干旱脅迫對藜麥幼苗生長和葉綠素熒光特性的影響

劉文瑜,楊發(fā)榮,黃 杰,魏玉明,李健榮

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.寧夏農(nóng)業(yè)技術推廣總站，寧夏 銀川 750001)

干旱是當前制約全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的一個嚴峻問題，特別是隨著全球氣候變化和水資源匱乏而引起的干旱強度和頻率增加已成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效發(fā)展的重要因素之一[1]。干旱脅迫下植物光合作用和光合能力下降[2]。此種情況下，由于植物不能將過量的光能用于光合作用，因此增加了植物對光抑制的敏感度[3]。干旱脅迫可通過影響作物農(nóng)藝性狀、形態(tài)特征、生理生化指標及代謝物含量等，最終使得產(chǎn)量降低[4-5]。葉綠素熒光動力學參數(shù)被視為揭示植物光合作用與環(huán)境關系的內在探針[6-7]，是研究植物光合生理與干旱脅迫關系的有力證據(jù)[7-8]。前人對水稻[9]、棉花[10]、玉米[11]、馬鈴薯[12]等作物研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下水稻超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性升高，丙二醛(MDA)含量有一定程度的降低；葉綠素熒光參數(shù)(如最小熒光(Fo)、非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)等)隨干旱脅迫的持續(xù)加劇而升高，最大光化學效率(Fv/Fm)隨干旱脅迫持續(xù)加劇而下降。但有關干旱脅迫對藜麥葉綠素熒光特性的影響尚未見報道。

藜麥是原產(chǎn)于南美洲安第斯山區(qū)的莧科藜亞科藜屬一年生雙子葉草本植物[13]。藜麥的原產(chǎn)國主要有秘魯、玻利維亞、厄瓜多爾、智利、巴西等[14]，目前，在甘肅、青海、山西、浙江等省均有種植[15]。藜麥籽粒富含多種營養(yǎng)物質，其蛋白質含量高達16%～22%，另外含有9種人體必需氨基酸及礦物質、維生素、膳食纖維等，且低脂、低糖、不含膽固醇和麩質[16]。近年來，有關藜麥的研究主要集中于其耐鹽生理[17]、功能成分提取[18]及遺傳多樣性[19]等方面，而鮮見有關干旱脅迫對其影響的報道。

甘肅省地處黃土高原，水資源匱乏，山旱地占耕地面積的70%，且省內缺乏可種植的耐旱作物品種。藜麥具有耐寒、耐旱、耐鹽堿及耐瘠薄的生物學特性，適宜在甘肅省種植，但不同品種的耐旱性不同。本試驗以甘肅省栽培的5個藜麥品種為材料，采用盆栽控水法，設置輕度干旱脅迫(土壤含水量為田間持水量的50%～60%)、中度干旱脅迫(土壤含水量為田間持水量的30%～40%)、重度干旱脅迫(土壤含水量為田間持水量的10%～20%)，以正常澆水為對照(CK，土壤含水量為田間持水量的70%～80%)，處理15 d后，通過測定幼苗株高、根長、地上部分鮮重、干重、地下部分鮮重、干重等生長指標及初始熒光、最大熒光、可變熒光等葉片葉綠素熒光參數(shù)，探究干旱脅迫對不同品種藜麥幼苗生長和葉綠素熒光特性的影響，以期初步明確藜麥幼苗葉片響應干旱脅迫的光合生理機制，篩選出耐旱性好的藜麥品種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料5份，均來自甘肅省農(nóng)業(yè)科學院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，其中隴藜1號(L-1)、隴藜2號(L-2)、隴藜3號(L-3)和隴藜4號(L-4)為該所自育品種，白藜(BL)為外引品種，千粒重分別為2.49、2.72、2.97、2.85 g和2.78 g。

1.2 試驗設計

試驗于2017年3月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院溫室及畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所實驗室進行。供試土壤為營養(yǎng)土，土壤基礎養(yǎng)分為全氮0.95 g·kg-1、全磷0.93 g·kg-1、堿解氮87.5 mg·kg-1，速效磷10.9 mg·kg-1，速效鉀107.5 mg·kg-1，有機質40.5 g·kg-1，播種前不施肥，試驗期內不追肥。挑選飽滿、大小一致且無病蟲害的L-1、L-2、L-3、L-4及BL藜麥種子播種于裝有2 kg營養(yǎng)土的花盆中，每盆播種50粒，播種后覆蛭石，放置于溫室中，正常澆水。待幼苗長至6～8葉期時進行定苗，每盆留苗10株，并進行干旱脅迫處理，試驗共設3個干旱脅迫梯度，分別為輕度干旱脅迫(LD，土壤含水量為田間持水量的50%～60%)、中度干旱脅迫(MD，土壤含水量為田間持水量的30%～40%)、重度干旱脅迫(SD，土壤含水量為田間持水量的10%～20%)，以正常澆水為對照(CK，土壤含水量為田間持水量的70%～80%)。每個處理重復3次，每24 h采用稱重法補充各盆栽的水分。于處理后的15 d分別取全株及葉片進行生長指標及葉綠素含量的測定。

1.3 測定指標

1.3.1 生物量 干旱脅迫處理15 d后，將植株連根取出，洗凈根部泥土，后用濾紙吸干根部及葉面水分，將其分成地上和地下兩部分，分別用直尺測定其株高、根長、地上部分及地下部分鮮重。然后將植株鮮樣放入105℃烘箱中殺青15 min后，在70℃下烘至恒重，取出分別測定其地上部分和地下部分干重。每個指標重復測定5次。

1.3.2 葉綠素含量 取植株從上向下數(shù)第2片新展開葉片，用乙醇丙酮法[20]測定葉綠素含量。

1.3.3 葉綠素熒光參數(shù) 使用FluorPen 1.0.5.1熒光儀測定葉綠素熒光參數(shù)，選取幼苗植株頂部新展開葉片3片，暗適應30 min后，測定初始熒光(Fo)，最大熒光(Fm)，PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)并作圖，結果以“平均值 ± 標準誤”表示，采用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對藜麥幼苗生長的影響

隨干旱脅迫程度的加劇，5個藜麥品種幼苗的株高和地上部分生物量均呈逐漸降低的趨勢，因品種不同，降低幅度不同(表1)。與對照CK 相比，LD處理對藜麥地上部分生長影響較小，5個藜麥品種幼苗的株高僅分別下降了0.73%、2.94%、3.41%、10.38%和3.27%，地上部分鮮重分別下降了23.55%、5.94%、19.48%、5.92%和11.41%，地上部分干重分別下降了22.22%、10.53%、5.88%、14.29%和24.00%；SD處理下，藜麥幼苗萎蔫，葉片卷曲，地上部分生長受到抑制，5個藜麥品種幼苗的株高分別下降了30.64%、28.36%、32.67%、37.88%和38.09%，地上部分鮮重分別下降了63.60%、6073%、59.74%、55.92%和61.74%，地上部分干重分別下降了62.96%、52.63%、29.41%、35.71%和60.00%。

另外，隨干旱脅迫程度的加劇，5個藜麥品種幼苗的根長逐漸增加，而地下部分生物量呈先升高后下降的趨勢，因品種不同，變化程度不同(表1)。LD處理促進藜麥幼根的生長及地下部分生物量的積累，與CK相比，5個藜麥品種幼苗的根長分別升高了7.47%、17.33%、14.17%、27.29%和3.53%，地下部分鮮重分別升高了7.14%、12.50%、40.86%、42.86%和5.00%，地下部分干重分別升高了14.29%、14.29%、44.44%、100.00%和100.00%。SD處理下雖促進藜麥根部的生長，但是生物量的積累受到抑制，與CK相比，5個藜麥品種幼苗的地下部分鮮重分別下降了71.83%、71.43%、57.14%、42.86%和50.00%，地下部分干重分別下降了42.86%、41.67%、44.44%、12.50%和85.71%。

2.2 干旱脅迫對藜麥幼苗葉片葉綠素含量的影響

如圖1所示，隨著干旱脅迫程度的加劇，5個藜麥品種幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量均呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢。LD和MD處理下，均能促進葉綠素的積累，且在MD處理下5個藜麥品種的幼苗葉片上述各指標均達到最大值，其中葉綠素a分別比CK升高了38.93%、41.26%、8.56%、13.89%和70.77%，葉綠素b分別比CK升高了30.49%、2.69%、34.88%、23.19%和100.50%，總葉綠素含量分別比CK升高了84.36%、31.81%、7.43%、17.07%和26.91%；SD處理下，5個藜麥品種中L-2、L-3和L-4材料的幼苗葉片葉色變黃，葉綠素含量下降，其中葉綠素a分別比CK降低了28.48%、33.66%和17.99%，葉綠素b分別比CK降低了47.80%、45.08%和13.90%，總葉綠素含量分別比CK降低了33.22%、36.20%和15.99%，而L-1和BL藜麥幼苗葉片葉綠素含量升高，分別比CK升高了29.4%和14.29%。

表1 干旱脅迫對藜麥幼苗生長的影響

注：CK、LD、MD、SD分別為土壤含水量為田間持水量的70%～80%、50%～60%、30%～40%和10%～20%;L-1、L-2、L-3、L-4、BL分別為隴藜1號、2號、3號、4號和白藜。同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: CK,LD,MD,SD indicate that the soil moisture content is 70%～80%,50%～60%,30%～40% and 10%～20% of the field water holding capacity, respectively; L-1,L-2,L-3,L-4,BL indicate that Longli No.1, No.2, No.3, No.4 and white quinoa, separately. Different letters in the same column show significant differences (P<0.05). The same below.

注：不同字母表示相同處理不同品種間差異顯著(P<0.05)，下同。 Note: Different letters indicate that there are significant differences among different quinoa varieties under the same treatment (P<0.05), the same below.圖1 干旱脅迫下藜麥幼苗葉片葉綠素含量的變化Fig.1 Effects of drought stress on the contents of chlorophyll of quinoa seedlings

綜上所述，輕度干旱脅迫和中度干旱脅迫促進了不同藜麥品種幼苗葉片葉綠素的積累，重度干旱脅迫下部分藜麥品種的幼苗葉片失水，細胞受損，葉綠素合成受到抑制，但品種L-1和BL葉片葉綠素含量升高，且L-1的升高幅度大于BL，說明L-1的耐旱性強于其它4個品種。

2.3 干旱脅迫對藜麥幼苗葉片葉綠素初始熒光和最大熒光產(chǎn)量的影響

如圖2A所示，與對照CK相比，隨著干旱脅迫程度的加劇，5個藜麥品種幼苗葉片葉綠素初始熒光Fo逐漸降低。LD處理下，除藜麥品種L-2外，其余4個藜麥品種葉片葉綠素初始熒光Fo較CK分別降低了10.92%、12.50%、6.66%和13.70%，各品種間差異不顯著(P>0.05)。MD處理下，5個藜麥品種葉片葉綠素Fo較CK降幅較大，分別降低了15.16%、6.85%、16.47%、13.94%和21.10%。SD處理下，5個藜麥品種葉片葉綠素Fo值最小，較CK分別降低了30.61%、14.56%、31.28%、24.39%和24.16%，且L-2、BL與其它3個品種間差異顯著。

如圖2B所示，隨干旱脅迫程度的加劇，供試藜麥品種葉片葉綠素最大熒光Fm逐漸降低。LD處理下，供試藜麥品種葉片葉綠素Fm較CK降幅較小，分別降低了6.03%、5.1%、5.46%、3.52%和5.59%。MD處理下，供試藜麥品種葉片葉綠素Fm降低，L-1、L-3與其他3個品種間差異顯著(P<0.05)，而L-2、L-4和BL間差異不顯著(P>0.05)，其中BL降幅較大，較CK降低了20.34%。SD處理下，供試藜麥品種葉片葉綠素Fm最低，較CK 分別下降了19.11%、16.56%、16.76%、17.67%和22.19%，品種L-1和L-2間差異顯著(P<0.05),而L-1與L-3及L-4與BL間差異不顯著(P>0.05)。

2.4 干旱脅迫對藜麥葉片PSⅡ最大光化學效率的影響

如圖3所示，隨干旱脅迫程度的加劇，藜麥各供試品種葉片PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)較CK均逐漸降低。LD處理下，L-1、L-2、L-3、L-4和BL品種葉片F(xiàn)v/Fm較CK分別下降了2.64%、1.01%、4.47%、3.19%和2.68%。MD處理下，上述5個供試品種葉片F(xiàn)v/Fm較CK分別降低了3.54%、1.59%、4.79%、3.93%和3.43%，L-1與其他4個品種間差異顯著(P<0.05)，而L-2與BL及L-3與L-4間差異不顯著(P>0.05)。SD處理下，上述5個供試品種葉片F(xiàn)v/Fm最低，較CK分別降低了5.73%、4.29%、7.81%、4.58%和3.85%，L-1與其他品種間差異顯著(P<0.05)。

圖2 干旱脅迫對藜麥幼苗葉片葉綠素初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)的影響Fig.2 Effects of drought stress on Fo and Fm of quinoa leaves

圖3 干旱脅迫對藜麥幼苗葉片PSⅡ最大光化學效率的影響Fig.3 Effects of drought stress on Fv/Fm of quinoa leaves

2.5 干旱脅迫對藜麥葉片PSⅡ潛在活性的影響

如圖4所示，隨著干旱脅迫程度的加劇，5個供試藜麥品種葉片PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)較CK均降低。LD處理下，藜麥品種L-1、L-2、L-3、L-4和BL葉片F(xiàn)v/Fo較CK降低了9.83%、6.13%、14.90%、7.12%和8.76%，L-1與其他品種間差異顯著(P<0.05)。MD處理下，5個供試藜麥品種葉片F(xiàn)v/Fo呈降低趨勢，較CK降低了11.93%、7.72%、15.59%、9.38%和10.85%，品種L-1與L-3和BL間差異顯著(P<0.05)，而L-2與BL及L-3與L-4間差異不顯著(P>0.05)。SD處理下，藜麥品種L-1、L-2、L-3、L-4和BL葉片F(xiàn)v/Fo最低，較CK分別降低了19.40%、14.93%、24.02%、11.34%和12.11%。

2.6 干旱脅迫對藜麥葉片PSⅡ非光化學猝滅系數(shù)的影響

由圖5可知，隨著干旱脅迫程度的加劇，供試藜麥品種葉片PSⅡ非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)呈逐漸升高的變化趨勢。LD處理下，各供試品種葉片NPQ較CK升高，其中藜麥品種L-4和BL增幅明顯，分別較CK升高了87.95%和154.67%。MD處理下，各供試藜麥品種葉片NPQ較CK增幅明顯，分別升高了61.34%、57.69%、65.91%、162.65%和173.33%。SD處理下，各供試藜麥品種葉片NPQ達到最大，分別較CK升高了74.79%、161.54%、104.55%、200.00%和196.00%。

圖4 干旱脅迫對藜麥幼苗葉片PSⅡ 潛在活性的影響Fig.4 Effects of drought stress on Fv/Fo of quinoa leaves

圖5 干旱脅迫對藜麥幼苗葉片PSⅡ 非光化學猝滅系數(shù)的影響Fig.5 Effects of drought stress on NPQ of quinoa leaves

3 討 論

3.1 藜麥幼苗生長和葉綠素含量對干旱脅迫的響應

水是植物生命之源，是物質合成、轉化和運輸?shù)妮d體[21]。光合作用是綠色植物體內有機物質和能量的最終來源，是植物生物產(chǎn)量形成和生理代謝的基礎，而水分是影響光合作用的重要因素[22-23]。高等植物生長進程中，對干旱脅迫最敏感的過程是光合作用[24]。植物葉片葉綠素含量的變化能夠反映植物對水分脅迫的敏感性，并直接影響光合產(chǎn)量[25-26]。張彥妮等[27]研究表明當黃連花幼苗受到干旱脅迫影響時，幼苗株高降低，葉綠素含量減少。劉建新等[28]研究表明干旱脅迫處理下燕麥幼苗生物量降低。羅杰等[26]研究表明隨著干旱脅迫時間的延長和脅迫程度的加劇，潤楠幼苗葉片葉綠素a，葉綠素b及葉綠素a/b呈先增加后降低的趨勢。本試驗結果發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫程度的加劇，供試各品種藜麥幼苗株高和地上部分生物量降低，而根長和地下部分生物量先增加后降低，LD處理促進幼苗根的生長及生物量的積累。5個品種藜麥幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b，總葉綠素及葉綠素a/b隨著干旱脅迫程度的加劇而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。分析其原因主要是中度和重度干旱脅迫下，植物細胞失水，葉綠體遭到破壞，光合作用降低，葉綠素合成受到抑制，光合產(chǎn)物減少，從而抑制幼苗生長，地上部分生物量下降。

3.2 藜麥幼苗葉綠素熒光特性對干旱脅迫的響應

葉綠素熒光作為光合作用的探針，不僅能夠反映光能吸收、激發(fā)能傳遞和光化學反應等光合作用過程，而且與ATP合成和CO2固定等過程密切相關，幾乎所有光合作用過程的變化均可通過葉綠素熒光表現(xiàn)出來。當環(huán)境變化時，葉綠素熒光的變化可在一定程度上反映環(huán)境因子對植物的影響[29]。在葉綠素熒光參數(shù)中，F(xiàn)o是測量光下熒光強度，它可以反映PSⅡ天線色素內的最初激發(fā)子密度、天線色素之間以及天線色素到PSⅡ反應中心的激發(fā)能傳遞幾率的結構狀態(tài)[30-31]；Fv/Fm可代表PSⅡ原始光能轉化效率，其下降表明PSⅡ反應中心受到損傷，植物受到光抑制[23,32]；非光化學猝滅系數(shù)NPQ反映了天線色素吸收的光能能否用于光化學電子傳遞，而用于熱耗散的部分[23,33]。楊霞等[34]研究表明，干旱脅迫下，供試品種的非順序衰老小麥旗葉PSⅡ實際光化學效率、Fv/Fm、Fv/Fo均呈下降趨勢。路之娟等[35]采用盆栽控水法研究表明，隨干旱脅迫的加劇，參試苦蕎品種葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo均下降，不同品種下降幅度不同。Guo等[36]研究表明隨干旱脅迫程度的加劇，黑果枸杞葉片F(xiàn)o和Fv/Fm呈下降趨勢，NPQ呈升高趨勢。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫程度的加劇，各供試藜麥品種Fo、Fm、Fv/Fm和Fv/Fo均呈下降趨勢，其中藜麥品種L-2下降幅度較小，而L-3下降幅度較大；另外，5個供試品種葉片NPQ隨干旱脅迫程度的加劇呈升高趨勢，L-2升高幅度較小，BL升高幅度較大。說明L-2葉片PSⅡ反應中心受干旱脅迫影響較小，而L-3和BL受干旱脅迫影響較大，初步推斷品種L-2耐旱性強于其余4個供試品種，5個供試品種中L-3和BL耐旱性較差。