干旱及復(fù)水循環(huán)對(duì)苗期藥用大黃葉片光合碳同化功能和光化學(xué)活性的影響

謝豐璞,王 楠,高 靜,張 崗,宋忠興,唐志書,3

(1 陜西中醫(yī)藥大學(xué) 陜西中藥資源產(chǎn)業(yè)化省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心/秦藥特色資源研究與開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育),陜西咸陽 712083; 2 陜西中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院/陜西省中醫(yī)藥管理局“秦藥”研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 712046; 3 中國中醫(yī)科學(xué)院,北京 100700)

氣候變化導(dǎo)致水資源供應(yīng)異常,干旱事件頻發(fā)[1]。間歇性和季節(jié)性干旱使植物處于土壤水分劇烈波動(dòng)的環(huán)境中,嚴(yán)重影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育[2-3]。植物在受到干旱脅迫時(shí)會(huì)對(duì)生物量進(jìn)行重新分配[4-5],通常表現(xiàn)為根長(zhǎng)和地下部分生物量增加,同時(shí)降低地上部分生物量及葉片光合作用,從而來維持自身正常的生長(zhǎng)發(fā)育和代謝功能[6]。研究發(fā)現(xiàn),在遭受輕度水分虧缺或干旱前期,光合作用的降低主要由氣孔因素引起[7]。植物通過限制氣孔導(dǎo)度來減少水分損失[8],同時(shí)降低CO2在葉肉細(xì)胞中的擴(kuò)散[9],導(dǎo)致光合色素含量減少及光合速率下降[10]。在中、重度或長(zhǎng)期干旱脅迫下,植物光合器官電子傳遞供受體側(cè)受到損害[11],導(dǎo)致光合電子傳遞受阻,引起葉綠素?zé)晒庾兓痆7]。干旱脅迫使質(zhì)體醌到光系統(tǒng)I(PSI)末端受體的電子傳遞量子產(chǎn)額減少,嚴(yán)重影響電子傳遞鏈效率[12],而為了降低干旱對(duì)光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)核心復(fù)合體等光合結(jié)構(gòu)的損傷,通常會(huì)出現(xiàn)非光化學(xué)淬滅等熱耗散現(xiàn)象[13]。

植物在遭受干旱后及時(shí)獲得水分供應(yīng),會(huì)迅速生長(zhǎng),如光合速率升高,葉綠素含量增加等,以緩解、修復(fù)干旱脅迫帶來的損傷[14]。有研究發(fā)現(xiàn),玉米葉片葉綠素含量干旱復(fù)水后迅速恢復(fù),甚至超過對(duì)照水平[15]。新疆大葉苜蓿的光合速率、最大光化學(xué)效率、非光化學(xué)淬滅等均能在復(fù)水后恢復(fù)至對(duì)照水平并產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)[3]。然而,當(dāng)干旱脅迫過于嚴(yán)重時(shí),植物PSⅡ穩(wěn)定性急劇下降,反應(yīng)中心失活[16],在復(fù)水后葉片光合功能及PSⅡ功能無法恢復(fù)[17],光合系統(tǒng)依然遭到嚴(yán)重破壞[7]。植物在遭受干旱脅迫時(shí)的抗旱性及其復(fù)水恢復(fù)功能是否依賴于干旱持續(xù)時(shí)間、嚴(yán)重程度和復(fù)水階段仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

藥用大黃(RheumofficinaleBaill.)為蓼科大黃屬植物,其干燥根及根莖為大宗藥材大黃的來源之一。雖然藥用大黃的固有特性使其可以適應(yīng)短期干旱,但由于陜南地區(qū)連片種植、改變土地利用等原因,導(dǎo)致陸面植被覆蓋率降低,土壤蒸發(fā)量加大,從而引起缺水現(xiàn)象。

同時(shí),地區(qū)降水格局及氣候變化帶來的季節(jié)性干旱會(huì)出現(xiàn)干旱-復(fù)水-干旱的環(huán)境循環(huán),極有可能造成藥用大黃關(guān)鍵生育期缺水,嚴(yán)重影響大黃生長(zhǎng)和藥材品質(zhì)。然而關(guān)于干旱、復(fù)水對(duì)藥用大黃生長(zhǎng)發(fā)育的影響尚鮮見報(bào)道。因此,本試驗(yàn)對(duì)不同干旱梯度、干旱時(shí)間下的藥用大黃幼苗抗旱能力及復(fù)水后恢復(fù)能力進(jìn)行研究,觀察其干旱及復(fù)水后葉片光合作用、葉綠素?zé)晒獾淖兓?guī)律,對(duì)藥用大黃在不同干旱脅迫程度、干旱時(shí)間和復(fù)水條件下的光合生理機(jī)制進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期為其水分高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試種子于2020年7月10日采集自陜西省漢中市鎮(zhèn)巴縣觀音鎮(zhèn)桃樹灣村金竹灣的3年生藥用大黃植株,采集地海拔1 470 m,緯度32°29′38″N,經(jīng)度108°5′19.3″E。選擇顆粒飽滿、無發(fā)霉現(xiàn)象的種子作為試驗(yàn)材料。

試驗(yàn)采用盆栽方式,先將供試種子浸泡于純凈水中24 h,取出后用75%酒精消毒15 s,再用10%的過氧化氫消毒15 min,最后用純凈水沖洗干凈,置于有雙層濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿中催芽。胚芽長(zhǎng)出3～5 mm時(shí)取出并播種于直徑15 cm、高20.5 cm的花盆中,每個(gè)處理種12盆,每盆種7株,土壤質(zhì)地為泥炭土,在土壤相對(duì)含水量為(80±5)%的環(huán)境下生長(zhǎng),長(zhǎng)至三葉期時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗定苗至每盆3株,各處理共計(jì)36株幼苗,生長(zhǎng)60 d后開始干旱復(fù)水試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)干旱梯度處理,分別表示為CK[對(duì)照組,水分充足,土壤含水量為(80±5)%]、LD[輕度干旱,土壤含水量為(60±5)%]、MD[中度干旱,土壤含水量為(40±5)%]和SD[重度干旱,土壤含水量為(20±5)%],各梯度種3盆作為重復(fù)組;各干旱處理又均設(shè)置3個(gè)持續(xù)干旱脅迫復(fù)水階段(干旱10 d→復(fù)水3 d→干旱25 d→復(fù)水3 d→干旱40 d→復(fù)水3 d)。每個(gè)處理在每階段干旱最后一天(復(fù)水前,T10-0、T25-0、T40-0)、復(fù)水后第1天(T10-1、T25-1、T40-1)、復(fù)水后第3天(T10-3、T25-3、T40-3) 取樣測(cè)定相關(guān)各項(xiàng)指標(biāo),每處理3個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)

選取長(zhǎng)勢(shì)、大小一致的幼苗,稱取各處理地上、地下部分生物量,量取根長(zhǎng),計(jì)算根冠比、總生物量、地上部分生長(zhǎng)恢復(fù)能力、地下部分生長(zhǎng)恢復(fù)能力、總生長(zhǎng)恢復(fù)能力,各處理分別選取長(zhǎng)勢(shì)一致的3份樣品進(jìn)行測(cè)定,視作3個(gè)重復(fù)。具體計(jì)算公式如下:

根冠比=地下部分生物量/地上部分生物量×100%;總生物量=地下部分生物量+地上部分生物量;生長(zhǎng)恢復(fù)能力=復(fù)水最后一天(T10-3、T25-3、T40-3)生物量-干旱最后一天(T10-0、T25-0、T40-0)生物量。

1.3.2 葉片葉綠素含量

選取長(zhǎng)勢(shì)、大小一致、無病蟲害的葉片,避開葉脈剪取0.1 g,采用96%乙醇浸提法提取葉片葉綠素后,使用紫外分光光度計(jì)在665 nm和649 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度(A),依據(jù)相關(guān)公式計(jì)算葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)及總?cè)~綠素(a+b)(Chl a+b)含量,各處理分別選取長(zhǎng)勢(shì)一致的3份樣進(jìn)行測(cè)定,視作3個(gè)重復(fù)。

1.3.3 光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)

選取長(zhǎng)勢(shì)、大小一致、無病蟲害的葉片,使用CIRAS-3便攜式光合儀測(cè)定,在陜西中藥資源產(chǎn)業(yè)化省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心組織培養(yǎng)室測(cè)定相關(guān)指標(biāo),測(cè)定時(shí)環(huán)境參數(shù)為:溫度25 ℃,二氧化碳濃度380～410 μmol/mol,光合有效輻射(PAR)為1 200 μmol/(m2·s),測(cè)定的指標(biāo)包括:Pn、Ci、Gs、Tr、WUE、Ls、CE、Fv/Fm、ФPSⅡ、ETR、qP、NPQ,各處理分別選取長(zhǎng)勢(shì)一致的3份樣進(jìn)行測(cè)定,視作3個(gè)重復(fù)。各參數(shù)釋義見表1。

表1 測(cè)定和分析中所用的參數(shù)指標(biāo)及其釋義

1.3.4 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

選取長(zhǎng)勢(shì)、大小一致、無病蟲害的葉片,使用Pocket PEA植物效率分析儀測(cè)定OJIP曲線及相關(guān)參數(shù),測(cè)定的指標(biāo)包括:Fv/Fo、Vj、Vi、Mo、Area、Fo、tFm、Fm、Sm、N、φEo、ψEo、δRo、φRo、ABS/RC、DIo/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、REo/CSo、PIabs、PItotal,各處理分別選取長(zhǎng)勢(shì)一致的3份樣進(jìn)行測(cè)定,視作3個(gè)重復(fù)。各參數(shù)釋義見表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件和GraphPad Prism 8.0.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制,使用IBM SPSS Statistics 22統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行顯著性分析(LSD法,P<0.05),使用GraphPad Prism 8.0.2軟件制作熱圖并對(duì)熒光參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行單向方差分析和多重比較檢驗(yàn),將本試驗(yàn)各指標(biāo)處理結(jié)果導(dǎo)入R 4.0.2軟件,載入vegan、ggplot2程序包分別進(jìn)行冗余分析(redundancy analysis, RDA)和RDA結(jié)果可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱和旱后復(fù)水對(duì)藥用大黃幼苗生長(zhǎng)的影響

圖1顯示,在大部分干旱脅迫時(shí)間內(nèi),藥用大黃幼苗復(fù)水后地上部、地下部和總的生長(zhǎng)恢復(fù)能力均隨干旱程度的增加呈上升趨勢(shì)且在干旱脅迫程度之間大多存在顯著性差異,這種趨勢(shì)在總生長(zhǎng)恢復(fù)能力中表現(xiàn)得尤為突出。隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng),在輕度干旱脅迫(LD)下,藥用大黃幼苗復(fù)水后地上部生長(zhǎng)恢復(fù)能力逐漸顯著降低,地下部和總的生長(zhǎng)恢復(fù)能力則均先降后升且均以脅迫25 d顯著最低,其余2個(gè)時(shí)間段間(10 d和40 d)無顯著差異;在中度干旱脅迫(MD)下,地上部和總的生長(zhǎng)恢復(fù)能力均先降后升并以脅迫25 d顯著最低,而脅迫10 d和40 d間無顯著差異,地下部生長(zhǎng)恢復(fù)能力在脅迫時(shí)間段間無顯著差異;在重度干旱脅迫(SD)下,地下部和總的生長(zhǎng)恢復(fù)能力均先降后升且均以脅迫25 d顯著最低,脅迫40 d明顯較高,而地上部生長(zhǎng)恢復(fù)能力在脅迫時(shí)間段間無顯著差異。

CK、LD、MD、SD分別為對(duì)照組(水分充足)、輕度干旱、中度干旱、重度干旱,它們土壤相對(duì)含水量分別為(80±5)%、(60±5)%、(40±5)%、(20±5)%,下同;同一干旱梯度下不同大寫字母表示干旱時(shí)間之間在0.05水平差異顯著,同一干旱時(shí)間下不同小寫字母表示干旱梯度之間在0.05水平差異顯著。圖1 復(fù)水后不同干旱時(shí)長(zhǎng)、干旱梯度下的藥用大黃幼苗生長(zhǎng)恢復(fù)能力CK, LD, MD and SD were control group (water sufficient), mild drought, moderate drought and severe drought, respectively, and their soil relative water content were (80±5)%, (60±5)%, (40±5)% and (20±5)%, respectively. Capital letters indicate significant difference at 0.05 level among different drought times under a same drought gradient, and lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among different drought gradients under a same drought time.Fig.1 Growth recovery ability of R. officinale Baill. seedlings under different drought durations and drought gradients after rehydration

總體來看,藥用大黃幼苗生長(zhǎng)恢復(fù)能力以重度干旱40 d后復(fù)水的地下部分最高,而輕度干旱40 d復(fù)水的地上部分近于0。

同時(shí),圖2顯示,隨干旱程度的增加,幼苗地上部分生物量在干旱10 d復(fù)水(T10-0、T10-1、T10-3)和干旱40 d復(fù)水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低,且干旱脅迫處理均顯著低于CK,干旱處理間也多差異顯著,而在干旱25 d復(fù)水處理(T25-0、T25-1、T25-3)下先升高后下降,LD處理與CK基本無顯著差異,而MD和SD處理均比CK顯著降低;與復(fù)水前(T10-0、T25-0、T40-0)相比,地上生物量在干旱后復(fù)水第1天(T10-1、T25-1、T40-1)和復(fù)水第3天(T10-3、T25-3、T40-3)多不同程度回升,并以干旱10 d復(fù)水和復(fù)水3 d表現(xiàn)更突出。幼苗總生物量除T10-3處理隨著干旱程度的增加而逐漸顯著上升外,其余處理總生物量變化與地上部分生物量相似。另外,幼苗地下部分生物量、根冠比在干旱10 d復(fù)水和干旱40 d復(fù)水處理下隨干旱程度增加均呈逐漸上升趨勢(shì),且干旱脅迫處理均顯著高于CK,干旱處理間也多差異顯著;各指標(biāo)在干旱25 d及復(fù)水處理下均先升高后下降,地下部分生物量在LD和MD處理下顯著高于CK,在SD處理下顯著低于CK;根冠比、根長(zhǎng)均在MD處理下達(dá)到最高值,且各干旱處理除SD處理的根冠比外均顯著高于CK;與復(fù)水前相比,幼苗地下部分生物量、根冠比、根長(zhǎng)在復(fù)水后大多顯著升高。以上結(jié)果說明大黃幼苗通過減少地上部分生物量,增加地下部分生物量,來降低水分損耗,保證根系存活,從而抵御干旱脅迫,復(fù)水后,幼苗能夠正常吸水,生物量均有所回升。

同一階段干旱梯度下不同大寫字母表示復(fù)水時(shí)間之間在0.05水平差異顯著,同一復(fù)水時(shí)間下不同小寫字母表示干旱梯度間在0.05水平差異顯著。圖2 藥用大黃幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)干旱及復(fù)水的響應(yīng)Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level among different rehydration times under same drought gradient and stage, and different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among different drought gradients under same rehydration time and stage. The same as below.Fig.2 Response of seedling growth indexes of R. officinale Baill. to drought and rehydration

2.2 干旱和旱后復(fù)水對(duì)藥用大黃幼苗葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

由圖3可知,重度干旱40 d的大黃幼苗Pn、Gs、CE以及WUE值最低。除CK外,隨干旱時(shí)間增長(zhǎng),各梯度下藥用大黃幼苗的Pn、Gs、CE均呈下降趨勢(shì);LD、MD處理下幼苗的Ls值隨干旱時(shí)間增長(zhǎng)顯著升高,各干旱梯度下幼苗的WUE、SD下幼苗Ls值則均呈先升高再降低的趨勢(shì),LD和SD處理下幼苗的Tr值及SD下葉片Ci則呈先降低再升高的趨勢(shì)。

圖3 干旱和復(fù)水條件下藥用大黃幼苗光合參數(shù)的變化規(guī)律Fig.3 Changes of photosynthetic parameters of R. officinale Baill. seedlings under drought and rewatering conditions

復(fù)水后,Pn、Gs、CE均顯著回升,LD處理10 d幼苗Pn、Gs、CE均升高且可恢復(fù)至CK水平;MD處理25 d的幼苗Pn、CE、Gs在T25-3顯著高于CK,出現(xiàn)補(bǔ)償效應(yīng);各梯度下Pn、CE、Gs在T40-3均有所回升,但顯著低于CK,SD處理下Pn恢復(fù)效率最低,在T40-3僅有2.783 μmol/(m2·s)。Ci在干旱10 d及復(fù)水后(T10-0、T10-1、T10-3)LD處理下與CK基本無顯著差異,而MD和SD處理均比CK顯著降低;在干旱40 d復(fù)水處理(T40-0、T40-1、T40-3)下先下降后升高,SD處理下均最高。

另外,隨干旱程度的增加,幼苗Tr在干旱10 d及復(fù)水后(T10-0、T10-1、T10-3)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),且在LD處理下最高,SD處理下最低;在干旱25 d后復(fù)水3 d(T25-3)處理下先升高后下降,且在MD處最高;而干旱25 d復(fù)水1 d處理(T25-0、T25-1)和干旱40 d復(fù)水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低,且干旱處理均顯著低于CK,干旱處理間也多差異顯著。幼苗Ls在干旱10 d、25 d時(shí)隨干旱梯度的升高呈上升趨勢(shì),且在復(fù)水后均有所降低。其中,Ls值在LD處理下T10-1時(shí)及MD處理下T25-1、T25-3時(shí)低于CK,出現(xiàn)補(bǔ)償效應(yīng);而在干旱40 d復(fù)水處理(T40-0、T40-1、T40-3)下先升高后下降,在T40-0時(shí)各干旱梯度均高于CK,不論是干旱還是復(fù)水,MD處理下Ls均最高。

此外,隨干旱程度的增加,幼苗WUE在干旱10 d復(fù)水(T10-0、T10-1、T10-3)和25 d復(fù)水處理(T25-0、T25-3)處理下基本呈先降低再升高趨勢(shì),且SD處理顯著高于LD、MD處理;干旱40 d(T40-0)后,WUE隨干旱程度增加呈降低趨勢(shì),干旱脅迫處理均顯著低于CK,復(fù)水后(T40-1、T40-3)WUE顯著恢復(fù),且在MD處理下高于CK。以上結(jié)果說明遭受干旱脅迫時(shí)大黃葉片通過限制氣孔導(dǎo)度Gs來降低Tr和Pn,導(dǎo)致Ls升高,WUE因此發(fā)生改變,當(dāng)脅迫過重時(shí),Ci增加,光合器官受損,Pn迅速降低;復(fù)水后,葉片光合功能均有所恢復(fù),凈光合速率等顯著增加,甚至產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng),來迅速修復(fù)干旱帶來的傷害。

2.3 干旱和旱后復(fù)水對(duì)藥用大黃幼苗葉片葉綠素含量的影響

由圖4可知,除MD處理10 d后的葉綠素b含量顯著高于CK外,其余干旱時(shí)間及干旱梯度下(T10-0、T25-0、T40-0),幼苗葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量均顯著低于CK,隨干旱程度的增加,幼苗葉綠素a、b及總?cè)~綠素含量在干旱25 d復(fù)水1 d(T25-0、T25-1)和干旱40 d復(fù)水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低。

圖4 干旱及復(fù)水條件下藥用大黃葉片葉綠素含量的變化規(guī)律Fig.4 Changes of chlorophyll contents in leaves of R. officinale Baill. under drought and rewatering conditions

復(fù)水后,葉綠素含量均有所回升。其中,MD、SD處理10 d后復(fù)水的葉片葉綠素含量均能在復(fù)水3 d內(nèi)(T10-3)恢復(fù)并顯著超過CK,產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng);干旱25 d復(fù)水處理,各干旱梯度下葉綠素b含量及MD處理下葉片總?cè)~綠素含量在復(fù)水第3天(T25-3)顯著高于CK,出現(xiàn)補(bǔ)償效應(yīng);干旱40 d后復(fù)水,葉綠素含量仍顯著低于CK。

以上結(jié)果說明,短期輕度干旱脅迫造成的傷害能在復(fù)水后得到補(bǔ)償,長(zhǎng)期干旱會(huì)造成不可逆的損傷,復(fù)水也無法彌補(bǔ)。

2.4 干旱和旱后復(fù)水對(duì)藥用大黃幼苗葉片OJIP曲線變化的影響

對(duì)OJIP曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,由圖5可知,干旱處理后,隨著干旱梯度及干旱時(shí)間的增加(T10-0、T25-0、T40-0),OJ段、J相、JI段、I相呈上升趨勢(shì),且顯著高于CK,各梯度間也差異顯著,且均在SD處理下達(dá)到最高。

圖5 藥用大黃葉片OJIP曲線在干旱及復(fù)水條件下的變化規(guī)律Fig.5 Changes of OJIP curve in R. officinale Baill. leaves under drought and rewatering conditions

復(fù)水后,不同干旱時(shí)間干旱梯度下的葉片恢復(fù)程度不同。其中,各梯度OJ段、J相、JI段、I相在T10-1時(shí)顯著低于CK,出現(xiàn)補(bǔ)償效應(yīng),而在T25-1、T40-1、T40-3時(shí)依然高于CK;SD處理下的I相在T25-3時(shí)顯著低于CK,產(chǎn)生比干旱10 d后復(fù)水更強(qiáng)的補(bǔ)償效應(yīng)。

本文在調(diào)研M煤礦關(guān)閉職工安置工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外煤礦關(guān)閉的經(jīng)驗(yàn)，探索M煤礦關(guān)閉和職工安置優(yōu)點(diǎn)和不足。M煤礦關(guān)閉過程中，采用四種方式進(jìn)行職工安置；針對(duì)煤礦的特點(diǎn)和工作進(jìn)程，采取一次性現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)的方式，提高安置工作的效率。綜觀全文，我們可以發(fā)現(xiàn)，職工安置工作是煤礦關(guān)閉過程中最重要的工作。目前，中國煤礦關(guān)閉體系尚不完善，缺乏對(duì)煤礦關(guān)閉的正確認(rèn)識(shí)，職工安置工作仍存在較大不足，等待改進(jìn)。煤礦關(guān)閉、職工安置工作的順利進(jìn)行需要國家從制度法規(guī)和財(cái)政上給予支持，嚴(yán)格區(qū)分煤礦關(guān)閉和企業(yè)破產(chǎn)之間的關(guān)系、制定專項(xiàng)法律、創(chuàng)造有利的再就業(yè)環(huán)境，從實(shí)際出發(fā)解決職工的后顧之憂。

2.5 干旱和旱后復(fù)水對(duì)藥用大黃幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

2.5.1 基本熒光參數(shù)

由圖6可知,隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng),輕、中、重度干旱下大黃葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ、ETR、qP均降低,NPQ呈先升高后下降的趨勢(shì)。其中,隨干旱程度的增加,幼苗Fv/Fm在T10-0、干旱25 d復(fù)水處理(T25-0、T25-1、T25-3)和干旱40 d復(fù)水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低,且干旱脅迫處理均顯著低于CK,干旱處理間也多差異顯著,而在干旱10 d復(fù)水處理(T10-1、T10-3)下基本無顯著差異;與復(fù)水前(T10-0、T25-0、T40-0)相比,Fv/Fm在干旱后復(fù)水第1天(T10-1、T25-1、T40-1)和復(fù)水第3天(T10-3、T25-3、T40-3)多不同程度回升,并以干旱25 d復(fù)水和復(fù)水3 d表現(xiàn)更突出。

圖6 藥用大黃葉片熒光參數(shù)對(duì)干旱及復(fù)水的響應(yīng)Fig.6 Response of fluorescence parameters in R. officinale Baill. leaves to drought and rehydration

除T25-2、T25-3處理下的ΦPSⅡ外,ΦPSⅡ及ETR、qP隨著干旱程度的增加的變化趨勢(shì)與Fv/Fm相似。此外,隨干旱程度的增加,幼苗NPQ在T10-0、T10-1、干旱25 d復(fù)水處理(T25-0、T25-1)處理下均逐漸升高且顯著高于CK;而在干旱40 d復(fù)水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下先升高后降低,并在LD處最高且高于CK,在MD、SD處顯著低于CK。

同時(shí),由圖7可知,隨干旱程度的增加,幼苗Fv/Fo、Area、tFm、Fm、Sm在干旱處理下(T10-0、T25-0、T40-0)均逐漸降低,且干旱脅迫處理均顯著低于CK;干旱10 d后復(fù)水,除tFm恢復(fù)不明顯外,Fv/Fo、Area、Fm、Sm均能在T10-3時(shí)恢復(fù)至CK水平;干旱25 d后復(fù)水,各梯度Fv/Fo、Area、Fm可在T25-3恢復(fù)至CK水平;干旱40 d后復(fù)水,大部分指標(biāo)仍與CK差異顯著。

*、**、***分別表示相應(yīng)指標(biāo)在P<0.05、P<0.01、P<0.001水平與CK差異顯著,ns表示該指標(biāo)與CK無顯著性差異;每個(gè)色塊表示該色塊對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值的大小,顏色越接近黑表示相較CK越上調(diào),顏色越接近白色表示相較CK越下調(diào)。下同。圖7 干旱及復(fù)水條件下藥用大黃葉片熒光參數(shù)方差分析熱圖*, **, *** indicate that the corresponding indexes were significantly different from those of CK at the levels of P<0.05, P<0.01 and P<0.001, ns indicates that there was no significant difference; Each color block represents the size of the corresponding index value of the color block. the closer the color is to black, the higher it is compared to CK, and the closer the color is to white, the lower it is compared to CK. The same below.Fig.7 Analysis of fluorescence parameters in R. officinale Baill. leaves under drought and rehydration conditions

另外,隨干旱程度的增加,幼苗Vj、Vi、Mo在干旱處理下(T10-0、T25-0、T40-0)均顯著高于CK。復(fù)水后,各指標(biāo)均有所恢復(fù),其中,LD、MD處理下的Vj、Vi、Mo均能在T10-3、T25-3時(shí)恢復(fù)至CK水平,除LD、MD處理下的Vj能在T40-3時(shí)恢復(fù)至CK水平外,各梯度Vi、Mo在干旱40 d后復(fù)水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均顯著高于CK。

2.5.2 量子產(chǎn)率參數(shù)及性能參數(shù)

由圖8可知,隨干旱程度的增加,幼苗δRo、PIabs、PItotal在干旱處理(T10-0、T25-0、T40-0)、干旱25 d后復(fù)水1 d(T25-1)以及干旱40 d后復(fù)水(T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低,且干旱脅迫處理均顯著低于CK;復(fù)水后,δRo、PIabs、PItotal均有所回升,干旱10 d、25 d復(fù)水,恢復(fù)能力較好,各梯度PIabs在干旱10 d復(fù)水處理(T10-1、T10-3)下顯著高于CK(P<0.001),產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng),干旱40 d后復(fù)水,δRo、PIabs、PItotal依然顯著低于CK。

圖8 干旱及復(fù)水條件下藥用大黃葉片量子產(chǎn)率參數(shù)及性能參數(shù)方差分析熱圖Fig.8 Analysis of yield or flux ratio and performance index (PI) in R. officinale Baill. leaves under drought and rehydration conditions

此外,干旱10 d對(duì)LD下φEo及MD下φEo、ψEo、φRo無顯著影響,當(dāng)脅迫時(shí)間增長(zhǎng),φEo、ψEo、φRo均受到顯著影響。其中,幼苗φEo在干旱處理(T25-0、T40-0)、干旱40 d后復(fù)水1 d(T40-1)處理下均顯著高于CK,ψEo變化趨勢(shì)與之相似;而φRo則在干旱處理(T25-0、T40-0)、干旱40 d后復(fù)水1 d(T40-1)處理下均顯著低于CK。復(fù)水后,φEo、ψEo、φRo均有不同程度的恢復(fù),且以干旱25 d恢復(fù)效果最好。

2.6 干旱和旱后復(fù)水處理下藥用大黃幼苗相關(guān)指標(biāo)的冗余分析

對(duì)葉片光合、熒光參數(shù)進(jìn)行PCA分析(圖9)可知,葉綠素含量[Chl a、Chl b、Chl (a+b)]、光合參數(shù)(Pn、Ci、Gs、Tr、CE)、性能參數(shù)(PIabs、PItotal)、基本熒光參數(shù)(Fv/Fo、ФPSⅡ、Fv/Fm、tFm、Fm、Sm、N、Area、qP、ETR)、量子產(chǎn)率參數(shù)(ψEo、δRo、φRo)及ETo/CSo、REo/CSo均與干旱時(shí)長(zhǎng)、干旱梯度呈負(fù)相關(guān),與復(fù)水時(shí)間呈正相關(guān);Ls、Vj、Vi、Mo、φEo、ABS/RC、DIo/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/CSo、TRo/CSo、Fo則與干旱時(shí)長(zhǎng)、干旱梯度呈正相關(guān),與復(fù)水時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。

圖9 不同干旱時(shí)長(zhǎng)、梯度、復(fù)水時(shí)間下藥用大黃葉片光合、熒光參數(shù)PCA分析Fig.9 PCA analysis of photosynthetic and fluorescence parameters in R. officinale Baill. leaves under different drought durations, gradients and rewatering time

3 討 論

水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中重要的生態(tài)組成部分[2],但是由于降水格局變化,極端氣候現(xiàn)象頻發(fā),使植物常暴露于反復(fù)干旱復(fù)水的土壤環(huán)境中,導(dǎo)致其光合、蒸騰、呼吸作用以及葉綠素?zé)晒獾仁艿絿?yán)重影響,從而抑制了植物的生長(zhǎng)發(fā)育[18]。

3.1 藥用大黃幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)干旱復(fù)水的響應(yīng)特征

根冠比是反映植物對(duì)土壤水分吸收利用和植物遭受干旱脅迫時(shí)生物量分配的重要指標(biāo)[4]。韓靜麗等[5]研究發(fā)現(xiàn),玉米通過增加根系生物量,相應(yīng)減少葉片生物量,來增加根系活力,降低水分損耗,從而使其在干旱脅迫下也能正常吸水以供生長(zhǎng),復(fù)水后,玉米也會(huì)適當(dāng)增加根冠比來保證其生理功能能夠快速恢復(fù);趙偉潔等[6]對(duì)糜子根進(jìn)行干旱復(fù)水試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)根系恢復(fù)能力與其遭受的干旱脅迫時(shí)長(zhǎng)和程度有關(guān),重度干旱后復(fù)水,根系的恢復(fù)能力強(qiáng)于輕度中度干旱水平。本研究與前人研究結(jié)果相似,干旱脅迫后,大部分藥用大黃幼苗根冠比及地下部分生物量顯著升高,地上部分生物量則呈降低趨勢(shì),重度干旱40 d后復(fù)水,大黃幼苗生長(zhǎng)恢復(fù)能力最為顯著,可能是重度干旱嚴(yán)重抑制根系生長(zhǎng)但未使其失活,復(fù)水后依然能得到較好的補(bǔ)償[5]。然而植物在遭受干旱脅迫時(shí),生物量的變化還會(huì)受到諸多因素如光照、溫度等的影響,因此生物量變化機(jī)制還有待后續(xù)進(jìn)行深入研究。

3.2 藥用大黃幼苗葉片光合、氣體交換參數(shù)和葉綠素含量對(duì)干旱復(fù)水的響應(yīng)特征

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ),是植物對(duì)干旱脅迫最敏感的生理過程之一[19]。葉綠素在植物光合過程中對(duì)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化起著重要作用[20],其含量與光合作用的碳氧化功能密切相關(guān)[21]。干旱脅迫會(huì)抑制葉綠素合成,同時(shí)提高葉綠素酶的活性和分解速率,從而導(dǎo)致葉綠素含量降低[22]。本試驗(yàn)大部分干旱時(shí)長(zhǎng)、梯度下的葉綠素a、b及總?cè)~綠素含量顯著低于CK(P<0.05),可能是干旱脅迫抑制了葉片光合功能,造成脂質(zhì)過氧化所致[23]。重度干旱40 d的大黃葉片葉綠素a含量甚至因脅迫過高無法檢測(cè),這符合前人研究結(jié)果,干旱脅迫對(duì)葉綠素a的傷害大于葉綠素b,其原因推測(cè)與干旱脅迫對(duì)包膜、基粒、類囊體等葉綠體組織的損害程度有關(guān)[24]。

光合速率是反映干旱脅迫對(duì)植物光合系統(tǒng)危害程度的重要指標(biāo)[19]。研究發(fā)現(xiàn),植物遭受干旱脅迫時(shí),其凈光合速率降低通常由氣孔因素和非氣孔因素引起,當(dāng)Ci與Gs變化趨勢(shì)一致時(shí),凈光合速率下降歸因于氣孔因素[25]。植物通過適當(dāng)閉合氣孔來減少水分流失,從而限制CO2進(jìn)入葉片,造成凈光合速率、蒸騰速率及初級(jí)光化學(xué)過程降低[26]。Ci與Gs變化趨勢(shì)相反時(shí),非氣孔因素如光合系統(tǒng)受損、葉肉細(xì)胞羧化功能降低等成為導(dǎo)致Pn下降的主要原因[27]。本研究中,干旱10,25 d后,中、重度干旱下葉片的Ls顯著升高,Pn、Ci、Tr、Gs顯著降低,而重度干旱40 d,葉片Pn、Gs、Tr均趨近于0,Ci則顯著升高,推測(cè)在短期干旱脅迫下,大黃葉片通過限制氣孔來降低Tr和Pn,在遭受長(zhǎng)期重度干旱脅迫時(shí),Pn下降則是由光能捕獲效率、電子傳遞速率、葉肉細(xì)胞活性等非氣孔因素引起[25]。此外,氣孔還是影響植物水分利用效率(WUE)的重要因素。在水分虧缺條件下,植物葉片為維持自身滲透平衡,會(huì)降低氣孔導(dǎo)度來減慢水分?jǐn)U散,從而調(diào)控WUE[22]。對(duì)枸杞葉片的研究發(fā)現(xiàn),WUE對(duì)土壤水分有顯著的閾值響應(yīng),輕微水分脅迫會(huì)增加WUE,土壤水分過低時(shí),光合器官被破壞,WUE受到顯著抑制[28]。本研究也同樣證實(shí)土壤含水量和干旱時(shí)間對(duì)大黃WUE的影響有明顯閾值范圍。干旱10,25 d時(shí),WUE在土壤含水量≥40%時(shí)無明顯變化或顯著降低,土壤含水量<40%時(shí),WUE顯著升高(P<0.05);干旱40 d后,WUE隨土壤含水量減小呈降低趨勢(shì)。冗余分析結(jié)果也表明,WUE與干旱時(shí)長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān),其原因推測(cè)為初期重度干旱脅迫下,葉片Gs急劇降低,導(dǎo)致Tr降低速率高于Pn,植物通過提高WUE來抵抗干旱[29],隨著干旱時(shí)間增長(zhǎng),葉片光合系統(tǒng)嚴(yán)重受損,Pn降低速率高于Tr,從而造成WUE顯著下降[28]。

植物在遭受干旱脅迫后,復(fù)水的刺激效應(yīng)能使其光合能力快速恢復(fù),類似生長(zhǎng)補(bǔ)償發(fā)生在植物的整個(gè)生命周期中[22]。Jia等[10]對(duì)干旱脅迫下的玉米進(jìn)行復(fù)水處理,其光合速率迅速增加且顯著高于對(duì)照(P<0.05);水分脅迫后復(fù)水,大豆的葉綠素含量快速超過對(duì)照水平[23],屬于補(bǔ)償效應(yīng)。然而,并非所有植物都能在復(fù)水后迅速生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫帶來的抑制作用在復(fù)水后的補(bǔ)償效果取決于預(yù)干旱及干旱脅迫的程度和持續(xù)時(shí)間[16],較溫和的干旱水平或較短的干旱時(shí)長(zhǎng)會(huì)帶來更大的補(bǔ)償效果[23]。本研究中大黃幼苗的大部分光合指標(biāo)及葉綠素含量在不同干旱時(shí)長(zhǎng)、不同干旱梯度下復(fù)水后均顯著恢復(fù)(P<0.05),干旱10 d后復(fù)水,葉綠素b含量在各干旱梯度下均顯著超過CK(P<0.05),發(fā)生補(bǔ)償效應(yīng),這說明短期干旱并不影響光合生理機(jī)制及葉綠體結(jié)構(gòu),葉片能在復(fù)水后快速恢復(fù)[10]。繼續(xù)干旱25 d后,中度干旱的大黃幼苗,表現(xiàn)出比干旱10 d更強(qiáng)的復(fù)水恢復(fù)能力。復(fù)水后,其葉片Pn、Gs、CE、Tr、Ls、葉綠素b含量均表現(xiàn)出明顯的補(bǔ)償效應(yīng),說明第1次干旱能在一定程度上提高植物對(duì)二次干旱的抵抗能力和復(fù)水恢復(fù)能力[30]。同樣的,前期干旱能夠緩解再干旱對(duì)玉米葉片光合功能的傷害,遭受第2次干旱后,其光合參數(shù)Pn、Gs及生長(zhǎng)速率顯著升高[31]。然而,繼續(xù)干旱40 d后大黃葉片被完全破壞,復(fù)水后Pn、Gs、CE、Tr、葉綠素含量依然顯著低于CK(P<0.05)。這有可能是由于長(zhǎng)期干旱嚴(yán)重抑制了葉片的光合能力和葉綠素合成速率,復(fù)水也無法彌補(bǔ)長(zhǎng)期干旱對(duì)光合器官及葉綠體結(jié)構(gòu)的損傷[10]。

3.3 藥用大黃幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)和OJIP曲線對(duì)干旱復(fù)水的響應(yīng)特征

由PSⅡ、PSI共同操控的原初光化學(xué)反應(yīng)是光合作用的起始,經(jīng)原初反應(yīng)釋放出的電子會(huì)在類囊體膜上沿電子載體定向傳遞,為生成植物必需的有機(jī)物提供同化力[16]。水分作為原初電子供體在這一系列反應(yīng)中扮演重要角色,水分虧缺對(duì)光合系統(tǒng)功能、光合電子傳遞鏈和反應(yīng)中心復(fù)合體的抑制作用會(huì)直接影響植物光合作用和葉綠素?zé)晒?進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[2]。

為了緩解干旱脅迫對(duì)電子傳遞鏈及PSⅡ受體側(cè)的傷害,植物進(jìn)化出一種自衛(wèi)措施——光合系統(tǒng)熱耗散機(jī)制抵御外界脅迫,通常用增加非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)來反映[10]。本研究中干旱10,25 d的大黃葉片NPQ均隨干旱時(shí)長(zhǎng)、梯度增加呈上升趨勢(shì),表明葉片光合系統(tǒng)具有保護(hù)機(jī)制,能夠?qū)⒐夂蠙C(jī)構(gòu)多余的能量轉(zhuǎn)化為熱能來抵御干旱脅迫對(duì)PSⅡ、類囊體系統(tǒng)及電子傳遞鏈的光損傷[3]。中、重度干旱40 d的大黃葉片NPQ大幅降低,可能是長(zhǎng)期干旱或干旱程度過大,造成PSⅡ復(fù)合體遭受損傷過重,內(nèi)部調(diào)控機(jī)制嚴(yán)重受損,光保護(hù)能力即無害消散過剩能量的能力下降,導(dǎo)致能量耗散的下調(diào)速度減緩所致[7]。

干旱后復(fù)水會(huì)緩解干旱脅迫對(duì)光合系統(tǒng)、電子傳遞鏈的抑制作用,植物會(huì)出現(xiàn)迅速生長(zhǎng)、光合能力提高等補(bǔ)償效果,這可能是植物抵御短期、周期性或不可預(yù)測(cè)的干旱的一種自衛(wèi)方式[36-37],而復(fù)水的恢復(fù)程度和恢復(fù)速度則取決于干旱前條件的持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度[18]。本研究中干旱初期對(duì)大黃葉片造成的光傷害在復(fù)水后得到緩解,干旱10,25 d后復(fù)水,Fv/Fo、Fv/Fm均有顯著回升(P<0.05),反應(yīng)中心活性、量子產(chǎn)率參數(shù)、性能參數(shù)、J相、I相、Mo、ETR等均可恢復(fù)。各梯度tFm、J相、輕度干旱25 d的大黃葉片F(xiàn)v/Fm、中度干旱25 d的NPQ及重度干旱25 d的Vi、Sm、δRo、φRo均產(chǎn)生顯著的補(bǔ)償效應(yīng)(P<0.05),說明短期、輕度干旱對(duì)大黃幼苗PS Ⅱ受體側(cè)、PS Ⅱ反應(yīng)中心及光合電子傳遞鏈的傷害是可逆的,光合機(jī)構(gòu)沒有受到嚴(yán)重?fù)p傷,在復(fù)水后能夠快速恢復(fù)[25]。相反,干旱40 d后復(fù)水,大部分熒光參數(shù)、量子產(chǎn)率參數(shù)與CK差異明顯;OJIP曲線J相、I相依然顯著高于CK(P<0.05),PIabs、PItotal也趨近于0,推測(cè)是長(zhǎng)期干旱嚴(yán)重抑制了光系統(tǒng)活性,干旱脅迫造成了不可逆?zhèn)?導(dǎo)致PS Ⅱ受體產(chǎn)生的極強(qiáng)光抑制,活性被嚴(yán)重破壞,電子傳遞無法正常運(yùn)行[25]。

綜上所述,干旱脅迫會(huì)抑制藥用大黃光合作用,進(jìn)而抑制其生長(zhǎng)發(fā)育,短期干旱后復(fù)水能帶來更好的補(bǔ)償效應(yīng);二次干旱的大黃葉片表現(xiàn)出比初次干旱更強(qiáng)的抗旱性和復(fù)水恢復(fù)能力;長(zhǎng)期干旱造成的光抑制和生長(zhǎng)抑制完全破壞了光合系統(tǒng),在復(fù)水后依然不能得到完全補(bǔ)償。本研究結(jié)果為藥用大黃在季節(jié)性、間歇性干旱的環(huán)境中的水分高效利用提供了理論依據(jù),但是由于外界氣候和土壤環(huán)境復(fù)雜多變,干旱天數(shù)及復(fù)水時(shí)間無法控制,植物自身應(yīng)對(duì)逆境也有不同的耐受性和反應(yīng)機(jī)制,仍然需要對(duì)此進(jìn)行不斷探索。