不同生態(tài)型鋪地黍光合特性對干旱脅迫的響應(yīng)

李志丹，李婷婷，黃綺玉，黃曉燕，曾小龍，高桂娟，韓瑞宏

（1.廣東第二師范學(xué)院 環(huán)境教育研究所，廣東 廣州510000；2.廣東省梅州市平遠(yuǎn)縣實(shí)驗(yàn)中學(xué)，廣東 梅州 514000；3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510000）

水分脅迫影響植物的生長發(fā)育，造成作物嚴(yán)重減產(chǎn)［1］。作為一種多維脅迫，干旱能夠引起植物從表型、生理、生化和分子水平的一系列變化。而光合作用作為綠色植物最重要的生理活動，易受周圍環(huán)境的影響，其中水分脅迫是最為顯著的一種限制因素［3-4］。因此探索植物的抗旱性對研究植物的耐旱機(jī)制和培育耐旱植物等方面具有重要意義。

植物在受到水分脅迫后，凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、氣 孔 導(dǎo) 度（Stomatal conductance，Gs）和蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）均呈現(xiàn)下降趨勢［10］，這是由于水分脅迫造成植物光合器官受到損害，破壞了葉綠素的合成，從而抑制光合作用的正常工作，這一系列變化都體現(xiàn)了植物光合作用對外界環(huán)境的適應(yīng)［11］。如在水分脅迫下煙草（Nicotiana tabacum）葉片葉綠素含量（Content of chlorophyll， Chl）、Pn、Gs、胞間CO2濃度（Intercellular CO2concentration，Ci）和Tr均降低，葉片氣孔限制值增加，水分利用率、瞬間光能利用率均降低［12］。對玉米進(jìn)行水分脅迫實(shí)驗(yàn)也表明，玉米在受到脅迫后花環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，花環(huán)結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致Gs、Pn和Tr都逐漸降低，Ci隨著水分脅迫程度的增加而降低，而后由于光合作用碳同化過程CO2利用量的減少而升高［13］。

光能的捕獲和能量的利用平衡是光合系統(tǒng)對水分脅迫反應(yīng)的核心［14］。干旱會引起光系統(tǒng) Ⅱ反應(yīng)中心失活，葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化不僅受干旱影響，而且與葉綠素含量顯著相關(guān)［15］。呂芳德的研究表明，在6 h 的干旱水分脅迫處理下，美國山核桃（Carya illinoinensis）葉片在黑暗下的初始熒光［Initial fluorescence（dark），F(xiàn)o］、最大熒光［Maximum fluorescence （dark），F(xiàn)m］和最大光化學(xué)效率（Maximum photochemical efficiency，F(xiàn)v/Fm）等均有所下降，但降幅不大，非光化學(xué)淬滅系數(shù)（Non-photochemical quenching coefficient，NPQ）顯著上升，這說明其在遭受水分脅迫后，葉片的光系統(tǒng)II 反應(yīng)中心電子傳遞活性受到傷害，光合電子傳遞速率明顯下降［16］。葉綠素含量和熒光參數(shù)可以作為評價不同基因型對水分響應(yīng)差異最有效的指標(biāo)［17］。如水分脅迫顯著改變小麥的葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化［18］，水分脅迫下抗旱型紫花苜蓿 （Medicago sativa）光合機(jī)構(gòu)損傷及膜脂過氧化程度較輕，且品種差異具有較大的主導(dǎo)作用［19］。

鋪地黍（Panicum repensL.）屬于禾本科多年生草本植物，廣布于熱帶、亞熱帶地區(qū)，多生于路邊、坡地和近海沙地上。在美國佛羅里達(dá)州，鋪地黍是主要的湖濱濕地植物［20］；其在礦區(qū)也能生長良好，并具一定吸收重金屬的能力［21］，在埃及北部，鋪地黍則是重要的鹽堿地治理植物［22］。前期研究表明鋪地黍具有很強(qiáng)的抗旱、 耐淹性，可耐受46 d 的連續(xù)干旱及9 個月以上的全淹狀態(tài)［23-24］，應(yīng)用于受損消漲帶的生態(tài)重建有著巨大潛力。前期對采集的29 種生態(tài)型鋪地黍的重金屬耐受特性和水分脅迫下的表現(xiàn)進(jìn)行了研究，初步確認(rèn)了鋪地黍重金屬耐受范圍和水分脅迫響應(yīng)特征及不同地域鋪地黍生態(tài)型的抗逆性表現(xiàn)差異［25-26］，但對于鋪地黍?qū)λ置{迫的適應(yīng)機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)研究。因此選擇整體表現(xiàn)突出且地域差異較大的海南、廣東兩種生態(tài)型鋪地黍作物材料，探究鋪地黍光合特性、光系統(tǒng)II光化學(xué)活性對水分脅迫的響應(yīng)，比較兩種生態(tài)型鋪地黍?qū)λ置{迫的適應(yīng)能力，以期揭示鋪地黍光合系統(tǒng)對水分脅迫的響應(yīng)特性。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為兩種鋪地黍生態(tài)型，分別采集自廣東省廣州市番禺區(qū)公路邊（E-guangdong，22°79' N，113°41'E）及海南省儋州市郊區(qū)山坡 （E-hainan，19°30'N，108°51'E）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)時間為2019年9月～2021年1月，試驗(yàn)場地設(shè)在戶外防雨棚下，空氣正常流通，頂棚采用透光玻璃遮雨。采用盆栽方式（規(guī)格為直徑23.5 cm，高17 cm 的圓形），試驗(yàn)土壤為廣州市花都區(qū)稻田土（土壤含水量54.25%為田間最大持水量，土壤pH 5.78，有機(jī)質(zhì)含量3.21%，總氮含量1.12 g·kg-1，總磷4.89 g·kg-1），每盆裝風(fēng)干土6 kg。每個生態(tài)型采用提前培養(yǎng)的同一株系克隆材料，選取長勢均一、健康無病蟲害的繁殖體，剪取2 節(jié)，扦插到塑料盆內(nèi)，每盆一株，正常培養(yǎng)30天，待植株完全成活，正常生長，高度達(dá)到10 cm，開始干旱脅迫處理。

采用單因素隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)設(shè)計，設(shè)3 個水分梯度，分別為對照CK：田間最大持水量50%（土壤含水量27.13%）；中度干旱脅迫：田間最大持水量30%（土壤含水量16.28%）；重度干旱脅迫：田間最大持水量15%（土壤含水量8.14%）。兩個生態(tài)型鋪地黍每個處理10 個重復(fù)，共60 盆。采用稱重差值法控水，每天同一時間（18：00）稱重澆水，確保土壤水分含量始終保持在試驗(yàn)設(shè)定的范圍內(nèi)。

1.3 測定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)處理3周后，鋪地黍表現(xiàn)出脅迫反應(yīng)，開始測量各項指標(biāo)。植株高度和分枝數(shù)采用常規(guī)測量方法，每個處理選取5 株測定，取平均值；每個處理選取5株，選成熟葉片，采取乙醇浸提比色法測定葉綠 素 含 量［27］，包 括 葉 綠 素a（Chl-a）、葉 綠 素b（Chl-b）、葉 綠 素a+b（Chl-a+b）；每 個 處 理 選 取5 株，取成熟葉片，用便攜式光合儀（LI-6400XT，LI-COR，USA）測定光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每株測定重復(fù)3 次。光合氣體交換參數(shù)測定時間為10：00～12：00，測定時采用開放式氣路，溫度和濕度為自然溫度和自然濕度，紅藍(lán)光源控制光強(qiáng)為1 300 μmol·m-2·s-1。測定光合指標(biāo)Pn、Ci和Tr，計算葉片水分利用效率（Water use efficiency，WUE）［28］。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定時間為 8：00～10：00，在自然溫度和濕度下測定，主要在暗適應(yīng)1 h 后測定其Fo、Fm；在1 300 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)下進(jìn)行光適應(yīng)1 h，測定光下初始熒光［minimal fluorescence（light），F(xiàn)o'］、光下最大熒光［Maximum fluorescence（light），F(xiàn)m'］等指標(biāo)。并計算光化學(xué)效率（Actual photochemical efficiency，ΦPSII）、Fv/Fm、NPQ及光化學(xué)淬滅系數(shù)（Photochemical quenching coefficient，qP）參數(shù)［29-30］，計算公式如下：

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2020和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，單因素方差分析用于評價同一生態(tài)型在不同水分處理條件下的差異顯著性（P＜0.05），多重比較采用最小顯著差異法。T 檢驗(yàn)方法用于比較同一水分處理條件下兩種生態(tài)型之間的差異顯著性（P＜0.05）。

1288 Research focus of critical care medicine: a study based on Web of Science retrieve and bibliometrics

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下的鋪地黍形態(tài)特征變化

鋪地黍的分枝數(shù)和植株高度變化在兩種生態(tài)型之間的差異性比較大（圖1），整體上，采集于廣東的E-guangdong表現(xiàn)優(yōu)于采集于海南的E-hainan。

圖1 兩種鋪地黍生態(tài)型在不同水分處理條件下的形態(tài)特征變化Fig.1 Change of morphological characters of torpedograss under different water stress between two ecotypes

E-guangdong 的植株高度在CK、中度和重度干旱脅迫下分別達(dá)到43.67 cm、21.33 cm 和51.00 cm，均顯著高于同一干旱脅迫梯度下的E-hainan 株高（23.00 cm、47.33 cm 和23.67 cm）。而與植株高度相反，E-guangdong 的分枝數(shù)均顯著低于同一干旱脅迫梯度下的E-hainan 值。 相對于對照，中度和重度干旱脅迫處理反而促進(jìn)了鋪地黍高度生長。方差分析結(jié)果顯示， 在中度和重度干旱脅迫下，E-guangdong 和E-hainan 的植株高度均顯著高于CK條件下的對應(yīng)值。E-hainan的分枝數(shù)隨干旱程度增加變化不大。

2.2 干旱脅迫下的鋪地黍葉綠素含量變化

針對不同水分處理梯度之間的變化，E-guangdong 的Chl-a、Chl-b 和Chl-a+b 均表現(xiàn)為：CK＞重度＞中度，E-hainan 表現(xiàn)為：重度＞CK＞中度。即E-hainan葉綠素含量的最高值均出現(xiàn)在重度干旱處理條件下，分別為1.47、0.43 和1.90 mg/g，并顯著高于CK 和中度處理。E-guangdong 的表現(xiàn)有所不同，其葉綠素含量最高值均出現(xiàn)在對照，并高于中度和重度處理。其中，CK 條件下的Chl-a 和Chl-a+b含量同時顯著高于重度干旱處理（圖2）。

圖2 兩種鋪地黍生態(tài)型在不同水分處理條件下的葉綠素變化Fig.2 Change of chlorophyll content of torpedograss under different water stress between two ecotypes

針對兩種生態(tài)型之間的差異性比較得出，Eguangdong 在CK 條件下的Chl-a、Chl-b 和Chl-a+b顯著高于E-hainan，而在重度和中度干旱處理條件下，兩種生態(tài)型之間的差異均不顯著。

在干旱脅迫下，供試的兩種鋪地黍生態(tài)型在形態(tài)特征和生理特性方面的表現(xiàn)差異性很大。根據(jù)廣東生態(tài)型的測定值相比較海南生態(tài)型的變化率（圖3），E-guangdong的橫向分枝能力遠(yuǎn)高于E-hainan，其在CK、中度和重度干旱處理的分枝數(shù)較Ehainan分別提高了105.80%、84.51%和139.06%。同時，E-guangdong 的Chl-a、Chl-b 和Chl-a+b 均顯著高于E-hainan，尤其是CK 條件下的Chl-b 含量提高了43.18%。而E-guangdong 的向上生長能力卻弱于E-hainan，變化幅度相對較小，分別為-33.97%，-24.46%和-18.53%。

圖3 各指標(biāo)變量中，廣東生態(tài)型的測定值相比較海南生態(tài)型的變化率Fig.3 Rate of change of all tested variable of E-guangdong to E-hainan

2.3 干旱脅迫下鋪地黍葉片光合氣體交換參數(shù)的變化

兩種生態(tài)型鋪地黍光合氣體交換參數(shù)Pn、Gs、Ci、Tr隨脅迫程度增加均呈現(xiàn)遞減趨勢（圖4）。重度干旱處理下，兩種生態(tài)型鋪地黍各光合參數(shù)均顯著低于CK，E-guangdong各光合參數(shù)較CK分別下降了30.10%（Pn）、47.59%（Gs）、 42.03%（Ci）、59.39%（Tr）；E-hainan 各光合參數(shù)較CK 下降了 44.76%（Pn）、52.94%（Gs）、33.70%（Ci）、61.50%（Tr）。中度干旱處理下，兩種生態(tài)型鋪地黍的上述四種光合氣體交換參數(shù)除Pn外均與重度處理差異顯著（P＜0.05），但與CK的差異均不顯著。

圖4 兩種鋪地黍生態(tài)型在不同水分處理條件下的葉片氣體交換參數(shù)變化Fig.4 Change of leaf gas exchange of torpedograss under different water stress between two ecotypes

兩種生態(tài)型鋪地黍間對比，E-guangdong 四種光合氣體交換參數(shù)均高于E-hainan。但除在重度干旱處理下，兩生態(tài)型鋪地黍Pn差異顯著，其余參數(shù)在兩生態(tài)型間均無顯著差異。兩種生態(tài)型鋪地黍水分利用效率（WUE）隨干旱脅迫程度的加深呈現(xiàn)遞增趨勢（圖4e），在重度干旱處理下的水分利用效率顯著高于CK，分別比CK 增加了70.45%（E-guangdong）和54.81%（E-hainan）；中度干旱處理與CK 差異不顯著，兩生態(tài)型間WUE 無顯著差異。

2.4 干旱脅迫下鋪地黍葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

ΦPSII 是代表著光系統(tǒng)II 反應(yīng)中心實(shí)際光化學(xué)效率的變化，即光系統(tǒng)II 反應(yīng)中心電荷分離實(shí)際量子效率。表1 表明，隨干旱脅迫程度增加兩種生態(tài)型鋪地黍的實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSII 值逐漸降低，重度干旱處理與CK 和中度處理差異顯著，比CK 和中度處理分別降低了41.89% 和39.01%（E-guangdong）、60.42%和57.46%（E-hainan）。CK 和中度干旱處理間無顯著差異。重度和中度干旱脅迫對Ehainan 的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）均無顯著影響，而重度干旱脅迫顯著降低了E-guangdong 的Fv/Fm值。

qP代表了光合能量用于暗反應(yīng)固定能量的部分?？傮w上，隨著干旱脅迫程度的增加，兩種生態(tài)型鋪地黍的qP呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，且干旱脅迫對E-hainan影響明顯，三個處理間均存在顯著差異，而E-guangdong 僅在重度干旱處理下的qP值達(dá)到顯著差異。NPQ反映了植物熱耗散能力的變化。不同干旱脅迫處理對兩種生態(tài)型鋪地黍的NPQ值的影響見表1。兩種生態(tài)型鋪地黍NPQ隨著脅迫程度增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，且不同處理間的NPQ差異顯著。E-guangdong 在重度干旱脅迫下的NPQ較CK 和中度干旱脅迫處理分別顯著提高了15.03%和42.09%；而E-hainan 在重度干旱脅迫下的NPQ較CK 和中度干旱脅迫處理分別顯著提高了27.04%和48.84%。

3 討論與結(jié)論

3.1 鋪地黍形態(tài)特征對干旱脅迫的響應(yīng)

在干旱脅迫下，供試的兩種鋪地黍生態(tài)型在形態(tài)特征和生理特性的表現(xiàn)方面差異性很大。根據(jù)廣東生態(tài)型的測定值相比較海南生態(tài)型的變化率，E-guangdong的橫向分枝能力遠(yuǎn)高于E-hainan，其在CK、中度和重度干旱處理的分枝數(shù)分別比E-hainan提高了105.80%、84.51%和139.06%，達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。相對應(yīng)的，E-guangdong的向上生長能力卻弱于E-hainan，但株高變化幅度較小。這可能是由于供試的鋪地黍生態(tài)型在生境和地理分布的異質(zhì)性，引起了植物形態(tài)上的適應(yīng)性發(fā)生改變。其它植物也有類似結(jié)果，環(huán)境異質(zhì)性下克隆植物會表現(xiàn)出適應(yīng)性的生長繁殖對策，如喜旱蓮子草（Alternanthera philoxeroides）的生長對策［31］。前期研究顯示，采集于中國南部的29 種生態(tài)型鋪地黍（包括本研究的兩種供試生態(tài)型），對鎘的累積能力整體上是按地理生理學(xué)分組［24］。

3.2 鋪地黍葉綠素含量對干旱脅迫的響應(yīng)

葉綠素直接影響植物光合作用的強(qiáng)度，其含量也與植物的營養(yǎng)狀況和干物質(zhì)的積累密切相關(guān)。依據(jù)上述形態(tài)特征的表現(xiàn)，隨著干旱程度的增加反而表現(xiàn)越來越好，Chl-a、Chl-b 和Chl-a+b 也表現(xiàn)出重度干旱處理下顯著高于CK 和中度干旱。說明在干旱脅迫下，鋪地黍通過增加高度生長和提高葉綠素含量等方式適應(yīng)和應(yīng)對干旱環(huán)境。王家宜等針對粉葛（Pueraria thomsoniiBenth.）和微甘菊（Mikania micrantha）在干旱環(huán)境下的葉綠素含量變化趨勢研究也證實(shí)了這一點(diǎn)［32］。這可能與鋪地黍是典型的“共耐性”植物有關(guān)，其在連續(xù)干旱45 d 的條件下均能存活［25］。高桂娟等的研究顯示，在重金屬和水分復(fù)合脅迫條件下，鋪地黍在脅迫后的第28 d才出現(xiàn)植株莖葉全部萎蔫現(xiàn)象，到第35 d 地上部才全部死亡［26］。本研究中，同一生態(tài)型的Chl-a、Chl-b和Chl-a+b 含量在重度干旱處理下的值均高于中度干旱處理，說明鋪地黍完全能夠耐受重度干旱脅迫，并通過葉綠素含量的增加加強(qiáng)光合作用，促進(jìn)植物形態(tài)生長。而兩種生態(tài)型之間，E-guangdong的葉綠素含量始終顯著高于E-hainan，尤其是Chlb在CK處理下提高了43.18%，說明兩種生態(tài)型光合系統(tǒng)對干旱脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)不同。

3.3 鋪地黍葉片光合氣體交換參數(shù)對干旱脅迫的響應(yīng)

水分是影響植物光合作用的關(guān)鍵環(huán)境因子，干旱脅迫會導(dǎo)致植物葉片光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降，水分利用效率提高［33］，本研究與此結(jié)論一致。水分利用效率（WUE）是評價植物耐旱能力的重要指標(biāo)之一，反映了植物生產(chǎn)過程中單位水分的能量轉(zhuǎn)化效率［34］，高水分利用效率往往是作物抵御干旱脅迫的重要策略，在干旱脅迫時，植物主要是通過降低其蒸騰速率來提高其水分利用效率。植物也通過降低氣孔導(dǎo)度和降低胞間CO2濃度從而調(diào)控植物光合速率和蒸騰速率來間接的影響水分利用效率［35］。本研究中，鋪地黍葉片Pn、Gs、Ci、Tr隨干旱脅迫增加明顯下降，而WUE 上升，重度干旱處理與CK 差異顯著。在嚴(yán)重干旱脅迫下，鋪地黍通過降低蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度來調(diào)節(jié)水分利用效率和提高葉片的水分利用效率來增強(qiáng)植物對干旱脅迫的適應(yīng)能力，從而抵御這種逆境。兩種生態(tài)型鋪地黍抗旱能力較強(qiáng)，均能夠耐受中度干旱脅迫且Pn、Gs、Ci、Tr未受到顯著抑制，而重度干旱脅迫則呈現(xiàn)顯著的抑制作用。廣東生態(tài)型的光合氣體交換參數(shù)在各處理水平均高于海南生態(tài)型，且在重度干旱處理下Pn存在顯著差異。從葉片光合氣體交換參數(shù)方面來看，廣東生態(tài)型較海南生態(tài)型表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗旱性。

3.4 鋪地黍葉綠素?zé)晒鈪?shù)對干旱脅迫的響應(yīng)

光化學(xué)反應(yīng)是耗散光能的主要途徑，也是植物碳積累的有效方式。植物光化學(xué)反應(yīng)可通過最大光化學(xué)效率 （Fv/Fm）、實(shí)際光化學(xué)效率 （ΦPSII）、光化學(xué)猝滅系數(shù) （qP） 等熒光參數(shù)來反映［36］。本研究中ΦPSII、qP值隨干旱脅迫程度增加而降低，重度脅迫下降低顯著，而Fv/Fm受影響較小，說明 光系統(tǒng)II和光合電子傳遞鏈可能未受損傷，保持完整功能，這與崔俊美、孫駿威等的研究結(jié)果一致［37-38］。非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ），反映了植物熱耗散能力的變化，將吸收光能以熱能的形式無損傷的耗散掉，是植物受到光抑制的重要防護(hù)策略。植物在脅迫條件下NPQ值升高［39］，消散光能和減少光合作用的光化學(xué)反應(yīng)效率，從而保護(hù)自己免受脅迫條件的影響［40］，本研究與之一致，重度干旱脅迫下鋪地黍葉片NPQ值升高，增加了熱能損耗來抵御脅迫。

總體上，兩種鋪地黍生態(tài)型均表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗旱性。中度干旱脅迫對鋪地黍光合指標(biāo)影響較小，而重度干旱脅迫時葉綠素和光合指標(biāo)呈現(xiàn)出一定的脅迫反應(yīng)。對于兩種生態(tài)型，廣東生態(tài)型綜合特性優(yōu)于海南生態(tài)型，說明鋪地黍的抗旱性可能與地理分布有關(guān)，呈現(xiàn)出一定的地域特性。