。7個品種中，氣孔導度最大的品種為對照處理下的‘夏黑’，其氣孔導度達到0.27 mmol·m-2s-1；氣孔導度最小的品種為重度干旱脅迫下的‘浪漫紅顏’，其氣孔導度僅有0.06 mmol·m-2s-1。

圖3 不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種的氣孔導度日變化趨勢Fig.3 The diurnal variation trend of stomatal conductivity of 7 fresh grape varieties under different degrees of drought stress

2.5 不同程度的干旱脅迫對7個鮮食葡萄品種胞間CO2濃度日變化趨勢的影響

胞間CO2濃度是空氣中的CO2氣體在進入葉肉細胞過程中所受到的各種動力與阻力和葉片內(nèi)部光合作用及呼吸作用的最終平衡的結(jié)果[17]。不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種的胞間CO2濃度日變化趨勢如圖4所示。在整個干旱脅迫期間，隨著干旱脅迫程度的加重，7個品種的胞間CO2濃度均相應(yīng)增加，其中重度干旱脅迫處理的增幅最大。7個鮮食葡萄品種的胞間CO2濃度，一天之中總體上均呈現(xiàn)出先下降后保持平穩(wěn)狀態(tài)最后又上升的變化趨勢，均在19:00時達到最大值，而均在17:00時降至最小值。7個品種中，胞間CO2濃度最大的品種為重度干旱脅迫處理下的‘絲路紅玫瑰’，其胞間CO2濃度達到272.16 μmol·mol-1；胞間CO2濃度最小的品種為對照處理下的‘黑脆無核’，其胞間CO2濃度僅有84.63 μmol·mol-1。進一步分析7個品種在對照處理和不同程度干旱脅迫下的胞間CO2濃度的增幅后發(fā)現(xiàn)，胞間CO2濃度增幅最大的品種是對照處理和重度干旱脅迫處理下的‘陽光玫瑰’，其增幅達到49%；胞間CO2濃度增幅最小的品種是輕度干旱脅迫和中度干旱脅迫處理下的‘絲路紅玫瑰’，其增幅僅有1%。

圖4 不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種的胞間CO2濃度日變化趨勢Fig.4 The diurnal variation trend of intercellular CO2 concentration of 7 fresh grape varieties under different degrees of drought stress

2.6 不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種抗旱性的綜合評價結(jié)果

在進行主成分分析之前，利用SPSS軟件，將測定到的相關(guān)光合指標進行描述性數(shù)據(jù)標準化處理，結(jié)果見表3。

表3 不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種相關(guān)光合指標的測定結(jié)果Table 3 Measured values of photosynthesis-related indexes of 7 fresh grape varieties under different drought stress

2.6.1 不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種抗旱能力的主成分分析

在不損失或者較少損失原始信息的前提下，主成分分析可以將密切相關(guān)的多個指標轉(zhuǎn)化成數(shù)量少且相互之間又獨立的綜合指標[18]。不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種表現(xiàn)出了不同的抗旱能力，分析各個相關(guān)光合指標的特征值、貢獻率和累計貢獻率（表4）可知，在5個光合指標的特征值中，前2個因子的特征值＞1，其累計貢獻率達78.17%，表明這2個主成分可以代表原有5個光合指標的78.17%的信息，因此，可以提取這2個主成分對7個鮮食葡萄品種的抗旱能力進行綜合評價。

表4 各個相關(guān)光合指標的特征值、貢獻率和累計貢獻率Table 4 The eigenvalues, contribution rate and cumulative contribution rate of the principal components of each photosynthetic-related index

然后，用提取出的2個主成分值分別除以2個主成分特征值的平方根，以此值為特征向量值，再將特征向量與標準化數(shù)據(jù)相乘得到下列的各主成分的表達式。

上式中：F1代表主成分1光合效率的得分，F(xiàn)2代表主成分2光合效率的得分；X1表示凈光合速率，X2表示蒸騰速率，X3表示氣孔導度，X4表示胞間CO2濃度；X5表示葉綠素相對含量（SPAD）。

2.6.2 不同程度的干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種抗旱能力的綜合評價

將各個主成分相對應(yīng)的特征值進行開方，再與其得分的平均值相乘。根據(jù)公式（1）和（2）計算出各項指標的隸屬函數(shù)值，以2個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分的總特征值之和的比值作為權(quán)重，得出各個品種的綜合評價值（D值），D值越大說明該品種的抗旱能力越強。計算結(jié)果見表6。根據(jù)表6的排名可知，7個鮮食葡萄品種抗旱能力的強弱順序為：‘黑脆無核’＞‘陽光玫瑰’＞‘深紅玫瑰’＞‘火焰無核’＞‘夏黑’＞‘浪漫紅顏’＞‘絲路紅玫瑰’。在7個鮮食葡萄品種中，‘絲路紅玫瑰’的綜合得分最低，只有0.26，表明其抗旱能力最弱；而‘黑脆無核’的綜合得分最高，達到了0.81，表明其抗旱能力最強。

表6 7個鮮食葡萄品種抗旱性的隸屬函數(shù)值和綜合評價值Table 6 Drought resistance membership function values and comprehensive evaluation values of 7 fresh g rape varieties

表5 各個主成分的載荷矩陣Table 5 Load matrix of each component

3 討 論

植物進行光合作用的主要場所是葉綠體，葉綠體色素的變化規(guī)律可以反映植物的捕光能力，而水分、光照和溫度等因素均會影響葉綠體色素的含量，其中水分是影響葉綠素含量的首要因素[19]。本試驗結(jié)果表明，7個鮮食葡萄品種中，與對照處理的相比，重度干旱脅迫下‘黑脆無核’葉綠素相對含量的降幅最??；主成分分析結(jié)果也表明，該品種的抗旱性最強，表明其葉綠素降解程度最小而合成速度最快，可以為光合作用的正常進行提供有力保障。與對照處理的相比，重度干旱脅迫下‘絲路紅玫瑰’葉綠素相對含量的降幅最大，而該品種的綜合評價得分最低，說明在干旱脅迫程度較高時，該品種不能維持正常的光合代謝，其抗旱性最弱。這一結(jié)果與常永義等[20]的研究結(jié)果相似。常永義等[20]在研究中得出，在3個鮮食葡萄品種中，當其受到干旱脅迫時，葉綠素含量降低幅度小的品種其抗旱性卻較強。

植物通過光合作用進行物質(zhì)和能量的積累，以供給其生長代謝所需。植物的光合作用受到干旱脅迫的影響較大[21]。在水分供應(yīng)充足的條件下，一天之中凈光合速率的最大值出現(xiàn)在正午，此時的光合有效輻射和溫度均達到最高，導致植物氣孔關(guān)閉，因而出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象，光合日變化曲線類型表現(xiàn)為“雙峰”型。研究中發(fā)現(xiàn)，對照處理和輕度干旱脅迫下7個鮮食葡萄品種的凈光合速率日變化曲線類型均為“雙峰”型，說明其“光合午休”現(xiàn)象明顯，這與池文澤等[22]、金莉等[23]的研究結(jié)果均一致，但與張大鵬等[24]對‘長相思’葡萄光合日變化的研究結(jié)果不同。分析認為，出現(xiàn)這種情況的原因主要如下：一是供試品種不同，在不同品種之間光合日變化特征存在著差異，植物的年齡、季節(jié)和環(huán)境條件對其變化曲線的峰型都會產(chǎn)生一定的影響；二是張大鵬等[24]所測試的材料品種為嫁接在砧木‘北醇’上的‘長相思’品種，所以不排除砧木對該品種的光合作用會產(chǎn)生影響，因此導致“光合午休”的現(xiàn)象不明顯，其日變化曲線類型為“單峰”型；三是測定時間的不同，張大鵬等[24]分別在9:00—10:00、12:00—13:00和15:00—16:00時進行光合日變化的測定，而本試驗的測定時間為9:00—19:00時，其中第2次峰值出現(xiàn)在17:00時，所以推測，‘長相思’的凈光合速率在16:00—19:00時很有可能會出現(xiàn)第2個峰值。正常情況下，凈光合速率與氣孔導度的日變化曲線最為相似，當凈光合速率下降時，氣體交換速度減慢，氣孔導度也表現(xiàn)出下降趨勢[25]。但在重度干旱脅迫條件下，‘黑脆無核’和‘陽光玫瑰’的凈光合速率日變化趨勢與其氣孔導度的日變化趨勢均一致，而‘絲路紅玫瑰’‘浪漫紅顏’‘深紅玫瑰’‘火焰無核’和‘夏黑’的氣孔導度日變化曲線與其凈光合速率日變化曲線卻有所不同，在11:00—13:00時這5個品種的凈光合速率均下降，而其氣孔導度均上升，蒸騰速率均下降，而胞間CO2濃度卻處于上升趨勢，這一結(jié)果與馬玉坤等[26]和張付春等[27]的研究結(jié)果都不同。在正常情況下，胞間CO2濃度的升高會導致凈光合速率的增大，但是，這5個品種的凈光合速率沒有上升，其原因可能是，該時段光合有效輻射增大，大氣中的溫度升高，葉片在遭受重度干旱脅迫的同時還受到了強光的抑制作用，所以氣孔導度的增大并不能使其凈光合速率升高；而蒸騰速率下降，則可能因為干旱脅迫導致植物可利用的水分較少。

植物的抗旱性由多個基因控制，環(huán)境因素、發(fā)育階段和營養(yǎng)狀況的不同均會導致植物出現(xiàn)應(yīng)答的差異[28]。本研究以葡萄扦插苗為試驗材料，采用盆栽控水法進行干旱脅迫試驗，以相關(guān)光合指標評價各個品種的抗旱能力，雖然能在一定程度上反映出葡萄的抗旱特性，但是若要綜合考慮各品種抗旱能力的強弱，則需結(jié)合其表型指標、生理生化指標和葉片解剖結(jié)構(gòu)等指標進行綜合評判；此外，葡萄作為一種漿果植物，其抗旱能力最終應(yīng)表現(xiàn)在其果實品質(zhì)上，所以對成齡株盛果期的葡萄進行抗旱能力的評價研究，將更切合生產(chǎn)實際。而本研究只針對不同葡萄品種苗期的抗旱能力進行分析，開展對成齡株盛果期葡萄干旱脅迫下的多逆境生理指標的綜合研究將會成為今后研究的方向，這樣才能更加科學、全面地評價各個鮮食葡萄品種的抗旱性。

4 結(jié) 論

在輕重不同的干旱脅迫條件下，7個鮮食葡萄品種表現(xiàn)出了強弱不同的抗旱能力，通過測定和分析其葉片葉綠素相對含量和相關(guān)光合指標日變化趨勢可以得出，除胞間CO2濃度外，7個鮮食葡萄品種的其他相關(guān)光合指標測定值均隨著干旱脅迫程度的加重而降低；結(jié)合主成分分析得出，凈光合速率是衡量鮮食葡萄品種抗旱性的首要評價指標，7個鮮食葡萄品種抗旱能力的強弱順序為：‘黑脆無核’＞‘陽光玫瑰’＞‘深紅玫瑰’＞‘火焰無核’＞‘夏黑’＞‘浪漫紅顏’＞‘絲路紅玫瑰’。