干旱對(duì)甜菜葉叢期光系統(tǒng)Ⅱ及光合作用的影響

李思忠，高衛(wèi)時(shí)，張立明，白曉山，劉 軍，董心久，楊洪澤，沙 紅，高 燕

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，新疆烏魯木齊 830091）

干旱脅迫是影響干旱區(qū)或半干旱區(qū)甜菜生產(chǎn)力的主要非生物脅迫之一[1]。新疆甜菜總產(chǎn)及產(chǎn)糖量?jī)H次于內(nèi)蒙古[2]。雖然甜菜采用膜下滴灌技術(shù)，使得甜菜產(chǎn)量和水分利用效率得到進(jìn)一步提高，但新疆水資源分布不均、土壤保水保肥能力弱等特點(diǎn)，部分地區(qū)在甜菜生長(zhǎng)關(guān)鍵期常遭遇持續(xù)性干旱[3]。加之甜菜需水量大，極端天氣(干旱、高溫)頻發(fā)等，嚴(yán)重影響植株的光合作用[4-5]。因此，干旱仍然是制約新疆甜菜產(chǎn)量形成的最大逆境生態(tài)因子之一[6]。

干旱脅迫對(duì)植物的影響是多方面的，缺水會(huì)降低葉片氣孔開(kāi)度，導(dǎo)致葉片蒸騰速率和二氧化碳同化能力的降低，反過(guò)來(lái)，又會(huì)影響光反應(yīng)和二氧化碳固定途徑之間的內(nèi)在平衡，從而導(dǎo)致葉片吸收的能量過(guò)度被激發(fā)，并對(duì)PSⅡ造成氧化損傷，進(jìn)一步降低葉片的光合能力，抑制葉片的新陳代謝[7-10]。干旱脅迫直接或間接的影響了葉片光系統(tǒng)，特別是對(duì)光系統(tǒng)Ⅱ，從而改變了葉綠素a 的熒光動(dòng)力學(xué)特性[11-12]?？焖偃~綠素a 熒光測(cè)定因其無(wú)破壞，高度靈敏，快速且極易操作等特性，已被廣泛用于分析植物對(duì)不同類型逆境的響應(yīng)[13]。如高溫脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、營(yíng)養(yǎng)缺乏等[14-15]?？蒲泄ぷ髡呋谏锬つ芰苛鲃?dòng)理論，開(kāi)發(fā)了JIP-test 數(shù)據(jù)分析方法[16]，通過(guò)該方法量化了最終反映整個(gè)光合作用機(jī)制活動(dòng)的結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)，可以得到關(guān)于光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)、反應(yīng)中心(RC)和放氧復(fù)合體等豐富的信息，被廣泛應(yīng)用篩選不同物種和基因型的抗逆性[17]。例如，性能指數(shù)(PI)是可作為評(píng)估植株抗旱能力的敏感指標(biāo)[18]。干旱脅迫導(dǎo)致葉綠素a 瞬變熒光迅速上升，PSⅡ單位之間能量連接性變差，光合酶受到抑制，PSⅡ活性和穩(wěn)定性降低，電子傳遞反應(yīng)和碳同化代謝之間的內(nèi)在平衡被破壞，從而限制葉片光合能力[10]。大量研究表明，甜菜葉叢生長(zhǎng)期供水不足下葉片光合能力降低，產(chǎn)量下降。前人對(duì)干旱脅迫下甜菜葉片光合生理特性進(jìn)行了一些研究，但有關(guān)干旱區(qū)滴灌甜菜葉叢生長(zhǎng)期葉片光系統(tǒng)Ⅱ結(jié)構(gòu)和功能對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制研究報(bào)道似乎較少。因此，本試驗(yàn)采用兩個(gè)對(duì)干旱脅迫有不同敏感性的品種，在甜菜水分敏感期葉叢生長(zhǎng)期進(jìn)行控水，利用植物效率分析 儀(Handy-PEA,Hansatech, Norfolk, UK)，同 時(shí) 通過(guò)JIP-test 數(shù)據(jù)分析方法評(píng)估了干旱脅迫對(duì)葉片光合系統(tǒng)的影響，以期為滴灌甜菜高產(chǎn)栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院瑪納斯甜菜試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土壤為壤土，耕層土壤速效磷含量0.02 g·kg?1，速效鉀含量0.023 g·kg?1，堿解氮含量0.07 g·kg?1，田間持水量為16%(質(zhì)量含水量)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積為10 m2，每小區(qū)長(zhǎng)5 m，寬2 m，各小區(qū)間間隔1 m。供試甜菜品種分別為XJT9907(旱敏感型)、XJT9916(耐旱型)。4月15日施磷酸二銨375 kg·hm?2和硫酸鉀150 kg·hm?2后春翻整地覆膜，4月17日播種，一膜兩行，滴灌帶鋪于兩行甜菜中間，即1條毛管控制2行甜菜，行距為50 cm，株距為20 cm，株數(shù)為11.12 ×104株·hm?2。于甜菜葉叢生長(zhǎng)期進(jìn)行控水，每隔3至4 d 利用土鉆采集土壤樣品測(cè)定土壤含水量，當(dāng)土壤含水量低于設(shè)置的土壤水分控制下限時(shí)，通過(guò)水表控制灌水量，使0?50 cm 土層含水量為田間持水量的45%～50%持續(xù)7 d 作為干旱脅迫處理，然后測(cè)定相關(guān)熒光參數(shù)。對(duì)照含水量始終保持為田間持水量的70%～75%。

1.2 指標(biāo)測(cè)定及方法

快速葉綠素a 熒光誘導(dǎo)曲線的測(cè)定：根據(jù)Strasser等[19]的 方 法，在11:00?13:30，利用植物效率分析儀(Handy-PEA,Hansatech, Norfolk,UK)，于室溫下測(cè)量了各處理第15片全完展開(kāi)葉的熒光參數(shù)。在測(cè)量之前，每個(gè)處理選取5株，用葉夾固定(Hansatech)暗適應(yīng)30 min。然后打開(kāi)葉夾，用3個(gè)發(fā)光二極管(波長(zhǎng)650 nm)提供3 000μmol·(m2·s)?1的飽和光脈沖照射各處理2 s。從10μs到1 s記錄快速葉綠素a 熒光動(dòng)力學(xué)，采集20μs(FO)、300μs(FK)、2 ms (FJ)、30 ms(FI)和最大熒光強(qiáng)度(Fm)的熒光強(qiáng)度，所有數(shù)據(jù)用PEA Plus軟件進(jìn)行分析，得到OJIP測(cè)試參數(shù)，具體參數(shù)計(jì)算方法及含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[19-20]，具體指標(biāo)的含義如表1所列。為了進(jìn)一步分析不同處理間熒光動(dòng)力學(xué)的差異，將初始葉綠素a 熒光(OJIP)瞬變?cè)贔O和Fm之間進(jìn)行歸一化，確定相對(duì)可變熒光VOX=(Ft?FO)/(FX?FO)，X分別表示K、I、J、P和t為自變量(照射時(shí)間)； ?VOX=VOX(干旱處理)?VOX(對(duì)照)；VIP=(Ft?FI)/(Fm?FI)。

表1 葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetic parametersof chlorophyll fluorescence

葉片凈光合速率的測(cè)定：在自然光強(qiáng)下，于11:00到13:00，用CIRAS-3便攜式光合儀(PP Systems，USA)在田間活體測(cè)定各處理甜菜倒三全完展開(kāi)葉的凈光合速率[Pn，μmol·(m2·s)?1]，參比室CO2濃度為400μmol·mol?1，流速設(shè)置為300μmol·s?1。每個(gè)處理測(cè)定4株，以3 片葉的平均值為該處理的測(cè)定值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析均采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行，用平均值± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示測(cè)定結(jié)果，分別對(duì)同一品種不同干處理進(jìn)行雙因素方差分析，并用Duncan 法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較；采用Excel 2016制圖。

2 結(jié)果

2.1 干旱處理對(duì)快速葉綠素a 熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的影響

各處理葉片快速熒光瞬變過(guò)程均呈現(xiàn)出典型的多相上升OJIP(圖1)。暗適應(yīng)植株開(kāi)始照光后，XJT9907品種處理間瞬態(tài)熒光就表現(xiàn)出明顯的變化，而XJT9916品種葉片處理間在照光后0.01 s之前差異不明顯。為了進(jìn)一步分析不同處理間熒光動(dòng)力學(xué)的差異，對(duì)F0和Fm之間的初始葉綠素?zé)晒膺M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，確定了相對(duì)熒光VOP，在OJ 相干旱處理葉片相對(duì)熒光迅速增加，隨后增加放緩，在I點(diǎn)后又迅速增加，于P點(diǎn)達(dá)最大值。另外，XJT9907和XJT9916品種干旱處理葉片葉綠素a 相對(duì)熒光值在K 點(diǎn)分別比對(duì)照高25.9%和23.1%。這表明，干旱脅迫破壞了PSⅡ的反應(yīng)中心，PSⅡ放氧復(fù)合體供體側(cè)受到了損傷，抑制了PSⅡ的光化學(xué)反應(yīng)；相對(duì)XJT9916品種，XJT9907品種在干旱脅迫下?lián)p傷更嚴(yán)重。

圖1 干旱脅迫下葉片熒光誘導(dǎo)曲線Figure 1 Fluorescence induction curve of leaves under drought stress

2.2 干旱處理對(duì)快速葉綠素a 熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線OK 和OJ 相的影響

K 帶反映了放氧復(fù)合體的失活或功能性PSⅡ天線尺寸的大小，L 帶是反映PSⅡ單元之間能量連接或分組情況。兩品種在干旱條件下L 帶和K 帶均清晰可見(jiàn)，并分別在0.15 ms和0.25 ms附近有一個(gè)峰值(圖2)。干旱脅迫處理可變熒光值均高于對(duì)照處理。這說(shuō)明，干旱脅迫下葉片PSⅡ單元之間能量連接性變低，PSⅡ供體側(cè)與受體側(cè)間電子傳遞不平衡，利用激發(fā)能的能力和光合系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

圖2 干旱脅迫下葉片熒光OK 相及OJ 相Figure 2 Fluorescence OK phase and OJ phase of leavesunder drought stress

2.3 干旱處理對(duì)快速葉綠素a 熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線OI 相的影響

為了評(píng)估OI相，對(duì)0.03～30 ms的熒光瞬態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[VOI= (Ft?F0)/ (FI?F0)]，得到熒光動(dòng)力學(xué)差曲線[ΔVOI=VOI(處理)?VOI(對(duì)照)]。植株VOI可變瞬態(tài)熒光曲線當(dāng)VOI< 1可反映PSⅡ捕獲的能量到質(zhì)體醌的情況，當(dāng)VOI≥1可反映質(zhì)體醌至PSⅠ最終電子受體的電子轉(zhuǎn)移情況。如圖3所示，干旱脅迫均增加了可變熒光值(VOI< 1)，ΔVOI動(dòng)力學(xué)差曲線均表現(xiàn)出明顯的正偏差。在可變熒光值VOI≥1時(shí)，干旱脅迫下XJT9907可變熒光值明顯高于對(duì)照；與XJT9907相比，XJT9916品種處理間差異不是很明顯。這說(shuō)明，干旱處理的植物捕獲的能量傳遞到傳遞到電子鏈的末端降低，PSⅠ末端電子受體容量減小，尤其XJT9907品種。

圖3 干旱脅迫下葉片熒光OI 相Figure 3 Fluorescence OI phase of leaves under drought stress

2.4 干旱處理對(duì)快速葉綠素a 熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線IP相的影響

為了評(píng)估IP相，對(duì)30～180 ms的瞬態(tài)熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[VIP=(Ft?FI)/(Fm?FI)]，作出熒光動(dòng)力學(xué)差曲線[ΔVIP=VIP(處理)?VIP(對(duì)照)]，這可反映出到達(dá)PSⅠ受體的電子通量的情況(圖4)，其中達(dá)到VIP=0.5的時(shí)間的倒數(shù)可估計(jì)PSⅠ電子受體整體被還原的速率。干旱脅迫對(duì)VIP可變瞬態(tài)熒光值的影響較小，處理間差異較小，無(wú)法判斷出干旱脅迫對(duì)PSⅠ末端電子受體的還原速率的影響。

圖4 干旱脅迫下葉片熒光IP 相Figure 4 Fluorescence IPphase of leaves under drought stress

2.5 干旱處理對(duì)葉綠素a熒光參數(shù)的影響

利用JIP-test 數(shù)據(jù)分析方法，得出干旱脅迫條件下葉片光系統(tǒng)的大量信息如表2所示。干旱脅迫下XJT9907和XJT9916品種的Fv/Fm分別比對(duì)照降低2.6%和5.1%，而ABS/RC卻增加了16.7%和23.0%。干旱脅迫下XJT9907品種PSⅡ功能降低幅度高于XJT9916，XJT9907和XJT9916品種的RC/CSO分別比對(duì)照降低31.0%和17.1%，表現(xiàn)為PSⅡ反應(yīng)中心失活。XJT9907和XJT9916品種的TRO/CSO分別比對(duì)照降低21.9%和3.5%，ETO/CSO分別降低29.8%和9.4%，表現(xiàn)為植株對(duì)激發(fā)能的捕獲和電子傳遞降低。干旱脅迫下XJT9907品種ABS/CSO、DIO/CSO、REO/CSO分別比對(duì)照低19.7%、12.2%和31.4%, 而XJT9916品種ABS/CSO、REO/CSO值略高于對(duì)照，處理間DIO/CSO值差異顯著。干旱脅迫增加了兩品種的DIO/RC、TRO/RC和ETO/RC值，但與對(duì)照相比，干旱脅迫降低了XJT9916品種的ΨEO和φEO值，但增加δRO值，對(duì)φRO值沒(méi)有影響。表現(xiàn)為吸收的光能和電子傳遞到PSⅠ末端的效率降低。干旱脅迫下XJT9907和XJT9916品種的PIabs值分別比對(duì)照降低37.9%和42.3%，PItotal值分別比對(duì)照降低43.6%和12.0%。這表明，干旱脅迫下葉片光合系統(tǒng)光化學(xué)活性和電子傳遞效率降低，光能轉(zhuǎn)化效率較低，XJT9907品種降低幅度高于XJT9916。

表2 干旱脅迫下葉綠素a 熒光參數(shù)Table 2 Chlorophyll a fluorescence parameters under drought stress

2.6 干旱處理對(duì)葉片凈光合速率的影響

干旱脅迫顯著的影響了葉片的光合能力，與對(duì)照相比，干旱脅迫下XJT9916和XJT9907品種的凈光合速率分別降低了10.3%和32.2%。這說(shuō)明，干旱脅迫降低葉片凈光速率，XJT9916品種降低幅度高于XJT9907(圖5)。

圖5 干旱脅迫下葉片凈光合速率Figure 5 Net photosynthetic rate of leaves under drought stress

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫會(huì)影響植物的光合系統(tǒng)，從而改變?nèi)~綠素a 熒光動(dòng)力學(xué)特征[21]。OJ 相揭示了PSⅡ反應(yīng)中心QA的光化學(xué)還原變化[16]。在本研究中，干旱脅迫下植株葉綠素a 熒光誘導(dǎo)曲線呈現(xiàn)典型的OJIP，其中干旱處理葉片的OJ 相可變熒光強(qiáng)度明顯高于對(duì)照，這可能是由于QA?的積累所導(dǎo)致[22-23]。一般來(lái)說(shuō)，與正常植物相比，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致PSⅠ區(qū)域的末端電子受體容量降低[24]。本研究也表明，干旱脅迫降低了植株總電子受體容量的大小，向PSⅠ受體側(cè)轉(zhuǎn)移電子的能力降低，且XJT9907品種降低幅度高于XJT9916，這與Adamski 等[25]的研究類似。在嚴(yán)重的非生物脅迫過(guò)程中植株葉片熒光誘導(dǎo)曲線中會(huì)顯示出L 帶和K 帶[14,26]。根據(jù)Yusuf 等[27]的觀點(diǎn)，明顯的正L 帶則說(shuō)明PSⅡ單元之間的能量連接或分組的減少，K 帶的出現(xiàn)則表明放氧復(fù)合物(OEC)失活和/或功能性PSⅡ天線尺寸增加。在本研究中，干旱處理葉片的L 帶和K 帶均清晰可見(jiàn)，分別在0.15和0.25 ms左右出現(xiàn)峰值。這些結(jié)果說(shuō)明，干旱脅迫導(dǎo)致葉片放氧復(fù)合體(OEC)失活，PSⅡ單位之間的能量連接性降低，PSⅡ內(nèi)受體側(cè)和供體側(cè)電子之間的不平衡。植株為應(yīng)對(duì)干旱脅迫對(duì)自身的傷害，會(huì)通過(guò)關(guān)閉氣孔避免過(guò)多的水分流失，來(lái)維持碳同化的平衡[28]，但氣孔的關(guān)閉必然升高葉片溫度，從而降低PSⅡ的光化學(xué)活性，這也是導(dǎo)致干旱脅迫處理葉片出現(xiàn)明顯的L帶和K 帶的原因[29]。

ABS/RC是對(duì)天線尺寸大小的度量，干旱脅迫通常會(huì)導(dǎo)致ABS/RC值的增加[14,17]。在本研究中，干旱處理葉片的ABS/RC 值比對(duì)照高16.7%～23.0%，這與Jedmowski 等[30]的結(jié)果一致。ABS/RC的可能的解釋為天線尺寸的大小增加或活性反應(yīng)中心減少所導(dǎo)致[17]。在本研究中，熒光曲線OJIP在干旱處理中表現(xiàn)出明顯的L 帶和K 帶，且RC/CSO顯著降低，進(jìn)一步部分支持了上述解釋。干旱脅迫條件下葉片的DIO/RC、TRO/RC、ETO/RC和REO/RC值升高，與旱敏感型品種XJT9907相比，耐旱型品種XJT9916品種具有較高的單位反應(yīng)中心電子傳遞效率(ETO/RC)，這可能與能量耗散能力高(DIO/RC)，避免了能量的過(guò)度被激發(fā)，保持了較高的光系統(tǒng)活性(RC/CSo)有關(guān)[10,18]；干旱脅迫均導(dǎo)致兩品種ΨEO、φEO下降；干旱脅迫下XJT9907品種φRO值低于對(duì)照，但對(duì)XJT9916品種φRO值沒(méi)有影響，但耐旱型品種降低幅度低于旱敏感型品種。另外，旱敏感型品種具有較低的熱耗散能力(DIO/RC，DIO/CSO)可能會(huì)增加活性氧類物質(zhì)(O2?)形成的風(fēng)險(xiǎn)，從而抑制植株D1蛋白的合成及光合酶的活性，并增強(qiáng)氧化損傷[31]。本研究中，干旱脅迫顯著降低了旱敏感型品種的TRO/CSO、ETO/CSO和REO/CSO值，降低了ABS/CSO值，而對(duì)耐旱型品種的影響較小，DIO/CSO反而高于對(duì)照，這有利于耗散過(guò)多的能量，維持光合系統(tǒng)的穩(wěn)定性。旱敏感型品種單位面積電子傳遞(ETO/CSO)能力較低主要是由于單位面積光能的吸收(ABS/CSO)、捕獲的光能(TRO/CSO)較低所導(dǎo)致[18]。

本研究結(jié)果表明，干旱脅迫降低了Fv/Fm比值。有研究者指出，PSⅡ比PSⅠ對(duì)干旱脅迫更敏感[25]，這說(shuō)明，在本研究條件下干旱脅迫已經(jīng)對(duì)葉片光合系統(tǒng)造成了損傷。與Fv/Fm相比，性能指數(shù)(PIabs, PItotal)是反映植物對(duì)環(huán)境脅迫反應(yīng)的敏感性指標(biāo)[18]，這是因?yàn)樾阅苤笖?shù)與植物的PSⅡ反應(yīng)中心、光化學(xué)反應(yīng)和電子傳遞相聯(lián)系起來(lái)，而Fv/Fm僅與Fv和Fm值的大小有關(guān)[32-33]。在本研究中，干旱脅迫下XJT9907和XJT9916品種的PI abs值分別比對(duì)照降低37.9%和42.3%，PItotal值分別比對(duì)照降低43.6%和12.0%，F(xiàn)v/Fm僅分別降低了2.6%和5.1%，干旱脅迫下性能指數(shù)降低的主要原因是光合電子傳遞的光化學(xué)效率降低。此外，還有研究者認(rèn)為，L 帶、K 帶、達(dá)到最大熒光的時(shí)間和減少的質(zhì)體醌池(面積)的大小也有助于鑒定植物的抗逆性和光合機(jī)構(gòu)狀態(tài)[10,18]。

嚴(yán)重干旱脅迫會(huì)降低了葉片的凈光合速率。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫顯著降低了葉片的凈光合速率，這可能是因?yàn)槿~片主動(dòng)減小氣孔開(kāi)度來(lái)避免過(guò)度蒸騰和減少水分散失的一種干旱適應(yīng)機(jī)制，但嚴(yán)重的干旱脅迫會(huì)通過(guò)氣孔限制和葉肉限制共同降低了葉片的同化能力[9,34]。光合能力的降低也會(huì)影響光合原初反應(yīng)和Calvin-Benson 循環(huán)之間的平衡，導(dǎo)致存在更多的過(guò)剩激發(fā)能量，從而對(duì)PSⅡ造成光抑制損害[35]。在本研究中，干旱脅迫降低了PSⅡ的光化學(xué)活性和電子傳遞能力。有研究者指出，甜菜堿和脯氨酸等調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用能夠通過(guò)提高PSⅡ的耐受性來(lái)減輕植物受干旱脅迫的損傷[36]，后期將使用甜菜堿和脯氨酸等進(jìn)行試驗(yàn)研究，以探索減輕干旱脅迫對(duì)光合結(jié)構(gòu)的損害的可能途徑。

綜上所述，甜菜葉叢期土壤含水量為45%～50%田間持水量時(shí)，導(dǎo)致XJT9907和XJT9916葉片PSⅡ單元之間的能量連接變差，抑制光系統(tǒng)之間的電子傳遞，放氧復(fù)合體(OEC)失活，PSⅡ內(nèi)受體側(cè)和供體側(cè)電子不平衡，電子傳遞反應(yīng)和Calvin-Benson循環(huán)不平衡，導(dǎo)致光抑制破壞，從而降低了葉片的CO2同化能力和光合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但抗旱品種降低幅度低于敏感型品種。