干旱脅迫與復(fù)水對(duì)不結(jié)球白菜光合、熒光及表型參數(shù)的影響

王玉杰,申海燕,何紅梅,孫云喬,顧 群

(上海乾菲諾農(nóng)業(yè)科技有限公司,上海 201210)

光合作用是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ),水分脅迫使植物的形態(tài)、生理等產(chǎn)生一系列反應(yīng)[1-2],從而影響光合作用,其中干旱脅迫通過(guò)氣孔和非氣孔限制(光合色素量的下降、葉綠體結(jié)構(gòu)的破壞等)抑制植物的光合作用,使得光合速率、光合產(chǎn)物的量下降,是導(dǎo)致干旱作物減產(chǎn)的重要原因[3-4],同時(shí)干旱脅迫使植株表型出現(xiàn)一系列變化[5-6]。 不結(jié)球白菜(Brassica campestris ssp.chinensis Makino)為十字花科蕓薹屬白菜亞種,在我國(guó)廣泛栽培,占秋、冬、春季蔬菜復(fù)種面積的40%—60%,在蔬菜周年生產(chǎn)和供應(yīng)中占有重要地位,并逐漸成為一種世界性蔬菜[7-8]。

研究持續(xù)干旱脅迫下不結(jié)球白菜光合作用及表型的變化,有助于認(rèn)識(shí)干旱對(duì)其傷害的內(nèi)在規(guī)律。 目前,雖然已有基質(zhì)含水量對(duì)不結(jié)球白菜的光合特性和表型的研究[9-11],但基質(zhì)含水量的設(shè)置并未完全覆蓋無(wú)旱、輕度、中度和重度干旱,因此缺乏不同程度的干旱脅迫對(duì)不結(jié)球白菜光合特性影響的研究;目前的表型研究集中在人工測(cè)量的葉面積、株高等參數(shù),利用高通量表型檢測(cè)技術(shù)對(duì)投影面積、株幅、緊密度等參數(shù)研究較少。 本研究通過(guò)持續(xù)干旱脅迫以及高通量表型檢測(cè)技術(shù)研究不結(jié)球白菜在干旱脅迫下的光合特性和表型變化,旨在揭示不結(jié)球白菜干旱脅迫與光合生理、表型性狀之間的關(guān)系,以期為不結(jié)球白菜品種選育和高產(chǎn)栽培提供光合生理生態(tài)方面的理論依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020 年2 月中下旬至4 月上旬在上海孫橋農(nóng)業(yè)園區(qū)C9-1 上海乾菲諾農(nóng)業(yè)科技有限公司溫室內(nèi)進(jìn)行,該試驗(yàn)區(qū)位于北緯31°14′,東經(jīng)121°29′,屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用上海市大面積栽培品種‘新場(chǎng)青’,該品種較抗病毒病,株型緊湊、束腰,葉綠色、脈細(xì),葉面光滑、肉質(zhì)肥厚,具有較強(qiáng)的耐寒性,經(jīng)濟(jì)效益高,材料由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。 種子處理方法為:使用5%的NaClO 溶液消毒5 min,去離子水沖洗3 次,并用去離子水浸泡30 min 后,播種于50 孔穴盤(pán)中,育苗基質(zhì)為體積比3∶1∶1的草炭、蛭石和珍珠巖的混合物。 播種10 d 后選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的不結(jié)球白菜幼苗移栽到棕色花盆中,每盆1 株,花盆尺寸為上口徑18 cm、下口徑11 cm、高12 cm,栽培基質(zhì)同育苗基質(zhì),每盆裝400 g 基質(zhì)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 干旱處理

試驗(yàn)設(shè)置2 個(gè)水分處理(CK 組和干旱組),每組15 盆。 CK 組:基質(zhì)含水量保持80%(無(wú)旱),每天9:00 稱(chēng)重補(bǔ)水;干旱組:不結(jié)球白菜幼苗長(zhǎng)至4 葉1 心時(shí)停止?jié)菜?開(kāi)始干旱處理,每天9:00 稱(chēng)重,在基質(zhì)含水量30%左右(重度干旱)恢復(fù)澆水。

1.3.2 基質(zhì)含水量的計(jì)算方法

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定土壤飽和質(zhì)量和土壤干質(zhì)量(干重):選擇3 盆在傍晚充分澆水至水從盆底流出,次日9:00 稱(chēng)重,其值減去盆重即為土壤飽和質(zhì)量;將土壤烘干并稱(chēng)重,得到土壤干重。 試驗(yàn)過(guò)程中,每天9:00 稱(chēng)重,其值減去盆重為土壤質(zhì)量。 根據(jù)計(jì)算公式,土壤相對(duì)濕度=(土壤質(zhì)量-土壤干重)∕(土壤飽和質(zhì)量-土壤干重)[12]計(jì)算每天的基質(zhì)含水量。 根據(jù)土壤相對(duì)濕度(R)的干旱等級(jí)[13]指標(biāo),可以分為60%

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

1.4.1 基質(zhì)含水量和天氣情況的測(cè)定

按照以上基質(zhì)含水量的測(cè)定方法,每天對(duì)CK 組和干旱組每盆稱(chēng)重,并計(jì)算基質(zhì)含水量;使用小型自動(dòng)氣象站W(wǎng)atchDog(Spectrum,美國(guó))記錄試驗(yàn)過(guò)程天氣情況,包括PAR、溫度、CO2濃度等數(shù)據(jù)。

1.4.2 光合參數(shù)的測(cè)定

每組選擇長(zhǎng)勢(shì)基本一致的10 株不結(jié)球白菜,采用光合-熒光測(cè)量系統(tǒng)GFS-3000(Walz,德國(guó)),設(shè)置光強(qiáng)為600 μmol·m-2·s-1。 分別在干旱組基質(zhì)含水量處于輕度干旱、中度干旱和重度干旱時(shí),即處理第3 天,第6 天,第9 天及復(fù)水后第5 天測(cè)定植株靠近葉心的第2、3 片完全展開(kāi)葉的凈光合速率(Pn),蒸騰速率(Tr),氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)參數(shù),根據(jù)公式Ls=1-Ci∕Ca(外界CO2濃度)計(jì)算氣孔限制值[14]。

1.4.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

采用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2500(Walz,德國(guó)),測(cè)定植株靠近葉心的第2、3 片完全展開(kāi)葉的PS II 的實(shí)際光化學(xué)效率Y(II)、PS II 的相對(duì)電子傳遞速率(ETR)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN),光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)等參數(shù),測(cè)定植株和時(shí)間與光合參數(shù)測(cè)定一致。

1.4.4 表型參數(shù)的測(cè)定

使用Scanalyzer PL(LemnaTec,德國(guó))可見(jiàn)光頂部鏡頭,分別在持續(xù)干旱脅迫后及復(fù)水后檢測(cè)不結(jié)球白菜的變化,即處理第9 天(重度干旱)和復(fù)水后第5 天對(duì)不結(jié)球白菜進(jìn)行無(wú)損成像,測(cè)定植株與以上一致。

1.4.5 植株地上部鮮重的稱(chēng)量

試驗(yàn)最后一天其他測(cè)定結(jié)束后,稱(chēng)量不結(jié)球白菜的地上部鮮重。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Duncan 法進(jìn)行差異顯著性分析,顯著性水平設(shè)置為α =0.05;使用Scanalyzer PL 的LemnaGrid、LemnaBase、LemnaMiner 軟件進(jìn)行表型圖片的分析,使用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)含水量和天氣情況

從表1 可以看出,隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),基質(zhì)含水量持續(xù)下降,處理第3 天為56.29%(輕度干旱)、第6 天為44.60%(中度干旱)、第9 天為29.49%(重度干旱)。 CK 組在試驗(yàn)期間均保持80%基質(zhì)含水量;試驗(yàn)第3、9 及復(fù)水后第5 天均為晴天,第6 天為陰天,且溫度偏低。

表1 持續(xù)干旱與復(fù)水下基質(zhì)含水量和天氣情況的變化Table 1 Water content of substrate and weather situation with time under continuous drought stress and rewatering

2.2 持續(xù)干旱與復(fù)水對(duì)不結(jié)球白菜光合參數(shù)的影響

從圖1 可以看出,CK 組不結(jié)球白菜Pn和Tr在處理第6 天和復(fù)水后第5 天與處理第3 天和第9 天相比變化不顯著,而Gs和Ci均在第6 天和復(fù)水第5 天出現(xiàn)明顯下降,Ls這兩天出現(xiàn)明顯上升,且這兩天之間的數(shù)值無(wú)顯著差異。 結(jié)合表1 可知,復(fù)水后第5 天溫度、外界CO2濃度與處理第3 天和第9 天差異不大,而相應(yīng)的Gs和Ci在復(fù)水后第5 天顯著降低,說(shuō)明Gs和Ci受外界PAR 影響大,復(fù)水后第5 天與處理第6 天PAR 均明顯低于其他時(shí)間,相應(yīng)的這兩天Gs和Ci無(wú)顯著差異。

干旱組不結(jié)球白菜的Pn、Tr、Gs呈下降趨勢(shì),且均于第9 天重度干旱達(dá)到最低值,復(fù)水后又上升,但均未恢復(fù)到初始狀態(tài);干旱組Ci、Ls處理第6 天、第9 天和復(fù)水后第5 天無(wú)顯著差異,并與處理第3 天差異顯著,可見(jiàn)在輕度和中度干旱脅迫時(shí)Pn和Gs下降,Ci也下降,而Ls相應(yīng)地上升。 這表明光合速率下降的主要原因是氣孔限制,重度干旱時(shí)Pn和Gs下降,Ci稍增加、Ls下降,此時(shí)光合速率下降的主要原因是非氣孔限制[15]。

Pn在干旱處理第3 天(輕度干旱)、第6 天(中度干旱)、第9 天(重度干旱)分別比同一天CK 下降4.38%、26.29%、43.30%,Tr分別下降14.71%、34.18%、58.77%,Gs分別下降15.41%、35.65%、77.47%,Ci分別下降10.58%、12.04%、17.55%,Ls分別上升38.61%、26.61%、55.92%。 Pn、Tr、Gs從干旱處理第6 天(中度干旱)與CK 差異顯著,Ci、Ls從干旱處理第3 天(輕度干旱)就與CK 差異顯著,復(fù)水后Pn、Tr、Gs回升,但Pn、Tr、Gs、Ci仍與CK 差異顯著,說(shuō)明重度干旱使不結(jié)球白菜的光合機(jī)構(gòu)受到了損傷,復(fù)水對(duì)光合特性有一定的緩解作用,但在短期內(nèi)難以消除干旱對(duì)不結(jié)球白菜光合參數(shù)的影響。

圖1 持續(xù)干旱與復(fù)水對(duì)不結(jié)球白菜光合參數(shù)的影響Fig.1 Effects of photosynthetic parameters during continuous drought stress and rewatering on pakchoi

2.3 持續(xù)干旱與復(fù)水對(duì)不結(jié)球白菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

從圖2 可以看出,CK 組Y(II)和ETR 在第6 天、第9 天與復(fù)水后第5 天無(wú)顯著差異,并且與第3 天差異顯著,qN 之間無(wú)顯著差異,qP 之間差異均顯著,這可能與植株的生長(zhǎng)狀態(tài)有關(guān)。

圖2 持續(xù)干旱與復(fù)水對(duì)不結(jié)球白菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.2 Effects of chlorophyll fluorescence parameters during continuous drought stress and rewatering on pakchoi

干旱組Y(II)、ETR、qP 呈下降趨勢(shì),且差異顯著,并都于處理第9 天達(dá)到最低值,復(fù)水后又上升,相應(yīng)地,qN 呈上升趨勢(shì),且差異顯著,并都于處理第9 天達(dá)到最高值,復(fù)水后又下降。 說(shuō)明干旱脅迫導(dǎo)致不結(jié)球白菜PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度降低,光合電子傳遞速率下降,從天線色素上捕獲的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額減少,累積在PSⅡ反應(yīng)中心的光能過(guò)剩,通過(guò)提高qN 及時(shí)耗散了過(guò)剩的光能,有效保護(hù)了光合機(jī)構(gòu)。

Y(II)在干旱處理第3 天(輕度干旱)、第6 天(中度干旱)、第9 天(重度干旱)分別比同一天對(duì)照下降1.26%、4.34%、26.45%,ETR 分別下降0.67%、6.00%、25.46%,qP 分別下降1.46%、1.87%、20.05%,qN 分別上升3.36%、25.43%、80.42%,Y(II)、qP、qN 從干旱處理第9 天(重度干旱)與CK 差異顯著,復(fù)水后除了qN 與CK 差異顯著,其他均無(wú)顯著差異,ETR 整個(gè)過(guò)程中與CK 無(wú)顯著差異。 說(shuō)明在輕度干旱和中度干旱時(shí),反應(yīng)中心沒(méi)有受到破壞,重度干旱使不結(jié)球白菜的反應(yīng)中心可逆失活,復(fù)水后反應(yīng)中心可基本恢復(fù)。

2.4 持續(xù)干旱與復(fù)水對(duì)不結(jié)球白菜表型參數(shù)和地上部鮮重的影響

由圖3 可看出,CK 組和干旱組復(fù)水后第5 天均比處理第9 天的植株增大;干旱處理第9 天的不結(jié)球白菜植株明顯小于CK,此時(shí)干旱組植株出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象,葉片下垂;復(fù)水后第5 天,干旱組植株萎蔫現(xiàn)象消失,植株增大,但仍然明顯小于同一天CK 組的植株。 說(shuō)明持續(xù)干旱使不結(jié)球白菜的生長(zhǎng)明顯受阻,且短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)。

圖3 不結(jié)球白菜可見(jiàn)光頂部圖片獲取Fig.3 Vis top images acquisition of pakchoi

由圖3 和表2 可知,CK 組復(fù)水后第5 天與處理第9 天相比,投影面積、株幅分別增加23.32%、6.24%,緊密度變化不顯著,干旱組復(fù)水后第5 天與處理第9 天相比,投影面積顯著增加28.93%、株幅增加10.05%,緊密度變化不顯著。 可見(jiàn),干旱組經(jīng)過(guò)持續(xù)干旱脅迫,復(fù)水后短期內(nèi)投影面積和株幅增速高于CK,說(shuō)明不結(jié)球白菜對(duì)干旱脅迫的恢復(fù)能力強(qiáng)。

表2 持續(xù)干旱與復(fù)水下對(duì)不結(jié)球白菜表型參數(shù)和地上部鮮重的影響Table 2 Effect of phenotype parameters and aboveground fresh weight during continuous drought stress and rewatering on pakchoi

處理第9 天CK 組投影面積、株幅分別高于干旱組25.43%、16.20%,差異顯著,干旱組緊密度高于CK 組2.53%,說(shuō)明持續(xù)干旱使不結(jié)球白菜投影面積、株幅顯著降低,不結(jié)球白菜通過(guò)增大緊密度以減少蒸騰作用,從而減少干旱對(duì)自身的損傷[16]。

復(fù)水后第5 天,CK 組投影面積、株幅高于干旱組,分別高出19.98%、12.61%,干旱組緊密度高于CK 6.33%,CK 地上部鮮重高于干旱組25.42%,差異均顯著。 與處理第9 天相比,復(fù)水后第5 天CK 與干旱組的投影面積、株幅差距減小,說(shuō)明復(fù)水使干旱組不結(jié)球白菜的表型性狀在一定程度恢復(fù),但復(fù)水后第5天干旱組投影面積、株幅、緊密度及地上部鮮重仍與CK 差異顯著,說(shuō)明復(fù)水后短期內(nèi)難以消除干旱對(duì)不結(jié)球白菜的影響。

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫對(duì)植物光合作用的抑制包括氣孔限制和非氣孔限制,氣孔限制是造成光合能力下降的首要原因,輕度干旱導(dǎo)致氣孔阻力增大,光合速率降低[17]。 隨著干旱程度的加深,葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,膜系統(tǒng)遭受損傷,光合電子傳遞系統(tǒng)遭到破壞等,這些非氣孔限制因素導(dǎo)致光合速率下降,電子傳遞速率、光化學(xué)淬滅、PSⅡ的實(shí)際量子產(chǎn)量下降,非光化學(xué)淬滅上升[18-20]。 本試驗(yàn)中,在輕度干旱和中度干旱下,不結(jié)球白菜的光合速率Pn與氣孔導(dǎo)度Gs同時(shí)下降時(shí),胞間CO2濃度Ci也下降,相應(yīng)的Ls上升,說(shuō)明輕度和中度干旱使不結(jié)球白菜光合速率下降主要是由于氣孔限制[21];在重度干旱下,Ci不再隨著Pn與Gs的下降而降低,Ls下降,說(shuō)明重度干旱使不結(jié)球白菜的光合作用下降主要由非氣孔限制導(dǎo)致[22];復(fù)水后Pn、Tr、Gs回升,但Pn、Tr、Gs、Ci仍與CK 仍差異顯著,說(shuō)明重度干旱使不結(jié)球白菜的光合機(jī)構(gòu)受到了損傷,復(fù)水對(duì)光合特性有一定的緩解作用,但在短期內(nèi)難以消除干旱對(duì)不結(jié)球白菜光合參數(shù)的影響。

干旱脅迫對(duì)植物光合作用的影響可通過(guò)葉綠素?zé)晒鈪?shù)快速、靈敏地研究[23-24]。 干旱脅迫對(duì)植物的傷害主要通過(guò)PSⅡ來(lái)體現(xiàn)[25],為避免或減輕過(guò)剩光能對(duì)其系統(tǒng)的損傷,PSⅡ調(diào)節(jié)電子傳遞速率和光化學(xué)效率,提高熱耗散能力[26]。 本試驗(yàn)中,Y(II)、ETR、qP 干旱期間一直下降,qN 一直上升,說(shuō)明干旱脅迫導(dǎo)致不結(jié)球白菜PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度降低,光合電子傳遞速率下降,光化學(xué)效率降低,累積在PSⅡ反應(yīng)中心的光能過(guò)剩,通過(guò)提高qN 耗散過(guò)剩的光能,以保護(hù)光合機(jī)構(gòu)。 李鵬民等[27]指出,在某些脅迫下,PSⅡ反應(yīng)中心發(fā)生可逆性失活,能吸收光能但不能推動(dòng)電子傳遞,逆境解除后,失活的反應(yīng)中心又恢復(fù)活性;本試驗(yàn)中,不結(jié)球白菜在輕度和中度干旱下Y(II)、qP、qN、ETR 與CK 差異不顯著,在重度干旱下Y(II)、qP、qN 與CK 差異顯著,復(fù)水后除了qN 與CK 差異顯著,Y(II)、qP、qN、ETR 均差異不顯著。 說(shuō)明在輕度干旱和中度干旱時(shí),反應(yīng)中心沒(méi)有受到破壞,重度干旱使不結(jié)球白菜的反應(yīng)中心可逆失活,復(fù)水后反應(yīng)中心可基本恢復(fù)。 綜合光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的試驗(yàn)結(jié)果可知,重度干旱并未對(duì)不結(jié)球白菜的光合機(jī)構(gòu)造成不可逆的損傷。

干旱脅迫影響植物表型,不同植物種類(lèi)的響應(yīng)機(jī)制不同,導(dǎo)致表型的變化不同[28],因此可通過(guò)對(duì)植物表型的探索來(lái)研究干旱脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。 近年來(lái)基于光學(xué)成像和圖像分析技術(shù)的高通量表型檢測(cè)技術(shù),可客觀、準(zhǔn)確、快速、無(wú)損檢測(cè)植株的表型性狀[29]。 表型性狀投影面積可預(yù)估產(chǎn)量,緊密度、株幅可評(píng)價(jià)株型[30]。 本研究通過(guò)高通量表型檢測(cè)技術(shù)得知,持續(xù)干旱使不結(jié)球白菜的投影面積、株幅顯著降低,緊密度升高,以減少干旱對(duì)自身的損傷;復(fù)水后干旱組不結(jié)球白菜短期內(nèi)投影面積、株幅增速高于CK,說(shuō)明不結(jié)球白菜對(duì)干旱脅迫的恢復(fù)能力強(qiáng);但復(fù)水后第5 天干旱組投影面積、株幅、緊密度及地上部鮮重仍與CK 差異顯著,說(shuō)明復(fù)水后短期內(nèi)難以消除干旱對(duì)不結(jié)球白菜的影響。

綜上,不結(jié)球白菜輕度和中度干旱下主要由于氣孔限制導(dǎo)致光合速率下降,重度干旱時(shí)光合速率下降的原因主要是非氣孔限制;持續(xù)干旱未對(duì)不結(jié)球白菜的光合機(jī)構(gòu)造成不可修復(fù)的損傷,不結(jié)球白菜對(duì)干旱脅迫的恢復(fù)能力強(qiáng),但復(fù)水后短期內(nèi)難以消除干旱對(duì)不結(jié)球白菜光合特性和表型的影響。 本研究可為不結(jié)球白菜的品種選育和高產(chǎn)栽培提供光合生理生態(tài)方面的理論依據(jù)與參考。