干旱脅迫對(duì)何首烏生長(zhǎng)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

劉 筱，王銳潔，楊淑君，姬拉拉，王健健

(貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

由于溫室效應(yīng)不斷積累，全球變暖已成事實(shí)，其導(dǎo)致的降水強(qiáng)度和頻率也發(fā)生了巨大改變。近幾十年來(lái)，我國(guó)極端干旱天氣頻發(fā)，干旱脅迫已成為威脅我國(guó)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的最大危險(xiǎn)因素。干旱影響植物形態(tài)及生理特征，嚴(yán)重時(shí)危及植物生存[1-2]。前人研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對(duì)植物的形態(tài)和生物量均有明顯抑制作用[3-6]，而葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為研究植物光合生理與環(huán)境因子關(guān)系的探針，通過(guò)調(diào)節(jié)光合系統(tǒng)對(duì)光能的吸收和利用情況來(lái)表征植物在干旱脅迫下的響應(yīng)[7-8]。孫景寬等[9]通過(guò)觀察沙棗(ElaeagnusangustifoliaLinn.)和孩兒拳頭(Grewiabilobavar.parvifloraHand.Mazz)光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的光反應(yīng)速率變化，得出2個(gè)物種最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)隨著干旱脅迫的加劇呈下降趨勢(shì)。AHMED等[10]研究發(fā)現(xiàn)，綠豆葉片的光合效率在干旱脅迫下也受到抑制。

何首烏(PolygonummultiflorumThunb．)為蓼科(Polygonaceae)蓼屬(PolygonumL．)多年生纏繞藤本植物，以塊根入藥，可治頭暈?zāi)垦?、貧血、須發(fā)早白、遺精、白帶、便秘、痔瘡等癥，具有安神、養(yǎng)血、活絡(luò)、解毒等功能[11]。何首烏喜濕潤(rùn)、陽(yáng)光充足的環(huán)境，耐旱性強(qiáng)，對(duì)于環(huán)境和氣候的改變有較強(qiáng)的適應(yīng)能力[12]。目前，關(guān)于干旱脅迫下何首烏的適應(yīng)性研究前人已有報(bào)道，但主要是不同水肥搭配對(duì)何首烏生理指標(biāo)的影響研究[13-15]，而模擬何首烏生長(zhǎng)期不同程度降水情景對(duì)其幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懷芯可形匆妶?bào)道。鑒于此，對(duì)何首烏幼苗進(jìn)行不同干旱脅迫處理，通過(guò)測(cè)定和比較何首烏幼苗的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，探究其在干旱脅迫下的灌水閾值，為制定何首烏相應(yīng)的栽培管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試何首烏幼苗購(gòu)自吉林長(zhǎng)春何首烏栽培基地，2017年6月1日選擇生長(zhǎng)健壯、植株整齊的個(gè)體，移植于塑料花盆(內(nèi)口徑×高度為22 cm×22 cm)中，每盆1株，盆栽試驗(yàn)所用土壤取自貴州貴陽(yáng)花溪農(nóng)田的熟土，充分混勻以后裝盆，在貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地中進(jìn)行緩苗。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2017年6月7日，選取何首烏幼苗32盆進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，根據(jù)貴州省貴陽(yáng)市30 a年6、7、8月平均降水量，設(shè)置4個(gè)干旱處理，分別為對(duì)照(CK)：總灌水量為當(dāng)月平均降水量，按每月的日平均降水量灌水，灌水頻率為1 d 1次；處理1(W1)：總灌水量為當(dāng)月平均降水量的1/3，即灌水頻率為3 d 1次，每次灌水量同CK；處理2(W2)：總灌水量為當(dāng)月平均降水量的1/5，即灌水頻率為5 d 1次，每次灌水量同CK；處理3(W3)：總灌水量為當(dāng)月平均降水量的1/7，即灌水頻率為7 d 1次，每次灌水量同CK。每個(gè)梯度設(shè)置8個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)從2017年6月7日持續(xù)到2017年8月7日。4個(gè)干旱脅迫處理的灌水量具體見表1。

表1 干旱脅迫處理的灌水量換算Tab.1 Irrigation amount conversion for 4 drought treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生長(zhǎng)和形態(tài)指標(biāo) 在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)使用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定何首烏葉片的葉綠素含量，之后收獲所有植株，用直尺測(cè)量葉長(zhǎng)、葉寬、株高、根長(zhǎng)；統(tǒng)計(jì)分枝數(shù)、葉片數(shù)；用游標(biāo)卡尺測(cè)量葉厚。并將塊根、須根、莖、葉分開，用便攜式激光葉面積儀測(cè)定每株的總?cè)~面積，并稱量各個(gè)部分的鮮質(zhì)量，之后用烘箱將塊根、須根、莖、葉于70 ℃烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算總生物量、葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、塊根干質(zhì)量、須根干質(zhì)量，并計(jì)算葉生物量比(葉干質(zhì)量/總生物量)、根生物量比(根干質(zhì)量/總生物量)、莖生物量比(莖干質(zhì)量/總生物量)、根冠比(根干質(zhì)量/莖+葉干質(zhì)量)。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 干旱處理期間，在各處理中隨機(jī)選擇5株植株，采用調(diào)諧式熒光儀(MINI-PAM 2.0)測(cè)定第3片完全伸展葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測(cè)定前葉片暗適應(yīng)0.5 h，測(cè)定指標(biāo)包括Fv/Fm(PSⅡ 最大光化學(xué)量子產(chǎn)量)、qP(光化學(xué)淬滅系數(shù))、NPQ(非光化學(xué)淬滅系數(shù))和ETR(電子傳遞速率)。

1.3.3 植株組織含水量 根據(jù)1.3.1中何首烏植株各個(gè)部分的鮮質(zhì)量和烘干后的葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、總根干質(zhì)量，計(jì)算植株的組織含水量。

植株組織含水量=(鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)/鮮質(zhì)量×100%。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 22軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行一元方差分析(ANOVA)，平均數(shù)間的多重比較采用Duncan’s檢驗(yàn)(P<0.05)，使用Excel 2010作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱處理對(duì)何首烏生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

由表2可見，干旱脅迫影響何首烏幼苗葉的生長(zhǎng)。總體來(lái)看，何首烏的葉長(zhǎng)、葉寬、葉厚、總?cè)~面積、葉片數(shù)隨干旱脅迫加劇呈下降趨勢(shì)，干旱脅迫程度越高，對(duì)何首烏幼苗生長(zhǎng)的抑制作用越明顯。與CK相比，W1處理僅葉厚和葉片數(shù)顯著降低，二者分別降低35.72%和34.15%，此處理下何首烏各生長(zhǎng)指標(biāo)降幅最小；W2和W3處理何首烏的葉長(zhǎng)、葉寬、葉厚、總?cè)~面積、葉片數(shù)均顯著下降，其中，W3處理降幅最大，分別為40.37%、40.96%、64.29%、97.54%、87.20%。說(shuō)明W3處理對(duì)何首烏葉生長(zhǎng)指標(biāo)抑制作用最大，其次為W2處理，最后是W1處理。

表2 干旱處理下何首烏幼苗葉片的生長(zhǎng)指標(biāo)Tab.2 The leaf growth index of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

注:同列不同字母表示在0.05水平上顯著差異，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate the significant differences at 0.05 levels between Different treatments.The same as below.

由表3可見，干旱脅迫影響何首烏幼苗的形態(tài)生長(zhǎng)。總體來(lái)看，何首烏幼苗的株高、根長(zhǎng)、分枝數(shù)隨干旱脅迫加劇呈下降趨勢(shì)，根冠比隨干旱脅迫加劇呈上升趨勢(shì)。與CK相比，W1處理何首烏幼苗的根長(zhǎng)和根冠比稍有上升，株高下降，但均無(wú)顯著差異。W2、W3處理何首烏幼苗的株高、根長(zhǎng)較CK顯著降低，但W2、W3處理間差異不顯著，其中，W2處理下株高和根長(zhǎng)較CK降幅最大，分別顯著降低82.82%和52.15%，W3處理分枝數(shù)降幅最大，顯著降低33.25%，W3處理何首烏根冠比上升幅度最大，顯著增加4.03倍。說(shuō)明W3處理對(duì)何首烏幼苗的形態(tài)指標(biāo)影響最顯著，其次為W2處理。

表3 干旱處理下何首烏幼苗的形態(tài)指標(biāo)Tab.3 Morphological index of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.2 干旱處理對(duì)何首烏生物量積累的影響

由表4可見，干旱脅迫影響植株的生物量積累。總體來(lái)看，何首烏幼苗的葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、總生物量隨干旱脅迫程度的加劇呈下降趨勢(shì)，塊根干質(zhì)量和須根干質(zhì)量先上升后下降。與CK相比，W1處理下何首烏莖、葉干質(zhì)量下降，塊根和須根干質(zhì)量上升，但差異不顯著，W2、W3處理下何首烏幼苗的葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、塊根干質(zhì)量和總生物量顯著降低，但W2、W3處理間差異不顯著，其中，W3處理各指標(biāo)降幅最大，分別為95.78%、89.71%、67.20%和84.73%。須塊根干質(zhì)量?jī)H在W3處理顯著降低73.08%。說(shuō)明W3處理下對(duì)何首烏生物量積累的抑制作用最大，其次為W2，最后是W1處理。

表4 干旱處理下何首烏幼苗的生物量積累Tab.4 Biomass accumulation of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.3 干旱處理對(duì)何首烏生物量分配的影響

由表5可見，干旱脅迫影響植株的生物量分配。總體來(lái)看，何首烏幼苗的根生物量比隨著干旱脅迫程度加劇呈上升趨勢(shì)，莖生物量比和葉生物量比則呈下降趨勢(shì)。與CK相比，W1處理何首烏各部位生物量比差異不顯著；W2、W3處理何首烏根生物量比顯著增加，葉干質(zhì)量比顯著降低，莖生物量比差異不顯著。其中，W3處理根生物量比增幅最大，較CK顯著增加97.14%，葉生物量比降幅最大，較CK顯著降低72.22%。說(shuō)明W3處理下，何首烏生物量分配在根部的較多。

表5 干旱處理下何首烏幼苗的生物量分配Tab.5 Biomass allocation of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.4 干旱處理對(duì)何首烏組織含水量的影響

由表6可見，干旱脅迫影響何首烏幼苗各部分的含水量?？傮w來(lái)看，何首烏幼苗的根、莖、葉含水量隨干旱脅迫加劇均呈先下降后上升趨勢(shì)。與CK相比，W1處理下何首烏幼苗根、莖含水量顯著降低；W2和W3處理下何首烏根、莖、葉含水量均顯著降低，其中，W2處理降幅最大，分別降低18.81%、20.13%、10.31%?？梢?，W2處理下何首烏幼苗的組織含水量最低，其次為W3處理，最后為W1處理。

表6 干旱處理下何首烏幼苗的含水量Tab.6 Water content of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.5 干旱處理對(duì)何首烏葉綠素含量的影響

如圖1所示，干旱脅迫影響何首烏葉片的葉綠素含量。總體來(lái)看，葉綠素含量隨著干旱脅迫加劇呈先上升后下降的趨勢(shì)。與CK相比，W2處理何首烏幼苗的葉綠素含量升幅最大，顯著增加25.49%，W1處理變化不大。說(shuō)明W2處理何首烏葉片葉綠素積累量最多，其次為W3處理，最后為W1處理。

不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。 Different lowercase letters indicate the significant differences at 0.05 levels.The same as below圖1 干旱處理下何首烏幼苗的葉綠素含量Fig.1 Chlorophyll content of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.6 干旱處理對(duì)何首烏葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

如圖2所示，干旱脅迫影響植株的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。總體來(lái)看，何首烏幼苗的Fv/Fm、ETR和qP隨干旱脅迫程度加劇表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，NPQ呈下降趨勢(shì)。與CK相比，W1處理何首烏幼苗的Fv/Fm和ETR升幅最大，顯著升高6.75%和59.22%，但qP和NPQ變化不顯著；W2處理何首烏幼苗qP升幅最大，顯著升高32.65%，ETR顯著升高，NPQ顯著降低，F(xiàn)v/Fm變化不顯著；W3處理何首烏幼苗的Fv/Fm、ETR、qP和NPQ均顯著降低，并且降幅在各處理中最大，分別較CK顯著降低78.95%、98.14%、91.24%和76.61%。說(shuō)明W3處理對(duì)何首烏幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的抑制程度最大，W1、W2處理對(duì)何首烏葉綠素?zé)晒鈪?shù)有一定程度的促進(jìn)作用，且W1處理的促進(jìn)作用高于W2處理。

圖2 干旱處理下何首烏幼苗的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fig.2 Chlorophyll fluorescence parameters of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

3 結(jié)論與討論

3.1 干旱處理對(duì)何首烏形態(tài)生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

水分調(diào)節(jié)植物各器官的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)植物形態(tài)生長(zhǎng)方面有著不同影響。研究發(fā)現(xiàn)，植物在干旱脅迫不斷加劇的情況下，株高、葉片數(shù)、莖粗、根系數(shù)量等生長(zhǎng)指標(biāo)會(huì)受到抑制，且干旱脅迫強(qiáng)度越高抑制作用越明顯[16-18]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫程度加劇，何首烏幼苗的株高、根長(zhǎng)、分枝數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，并且W2和W3處理與CK差異顯著，這與上述研究結(jié)果一致，表明干旱脅迫加劇抑制何首烏幼苗的生長(zhǎng)。W3處理下何首烏幼苗的根冠比達(dá)最大值，較CK顯著增加4.03倍，表明干旱脅迫程度越高，何首烏幼苗地上生長(zhǎng)量降幅越大，從而增加地下生長(zhǎng)量比例。多數(shù)研究表明，水分虧缺情況下，植株會(huì)根據(jù)受旱程度減小葉面積[19]。本研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫的加劇，何首烏植株通過(guò)顯著降低葉長(zhǎng)、葉寬和葉片數(shù)，從而降低總?cè)~面積，且在W3處理下達(dá)最小值，較CK顯著降低97.54%，與上述研究結(jié)果一致。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，葉厚隨干旱脅迫程度加劇呈先降低后增加再降低的趨勢(shì)，可能是因?yàn)橹参锿ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)葉肉細(xì)胞水分來(lái)抵抗干旱脅迫造成的損傷，這與NOBEL[20]對(duì)葉片解剖結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果一致。表明干旱脅迫程度越高對(duì)何首烏形態(tài)生長(zhǎng)抑制作用越強(qiáng)。

3.2 干旱處理對(duì)何首烏干物質(zhì)積累及其分配的影響

干旱脅迫對(duì)植物各器官生長(zhǎng)的影響必然會(huì)涉及植物地上及地下部干質(zhì)量的變化。劉建華[21]在干旱處理的早期階段對(duì)楊樹干物質(zhì)量分配進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)更多的干物質(zhì)優(yōu)先向根分配，將更多的碳水化合物分配到地下部分以降低干旱脅迫造成的損傷，維持植物生長(zhǎng)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與CK相比，何首烏塊根干質(zhì)量和須根干質(zhì)量在W1處理下增加，而隨干旱脅迫程度加劇，葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、塊根干質(zhì)量、須根干質(zhì)量和總生物量顯著降低，均在W3處理下達(dá)最小值，此外，研究還發(fā)現(xiàn)，根生物量比隨著干旱脅迫程度加劇顯著增加，且在W3處理下達(dá)最大值，較CK顯著增加97.14%，與上述研究結(jié)果一致。表明何首烏幼苗可以通過(guò)增加塊根干質(zhì)量和須根干質(zhì)量緩解一定程度的干旱脅迫，但隨干旱脅迫程度加劇，各部分生物量比顯著降低并維持較大的根生物量比，這與王云龍等[22]和劉長(zhǎng)利等[23]的研究結(jié)果一致。

3.3 干旱處理對(duì)何首烏組織含水量的影響

植物各器官含水量表征植株對(duì)水分的利用效率。多數(shù)研究表明，干旱脅迫下植物組織含水量降低[24]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫加劇，何首烏各器官組織含水量雖呈先下降后升高趨勢(shì)，且各器官組織含水量均低于對(duì)照，這與前人研究一致，說(shuō)明干旱脅迫會(huì)使植物器官組織失水，W3處理較W2處理略升高，可能是由于在W3處理下，何首烏通過(guò)顯著降低生長(zhǎng)，增加地下生物量，防止大部分組織含水量流失過(guò)快導(dǎo)致的。

3.4 干旱處理對(duì)何首烏葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

在光合作用中，光合色素含量是植株利用光能的重要指標(biāo)。季楊等[25]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫增加，鴨茅葉綠素含量降低。本研究中，隨著干旱脅迫增加，何首烏葉綠素含量先增加后降低且在W2處理達(dá)到最大值，較CK顯著升高25.49%，這與前人研究結(jié)果不一致，可能是因?yàn)椴煌锓N在干旱脅迫下的葉綠素積累程度不同。葉綠素?zé)晒鈪?shù)表示植株光合作用的真實(shí)行為，可用來(lái)評(píng)價(jià)光合器官的功能和環(huán)境脅迫的影響，通過(guò)分析葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可以探明光合器官受影響的部位[26]。宮麗丹等[27]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，4個(gè)油棕品種Fv/Fm均顯著降低。本研究中，何首烏幼苗的Fv/Fm隨干旱脅迫加劇呈先上升后下降的趨勢(shì)，W3處理下達(dá)最小值，這與上述結(jié)果不一致，可能是因?yàn)橐欢ǔ潭鹊母珊得{迫才會(huì)對(duì)何首烏光合作用造成抑制，這與褚建民等[28]對(duì)歐李的研究結(jié)果一致。葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)NPQ和qP反映植物的熱耗散和光耗散程度。劉昭偉等[29]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫加劇，棉鈴對(duì)位葉的NPQ先增加后降低。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，何首烏植株的NPQ隨著干旱脅迫的加劇表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，說(shuō)明光合器官熱耗散隨干旱脅迫加劇而減少，傳遞給光化學(xué)反應(yīng)中心的激發(fā)能增強(qiáng)，在干旱脅迫下維持光合作用，這與李芳蘭[30]對(duì)3種灌木的研究結(jié)果一致；何首烏植株qP隨干旱脅迫加劇表現(xiàn)為先增加后降低，且在W3處理降到最小值，較CK顯著降低91.24%，表明此時(shí)PSⅡ活性受重度干旱脅迫的影響比較明顯，從而出現(xiàn)葉綠體代謝減弱。ETR反映實(shí)際光強(qiáng)下的表觀電子傳遞速率，同時(shí)也是表示植物光合能力大小的有效參數(shù)。前人研究發(fā)現(xiàn)，老鴨嘴、山毛豆、假連翹和葛藤4種幼苗ETR隨著干旱脅迫程度增加而顯著下降[31]。本研究結(jié)果表明，何首烏植株的ETR隨著干旱脅迫加劇表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，在W3處理達(dá)最低值，較CK顯著降低98.14%，說(shuō)明干旱脅迫下何首烏通過(guò)捕光蛋白復(fù)合體進(jìn)行光能轉(zhuǎn)化，但在長(zhǎng)時(shí)間干旱下，捕光蛋白復(fù)合體受到抑制，電子傳遞嚴(yán)重受阻，無(wú)法修復(fù)何首烏受損的機(jī)能。

綜上，隨著干旱脅迫程度加劇，何首烏幼苗通過(guò)降低株高、根長(zhǎng)、分枝數(shù)、葉長(zhǎng)、葉片數(shù)、葉寬、葉厚、總?cè)~面積、根莖葉干物質(zhì)量積累量，增加根冠比以及根生物量比等來(lái)降低干旱脅迫的傷害，表現(xiàn)出一定的耐旱性。但W3處理下何首烏幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)受到嚴(yán)重抑制，損害了何首烏植株的自我修復(fù)能力，超出了何首烏幼苗的耐性閾值。