土壤干旱過程對裸果木熒光特性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

馬步東，黃海霞，陸 剛，周曉瑾，張君霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在干旱、半干旱地區(qū)，水分是植物生長的最重要限制因子，土壤水分條件變化時，植物會表現(xiàn)出不同的生理生態(tài)響應(yīng)特征[1]。近年來，隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，我國干旱和半干旱區(qū)缺水問題日益嚴(yán)重，耐旱植物面臨的干旱脅迫也日益突出[2]。目前對耐旱植物生理生態(tài)特性的研究多集中在不同干旱程度下種子萌發(fā)特性、幼苗生理響應(yīng)等方面[3-4]，但這些研究均在土壤水分含量的靜態(tài)控制條件下進(jìn)行，由于在連續(xù)干旱過程中土壤水分含量處于動態(tài)遞減過程中[5]，現(xiàn)有研究成果不能反映耐旱植物對土壤水分的瞬時、連續(xù)變化的動態(tài)響應(yīng)，目前針對耐旱植物在土壤干旱過程中的動態(tài)響應(yīng)機制研究還鮮見文獻(xiàn)報道。

在干旱條件下，植物會通過積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)降低細(xì)胞滲透勢，維持膨壓和生理過程的正常進(jìn)行[6]。已有研究發(fā)現(xiàn)，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累程度與植物抗旱性呈正相關(guān)，不同的植物種主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)存在差異，但其都是通過積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來抵御干旱脅迫[7]。葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)技術(shù)在測定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，與“表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比，葉綠素?zé)晒鈪?shù)更具有反映“內(nèi)在性”特點[8]。且葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔弥懈鱾€反應(yīng)過程密切相關(guān)，土壤水分脅迫對光合作用各個過程產(chǎn)生的影響都可通過體內(nèi)葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)變化反映出來。因此，葉綠素?zé)晒鈪?shù)可作為逆境下植物抗逆反應(yīng)的指標(biāo)之一，也是監(jiān)測植物干旱脅迫危害程度的敏感性手段之一[9]。

裸果木(Gymnocarposprzewalskii)隸屬石竹科(Caryophyllaceae)裸果木屬(Gymnocarpos)，被確定為國家重點保護(hù)野生植物名錄中的Ⅰ級，耐干旱、寒冷和瘠薄，抗風(fēng)能力強，是古地中海旱生植物區(qū)系成分，對研究我國西北和內(nèi)蒙古荒漠的發(fā)生、發(fā)展、氣候變化有著非常重要的科學(xué)價值[10]。由于生存環(huán)境條件惡劣，以及人為活動的影響，導(dǎo)致其數(shù)量日益減小，繁衍受限，現(xiàn)今已處于瀕危狀態(tài)。目前關(guān)于裸果木對干旱生理響應(yīng)的研究報道主要是在PEG模擬干旱脅迫條件下進(jìn)行[11]，研究內(nèi)容也尚未涉及葉綠素?zé)晒鈪?shù)。本研究在土壤逐漸干旱過程中，測定分析裸果木幼苗的葉綠素?zé)晒鈪?shù)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化，探明裸果木幼苗對水分變化的生理響應(yīng)機制，以期為揭示裸果木的抗旱機理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為2年生的裸果木幼苗，通過盆栽播種育苗獲得，種子采自甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護(hù)區(qū)南片的裸果木種群(40°03′34.9″-40°04′13.4″N，96°14′32.6″-96°24′17.6″E)。育苗基質(zhì)配比為：泥炭土∶蛭石∶珍珠巖=2∶1∶1，田間持水量為：141.49%，容重為0.45 g·cm-3，每個花盆(直徑24 cm，高35 cm)裝土量為3.5 kg，每盆保留1株幼苗。

1.2 試驗設(shè)計

2020年6月29日，選擇長勢比較一致的苗木，隨機分為對照組和處理組，每組8個重復(fù)，試驗前將盆內(nèi)栽培土壤澆水至飽和，對照組通過稱重法，將土壤含水量控制在田間持水量的80%～85%，處理組停止?jié)菜蛊涮幱谥饾u干旱的狀態(tài)。試驗開始后每天使用WET-2土壤水分溫度電導(dǎo)率速測儀測定土壤含水率(體積含水率)，并在試驗處理的0、3、6、9、12 d及15 d時，測定對照組和處理組葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，并采集葉片測定滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。采樣時對應(yīng)的土壤相對含水量見表1。

表1 不同處理條件下土壤相對含水量的變化

1.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

采用FluorCam熒光成像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集軟件FluorCam7于8：00-10：00測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)[12]。每一處理隨機選擇5株植株頂部伸展葉片測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)值，取平均值。葉片測定部位使用葉夾遮光處理(暗適應(yīng))30 min后，打開葉夾，開啟測量光得到初始熒光(Fo)，再開啟飽和脈沖光測得到最大熒光(Fm)，得到原初光能潛在活性(Fv/Fo)、光化學(xué)最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、非光化學(xué)猝滅(NPQ-Lss)、光化學(xué)猝滅(qL-Lss)、穩(wěn)態(tài)光量子效率(QY-Lss)、熒光衰減率(Rfd-Lss)。

1.4 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的測定

參考高俊鳳[13]的方法，采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定可溶性蛋白含量(SP)，蒽酮比色法測定可溶性糖含量(SS)，酸性茚三酮比色法測定脯氨酸含量(Pro)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics 23統(tǒng)計軟件進(jìn)行單因素方差分析，用Duncan法比較處理間的差異顯著性，用Excel 2003繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤干旱過程對裸果木葉片F(xiàn)o和Fm的影響

Fo是光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心完全開放時的熒光產(chǎn)量，其大小與葉綠素質(zhì)量濃度有關(guān)，與光合作用的光化學(xué)反應(yīng)無關(guān)[14]。隨著土壤水分含量的逐漸降低，F(xiàn)o呈現(xiàn)上升的趨勢(圖1)。干旱脅迫對裸果木幼苗的Fo產(chǎn)生了顯著的影響，當(dāng)干旱第9天(土壤相對含水量為31.38%)時，F(xiàn)o顯著高于CK(P<0.05)，是CK的1.18倍，第15天(土壤相對含水量為18.91%)時，F(xiàn)o達(dá)到最大值，為CK的1.23倍。Fm表示當(dāng)PSⅡ反應(yīng)中心完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量，可反映通過PSⅡ的電子傳遞情況[15]。土壤逐漸干旱對裸果木幼苗的Fm產(chǎn)生了顯著的影響，隨著土壤干旱程度的加強，F(xiàn)m呈現(xiàn)下降的趨勢(圖1)。9 d時Fm顯著低于CK(P<0.05)，是CK的0.9倍。

2.2 土壤干旱過程對裸果木葉片F(xiàn)v/Fo和Fv/Fm的影響

Fv/Fo代表PSⅡ原初光能潛在活性。隨著土壤干旱脅迫的加劇，裸果木幼苗Fv/Fo呈現(xiàn)下降的趨勢(圖2)。干旱脅迫在第6天(土壤相對含水量為44.76%)后，F(xiàn)v/Fo均顯著低于CK(P<0.05)。第9天(土壤相對含水量為31.38%)時降幅最大，為28.8%，9～15 d期間，F(xiàn)v/Fo降幅較小，但也顯著低于第6天時的Fv/Fo(P<0.05)。干旱脅迫第15天(土壤相對含水量為18.91%)時，F(xiàn)v/Fo達(dá)到最低，較CK下降了42.5%。Fv/Fm反映了當(dāng)所有的PSⅡ反應(yīng)中心均處于開放態(tài)時的量子產(chǎn)量。隨著土壤干旱程度的加劇，F(xiàn)v/Fm呈下降的趨勢(圖2)，9 d時，F(xiàn)v/Fm顯著低于CK(P<0.05)，是CK的0.95倍。

2.3 土壤干旱過程對裸果木葉片NPQ-Lss和qL-Lss的影響

NPQ-Lss反映的是葉片光反應(yīng)中心對天然色素吸收過量光能后的熱耗散的量[16]。土壤干旱過程對裸果木幼苗葉片NPQ-Lss有顯著影響。隨著土壤水分含量的降低，裸果木幼苗的NPQ-Lss值呈現(xiàn)顯著升高趨勢(圖3)，0～6 d處理差異性不顯著(P>0.05)，9 d(土壤相對含水量為31.38%)時差異性達(dá)顯著水平(P<0.05)，15 d(土壤相對含水量為18.91%)時達(dá)到最大，較CK增加了56.8%。qL-Lss反映了植物光合活性的高低[17]。隨著土壤干旱脅迫的逐漸加劇，裸果木幼苗的qL-Lss值表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢(圖3)。干旱脅迫3 d(土壤相對含水量為57.62%)時的裸果木幼苗qL-Lss值顯著提高(P<0.05)，且達(dá)到最大值，是CK的1.15倍。干旱脅迫第3天后，裸果木幼苗的qL-Lss值呈現(xiàn)下降的趨勢，第6天的qL-Lss值也高于CK。

2.4 土壤干旱過程對裸果木葉片QY-Lss和Rfd-Lss的影響

QY-Lss可以反映PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)的狀態(tài)。CK的QY-Lss值基本穩(wěn)定在0.26左右。隨著土壤水分含量的降低，QY-Lss值整體呈逐漸下降的趨勢(圖4)。干旱處理第9天(土壤相對含水量為31.38%)時，QY-Lss值顯著降低(P<0.05)，較CK降低了0.06。熒光衰減率(Rfd-Lss)用于評估植物活力。裸果木葉片的Rfd-Lss在土壤相對含水量大于31.38%，基本沒變化，第12天(土壤相對含水量為23.23%)時熒光衰減率才迅速下降(圖4)，顯著低于CK(P<0.05)，與對照CK相比，降幅為27.2%。

2.5 土壤干旱過程對裸果木葉片生理滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖5可知，土壤干旱過程對裸果木幼苗葉片Pro有顯著影響。隨著土壤水分含量的降低，裸果木幼苗的Pro值呈現(xiàn)升高趨勢，0～6 d處理差異性不顯著，9 d(土壤相對含水量為31.38%)時差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。15 d(土壤相對含水量為18.91%)時Pro值達(dá)到最大，較CK增加了24.3%。裸果木在干旱脅迫1～6 d時，SP含量下降，在干旱脅迫6～15 d時又上升(圖5)。干旱處理第3天(土壤相對含水量為57.62%)時，SP顯著低于CK(P<0.05)，降幅為17.7%。0～9 d，SP顯著低于CK(P<0.05)，第6天達(dá)到最低，較CK下降了41.1%。隨著土壤水分含量的逐漸降低，SS呈現(xiàn)上升的趨勢。干旱脅迫對裸果木幼苗的SS產(chǎn)生了顯著的影響，15 d時Fo顯著高于CK(P<0.05)，是CK的1.3倍。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

隨著干旱程度的增加，F(xiàn)m、Fv/Fo、Fv/Fm和QY-Lss隨土壤相對含水量的降低持續(xù)下降，F(xiàn)o、NPQ-Lss和Rfd-Lss隨土壤相對含水量的降低呈上升趨勢，qL-Lss值表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢。

土壤相對含水量降低時，葉片PSⅡ反應(yīng)中心的活性降低，光合作用的原初反應(yīng)過程受抑制，但葉片通過顯著提高NPQ-Lss，消耗過剩的光能來保護(hù)光合機構(gòu)。

隨著干旱程度的增加，Pro和SS含量顯著積累，發(fā)揮了主要的滲透調(diào)節(jié)作用，提高了裸果木幼苗的抗旱性；土壤相對含水量降低時，SP含量呈先降后增的趨勢，在干旱程度嚴(yán)重時，發(fā)揮滲透調(diào)節(jié)作用。

3.2 討論

3.2.1 土壤干旱過程對葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映干旱條件下葉片對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換等，估測PSⅡ反應(yīng)中心的受損程度[18]。Fo常以度量色素吸收的能量中以熱和熒光形式散失的能量，較低的土壤水分脅迫易造成植物PSⅡ反應(yīng)中心不易逆轉(zhuǎn)的破壞[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在土壤相對含水量為31.38%時，裸果木幼苗葉片的Fo增加顯著，說明該水分條件下，PSⅡ反應(yīng)中心遭到明顯的損傷。在土壤相對含水量大于31.38%時，F(xiàn)o與CK差異不顯著，可能由于PSⅡ反應(yīng)中心中，色素吸收過剩光能，減少了反應(yīng)中心傷害程度，以適應(yīng)干旱脅迫，這與李得祿等[21]的研究結(jié)果類似。土壤水分含量越低，裸果木幼苗Fm就越小，說明幼苗遭受的干旱脅迫程度越深，其PSⅡ的電子傳遞能力越弱[22]。土壤相對含水量為31.38%時Fm顯著下降，這可能是干旱脅迫使裸果木幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性降低，光合電子傳遞過程受到明顯阻礙[18]。

Fv/Fo反映的是PSⅡ的潛在活性。在本研究中，隨著干旱脅迫的增加Fv/Fo降低，說明干旱脅迫可使PSⅡ原初光化學(xué)活性受到抑制，PSⅡ活性中心受到損傷[23]。Fv/Fm直接反映的是植物葉綠體PSⅡ最大潛在的光化學(xué)量子效率和利用率，是研究光抑制或各種環(huán)境脅迫對光合作用影響的重要指標(biāo)[24]。當(dāng)Fv/Fm下降時，代表植物受到了脅迫，脅迫越重，F(xiàn)v/Fm越小。結(jié)果表明，裸果木在脅迫第9天時，受到的脅迫顯著增加，并且隨著土壤相對含水量的降低，脅迫程度也越來越重。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤干旱脅迫的加重，F(xiàn)v/Fo、Fv/Fm都呈下降趨勢，從脅迫程度上看，土壤相對含水量越低，裸果木幼苗的Fv/Fo、Fv/Fm值越小，表明葉片的潛在活力下降，其傷害部位可能位于PSⅡ氧化傳遞鏈或PSⅡ反應(yīng)中心或PSⅡ原初電子受體[25]，這和柯裕州等[26]在桑樹上的研究結(jié)果相似。

非光化學(xué)猝滅(NPQ-Lss)反映了植物光反應(yīng)中心對天然色素吸收過量光能后的熱耗散量，間接反映了光合電子流向熱耗散方向的傳遞速率[27]。在干旱過程中，NPQ-Lss越來越高，說明植物能通過熱耗散消耗掉過剩光能，避免光合機構(gòu)受到破壞，是植物對水分環(huán)境適應(yīng)的一種保護(hù)機制[28]。光化學(xué)猝滅(qL-Lss)反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，在一定程度上光化學(xué)猝滅又反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度。qL-Lss愈大，PSⅡ的電子傳遞活性愈大[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤相對含水量的逐漸降低，NPQ-Lss顯著增加，qL-Lss呈現(xiàn)先升后降的趨勢，說明在干旱脅迫初期，裸果木幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心開放程度增大，有效利用光能進(jìn)行光合作用的能力強；在裸果木幼苗葉片受到脅迫較強時，PSⅡ反應(yīng)中心開放程度小，有效利用光合作用的能力減弱，這與楊玉珍等[30]的研究結(jié)果相似。

穩(wěn)態(tài)光量子效率(QY-Lss)可以反映PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)的狀態(tài)。隨著土壤干旱脅迫的加劇，QY-Lss整體呈下降趨勢。綜合分析表明，裸果木葉片的光能轉(zhuǎn)化效率在土壤干旱過程中逐漸降低，QY-Lss在脅迫前9 d響應(yīng)較后期更為敏感，說明在土壤相對含水量小于31.38%時，對光能轉(zhuǎn)化的抵制作用更明顯，可能與qL-Lss的升高引起了用于光化學(xué)電子傳遞的光能份額的重新分配有關(guān)。

3.2.2 土壤干旱過程對葉片生理滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響 滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)干旱脅迫的重要生理機制。脯氨酸作為植物在滲透脅迫下一種無毒的滲透調(diào)節(jié)劑，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的大量積累，能夠降低細(xì)胞的水勢，避免細(xì)胞脫水，并在高滲環(huán)境中獲取水分[31]。正常情況下，植物體內(nèi)游離脯氨酸的含量很低，但當(dāng)植物受脅迫時，其脯氨酸水平明顯增加，表明植物可以通過細(xì)胞內(nèi)積累的溶質(zhì)降低滲透勢，以抵抗外界造成的滲透脅迫[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤相對含水量減少時，裸果木幼苗葉片中的脯氨酸含量顯著積累，說明在水分虧缺條件下，葉片能夠主動積累脯氨酸，增強抗旱性。

可溶性蛋白是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，當(dāng)植物受到干旱脅迫時，可通過積累可溶性蛋白來降低細(xì)胞滲透勢，從而減小干旱對植物的傷害，可溶性蛋白積累量越大，植物抗旱性越強[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱程度的加劇，裸果木葉片可溶性蛋白含量在干旱脅迫0～6 d時表現(xiàn)為下降，可認(rèn)為干旱脅迫導(dǎo)致裸果木可溶性蛋白合成速率下降，但在干旱脅迫6～15 d，可溶性蛋白含量顯著上升，可能是由于此時脯氨酸含量顯著積累，增加蛋白質(zhì)可溶性，減少可溶性蛋白的沉淀[34]?；蛘吒珊嫡T導(dǎo)了某些適應(yīng)水分脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，導(dǎo)致一些新蛋白的出現(xiàn)或某些蛋白量的增加[35]。裸果木葉片的可溶性蛋白含量總體呈升高趨勢，表明其在干旱過程中起到了滲透調(diào)節(jié)作用。

可溶性糖是植物光合作用的初產(chǎn)物，又是一類較為有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。可溶性糖含量在干旱脅迫下緩慢積累以維持細(xì)胞膨壓，從而提高植物抗旱能力[36]。本研究表明，可溶性糖含量隨土壤相對含水量的降低而增加，干旱處理的可溶性糖的含量均高于對照，這可能與裸果木幼苗正常的生理代謝有關(guān)，說明干旱脅迫促進(jìn)了可溶性糖的合成，通過發(fā)揮滲透調(diào)節(jié)作用，降低干旱脅迫的傷害。