干旱脅迫后復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿幼苗光合和葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h1>
2022-06-02 01:37:32南思睿羅永忠于思敏仝慧鑫
草地學(xué)報(bào) 2022年5期
南思睿，羅永忠，于思敏，何 鈺，仝慧鑫
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)
隨著全球氣候的變暖，極端干旱天氣日益頻發(fā)[1]，導(dǎo)致植物干旱缺水的情況愈加嚴(yán)重。在干旱、半干旱地區(qū)，由于降雨少且分配不均，植物遭受的干旱脅迫往往存在一定的階段性。受該地區(qū)降雨格局的影響，植物生長(zhǎng)環(huán)境經(jīng)常出現(xiàn)干旱與降水交替的現(xiàn)象[2]。當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，植物能否正常生長(zhǎng)不僅取決于植物自身抗旱性的強(qiáng)弱，還受到干旱及復(fù)水后其恢復(fù)生長(zhǎng)能力的影響[3]。因此，通過(guò)研究干旱脅迫及復(fù)水對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，對(duì)了解植物如何應(yīng)對(duì)逆境脅迫環(huán)境具有重要意義。
光合作用為植物提供物質(zhì)和能量，是植物最重要的生命活動(dòng)之一[4]，也是植物耐旱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。當(dāng)土壤水分不足時(shí)，則對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生抑制，顯著影響光合作用的進(jìn)行[5]，同時(shí)破壞光合膜的結(jié)構(gòu)，阻止各種色素的合成，導(dǎo)致光合作用下降[6]。研究發(fā)現(xiàn)，在逆境條件下，初始熒光Fo增加量越多，表明植物受損傷程度越嚴(yán)重[7]。而植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)在受到逆境脅迫時(shí)也會(huì)發(fā)生變化，其參數(shù)變化能夠有效反映“內(nèi)在性”特點(diǎn)[8]。干旱及復(fù)水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常見(jiàn)的現(xiàn)象之一。當(dāng)植物經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的干旱，及時(shí)的降雨能夠一定程度地修復(fù)植物的生理生化功能，補(bǔ)償因干旱脅迫而產(chǎn)生的損失[9]，不同植物或同一植物不同品種之間恢復(fù)能力的大小也不相同[10]。王磊等[11]通過(guò)對(duì)大豆(Glycinemax)干旱及復(fù)水的研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)水后，豫豆29(Glycinemaxcv. yudou29)的光合參數(shù)和熒光參數(shù)等值均能夠很快得到恢復(fù)，甚至接近對(duì)照組的水平，表明豫豆29在干旱脅迫解除后具有較強(qiáng)的恢復(fù)能力。因此，研究干旱及復(fù)水對(duì)植物幼苗光合和葉綠素?zé)晒獾挠绊?，能為全面了解植物的干旱適應(yīng)能力提供重要的理論依據(jù)。
紫花苜蓿(Medicagosativa)是干旱、半干旱地區(qū)普遍種植且產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情景良好的優(yōu)良牧草[12]。因其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高和產(chǎn)量好等優(yōu)點(diǎn)被譽(yù)為“牧草之王”[13]。新疆大葉苜蓿(M.sativacv. xinjiangdaye)是西北地區(qū)大面積種植的紫花苜蓿品種，具有較強(qiáng)的抗旱性。目前，關(guān)于新疆大葉苜蓿的研究主要集中在種子萌發(fā)[14]、形態(tài)特征[15-16]、生理生化[17-21]以及品種的抗旱性鑒定[22]等方面，而對(duì)不同干旱脅迫以及復(fù)水后新疆大葉苜蓿光合生理及熒光特性影響的相關(guān)研究較少。本研究通過(guò)對(duì)1年生新疆大葉苜蓿干旱脅迫及復(fù)水的處理，探究其光合作用和葉綠素?zé)晒獾淖兓?guī)律，揭示新疆大葉苜蓿對(duì)不同干旱脅迫和復(fù)水條件下的光合生理響應(yīng)機(jī)制，以期為新疆大葉苜蓿的水分高效利用提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
本研究以甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供的新疆大葉苜蓿種子為實(shí)驗(yàn)材料。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用盆栽試驗(yàn)，在室外自然條件下進(jìn)行。每個(gè)花盆(上底直徑29.5 cm，下底直徑20.0 cm、高23.0 cm)裝8.0 kg過(guò)篩(篩孔為0.5 cm)的壤土，在裝土前，每盆增施7.2 g氮肥，氮肥的比例為1∶5[1 g尿素+5 g(NH4)2HPO4]混合均勻，測(cè)得田間持水量為18.25%。2021年3月15日播種，每盆播種50粒，出苗后定苗至20株，統(tǒng)一防治病蟲(chóng)害。
試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)不同的土壤水分梯度，即CK為對(duì)照(田間最大持水量的75%±5%)、T1為輕度脅迫(田間最大持水量的55%±5%)、T2為重度脅迫(田間最大持水量的35%±5%)，用盆栽稱重法控制土壤含水量。待紫花苜蓿長(zhǎng)勢(shì)一致后，于2021年6月25日分別進(jìn)行干旱處理，當(dāng)處理組的土壤含水量下降至試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求時(shí)，進(jìn)行干旱處理，7 d后進(jìn)行復(fù)水至對(duì)照水平。分別測(cè)定在干旱第7 d、復(fù)水后第3 d、第5 d和第7 d時(shí)新疆大葉苜蓿的葉綠素含量、光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)。試驗(yàn)期間每隔1 d用電子秤在18:00時(shí)稱重補(bǔ)水，降雨天用塑料棚遮蓋防雨。
1.3 試驗(yàn)方法
1.3.1葉綠素含量的測(cè)定 采用研磨提取法[23]測(cè)定新疆大葉苜蓿葉綠素含量，在早上7:00采取枝條中間新鮮葉片，裝入自封袋后放入冰盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，用分光光度計(jì)在663 nm和645 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度(A)，測(cè)定的指標(biāo)包括：葉綠素a(Chlorophyll a，Chla)、葉綠素b(Chlorophyll b，Chlb)、葉綠素(a+b) [Chlorophyll (a+b),(Chl(a+b)]。公式如下：
chla=12.72×A663-2.59×A645
(1)
chlb=22.88×A645-5.03×A663
(2)
chl(a+b)=20.29×A645+8.05×A663
(3)
1.3.2光合參數(shù)的測(cè)定 在上午9∶00-11∶00，選取葉片方向、大小及長(zhǎng)勢(shì)均一致且無(wú)病蟲(chóng)害的新疆大葉苜蓿葉片用Li-6400光合儀測(cè)定，重復(fù)3次。試驗(yàn)期間設(shè)定PAR為1 400 μmol·(m2·s)-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1，空氣流速500 μmol·mol-1。測(cè)定指標(biāo)包括：凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)和蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)等氣體交換參數(shù)，并以Pn/Tr計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率(Water use efficiency，WUE)。
1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 在早上8∶00選取健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的葉片進(jìn)行暗適應(yīng)30 min，分別采用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(PAM-2500)，測(cè)定新疆大葉苜蓿的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每次選取葉片重復(fù)3次。測(cè)定參數(shù)包括：初始熒光(Minimal fluorescence，F(xiàn)o)、最大光化學(xué)效率(Maximal PSⅡphotochemical efficiency in the dark，F(xiàn)v/Fm)、電子傳遞速率(Apparent electron transfer rate，ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(Photochemical quenching coefficient，Qp)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(Non-photochemical quenching，NPQ)和實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(Actusal photochemical efficiency，Yield)。
1.4 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表繪制，采用IBM SPSS Statistics 20進(jìn)行方差分析(Duncan)。
2 結(jié)果與分析
2.1 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿葉綠素含量的影響
干旱脅迫及復(fù)水使新疆大葉苜蓿葉綠素a的含量呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)(圖1A)。在干旱脅迫7 d時(shí)，與CK相比，T2處理與CK相比有顯著性差異(P<0.05)，且T1和T2處理下葉綠素a的含量降幅分別為12.0%和35.3%，復(fù)水第3 d時(shí)，新疆大葉苜蓿各處理之間差異不顯著，且呈現(xiàn)T1>CK>T2的趨勢(shì)。到復(fù)水第5 d和第7 d時(shí)，T1和T2處理下其葉綠素a的含量都高于CK，均出現(xiàn)超補(bǔ)償效應(yīng)。
新疆大葉苜蓿葉綠素b的含量隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化總體呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)(圖1B)。干旱脅迫7 d時(shí)，隨著脅迫不斷加劇，其葉綠素b的含量逐漸降低，與CK相比，T1和T2處理下葉綠素b的含量降幅分別為42.3%和59.0%，且各處理之間相比均有顯著差異(P<0.05)；在復(fù)水第3 d時(shí)，與CK相比，T1處理下葉綠素b的含量增幅為16.7%，且各處理之間無(wú)顯著性差異；在復(fù)水第7 d，T1和T2處理均出現(xiàn)超補(bǔ)償效應(yīng)，變化趨勢(shì)為T2>T1>CK，且T2處理與CK相比有顯著差異(P<0.05)。
如圖1C所示，隨著干旱脅迫加劇，與CK相比，新疆大葉苜蓿的葉綠素總量在T1、T2處理下呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，降幅度分別為23.7%和44.4%，且各處理與CK相比差異顯著(P<0.05)。復(fù)水3 d時(shí)，各處理間葉綠素總量值均增加，且呈現(xiàn)出T1>CK>T2的趨勢(shì)，與CK相比，其葉綠素總量在T1處理時(shí)明顯增加，且高于對(duì)照水平。隨著復(fù)水到第5 d和第7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿各個(gè)處理的葉綠素總量均高于對(duì)照，均出現(xiàn)了超補(bǔ)償效應(yīng)。
2.2 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿光合參數(shù)的影響
由圖2A可知，干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿Pn產(chǎn)生了顯著的影響。在干旱脅迫7 d時(shí)，與CK相比，各個(gè)脅迫處理的Pn整體變化狀態(tài)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中T1和T2處理下降幅度分別為33.3%和62.2%，且各處理之間差異顯著(P<0.05)。在復(fù)水3 d后，各個(gè)脅迫處理的Pn都有所回升，但仍顯著低于對(duì)照。而復(fù)水第5 d和第7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿的Pn得到了一定的恢復(fù)，其Pn在各處理間均表現(xiàn)為T1>CK>T2，且在第7 d時(shí)各處理之間差異顯著(P<0.05)。
由圖2B可知，新疆大葉苜蓿的Ci值隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化波動(dòng)較大。在干旱7 d時(shí)，且各處理間差異顯著(P<0.05)，與CK相比，T1和T2處理的下降幅度為26.1%和39.7%。在復(fù)水第3 d和第5 d時(shí)，與CK相比，新疆大葉苜蓿的Ci值在T1處理時(shí)顯著增加，分別為CK的15.5%和9.8%，且T1與各處理之間差異顯著(P<0.05)，出現(xiàn)了一定程度的恢復(fù)。復(fù)水第7 d時(shí)各個(gè)處理均高于CK，且新疆大葉苜蓿各處理間與CK相比分別增加了12.2%和15.2%，表現(xiàn)出超補(bǔ)償效應(yīng)。
由圖2C可知，隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化，其Tr總體呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。在干旱脅迫7 d時(shí)，各處理之間具有顯著差異(P<0.05)；復(fù)水3 d后，其Tr有所增加，且與干旱脅迫第7 d時(shí)相比，T1和T2各處理分別增加了31.6%和60.7%，且表現(xiàn)為CK>T1>T2,且各處理之間差異不明顯。到了復(fù)水第5 d后，新疆大葉苜蓿的Tr出現(xiàn)了補(bǔ)償效應(yīng)，表現(xiàn)為T1>CK>T2，且各處理間差異不明顯；復(fù)水7 d后，各個(gè)處理的Tr均有所上升，表現(xiàn)為T1>T2>CK，各處理之間無(wú)差異顯著。
圖1 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿葉綠素含量的影響Fig.1 The effects of drought stress and rewatering on chlorophyll content of Medicago sativa cv. xingjiangdaye注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate a significant difference among different treatments at the 0.05 level. The same as below
圖2D表明，隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化，新疆大葉苜蓿的WUE總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。在干旱脅迫7 d時(shí)，CK與T1、T2處理之間差異顯著(P<0.05)，且表現(xiàn)為CKCK>T1的規(guī)律。到復(fù)水第7 d時(shí)，其水分利用效率表現(xiàn)為T1>CK>T2，且T2與CK和T1之間有顯著差異(P<0.05)。
由圖2E可知，干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿的Gs都產(chǎn)生了顯著影響。干旱脅迫條件下，各個(gè)脅迫處理的Gs呈下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為CKT2>T3。
圖2 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿光合參數(shù)的影響Fig.2 The effects of drought stress and rewatering on photosynthetic parameters of Medicago sativa cv. xingjiangdaye
2.3 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
由圖3A可知，新疆大葉苜蓿在干旱脅迫7 d時(shí)，隨著脅迫程度的加劇，F(xiàn)v/Fm呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，且各處理之間差異顯著(P<0.05)，與CK相比，下降幅度分別為5.4%和10.0%；在復(fù)水第3 d和第5 d時(shí)，呈現(xiàn)出CK>T2>T1的規(guī)律，與CK相比，新疆大葉苜蓿在T1處理出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且下降幅度分別為2.8%和7.6%。到復(fù)水第7 d時(shí)，表現(xiàn)為T1>CK>T2的規(guī)律，且T1處理的Fv/Fm高于CK，并出現(xiàn)超補(bǔ)償效應(yīng)。
由圖3B可知，隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化，新疆大葉苜蓿ETR總體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。脅迫7 d時(shí)，與CK相比，新疆大葉苜蓿在各處理間差異顯著；到了復(fù)水3 d時(shí)，且呈現(xiàn)T1T2>CK的規(guī)律，T1和T2均出現(xiàn)超補(bǔ)償效應(yīng)，且T1與CK之間相比差異顯著。
由圖3C可知，干旱脅迫及復(fù)水條件對(duì)Fo的影響總體表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)。干旱脅迫7 d時(shí)，隨著脅迫程度的加深，新疆大葉苜蓿的Fo逐漸升高，其在T2水平下與CK相比差異顯著(P<0.05)。隨著復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)水第5 d時(shí)，新疆大葉苜蓿的Fo逐漸降低，且各處理之間無(wú)顯著性差異。在復(fù)水第7 d時(shí)，F(xiàn)o表現(xiàn)為CK>T2>T1的規(guī)律，說(shuō)明新疆大葉苜蓿的Fo已完全恢復(fù)。
如圖3D所示，新疆大葉苜蓿的NPQ隨著干旱脅迫的加劇，總體變化趨勢(shì)為逐漸減小。在干旱脅迫7 d時(shí)，隨著干旱脅迫的增加，NPQ持續(xù)上升，各處理與CK之間形成顯著性差異(P<0.05)。在復(fù)水第3 d時(shí)，NPQ在T1處理下出現(xiàn)明顯降低，呈現(xiàn)T2>CK>T1的趨勢(shì)。復(fù)水7 d后，各個(gè)脅迫處理的NPQ都低于CK，單因素方差分析表明，各處理組間均無(wú)顯著差異。
由圖3E可知，隨著干旱脅迫的加劇及復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，新疆大葉苜蓿的Qp總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。在脅迫7 d時(shí)，T2處理與CK相比差異顯著，且下降幅度為22.6%。在復(fù)水3 d時(shí)，與CK相比，新疆大葉苜蓿各處理水平差異顯著，且呈現(xiàn)CK>T1>T2的趨勢(shì)。復(fù)水第5 d和第7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿各處理間差異不顯著，呈現(xiàn)出T1>T2>CK的規(guī)律，并達(dá)到了恢復(fù)和補(bǔ)償效應(yīng)。
如圖3F所示，干旱脅迫及復(fù)水對(duì)Yield的影響總體表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)。干旱脅迫7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿的Yield隨著土壤干旱脅迫程度的加劇而逐漸降低，CK與T1、T2處理之間差異顯著(P<0.05)，而復(fù)水第3 d時(shí)，CK與各處理之間均有顯著性差異(P<0.05)，在復(fù)水第5 d時(shí)各處理之間無(wú)顯著性差異。在復(fù)水第7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿的Yield呈現(xiàn)T1>CK>T2的規(guī)律，與干旱第7 d時(shí)相比，T1和T2各處理分別增加了43.4%和59.8%。
圖3 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿熒光參數(shù)的影響Fig.3 The effects of drought stress and rewatering on fluorescence parameters of Medicago sativa cv. xingjiangdaye
3 討論
葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，植物葉片內(nèi)葉綠素含量的高低在一定程度上可以衡量植物抗逆性強(qiáng)弱[24]。有研究表明，干旱脅迫通過(guò)影響葉綠素的合成導(dǎo)致葉綠體超微結(jié)構(gòu)損傷，使葉綠素含量降低[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，新疆大葉苜蓿Chla,Chlb和Chl(a+b)隨著干旱脅迫的加劇呈逐漸降低的趨勢(shì)，復(fù)水后T1和T2處理均有所恢復(fù)，并存在顯著的補(bǔ)償效應(yīng)，表明新疆大葉苜蓿在經(jīng)過(guò)干旱脅迫后復(fù)水可以通過(guò)自身調(diào)節(jié)機(jī)制促進(jìn)其葉綠素的生物合成，使葉綠素含量增加。該結(jié)論與林偉通[26]、李潔[27]的研究結(jié)果相似。但也有研究者在小麥(Triticumaestivum)[28]、大花紫薇(Lagerstroemiaspeciosa)與毛萼紫薇(Lagerstroemiabalansae)[29]上得出相反的結(jié)論，在輕中度干旱脅迫下，其葉綠素含量升高或不變，說(shuō)明有些植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，其水分含量保持在一定的閾值范圍內(nèi)，干旱脅迫不但對(duì)葉綠素含量不造成影響，還能促進(jìn)葉綠素含量的提高，其可能原因是受干旱脅迫時(shí)間長(zhǎng)短的影響，長(zhǎng)時(shí)干旱脅迫下葉片擴(kuò)展生長(zhǎng)受阻，產(chǎn)生濃縮效應(yīng)導(dǎo)致[28]。
植物的光合性能在受到干旱脅迫后明顯下降，且隨著脅迫的不斷加重，光合性能下降愈快，但復(fù)水后能夠產(chǎn)生一定的補(bǔ)償效應(yīng)[30]。研究發(fā)現(xiàn)，在輕度干旱脅迫下，引起植物光合作用降低的原因主要是受氣孔限制，在重度干旱脅迫下，非氣孔因素起主要作用[31]。植物在受到干旱脅迫時(shí)，通過(guò)降低蒸騰作用、關(guān)閉氣孔，從而使光合速率降低。本研究發(fā)現(xiàn),在T1和T2處理水平下，隨著Pn下降，Ci也隨之降低，因此認(rèn)為在T1和T2處理下，氣孔因素是光合作用降低的主要原因。新疆大葉苜蓿在復(fù)水之后，在T1處理水平下Pn和Ci值均恢復(fù)至對(duì)照水平，甚至出現(xiàn)了等量補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)，這與楊文權(quán)等[2]對(duì)小冠花的研究結(jié)果相似，說(shuō)明新疆大葉苜蓿對(duì)水分條件的變化適應(yīng)性較強(qiáng)。在T2處理下，新疆大葉苜蓿葉片的Pn恢復(fù)不明顯，說(shuō)明重度干旱脅迫對(duì)新疆大葉苜蓿葉片的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)造成了損傷，導(dǎo)致復(fù)水后葉片恢復(fù)能力減弱。隨著干旱脅迫的加劇，新疆大葉苜蓿的Tr和Gs逐漸降低，說(shuō)明新疆大葉苜蓿受到干旱脅迫后，可以通過(guò)降低Tr和Gs來(lái)減少體內(nèi)水分的散失，從而維持較高的光合強(qiáng)度，這與前人對(duì)鼓竹節(jié)(Bambusatuldoides‘Swolleninternode’)[32]、野生酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)[33]和沙地云杉(Piceamongolica)[34]的研究相似。隨著復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，新疆大葉苜蓿Tr和Gs均逐漸恢復(fù)至對(duì)照，主要是由于輕度脅迫對(duì)新疆大葉苜蓿的葉片造成的損傷是可逆的，在脅迫解除后Tr和Gs均能迅速恢復(fù)。對(duì)于WUE的研究結(jié)果表明：隨著土壤水分脅迫的加劇，新疆大葉苜蓿WUE逐漸升高，主要是由于氣孔開(kāi)度減小，蒸騰速率降低速率大于凈光合速率升高的速率，導(dǎo)致WUE升高，在復(fù)水之后，WUE能夠逐漸恢復(fù)，說(shuō)明新疆大葉苜蓿有極強(qiáng)的抗旱性。
葉綠素?zé)晒馐茄芯恐参锕夂献饔玫挠行结?，可以有效地監(jiān)測(cè)植物對(duì)逆境的光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，從而可以更全面地分析植物的光合作用過(guò)程[35]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)逆境脅迫非常敏感，可以反映葉片對(duì)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換等情況[36]。Fv/Fm表示PSⅡ最大光合量子產(chǎn)量，反映植物的光合潛能。逆境脅迫會(huì)使Fv/Fm值降低。ETR可作為植物光合電子傳遞速率快慢的相對(duì)指標(biāo)，Qp在一定程度上反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度[37]，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的加劇，新疆大葉苜蓿的Fv/Fm,ETR和Qp均降低，表明干旱脅迫會(huì)使新疆大葉苜蓿的PSⅡ反應(yīng)中心受損，從而抑制光合電子的傳遞過(guò)程，影響光合電子的傳遞效率。隨著復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)v/Fm、ETR和Qp仍能有效恢復(fù)，說(shuō)明新疆大葉苜蓿的葉片在干旱脅迫解除后，受損的PSⅡ反應(yīng)中心得到了修復(fù)，表明幼苗并未受到不可逆的損傷。Fo是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開(kāi)放時(shí)的熒光產(chǎn)量。Fo升高表示光合中心遭到了傷害，進(jìn)而產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象[38]。NPQ是PSⅡ處調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量，通過(guò)熱耗散消吸收過(guò)剩的光能，對(duì)植物光合機(jī)構(gòu)免受破壞起到積極的作用[39]，是光保護(hù)的重要指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，新疆大葉苜蓿的Fo和NPQ隨著干旱脅迫的加劇均逐漸上升，說(shuō)明新疆大葉苜蓿在受到干旱脅迫時(shí)PSⅡ反應(yīng)中心活性降低，這是植物的一種保護(hù)機(jī)制。復(fù)水后新疆大葉苜蓿的Fo和NPQ均恢復(fù)至對(duì)照水平，說(shuō)明新疆大葉苜蓿的葉片PSⅡ天線色素吸收的能量流向光化學(xué)的部分減少，以熱耗散和熒光形式散失的能量增加，通過(guò)提高NPQ及時(shí)耗散了過(guò)剩的光能，起到保護(hù)光合機(jī)構(gòu)的作用。
Yield反映的是光下葉片的實(shí)際光能轉(zhuǎn)換效率，即用于光化學(xué)反應(yīng)所占PSⅡ吸收光能的比例[40]。本研究發(fā)現(xiàn)新疆大葉苜蓿的Yield隨著土壤干旱脅迫程度的加劇而逐漸降低，表明不同土壤干旱脅迫使得其PSⅡ反應(yīng)中心損,抑制了光合作用的原初反應(yīng),這與湯飛洋[41]對(duì)4個(gè)杜鵑品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究結(jié)果相似。復(fù)水后不同土壤干旱脅迫處理下的新疆大葉苜蓿Yield值不斷升高，在復(fù)水第7 d時(shí)T2出現(xiàn)了補(bǔ)償現(xiàn)象，這可能是土壤干旱脅迫對(duì)新疆大葉苜蓿造成的損傷是可逆的，其PSⅡ反應(yīng)中心損及時(shí)調(diào)整自身光保護(hù)機(jī)制，使得其Yield逐漸恢復(fù)。
4 結(jié)論
隨著土壤水分脅迫的加劇，新疆大葉苜蓿的Chla,Chlb和Chl(a+b)含量均逐漸下降，復(fù)水后，新疆大葉苜蓿的葉綠素各指標(biāo)均恢復(fù)至對(duì)照水平，說(shuō)明干旱脅迫后復(fù)水可以促進(jìn)新疆大葉苜蓿葉綠素的合成。干旱脅迫降低了Pn,Ci,Tr,Gs,Fv/Fm,ETR,Qp和Yield，同時(shí)提高了WUE,Fo和NPQ，復(fù)水后出現(xiàn)等量補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)，反映出新疆大葉苜蓿幼苗具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和自我調(diào)節(jié)能力。
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南思睿，羅永忠，于思敏，何 鈺，仝慧鑫
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)
隨著全球氣候的變暖，極端干旱天氣日益頻發(fā)[1]，導(dǎo)致植物干旱缺水的情況愈加嚴(yán)重。在干旱、半干旱地區(qū)，由于降雨少且分配不均，植物遭受的干旱脅迫往往存在一定的階段性。受該地區(qū)降雨格局的影響，植物生長(zhǎng)環(huán)境經(jīng)常出現(xiàn)干旱與降水交替的現(xiàn)象[2]。當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，植物能否正常生長(zhǎng)不僅取決于植物自身抗旱性的強(qiáng)弱，還受到干旱及復(fù)水后其恢復(fù)生長(zhǎng)能力的影響[3]。因此，通過(guò)研究干旱脅迫及復(fù)水對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，對(duì)了解植物如何應(yīng)對(duì)逆境脅迫環(huán)境具有重要意義。
光合作用為植物提供物質(zhì)和能量，是植物最重要的生命活動(dòng)之一[4]，也是植物耐旱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。當(dāng)土壤水分不足時(shí)，則對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生抑制，顯著影響光合作用的進(jìn)行[5]，同時(shí)破壞光合膜的結(jié)構(gòu)，阻止各種色素的合成，導(dǎo)致光合作用下降[6]。研究發(fā)現(xiàn)，在逆境條件下，初始熒光Fo增加量越多，表明植物受損傷程度越嚴(yán)重[7]。而植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)在受到逆境脅迫時(shí)也會(huì)發(fā)生變化，其參數(shù)變化能夠有效反映“內(nèi)在性”特點(diǎn)[8]。干旱及復(fù)水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常見(jiàn)的現(xiàn)象之一。當(dāng)植物經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的干旱，及時(shí)的降雨能夠一定程度地修復(fù)植物的生理生化功能，補(bǔ)償因干旱脅迫而產(chǎn)生的損失[9]，不同植物或同一植物不同品種之間恢復(fù)能力的大小也不相同[10]。王磊等[11]通過(guò)對(duì)大豆(Glycinemax)干旱及復(fù)水的研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)水后，豫豆29(Glycinemaxcv. yudou29)的光合參數(shù)和熒光參數(shù)等值均能夠很快得到恢復(fù)，甚至接近對(duì)照組的水平，表明豫豆29在干旱脅迫解除后具有較強(qiáng)的恢復(fù)能力。因此，研究干旱及復(fù)水對(duì)植物幼苗光合和葉綠素?zé)晒獾挠绊?，能為全面了解植物的干旱適應(yīng)能力提供重要的理論依據(jù)。
紫花苜蓿(Medicagosativa)是干旱、半干旱地區(qū)普遍種植且產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情景良好的優(yōu)良牧草[12]。因其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高和產(chǎn)量好等優(yōu)點(diǎn)被譽(yù)為“牧草之王”[13]。新疆大葉苜蓿(M.sativacv. xinjiangdaye)是西北地區(qū)大面積種植的紫花苜蓿品種，具有較強(qiáng)的抗旱性。目前，關(guān)于新疆大葉苜蓿的研究主要集中在種子萌發(fā)[14]、形態(tài)特征[15-16]、生理生化[17-21]以及品種的抗旱性鑒定[22]等方面，而對(duì)不同干旱脅迫以及復(fù)水后新疆大葉苜蓿光合生理及熒光特性影響的相關(guān)研究較少。本研究通過(guò)對(duì)1年生新疆大葉苜蓿干旱脅迫及復(fù)水的處理，探究其光合作用和葉綠素?zé)晒獾淖兓?guī)律，揭示新疆大葉苜蓿對(duì)不同干旱脅迫和復(fù)水條件下的光合生理響應(yīng)機(jī)制，以期為新疆大葉苜蓿的水分高效利用提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
本研究以甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供的新疆大葉苜蓿種子為實(shí)驗(yàn)材料。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用盆栽試驗(yàn)，在室外自然條件下進(jìn)行。每個(gè)花盆(上底直徑29.5 cm，下底直徑20.0 cm、高23.0 cm)裝8.0 kg過(guò)篩(篩孔為0.5 cm)的壤土，在裝土前，每盆增施7.2 g氮肥，氮肥的比例為1∶5[1 g尿素+5 g(NH4)2HPO4]混合均勻，測(cè)得田間持水量為18.25%。2021年3月15日播種，每盆播種50粒，出苗后定苗至20株，統(tǒng)一防治病蟲(chóng)害。
試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)不同的土壤水分梯度，即CK為對(duì)照(田間最大持水量的75%±5%)、T1為輕度脅迫(田間最大持水量的55%±5%)、T2為重度脅迫(田間最大持水量的35%±5%)，用盆栽稱重法控制土壤含水量。待紫花苜蓿長(zhǎng)勢(shì)一致后，于2021年6月25日分別進(jìn)行干旱處理，當(dāng)處理組的土壤含水量下降至試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求時(shí)，進(jìn)行干旱處理，7 d后進(jìn)行復(fù)水至對(duì)照水平。分別測(cè)定在干旱第7 d、復(fù)水后第3 d、第5 d和第7 d時(shí)新疆大葉苜蓿的葉綠素含量、光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)。試驗(yàn)期間每隔1 d用電子秤在18:00時(shí)稱重補(bǔ)水，降雨天用塑料棚遮蓋防雨。
1.3 試驗(yàn)方法
1.3.1葉綠素含量的測(cè)定 采用研磨提取法[23]測(cè)定新疆大葉苜蓿葉綠素含量，在早上7:00采取枝條中間新鮮葉片，裝入自封袋后放入冰盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，用分光光度計(jì)在663 nm和645 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度(A)，測(cè)定的指標(biāo)包括：葉綠素a(Chlorophyll a，Chla)、葉綠素b(Chlorophyll b，Chlb)、葉綠素(a+b) [Chlorophyll (a+b),(Chl(a+b)]。公式如下：
chla=12.72×A663-2.59×A645
(1)
chlb=22.88×A645-5.03×A663
(2)
chl(a+b)=20.29×A645+8.05×A663
(3)
1.3.2光合參數(shù)的測(cè)定 在上午9∶00-11∶00，選取葉片方向、大小及長(zhǎng)勢(shì)均一致且無(wú)病蟲(chóng)害的新疆大葉苜蓿葉片用Li-6400光合儀測(cè)定，重復(fù)3次。試驗(yàn)期間設(shè)定PAR為1 400 μmol·(m2·s)-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1，空氣流速500 μmol·mol-1。測(cè)定指標(biāo)包括：凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)和蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)等氣體交換參數(shù)，并以Pn/Tr計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率(Water use efficiency，WUE)。
1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 在早上8∶00選取健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的葉片進(jìn)行暗適應(yīng)30 min，分別采用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(PAM-2500)，測(cè)定新疆大葉苜蓿的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每次選取葉片重復(fù)3次。測(cè)定參數(shù)包括：初始熒光(Minimal fluorescence，F(xiàn)o)、最大光化學(xué)效率(Maximal PSⅡphotochemical efficiency in the dark，F(xiàn)v/Fm)、電子傳遞速率(Apparent electron transfer rate，ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(Photochemical quenching coefficient，Qp)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(Non-photochemical quenching，NPQ)和實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(Actusal photochemical efficiency，Yield)。
1.4 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表繪制，采用IBM SPSS Statistics 20進(jìn)行方差分析(Duncan)。
2 結(jié)果與分析
2.1 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿葉綠素含量的影響
干旱脅迫及復(fù)水使新疆大葉苜蓿葉綠素a的含量呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)(圖1A)。在干旱脅迫7 d時(shí)，與CK相比，T2處理與CK相比有顯著性差異(P<0.05)，且T1和T2處理下葉綠素a的含量降幅分別為12.0%和35.3%，復(fù)水第3 d時(shí)，新疆大葉苜蓿各處理之間差異不顯著，且呈現(xiàn)T1>CK>T2的趨勢(shì)。到復(fù)水第5 d和第7 d時(shí)，T1和T2處理下其葉綠素a的含量都高于CK，均出現(xiàn)超補(bǔ)償效應(yīng)。
新疆大葉苜蓿葉綠素b的含量隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化總體呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)(圖1B)。干旱脅迫7 d時(shí)，隨著脅迫不斷加劇，其葉綠素b的含量逐漸降低，與CK相比，T1和T2處理下葉綠素b的含量降幅分別為42.3%和59.0%，且各處理之間相比均有顯著差異(P<0.05)；在復(fù)水第3 d時(shí)，與CK相比，T1處理下葉綠素b的含量增幅為16.7%，且各處理之間無(wú)顯著性差異；在復(fù)水第7 d，T1和T2處理均出現(xiàn)超補(bǔ)償效應(yīng)，變化趨勢(shì)為T2>T1>CK，且T2處理與CK相比有顯著差異(P<0.05)。
如圖1C所示，隨著干旱脅迫加劇，與CK相比，新疆大葉苜蓿的葉綠素總量在T1、T2處理下呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，降幅度分別為23.7%和44.4%，且各處理與CK相比差異顯著(P<0.05)。復(fù)水3 d時(shí)，各處理間葉綠素總量值均增加，且呈現(xiàn)出T1>CK>T2的趨勢(shì)，與CK相比，其葉綠素總量在T1處理時(shí)明顯增加，且高于對(duì)照水平。隨著復(fù)水到第5 d和第7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿各個(gè)處理的葉綠素總量均高于對(duì)照，均出現(xiàn)了超補(bǔ)償效應(yīng)。
2.2 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿光合參數(shù)的影響
由圖2A可知，干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿Pn產(chǎn)生了顯著的影響。在干旱脅迫7 d時(shí)，與CK相比，各個(gè)脅迫處理的Pn整體變化狀態(tài)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中T1和T2處理下降幅度分別為33.3%和62.2%，且各處理之間差異顯著(P<0.05)。在復(fù)水3 d后，各個(gè)脅迫處理的Pn都有所回升，但仍顯著低于對(duì)照。而復(fù)水第5 d和第7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿的Pn得到了一定的恢復(fù)，其Pn在各處理間均表現(xiàn)為T1>CK>T2，且在第7 d時(shí)各處理之間差異顯著(P<0.05)。
由圖2B可知，新疆大葉苜蓿的Ci值隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化波動(dòng)較大。在干旱7 d時(shí)，且各處理間差異顯著(P<0.05)，與CK相比，T1和T2處理的下降幅度為26.1%和39.7%。在復(fù)水第3 d和第5 d時(shí)，與CK相比，新疆大葉苜蓿的Ci值在T1處理時(shí)顯著增加，分別為CK的15.5%和9.8%，且T1與各處理之間差異顯著(P<0.05)，出現(xiàn)了一定程度的恢復(fù)。復(fù)水第7 d時(shí)各個(gè)處理均高于CK，且新疆大葉苜蓿各處理間與CK相比分別增加了12.2%和15.2%，表現(xiàn)出超補(bǔ)償效應(yīng)。
由圖2C可知，隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化，其Tr總體呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。在干旱脅迫7 d時(shí)，各處理之間具有顯著差異(P<0.05)；復(fù)水3 d后，其Tr有所增加，且與干旱脅迫第7 d時(shí)相比，T1和T2各處理分別增加了31.6%和60.7%，且表現(xiàn)為CK>T1>T2,且各處理之間差異不明顯。到了復(fù)水第5 d后，新疆大葉苜蓿的Tr出現(xiàn)了補(bǔ)償效應(yīng)，表現(xiàn)為T1>CK>T2，且各處理間差異不明顯；復(fù)水7 d后，各個(gè)處理的Tr均有所上升，表現(xiàn)為T1>T2>CK，各處理之間無(wú)差異顯著。
圖1 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿葉綠素含量的影響Fig.1 The effects of drought stress and rewatering on chlorophyll content of Medicago sativa cv. xingjiangdaye注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate a significant difference among different treatments at the 0.05 level. The same as below
圖2D表明，隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化，新疆大葉苜蓿的WUE總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。在干旱脅迫7 d時(shí)，CK與T1、T2處理之間差異顯著(P<0.05)，且表現(xiàn)為CK
由圖2E可知，干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿的Gs都產(chǎn)生了顯著影響。干旱脅迫條件下，各個(gè)脅迫處理的Gs呈下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為CK
圖2 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿光合參數(shù)的影響Fig.2 The effects of drought stress and rewatering on photosynthetic parameters of Medicago sativa cv. xingjiangdaye
2.3 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
由圖3A可知，新疆大葉苜蓿在干旱脅迫7 d時(shí)，隨著脅迫程度的加劇，F(xiàn)v/Fm呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，且各處理之間差異顯著(P<0.05)，與CK相比，下降幅度分別為5.4%和10.0%；在復(fù)水第3 d和第5 d時(shí)，呈現(xiàn)出CK>T2>T1的規(guī)律，與CK相比，新疆大葉苜蓿在T1處理出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且下降幅度分別為2.8%和7.6%。到復(fù)水第7 d時(shí)，表現(xiàn)為T1>CK>T2的規(guī)律，且T1處理的Fv/Fm高于CK，并出現(xiàn)超補(bǔ)償效應(yīng)。
由圖3B可知，隨著干旱脅迫及復(fù)水時(shí)間的變化，新疆大葉苜蓿ETR總體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。脅迫7 d時(shí)，與CK相比，新疆大葉苜蓿在各處理間差異顯著；到了復(fù)水3 d時(shí)，且呈現(xiàn)T1
由圖3C可知，干旱脅迫及復(fù)水條件對(duì)Fo的影響總體表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)。干旱脅迫7 d時(shí)，隨著脅迫程度的加深，新疆大葉苜蓿的Fo逐漸升高，其在T2水平下與CK相比差異顯著(P<0.05)。隨著復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)水第5 d時(shí)，新疆大葉苜蓿的Fo逐漸降低，且各處理之間無(wú)顯著性差異。在復(fù)水第7 d時(shí)，F(xiàn)o表現(xiàn)為CK>T2>T1的規(guī)律，說(shuō)明新疆大葉苜蓿的Fo已完全恢復(fù)。
如圖3D所示，新疆大葉苜蓿的NPQ隨著干旱脅迫的加劇，總體變化趨勢(shì)為逐漸減小。在干旱脅迫7 d時(shí)，隨著干旱脅迫的增加，NPQ持續(xù)上升，各處理與CK之間形成顯著性差異(P<0.05)。在復(fù)水第3 d時(shí)，NPQ在T1處理下出現(xiàn)明顯降低，呈現(xiàn)T2>CK>T1的趨勢(shì)。復(fù)水7 d后，各個(gè)脅迫處理的NPQ都低于CK，單因素方差分析表明，各處理組間均無(wú)顯著差異。
由圖3E可知，隨著干旱脅迫的加劇及復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，新疆大葉苜蓿的Qp總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。在脅迫7 d時(shí)，T2處理與CK相比差異顯著，且下降幅度為22.6%。在復(fù)水3 d時(shí)，與CK相比，新疆大葉苜蓿各處理水平差異顯著，且呈現(xiàn)CK>T1>T2的趨勢(shì)。復(fù)水第5 d和第7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿各處理間差異不顯著，呈現(xiàn)出T1>T2>CK的規(guī)律，并達(dá)到了恢復(fù)和補(bǔ)償效應(yīng)。
如圖3F所示，干旱脅迫及復(fù)水對(duì)Yield的影響總體表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)。干旱脅迫7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿的Yield隨著土壤干旱脅迫程度的加劇而逐漸降低，CK與T1、T2處理之間差異顯著(P<0.05)，而復(fù)水第3 d時(shí)，CK與各處理之間均有顯著性差異(P<0.05)，在復(fù)水第5 d時(shí)各處理之間無(wú)顯著性差異。在復(fù)水第7 d時(shí)，新疆大葉苜蓿的Yield呈現(xiàn)T1>CK>T2的規(guī)律，與干旱第7 d時(shí)相比，T1和T2各處理分別增加了43.4%和59.8%。
圖3 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)新疆大葉苜蓿熒光參數(shù)的影響Fig.3 The effects of drought stress and rewatering on fluorescence parameters of Medicago sativa cv. xingjiangdaye
3 討論
葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，植物葉片內(nèi)葉綠素含量的高低在一定程度上可以衡量植物抗逆性強(qiáng)弱[24]。有研究表明，干旱脅迫通過(guò)影響葉綠素的合成導(dǎo)致葉綠體超微結(jié)構(gòu)損傷，使葉綠素含量降低[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，新疆大葉苜蓿Chla,Chlb和Chl(a+b)隨著干旱脅迫的加劇呈逐漸降低的趨勢(shì)，復(fù)水后T1和T2處理均有所恢復(fù)，并存在顯著的補(bǔ)償效應(yīng)，表明新疆大葉苜蓿在經(jīng)過(guò)干旱脅迫后復(fù)水可以通過(guò)自身調(diào)節(jié)機(jī)制促進(jìn)其葉綠素的生物合成，使葉綠素含量增加。該結(jié)論與林偉通[26]、李潔[27]的研究結(jié)果相似。但也有研究者在小麥(Triticumaestivum)[28]、大花紫薇(Lagerstroemiaspeciosa)與毛萼紫薇(Lagerstroemiabalansae)[29]上得出相反的結(jié)論，在輕中度干旱脅迫下，其葉綠素含量升高或不變，說(shuō)明有些植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，其水分含量保持在一定的閾值范圍內(nèi)，干旱脅迫不但對(duì)葉綠素含量不造成影響，還能促進(jìn)葉綠素含量的提高，其可能原因是受干旱脅迫時(shí)間長(zhǎng)短的影響，長(zhǎng)時(shí)干旱脅迫下葉片擴(kuò)展生長(zhǎng)受阻，產(chǎn)生濃縮效應(yīng)導(dǎo)致[28]。
植物的光合性能在受到干旱脅迫后明顯下降，且隨著脅迫的不斷加重，光合性能下降愈快，但復(fù)水后能夠產(chǎn)生一定的補(bǔ)償效應(yīng)[30]。研究發(fā)現(xiàn)，在輕度干旱脅迫下，引起植物光合作用降低的原因主要是受氣孔限制，在重度干旱脅迫下，非氣孔因素起主要作用[31]。植物在受到干旱脅迫時(shí)，通過(guò)降低蒸騰作用、關(guān)閉氣孔，從而使光合速率降低。本研究發(fā)現(xiàn),在T1和T2處理水平下，隨著Pn下降，Ci也隨之降低，因此認(rèn)為在T1和T2處理下，氣孔因素是光合作用降低的主要原因。新疆大葉苜蓿在復(fù)水之后，在T1處理水平下Pn和Ci值均恢復(fù)至對(duì)照水平，甚至出現(xiàn)了等量補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)，這與楊文權(quán)等[2]對(duì)小冠花的研究結(jié)果相似，說(shuō)明新疆大葉苜蓿對(duì)水分條件的變化適應(yīng)性較強(qiáng)。在T2處理下，新疆大葉苜蓿葉片的Pn恢復(fù)不明顯，說(shuō)明重度干旱脅迫對(duì)新疆大葉苜蓿葉片的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)造成了損傷，導(dǎo)致復(fù)水后葉片恢復(fù)能力減弱。隨著干旱脅迫的加劇，新疆大葉苜蓿的Tr和Gs逐漸降低，說(shuō)明新疆大葉苜蓿受到干旱脅迫后，可以通過(guò)降低Tr和Gs來(lái)減少體內(nèi)水分的散失，從而維持較高的光合強(qiáng)度，這與前人對(duì)鼓竹節(jié)(Bambusatuldoides‘Swolleninternode’)[32]、野生酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)[33]和沙地云杉(Piceamongolica)[34]的研究相似。隨著復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，新疆大葉苜蓿Tr和Gs均逐漸恢復(fù)至對(duì)照，主要是由于輕度脅迫對(duì)新疆大葉苜蓿的葉片造成的損傷是可逆的，在脅迫解除后Tr和Gs均能迅速恢復(fù)。對(duì)于WUE的研究結(jié)果表明：隨著土壤水分脅迫的加劇，新疆大葉苜蓿WUE逐漸升高，主要是由于氣孔開(kāi)度減小，蒸騰速率降低速率大于凈光合速率升高的速率，導(dǎo)致WUE升高，在復(fù)水之后，WUE能夠逐漸恢復(fù)，說(shuō)明新疆大葉苜蓿有極強(qiáng)的抗旱性。
葉綠素?zé)晒馐茄芯恐参锕夂献饔玫挠行结?，可以有效地監(jiān)測(cè)植物對(duì)逆境的光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，從而可以更全面地分析植物的光合作用過(guò)程[35]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)逆境脅迫非常敏感，可以反映葉片對(duì)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換等情況[36]。Fv/Fm表示PSⅡ最大光合量子產(chǎn)量，反映植物的光合潛能。逆境脅迫會(huì)使Fv/Fm值降低。ETR可作為植物光合電子傳遞速率快慢的相對(duì)指標(biāo)，Qp在一定程度上反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度[37]，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的加劇，新疆大葉苜蓿的Fv/Fm,ETR和Qp均降低，表明干旱脅迫會(huì)使新疆大葉苜蓿的PSⅡ反應(yīng)中心受損，從而抑制光合電子的傳遞過(guò)程，影響光合電子的傳遞效率。隨著復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)v/Fm、ETR和Qp仍能有效恢復(fù)，說(shuō)明新疆大葉苜蓿的葉片在干旱脅迫解除后，受損的PSⅡ反應(yīng)中心得到了修復(fù)，表明幼苗并未受到不可逆的損傷。Fo是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開(kāi)放時(shí)的熒光產(chǎn)量。Fo升高表示光合中心遭到了傷害，進(jìn)而產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象[38]。NPQ是PSⅡ處調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量，通過(guò)熱耗散消吸收過(guò)剩的光能，對(duì)植物光合機(jī)構(gòu)免受破壞起到積極的作用[39]，是光保護(hù)的重要指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，新疆大葉苜蓿的Fo和NPQ隨著干旱脅迫的加劇均逐漸上升，說(shuō)明新疆大葉苜蓿在受到干旱脅迫時(shí)PSⅡ反應(yīng)中心活性降低，這是植物的一種保護(hù)機(jī)制。復(fù)水后新疆大葉苜蓿的Fo和NPQ均恢復(fù)至對(duì)照水平，說(shuō)明新疆大葉苜蓿的葉片PSⅡ天線色素吸收的能量流向光化學(xué)的部分減少，以熱耗散和熒光形式散失的能量增加，通過(guò)提高NPQ及時(shí)耗散了過(guò)剩的光能，起到保護(hù)光合機(jī)構(gòu)的作用。
Yield反映的是光下葉片的實(shí)際光能轉(zhuǎn)換效率，即用于光化學(xué)反應(yīng)所占PSⅡ吸收光能的比例[40]。本研究發(fā)現(xiàn)新疆大葉苜蓿的Yield隨著土壤干旱脅迫程度的加劇而逐漸降低，表明不同土壤干旱脅迫使得其PSⅡ反應(yīng)中心損,抑制了光合作用的原初反應(yīng),這與湯飛洋[41]對(duì)4個(gè)杜鵑品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究結(jié)果相似。復(fù)水后不同土壤干旱脅迫處理下的新疆大葉苜蓿Yield值不斷升高，在復(fù)水第7 d時(shí)T2出現(xiàn)了補(bǔ)償現(xiàn)象，這可能是土壤干旱脅迫對(duì)新疆大葉苜蓿造成的損傷是可逆的，其PSⅡ反應(yīng)中心損及時(shí)調(diào)整自身光保護(hù)機(jī)制，使得其Yield逐漸恢復(fù)。
4 結(jié)論
隨著土壤水分脅迫的加劇，新疆大葉苜蓿的Chla,Chlb和Chl(a+b)含量均逐漸下降，復(fù)水后，新疆大葉苜蓿的葉綠素各指標(biāo)均恢復(fù)至對(duì)照水平，說(shuō)明干旱脅迫后復(fù)水可以促進(jìn)新疆大葉苜蓿葉綠素的合成。干旱脅迫降低了Pn,Ci,Tr,Gs,Fv/Fm,ETR,Qp和Yield，同時(shí)提高了WUE,Fo和NPQ，復(fù)水后出現(xiàn)等量補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)，反映出新疆大葉苜蓿幼苗具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和自我調(diào)節(jié)能力。
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