干旱脅迫下4種報春苣苔屬植物葉綠素?zé)晒馓匦缘谋容^

史瑩瑩，何 棟，姚曉妍，羅 樂，張啟翔

(1.花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點實驗室，北京 100083； 2.國家花卉工程技術(shù)研究中心，北京 100083； 3.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室，北京 100083； 4.北京林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，北京 100083)

水分是植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，當(dāng)其不能滿足植物需要量時，便會造成干旱脅迫。葉綠素?zé)晒饽軌蛴糜谥脖簧?、生長及各種脅迫監(jiān)測[1]。近年來，關(guān)于干旱脅迫對葉綠素?zé)晒庥绊懙难芯恳延写罅繄蟮繹2-4]。研究表明，干旱脅迫會使葉片PSⅡ的結(jié)構(gòu)與功能受到一定程度的損傷和破壞[5-8]。陳雪妮等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫的加劇，藍(lán)莓的初始熒光(Fo)、非光化學(xué)淬滅(NPQ)呈上升趨勢，最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光化學(xué)淬滅(qP)等參數(shù)呈下降趨勢。張國盛等[10]研究發(fā)現(xiàn)，沙柳等固沙樹種的相對光合電子傳遞速率(ETR)、Fv/Fm隨著土壤體積含水量的降低而降低，且Fv/Fm對土壤水分變化響應(yīng)最為敏感。趙麗麗等[11]對百脈根干旱脅迫的研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫天數(shù)的增加，F(xiàn)v/Fo、Fv/Fm、實際光量子產(chǎn)量(Yield)和qP等熒光參數(shù)均呈下降趨勢，部分百脈根種質(zhì)NPQ呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢?？梢?，葉綠素?zé)晒鈪?shù)對干旱脅迫的響應(yīng)非常敏感。

苦苣苔科(Gesneriaceae)植物種類豐富，地理分布廣泛，中國是世界苦苣苔科分布的一個中心，報春苣苔屬(Primulina)為苦苣苔科的優(yōu)勢屬之一，以葉形奇特、花色艷麗著稱，是重要的觀賞植物資源[12]。目前，人們對報春苣苔屬的研究主要集中在分類系統(tǒng)修訂[13-14]、傳粉生物學(xué)[15-16]、新品種選育[17-18]、繁殖栽培[19-21]等方面，部分學(xué)者對苦苣苔科植物的發(fā)育及抗逆性相關(guān)的生理生化進(jìn)行了研究[22-24]，其干旱脅迫下的葉綠素?zé)晒馓匦缘淖兓匆妶蟮?。鑒于此，通過盆栽自然干旱的方法，比較干旱脅迫下4種報春苣苔屬植物的葉綠素?zé)晒庾兓攸c，為其水分栽培管理、抗旱性育種提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗于北京市國家花卉工程技術(shù)研究中心玻璃溫室中進(jìn)行。采用型號為L99-LXWS的溫濕度照度記錄儀記錄玻璃溫室的最高溫(31.7 ℃)、最低溫(6.0 ℃)、年平均氣溫(18.2 ℃)，相對濕度最大值(100%)、最小值(18.8%)、平均值(78.3%)，光照強(qiáng)度最大值(30 070 lx)、最小值(0)、平均值(1 640 lx)。

采用盆栽自然干旱法，選取生長良好、長勢一致的4種報春苣苔(表1)各36株植株，其基質(zhì)配比為V(草炭)∶V(珍珠巖)=2∶1，栽植于0.17 m×0.15 m的花盆中，緩苗期間保持土壤含水量在75%以上，時間持續(xù)1個月左右。試驗前1 d對所有的植株進(jìn)行澆水，使基質(zhì)處于飽和含水狀態(tài)，以澆透水后1 d作為干旱脅迫的基點。試驗設(shè)4個處理，每個處理3盆，重復(fù)3次，分別在自然干旱0 d(土壤含水量75%以上)、15 d(土壤含水量50%～60%)、30 d(土壤含水量30%～40%)、45 d(土壤含水量10%以下)的固定時間段內(nèi)連續(xù)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，并記錄

表1 研究材料及簡稱Tab.1 Research materials and abbreviations

4種報春苣苔的形態(tài)變化特征。

1.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

在溫室自然遮光的條件下，使用PAM-2500葉綠素?zé)晒鈨x對葉片進(jìn)行活體測定，選擇從外輪開始數(shù)的第2輪成熟、健康的3片葉子，試驗重復(fù)3次，于8:00開始，11:30結(jié)束，測定開始前，先用暗適應(yīng)葉夾DLC-8使葉片暗適應(yīng)15～20 min。測定參數(shù)包括Fo、Fm、Fv/Fm、qP、NPQ、ETR。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010和Graphpad Prism 7.0軟件整理數(shù)據(jù)和作圖，采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan法進(jìn)行差異顯著性比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下4種報春苣苔屬植物Fo和Fm的對比

從圖1可以看出，YF、XN、QMX在不同干旱時間的Fo值均無顯著差異(P>0.05)。JE呈先降低后升高的變化趨勢，干旱0、15、45 d之間無顯著差異(P>0.05)，而干旱30 d的Fo值比0 d顯著下降18.3%(P<0.05)。JE、XN在不同干旱時間的Fm值均無顯著差異(P>0.05)；而YF在干旱0、15、30 d之間無顯著變化(P>0.05)，干旱45 d的Fm值比0 d顯著降低12.20%(P<0.05)，QMX的Fm值呈先升高后降低的趨勢，與0 d相比，干旱15、30、45 d均無顯著差異(P>0.05)。

同種植物同一參數(shù)的不同小寫字母表示處理間存在顯著性差異(P<0.05)。圖2—3同

2.2 干旱脅迫下4種報春苣苔屬植物Fv/Fm和ETR的對比

從圖2可以看出，YF在不同干旱時間的Fv/Fm均無顯著差異(P>0.05)。JE呈先升高后降低的趨勢，與0 d相比，干旱15、45 d均無顯著差異(P>0.05)，而干旱30 d的Fv/Fm比0 d顯著增長4.50%(P<0.05)。XN的變化趨勢為先升高后降低，干旱0、30、45 d之間均無顯著差異(P>0.05)，干旱15 d的Fv/Fm比0 d顯著增長3.93%(P<0.05)。QMX呈先升高后降低的變化趨勢，干旱0、15、30 d之間無顯著差異(P>0.05)，干旱45 d的Fv/Fm比0 d顯著下降4.15%(P<0.05)。

從圖2得知，4種報春苣苔的ETR在不同干旱時間內(nèi)均有顯著差異。JE呈先降低后升高的變化趨勢，干旱0 d與45 d無顯著差異(P>0.05)，干旱15、30 d分別比0 d顯著下降18.49%、15.82%(P<0.05)。YF的變化趨勢為先降低后升高再降低，ETR值從高到低的順序依次為0 d>30 d>15 d>45 d，與0 d相比，干旱15、30、45 d分別顯著下降17.40%、7.64%、25.53%(P<0.05)。XN也呈先降低后升高再降低的變化趨勢，干旱0 d與30 d無顯著差異(P>0.05)，而干旱15、45 d分別比0 d顯著下降27.58%、31.46%(P<0.05)。QMX的變化趨勢與XN相同，干旱0 d與30 d無顯著差異，干旱15 d與45 d無顯著差異(P>0.05)，但與0 d相比，分別顯著下降20.03%、17.16%(P<0.05)。

圖2 干旱脅迫對4種報春苣苔屬植物Fv/Fm、ETR的影響Fig.2 Effects of drought stress on four species of Primulina Fv/Fm,ETR

2.3 干旱脅迫下4種報春苣苔屬植物NPQ和qP的對比

從圖3可以看出，4種報春苣苔在不同干旱時間的NPQ值均有顯著變化。JE呈先升高后降低的趨勢，干旱15 d與30 d分別比0 d顯著增長130.00%、104.84%(P<0.05)，干旱45 d的NPQ最低，比0 d顯著降低35.16%(P<0.05)。YF的變化趨勢為先升高后降低再升高，不同干旱時間的NPQ均有顯著差異(P<0.05)，從高到低的順序依次為45 d>15 d>30 d>0 d，干旱15、30、45 d分別比0 d顯著增長274.85%、104.09%、373.68%(P<0.05)。XN呈先升高后降低再升高的變化趨勢，干旱0 d與30 d之間無顯著差異(P>0.05)，干旱15 d與45 d分別比0 d顯著增長71.29%、54.26%(P<0.05)。QMX的變化趨勢與XN相同，與0 d相比，干旱15、45 d分別顯著增長228.23%、175.12%(P<0.05)。

由圖3可知，JE與YF在不同干旱時間的qP均無顯著差異(P>0.05)。XN呈先降低后升高再降低的趨勢，干旱0 d與30 d無顯著差異(P>0.05)，干旱15、45 d分別比0 d顯著下降9.38%、12.54%(P<0.05)。QMX的變化趨勢為先降低后升高再降低，干旱0 d與45 d無顯著差異(P>0.05)，干旱15 d的qP比0 d顯著降低6.92%(P<0.05)，干旱30 d的qP比0 d顯著上升2.64%(P<0.05)。

圖3 干旱脅迫對4種報春苣苔屬植物NPQ、qP的影響Fig.3 Effects of drought stress on four species of Primulina NPQ,qP

3 結(jié)論與討論

3.1 不同干旱時間下Fo和Fm的變化

Fo為初始熒光，也稱基礎(chǔ)熒光，是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開放時的熒光產(chǎn)量[25]，即原初電子受體QA全部氧化時的熒光水平[9]。多數(shù)研究者認(rèn)為，PSⅡ反應(yīng)中心的破壞可以導(dǎo)致初始熒光Fo增高，天線復(fù)合體的熱耗散可以引起Fo降低[26]；也有學(xué)者認(rèn)為，F(xiàn)o增高未必是反應(yīng)中心受到破壞的結(jié)果，當(dāng)引起Fo變化的多種因素同時存在時，其變化的方向取決于占優(yōu)勢的那個因素[27]。本研究中，永福報春苣苔、翔鳥報春苣苔、啟明星報春苣苔隨著干旱脅迫的加重，F(xiàn)o均無顯著變化，表明連續(xù)45 d的干旱脅迫并未對這3種報春苣苔的PSⅡ反應(yīng)中心造成破壞，其植物體內(nèi)有一系列光破壞防御機(jī)制在發(fā)揮作用[7]，也可以說，干旱脅迫并不是Fo變化的主要因素。尖萼報春苣苔在干旱15、45 d時的Fo與0 d無顯著差異，而在干旱30 d時，F(xiàn)o顯著降低，表明尖萼報春苣苔的Fo變化可能存在自我調(diào)節(jié)機(jī)制，植物在達(dá)到干旱30 d時，體內(nèi)的捕光色素吸收的光能已超過光化學(xué)反應(yīng)的需要，為了避免光合機(jī)制受到破壞，天線復(fù)合體通過熱耗散途徑把多余光能耗散掉，45 d時尖萼報春苣苔的光合機(jī)制又恢復(fù)到正常水平。

Fm為最大熒光產(chǎn)量，是PSⅡ反應(yīng)中心完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量，反映的是通過PSⅡ的電子傳遞情況。Fm的降低是光抑制的一個重要特征，當(dāng)植物的光合機(jī)構(gòu)所接受的光能超過光合作用所能利用的數(shù)量時，光合功能便降低，即所謂的光抑制[8]。本研究中，尖萼報春苣苔、翔鳥報春苣苔和啟明星報春苣苔在不同干旱時間的Fm與0 d相比，均無顯著變化。永福報春苣苔的Fm在干旱45 d時顯著下降，說明長達(dá)45 d的干旱使永福報春苣苔的光合功能下降。

3.2 不同干旱時間下Fv/Fm和ETR的變化

Fv/Fm為最大光能轉(zhuǎn)換效率，可以反映光反應(yīng)中心PSⅡ?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率。Fv/Fm在沒有遭到環(huán)境脅迫時其值是比較恒定的，逆境脅迫時會出現(xiàn)下降現(xiàn)象，降幅越小，發(fā)生光抑制的程度越小，所以該比值被認(rèn)為是表明光抑制程度的良好指標(biāo)和探針[9-11]。也有研究表明，在輕度水分脅迫、中度水分脅迫下，沒有光合機(jī)構(gòu)持久破壞的證據(jù)，F(xiàn)v/Fm沒有明顯降低的現(xiàn)象[26]，有關(guān)研究證明，對光合作用造成影響的氣孔限制因素并不會影響PSⅡ的初級光化學(xué)反應(yīng)效率[28]。本研究中，連續(xù)45 d的干旱并沒有影響永福報春苣苔的光能利用率，說明干旱脅迫45 d后其光合機(jī)制沒有遭到破壞，或者在此期間影響永福報春苣苔Fv/Fm的主要因子為氣孔限制。尖萼報春苣苔在干旱30 d顯著高于0 d，而翔鳥報春苣苔則在干旱15 d顯著高于0 d，且前者的升高幅度大于后者，表明二者分別在干旱30 d和15 d后的光化學(xué)效率最佳，但尖萼報春苣苔干旱脅迫后的最佳光化學(xué)效率高于翔鳥報春苣苔。啟明星報春苣苔的Fv/Fm值在干旱45 d出現(xiàn)顯著下降趨勢，說明干旱45 d對其最大光能轉(zhuǎn)換效率影響最大，此時的光化學(xué)反應(yīng)速度最慢。

ETR為相對光合電子傳遞速率，在一定程度上可以反映其潛在最大光合能力的大小。有關(guān)試驗證明，水分脅迫可抑制葉綠體的光下質(zhì)子轉(zhuǎn)移，使光合電子傳遞速率下降[29]。本研究中，尖萼報春苣苔在干旱15 d與30 d時的ETR均顯著低于0 d，干旱45 d又升高至與0 d水平相近，表明輕度與中度干旱只影響其相對光合電子傳遞速率，但其潛在最大光合能力并未受到影響，自身可以通過一定時期的調(diào)節(jié)來適應(yīng)干旱脅迫。永福報春苣苔、翔鳥與啟明星報春苣苔均在干旱45 d時顯著低于0 d，其中翔鳥報春苣苔的降幅最大，表明翔鳥報春苣苔在干旱45 d后的光合電子傳遞速率最慢，其潛在最大光合能力可能更小。

3.3 不同干旱時間下NPQ和qP的變化

NPQ為非光化學(xué)淬滅系數(shù)，是植物為了適應(yīng)長期或較短時間的水分脅迫而加強(qiáng)激發(fā)能的生化機(jī)制，其反映的是捕光色素吸收的光能中不用于光化學(xué)反應(yīng)而以熱能形式耗散掉的光能部分，過剩的光能如不能及時耗散掉，將會對光合機(jī)構(gòu)造成破壞或使其失活，它是植物的一種自我保護(hù)機(jī)制，對光合機(jī)構(gòu)起一定的保護(hù)作用。qP為光化學(xué)淬滅系數(shù)，反映的是捕光色素吸收的光能中用于光化學(xué)反應(yīng)的能量，其值越大，說明PSⅡ的電子傳遞活性越大[25]。這2個指標(biāo)在一定程度上呈負(fù)相關(guān)。

4種報春苣苔的NPQ在不同干旱時間呈現(xiàn)先升高后降低或先升高后降低再升高的趨勢，說明干旱初期15 d時，PSⅡ反應(yīng)中心潛在熱耗散能力增強(qiáng)，從而避免因捕光色素吸收過量光能而引起光合器官的損傷，與0 d相較，永福報春苣苔15 d時的上升幅度最大，表明其在15 d時的熱耗散調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。永福報春苣苔、翔鳥報春苣苔和啟明星報春苣苔在干旱30 d時，NPQ與干旱15 d相比呈下降趨勢，即3種報春苣苔的熱耗散能力降低，而尖萼報春苣苔干旱15、30 d的NPQ仍顯著高于0 d，說明前三者經(jīng)過熱耗散的調(diào)節(jié)后，光化學(xué)反應(yīng)在30 d時恢復(fù)正常，相反，尖萼報春苣苔在干旱15、30 d的電子傳遞活性qP值持續(xù)受到輕度影響，體內(nèi)積累過剩的光能，因此NPQ持續(xù)升高，熱耗散能力持續(xù)增強(qiáng)。干旱45 d時，脅迫時間較長，永福報春苣苔、翔鳥報春苣苔和啟明星報春苣苔的NPQ值相應(yīng)地增大，耗散體內(nèi)剩余光能，其中永福報春苣苔的NPQ值上升幅度最大，比0 d顯著增長373.68%，而翔鳥報春苣苔僅增長54.26%，表明在干旱后期45 d時，永福報春苣苔的熱耗散能力最強(qiáng)，翔鳥報春苣苔相對較弱。較其他3種植物而言，尖萼報春苣苔45 d時的NPQ卻顯著降低，但其qP值無顯著變化，可能是其吸收的光電子全部用于光化學(xué)反應(yīng)，體內(nèi)無過多的光能，也可能由于尖萼報春苣苔體內(nèi)的捕光色素含量降低，影響光電子的吸收。

尖萼報春苣苔、永福報春苣苔在整個干旱期間的qP值均無顯著差異，表明PSⅡ的電子傳遞活性并未受到干旱脅迫的影響。翔鳥報春苣苔和啟明星報春苣苔的qP值均呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢，表明二者的qP值對于干旱脅迫比較敏感，在干旱初期電子傳遞活性均受到輕度影響，光能利用率降低。干旱30 d時，翔鳥報春苣苔的qP值上升至與0 d無顯著差異，而啟明星報春苣苔的qP值顯著高于0 d，說明隨著干旱時間延長，二者逐漸適應(yīng)缺水環(huán)境，通過自身熱耗散來調(diào)節(jié)光能利用率，但啟明星自身熱耗散調(diào)節(jié)能力強(qiáng)于翔鳥報春苣苔。干旱后期45 d時，翔鳥報春苣苔的電子傳遞活性也比啟明星更慢。