干旱脅迫及復(fù)水對(duì)野牡丹光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

方必君 卓定龍 劉曉洲 鄧演文 曾鳳

（1. 廣州普邦園林股份有限公司 廣東廣州 510600；2. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 廣東廣州 510225）

水是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素。由于全球氣候變暖，全球水循環(huán)進(jìn)一步加快，植物蒸騰和地表蒸散等水分平衡隨之調(diào)整，干旱風(fēng)險(xiǎn)增高[1]。我國(guó)作為全球干旱最頻發(fā)的國(guó)家之一[2]，近年來特大干旱中心向南方轉(zhuǎn)移，南方干旱增加趨勢(shì)更加明顯[3]。

干旱對(duì)植物的影響可以分為3個(gè)層面：一是影響其形態(tài)結(jié)構(gòu)，二是影響其生理生化，三是影響其相關(guān)基因的表達(dá)[4]。研究表明，當(dāng)植物處在干旱環(huán)境下，根系首先感知到干旱脅迫信息，從而直接影響植株的地上部分[5]。植物在輕微干旱環(huán)境下根系活力提升，對(duì)水分的吸收能力增強(qiáng)；當(dāng)水分脅迫繼續(xù)增加、植物水平衡被打破時(shí)，植物將受損傷甚至死亡[6]。大量研究證實(shí)，干旱會(huì)影響植株的光合作用，并控制葉綠素生成。在干旱脅迫的誘導(dǎo)下，植株葉片水分嚴(yán)重虧缺，氣孔運(yùn)動(dòng)受阻，氣孔導(dǎo)度（gs）下降，植株從外部獲得的二氧化碳量降低，從而導(dǎo)致胞間 CO2濃度（Ci）降低。嚴(yán)重缺水時(shí)氣孔接近完全關(guān)閉，造成蒸騰速率（Tr）減少，植物凈光合速率（Pn）降低，植物光合能力下降[7-9]。干旱脅迫下植物體內(nèi)葉綠素?zé)晒鈪?shù)也會(huì)發(fā)現(xiàn)變化。GUO等[10]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，黑枸杞非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）增多，最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、光合電子傳遞速率（ETR）等減少，表明干旱脅迫影響了PSⅡ反應(yīng)中心的開放性。

野牡丹是中國(guó)華南地區(qū)常見的園林觀花植物，花大，顏色鮮艷，外形大小俱佳，且易于修剪，可孤植、片植或叢植，在園林綠化中有著廣泛的使用前景[11]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)野牡丹植物的研究主要集中在資源調(diào)查評(píng)價(jià)[12-14]、栽培技術(shù)[15-16]與適應(yīng)性、組織培養(yǎng)、傳粉生物學(xué)及藥用價(jià)值[17]等方面，針對(duì)抗旱性、光合特性以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究較少。黃燕等[18]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱程度增加，野牡丹葉片出現(xiàn)干枯下垂、頂芽萎蔫，野牡丹葉片的相對(duì)含水量、SOD酶活性、葉綠素含量等主要指標(biāo)的變化趨勢(shì)表明，野牡丹的耐旱性不強(qiáng)。樊晚林等[19]對(duì)3種野牡丹屬植物（野牡丹、毛稔、紫毛野牡丹）進(jìn)行光合特性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，野牡丹的耐陰性是三者中最強(qiáng)的，其對(duì)冬季自然低溫敏感性較強(qiáng)。本試驗(yàn)以野牡丹為研究對(duì)象，以盆栽模擬干旱，在不同的干旱程度下探究水脅迫下野牡丹光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，研究其抗旱能力，以期為未來干旱環(huán)境下野牡丹的種植提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)于2020年8月在廣州市從化區(qū)西向村廣州普邦研發(fā)中心大棚內(nèi)開展。廣州地處低緯度地帶，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，夏季高溫冬季溫和，雨熱同期，季風(fēng)發(fā)達(dá)。年平均氣溫22℃，年平均降雨量1 879.8 mm，大多集中在4—6月。

1.1.2 試材 試驗(yàn)所用材料為 2019年在廣州市從化區(qū)西向村廣州普邦研發(fā)中心大棚內(nèi)經(jīng)扦插獲得，選取發(fā)育良好、長(zhǎng)勢(shì)一致的1年生扦插苗盆栽，移至溫室大棚內(nèi)正常養(yǎng)護(hù)一星期后開始干旱脅迫試驗(yàn)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在干旱脅迫的第0、3、6、9、12天以及復(fù)水第3天測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)照組為正常養(yǎng)護(hù)澆水。為減小株間差別，對(duì)各株植株中生長(zhǎng)發(fā)育情況和形態(tài)大小一致的葉片掛牌標(biāo)記，從中測(cè)取數(shù)據(jù)。測(cè)定時(shí)間為當(dāng)天上午的8：00—11：00，每個(gè)處理測(cè)定植物3株，每株進(jìn)行3次重復(fù)。實(shí)驗(yàn)過程中大棚內(nèi)溫度在30～35℃，光照充足。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定 利用土壤水分檢測(cè)儀測(cè)定土壤含水率，并利用美國(guó)公司 LI-COR有限公司制造的便攜式光合作用測(cè)量?jī)x（LI-6400）測(cè)量野牡丹葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速度（Tr），并測(cè)算土壤水分利用率（WUE），WUE = Pn/Tr。使用美國(guó)Walz有限公司研發(fā)的便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈾z測(cè)儀（PAM-2500），對(duì)各種植物同一葉位的成熟葉片進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定，測(cè)定參數(shù)包括最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）以及光合電子傳遞速率（ETR）。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 23.0和Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以及圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量的變化

如圖 1所示，隨著干旱時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，土壤含水量不斷下降。在干旱12 d時(shí)土壤含水量達(dá)到最低值，與對(duì)照組相比下降了90.19%。

圖1 土壤含水量的變化

2.2 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)野牡丹光合參數(shù)的影響

如圖2～5所示，隨著干旱程度的不斷增加，野牡丹葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（gs）、胞間 CO2濃度（Ci）以及蒸騰速率（Tr）均呈下降趨勢(shì)。野牡丹葉片Pn在輕度（干旱第3、6天）干旱下降幅較小，分別為 24.31%與 39.15%；在重度干旱（干旱第9、12天）下降幅較大，分別達(dá)到 79.91%與 92.75%；復(fù)水后，Pn僅恢復(fù)到干旱第3天水平，且不同干旱脅迫時(shí)間段存在顯著性差異（p＜0.05）。與對(duì)照組相比，第12天野牡丹葉片gs下降了91.49%，復(fù)水后僅恢復(fù)到干旱第3天水平；gs在干旱前期與后期降幅較大，中期降幅較平穩(wěn)；gs在干旱脅迫過程中干旱組和復(fù)水后與對(duì)照組間均存在顯著性差異。Ci在整個(gè)干旱過程中的降幅都較為平穩(wěn)，在第12天下降到最低水平，下降了42.74%，復(fù)水后恢復(fù)到干旱第9天的水平。Tr在整個(gè)干旱過程中的降幅都較大，在第 12天下降到最低水平，與對(duì)照組相比下降了94.58%，復(fù)水后恢復(fù)到了干旱第3天水平。

圖2 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹凈光合速率的影響

圖3 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹氣孔導(dǎo)度的影響

圖4 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹胞間CO2濃度的影響

圖5 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹蒸騰速率的影響

如圖 6所示，野牡丹葉片的水分利用效率（WUE）隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)呈先上升后下降的趨勢(shì)。WUE在第6天達(dá)到最大水平，與對(duì)照組相比上升了95.4%，復(fù)水后恢復(fù)到對(duì)照組水平。

圖6 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹水分利用效率的影響

2.3 干旱脅迫對(duì)野牡丹葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

如圖7～11所示，隨著干旱程度的不斷增加，野牡丹葉片的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率[Y(Ⅱ)]、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和光合電子傳遞速率(ETR)均呈下降趨勢(shì)，而非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）隨著干旱程度的不斷增加呈上升趨勢(shì)。野牡丹葉片的Fv/Fm4個(gè)干旱處理組與對(duì)照組相比分別降低了 6.58%、13.59%、17.39%、29.63%，降幅穩(wěn)定，且4個(gè)干旱處理組與對(duì)照組的差異均達(dá)到了顯著水平。野牡丹葉片的Y(Ⅱ)四個(gè)干旱處理組與對(duì)照組相比分別降低了22.23%、39.89%、50.57%、66.48%，均有顯著性差異。野牡丹葉片的NPQ四個(gè)干旱處理與對(duì)照組相比均有顯著性差異，復(fù)水后與對(duì)照組間無顯著性差異。干旱處理NPQ不斷上升，在12 d達(dá)到峰值，與對(duì)照組相比上升了約42.11%。野牡丹葉片qP與對(duì)照組相比在干旱3 d時(shí)沒有受到顯著性影響，在干旱6、9、12 d均受到了顯著影響，在12 d時(shí)下降了40.19%。野牡丹葉片的ETR四個(gè)干旱處理組與對(duì)照組相比都受到顯著影響，其中 6與9 d、9與12 d組間沒有顯著性差異，干旱脅迫下ETR呈不斷下降趨勢(shì)，干旱12 d時(shí)與對(duì)照組相比下降64.22%。

圖7 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹最大光化學(xué)效率的影響

圖8 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率的影響

圖9 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹非光化學(xué)淬滅系數(shù)的影響

圖10 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹光化學(xué)淬滅系數(shù)的影響

圖11 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹光合電子傳遞速率的影響

3 討論

3.1 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹光合參數(shù)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物在短期或適度的水分虧缺狀況下，氣孔限制是引起Pn值降低的重要因素[20]。葉片的光合速率和氣孔導(dǎo)度成正相關(guān)[21]。當(dāng)水分脅迫加劇,植物抗水分逆境的能力有限，生理代謝功能失調(diào)以及葉綠體對(duì)CO2的固定能力降低等原因?qū)е路菤饪紫拗埔蛩兀沟肞n降低[22]。本研究結(jié)果表明，當(dāng)野牡丹處在干旱條件下時(shí)，氣孔運(yùn)動(dòng)受限，氣孔導(dǎo)度（gs）減少，植株從外部獲得的CO2大大減少，從而導(dǎo)致胞間co2濃度（Ci）降低。嚴(yán)重缺水時(shí)氣孔接近完全封閉，從而造成了蒸騰速率（Tr）降低，最終導(dǎo)致植物凈光合速率（Pn）減少，植株光合能力降低。干旱環(huán)境脅迫下野牡丹的水分利用效率（WUE）先上升后下降。程甜甜等[23]研究也發(fā)現(xiàn)，隨著土壤中相對(duì)含水率的下降，文冠果葉片的凈光合速率與水分利用效率都出現(xiàn)了先升高后下降的變化趨勢(shì)。

3.2 干旱及復(fù)水對(duì)野牡丹葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

Fv/Fm值體現(xiàn)了 PSII的光能轉(zhuǎn)化效率，常被用于判斷植物PSII能否因發(fā)生光抑制而產(chǎn)生不可逆?zhèn)24]，該參數(shù)變動(dòng)范圍較小，通常為0.75～0.85，且不受植物物種和生長(zhǎng)條件的影響。Fv/Fm值在第9天后降到了0.7以下，說明在干旱脅迫下野牡丹產(chǎn)生了光抑制作用，光合組織受到破壞；復(fù)水后有所上升，說明抑制作用減弱、光合功能得到一定程度恢復(fù)。Y（Ⅱ）體現(xiàn)了PSII光化學(xué)系統(tǒng)的開放程度，與碳同化過程有很大的關(guān)聯(lián)[25]。qP表示以 PSII天線色素所吸收的光能作為植物暗反應(yīng)中固定能量的部分，其值越大說明PSII的光電子轉(zhuǎn)換活性越大，在光能中轉(zhuǎn)化為活潑化學(xué)能的能量就越多，因此植物對(duì)光能的利用效率也就越高[26]。qP、ETR、Y（Ⅱ）低于對(duì)照組，說明野牡丹光合電子傳遞和光化學(xué)活性受到抑制，只有通過降低量子產(chǎn)額、光化學(xué)淬滅和電子傳遞速率來耗盡過剩的光能。NPQ超過了對(duì)照組，表明干旱脅迫造成野牡丹原始光能轉(zhuǎn)換效率下降，PSⅡ天線色素所吸收的光能過剩，因此只能升高NPQ，即以熱耗散的形式釋放掉過多的光能。復(fù)水后，各項(xiàng)熒光參數(shù)均顯著恢復(fù)，說明野牡丹受損的PSⅡ反應(yīng)中心可在一定程度恢復(fù)。

干旱脅迫后的復(fù)水恢復(fù)情況可反映植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力和保護(hù)機(jī)制[27-28]。通過光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可知，12 d的干旱脅迫對(duì)野牡丹的光合生理造成了影響，但是復(fù)水后各項(xiàng)指標(biāo)都能恢復(fù)到干旱脅迫0～3 d的水平，說明野牡丹具有一定的抗旱性。本實(shí)驗(yàn)僅研究了干旱脅迫及復(fù)水對(duì)野牡丹光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，今后還需要在生理生化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)等方面開展進(jìn)一步的探索研究。