避雨栽培模式對葡萄葉綠素?zé)晒饧肮夂袭a(chǎn)物的影響

郭俊強(qiáng)，張曉月，王西平*

（1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

葡萄適應(yīng)性強(qiáng)，在全國各省市區(qū)均有栽培。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截止2019年，我國葡萄栽培面積為72.62萬 hm2，年產(chǎn)量為1419.54萬 t。改革開放以來，我國葡萄產(chǎn)業(yè)的區(qū)域優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)[1]，特別是栽培模式的更新及關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)推廣，不僅使葡萄優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)區(qū)域有了大幅度的擴(kuò)張，而且使得栽培效益有了進(jìn)一步的提升[2]；此外，隨著以葡萄酒產(chǎn)業(yè)為代表的葡萄制品消費(fèi)量的逐漸提升，為釀酒葡萄的發(fā)展增添了新動(dòng)能[3]，葡萄及葡萄制品已成為很多地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。

葡萄葉片光合效能的強(qiáng)弱直接決定了光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化和積累[4]。研究表明，熱帶濕潤地區(qū)，避雨栽培條件可明顯改善葡萄葉片凈光合速率（Pn）與蒸騰速率（Tr）和氣孔導(dǎo)度（Gs）的比值，提升了葉片的光合性能，加速了植物的光合日積累，增加了光合有效時(shí)間，從而促進(jìn)了葡萄的生長[5-6]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)被視為研究植物光合效能與外界環(huán)境的內(nèi)在探針，它可以反映逆境脅迫對植物葉片光合的影響；同時(shí)，也是研究PSⅡ光合效能的有力工具，在測定葉片光合系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨(dú)特的作用[7-8]，其表示了植物葉片PSⅡ的活性強(qiáng)弱，在不損傷植物的情況下，可快速、連續(xù)地提供與植物光合作用有關(guān)的信息，能夠直接、具體地反映植物生長發(fā)育情況，通常用來研究逆境脅迫對植物光合作用全過程的影響[9]。在葉綠素?zé)晒鈪?shù)中，可變熒光與最大熒光比值（Fv/Fm）是植物響應(yīng)光照變化的敏感指標(biāo)，一般介于0.75～0.85，可反映植物光合效率的高低，數(shù)值越高，光合效率越高，反之亦然；Y(Ⅱ)反映了PSⅡ反應(yīng)中心的實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率[10-11]；表觀光合電子傳遞速率（ETR）是植物光合機(jī)構(gòu)吸收光能發(fā)生電荷分離產(chǎn)生電子并沿電子傳遞鏈向下傳遞的速率，反映了在實(shí)際光強(qiáng)條件下植物的表觀電子傳遞效能[12]；非光化學(xué)猝滅（NPQ）是植物熱耗散過剩光能為熱的能力，反映了PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞，而以熱的形式耗散掉的光能部分，對植物光合機(jī)構(gòu)免受破壞起到積極的作用[13]；qP則可以反映PSⅡ原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)和PSⅡ開放中心的數(shù)目，其值與PSⅡ電子傳遞活性成正相關(guān)，即數(shù)值越大，PSⅡ的電子傳遞活性越大[14]。近年來，避雨栽培在葡萄種植過程中已廣泛推廣應(yīng)用，該模式對葡萄光合作用參數(shù)的影響已有很多研究，總體表現(xiàn)為避雨栽培可減弱葡萄的凈光合速率但并未影響植株正常的生長發(fā)育。

葡萄植株的生長發(fā)育主要是靠生長季內(nèi)光合產(chǎn)物的積累來提供其所需的營養(yǎng)，然而，對不同栽培模式下葡萄葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化和光合產(chǎn)物定量的研究鮮有報(bào)道。因此，需進(jìn)一步探究避雨栽培模式對葡萄葉綠素?zé)晒鈪?shù)及生長季光合產(chǎn)物的影響，為葡萄種植過程中選擇不同栽培模式提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地概況

2020年，以西北農(nóng)林科技大學(xué)葡萄種質(zhì)資源與育種試驗(yàn)基地栽培的‘紅地球’‘火焰無核’‘戶太八號(hào)’和‘夏黑’4個(gè)葡萄品種為試材，樹齡6年，采用常規(guī)方法進(jìn)行田間土肥水管理及病蟲害防治。

試驗(yàn)地位于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)（34°14′～34°20′N，107°59′～108°08′E），該地區(qū)年平均氣溫14.1 ℃，日照時(shí)數(shù)2572.6 h，相對濕度1.9%，降雨量709.5 mm，無霜期292 d。2020年6月至9月，試驗(yàn)地白天平均溫度為27.4 ℃，夜間平均溫度為18.3 ℃。7月7日溫度最高為37.0 ℃，9月21日溫度最低為16 ℃。在葡萄轉(zhuǎn)色期前后（7—8月），連陰雨天氣增多，降雨量占全年的45%左右。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

避雨栽培模式（覆膜時(shí)間：‘火焰無核’和‘夏黑’為6月18日；‘戶太八號(hào)’和‘紅地球’為6月25日），“干”形架形，株行距1.0～1.5 m×3.0～3.5 m，東西走向，架面采用單向龍骨狀“V”形小平棚管理。每行設(shè)為一個(gè)小區(qū)，3個(gè)重復(fù)，共3行。每行共有42株葡萄，以露地栽培為對照，搭配分布，即避雨共66株，露地共60株。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

7月13日，天氣晴朗，選擇上午9:00—11:00使用PAM-2500便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（WALZ公司，德國）進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。每行葡萄選擇不同栽培模式下果穗附近生長狀況良好且相近的功能葉5片，3個(gè)重復(fù)，共45片。暗適應(yīng)處理30 min測定初始熒光（F0），使用飽和脈沖光（8000 μmol·m-2·s-1，0.8 s）測得最大熒光（Fm）。由Fm減去F0得到可變熒光（Fv），然后計(jì)算可得葉片在暗適應(yīng)下的PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）。測量實(shí)時(shí)熒光值(Ft)、光下最小熒光值(F0')和光下最大熒光值(Fm')，通過公式計(jì)算出實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y(II)]，表觀光合電子傳遞速率（ETR），非光化學(xué)猝滅（NPQ），光化學(xué)猝滅（qP）。

1.3.2 葉片蔗糖含量的測定

7月至8月是葡萄轉(zhuǎn)色成熟的關(guān)鍵時(shí)期，葉片光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化和積累有助于葡萄品質(zhì)的提升。試驗(yàn)從7月6日開始，每隔10 d，共采樣5次。即每次采取每行葡萄不同栽培模式下果穗附近生長狀況良好且相近的功能葉5片，3個(gè)重復(fù)，共45片，將采好的鮮樣放入冰盒內(nèi)開始試驗(yàn)。采用蒽酮蔗糖法[15]測定葉片中蔗糖含量，具體方法：根據(jù)試驗(yàn)指導(dǎo)制作蔗糖標(biāo)準(zhǔn)曲線；再將鮮樣110 ℃烘箱中烘15 min，然后70 ℃過夜，干葉片磨碎稱取50 mg于15 mL的離心管中加入4 mL 80%乙醇，80 ℃水浴30 min（不斷攪拌），冷卻至室溫后3500 r·min-1下離心10 min，收集上清液，在其沉淀中加2 mL 80%乙醇重復(fù)提取2 次，合并上清液。于上清液中加入10 mg活性炭，80 ℃脫色15 min，80 %乙醇定容至10 mL，過濾后取濾液用于測定。取待測樣品0.4 mL，用蒽酮蔗糖法測定480 nm波長下的OD值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算蔗糖含量。公式為：

蔗糖含量（μg·g-1DW）=(C×V)/(W×DW1×1000)

式中，C：從標(biāo)準(zhǔn)曲線查得標(biāo)準(zhǔn)品的含量（μg）；V：樣品提取液總體積（mL）；W：顯色時(shí)取樣品液量（mL）；DW1：樣品干重（g）。

1.3.3 葉片淀粉含量的測定

鮮樣為1.3.2所采葉片。采用蒽酮可溶性總糖法[15]測定葉片中淀粉含量，具體方法：根據(jù)試驗(yàn)指導(dǎo)制作可溶性總糖標(biāo)準(zhǔn)曲線；向上述過濾后的沉淀中加入2 mL蒸餾水，沸水糊化15 min，冷卻至室溫，加2 mL 9.2 mol·L-1HClO4（攪拌提取15 min），加入4 mL蒸餾水，混勻，在4000 r·min-1下離心10 min，上清液收集至25 mL離心管中，再向沉淀中加入2 mL 4.6 mol·L-1HClO4（攪拌提取15 min），加入5 mL蒸餾水，混勻，離心10 min，合并上清液，用蒸餾水洗沉淀2次，每次5～6 mL，合并上清液，將所收集的上清液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，并用蒸餾水定容至刻度用于測定。取待測樣品2.0 mL，用蒽酮可溶性總糖法測定625 nm波長下的OD值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算可溶性總糖含量。公式為：

淀粉含量（μg·g-1DW）=(C×V×0.9)/(W×DW1×1000)，式中字母含義同上。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010整理，采用SPSS 20進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)顯著性（Duncan）分析分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式對葡萄Fv/Fm及Y(II)參數(shù)的影響

如圖1所示，在兩種模式下4個(gè)品種的Fv/Fm值均在0.76～0.84，且‘紅地球’的Fv/Fm最大，光合效率最強(qiáng)，‘戶太八號(hào)’次之，‘夏黑’最低。在避雨栽培模式下，F(xiàn)v/Fm值有所增加，且在‘戶太八號(hào)’中表現(xiàn)為顯著差異，說明避雨栽培模式能夠增強(qiáng)葡萄的光合效率。在兩種栽培模式下4個(gè)品種的Y(Ⅱ)值均介于0.20～0.40，避雨栽培模式Y(jié)(Ⅱ)值明顯大于露地栽培，且在‘火焰無核’和‘戶太八號(hào)’中表現(xiàn)為顯著差異，而在‘紅地球’和‘夏黑’中無明顯差異。

圖1 不同栽培模式對葡萄Fv/Fm及Y(II)參數(shù)的影響Figure 1 Effects of different cultivation modes on Fv/Fm and Y(II) parameters of grapevine

2.2 避雨栽培模式對葡萄ETR參數(shù)的影響

兩種栽培模式下，不同品種的ETR參數(shù)見圖2。在露地栽培模式下，4個(gè)品種的ETR值在40～80，其順序?yàn)椋夯鹧鏌o核＞夏黑＞戶太八號(hào)＞紅地球；而在避雨栽培模式下，ETR值在30～60，順序?yàn)椋夯鹧鏌o核＞紅地球＞夏黑＞戶太八號(hào)?！t地球’葡萄的ETR值避雨栽培模式小于露地栽培，即避雨栽培模式可提升其表觀電子傳遞效能，而其余3個(gè)品種的ETR值，表現(xiàn)為避雨栽培模式均比露地栽培有所降低，且在‘火焰無核’葡萄中表現(xiàn)出顯著差異，即表觀電子傳遞效能減弱。

圖2 不同栽培模式對葡萄ETR參數(shù)的影響Figure 2 Effects of different cultivation modes on ETR parameters of grape

2.3 避雨栽培模式對葡萄NPQ及qP參數(shù)的影響

從表1可知，露地栽培模式下，葡萄葉片的NPQ值介于1.550～2.500，而在避雨栽培模式下為0.800～1.520，即避雨栽培模式降低了葡萄葉片的NPQ值，其中在‘紅地球’和‘夏黑’葡萄中表現(xiàn)的尤為顯著，‘火焰無核’和‘戶太八號(hào)’葡萄中無顯著性差異。從qP值來看，避雨栽培模式的qP值小于露地栽培，但均無顯著性差異。

表1 葡萄葉片的NPQ及qP參數(shù)Table 1 NPQ and qP parameters of grape leaves

2.4 避雨栽培模式對葡萄葉片中蔗糖含量的影響

如圖3所示，不同栽培模式對葡萄葉片中蔗糖含量的積累和轉(zhuǎn)化存在差異性影響，且不同葡萄品種表現(xiàn)不同?？傮w而言，在歐亞種‘紅地球’和‘火焰無核’葡萄中，葉片的蔗糖含量在0.20～1.40 mg·g-1；而在美洲種‘戶太八號(hào)’和‘夏黑’葡萄中，則為0.30～1.80 mg·g-1。在8月5日之前，‘火焰無核’葡萄在7月26日避雨栽培下葉片中蔗糖含量顯著高于露地栽培，而‘夏黑’避雨栽培高于露地栽培，但差異不顯著；其余兩品種均表現(xiàn)為露地栽培葉片的蔗糖含量高于避雨栽培，‘紅地球’葡萄在7月16日表現(xiàn)為顯著差異、在8月5日表現(xiàn)為極顯著差異；‘戶太八號(hào)’葡萄在7月26日和8月5日均表現(xiàn)為極顯著差異。在8月22日，除‘戶太八號(hào)’外，避雨栽培葉片中蔗糖含量高于露地栽培，且在‘紅地球’和‘夏黑’葡萄中表現(xiàn)為極顯著差異，而在‘火焰無核’葡萄中無顯著性差異。

圖3 避雨栽培對葡萄葉片中蔗糖含量的影響Figure 3 Effect of shelter-rain cultivation on sucrose content in grape leaves

2.5 避雨栽培模式對葡萄葉片中淀粉含量的影響

如圖4所示，兩種栽培模式下，4個(gè)品種葡萄葉片中淀粉含量的年變化趨勢基本相同，但總體表現(xiàn)為露地栽培高于避雨栽培?！畱籼颂?hào)’葡萄在7月16日之前葉片中淀粉含量有所升高，且在7月16日達(dá)到峰值，表現(xiàn)為顯著差異，這可能是因?yàn)椤畱籼颂?hào)’葡萄生長勢強(qiáng)，發(fā)芽較早，前期功能葉片較多所致；而在7月16日之后，露地栽培葡萄葉片中淀粉的相對積累效率較避雨栽培明顯提升，且在7月26日和8月5日分別表現(xiàn)為顯著差異和極顯著差異。8月22日，4個(gè)品種葉片中的淀粉含量基本趨于本研究時(shí)段中最低峰值，在‘紅地球’‘戶太八號(hào)’葡萄中，避雨栽培模式的葉片中淀粉含量小于露地栽培，表現(xiàn)為極顯著差異，而在‘火焰無核’葡萄中，避雨栽培葉片中淀粉含量大于露地栽培。

圖4 避雨栽培對葡萄葉片中淀粉含量的影響Figure 4 Effect of shelter-rain cultivation on starch content in grape leaves

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，與露地栽培模式相比，避雨栽培模式顯著提升了葡萄的Fv/Fm和Y(II)，即使得葡萄的光合效率有顯著提升。避雨栽培模式下‘紅地球’葡萄的ETR值提升，而其余3種葡萄有所降低，其原因是避雨栽培可明顯改變光照條件，即影響光質(zhì)、減弱光強(qiáng)，從而影響了葡萄的表觀電子傳遞效能?！鹧鏌o核’‘戶太八號(hào)’‘夏黑’對光照條件的響應(yīng)敏感，而‘紅地球’對此過程可能有所遲緩。同時(shí)，避雨栽培模式使得葡萄的NPQ值和qP值減小，即傳遞活性有所降低，但影響差異性不大。綜上所述，避雨栽培模式對葡萄葉片PSII活性的提升有明顯的促進(jìn)作用，但對其他葉綠素?zé)晒鈪?shù)無顯著性影響，這與陳得文和王玲的研究結(jié)果一致[16-17]。此外，避雨栽培模式下葡萄葉片中蔗糖和淀粉的積累量較露地栽培模式有所增加，且在葡萄生長后期較為顯著，這可能是因?yàn)楸苡暝耘嚯m然削弱了光照強(qiáng)度，但并不影響葡萄葉片正常的光合效能。一方面，避雨栽培可有效保護(hù)葡萄的葉片，提高葡萄功能葉的數(shù)量和質(zhì)量；另一方面，避雨栽培下葡萄生長的微環(huán)境有所改善，使得葡萄葉片的光合速率和蒸騰速率達(dá)到最佳臨界值，有利于促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累。

研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫能顯著降低葡萄葉片的Fv/Fm、Fv/F0、Y(II)、ETR和qP，顯著增加NPQ，證明干旱脅迫可導(dǎo)致PSII活性中心受損，從而抑制光合作用的原初反應(yīng)、光合電子傳遞效率和活性；當(dāng)介入外界高光能補(bǔ)償后，葡萄也可通過非光化學(xué)猝滅過程以熱量的形式而散失，啟動(dòng)自身保護(hù)機(jī)制，從而使得Y(II)和ETR顯著降低，即葡萄葉片的生長發(fā)育沒有受到不可逆的影響[18]。此外，當(dāng)葡萄在弱光條件下，F(xiàn)v/Fm和qP顯著降低，NPQ明顯升高，導(dǎo)致實(shí)際光化學(xué)速率降低，使得PSⅡ中的光能利用率減弱，最終表現(xiàn)為葡萄葉片的Pn下降；當(dāng)光照恢復(fù)正常后，葉片在10 d后僅有部分葉綠素?zé)晒鈪?shù)正常，即證明弱光脅迫對葉片生長發(fā)育在短期內(nèi)產(chǎn)生不可逆的影響[19]。因此，葡萄葉綠素?zé)晒鈪?shù)受光抑制較為顯著，且此過程不可逆；然而當(dāng)葡萄葉綠素?zé)晒鈪?shù)受到高溫脅迫后，可通過正常光照處理使葡萄啟動(dòng)自身保護(hù)機(jī)制，從而可保證葡萄葉片正常的生長。

植物光合作用是其生理過程中的一項(xiàng)重要的反應(yīng)，即植物葉片同化二氧化碳和水制造有機(jī)物產(chǎn)生氧氣，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在所形成的有機(jī)化合物中，以維持植物體正常的生長發(fā)育。植物光合作用不僅受自身遺傳因素的影響，同時(shí)還會(huì)受到外界環(huán)境因子的制約。避雨栽培可改變葡萄生長的微環(huán)境，在兩種栽培模式下光照強(qiáng)度在白天均呈單峰變化，但避雨栽培下的光照強(qiáng)度始終顯著低于露地栽培，即避雨栽培減弱了光照強(qiáng)度[20-21]。同時(shí)避雨栽培也將改變棚下的溫度和濕度，從而影響植物的光合效能。Rana等[22]研究發(fā)現(xiàn)，與露地栽培相比，避雨條件下溫度低1 ℃左右，濕度高20%左右，這種環(huán)境條件的改變必然會(huì)引起植物光合速率的增減。研究表明，在所有環(huán)境因子中，光照條件與植物的光合速率、碳素固定量及生物量的積累密切相關(guān)，也是限制避雨栽培模式的最關(guān)鍵因素[23]。同時(shí)，從植物基因調(diào)控表達(dá)水平來看，光照對植株生長、干物質(zhì)積累、果實(shí)品質(zhì)及產(chǎn)量等方面均存在不同程度的影響[24-25]。

綜上所述，在光照強(qiáng)度正常的范圍之內(nèi)，不同栽培模式對葡萄葉綠素?zé)晒鈪?shù)無顯著性差異，但對葡萄葉片中光合產(chǎn)物積累影響較為顯著。因此在有條件的情況下，采用避雨栽培模式，可為葡萄的生長提供穩(wěn)定的生長環(huán)境，以保護(hù)葉片，提升光合作用的效能，從而促進(jìn)了葉片中蔗糖和淀粉的轉(zhuǎn)換與積累，有利于葡萄植株正常的生長發(fā)育。