側(cè)柏葉溫及葉綠素?zé)晒馓匦詫?duì)土壤水分脅迫的響應(yīng)

董果，戴勐，趙勇?，李建中，侯娜，宋曉明，樊巍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，450002，鄭州;2.河南省濟(jì)源市國(guó)有大溝河林場(chǎng)，454650，河南濟(jì)源;

3.河南省林科院，450003，鄭州)

側(cè)柏(Platycladus orientalis)適應(yīng)性和抗逆性較強(qiáng)，是河南省太行山地區(qū)的主要造林樹(shù)種之一，也是分布面積較大的森林類型。由于特殊的生境條件，水分是影響該區(qū)群落分布、森林發(fā)育和造林成活率的最關(guān)鍵生態(tài)因子。光合作用是植物最基本的生命活動(dòng)，是植物有機(jī)質(zhì)合成和獲取能量的根本來(lái)源，是干旱影響作物生長(zhǎng)和代謝的第一環(huán)節(jié)［1］。光合作用是植物體內(nèi)重要的代謝過(guò)程。由于其在植物進(jìn)化過(guò)程中的穩(wěn)定性而一直成為植物生理生態(tài)研究的重要內(nèi)容，因此可以作為判斷植物生長(zhǎng)和抗逆性強(qiáng)弱的指標(biāo)［2］。干旱脅迫下植物的光合能力有不同程度降低［3-4］，引起植物水分虧缺，延緩、停止或破壞植物的正常生長(zhǎng)［5］，植物會(huì)產(chǎn)生傷害、修復(fù)以及補(bǔ)償?shù)炔煌A段性反應(yīng)［6］。植物體內(nèi)發(fā)出葉綠素?zé)晒庑盘?hào)的特性與所受到干旱脅迫程度密切相關(guān)。葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)被視為揭示植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針［7］，成為研究作物光合生理與干旱脅迫關(guān)系的有力證據(jù)［8］。以往對(duì)側(cè)柏的研究多側(cè)重于其光合蒸騰特性方面［9-11］，多從氣孔導(dǎo)度Gs、水分利用效率Wu，E等方面研究其抗旱性，而對(duì)其在水分脅迫下葉綠素?zé)晒馓匦宰兓矫娴脑敿?xì)研究還不多。筆者以太行山側(cè)柏為對(duì)象，通過(guò)觀測(cè)不同土壤水分條件下葉溫和葉綠素?zé)晒馓匦缘膶?duì)應(yīng)變化，研究土壤水分與植物生長(zhǎng)間的關(guān)系，探討其抗旱特性及適應(yīng)水分脅迫的機(jī)制，以期為太行山地區(qū)造林樹(shù)種選擇和抗旱品種培育提供理論依據(jù)。

1 研究地概況

試驗(yàn)地選擇在位于黃河小浪底庫(kù)區(qū)北岸的河南省濟(jì)源市大溝河林場(chǎng)，也是國(guó)家林業(yè)局小浪底森林生態(tài)站。地貌類型為太行山低山丘陵區(qū)。中心地理位置為E 112°30＇、N 35°03＇，平均海拔410 m。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫14.3 ℃，年均日照率54%，年均降水量646.4 mm，年際變化較大。土壤為褐土，pH 值在7.0 ～7.5 之間。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

供試材料為林場(chǎng)現(xiàn)有盆栽側(cè)柏。選擇生長(zhǎng)一致且長(zhǎng)勢(shì)良好的20 盆進(jìn)行試驗(yàn)。將盆栽分為4 個(gè)處理，每個(gè)處理5 個(gè)重復(fù)。側(cè)柏的樹(shù)齡為10 年生，平均樹(shù)高5 m，平均胸徑6.5 cm。盆高50 cm，口徑45 cm，土層深度40 cm。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用環(huán)刀法測(cè)量田間持水量。按照田間最大持水量的75%～80%(正常供水，對(duì)照組CK)、60%～65%(輕度脅迫，LS)、45%～50%(中度脅迫，MS)、20%～25%(重度脅迫，SS)進(jìn)行控水處理。3 個(gè)處理梯度，各5 個(gè)重復(fù)。處理期間除土壤水分有顯著性差異外其他管理一致，處理20 d 后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。

2.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

2.3.1 土壤含水量 利用時(shí)域反射儀(Time Domain Reflectometry，簡(jiǎn)稱為TDR)分別在土層深度10 cm、20 cm 和30 cm 處測(cè)量土壤含水量，以做到土壤含水量維持在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)。同時(shí)用土壤烘干法進(jìn)行校正。

2.3.2 葉溫 在08:30—17:30 期間，每1.5 h 循環(huán)測(cè)量一次。選取2 片完全展開(kāi)且受光方向一致的植株中部葉片(葉片同光合)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)做好標(biāo)記，以便選擇同一葉片測(cè)定其葉綠素?zé)晒馓卣鲄?shù)。測(cè)定儀器為CB-0231 熱電偶測(cè)溫儀(CID 北京生態(tài)科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn))。

2.3.3 葉綠素?zé)晒?測(cè)定儀器為便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xMini-PAM(德國(guó)Walz 公司)。對(duì)測(cè)量過(guò)葉溫的同一個(gè)葉片，在06:30 時(shí)對(duì)其進(jìn)行20 ～30 min暗適應(yīng)處理后測(cè)定初始熒光F0和最大熒光Fm。同樣在08:30—17:30 期間，每隔1.5 h 測(cè)量各葉綠素?zé)晒鈪?shù)，分別為即時(shí)最大熒光F＇m、量子產(chǎn)量、相對(duì)光合電子傳遞速率和光合有效輻射強(qiáng)度。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel2007 和SPSS17.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物葉溫對(duì)水分脅迫的響應(yīng)

圖1 示出不同水分處理下側(cè)柏葉溫日變化趨勢(shì)都為單峰型曲線。08:30 后隨氣溫升高而上升，峰值出現(xiàn)在13:00，之后隨著氣溫的下降而下降。隨著脅迫的增加，葉溫逐漸升高，即:正常供水(對(duì)照)條件下，在各個(gè)時(shí)段葉溫值均最低;重度脅迫下，葉溫值均最高。

圖1 側(cè)柏葉溫和葉溫日均值對(duì)水分脅迫的響應(yīng)Fig.1 Responses of leaf temperature and diurnal average of leaf temperature of Platycladus orientalis to soil water stress

由圖1 可知，側(cè)柏葉溫日均值隨土壤水分脅迫的加劇而逐漸增加。對(duì)照組葉溫日均值為31.79℃，重度水分脅迫下葉溫日均值為32.57 ℃，輕度、中度及重度水分脅迫下分別比對(duì)照升高了0.8%、1.7%和2.4%。

葉面溫度變化受到如水分、溫度、光照、空氣濕度等眾多因素影響，但在其他條件基本一致的情況下，植物蒸騰是葉溫的最主要影響因素［12］。當(dāng)植物受到水分脅迫時(shí)，葉片能通過(guò)保衛(wèi)細(xì)胞來(lái)調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)閉，從而降低蒸騰強(qiáng)度。相對(duì)于供水充足的植株，植物蒸騰的潛熱減少，顯熱增加，葉片溫度相應(yīng)上升;因此，在土壤水分脅迫下的植物葉溫要高于土壤水分充足的葉溫。

3.2 側(cè)柏葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)土壤水分脅迫的響應(yīng)

3.2.1 F0、Fm和Fv對(duì)土壤水分脅迫的響應(yīng) F0為初始熒光(固定熒光、0 水平熒光)，是光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心處于完全開(kāi)放時(shí)的熒光產(chǎn)量。由圖2知，隨著水分脅迫程度的增加，F(xiàn)0表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。與對(duì)照相比，輕度水分脅迫下F0沒(méi)有上升，而是小幅下降，降幅為4.9%;中度及重度水分脅迫下，F(xiàn)0均上升。其中重度脅迫下，上升幅度達(dá)到18.6%(與對(duì)照相比)。F0數(shù)值的增大，說(shuō)明PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)中心受到了一定程度的破壞或可逆失活。而輕度脅迫下F0變化不大，說(shuō)明輕度水分脅迫對(duì)側(cè)柏光合作用的影響較小。

圖2 側(cè)柏F0、Fm和Fv對(duì)土壤水分脅迫的響應(yīng)Fig.2 Responses of F0，F(xiàn)m and Fv of Platycladus orientalis leaves to water stress

最大熒光Fm是PSⅡ反映中心完全關(guān)閉時(shí)的熒光產(chǎn)量，可反映PSⅡ的電子傳遞情況，它的降低是光抑制的一個(gè)特征。與對(duì)照相比，F(xiàn)m在各個(gè)水分處理下均下降。輕度水分脅迫下降5.3%，中度脅迫下降12.7%，重度脅迫下降20.0%。這表明水分脅迫使PSⅡ原初光化學(xué)活性受到抑制，PSⅡ活性中心受到損傷。

可變熒光Fv是Fm與F0的差值，反映了PSⅡ原初電子受體QA的還原情況，與PSⅡ的原初反應(yīng)過(guò)程有關(guān)［13］。從圖2 可以看出，隨著水分脅迫的加劇，F(xiàn)v逐漸下降。重度水分脅迫下下降幅度最大，為27.7%(與對(duì)照相比)，說(shuō)明側(cè)柏的光化學(xué)活性隨著水分脅迫的加劇而減弱，且重度脅迫下最弱。

由表1 看出，不同的水分處理間，F(xiàn)0、Fm和Fv的方差分析均表現(xiàn)為顯著性差異，表明F0、Fm、Fv對(duì)水分脅迫的響應(yīng)較敏感。

3.2.2 Fv/Fm和Fv/F0對(duì)土壤水分脅迫的響應(yīng) PSⅡ光化學(xué)效率(Fv/Fm)是指PSⅡ最大原初光化學(xué)量子效率。不同程度水分脅迫下，F(xiàn)v/Fm都表現(xiàn)為下降(圖3)。與對(duì)照相比，輕度水分脅迫下變化較小，中度和重度脅迫下分別下降4.1%和9.7%，下降較為明顯。一般植物在正常環(huán)境下葉片熒光參數(shù)Fv/Fm的值變化極小，不受物種和生長(zhǎng)條件的影響［14］;但是在逆境條件下或受到傷害時(shí)Fv/Fm值可能會(huì)明顯降低。Fv/Fm下降，表明PSⅡ原初光化學(xué)活性受到抑制，PSⅡ活性中心受到損傷。

表1 土壤水分脅迫下F0、Fm和Fv的方差分析Tab.1 Analysis of variance of F0，F(xiàn)m and Fv at different degrees of water stress

Fv/F0對(duì)水分脅迫的響應(yīng)的變化趨勢(shì)與Fv/Fm相似(圖3)。與對(duì)照相比，輕度水分脅迫下同樣變化較小，中度和重度脅迫下分別下降20.1%和39.1%，下降更為明顯。Fv/F0則反映了PSⅡ的潛在活性，其數(shù)值的下降可能是由于F0值上升，F(xiàn)v值下降。

水分脅迫下，F(xiàn)v/Fm和Fv/F0均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這說(shuō)明在水分脅迫下，PSⅡ光系統(tǒng)的光合電子由PSⅡ反應(yīng)中心向QA、QB及PQ 庫(kù)傳遞過(guò)程受到了影響，PSⅡ光系統(tǒng)的原初光能轉(zhuǎn)化效率降低，其潛在活性中心受損。

對(duì)側(cè)柏Fv/Fm和Fv/F0進(jìn)行方差分析(表2)，各個(gè)水分脅迫下差異顯著，而正常供水與輕度脅迫下未達(dá)到顯著性差異。

3.2.3 實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量日變化 實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量是PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率，指PSⅡ所吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例。各水分脅迫下側(cè)柏的實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量的日變化規(guī)律(圖4)均為凹型曲線，且在4 個(gè)處理中，各個(gè)時(shí)段里正常供水(對(duì)照)組的值最高，重度水分脅迫下其值最低，其日均值隨著水分脅迫程度的加重而降低。在輕度、中度及重度水分脅迫時(shí)分別比對(duì)照降低了3.6%、8.8%和13.3%。實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量反映了PSⅡ反應(yīng)中心部分關(guān)閉情況下的原初光能捕獲效率，表示植物體光合機(jī)構(gòu)將吸收的光能進(jìn)行轉(zhuǎn)化的能力。其數(shù)值的降低說(shuō)明光系統(tǒng)受到了水分脅迫的傷害，且重度脅迫下最為嚴(yán)重。

表2 土壤水分脅迫下Fv/Fm和Fv/F0的方差分析Tab.2 Analysis of variance of Fv/Fm and Fv/F0 at different degrees of water stress

圖4 側(cè)柏PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率的日變化與其日平均值Fig.4 Daily variation of the actual efficiency and diurnal average of the actual efficiency of Platycladus orientalis

3.2.4 表觀光合電子傳遞速率日變化 表觀光合電子傳遞速率，是光合機(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。水分脅迫下，表觀光合電子傳遞速率的日變化為單峰凸型曲線(圖5)，在13:00 左右達(dá)到最大值。在4 個(gè)處理中，各個(gè)時(shí)段里正常供水(對(duì)照)組的值最高，重度水分脅迫下其值最低。這一現(xiàn)象也可以從表觀光合電子傳遞速率的日均值中得以驗(yàn)證。表觀光合電子傳遞速率的日均值(圖5)變化規(guī)律也很明顯，從正常供水到重度脅迫依次降低。與對(duì)照相比，重度水分脅迫下其日均值下降13.8%。以上趨勢(shì)及數(shù)據(jù)表明，水分脅迫抑制了PSⅡ光系統(tǒng)電子傳遞。

圖5 側(cè)柏表觀光合電子傳遞速率的日變化與其日平均值Fig.5 Daily variation of the electron transport rate and diurnal average of the electron transport rate of Platycladus orientalis

3.2.5 非光化學(xué)淬滅日變化 非光化學(xué)淬滅反映的是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。不同水分脅迫下非光化學(xué)淬滅的日變化為單峰凸型曲線，在13:00 左右達(dá)到最大。與表觀光合電子傳遞速率的日變化不同的是，在4 個(gè)水分處理中，各個(gè)時(shí)段中正常供水(對(duì)照)下值最低，重度水分脅迫下最高。其日均值是隨著水分脅迫程度的增加而升高，重度水分脅迫下達(dá)到0.807。非光化學(xué)淬滅隨水分脅迫的加劇而增加，說(shuō)明PSⅡ天線色素吸收的光能以熱的形式耗散掉的光能增加。這種耗散緩解了逆境條件對(duì)植物的不利影響，是側(cè)柏對(duì)水分脅迫或者午間高溫的調(diào)節(jié)機(jī)制，保護(hù)了其光合機(jī)構(gòu)。

圖6 側(cè)柏非光化學(xué)淬滅的日變化與其日平均值Fig.6 Daily variation of the non-photochemical quenching coefficient and diurnal average of the non-photochemical quenching coefficient of Platycladus orientalis

4 結(jié)論與討論

1)側(cè)柏的葉溫、表觀光合電子傳遞速率和非光化學(xué)淬滅參數(shù)的日變化變現(xiàn)為單峰凸型曲線。實(shí)際光合電子傳遞速率的日變化為單峰型凹函數(shù)。都在13:00 左右達(dá)到峰值。

2)隨著水分脅迫的加劇，側(cè)柏的葉溫和非光化學(xué)淬滅參數(shù)日均值逐漸升高，而Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/F0以及實(shí)際光合電子傳遞速率、表觀光合電子傳遞速率參數(shù)的日均值均逐漸下降，而F0表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢(shì)，即在輕度水分脅迫下略微降低，而在中度及重度水分脅迫下逐漸升高。

土壤水分直接影響植物水分。其他條件一致時(shí)，土壤水分充足，葉溫則低;土壤水分虧缺，葉溫則高［15］。本研究結(jié)果與此一致，土壤含水量越小，葉溫越高(圖1)。在其他因素一致的情況下，葉溫可以作為反映側(cè)柏土壤水分狀況的指標(biāo)之一。

水分脅迫對(duì)植物光合作用的影響有很多方面，不僅直接引發(fā)光合機(jī)構(gòu)異常，而且影響光合電子傳遞［16］。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干旱脅迫導(dǎo)致F0出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，F(xiàn)m、Fv、Fv/Fm和Fv/F0值下降。許多研究［17-18］都表明，水分脅迫會(huì)導(dǎo)致F0上升和Fv下降?？购敌栽綇?qiáng)的品種，干旱脅迫對(duì)其反應(yīng)中心尤其是光系統(tǒng)的破壞也越小，PSⅡ光化學(xué)活性也越大;因此F0和Fm可作為植物能否抵抗干旱的指標(biāo)。水分脅迫會(huì)導(dǎo)致最大原初光化學(xué)量子效率降低，PSⅡ的潛在活性中心受損，表明輕度和中度脅迫下光系統(tǒng)未受到或受到較輕的脅迫，重度干旱脅迫下，葉片光合器官受到不可逆?zhèn)Γ夂霞?xì)胞活性降低，光合作用受到嚴(yán)重抑制。這與文獻(xiàn)［19-20］的研究結(jié)果一致。

隨著干旱脅迫的加重，側(cè)柏的表觀光合電子傳遞速率顯著下降，水分脅迫使側(cè)柏PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞效率下降，并且重度水分脅迫下的下降最為顯著。在干旱脅迫下導(dǎo)致植物PSⅡ反應(yīng)中心的電子捕獲效率降低，從而降低電子傳遞速率［21］。

在水分脅迫的研究中，對(duì)葉綠素?zé)晒獯銣绲姆枪饣瘜W(xué)淬滅的變化探討較多。本研究中，側(cè)柏的非光化學(xué)淬滅值隨水分脅迫的加劇而上升，與已有研究報(bào)道［22-24］一致。干旱脅迫造成光抑制時(shí)，植物以增加非光化學(xué)猝滅的來(lái)適應(yīng)逆境［25］。多余的光能以熱的形式耗散掉，防止光合器官的破壞，對(duì)光合器官起一定的保護(hù)作用，是植物的一種自我保護(hù)機(jī)制［22］。從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，非光化學(xué)淬滅明顯升高顯著降低了光能利用效率，多余的光能無(wú)法用于光合電子傳遞及熱耗散，造成光能在光系統(tǒng)內(nèi)部的積累，引起光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞和光反應(yīng)中心活性的降低，進(jìn)一步影響植物的光合作用［23］;因此，這種適應(yīng)只是一種內(nèi)耗損的被動(dòng)適應(yīng)方式，可以維持生存，但對(duì)生長(zhǎng)不利。

本研究中，側(cè)柏在經(jīng)受了20 d 的水分脅迫下，通過(guò)增加熱耗散(非光化學(xué)淬滅升高)來(lái)保護(hù)光合機(jī)構(gòu)，可見(jiàn)側(cè)柏葉片啟動(dòng)了抗旱機(jī)制，其光合機(jī)構(gòu)并未受到嚴(yán)重的損傷，依然具有一定的活性，說(shuō)明側(cè)柏在抗旱能力和適應(yīng)性方面表現(xiàn)較好，具有一定的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，對(duì)水分脅迫的適應(yīng)較為積極主動(dòng);然而，參閱文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，對(duì)干旱脅迫后側(cè)柏恢復(fù)能力強(qiáng)弱［26］以及在干旱脅迫中生理指標(biāo)如抗氧化劑(過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶等)、脯氨酸和可溶性糖［27］的變化還可以進(jìn)一步的探討，以獲得更為詳盡的理論依據(jù)。