干旱脅迫對橙紅丹桂葉片光合性能的影響

劉 鵬，張 雪，吳 江，梅 麗，吳家勝

（浙江農林大學 亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300）

在自然條件下，干旱脅迫是環境脅迫的重要因子之一，干旱脅迫對植物生長和代謝的影響是多方面的，其中對光合作用的影響尤為突出[1～2]，而光合作用又是植物體內重要的代謝過程，它的強弱對植物生長發育及抗逆性都有重要影響，因而可用光合作用參數作為判斷植物生長和抗逆性強弱的指標[3～4]。

桂花（Osmanthus fragrans）屬于木犀科（Oleaceae）木犀屬（Osmanthus），樹干端直，樹冠圓整，四季長青，花期正值仲秋，香飄數里，是我國人民喜愛的傳統園林花木，同時桂花也是香精、藥材、食品和輕工業等的寶貴原料。桂花主要分布于我國長江流域各省及華南地區，不耐寒冷干燥，在干旱瘠薄地種植，生長瘦長，發育不良。目前，有關桂花的研究主要集中在品種分類、精油含量、桂花的繁殖、培養和管護、生長發育過程中的相關指標變化[5]。對桂花的光合作用也有初步研究[5～9]，但均不系統和深入，對干旱脅迫下桂花光合性能的研究更少且研究內容和方法相對簡單不全面[9]。本文較系統地研究了干旱脅迫對桂花光合性能的影響，通過分析初步判斷桂花對干旱脅迫和光照強度的適應性，為桂花的栽培和管護以及在干旱和半干旱地區的推廣提供理論依據。

1 實驗材料和方法

1.1 試驗材料

供試苗木為3年生橙紅丹桂（Osmanthus fragrans“Chenghongdangui”）扦插容器苗（由杭州園林綠化工程有限公司提供），生長狀況和外形基本一致，平均苗高為26.5 cm，平均地徑為4.56 mm。2008年3月將橙紅丹桂移栽到容量為5 L的硬質塑料花盆中，栽培基質為臨安牧家橋附近花崗巖發育的沙壤土，裝盆土量為3.5 kg，其土壤的田間持水量為28.8%，pH值為6.16，速效鉀濃度為65.87 mg/kg，有效磷濃度為4.02 mg/kg，水解氮濃度為112.03 mg/kg，有機質含量為24.2 g/kg，并在盆下再套一個塑料托盆，防止水肥和基質的流失。實驗前期進行常規的管護，防病蟲害，除去雜草，并保證土壤水肥充足。

1.2 試驗設計及處理

本實驗在浙江農林大學東湖校區簡易大棚內進行，采用盆栽控水法人工模擬干旱脅迫，設置5個不同梯度的干旱處理：15%土壤田間持水量（W1）、30%土壤田間持水量（W2）、45%土壤田間持水量（W3）、60%土壤田間持水量（W4）和75%土壤田間持水量（ck）。每個處理30盆。采用隨機區組實驗設計。利用稱重法控制土壤含水量，于2008年7月20日開始進行干旱處理，7月23日各處理的土壤含水量均達到實驗要求的水平，于每日7:00測定每個梯度的土壤含水量，并補足水分，使土壤含水量控制在設定的梯度之內。

1.3 指標測定和數據處理方法

于干旱處理后的第7、第14、第21、第28天，選第二到第三輪生長健康的功能葉測量其光合生理生態指標，并于第15天進行光響應曲線和CO2響應曲線的測定。每個處理重復測定5次，測定時間均為9:30－11:30和14:00－16:00，晴天測定（遇陰雨天則適當提前或延后），測定期間日平均溫度為30.4℃，平均濕度為71.3%。

1.3.1 同一光強、溫度、CO2濃度條件下的光合生理指標測定 采用美國Licor公司生產的Li-6400便攜式光合測定系統進行凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）等光合氣體交換參數測定，并計算水分利用效率（WUE），WUE=Pn/Tr。測定時，設定光合有效輻射（PAR）為1200 μmol·m－2·s－1、進氣 CO2濃度（Ca）為 450 μmol·mol－1、流速為 500 μmol·s－1、溫度為（29±1）℃。

1.3.2Pn、Gs、Ci和Tr的光響應曲線測定 利用Li-6400便攜式光合測定儀進行光響應曲線的測定。測定條件：光合有效輻射（PAR）設定為 2000、1500、1200、800、400、200、150、100、50 和 0 μmol·m－2·s－1、進氣CO2濃度（Ca）設為 450 μmol·mol－1、流速為 500 μmol·s－1、溫度為（29±1）℃。

1.3.3 CO2響應曲線測定 利用Li-6400便攜式光合測定儀進行CO2響應曲線的測定。測定條件：光合有效輻射（PAR）設定為 1200 μmol·m－2·s－1，進氣 CO2濃度（Ca）設為 0、50、100、150、200、400、600、800 μmol·mol－1、空氣流量為 400 μmol·s－1、溫度為（29±1）℃。

1.4 數據統計分析

數據處理在Excel 2007中進行，并通過SAS 8.0統計軟件對數據進行方差和多重比較分析。通過對Pn-PAR進行線性擬合，分別求出光飽和點（LSP），并對Pn-PAR曲線的初始部分（PAR＜ 200 μmol·m－2·s－1）進行線性回歸，求得表觀量子效率（AQY）、光補償點（LCP）；在0 ～ 200 μmol·mol－1的CO2濃度范圍內，對Pn-Ci進行線性擬合，求出表觀羧化效率（ACE）、CO2補償點（CCP）[7]，在0 ～ 1000 μmol·mol－1的CO2濃度范圍內，Pn未達到飽和，故無法求得CO2飽和點。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對桂花葉片光合生理指標的影響

由表1可知，隨著干旱脅迫的加劇，桂花葉片的Pn、Gs、Ci和Tr均呈現降低趨勢，而WUE則逐漸升高。其中W1處理下桂花葉片的Pn、Gs和Tr的降幅均為最大，與對照相比分別下降了74.14%、79.82%和78.26%，同時W1處理的WUE增幅也為最大（18.93%）。干旱脅迫下，桂花葉片Ci變化并不十分規律，其中W2處理下的Ci要略高于W3處理，但與對照相比明顯降低。方差分析表明，不同干旱脅迫下桂花葉片的Pn、Gs、Ci、Tr和WUE均有極顯著差異。

表1 干旱脅迫下桂花Pn、Gs、Ci、Tr及WUE的變化Table 1 Variation in Pn、Gs、Ci、Tr and WUE of O. fragrans “Chenghongdangui” seedling under different drought stress

2.2 干旱脅迫下桂花葉片Pn、Gs、Ci和Tr的光響應

干旱脅迫下，各不同處理間桂花葉片Pn的光響應過程基本相似，在0 ～ 400 μmol·m－2·s－1的低光強范圍內，Pn隨光強的增加快速上升；當光強超過400 μmol·m－2·s－1時，隨光強的增大Pn的上升速度變小，并趨于穩定。當光強超過一定強度時，不同干旱處理下桂花葉片的Pn均呈現下降趨勢（圖1）。同時隨著干旱脅迫的加劇，桂花葉片的表觀量子效率AQY、光飽和點LSP逐漸減低，而光補償點LCP則逐漸升高（表3）。

各不同干旱脅迫間桂花葉片Gs的光響應過程基本相似（圖2），在0 ～ 400 mol·m－2·s－1的低光強范圍內，Gs隨光強的增加迅速上升；當光強超過400 μmol·m－2·s－1時，Gs隨光強增加緩慢上升。各不同處理間桂花Ci的光響應過程基本相似，在0 ～ 400 μmol·m－2·s－1的低光強范圍內，Ci隨光強的增加迅速下降；當光強超過 400 μmol·m－2·s－1時，Ci隨光強增加趨于穩定；在 0 ～ 1200 μmol·m－2·s－1光強范圍內，W1處理的Ci較高，僅次于ck，但當光強超過1200 μmol·m－2·s－1時，處理W2、W3和W4的Ci略有升高并均超過W1處理（圖3）。各不同處理間Tr的光響應過程也基本相似，隨光強的增加Tr逐漸升高，且在弱光（0 ～ 200 μmol·m－2·s－1）下Tr的升高速率略高于強光（200 ～ 2000 μmol·m－2·s－1）（圖 4）。

圖1 不同干旱脅迫下桂花Pn光響應曲線Figure 1 Light response curve of Pn for O. fragrans“Chenghongdangui” Seeding under different drought stress

圖2 不同干旱脅迫下桂花Gs光響應曲線Figure 2 Light response curve of Gs for O. fragrans“Chenghongdangui”seeding under different drought stress

方差分析表明，不同干旱處理之間桂花的Pn、Gs、Ci和Tr的光響應曲線均存在極顯著差異（表2）。

圖3 不同干旱脅迫下桂花Ci光響應曲線Figure 3 Light response curve of Ci for O. fragrans“Chenghongdangui” seeding under different drought stress

圖4 不同干旱脅迫下桂花Tr光響應曲線Figure 4 Light response curve of Gs for O. fragrans“Chenghongdangui” seeding under different drought stress

表2 桂花苗木光合參數方差分析Table 2 ANOVA on photosynthetic parameters of O. fragrans “Chenghongdangui” seedlings

表3 干旱脅迫對桂花表觀量子效率、光補償點、光飽和點、表觀羧化效率、CO2補償點的影響Table 3 Effects of drought stress on AQY, LCP, LSP, ACE and CCP of O. fragrans “Chenghongdangui” seedlings

2.3 干旱脅迫下桂花葉片Pn的CO2響應

由圖5可知，在0 ～ 400μmol·mol－1的CO2濃度范圍內，不同干旱脅迫處理下的Pn變化趨勢基本一致，且隨著CO2濃度的升高Pn逐漸升高（圖5）。方差分析表明，干旱脅迫對該CO2濃度范圍內的Pn影響不顯著（F = 1.74，P = 0.1808 ＞ 0.05）。但該CO2濃度范圍內不同干旱脅迫下Pn的平均值表現為ck ＞ W4 ＞ W3 ＞ W1＞ W2（圖5）。隨著干旱脅迫的加劇桂花表觀羧化效率（ACE）逐漸降低，而CO2補償點（CCP）總體呈現升高趨勢，但ck處理的CCP略高于W4處理（表3）。

3 結論與討論

3.1 干旱脅迫對桂花葉片光合生理指標的影響

桂花的Pn、Gs、Ci、Tr以及WUE對干旱脅迫的反應比較敏感，不同干旱梯度之間存在顯著差異，隨著干旱脅迫的加劇，桂花的Pn、Gs、Ci和Tr均出現降低趨勢，而WUE則逐漸升高（表1），說明干旱脅迫下限制桂花光合速率的主要因素可能是氣孔因素。在W2處理下桂花的Ci高于W3，推測在W2處理下限制桂花光合速率的主要原因可能還有非氣孔因素。實驗結果顯示，在W4處理下，桂花葉片光合速率的下降程度顯然小于蒸騰速率的下降程度，因而葉片水分利用效率也明顯提高，在W1、W2處理下桂花幼苗的光合速率和水分利用效率均會嚴重下降，而此時的水分利用效率提高的程度卻不大（表1）。從高效用水的角度看，桂花的生長適宜的土壤水分應在W4和ck（相對含水量60% ～ 75%）范圍內，既可保證桂花具有較高光合作用水平，又能夠較大幅度地降低蒸騰耗水，從而維持最高的葉片水分利用效率。

3.2 干旱脅迫下桂花Pn、Gs、Ci、和Tr的光響應

Pn的光響應曲線則可以說明植物凈光合速率與光合有效輻射的關系[10]，在 0 ～ 2000 μmol·m－2·s－1的光強范圍內，桂花Pn的光響應過程基本一致，但不同干旱處理間具有顯著差異（表2）。在0 ～ 400 μmol·m－2·s－1的低光強范圍內，Pn隨光強的增加快速上升，當光強超過各處理的飽和光強（表3）時，Pn呈下降趨勢（圖1），推測可能是強光導致光呼吸增強或發生光抑制現象引起的[12～13]。在W3、W4和ck處理下并不會導致Pn、Gs、Ci、和Tr光響應過程變化格局的明顯變化，但在W1和W2處理下桂花的Pn的變化比較大。同時計算發現，W3、W4和ck處理下的光飽和點LSP分別為1000、1250、1500 μmol·m－2·s－1（表3），但隨著干旱脅迫的加劇桂花光飽和點LSP逐漸降低，表明在適宜環境條件下桂花對強光的適應性較高，且在較強光（PAR1000 ～2000 mol·m－2·s－1）范圍內能維持較高水平的光合性能（表3，圖1）；在ck處理下桂花的光補償點LCP只有6.45 μmol·m－2·s－1，說明桂花光合作用的光補償點LCP較低，但隨著干旱脅迫的加劇，桂花光合作用的光補償點逐漸升高（表3），說明干旱使桂花對弱光的利用能力減低[11～13]。

AQY是反映植物光合作用對弱光的吸收和轉換利用效率的指標[11,14～15]，在適宜生長條件下植物的AQY實測值在0.03 ～ 0.05[11]，本實驗測得在ck和W4處理下桂花的AQY值分別為0.0415、0.0383 mol·mol－1，處于較高水平，說明桂花的光合作用對弱光的光能吸收和轉換利用效率較高[11,14～15]，但AQY會隨干旱脅迫的加劇而明顯降低（表3）。

3.3 干旱脅迫下桂花Pn的CO2響應

干旱脅迫下，隨著CO2濃度的升高，桂花幼苗的凈光合速率顯著提高，且0 ～ 400 μmol·mol－1范圍內，各個干旱處理的Pn隨著外界CO2濃度的升高基本上呈現線性遞增趨勢（圖5）。但干旱脅迫使桂花Pn隨CO2濃度增加而升高的速度降低（圖5），進一步分析表明干旱使桂花的ACE呈現降低趨勢，而CCP基本呈現升高趨勢（表3），其中W4處理下的CCP高于ck處理，說明W4處理可能促進了桂花對低濃度CO2的利用，但W4卻能使ACE明顯降低（表3），W4與ck相比其ACE降低了59.28%。

綜上所述，干旱脅迫對桂花光合生理生態特性具有明顯影響。干旱導致桂花葉片凈光合速率下降，下降的原因主要以氣孔限制因素為主，但在重度干旱脅迫下（W1、W2）表現出由氣孔限制為主向非氣孔限制為主轉變的變化趨勢，其調控機理有待進一步研究。在含水量比較充足（W4和ck處理）的情況下，桂花對強光（1000 ～ 2000 μmol·m－2·s－1）下有較高利用效率，對弱光（0 ～ 400 μmol·m－2·s－1）也有較高的利用和轉化效率[11～13]。

圖5 不同干旱脅迫下桂花Pn的CO2響應曲線Figure 5 CO2 response curve of Ci for O. fragrans “Chenghongdangui”seeding under different drought stress

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