釀酒葡萄葉片光合特性對干旱脅迫的響應(yīng)

王勝永，張瑞君，陳國良

(1 徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州，221006；2 江蘇省徐州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點實驗室，江蘇徐州，221006；3 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州，434025；4 湖北省荊州市種子管理局，湖北荊州，434020)

隨著全球氣溫的升高，干旱脅迫對植物的影響越來越嚴(yán)重，能夠間接導(dǎo)致葉片光抑制的發(fā)生，降低光合運轉(zhuǎn)效率，嚴(yán)重影響植株的正常生長發(fā)育，大大降低產(chǎn)量。釀酒葡萄是寧夏特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，也是寧夏經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。賀蘭山東麓釀酒葡萄產(chǎn)區(qū)全年日照長達3 000 h，土壤富含礦物質(zhì)砂石，流經(jīng)寧夏境內(nèi)的黃河水為釀酒葡萄提供了良好的灌溉條件[2]。特殊的地理優(yōu)勢使賀蘭山東麓成為國際公認(rèn)的最適合種植優(yōu)質(zhì)釀酒葡萄的“黃金地帶”之一。但由于年降雨量少、蒸發(fā)量大[3]，干旱缺水對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林業(yè)造成了極大影響，在一定程度上限制了植被的生存和發(fā)展，影響生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展。光合作用是植物重要的生理生化過程，且植物光合特征參數(shù)的變化是衡量逆境脅迫的重要指標(biāo)之一[4-6]，研究釀酒葡萄在不同程度干旱脅迫下的光合參數(shù)有利于深入了解植物在逆境中的適應(yīng)性。

干旱脅迫是影響植物光合作用和生長發(fā)育的重要逆境因子，極易引起吸收光能過剩，造成光合損傷[7-9]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對干旱脅迫下的葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)和生理生化特性等方面進行了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)，長期的適度干旱脅迫可以使葡萄最終產(chǎn)量提升4.7%[10]，且可促進葡萄中花色苷的形成[11]。鄧浩亮等[12]認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)的干旱脅迫不僅可以增加葡萄果實內(nèi)的含糖總量，也可以提高可溶性固形物和維生素等含量。李晶等[13]研究表明，一定的水分脅迫能夠降低葡萄果實內(nèi)的可滴定酸含量，從而使葡萄品質(zhì)更優(yōu)。然而對于干旱脅迫條件下葡萄幼苗的光合特性的響應(yīng)機理研究相對較少。本試驗以1年生“霞多麗”葡萄幼苗為材料，用PEG-6000模擬干旱脅迫，定量控制干旱脅迫程度，研究釀酒葡萄幼苗葉片光合特性變化，揭示幼苗在干旱脅迫下的光合作用變化機理，為干旱區(qū)釀酒葡萄種植管理和光響應(yīng)機理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗材料為1年生釀酒葡萄品種“霞多麗”(Chardonnay)，由寧夏銀川市平吉堡農(nóng)場葡萄示范基地(N 38°25′27″，E 106°1′45″)提供。試驗于2019年6—9月在寧夏回族自治區(qū)科技廳旱作節(jié)水科技園區(qū)試驗站進行。用花盆(高25 cm，上口直徑25 cm，下底直徑15 cm)栽植1年生釀酒葡萄“霞多麗”扦插苗(基質(zhì)配比為珍珠巖∶草木灰∶蛭石=3∶2∶5)，待葡萄幼苗發(fā)育到10～12片葉時(7月20日)，篩選出長勢基本相同的幼苗20株進行不同濃度PEG溶液處理。PEG-6000用霍格蘭(Hoagland’s)營養(yǎng)液配制成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的滲透溶液，設(shè)置4組不同的比例，分別為5%、10%、15%和20%，以不含PEG-6000(-0.49 MPa)的Hoagland’s營養(yǎng)液作為對照(CK)，每個處理重復(fù)4次，共20株葡萄幼苗。在脅迫處理開始前進行第1次相關(guān)指標(biāo)測定，記為0 h；待葡萄幼苗干旱脅迫處理24 h后開始第2次測定，之后每隔24 h進行取樣和測定。取樣時間控制在11：00—12：00，取樣后立即在實驗室進行鮮樣指標(biāo)測定，以減少誤差。

1.2 測定項目

采用烘干稱質(zhì)量法測定葉片相對含水量，采用紫外線吸收法并計算RuBP羧化酶活性[14]。采用SPAD-502便攜式測定儀測定葉綠素含量，選擇晴朗天氣上午的11—12時，每個處理重復(fù)測定3次，測定時選擇葡萄幼苗底部起向上第7～9節(jié)位葉片。利用 Li-6400XT型便攜式光合儀測定光合指標(biāo)，測定時間和測定部位與葉綠素含量測定同步。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行處理，Origin 2021作圖，SPSS 24.0統(tǒng)計軟件進行方差分析，并進行Duncan多重比較(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對葡萄葉片相對含水量的影響

試驗結(jié)果看出，對照(CK)釀酒葡萄幼苗葉片的相對含水量最終為92.54%。采用PEG進行處理的葡萄幼苗，在同一脅迫時間段，隨著PEG濃度遞增，葉片相對含水量在脅迫24 h明顯降低，且葉片相對含水量隨脅迫時間的增加均呈下降趨勢，各處理間差異顯著。5%和10% PEG處理葉片的相對含水量變化幅度微小，與CK無顯著性差異；15%和20%處理葉片的相對含水量下降幅度較大，至脅迫結(jié)束時分別降至73.74%和66.24%，較CK分別下降20.31%和28.42%(見圖1)。

圖1 干旱脅迫下不同PEG濃度處理釀酒葡萄幼苗葉片相對含水量動態(tài)變化

2.2 干旱脅迫對葉綠素含量的影響

結(jié)果表明，CK和5% PEG處理葉片的葉綠素含量在整個脅迫時間段基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，無明顯變化；10%、15%和20%處理葡萄幼苗葉片的葉綠素含量隨脅迫時間延長呈先升高后降低趨勢，其中15%和20%處理均在脅迫24 h時達到高峰，分別為4.822、5.356 mg/g；10%處理則在脅迫48 h時達到最大值，為5.214 mg/g。不同脅迫處理下平均葉綠素含量從大到小依次為：10%>5%>CK>15%>20%(見圖2)。與CK相比，5%、10%處理的葉片平均葉綠素含量分別提高了4.96%、8.00%；15%、20%的葉片平均葉綠素含量分別下降了22.02%、33.80%。

圖2 干旱脅迫下不同PEG濃度處理對釀酒葡萄幼苗葉片葉綠素含量動態(tài)變化

2.3 干旱脅迫對光合特性的影響

2.3.1 凈光合速率動態(tài)變化 CK葡萄幼苗葉片的凈光合速率(Pn)為12.35 μmol·m-2·s-1。隨著脅迫時間延長，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG處理葡萄幼苗葉片的Pn呈先升高后降低的趨勢。5%、10%、15%、20%處理在脅迫24 h時，葡萄幼苗葉片Pn達到最大值，分別為19.93、17.78、15.65和16.52 μmol·m-2·s-1。隨后5%與10% PEG處理的Pn小幅下降，在96 h后，5% PEG處理的Pn略高于CK，為13.88 μmol·m-2·s-1，10%處理的Pn與CK相當(dāng)；15%、20%處理的Pn則急劇下降，在96 h時分別為4.21、1.38 μmol·m-2·s-1，較CK分別降低了65.91%和88.83%(見圖3a)。

2.3.2 氣孔導(dǎo)度動態(tài)變化 CK葡萄幼苗葉片的氣孔導(dǎo)度(Gs)為30.5 mmol·m-2·s-1。隨著脅迫時間延長，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG干旱脅迫處理下Gs表現(xiàn)為先升高后降低趨勢。在同一脅迫時間段(24～96 h)，隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，葡萄幼苗葉片Gs相應(yīng)減小，在96 h時，5%、10%處理的Gs降至略高于CK，且10%處理的Gs高于5%處理；15%、20%處理的Gs降幅顯著，脅迫96 h時葡萄幼苗葉片的Gs分別比CK降低了63.25%、66.85%(見圖3b)。

2.3.3 蒸騰速率動態(tài)變化 由圖3c看出，CK葡萄幼苗葉片的蒸騰速率(Tr)為5.72 mmol·m-2·s-1。隨著脅迫時間延長，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG處理下葡萄幼苗葉片的Tr表現(xiàn)為先升高后降低。5%、10%、15%和20%處理在24 h時，葡萄幼苗葉片的Tr達到最大值，分別為12.12、9.89、8.48和10.56 mmol·m-2·s-1；5%、10%處理后期葡萄幼苗葉片的Tr逐漸降低，在96 h時與CK相當(dāng)；15%、20%處理后期葡萄幼苗葉片的Tr降幅劇烈，96 h時葡萄幼苗葉片的Tr分別比CK降低了58.39%、74.83%。

2.3.4 胞間CO2濃度動態(tài)變化 CK葡萄幼苗葉片的胞間CO2濃度(Ci)為278.94 μmol·mol-1。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG脅迫處理下，0～24 h葉片的Ci均呈升高趨勢；其中5%、10%在24 h時達到頂峰，分別為392.33、376.21 μmol·mol-1；15%、20%處理則在處理結(jié)束時達到了最大值，分別為310.49、330.36 μmol·mol-1。隨著脅迫時間的延長，5%、10%處理的Ci逐漸開始下降，最終降至與CK相當(dāng)；15%、20%處理則呈先降低后升高趨勢，在72 h時達最小值，分別為150.21、140.66 μmol·mol-1(見圖3d)。

圖3 干旱脅迫下不同PEG濃度處理對葡萄幼苗光合作用的影響

2.4 干旱脅迫對RuBP羧化酶的影響

RuBP羧化酶(核酮糖二磷酸羧化酶)是光合作用中一個起重要作用的酶系統(tǒng)，是葉綠體卡爾文循環(huán)羧化階段中CO2的接受體，在RuBP羧化酶的催化下，CO2與RuBP反應(yīng)形成2分子3-磷酸甘油酸(PGA)。試驗結(jié)果看出，CK葡萄幼苗葉片的RuBP羧化酶活性為35.92 μmol·g-1·min-1。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG脅迫處理下，葡萄幼苗葉片的RuBP羧化酶活性表現(xiàn)為先升高后降低趨勢，不同處理之間有顯著性差異。在24 h時，5%、10%、15%和20%處理的葡萄幼苗葉片RuBP羧化酶活性均達到頂峰，分別為49.59、40.89、45.66和38.21 μmol·g-1·min-1。24 h后RuBP羧化酶活性均開始下降，其中5%、10%處理的下降幅度小，最終與CK持平；15%、20%處理的下降幅度明顯，在96 h時，酶活性較CK分別減少了34.68%、42.31%(見圖4)。

圖4 干旱脅迫下不同PEG濃度處理對葡萄幼苗葉片RuBP羧化酶活性動態(tài)變化

3 討論

葉片相對含水量是植物耐旱性的重要指標(biāo)，能準(zhǔn)確反應(yīng)出植物在水分脅迫條件下其體內(nèi)水分的真實虧缺情況[15]。陳榮建等[16]研究表明，葉片相對含水量在干旱脅迫條件下的下降幅度小、速率慢，說明其在此狀態(tài)下葉片保水能力強，抗旱性強。本研究結(jié)果顯示，5%、10%、15%、20% PEG處理時，釀酒葡萄幼苗在脅迫前期(0～24 h)葉片相對含水量下降幅度小，說明釀酒葡萄幼苗葉片的保水效果較好，具有一定的耐旱性。但隨著干旱脅迫時間的延長，釀酒葡萄幼苗葉片相對含水量會持續(xù)降低。而在5% PEG和10% PEG干旱脅迫處理下，葡萄幼苗在全部脅迫時間段的保水效果均與CK保持相當(dāng)?？梢娺m宜的脅迫濃度具有抵抗干旱的能力，主要是因為植物在遭遇到干旱脅迫時，體內(nèi)的生理代謝過程會有相應(yīng)的應(yīng)對機制，可以在初期有一定的緩沖能力以抵抗干旱造成的危害，但是隨著干旱脅迫時間延長，植物體內(nèi)生理代謝過程平衡被逐漸破壞，并且干旱越嚴(yán)重，破壞的程度和范圍越大。因此，對葡萄幼苗進行適度干旱脅迫，植株可能通過促進根系生長、增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、提高抗氧化酶活性等調(diào)整形態(tài)結(jié)構(gòu)以及生理生化變化，從而增強細(xì)胞的吸水保水能力。

葉綠素是影響光合作用速率的主要因素[17]。葉綠素含量與植物葉片光合能力密切相關(guān)，是衡量植物抗逆性的重要生理指標(biāo)之一[18]。干旱脅迫能增強葉綠素酶活性，加劇葉綠素的降解，抑制其合成，因此葉綠素含量變化能反映干旱脅迫對植物的傷害程度[19]。高宏云等[20]研究表明，隨著干旱程度加劇，2 個棉花品種的光合能力(葉面積大小、葉綠素含量、凈光合速率)都表現(xiàn)出下降趨勢。高煥嘩等[21]研究認(rèn)為，在一定干旱環(huán)境中，植物的葉綠素總量表現(xiàn)為持續(xù)減少的變化趨勢。本研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫時間的延長，釀酒葡萄幼苗的葉綠素相對含量表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，該結(jié)果與前人研究結(jié)果略有不同[20-21]，其主要原因是在干旱脅迫初期(0～24 h)，葉片中的細(xì)胞會相應(yīng)收縮以適應(yīng)干旱環(huán)境。所以在前期葉片中的葉綠素相對含量會有所上升，PEG濃度低，植株適應(yīng)快，葉片中的細(xì)胞恢復(fù)得快，葉綠素含量會向原來的水平恢復(fù)；PEG濃度越高，對葉肉細(xì)胞的破壞越大，葉片內(nèi)部生理循環(huán)調(diào)節(jié)紊亂，葉綠素含量下降。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，是一個復(fù)雜的生理過程[22]。干旱情況下植物生長受到抑制，很大程度上取決于植物的光合作用。植物的光合能力是植物能夠生長發(fā)育的一個關(guān)鍵指標(biāo)，也是植物在生長環(huán)境下生理狀況的綜合體現(xiàn)，可以衡量不同植物間的差異性，以及受環(huán)境脅迫的影響[23]。植物進行光合作用的因子主要分為氣孔限制和非氣孔限制兩種類型[24-25]。前人研究認(rèn)為，在干旱脅迫中，植物首先表現(xiàn)出氣孔因素，隨著脅迫程度加深，非氣孔因素才開始起作用[26-27]。目前判斷光合速率下降是否受非氣孔因素限制的依據(jù)是光合速率和氣孔導(dǎo)度下降與胞間CO2濃度的變化是否呈相反趨勢[28]。

本研究結(jié)果表明，在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG干旱脅迫處理下，5%和10%處理的葡萄幼苗葉片Pn隨著脅迫時間的延長，表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢，與Ci變化趨勢一致；同時15%和20%處理的Pn在0～72 h時間段內(nèi)也與Ci變化一致，均呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。說明5%和10%處理在整個脅迫時間段與15%和20%在0～72 h時間段的光合作用受氣孔因素限制。而15%和20%處理在脅迫末期(72～96 h)的Pn表現(xiàn)為下降，與同時間段內(nèi)的Ci持續(xù)上升呈現(xiàn)出相反趨勢，表明此脅迫階段的光合作用受非氣孔因素限制。結(jié)合葉綠素含量和RuBP羧化酶活性進一步證實，當(dāng)Ci下降到脅迫末期再升高時，其葉片中的葉綠素含量和RuBP羧化酶活性明顯下降，說明此階段葉片內(nèi)的葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞，使得光合色素含量減少，羧化酶活性降低，光合作用減弱。這一結(jié)論與前人在馬鈴薯[29]和醋栗[30]葉片上的研究結(jié)果一致。因此，在5%和10% PEG模擬脅迫處理下，葡萄幼苗進行光合作用主要受氣孔因素限制，這與植物具有一定的體內(nèi)生理滲透調(diào)節(jié)有關(guān)，但也與植物氣孔結(jié)構(gòu)對周圍環(huán)境的適應(yīng)性調(diào)節(jié)能力有一定的聯(lián)系[31]。而15%和20% PEG模擬脅迫處理下，葡萄幼苗進行光合作用前期受氣孔因素限制，后期受非氣孔因素限制。

4 結(jié)論

5%和10% PEG模擬干旱脅迫下，葡萄幼苗可以保持較高的葉片相對含水量，且可以通過增加葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度和提高RuBP羧化酶活性以促進光合作用。15% PEG和20% PEG模擬干旱脅迫下，葡萄幼苗葉片相對含水量、葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和RuBP羧化酶的活性都有大幅度下降，對光合作用產(chǎn)生抑制效果。