干旱復(fù)水對(duì)白姜花光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

劉曉洲，郭浩軒，卓定龍，鄧演文，曾 鳳

（廣州普邦園林股份有限公司，廣州 510627）

0 引言

近年來(lái)，全球氣候逐步變暖，生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，導(dǎo)致干旱災(zāi)害頻發(fā)，且有愈演愈烈之勢(shì)[1]。華南地區(qū)雖年平均降雨量多，但主要集中在夏季，在全球環(huán)境惡化的大環(huán)境下，近年來(lái)水資源豐富的珠三角地區(qū)也時(shí)常遭受持續(xù)干旱的侵害，再加上溫度高、光照時(shí)間長(zhǎng)，給森林撫育、農(nóng)業(yè)灌溉、園林綠化帶來(lái)了巨大的危害。白姜花(Hedychium coronarium)是姜科(Zingiberaceae)姜花屬(Hedychium)的多年生草本觀賞植物，其株型優(yōu)美、花香怡人、適應(yīng)性強(qiáng)，是華南地區(qū)極具特色的經(jīng)濟(jì)作物和園林應(yīng)用植物，具有很高開(kāi)發(fā)利用價(jià)值[2]。干旱嚴(yán)重制約白姜花生長(zhǎng)，導(dǎo)致其生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)花率低甚至死亡。因此開(kāi)展白姜花在干旱脅迫下的生理生態(tài)響應(yīng)研究對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)和應(yīng)用具有重要意義。干旱造成植物水分虧缺，是植物最常遭受的非生物脅迫之一[3]。干旱脅迫會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，導(dǎo)致植物光合作用下降和葉綠素?zé)晒夂肯陆礫4]。光合作用對(duì)于干旱脅迫十分敏感，光合參數(shù)是植物光合作用的直接反饋，而葉綠素?zé)晒馐枪夂献兓闹匾笜?biāo)，能夠準(zhǔn)確反映植物所受干旱的脅迫程度，目前在植物生理研究中已廣泛應(yīng)用光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為觀測(cè)指標(biāo)[5-6]。李彥霞等[7]研究了干旱脅迫下6種燕麥品種的光合、熒光參數(shù)的變化，并篩選出了抗旱的燕麥品種。馮延芝等[8]研究了干旱復(fù)水對(duì)楸葉泡桐幼苗光合和葉綠素?zé)晒獾挠绊?，分析了楸葉泡桐的抗旱能力。宮麗丹等[9]研究了持續(xù)干旱對(duì)4種油棕幼苗葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，并對(duì)4種油棕的抗旱性進(jìn)行了比較。李娟等[10]研究了干旱脅迫下黃條金剛竹的光合和葉綠素?zé)晒馓匦?，發(fā)現(xiàn)黃金金剛竹適宜在土壤含水量大于12%的土壤中生長(zhǎng)。時(shí)麗冉等[11]研究了干旱脅迫對(duì)4種谷子的光合性能及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，篩選了抗旱性的谷子品種。目前，未見(jiàn)關(guān)于干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響的研究。筆者研究在干旱脅迫和復(fù)水處理下白姜花葉片的光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，以期了解白姜花在干旱復(fù)水過(guò)程的生理響應(yīng)機(jī)制，為白姜花生長(zhǎng)的水分管理、栽培養(yǎng)護(hù)、應(yīng)用推廣以及姜花屬抗旱品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年3—8月在普邦股份從化苗場(chǎng)姜科種質(zhì)資源圃溫室大棚進(jìn)行。3月選取大小相似的白姜花塊莖種植于30 cm×30 cm的無(wú)紡布種植袋中，種植基質(zhì)為60%泥炭土、30%紅壤土和10%河沙混合均勻而成，正常養(yǎng)護(hù)5個(gè)月；8月選取生長(zhǎng)健壯、大小均一、未形成花芽、無(wú)病蟲(chóng)害的白姜花單株用于試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)段溫室大棚內(nèi)平均溫度為28～36℃，平均空氣相對(duì)濕度為58%，遮陰度為50%。

1.2 試驗(yàn)方法

將植株擺放到溫室大棚同一片避雨區(qū)域內(nèi)，連續(xù)7天澆透水，之后開(kāi)始自然干旱脅迫試驗(yàn)，分別于干旱后第0、3、6、9、12天和復(fù)水后第3天測(cè)定土壤含水量、光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，重復(fù)5株測(cè)定。

1.3 指標(biāo)參數(shù)的測(cè)定

采用上?；ǔ备呖粕a(chǎn)的水分儀(SFY-001)，在每株白姜花靠近根莖處將探頭插入土壤10 cm進(jìn)行土壤相對(duì)濕度(R)測(cè)定，重復(fù)測(cè)量5次，取平均數(shù)。

枯萎葉片是指葉面超過(guò)一半的區(qū)域已經(jīng)枯黃萎蔫的葉片。葉片枯萎率由式(1)計(jì)算得到。

測(cè)定日上午9:00—11:00，選擇生長(zhǎng)狀態(tài)相似、無(wú)相互遮陰的白姜花作為測(cè)定植株，選取植株頂部未枯萎的成熟葉片，利用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合作用測(cè)量?jī)x測(cè)量葉片的光合參數(shù)，光強(qiáng)為1200 μmol/(m2·s)，外加 CO2瓶調(diào)節(jié)大氣 CO2濃度(Ca)為400 μmol/mol。測(cè)量參數(shù)包括光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。水分利用效率(WUE)和氣孔限制值(Ls)由式(2)～(3)得到。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定與光合參數(shù)同時(shí)進(jìn)行。采用英國(guó)Hansatech公司生產(chǎn)的便攜脈沖調(diào)制式熒光儀(FMS-2)測(cè)量PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光合電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率Y(Ⅱ)和非光化學(xué)淬滅NPQ等熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010和SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)土壤相對(duì)濕度和植株葉片的影響

如圖1所示，隨干旱脅迫的持續(xù)進(jìn)行，土壤相對(duì)濕度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且在不同干旱脅迫時(shí)間段存在顯著性差異（P<0.05，下同），干旱脅迫前期土壤相對(duì)濕度下降幅度較大，在第6天土壤相對(duì)濕度下降了50.20個(gè)百分點(diǎn)，脅迫后期土壤相對(duì)濕度下降幅度相對(duì)較小，從第6天到第12天，土壤相對(duì)濕度僅下降了19.00個(gè)百分點(diǎn)。復(fù)水3天后，恢復(fù)到第0天的土壤相對(duì)濕度水平。干旱脅迫下白姜花植株下部葉片由下及上會(huì)逐步出現(xiàn)枯萎現(xiàn)象。如圖2所示，在第3天，未出現(xiàn)葉片枯萎現(xiàn)象，說(shuō)明短時(shí)間的干旱脅迫并不會(huì)造成白姜花葉片枯萎。而隨著干旱脅迫的進(jìn)一步加深，白姜花開(kāi)始出現(xiàn)枯萎葉片，在第6、9、12天白姜花的枯萎葉片比例分別為18.64%、43.59%和63.77%；復(fù)水3天后，無(wú)枯萎葉片增加，已枯萎葉片不能恢復(fù)，說(shuō)明這些葉片在持續(xù)干旱脅迫下可能已經(jīng)完全喪失活力。

圖1 干旱脅迫和復(fù)水過(guò)程中土壤相對(duì)濕度的變化

圖2 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花葉片的影響

2.2 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花葉片光合參數(shù)的影響

如圖3～6所示，白姜花葉片的蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)均隨著干旱脅迫的程度加深均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。白姜花葉片的Tr在干旱脅迫前期下降幅度較大，后期下降幅度較?。慌c第0天的Tr相比，第6天Tr下降了77.73%，第12天Tr下降了96.21%；復(fù)水后，Tr僅恢復(fù)到第3天的水平。與第0天的Pn相比，干旱第12天Pn下降了88.92%；復(fù)水后Pn恢復(fù)到了第0天的52.48%。白姜花葉片的Gs在干旱脅迫前期下降幅度較大，后期下降幅度較小，復(fù)水后均顯著上升。與第0天的Gs相比，第6天Gs下降了84.84%，在第12天白姜花的Gs下降了93.99%；復(fù)水后，Gs恢復(fù)到了第0天的65.29%。白姜花的Ci在第6天就出現(xiàn)了較大幅度下降，與第0天相比降低了29.55%；復(fù)水后Ci僅能恢復(fù)到第0天的80.19%。

圖3 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花葉片蒸騰速率的影響

圖4 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花葉片凈光合速率的影響

圖5 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花葉片氣孔導(dǎo)度的影響

圖6 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花胞間CO2濃度的影響

如圖7～8所示，白姜花葉片的水分利用效率(WUE)和氣孔限制值(Ls)均隨著干旱脅迫的程度的加深均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，復(fù)水后顯著下降。與第0天的WUE相比，在第12天WUE上升了1.97倍；復(fù)水后，WUE恢復(fù)到第0天的水平。與第0天的Ls相比，在第12天Ls上升了9.24倍；復(fù)水后白姜花Ls下降到了23.42%，比第3天的Ls還要高1.07倍。

圖7 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花水分利用效率的影響

圖8 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花氣孔限制值的影響

2.3 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

如圖9～13所示，白姜花葉片的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率(Y(Ⅱ))、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和光合電子傳遞速率(ETR)隨著干旱脅迫程度的加深均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，復(fù)水后顯著上升；而非光化學(xué)淬滅(NPQ)隨著干旱脅迫程度的加深均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，復(fù)水后顯著下降。與第0天的Fv/Fm相比，第12天Fv/Fm下降了19.64%；復(fù)水后Fv/Fm恢復(fù)到了第0天的93.36%。與第0天的Y(Ⅱ)相比，第12天Y(Ⅱ)下降了57.90%；復(fù)水后Y(Ⅱ)恢復(fù)到了第0天的83.42%。與第0天的qP相比，第12天qP下降了34.38%；復(fù)水后qP恢復(fù)到了第0天的91.59%。與第0天的ETR相比，第12天ETR下降了59.21%；復(fù)水后ETR恢復(fù)到了第0天88.55%。與第0天的NPQ相比，第12天NPQ上升了1.33倍；復(fù)水后NPQ恢復(fù)到了第0天的1.19倍。

圖9 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花葉片最大光化學(xué)效率的影響

圖10 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率的影響

圖11 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花光化學(xué)淬滅系數(shù)的影響

圖12 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花光合電子傳遞速率的影響

圖13 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花非光化學(xué)淬滅系數(shù)的影響

3 討論與結(jié)論

在干旱脅迫下，光合作用受氣孔因素和非氣孔因素的影響[11]。而短時(shí)間干旱脅迫下植物光合速率下降的主要原因是氣孔因素[8]。本研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫程度的持續(xù)加強(qiáng)，白姜花為了保持水分而降低Tr和Gs從而導(dǎo)致CO2進(jìn)入葉片細(xì)胞受阻，繼而引起Ci和Pn逐漸降低，而WUE和Ls則逐步升高。而在玉米[12]、小麥[13]、大豆[14]、楊樹(shù)[16]以及檸檬桉[16]等植物中也出現(xiàn)類似現(xiàn)象。在短時(shí)間干旱下Gs和Ci同時(shí)降低，導(dǎo)致Pn下降和Ls上升，說(shuō)明氣孔限制是導(dǎo)致Pn降低的主要因素[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，白姜花經(jīng)歷12天自然干旱復(fù)水后各指標(biāo)參數(shù)均可在一定程度上恢復(fù)，干旱雖然對(duì)白姜花造成了一定的傷害，但在干旱脅迫解除后可以迅速恢復(fù)，說(shuō)明損失是可逆的。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)干旱脅迫響應(yīng)敏感，葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)方法可以無(wú)損、快速地檢測(cè)干旱脅迫對(duì)植物光合作用的影響，所以常被用做干旱脅迫程度的指標(biāo)[18-20]。干旱脅迫下，當(dāng)植物吸收的光能大于光合作用所需的光能時(shí)就會(huì)發(fā)生光抑制作用，而Fv/Fm下降常被認(rèn)為是發(fā)生光抑制的標(biāo)志[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫的持續(xù)，F(xiàn)v/Fm持續(xù)顯著下降，說(shuō)明干旱脅迫下白姜花發(fā)生了明顯的光抑制作用；而在干旱第9天Fv/Fm下降到了0.70，跌至0.75以下[22]，說(shuō)明此時(shí)干旱可能對(duì)白姜花光合機(jī)構(gòu)造成了傷害。復(fù)水后Fv/Fm顯著上升恢復(fù)到了0.75～0.85，說(shuō)明環(huán)境條件改善，光合機(jī)構(gòu)能在一定程度上得以恢復(fù)[8]。植物葉片主要通過(guò)光合電子傳遞、葉綠素?zé)晒獍l(fā)射和熱消耗3種途徑來(lái)消耗吸收的光能[20]。本研究中，白姜花葉片的Y(Ⅱ)、qP和ETR隨著干旱程度的持續(xù)加深而逐步降低，說(shuō)明白姜花葉片是通過(guò)降低量子產(chǎn)額、光化學(xué)淬滅和電子傳遞速率來(lái)消散過(guò)剩的光能；而NPQ則隨著干旱程度的加深而呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明白姜花通過(guò)提高熱散耗方式將多余的光能消耗，從而減輕干旱脅迫對(duì)自身的影響。這與前人在玉米[23]、冬小麥[24]和大豆[25]上的研究結(jié)果一致。復(fù)水后各熒光參數(shù)指標(biāo)均顯著恢復(fù)，表明白姜花葉片在干旱脅迫解除后，受損的PSⅡ反應(yīng)中心得到了修復(fù)。

干旱脅迫后復(fù)水可反映植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力[17,26]。雖然持續(xù)干旱脅迫12天導(dǎo)致白姜花下部葉片枯萎，且對(duì)上部葉片的光合系統(tǒng)造成了損傷，但在復(fù)水3天后各指標(biāo)能顯著恢復(fù)，說(shuō)明白姜花具有一定的干旱適應(yīng)能力。本研究?jī)H探討了干旱脅迫和復(fù)水對(duì)白姜花光合和熒光參數(shù)的影響，目前研究還不夠深入，需要在生理生化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)等方面開(kāi)展進(jìn)一步的探索研究。