水分脅迫下新西伯利亞銀白楊光合能力變化

王 晶，邱尚志，楊青霄，楊 玲，沈海龍，崔曉濤

(1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

水的短缺始終是制約農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，是關(guān)系到造林成敗的關(guān)鍵[1]。水在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境治理和解決木材短缺方面均占有重要地位[2-3]。因此，引進(jìn)和培育抗旱性強(qiáng)的優(yōu)良楊樹(shù)品種，對(duì)我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境改良具有重要意義。

新西伯利亞銀白楊(Populusbachofenii×P.pyramidalis‘ROZ’)是適用于北方城市綠化和用材林培育的樹(shù)種，具有生長(zhǎng)迅速、觀賞價(jià)值高和耐寒(耐-50℃的低溫)等特點(diǎn)[4]。俄羅斯新西伯利亞與我國(guó)北疆接壤，與我國(guó)北方氣候差異較小。試種證明俄羅斯新西伯利亞銀白楊完全適合在我國(guó)東北地區(qū)栽培，并具有向我國(guó)西北、華北地區(qū)延伸的潛力(個(gè)人通訊)。目前，新西伯利亞銀白楊的組織培養(yǎng)技術(shù)、干旱脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊幼苗生長(zhǎng)、葉片保護(hù)酶對(duì)干旱脅迫響應(yīng)的研究已有報(bào)道[4，5-7]。但對(duì)水分脅迫下新西伯利亞銀白楊生理響應(yīng)的研究尚不全面。本研究探討水分脅迫下新西伯利亞銀白楊幼苗葉片的光合能力和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化，研究結(jié)果可為新西伯利亞銀白楊耐旱苗木培育過(guò)程中合理設(shè)置水分鍛煉條件提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為新西伯利亞銀白楊通過(guò)組織培養(yǎng)手段獲得的當(dāng)年生苗木。栽培基質(zhì)由苗圃熟土和沙以2∶1的體積比例混合而成(含水量約為46%)。當(dāng)苗木高度達(dá)到50 cm時(shí)采用控制澆灌水的方法進(jìn)行處理。參照Hsiao[8]的水分梯度設(shè)置方法，設(shè)置對(duì)照和3種水分梯度處理，即對(duì)照(CK)、輕度脅迫(H1)、中度脅迫(H2)、重度脅迫(H3)，基質(zhì)含水量分別為90%～95%土壤田間持水量、60%～65%土壤田間持水量、40%～45%土壤田間持水量和 20%～25%土壤田間持水量。每處理30株苗木。脅迫試驗(yàn)結(jié)束后將所有處理均恢復(fù)到對(duì)照組控水量。

土壤含水量采用美國(guó)產(chǎn)TDR土壤水分儀于每天16∶00測(cè)定，測(cè)定后補(bǔ)足損失的水分到設(shè)定的水平。試驗(yàn)期間白天溫度25～35℃，夜間溫度15～20℃，自然光照(平均光照強(qiáng)度800 μmol/m2·s1)。

1.2 光合能力的測(cè)定

于處理開(kāi)始后第8天(脅迫前期)、第16天(脅迫中期)、第24天(脅迫后期)和干旱脅迫結(jié)束后復(fù)水處理的第8天，取莖頂端第3～4片完全展開(kāi)的葉片進(jìn)行測(cè)定。采用Li-Cor 6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定葉片光合作用相關(guān)指標(biāo)。于晴天8：00～11：00測(cè)定。測(cè)定時(shí)葉溫25℃、光照強(qiáng)度800 μmol/m2·s1、CO2濃度350 μmol/mol。可溶性糖含量測(cè)定用苯酚法[9]，用不同濃度的葡萄糖溶液制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。可溶性蛋白質(zhì)含量測(cè)定用考馬斯亮藍(lán)法[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中各影響因素的作用用單因素方差分析方法評(píng)價(jià)并進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。平均數(shù)之間統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著差異用鄧肯多重比較法進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊光合能力的影響

圖1 水分脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊凈光合速率(Pn)的影響

水分脅迫過(guò)程中，新西伯利亞銀白楊苗木葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)的變化規(guī)律如圖1～圖4所示。方差分析結(jié)果表明，脅迫強(qiáng)度對(duì)葉片凈光合速率、葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度的影響均存在顯著差異(P<0.05)。隨著脅迫程度加深和脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度表現(xiàn)為持續(xù)下降。脅迫8 d時(shí)，H1、H2和H3處理的凈光合速率分別較對(duì)照下降了8.76%、78.54%和91.70%，氣孔導(dǎo)度分別較對(duì)照下降了5.72%、42.37%和44.71%，蒸騰速率分別較對(duì)照下降了39.46%、62.33%和63.75%，胞間CO2濃度分別較對(duì)照下降了28.3%、65%和20.1%。脅迫8 d時(shí)，重度脅迫(H3)對(duì)葉片凈光合速率、葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度的影響大于其他處理組。隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，中度和重度脅迫處理組的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率呈持續(xù)下降趨勢(shì)，至脅迫24 d時(shí)，H3處理組苗木葉片的凈光合速率降低為-0.7 μmol/m2s1，此時(shí)呼吸速率大于光合速率。而H1處理組的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率具升高趨勢(shì)，這表明苗木逐漸適應(yīng)該土壤水分條件。而胞間CO2濃度變化略有差異，即隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，H2處理組胞間CO2濃度降低，而H1、H3處理組的胞間CO2濃度則呈升高趨勢(shì)。恢復(fù)供水后，各處理中以中度脅迫(H2)下的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度的回升幅度最大。

圖2 水分脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響

圖3 水分脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊蒸騰速率(Tr)的影響

圖4 水分脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊胞間CO2濃度(Ci)的影響

2.2 水分脅迫對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

2.2.1 水分脅迫對(duì)葉片可溶性糖含量的影響

水分脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊葉片可溶性糖含量影響如圖5所示。方差分析結(jié)果表明，脅迫8 d和16 d時(shí)各處理組葉片的可溶性糖含量均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，這表明水分脅迫啟動(dòng)了滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，提高了葉片中可溶性糖含量，這可以起到脫水保護(hù)的作用。但是隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，各處理組的可溶性糖含量出現(xiàn)不同程度的減少。恢復(fù)供水后葉片可溶性糖含量可恢復(fù)至對(duì)照水平，但輕度脅迫(H1)的苗木仍具有較高的可溶性糖含量。

2.2.2 水分脅迫對(duì)可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

水分脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響如圖6所示。方差分析結(jié)果表明，脅迫8 d和16 d時(shí)各處理組的葉片可溶性蛋白含量均低于對(duì)照，但這種差異不顯著(P>0.05)。脅迫24 d時(shí)，各處理組的可溶性蛋白含量迅速增加，均高于對(duì)照。其中H2處理組的可溶性蛋白含量最高，其次是H3處理組，H1處理組的可溶性蛋白質(zhì)含量與對(duì)照相近。推測(cè)是隨著水分脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)植物的脅迫傷害加重，脅迫誘導(dǎo)蛋白被合成，總蛋白含量增加，細(xì)胞保水力提高。恢復(fù)供水后，各處理組可溶性蛋白含量均有不同程度的減小，并趨于對(duì)照水平。

2.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與葉片光合能力的相關(guān)性分析

以脅迫24 d時(shí)各指標(biāo)的平均值作相關(guān)性分析(表1)，結(jié)果表明：

圖5 水分脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊可溶性糖含量的影響

(1)凈光合速率(Pn)與氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)呈極顯著正相關(guān)(P﹤0.01)，與土壤水分含量呈顯著正相關(guān)(P﹤0.05)

圖6 水分脅迫對(duì)新西伯利亞銀白楊可溶性蛋白含量的影響

(2)氣孔導(dǎo)度(Gs)與葉片蒸騰速率(Tr)呈極顯著正相關(guān)(P﹤0.01)，與可溶性糖含量和土壤含水量呈顯著正相關(guān)(P﹤0.05)。

(3)蒸騰速率(Tr)與可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)(P﹤0.05)。

(4)胞間CO2濃度(Ci)、可溶性蛋白質(zhì)含量與其他參數(shù)以及土壤水分含量間的相關(guān)性均不顯著(P﹥0.05)。

表1 新西伯利亞銀白楊的葉片光合能力與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的相關(guān)分析

注：*表示顯著水平(P<0.05)，**極顯著水平(P<0.01)。* indicste significsncy at 0.05 level while ** at 0.01 level.

3 討論與結(jié)論

3.1 水分脅迫對(duì)光合能力的影響

水分脅迫可以抑制新西伯利亞銀白楊幼苗生長(zhǎng)、影響幼苗形態(tài)發(fā)育和活性氧代謝[4]。本研究表明，水分脅迫抑制了新西伯利亞銀白楊幼苗的光合能力。輕度脅迫(土壤相對(duì)含水量60%～65%)對(duì)新西伯利亞銀白楊幼苗葉片光合能力的影響較小，當(dāng)恢復(fù)供水后，各光合生理指標(biāo)均有所降低，這表明新西伯利亞銀白楊幼苗可以適應(yīng)輕度水分脅迫(土壤相對(duì)含水量60%～65%)。中度脅迫(土壤相對(duì)含水量40%～45%)下的葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率在恢復(fù)供水后顯著增加，表明中度脅迫(土壤相對(duì)含水量40%～45%)對(duì)葉片光合機(jī)構(gòu)的損傷可以得到恢復(fù)。葉片光合速率的降低主要是氣孔部分關(guān)閉的結(jié)果，恢復(fù)供水后可以得到修復(fù)[10-12]，這與本研究結(jié)果一致。嚴(yán)重水分脅迫可使細(xì)胞失水，抑制葉綠體中參與碳固定的酶的活性，當(dāng)葉片相對(duì)含水量低于30%時(shí)葉綠體會(huì)發(fā)生不可逆破壞[13]。本研究中，重度脅迫(土壤相對(duì)含水量20%～25%)使新西伯利亞銀白楊凈光合速率大幅下降，恢復(fù)供水后仍未得到恢復(fù)，說(shuō)明重度脅迫破壞了光合器官的結(jié)構(gòu)和功能，復(fù)水后光合機(jī)構(gòu)很難恢復(fù)。

植物葉片凈光合速率Pn是衡量植物光合作用能力的重要指標(biāo)，Ci、Gs和Tr是其主要影響因素[14]。本研究結(jié)果表明，葉片凈光合速率Pn與氣孔導(dǎo)度Gs和蒸騰速率(Tr)呈極顯著正相關(guān)。氣孔導(dǎo)度Gs與葉片蒸騰速率Tr呈極顯著正相關(guān)。凈光合速率Pn與氣孔導(dǎo)度Gs均與土壤含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即隨著土壤含水量下降(脅迫強(qiáng)度增加)，葉片凈光合速率Pn與氣孔導(dǎo)度Gs下降。

逆境脅迫下，植物光合速率降低的原因包括氣孔限制和非氣孔限制兩方面[15-17]。研究結(jié)果表明，輕度(土壤相對(duì)含水量60%～65%)和中度(土壤相對(duì)含水量40%～45%)水分脅迫可以抑制苗木的光合作用，光合下降的原因是氣孔導(dǎo)度下降導(dǎo)致的氣孔限制。而重度脅迫(土壤相對(duì)含水量為20%～25%)下胞間CO2含量變化趨勢(shì)與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度變化趨勢(shì)相反，表明重度脅迫下凈光合速率下降的主導(dǎo)因子不是氣孔限制。研究結(jié)果與水分脅迫對(duì)云杉光合特性的影響相似[18]。

3.2 水分脅迫對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)水分脅迫的一種重要機(jī)制[19，20]。逆境條件影響細(xì)胞內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖含量[20-22]。可溶性蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的親水膠體性質(zhì)，可影響細(xì)胞的保水力。可溶性糖對(duì)細(xì)胞膜和原生質(zhì)膠體有穩(wěn)定作用[9，21，23-25]。研究結(jié)果表明，新西伯利亞銀白楊在受到水分脅迫后迅速啟動(dòng)滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，利用可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)使細(xì)胞滲透勢(shì)的下降，維持一定的膨壓，保證細(xì)胞內(nèi)各種生理生化代謝的正常進(jìn)行。這個(gè)研究結(jié)果與陳成升等(2009)對(duì)冬小麥的研究結(jié)果[26-27]相一致。脅迫過(guò)程中，葉片細(xì)胞中可溶性蛋白質(zhì)含量出現(xiàn)了先減小后增加現(xiàn)象，推測(cè)是水分脅迫激活了新西伯利亞銀白楊體內(nèi)抗逆基因的表達(dá)，影響了苗木葉片中蛋白質(zhì)的合成，從而使水分脅迫中后期葉片內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量增加。

綜上研究結(jié)果，認(rèn)為水分脅迫抑制了新西伯利亞銀白楊苗木葉片的光合能力，提高了葉片細(xì)胞中可溶性蛋白質(zhì)含量，并影響了葉片細(xì)胞中可溶性糖含量。在土壤相對(duì)含水量≥25%條件下葉片維持較好光合作用，氣孔因素是導(dǎo)致其凈光合速率的下降主要因素。在土壤相對(duì)含水量<25%條件下，葉片光合系統(tǒng)受到損傷，非氣孔限制是導(dǎo)致凈光合速率下降的主要因素。

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