干旱脅迫下腐植酸對(duì)燕麥葉綠素?zé)晒馓匦缘恼{(diào)控效應(yīng)

李英浩，劉景輝，趙寶平，田 露，王 琦，朱珊珊，戴云仙

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 雜糧產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，呼和浩特 010019）

0 引 言

由于全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的加劇，地球上的水循環(huán)狀況發(fā)生了劇烈的變化，導(dǎo)致很多地區(qū)和流域發(fā)生了嚴(yán)重的水資源問(wèn)題和水環(huán)境危機(jī)，水資源緊缺已成為限制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[1]。水分是半干旱地區(qū)作物生產(chǎn)的主要因素，提高作物抗逆性以及高效利用水資源，成為我國(guó)旱區(qū)促進(jìn)農(nóng)業(yè)持續(xù)增長(zhǎng)的必然選擇[2]。燕麥?zhǔn)呛瘫究蒲帑湆俨荼局参?，抗逆性?qiáng)，廣泛種植于貧瘠、干旱、冷涼等地區(qū)，是糧飼兼用型作物[3]。燕麥根系發(fā)達(dá)，吸水能力較強(qiáng)，且根冠比較大，調(diào)節(jié)水分能力較強(qiáng)，成為治理土地荒漠化的先鋒作物[4]?！颈狙芯康那腥朦c(diǎn)】干旱脅迫會(huì)破壞植物的很多代謝和生理過(guò)程[5]。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物生物量減少，總?cè)~綠素量減少，葉綠素?zé)晒鈪?shù)發(fā)生變化[6-12]，而光合作用是植物在干旱脅迫下被抑制的最重要的生理過(guò)程之一[10]，但對(duì)于其復(fù)雜而精密的生理生化調(diào)節(jié)過(guò)程尚不明確[13]。水分脅迫對(duì)植物光合作用的影響可以通過(guò)分析葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，植物葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可以準(zhǔn)確地衡量植物光合潛能的高低和受傷害程度[14]。葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)的應(yīng)用可以深入細(xì)致地分析環(huán)境脅迫對(duì)植物光合機(jī)構(gòu)尤其是 PSⅡ的影響以及光合機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制[15]。干旱和澇脅迫均可對(duì)作物熒光反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用，如水分脅迫下最大熒光產(chǎn)量、可變熒光、PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、PSⅡ潛在活性、非光化學(xué)猝滅和光化學(xué)猝滅[16]。熒光反應(yīng)是光合功能強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，并且初始熒光值與葉綠素a的量密切相關(guān)，可以反映PSⅡ反應(yīng)活性強(qiáng)弱，而最大熒光值則表現(xiàn)PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞情況，F(xiàn)v/Fm反映 PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)部光能轉(zhuǎn)換效率?！狙芯窟M(jìn)展】目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于運(yùn)用葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及光合參數(shù)的變化來(lái)研究土壤水分脅迫對(duì)植物影響的報(bào)道較多[17-20]，有研究表明重度干旱脅迫導(dǎo)致燕麥葉片凈光合速率，蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度以及胞間 CO2摩爾分?jǐn)?shù)急劇降低[21]，前人在麥類(lèi)作物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究多集中在葉片部位，燕麥苗期遭受干旱脅迫，葉片光系統(tǒng)Ⅱ的原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm和潛在活性相對(duì)較穩(wěn)定，燕麥灌漿前期各光合器官Fv/Fm相對(duì)較穩(wěn)定，隨灌水次數(shù)增加各器官值有增加趨勢(shì)，但變化很小[22]，由此說(shuō)明燕麥的光合性能對(duì)水分脅迫較為敏感，一定程度的干旱脅迫會(huì)嚴(yán)重影響到燕麥的光合能力。熒光動(dòng)力學(xué)在小麥、玉米、水稻及豆科作物上都已有相關(guān)研究，但有關(guān)燕麥熒光參數(shù)對(duì)水分脅迫的響應(yīng)研究鮮有報(bào)道。腐植酸是動(dòng)植物遺骸經(jīng)過(guò)微生物分解和轉(zhuǎn)化等一系列過(guò)程形成的一類(lèi)有機(jī)物質(zhì)[23]，腐植酸有助于提高作物耐旱性，延緩植株衰老。腐植酸處理明顯提高了小麥灌漿后期旗葉實(shí)際光化學(xué)效率和光合電子傳遞速率[30]，但是至今國(guó)內(nèi)外對(duì)腐植酸在干旱脅迫下燕麥葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化研究尚少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本試驗(yàn)通過(guò)研究外源噴施腐植酸對(duì)燕麥葉片葉綠素量及各項(xiàng)熒光參數(shù)Fo、Fm、Fv等在干旱脅迫下的變化狀態(tài)，試圖探討干旱脅迫下腐植酸對(duì)燕麥葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘恼{(diào)控效應(yīng)，【研究意義】進(jìn)一步了解腐植酸提高植物耐旱性的機(jī)理，為開(kāi)發(fā)利用腐植酸肥料和提高燕麥抗旱性提供一定理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年5月—2018年9月在內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)燕麥產(chǎn)業(yè)研究中心溫室進(jìn)行。供試燕麥品種為燕科二號(hào)，由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院提供。腐植酸水溶肥料（HA）由內(nèi)蒙古永業(yè)農(nóng)豐生物技術(shù)有限責(zé)任公司提供，其水溶腐植酸量≥50 g/L，N+P+K量≥200 g/L，微量元素（錳、硼、鉬、鋅等）量≥10 g/L。采用盆栽方法，土壤為蛭石與泥炭土按質(zhì)量比為 1∶1的比例混合而成。泥炭土中N+P+K量>10 g/kg，有機(jī)質(zhì)量>50 g/kg，pH值為5.5～8.5，土壤含水率為10%。塑料盆高25 cm，直徑20 cm，每盆裝混合土2.5 kg，播種前底施磷酸二銨（N18%，P2O546%）2 g，在拔節(jié)期與抽穗期各追施尿素（含N量為46%）2 g。5月1日播種，每盆播30粒，在三葉期（5月20日）定苗，每盆20株。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)置正常供水（75%田間持水率）；中度干旱脅迫（60%田間持水率）和重度干旱脅迫（45%田間持水率）3個(gè)水分條件，不同水分條件下設(shè)噴施500倍腐植酸水溶肥料（HA）和等量清水（CK）2個(gè)處理，共6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)重復(fù)種植5盆，共90盆。水分脅迫在拔節(jié)期（6月10日）開(kāi)始，每天17:00點(diǎn)利用稱(chēng)重法進(jìn)行補(bǔ)水以保持各處理土壤含水率穩(wěn)定，土壤田間持水率、永久萎蔫點(diǎn)及土壤質(zhì)量含水率按Ryan等[24]的方法測(cè)定，全生育期3個(gè)水分條件的總灌水量分別為27.23、21.78 和16.34 L。分別在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期噴施腐植酸，噴施后7 d進(jìn)行取樣和測(cè)定熒光參數(shù)。

1.2 取樣方法

取植株上部新鮮的旗葉葉片，立即液氮速凍并保存，每個(gè)處理重復(fù)取樣3次，共6片葉。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 熒光參數(shù)

每處理選擇3片生長(zhǎng)完好的旗葉葉片，用FMS-2便攜式脈沖調(diào)制式熒光儀測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。在葉片自然生長(zhǎng)角度不變的情況下測(cè)定穩(wěn)態(tài)熒光（Fs），隨后加一個(gè)強(qiáng)閃光[6 000 μmol/（m2·s）]，脈沖 0.8 s測(cè)定光適應(yīng)下的最大熒光（Fm'）；關(guān)閉作用光，暗反應(yīng)3 s后再打開(kāi)遠(yuǎn)紅光，5 s后測(cè)定光下最小熒光（Fo'）；葉片暗適應(yīng)15 min后測(cè)定初始熒光（Fo），隨后加一個(gè)強(qiáng)閃光（6 000 μmol/（m2·s）），脈沖0.8 s測(cè)定最大熒光（Fm）。計(jì)算如下參數(shù)：PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm；PSⅡ潛在光化學(xué)活性Fv/Fo=（Fm-Fo）/Fo；光化學(xué)淬滅系數(shù)qP=（Fm'-Fs）/（Fm'-Fo'）；非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ=（Fm-Fm'）/Fm'。

1.3.2 葉綠素量

稱(chēng)0.2 g凍干的燕麥葉片，采用分光光度法[25]測(cè)定旗葉葉綠素a（Chla）與葉綠素b（Chlb），最后計(jì)算總?cè)~綠素量（Chla+Chlb）和葉綠素a與葉綠素b的比值（Chla/Chlb）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel進(jìn)行整理，用SAS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴施HA對(duì)干旱脅迫下燕麥葉片葉綠素的影響

干旱脅迫下噴施 HA后燕麥葉綠素量的變化如表1。由表1可知，從拔節(jié)期到灌漿期，燕麥葉片Chla+Chlb逐漸提高。干旱脅迫導(dǎo)致燕麥葉片Chla+Chlb和 Chla/Chlb降低，且降幅隨著干旱脅迫程度加劇而增加。噴施HA后，正常供水條件下二者與 CK相比差異均不顯著；中度干旱脅迫下，葉片Chla+Chlb和Chla/Chlb分別比CK分別平均增加6.69%和3.06%，但只有生育前期差異顯著；而重度干旱脅迫下二者分別比CK平均增加40.82%和30.09%，且均達(dá)到顯著差異（P<0.05）。綜上說(shuō)明，干旱脅迫使燕麥葉片葉綠素總量的合成受阻，分解速率增大，并且 Chla的分解速率超過(guò) Chlb，進(jìn)而導(dǎo)致 Chla/Chlb降低，而噴施HA可不同程度地緩解干旱脅迫造成的影響，在重度干旱脅迫下對(duì)葉綠素合成的促進(jìn)作用最顯著。

表1 不同處理燕麥葉片Chla+Chlb與Chla/ChlbTable 1 Effect of different treatments on the dry matter quality of oats Chla+Chlb and Chla/Chlb

2.2 HA噴施對(duì)干旱脅迫下燕麥熒光參數(shù)的影響

2.2.1Fo、Fm和Fv的變化

干旱脅迫下噴施HA后燕麥葉片F(xiàn)o、Fm和Fv的變化情況如表2。由表2可知，從拔節(jié)期到灌漿期，F(xiàn)o、Fm和Fv均逐漸提高。隨著干旱脅迫程度的增加，F(xiàn)o呈上升趨勢(shì)，而Fm和Fv卻顯著下降。干旱脅迫下噴施 HA后Fo下降，降低范圍為 0.70%～14.06%，而Fm和Fv升高，提升范圍分別為0.7%～121.19%和1.0%～171.79%。不同時(shí)期中，噴施HA與CK相比，在正常供水和中度干旱脅迫條件下3個(gè)指標(biāo)差異均不顯著，而在重度干旱脅迫條件下三者均差異顯著（P<0.05）。綜上說(shuō)明，干旱脅迫導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心被破壞或可逆失活，同時(shí)會(huì)降低燕麥PSⅡ反應(yīng)中心原初電子受體QA的還原能力，使電子傳遞活性受到抑制，但噴施HA會(huì)有效緩解干旱脅迫造成的影響，在重度干旱脅迫條件下效果最顯著。

表2 不同處理燕麥Fo、Fm和FvTable 2 Effect of different treatments on the dry matter quality of oats Fo、Fm and Fv

2.2.2Fm/Fv和Fv/Fo的變化

干旱脅迫下噴施 HA后燕麥葉片F(xiàn)m/Fv和Fv/Fo的變化情況如表3。由表3可知，從拔節(jié)期到灌漿期，F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo逐漸提升，但干旱脅迫下Fv/Fm和Fv/Fo均顯著下降（P<0.05）。干旱脅迫下噴施HA與CK相比，F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo值出現(xiàn)不同程度的提升，提升范圍分別為 0.2%～83.89%和1.9%～211.56%。3個(gè)時(shí)期中，噴施HA后相比于CK，正常供水和中度干旱脅迫條件下二者均無(wú)顯著差異，而在重度干旱脅迫條件下二者均達(dá)到顯著差異（P<0.05）。故干旱脅迫抑制了燕麥 PSⅡ的潛在活性并降低了PSⅡ的原初光能轉(zhuǎn)換效率，HA對(duì)重度干旱脅迫造成的傷害有最明顯的緩解效應(yīng)。

表3 不同處理燕麥Fv/Fm和Fv/FoTable 3 Effect of different treatments on the dry matter quality of oats Fv/Fm and Fv/Fo

表4 不同處理燕麥qP和NPQTable 4 Effect of different treatments on the dry matter quality of oats qP and NPQ

2.2.3qP和NPQ的變化

干旱脅迫下噴施HA后燕麥葉片qP和NPQ的變化如表4。由表4可知，從拔節(jié)期到灌漿期，燕麥葉片qP和NPQ逐漸提高。水分脅迫會(huì)導(dǎo)致qP值顯著降低，NPQ值則出現(xiàn)顯著提升，表明水分脅迫下燕麥光能利用率上升，熱量散失減少。噴施HA后相比于CK，qP和NPQ值會(huì)有所提高，提高范圍分別為0.1%～68.30%和6.02%～73.36%，表明在干旱脅迫下HA會(huì)進(jìn)一步提高燕麥對(duì)光能的利用效率，減少熱量散失。噴施HA后，同樣只在重度干旱脅迫條件下二者均差異顯著（P<0.05）。綜合以上結(jié)果說(shuō)明，干旱脅迫對(duì)燕麥光反應(yīng)中心造成了傷害，且干旱脅迫程度越大對(duì)植株的傷害越大，而噴施HA則會(huì)在一定程度上緩解脅迫對(duì)光反應(yīng)中心造成的傷害，提高燕麥光能利用率，且重度干旱脅迫條件下HA效果最佳。

3 討 論

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，葉綠素量的多少會(huì)影響植物光合作用能力。Chla/Chlb可反映出葉綠素a與葉綠素b對(duì)脅迫的敏感性及脅迫對(duì)二者的傷害程度，本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫導(dǎo)致燕麥葉片Chla/Chlb降低，說(shuō)明葉綠素b對(duì)干旱脅迫的敏感性更大?？?cè)~綠素量標(biāo)志著該生命體光合能力的強(qiáng)弱，一般情況下，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉片失水，進(jìn)而抑制葉綠素的生物合成，并促進(jìn)已合成的葉綠素分解，使葉片葉綠素量下降，從而影響植株的光合作用[26-28]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫會(huì)使植物葉綠素量增加，可能是因?yàn)楦珊得{迫使葉片含水率降低，葉片擴(kuò)展生長(zhǎng)受阻，葉片單位面積的葉綠素量升高[29]。這2種不同的研究結(jié)果表明植物處于逆境時(shí)的葉綠素量變化趨勢(shì)可能與植物本身的耐旱性有關(guān)，本試驗(yàn)中，重度干旱脅迫導(dǎo)致燕麥葉片總?cè)~綠素量急劇下降，說(shuō)明燕麥已無(wú)法適應(yīng)重度干旱脅迫環(huán)境。施用適量的腐植酸會(huì)增加作物葉片葉綠素量[30]，小麥經(jīng)腐植酸浸種后，使葉片葉綠素量提高，提高Chla/Chlb[31]。本研究得出，干旱脅迫下噴施腐植酸后，燕麥葉片Chla+Chlb和Chla/b均有不同程度的提高，與張金政等[26]、梁文斌等[27]的研究結(jié)果Chla/Chlb一致，同時(shí)腐植酸可以提高不同水分脅迫處理油菜葉綠素量[32]，在重度干旱脅迫下噴施腐植酸后，燕麥葉片Chla+Chlb和Chla/b的提高幅度最大。

本試驗(yàn)中，燕麥Fo上升，F(xiàn)m和Fv下降，說(shuō)明干旱脅迫降低了PSⅡ反應(yīng)中心原初電子受體QA的還原能力，QA→QB的能力下降，電子傳遞活性降低[33-36]。植物在逆境條件下或受到傷害時(shí)Fv/Fm 會(huì)明顯下降。干旱脅迫下燕麥Fo升高，尤其以重度干旱脅迫下升高幅度最大，說(shuō)明干旱脅迫嚴(yán)重破壞光反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使其光合速率降低[37]。干旱脅迫使PSⅡ捕光色素蛋白復(fù)合體（LHC-Ⅱ）量下降，使LHC-Ⅱ捕光色素吸收的能量減少[38]，從而導(dǎo)致葉綠體激發(fā)能LHC-Ⅱ向PSⅡ的傳遞減少，以至光合電子由PSⅡ反應(yīng)中心向QA、QB及PQ庫(kù)傳遞過(guò)程受到影響[39]，本研究中Fv/Fm和Fv/Fo的顯著下降（P<0.05），表明干旱脅迫使燕麥PSⅡ反應(yīng)中心受到傷害，抑制了燕麥PSⅡ的潛在活性并降低了PSⅡ的原初光能轉(zhuǎn)換效率，從而使燕麥光合作用的原初反應(yīng)受到抑制[40]。熒光淬滅包括光化學(xué)淬滅qP和非光化學(xué)淬滅NPQ。qP反映的是PSⅡ天線(xiàn)色素吸收的光能用于光化學(xué)傳遞的份額，也表示PSⅡ天線(xiàn)色素吸收的光能用于暗反應(yīng)固定能量的部分，其值越高表示PSII的電子傳遞活性越大，光能中轉(zhuǎn)變?yōu)榛顫娀瘜W(xué)能的能量越多，植物對(duì)光能的利用效率也越高[41]。NPQ反映的是PSⅡ天線(xiàn)色素吸收的光能不能用于光合傳遞而以熱的形式耗散掉的部分[42]，其值大小表示光合機(jī)構(gòu)的損傷程度[43]。NPQ在植物吸收光能過(guò)多情況時(shí)起到一定的自我保護(hù)作用[44-45]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫導(dǎo)致燕麥qP逐漸下降，NPQ逐漸上升，可能原因是干旱脅迫破壞了PSⅡ的反應(yīng)中心系統(tǒng)，導(dǎo)致燕麥葉片光化學(xué)活性降低，并且干旱逆境下使燕麥減少熱量散失，提高了光能利用率，這與孫雅麗等[46]在越桔上的研究結(jié)果類(lèi)似。

腐植酸處理明顯提高了小麥灌漿后期旗葉的光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）和反應(yīng)中心的光化學(xué)活性（Fv/Fo），尤其以旱作條件下增加幅度較高[29]，本試驗(yàn)結(jié)果顯示，從燕麥的拔節(jié)期到灌漿期，干旱脅迫下腐植酸均可以提高其Fv/Fm和Fv/Fo，且重度干旱脅迫條件下提高幅度最大，驗(yàn)證了上述研究結(jié)果。

4 結(jié) 論

干旱脅迫顯著降低燕麥葉片總?cè)~綠素量、Chla/Chlb、最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）、PSⅡ的潛在活性（Fv/Fo）和光化學(xué)淬滅（qP），而提高了最小熒光（Fo）和非光化學(xué)淬滅（NPQ）。噴施腐植酸可緩解干旱脅迫對(duì)葉綠素?zé)晒夥磻?yīng)的影響，且與正常供水和中度脅迫相比，重度干旱脅迫條件下腐植酸的抗旱效果最佳。