典型巖溶濕地植物狹葉香蒲對鈣脅迫的光合熒光響應(yīng)*

彭 博 徐鳴洲 王 妍 王艷霞# 劉云根，2

(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224;2.云南省山地農(nóng)村生態(tài)環(huán)境演變與污染治理重點實驗室，云南 昆明 650224)

葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)作為一種非破壞性的評價方法，可以在脅迫環(huán)境下準(zhǔn)確、快速地了解植物光合作用能量吸收、傳遞、耗散、分配，與“表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比，葉綠素?zé)晒鈪?shù)更具有反映“內(nèi)在性”的特點[15]，在環(huán)境穩(wěn)定或環(huán)境因素波動的情況下快速靈敏準(zhǔn)確地研究和探測植物狀況。本研究以巖溶濕地典型挺水植物狹葉香蒲為對象，研究了狹葉香蒲在高鈣環(huán)境下的光合特征和響應(yīng)，有助于進(jìn)一步認(rèn)識和了解挺水植物在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的功能，為巖溶生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建提供理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試植物

狹葉香蒲系多年生草本植物，水生或旱生，根狀莖呈乳黃色、灰黃色，前段白色。地上莖直立，粗壯，高1.2～2.5 m。在云南中部高原地區(qū)，狹葉香蒲生長周期較為穩(wěn)定，幼苗期、花果期、枯黃期分別在4月中旬至6月上旬、6月中旬至9月下旬、10月上旬至12月上旬。本研究供試狹葉香蒲取自昆明市泛亞苗圃基地，挑選生長狀況及培養(yǎng)時間相近的幼株，試驗前先緩苗14 d。

1.1.2 供試土樣

供試土樣取自昆明市盤龍區(qū)海拔1 900 m的呼馬山低洼沼澤地段表層(0～20 cm)，采樣后土樣在陰涼條件下自然晾干，通過錘碎、磨細(xì)后過4 mm篩備用，供試土樣基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土樣基本性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

通過向供試土樣中添加Ca(NO3)2·4H2O的方式，設(shè)置8個不同鈣脅迫處理，分別為0(空白對照)、300、600、900、1 200、1 500、1 800、2 100 mg/kg，每個梯度設(shè)置3個重復(fù)。試驗裝置為圓柱形聚氯乙烯培養(yǎng)桶(半徑8.0 cm，高23.0 cm)，每個桶中放置3.5 kg供試土樣，灌水5 L，使土壤處于水淹狀態(tài)，熟化2周后在每個培養(yǎng)桶中栽種性狀基本一致的香蒲6株，模擬構(gòu)建濕地植物-水-底泥體系。試驗過程中每個處理組的光照、通風(fēng)條件一致，白天培養(yǎng)溫度(25±5) ℃，夜晚培養(yǎng)溫度(15±5) ℃，試驗共進(jìn)行90 d，每30 d為一個周期，測定狹葉香蒲葉綠素含量和快速葉綠素?zé)晒鈪?shù)。葉綠素含量采用無水乙醇法(Amon法)提取并測定[16]；快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)(OJIP)曲線由美國Opti-science公司生產(chǎn)的OS5P+便攜式脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x測取。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣脅迫對狹葉香蒲葉綠素含量的影響

植物中葉綠素的含量在一定程度上反映了其光合作用的程度，葉綠素含量高，植物光合作用強(qiáng)，植物長勢好[17]。此外，植物耐營養(yǎng)鹽的特性也與植物葉片光合作用有密切聯(lián)系，從而影響植物的生長[18]。由圖1可見，在相同鈣脅迫濃度下，培養(yǎng)時間對狹葉香蒲中葉綠素含量的影響呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，在相對較低水平的鈣脅迫(0～900 mg/kg)下，培養(yǎng)60 d的狹葉香蒲葉綠素含量最大，而在較高水平的鈣脅迫(1 200～1 800 mg/kg)下，長時間的培養(yǎng)有助于植物抵抗鈣脅迫，隨培養(yǎng)時間延長，狹葉香蒲葉綠素含量逐漸增加?？梢?，狹葉香蒲生活在一定濃度的營養(yǎng)鹽中，可使葉綠素增加和捕獲的光能增加并進(jìn)行較高效的光合作用，有助于植物生長。

圖1 不同鈣脅迫水平下狹葉香蒲的葉綠素質(zhì)量濃度Fig.1 Mass concentration of Typha angustifolia L. chlorophyll under different levels of calcium stress

在相同培養(yǎng)時間下，狹葉香蒲中葉綠素含量隨鈣脅迫濃度的增加也呈現(xiàn)出不同變化趨勢。對于培養(yǎng)30 d的狹葉香蒲，其葉綠素含量隨鈣脅迫濃度的增加總體呈下降趨勢，在300～2 100 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲中葉綠素含量與空白對照組相比下降2%～51%；對于培養(yǎng)60、90 d的狹葉香蒲，隨著鈣脅迫質(zhì)量濃度從300 mg/kg增至2 100 mg/kg，葉綠素含量總體呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)培養(yǎng)60 d時，狹葉香蒲在900 mg/kg鈣脅迫下葉綠素質(zhì)量濃度最高，為29.18 mg/g，培養(yǎng)達(dá)90 d時的狹葉香蒲在1 200 mg/kg鈣脅迫下葉綠素質(zhì)量濃度最高，為32.67 mg/g，比相同培養(yǎng)時間下的空白對照組多出123%。

狹葉香蒲在中等鈣脅迫(900～1 800 mg/kg)下開啟自我防御機(jī)制，使其在長時間的脅迫過程中呈現(xiàn)一定的抗逆性，總體生長良好，葉綠素質(zhì)量濃度增加；在高水平鈣脅迫(2 100 mg/kg)下，不同培養(yǎng)時間的狹葉香蒲可以生存，但生長緩慢，葉綠素含量與空白對照組相比均顯著降低(p<0.05)，表明狹葉香蒲自身調(diào)節(jié)能力具有一定局限，即調(diào)節(jié)能力存在一定的閾值，若超過閾值則無法正常進(jìn)行生命活動，無法正常生長。AGASTIAN等[19]的研究指出，造成葉綠素含量降低的原因可能是高濃度鈣脅迫打破了植物根系離子間平衡，從而限制了鐵離子向原卟啉分子運輸。葉綠素含量降低減少葉片對光子的捕獲，進(jìn)而降低光合機(jī)構(gòu)受光氧化的破壞，這也是植物適應(yīng)干旱和強(qiáng)光脅迫的一種光保護(hù)調(diào)解機(jī)制[20]。由以上分析得出，不同條件下，耐營養(yǎng)鹽能力強(qiáng)弱與光合作用的強(qiáng)弱聯(lián)系密切，葉綠素可作為觀測高鈣環(huán)境中挺水植物研究的一項重要指標(biāo)。

2.2 鈣脅迫對狹葉香蒲OJIP曲線的影響

植物的OJIP曲線可以反映植物光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的原初光化學(xué)反應(yīng)及光合機(jī)構(gòu)電子傳遞狀態(tài)等過程[21]。圖2為培養(yǎng)30、60、90 d狹葉香蒲的OJIP曲線。由圖2可知：(1)培養(yǎng)90 d的狹葉香蒲，在不同鈣脅迫水平下熒光強(qiáng)度均迅速上升，在快速熒光0.1 s后達(dá)到1 500以上。(2)培養(yǎng)60、90 d的狹葉香蒲，在2 100 mg/kg鈣脅迫下OJIP曲線初始斜率最低，此時光合電子最大傳遞效率較小，光合能力較弱。(3)隨著培養(yǎng)時間的延長，不同水平鈣脅迫下狹葉香蒲OJIP曲線差異變小，1 500～2 100 mg/kg處理組上升趨勢較大。培養(yǎng)30 d的狹葉香蒲，不同水平鈣脅迫下熒光強(qiáng)度有所差距；培養(yǎng)90 d的狹葉香蒲OJIP曲線趨勢較集中?？梢姫M葉香蒲在長時間脅迫下通過自身調(diào)節(jié)應(yīng)對不同濃度脅迫從而提高自身光合和捕獲光子能力，且在不同脅迫水平下達(dá)到相近熒光強(qiáng)度，緩解葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)額下降，繼續(xù)維持體內(nèi)正?；瘜W(xué)反應(yīng)和生理機(jī)能。

圖2 狹葉香蒲葉片在不同水平鈣脅迫下的OJIP曲線Fig.2 The OJIP curve of Typha angustifolia L. leaves under different levels of calcium stress

2.3 鈣脅迫對狹葉香蒲PSⅡ核心熒光參數(shù)的影響

參考文獻(xiàn)[22]，計算狹葉香蒲PSⅡ在不同鈣脅迫水平及不同培養(yǎng)時間下的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)，結(jié)果見圖3。由圖3可知，狹葉香蒲Fv/Fm平均值在0.616～0.842，總體變化較穩(wěn)定。在300～1 200 mg/kg的鈣脅迫下Fv/Fm基本持平在0.808～0.842，相比其他水平的鈣脅迫處理，變化相對穩(wěn)定。隨著鈣脅迫水平增加，F(xiàn)v/Fm出現(xiàn)下降趨勢并在2 100 mg/kg處理組出現(xiàn)最低值(0.616)。這是因為隨著鈣脅迫水平增加，狹葉香蒲內(nèi)葉綠素含量降低，集光色素捕獲的光子減少，使PSⅡ光反應(yīng)中心有效光能轉(zhuǎn)化效率下降，從而導(dǎo)致Fv/Fm下降[23]。Fv/Fm通常用來反映植物受外界脅迫的程度[24]，一般為0.80～0.85，當(dāng)植物遭受脅迫后將明顯下降。從圖3可見，300～1 200 mg/kg鈣脅迫下狹葉香蒲的Fv/Fm在正常區(qū)間，說明此濃度下挺水植物狹葉香蒲反應(yīng)中心受損程度小，有較大光化學(xué)量子效率以進(jìn)行光合作用；2 100 mg/kg鈣脅迫下Fv/Fm顯著降低，反映了PSⅡ反應(yīng)中心電荷分離的實際量子效率降低，最終影響到自身生長。

圖3 不同鈣脅迫水平下狹葉香蒲的Fv/Fm變化Fig.3 Changes of Fv/Fm of Typha angustifolia L. under different levels of calcium stress

參考文獻(xiàn)[25]，利用葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)計算狹葉香蒲PSⅡ在不同鈣脅迫濃度下單位反應(yīng)中心吸收的光能(ABS/RC)、單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量(ET0/RC)以及單位截面用于電子傳遞的能量(ET0/CS)，結(jié)果見圖4。在不同鈣脅迫水平下，狹葉香蒲的ABS/RC與ET0/RC變化趨勢相似。對于培養(yǎng)30 d的狹葉香蒲，隨著鈣脅迫水平增加，ABS/RC與ET0/RC總體呈上升趨勢，并在2 100 mg/kg達(dá)到最大值，說明狹葉香蒲表現(xiàn)出較明顯抗逆性。培養(yǎng)過程中，狹葉香蒲ET0/CS相對較高，900～1 200 mg/kg的鈣脅迫處理下，狹葉香蒲ET0/CS基本維持在203.284～226.421，且培養(yǎng)時間對ET0/CS的影響不顯著(p>0.05)。隨著鈣脅迫質(zhì)量濃度提高到1 500 mg/kg，狹葉香蒲ET0/CS均達(dá)到相對低值，說明鈣脅迫對于狹葉香蒲的生長發(fā)育產(chǎn)生阻礙作用，植物通過降低光能吸收，以保護(hù)光合器官不會受到破壞。進(jìn)一步提高鈣脅迫質(zhì)量濃度，狹葉香蒲ET0/CS有所升高，且不同培養(yǎng)時間下的差異逐漸增大，可見植物已經(jīng)逐漸適應(yīng)高鈣環(huán)境，啟動維持自身生命活動的生理機(jī)制。

圖4 不同鈣脅迫水平下狹葉香蒲ABS/RC、ET0/RC和ET0/CS的變化Fig.4 Changes of ABS/RC，ET0/RC and ET0/CS of Typha angustifolia L. under different levels of calcium stress

綜上得出，在不同鈣脅迫水平下，狹葉香蒲的熒光參數(shù)存在相應(yīng)變化，總體看來，900～1 200 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲在不同培養(yǎng)時間的熒光參數(shù)都較為穩(wěn)定，1 800～2 100 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲熒光參數(shù)隨著培養(yǎng)時間的變化出現(xiàn)波動且不穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

(1) 不同水平鈣脅迫下，狹葉香蒲葉片葉綠素含量指標(biāo)變化有較明顯差異。狹葉香蒲在鈣脅迫下導(dǎo)致生命活動和各種生理反應(yīng)受到了阻礙，隨著鈣脅迫水平和培養(yǎng)時間的增加，葉綠素質(zhì)量濃度最高可達(dá)32.67 mg/g。900～1 800 mg/kg的鈣脅迫下培養(yǎng)一段時期后生長較良好，更高濃度鈣脅迫(2 100 mg/kg)處理下，狹葉香蒲可以生存，但生長緩慢。因此在鈣脅迫水平為900～1 800mg/kg外界環(huán)境中可以優(yōu)先考慮建植挺水植物狹葉香蒲。

(2) 鈣脅迫對香蒲OJIP曲線的影響明顯，培養(yǎng)30 d的狹葉香蒲，不同水平鈣脅迫下熒光強(qiáng)度有所差距，培養(yǎng)90 d的狹葉香蒲OJIP曲線趨勢較集中，狹葉香蒲在脅迫環(huán)境中可在一定時間內(nèi)通過自身調(diào)節(jié)來提高光合和捕獲光子能力，緩解葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)額下降，繼續(xù)維持體內(nèi)正?；瘜W(xué)反應(yīng)和生理機(jī)能。

(3) 鈣脅迫對狹葉香蒲的光合特性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響明顯，總體看來900～1 200 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲在不同培養(yǎng)時間的熒光參數(shù)都較為穩(wěn)定，1 800～2 100 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲熒光參數(shù)隨著培養(yǎng)時間的變化出現(xiàn)波動且不穩(wěn)定。可見，隨著鈣脅迫時間增加以及脅迫水平增大，狹葉香蒲通過對自身調(diào)整以及電子傳遞限制，降低對PSⅡ的損傷，提高對鈣脅迫的耐受性，但其自身調(diào)節(jié)具有一定能力局限，即調(diào)節(jié)能力存在一定的閾值，若超過閾值則無法正常進(jìn)行生命活動。