花吊絲竹對干旱脅迫的光合和生理響應(yīng)

何天友， 于增金， 沈少炎， 榮俊冬， 陳禮光， 鄭郁善,

(1.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院， 福建 福州 350002； 2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院， 福建 福州 350002)

竹類資源在我國南方森林資源中占有重要地位，在保護生態(tài)環(huán)境和協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用[1]。竹子在其生長周期內(nèi)，通常會遭受各種環(huán)境脅迫，而水分則是制約其生長發(fā)育的一個重要影響因子，較重的水分脅迫能使竹類植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，破壞植物葉綠體結(jié)構(gòu)和功能，阻礙植物光合碳同化進程，制約光合產(chǎn)物的合成，對竹子的生長和發(fā)育產(chǎn)生抑制作用[2-3]。當(dāng)前針對竹類植物的抗旱研究已有報道，杜瀾等[4]對綠竹[Dendrocalamopsisoldhami(Munro) Keng f. ]進行抗旱性研究，發(fā)現(xiàn)隨干旱脅迫程度加重，綠竹的抗氧化酶活性升高，均與干旱脅迫程度呈正相關(guān)。張磊等[5]的研究結(jié)果表明，干旱脅迫下毛竹[Phyllostachysedulis(Carrière)J. Houz. ]光合速率及葉綠素含量都會顯著下降，嚴(yán)重時會破壞葉片葉綠體的結(jié)構(gòu)。劉濟明等[6]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫時小蓬竹(DrepanostachyumluodianenseT. P. Yi et R. S. Wang)能夠通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量及保護酶間的協(xié)調(diào)作用，以實現(xiàn)對干旱脅迫較強的忍耐性和較好的適應(yīng)性。因此，深入了解干旱脅迫下竹類植物的抗旱機理和植物葉片細胞對干旱脅迫的響應(yīng)機制，對培育優(yōu)良抗旱性的竹類植物資源具有重要的現(xiàn)實意義。

花吊絲竹[Dendrocalamusminorvar.amoenus(Q. H. Dai et C. F. Huang) Hsueh et D. Z. Li]為竹亞科(Bambusoideae)牡竹屬植物，具有較快的生長繁殖能力、較強的適應(yīng)性以及蓄水保土等特性，是園林觀賞的重要竹種之一，廣泛栽培于我國廣東、貴州、廣西等地，在福建沿海沙地與木麻黃和馬尾松進行混交種植形成沿海防護林，防風(fēng)固沙的效果十分顯著[7-8]?，F(xiàn)階段，有關(guān)花吊絲竹的研究主要集中在生理生化、種植技術(shù)、組織培養(yǎng)以及蛋白組學(xué)等幾個方面[9-12]。然而，我國東南沿海地區(qū)夏季易發(fā)生高溫干旱，且沿海沙地土壤的保水保肥能力較低，容易造成母竹成活率低和出筍率低，而關(guān)于花吊絲竹對干旱脅迫的光合和生理響應(yīng)的研究則未見報道。為此，本研究分析了干旱脅迫下，花吊絲竹植株的光合作用參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、相關(guān)酶類活性和脯氨酸含量的變化，有利于闡明其光能轉(zhuǎn)化、利用與抗旱機理，以期豐富花吊絲竹的水分和逆境生理的研究內(nèi)容，為花吊絲竹栽培種植及水分管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗設(shè)計

本試驗所用的花吊絲竹于2015年11月初取自福建省東山縣赤山國有林場沿海沙地的竹類防護林內(nèi)，挑選15株長勢較一致、無病蟲害的2年生母竹，移植回福建農(nóng)林大學(xué)竹類研究所大棚內(nèi)，栽植于塑料盆內(nèi)，盆的規(guī)格為180 mm(高)×240 mm(直徑)，土壤為基質(zhì)與泥炭土2∶1的混合營養(yǎng)基質(zhì)，且所有苗木均進行常規(guī)養(yǎng)護管理。緩苗期過后，在開展試驗前1 d，苗木的土壤澆水至最大田間持水量，于2016年7月10日，取6盆花吊絲竹進行自然耗水的干旱脅迫處理，另取6盆為對照組每天正常澆水。在干旱脅迫處理后0、5、10、15、20、23、26、30 d，檢測天氣均是晴朗的上午，選取花吊絲竹中上部形狀完整、長勢一致的功能葉片進行光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。于處理后0、5、10、20、30 d的早上8:30，選取花吊絲竹中上部其余的成熟葉3片用液氮速凍并貯藏于超低溫冰箱中用于酶類活性和脯氨酸含量測定。

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤含水量及葉片水勢的測定 利用TZS土壤水分測定儀(托普， 中國)在土層深10 cm處進行測定土壤含水量(soil water content, SWC)；利用WP4-T露點水勢儀(Decagon， USA)對不同處理的花吊絲竹中上部正常生長、長勢一致的功能葉片進行葉片水勢(leaf water potential， LWP)測定。

1.2.2 葉片光合作用的測定 利用Li-6400XT便攜式光合測量系統(tǒng)(Li-Cor， USA)，于天氣晴朗的上午8:30—11:30測定花吊絲竹葉片的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)及蒸騰速率(Tr)等指標(biāo)，每小時測定1次，設(shè)定光強梯度1 200 μmol·m-2·s-1，計算葉片水分利用效率(water use efficiency， WUE)及氣孔限制值(stomata limitation，Ls)，每個處理3次重復(fù)。

1.2.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定 挑選花吊絲竹中上部受光較一致的功能葉3～4片，利用便攜式脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(OPTI-Sciences OS5P， USA)于天氣晴朗的上午8:30—11:30進行葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定。在光照充足條件下進行，將葉夾夾在葉片中部，葉片暗適應(yīng)30 min后，先測定吸光系數(shù)、初始熒光(Fo)，照射一個飽和脈沖光(2 500 μmol·m-2·s-1)后，測量最大熒光(Fm)。同時在Kinetic模式下測定非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)。充分光適應(yīng)的表觀電子傳遞的相對速率(electron transport rate， ETR)、PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)均由儀器自動給出。

1.2.4 抗氧化系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的測定 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase， SOD)活性的測定采用氮藍四唑光還原法[13]，過氧化氫酶(catalase， CAT)活性的測定采用紫外吸收法[13]，丙二醛(malondialdehyde， MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法[13]，脯氨酸(proline， Pro)含量的測定采用磺基水楊酸法[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0和Excel 2010 等軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析、 相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下花吊絲竹土壤含水量及葉片水勢的變化

由表1可知，隨著干旱脅迫時間的延長，處理組中土壤含水量先急速下降后趨于平緩，而對照組除第15天土壤含水量顯著(P<0.05)高于其他外，其余對照組土壤含水量均維持在30.567%～32.900%之間，彼此間差異不顯著(P>0.05)；同期處理組的葉片水勢呈顯著(P<0.05)下降趨勢，而對照組的葉片水勢則均維持在-1.043～-1.237 MPa之間，彼此間差異不顯著(P>0.05)。脅迫時間在20～30 d時，處理組的土壤含水量的下降幅度小于葉片水勢的下降幅度。

表 1 干旱脅迫處理下土壤含水量和葉片水勢的變化Table 1 Changes of soil water content and leaf water potential under drought stress

2.2 干旱脅迫下花吊絲竹葉片光合作用參數(shù)的變化

隨著干旱脅迫時間的延長，處理組葉片的Pn、Gs和Tr整體呈下降趨勢[圖1(a)， (b)， (c)]。Pn隨著脅迫時間的延長呈整體波動下降的趨勢，但在第10、23天出現(xiàn)了波峰，而對照組的Pn在第20天也出現(xiàn)了波峰，這說明Pn與土壤持水量未呈線性關(guān)系[圖1(a)]。隨著干旱脅迫時間的延長，葉片Pn下降的幅度遠大于Tr和Gs，這說明Pn對干旱脅迫程度的響應(yīng)較Gs和Tr更敏感。在第0～23天處理組葉片的Ci與對照組無顯著差異(P>0.05)，第23～30天呈先下降后急劇上升的趨勢，在第30天達到最高值(395.68 μmol·mol-1)并超過對照組，此時是由于干旱脅迫較重導(dǎo)致花吊絲竹葉片的細胞結(jié)構(gòu)受到物理損傷[圖1(c)]；在第0～20天時葉片的WUE整體呈緩慢下降的趨勢，第20～30天時呈先急劇上升后急劇下降的趨勢，在第26天達到最高值，之后開始急劇下降并低于對照組，這說明此時花吊絲竹正遭受較重的干旱脅迫，使葉片Pn的下降幅度遠大于Tr[圖1(e)]；而在第0～26天時葉片的Ls整體呈上升的趨勢，并在第26天出現(xiàn)最高值，之后急劇下降并遠低于對照組，在第30天下降到最低值，干旱脅迫期間葉片Ci和Ls整體呈現(xiàn)相反的趨勢，這說明花吊絲竹葉片的光合作用在干旱脅迫26 d時由氣孔限制因素轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪紫拗埔蛩?圖1)。綜上可知，隨著干旱脅迫時間的延長，SWC的下降，葉片的Pn、Gs和Tr整體呈顯著降低(P<0.05)的趨勢，而其余葉片的光合參數(shù)也出現(xiàn)了相應(yīng)的波動。

由表2可知，SWC與葉片LWP、Pn、Gs、Tr之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與葉片Ci、WUE、Ls之間相關(guān)性不顯著，葉片Pn與Gs、Tr之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，同時葉片Ci和WUE、Ls間，葉片WUE與Ls間也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

圖 1 干旱脅迫下花吊絲竹葉片光合作用參數(shù)的變化Figure 1 Leaf photosynthesis parameter change of D. minor var. amoenus under drought stress

指數(shù)Index葉片水勢LWP土壤含水率SWC凈光合速率Pn氣孔導(dǎo)度Gs胞間CO2濃度Ci蒸騰速率Tr水分利用效率WUE土壤含水率SWC0.985**凈光合速率Pn0.899**0.904**氣孔導(dǎo)度Gs0.921**0.910**0.953**胞間CO2濃度Ci0.1700.1670.1960.274蒸騰速率Tr0.910**0.908**0.914**0.962**0.302水分利用效率WUE0.1950.2200.3750.180-0.613**0.076氣孔限制值Ls-0.170-0.167-0.196-0.274-1.000**-0.3020.613**

2.3 干旱脅迫下花吊絲竹葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

隨著干旱脅迫時間的延長，在第0～20天時處理組和對照組的葉片F(xiàn)o整體變化趨勢相同，二者間差異不顯著(P>0.05)，在第20～30天時處理組的葉片F(xiàn)o呈顯著上升趨勢，并在第30天達到最高值，而對照組Fo未發(fā)生顯著變化[圖2(a)]；同時，葉片F(xiàn)m在干旱脅迫第10天達到第一個最小峰值，之后隨脅迫時間延長，葉片F(xiàn)m在干旱脅迫的第10～26天逐漸降低并達到最低值，其中在干旱脅迫的第20～26天下降的幅度最大，此外葉片F(xiàn)o和Fm在第20～30天間呈現(xiàn)相反的變化趨勢[圖2(b)]；隨著脅迫程度加深，處理組花吊絲竹葉片的PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)均呈現(xiàn)整體波動下降的趨勢，均在第30天達到最低值，與剛開始脅迫的第0天相比，F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ分別下降了24.6%和80.0%，此外，處理組在第0～20天時，F(xiàn)v/Fm的值維持在相對較高的水平，在第20天出現(xiàn)顯著下降的趨勢(P<0.05)，處理組在第0～26天時的ΦPSⅡ值較高，在第26～30天時呈顯著下降(P<0.05)趨勢，而對照組在第0～30天的ΦPSⅡ值并未發(fā)生顯著的變化(P>0.05)[圖2(c)， (d)]；非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)、表觀光合電子傳遞速率(ETR)在干旱脅迫期間整體均呈下降趨勢，在第0～15天時處理組葉片的qN、ETR整體變化不大，在第15～30天均呈顯著下降趨勢(P<0.05)，對照組葉片的qN、ETR整體變化不大[圖2(e), (f)]。綜上可知，土壤含水量的變化對花吊絲竹葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)具有重要的影響。

圖 2 干旱脅迫下花吊絲竹葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化Figure 2 Chlorophyll fuorescence parameter change in the leaves of D. minor var. amoenus under drought stress

2.4 干旱脅迫下花吊絲竹葉片相關(guān)抗性指標(biāo)的變化

隨干旱脅迫時間的延長，處理組葉片Pro含量整體呈上升的趨勢[圖3(a)]。在前5 d，此時干旱脅迫程度較輕，葉片Pro含量增加的速度較慢，處理組與對照組葉片Pro含量彼此間差異不顯著(P>0.05)。在第10～30天時，脅迫程度加重，SWC急劇下降，Pro含量顯著增加(P<0.05)，并在第30天達到最大峰值，是對照組的15倍，而同期對照組Pro含量變化不大(P>0.05)；隨干旱脅迫時間的延長，處理組葉片SOD含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢[圖3(b)]。處理組在第0～10天時，葉片的SOD含量顯著上升(P<0.05)，并在脅迫的第10天出現(xiàn)最高峰，是同期對照組的的1.4倍，之后開始下降，在第30天時，處理組與對照組葉片的SOD含量彼此間差異不顯著(P>0.05)；隨著脅迫時間的延長，處理組葉片CAT含量變化整體上與SOD趨同，都呈先升后降的趨勢，而對照組葉片CAT含量彼此間差異較小[圖3(c)]。處理組在第0～10天時，葉片CAT含量顯著上升(P<0.05)，并在第10天時出先峰值，是同期對照組的7.3倍，之后CAT含量逐漸下降；脅迫試驗期間，對照組葉片MDA含量彼此差異不顯著(P>0.05)，而處理組MDA含量整體呈顯著上升的趨勢(P<0.05)[圖3(d)]。處理組在第0～10天的MDA含量增長較緩，之后便迅速上升，并在第30天時達到最高值(14.6 nmol·mg-1)，是對照組的3.0倍。

圖 3 干旱脅迫下花吊絲竹葉片相關(guān)抗性指標(biāo)的變化Figure 3 Effects of drought stress on the leaf relative resistance index of D. minor var. amoenus

3 討論與結(jié)論

3.1 干旱脅迫下花吊絲竹光合參數(shù)變化

干旱脅迫根本上是因為土壤含水量虧缺嚴(yán)重，無法補償植物葉片因蒸騰作用而損耗的水分，導(dǎo)致葉片細胞脫水而受到一定程度的物理損傷，對植物的正常生長及生理進程造成不同程度的影響[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫期間，土壤含水量逐漸降低，葉片的Pn整體上也隨之降低，但在第10和第23天時，葉片的Pn出現(xiàn)了一些幅動，說明夏季的溫度、濕度等生態(tài)因子對花吊絲竹Pn產(chǎn)生一定的影響，這一研究結(jié)果與李瑞姣等[16]人對日本莢蒾(ViburnumjaponicumSpreng.)的研究結(jié)果一致。隨脅迫程度加重，SWC虧缺隨之加重，此時因花吊絲竹葉片水汽壓虧缺，使葉片氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致花吊絲竹蒸騰速率下降，而Gs的降低或關(guān)閉是植物抵御干旱脅迫的第一道防線[17]，進而造成花吊絲竹葉片Pn和Tr降低，這與李澤等[18]的研究結(jié)果相似。楊建偉等[19]對小紫珠[Callicarpadichotoma(Lour.) K.Koch]進行干旱脅迫試驗發(fā)現(xiàn)在重度干旱脅迫下小紫珠光合速率的降低是以非氣孔限制為主。本研究發(fā)現(xiàn)，花吊絲竹在干旱脅迫的第26～30天時，竹葉的Ci呈顯著上升趨勢(P<0.05)，而同期Ls則呈現(xiàn)相反的趨勢，這表明花吊絲竹在第26天時葉片光合速率的降低由氣孔限制主導(dǎo)開始轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪紫拗浦鲗?dǎo)，此時花吊絲竹葉片的細胞結(jié)構(gòu)正遭受物理損傷?；ǖ踅z竹葉片WUE的高低可以反映其葉片的水分利用情況及其對光合能量的利用狀態(tài)[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，花吊絲竹在干旱脅迫的第26天時，葉片的WUE上升到最大值，表明一定程度的水分虧缺可以增強竹葉的水分利用率，同時WUE、Ls與Ci間呈負顯著相關(guān)(P<0.01)，但WUE與Ls間相關(guān)不顯著(P>0.05)，這是由于花吊絲竹葉片水分虧缺比較嚴(yán)重，使葉片的Gs下降、Ci上升，在一定程度上可使葉片水分利用效率趨于最優(yōu)化[21]，這一結(jié)果與李娟等[22]的研究一致。本研究對花吊絲竹光合作用參數(shù)、土壤含水量、葉片水勢之間進行了相關(guān)性分析，結(jié)果表明花吊絲竹Pn、Gs、Tr均與LWP極顯著相關(guān)(P<0.01)，這是由于土壤含水量和葉片的內(nèi)外水勢差均能影響植物蒸騰作用的強弱。此外，植物自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理狀態(tài)對蒸騰作用的高低也具有調(diào)節(jié)作用[23]。

3.2 干旱脅迫下花吊絲竹葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)是了解和獲取逆境條件下植物光合作用變化的主要途徑[24]。干旱脅迫能夠?qū)χ参锕夂辖M織的光系統(tǒng)(PSⅡ)造成一定損傷，PSⅡ能夠通過調(diào)節(jié)電子傳遞速率及光化學(xué)反應(yīng)的效率來響應(yīng)CO2同化能力的下降，以熱耗散的形式來降低光能過剩對植物造成的損傷[22]。本研究表明，花吊絲竹在干旱脅迫的第0～10天，SWC顯著下降(P<0.05)，葉片的ETR、ΦPSⅡ略有上升，而葉片的Fm、qN則有所下降，但整體變化不明顯(P>0.05)這說明在較輕程度的干旱脅迫下，花吊絲竹自身通過啟動葉黃素循環(huán)消耗過剩的光能，防御光能的破壞[25]，維持一定水平的ETR及qN。干旱脅迫第10～30天時，葉片的ETR、Fv/Fm、ΦPSⅡ和qN整體上均顯著下降(P<0.05)，表明此時葉片的光合系統(tǒng)(PSⅡ)正遭受到損傷，酶類系統(tǒng)及光和器官組織受到一定程度的破壞，光能過剩無法得到非光化學(xué)猝滅及天線色素?zé)岷纳⒐δ艿谋Ｗo[26]。同時，葉片的Gs在第10天略有升高，隨后逐漸降低，這說明干旱脅迫第10天以后，非氣孔因素的限制可能是葉片Pn下降的主導(dǎo)因素[22]。此外，在第0～23天時，葉片的Fo相對較穩(wěn)定，之后顯著上升(P<0.05)，表明較重的干旱脅迫對花吊絲竹光系統(tǒng)(PSⅡ)反應(yīng)中心與光和器官造成一定程度的物理損傷，此時葉片的ETR等熒光參數(shù)也隨之降低。

3.3 干旱脅迫下花吊絲竹酶類活性和脯氨酸含量的變化

綜上所述，在干旱脅迫初期，花吊絲竹通過提高葉片對光能的捕獲能力、提升光能轉(zhuǎn)化效率、增強葉片中的酶活性以及減少熱能的耗散等形式，來維持對光能較強的生態(tài)適應(yīng)性，保證花吊絲竹的正常生長。重度干旱脅迫下花吊絲竹光系統(tǒng)PSⅡ受損嚴(yán)重，嚴(yán)重阻礙花吊絲竹的光合作用，此時葉片的光合速率的降低由氣孔限制主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪紫拗浦鲗?dǎo)，葉片酶活性不同程度的變化都反映了花吊絲竹的主要營養(yǎng)器官受到了損害。