干旱脅迫條件下信陽五月鮮桃光合特性和生理生化指標變化規(guī)律研究

閻騰飛，黃玉杰，李文楊，楊 樂，趙師成

(信陽農(nóng)林學院，河南 信陽 464000)

0 引 言

干旱脅迫是目前影響植物生長發(fā)育和分布的首要因素，由水分脅迫造成的損失在所有非生物脅迫中占首要地位[1]，探索植物干旱脅迫機制與光合作用和生物量之間的關(guān)系，成為節(jié)水農(nóng)林業(yè)研究的核心目標。長期以來，國內(nèi)外關(guān)于干旱脅迫對農(nóng)作物、果樹、木本植物的光合特性和生理生態(tài)做了大量研究，研究水平已深入到分子水平，特別是熒光特性的研究以及抗旱基因的研究[2,3]。大量的試驗證明干旱脅迫對果樹光合作用、膜透性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)具有重要影響[4]。因此，研究植物對干旱脅迫的反應機理，具有重要的理論價值和實踐意義。

信陽五月鮮桃是信陽市平橋區(qū)林業(yè)局從鄉(xiāng)土桃樹自然芽變中選育出的優(yōu)良品種，該品種成熟期早，果質(zhì)優(yōu)良，口感鮮美，適宜在豫南地區(qū)栽培推廣。2008年經(jīng)河南省林木良種審定委員會組織中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所、河南省林科院的有關(guān)專家現(xiàn)場品嘗鑒定，被命名為“信陽五月鮮桃”(豫林審證字第100 號)，確定為河南省林木良種[5]。信陽地處淮河流域，屬于亞熱帶暖溫帶氣候，降雨時空分布不均，年度差異明顯，受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)思想的制約，豫南地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉多以大水漫灌為主，靠天吃飯思想占主要因素，水資源浪費嚴重[6]，因此，研究信陽五月鮮桃水分生理對于選擇優(yōu)良抗旱種質(zhì)資源，提高水資源利用率具有重要意義，同時也為這種優(yōu)良品種的推廣提供了理論依據(jù)。

信陽五月鮮桃的研究目前仍停留在物候期觀測、果實品質(zhì)[5,7]等階段，深入探索信陽五月鮮桃干旱脅迫條件下的反應機制的研究鮮有報道。董曉穎等研究了“超紅短枝”和“早紅珠”水分脅迫條件下桃葉片的水分利用效率和羧化效率的變化規(guī)律[8]。陳曉強等對不同類型桃品種的不同葉位的葉片光合特性進行了研究[9]。陳雪梅等[10]研究了水分脅迫對金蒲桃幼苗生長和生物量分配的影響。徐迪等研究了滴灌條件下不同土壤濕度日光溫室“艷紅”桃的需水規(guī)律[11]。筆者以信陽五月鮮桃幼樹為試材，研究連續(xù)干旱脅迫條件下信陽五月鮮桃光合特性和生理生化特性，以期為今后信陽五月鮮桃的栽培應用和抗旱優(yōu)良品種的選育提供可借鑒的材料，同時也為探討信陽五月鮮桃水分生理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年7月18日開始在信陽農(nóng)林學院林學院試驗站進行(地理位置為114°06′E、31°12.5′N)。海拔75～300 m。該地屬亞熱帶向暖溫帶過渡地區(qū)，冷暖適中，四季分明，年平均氣溫15.3 ℃，無霜期長，平均為220～230 d；降雨豐沛，年均降雨量約1100 mm，空氣濕潤，年均相對濕度為77%。

以3年生信陽五月鮮桃幼樹為試材，供試土為沙壤土；盆栽規(guī)格為口徑40 cm，高50 cm。選取3盆，在盆上標號，選擇晴朗的天氣在傍晚對盆栽進行全灌水處理，使土壤條件充分飽和，達到田間持水量(FC)。然后放置在自然條件下持續(xù)干旱形成水分梯度(用遮雨布防止外界水分進入)。使用6050X3K1B Mini Trase Kit土壤水分速測儀(California，USA)在觀測五月鮮桃葉片光合速率當日早上8∶00測定土壤體積含水量SVWC,%，直至葉片萎蔫為止，共形成5個土壤水分梯度系列。測定時，每株在盆內(nèi)選取3個樣點進行測定，每個樣點記錄3個讀數(shù)。利用計算公式得到質(zhì)量含水量SGWC,%，以及相對含水量SRWC,%。

SGWC=SVWC/ρ

(1)

SRWC=SGWC/FC

(2)

經(jīng)計算，5個土壤水分梯度分別為92.5%，74.9%，55.7%，24.1%，14.3%。

1.2 試驗方法

1.2.1 光合特性測定

選取樹體中部、長勢中庸的三片葉片，采用Li-6400型便攜式光合儀從8:00-18:00測定盆栽幼樹葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等指標以及光合有效輻射(PAR)、大氣CO2濃度(Ca)、氣溫(Tair)、葉溫(Tleaf)、空氣相對濕度(RH)等微氣象參數(shù)。每隔2 h測定一次，試驗開始的前兩日連續(xù)測量，采用試驗開始后第二天的光合特性變化規(guī)律作日變化規(guī)律分析，之后每隔2 d測量一次。直至樹體干旱萎蔫為止。葉片水分利用效率EL，μmol/mmol，和氣孔限制值Ls，%，分別用下式計算：

EL=Pn/Tr

(3)

Ls=1-Ci/Ca

(4)

1.2.2 生理生化特性測定

在光合測定日于早上8∶00時采集新鮮的信陽五月鮮桃功能葉片測定生理生化指標，主要指標包括脯氨酸、可溶性糖含量、可溶性蛋白、MDA、POD、SOD，實驗方法主要參考李合生等的試驗方法[12]，直至樹體干旱萎蔫為止。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SPSS分析，Excel制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合特性變化規(guī)律

2.1.1 干旱脅迫條件下信陽五月鮮桃光合特性日變化規(guī)律

由圖1，圖2可以看出，信陽五月鮮桃光合速率日變化呈現(xiàn)先下降后回升再下降的雙峰曲線，在早上8∶00時光合速率達到最大峰值為5.48μmol/(m2·s)，隨后逐漸下降，并在14∶00時降到“谷底”為2.47μmol/(m2·s)，在16:00時出現(xiàn)回升，達到第二個峰值3.63μmol/(m2·s)，隨后降低。信陽五月鮮桃蒸騰速率呈現(xiàn)先升高后降低再升高的雙峰曲線，在10∶00時達到第一個峰值1.91mmol/(m2·s)，隨后逐漸下降，在14∶00時降到“谷底”，為1.32mmol/(m2·s)，并在16∶00達到第二個峰值1.74mmol/(m2·s)，隨后降低。信陽五月鮮桃水分利用效率呈現(xiàn)先降低后升高再降低的雙峰曲線，在早上8∶00達到最大峰值3.54，最后逐漸下降，在12∶00降到“谷底”，隨后逐漸回升，在16∶00時達到第二個峰值2.08，之后緩慢降低。

圖1 信陽五月鮮桃光合速率、水分利用效率日變化規(guī)律

2.1.2 干旱脅迫條件下信陽五月鮮桃光合特性連日變化規(guī)律

由圖3，圖4可以看出，隨著土壤相對含水量的不斷降低，信陽五月鮮桃光合速率、蒸騰速率和水分利用效率都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當土壤含水量降低到74.9%時，光合速率和蒸騰速率有一個明顯的峰值，分別達到2.32和1.38mmol/(m2·s)，之后逐漸下降，而水分利用效率隨著土壤含水量的降低不斷升高，在土壤相對含水量為24.1%時達到最大值，為3.01，之后開始下降。

圖3 信陽五月鮮桃光合速率、水分利用效率連日變化規(guī)律

圖4 信陽五月鮮桃蒸騰速率連日變化規(guī)律

由圖5可以看出，隨著土壤相對含水量的不斷降低，信陽五月鮮桃胞間CO2濃度變化規(guī)律呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，在土壤相對含水量為55.7%時,達到最低值為255.167mmol/mol。

圖5 不同土壤相對含水量胞間CO2濃度變化

由圖6可以看出，隨著土壤相對含水量的不斷降低，信陽五月鮮桃氣孔限制值呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，當土壤含水量為55.7%時達到最大值0.35%，然后逐漸下降。

圖6 不同土壤相對含水量氣孔限制值變化

葉片表面PAR葉片溫度胞間CO2濃度蒸騰速率氣孔導度光合速率葉片表面PAR10.651??-0.1740.2850.2240.281葉片溫度0.651??10.180-0.334-0.393?-0.402?胞間CO2濃度-0.1740.1801-0.328-0.279-0.420?蒸騰速率-0.285-0.334-0.32810.958??-0.902??氣孔導度0.224-0.393?-0.2790.958??10.938??光合速率0.281-0.402?-0.420?-0.902??0.938??1

注：*表示在0.05水平下顯著相關(guān)，**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

將干旱脅迫條件下信陽五月鮮桃光合速率與葉片表面PAR、葉片溫度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導度進行相關(guān)性分析，由表一可以看出，光合速率與蒸騰速率呈現(xiàn)極顯著的負相關(guān)(-0.902**)，與氣孔導度呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)(0.938**)，與葉片溫度(-0.402*)和胞間CO2濃度(-0.420*)呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)。這說明信陽五月鮮桃光合速率與蒸騰速率和氣孔導度具有極顯著關(guān)系，與葉片溫度和胞間CO2濃度具有顯著關(guān)系。

2.2 生理生化特性變化規(guī)律

由圖7、圖8可以看出，隨著土壤相對含水量的不斷降低，信陽五月鮮桃在干旱脅迫條件下可溶性糖含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當土壤相對含水量為55.7%時，達到最大值43.30%，隨后逐漸下降；可溶性蛋白含量在干旱脅迫條件下逐漸升高，增幅達到133%；脯氨酸含量在干旱脅迫條件下逐漸升高，增幅達587%；丙二醛含量在干旱脅迫條件下呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，當土壤含水量為24.1%時，降到最低值22.16 μmol/g,FW；POD和SOD含量在水分脅迫條件下都變現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，在土壤含水量為55.7%時分別達到最大值48.76 u/(g·min)和148 u/(g,FW)，隨后逐漸下降。

圖7 信陽五月鮮桃生理生化指標變化規(guī)律

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫是植物最普遍的逆境形式，對植物的光合作用有著重要影響。光合作用對壞境因子的影響高度敏感，植物受到干旱脅迫時光合作用受阻，凈光合速率下降[13]。干旱脅迫可以通過各種途徑降低果樹植株的光合作用能力，抑制葉面積的伸展，降低葉綠體的光化學和生物化學活性[14]。試驗結(jié)果表明：信陽五月鮮桃光合速率日變化在清晨8∶00時最大，隨后逐漸下降，在中午14∶00降到最低，這可能是由于試驗時間為夏季，葉表面光輻射強度自清晨開始迅速增強，葉溫上升，氣孔逐漸關(guān)閉，光合作用下降，在14∶00時降到最低，之后葉表面光合輻射強度下降，葉溫降低，氣孔張開，光合作用出現(xiàn)回升，有明顯的“午休”現(xiàn)象，這與張征坤等[15]的研究結(jié)果是一致的。通過相關(guān)性分析表明，信陽五月鮮桃光合速率的變化與蒸騰速率、氣孔導度、葉片溫度和胞間CO2濃度具有密切的關(guān)系。這與黃拯[16]等研究結(jié)果是一致的。這表明在輕度或者快速干旱脅迫條件下，信陽五月鮮桃對于水分虧缺反應較為敏感，通過調(diào)節(jié)氣孔的關(guān)閉降低葉片溫度，進而降低光合速率，這是一種對于外界環(huán)境快速變化的自我保護機制。

干旱脅迫下植物光合特性一直都是研究的熱點問題。影響光合作用的因素一般普遍認為主要是兩個因素：氣孔因素和非氣孔因素[17]。氣孔因素主要是由于水分脅迫導致氣孔導度下降，進入葉片的CO2濃度降低從而使光合下降，非氣孔因素主要是由于葉肉細胞的光合同化酶活性受損導致光合作用降低[18]。試驗結(jié)果表明：隨著土壤相對含水量的降低，當土壤相對含水量降低到74.9%時，光合速率、蒸騰速率、水分利用效率迅速上升，隨后光合速率和蒸騰速率下降，水分利用效率繼續(xù)上升。當土壤相對含水量低于24.1%時，水分利用效率下降。這說明當土壤相對含水量在74.9%時，干旱脅迫促進了信陽五月鮮桃的光合速率、蒸騰速率，進而提高了水分利用效率。當土壤含水量在74.9%到24.1%時，隨著水分虧缺的程度加深，氣孔導度降低，光合速率和蒸騰速率下降，由于蒸騰作用對于水分虧缺較光合作用更為敏感，水分利用效率上升。這表明適度的干旱脅迫能夠有效地促進信陽五月鮮桃的光合特性。這與郭衛(wèi)華、安玉艷等的研究結(jié)果是一致的[19,20]。Farqhar和Sharkey認為[21]，當胞間CO2濃度(Ci)降低及氣孔限制值(Ls)增大時，才可以做出光合速率Pn降低主要是由于氣孔導讀Gs降低所引起的結(jié)論。如果光合速率Pn降低，而胞間CO2濃度Ci升高，那么限制光合作用的主要因素肯定是非氣孔因素，即植物葉肉細胞的光合活性下降。干旱脅迫條件下信陽五月鮮桃光合速率連日變化在土壤含水量大于55.7%時，胞間CO2濃度Ci降低，氣孔限制值Ls上升。這表明當土壤相對含水量大于55.7%時，影響光合作用的主要因素是氣孔因素，當土壤相對含水量低于55.7%時，干旱脅迫程度加深，光合作用相關(guān)酶活性降低，此時影響光合作用降低的主要因素是非氣孔因素。

滲透調(diào)節(jié)是植物忍耐和抵御干旱的一種重要生理機制，是選擇耐旱作物的一種重要的生理指標。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要有無機離子(如K+，Cl-,Na+，Ca2+,Mg2+等)和有機溶質(zhì)(如可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿等)。Jones(1978年)指出，滲透調(diào)節(jié)作用一般發(fā)生在干旱脅迫程度較輕或者中度干旱脅迫情況下，逆境時植物體內(nèi)累積各種有機物質(zhì)和無機物質(zhì)，增大細胞液濃度，降低滲透勢，保持植物體內(nèi)水分，適應逆境環(huán)境。當水分脅迫程度嚴重時，滲透調(diào)節(jié)能力減弱或者喪失[22]。試驗結(jié)果表明：隨著土壤相對含水量的不斷降低，信陽五月鮮桃葉片內(nèi)可溶性蛋白、脯氨酸不斷積累；在土壤含水量降到55.7%之前，可溶性糖含量不斷累積，隨著土壤含水量的繼續(xù)降低，可溶性糖含量又開始下降。這表明在當土壤相對含水量大于55.7%時，五月鮮桃滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)不斷積累，維持細胞膨壓，延緩植物組織由于失水所遭受的破壞。當土壤相對含水量低于55.7%時，水分虧缺加重，滲透調(diào)節(jié)能力減弱，可溶性糖向脯氨酸和可溶性蛋白補償以提高植物組織抗逆性[23]。

水分脅迫會使植物積累大量的活性氧，從而造成對植物細胞的傷害，植物在長期的適應過程中，形成了抗氧化酶類保護系統(tǒng)，大量研究表明：SOD、POD、CAT和丙二醛(MDA)含量及膜透性是評價植物抗旱性的重要指標[24]。當土壤相對含水量降到55.7%之前，信陽五月鮮桃SOD、POD活性不斷升高，隨著土壤相對含水量的不斷降低，信陽五月鮮桃SOD、POD活性逐漸降低；當土壤含水量降到24.1%之前，MDA含量不斷上升，隨著土壤相對含水量的降低開始下降。這表明當土壤相對含水量大于55.7%時，干旱脅迫能夠促進以SOD為主導的細胞保護酶系統(tǒng)活性，提高信陽五月鮮桃抗旱性。當土壤相對含水量低于55.7%時，質(zhì)膜系統(tǒng)遭到破壞，植物細胞受害程度加深，質(zhì)膜過氧化。這與王娟等[25]的研究結(jié)果也是一致的。

植物的水分逆境生理是一個復雜的過程，是多種因素共同影響的結(jié)果。信陽五月鮮桃作為一種經(jīng)濟作物進行栽培與開發(fā)，可為豫南地區(qū)消費市場提供一種優(yōu)良果品，進而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，對信陽五月鮮桃水分脅迫的研究，可為進一步了解信陽五月鮮桃逆境生理、選擇合適的栽培方式、篩選抗旱品種提供有力的理論依據(jù)，對于信陽五月鮮桃在穩(wěn)定水分脅迫條件下的水分生理特性將是下一步的研究方向。