干旱和鹽脅迫對鴨茅葉綠素熒光動力學參數的影響

李碩 聶中南 陳偉 姜哲浩 陳建綱 張德罡

摘要：為了研究鴨茅對干旱、鹽脅迫的回饋，采用隨機區組盆栽試驗。試驗包括4種相對含水量處理，相對含水量為75%（CK）、55%、35%、20%和3種鹽濃度（100，70和35 mmol/L），以相對含水量75%作為對照，研究干旱脅迫和鹽脅迫對葉綠素熒光參數的影響。結果表明：隨著相對含水量的減少，鴨茅的非光化學熒光淬滅（NPQ）幅度逐漸降低，光化學淬滅系數（qP）逐漸增加；最大光化學效率（Fv/Fm）、潛在活性（Fv/F0）逐漸減少；電子傳遞速度（ETR）逐漸降低；實際原初光能的捕獲效率Y（Ⅱ）降低。但在極度干旱脅迫時，熱耗散能力降低，光合作用上升，潛在最大光合效率和潛在光合效率增加，實際原初光能的捕獲效率增加；表明在極度干旱的條件下，鴨茅的內部機制會做出相應的反應，來避免惡劣的環境。鹽脅迫時，低濃度促進熱耗散幅度抑制光合作用，相反高濃度抑制剩余光能的轉化和促進光合效率；鴨茅的Fv/Fm先上升后下降，Fv/F0與Fv/Fm有相同的趨勢；ETR先上升后減少，原初光能的捕獲效率先增加后降低。綜合評定，鴨茅受鹽脅迫影響大于干旱脅迫。

關鍵詞：鴨茅；葉綠素熒光；干旱脅迫；鹽脅迫

中圖分類號：Q 945.78，Q 945.11文獻標識碼：A文章編號：10095500（2015）05002305

鴨茅（Dactylis glomerata） 是一種起源于歐洲的優良冬性牧草，葉量豐富、草質柔嫩，家畜均喜食、具有適應性強，營養價值高等特點。由于其表現出較好的抗性和生產性能，是退耕還草，建立復合植被等生態工程及草地建設的重要草種。在新西蘭、澳大利亞、英國等也占有重要地位。近年來，鴨茅在我國四川、重慶、山西、甘肅、黑龍江等地廣泛栽培應用，并取得了顯著的經濟、生態和社會效益[1]。

前人研究結果表明，光系統Ⅱ（PSⅡ）在植物對干旱脅迫的響應過程中起著重要作用[2，3]。鹽脅迫是抑制植物光合作用的主要環境因子之一，鹽脅迫條件下能加速植物葉綠素的降解，降低類囊體膜的穩定性，從而降低葉綠體對光能的吸收，導致植物光合速率下降，且對植物光合特性的影響程度直接決定著植物的抗性水平和產量水平[4]。

有關研究報道鴨茅的葉綠素熒光較少，葉綠素熒光是植物光合作用的有效探針，可反映光合機構內一系列重要的調節過程，通過對各種熒光參數的分析，可以得到有關光能利用途徑的信息。以鴨茅為材料，研究干旱脅迫和鹽脅迫對葉綠素熒光特性的影響，旨在揭示鴨茅的耐旱、耐鹽機理，以便為鴨茅在蘭州地區種植提供理論依據。

1材料和方法

1.1試驗設計

試驗以鴨茅作為供試材料，盆栽試驗于2014年8～10月在甘肅農業大學草業學院組織培養室進行。用規格相同的塑料盆（內徑19 cm，深14 cm），分別裝相同重量的基質，基質為草炭土和蛭石（1∶1）；鴨茅播量4 kg/hm2。試驗包含4個水分梯度，分別是75%（正常條件CK）、55%（輕度脅迫）、35%（重度脅迫）和20%（極度脅迫）；鹽脅迫基于正常澆水條件下，分別是35，70和100 mmol/L NaCl，以相對含水量為75%作為對照（CK），采用隨機區組設計，每個處理重復4次。待鴨茅生長2個月后，開始進行脅迫，脅迫20 d，每天17∶00用稱重法補充水分以控制水分含量。

1.2測定項目及方法

試驗選擇晴朗天氣，早上9∶00開始利用調制熒光成像系統MiniIMAGINGPAM（WALZ，德國）測量葉片葉綠素熒光。葉片暗適應30 min后進行測定，每個處理測定2～4個葉片。經過充分暗適應后，打開弱測量光不大于0.1 μmol/（m2·s）測定初始熒光（F0），此時再打開1次飽和脈沖光測定葉綠素的最大熒光Fm。然后，在自然光下，穩態熒光（Ft）穩定后，給1次飽和脈沖光測定Fm′。

經計算得光系統Ⅱ（PSⅡ） 最大光化學效率（Fv/Fm）、PSⅡ潛在活性（Fv/F0）和PSⅡ實際量子產量Y（Ⅱ），每處理至少測4片葉。

由光合作用引起的熒光猝滅，光化學猝滅系數數（qP）：

qP=（Fm′ -Ft）/Fv′ =1-（Ft-F0′ ）/（Fm′ -F0′）

由熱耗散引起的熒光猝滅，非光化學猝滅：

NPQ=（Fm-Fm′）/Fm′=Fm/Fm′-1

電子傳遞的相對速率ETR=Yield×PAR×0.5× 0.84

式中：0.84是植物的經驗性吸光系數，0.5是假設植物吸收的光能被兩個光系統均分。

1.3數據統計

采用GENSTAT 9.0統計分析軟件進行數據統計分析，Fv/Fm和Fv/F0采用LSD法進行多重比較。用Office 2010 應用軟件處理測定數據，并制作圖表。采用隸屬函數值法，對各項指標測定值用模糊數學隸屬度公式進行定量轉換，分別對所測的指標采用公式求出不同脅迫各指標的具體隸屬值。

U（Xi）=（Xij-Xjmin）/（Ximax-Xjmin），Δ=1/n∑U（Xi）

如果某一指標與耐性為負相關，用反隸屬函數計算其耐性隸屬函數值，即：

U（Xi）=1-（Xij-Xjmin）/（Ximax-Xjmin），Δ=1/n∑U（Xi）

式中：Xij為第i個脅迫第j個測定指標；U（Xi）∈[0，1]；Δ為每個脅迫各項指標測定的綜合評定結果；n為測定的指標總數；Ximax，Xjmin為第j項指標的最大值和最小值。

2結果

2.1不同脅迫對鴨茅光系統Ⅱ（PSⅡ）最大光化學效率（Fv /Fm）和PSⅡ潛在活性（Fv/F0）影響

在干旱脅迫下，不同土壤相對含水量之間，Fv/Fm和Fv/F0的含量均有顯著差異（P<0.05）。當Fv/Fm下降時，代表植物受到脅迫。隨著土壤相對含水量的減少，Fv/Fm和Fv/F0也隨著減少；表明兩者含量與土壤相對含水量呈正相關；但在20%時，兩者含量有所上升（表1）。

在NaCl脅迫下，不同鹽濃度所對應的同一指標之間的差異極顯著（P<0.01）。隨著鹽濃度的增大，兩者均表現為先上升后下降的趨勢；表明鹽濃度對Fv/Fm和Fv/F0的含量在低濃度促進，高濃度抑制。Fv/Fm在土壤相對含水量為35%是最大，緊接著是55%，CK（75%）和20%；與Fv/Fm相比，Fv/F0有相同的趨勢。

表1不同脅迫處理下鴨茅Fv/Fm和Fv/F0

Table 1Effect of drought and salt stresses on Fv/Fm

and Fv/F0 of cocksfoot

干旱脅迫Fv/FmFv/F0鹽脅迫

/mmol·L-1Fv/FmFv/F0CK0.7723.380CK0.7723.38055%0.7523.037350.7743.43335%0.7422.880700.7803.55020%0.7472.9771000.7713.361l.s.d0.0170*0.2685*L.s.d0.0033**0.0673**注： *表示差異顯著（P<0.05）， **表示差異極顯著（P<0.01）

2.2不同脅迫對鴨茅光系統（PSⅡ）實際量子產量Y（Ⅱ）影響

在干旱脅迫下，PSⅡ的Y（Ⅱ）總體表現為75%> 55%>20%>35%（圖1）；且隨著土壤相對含水量的減少而減少，兩者呈正相關，同Fv/Fm有相同的趨勢。NaCl脅迫下，在0～160 s時，對照的Y（Ⅱ）高于70 mmol/L；80 s以后，鴨茅的Y（Ⅱ）100 mmol/L>35 mmol/L（圖1）。

2.3不同脅迫對鴨茅光化學淬滅系數（qP）的影響

葉綠素熒光淬滅是葉綠體耗散能量的一種途徑。qP值是由植物的光合作用而引起的熒光淬滅，反映了植物光合活性的高低。在干旱脅迫下，鴨茅葉綠素qP表現為CK<20%<35%<55%（圖2），表明隨著干旱脅迫的加劇，鴨茅的光合能力逐漸增強。在鹽脅迫下，對照的葉綠素熒光下降能力最快；鹽濃度為100 mmol/L時，鴨茅的葉綠素熒光下降能力最慢（圖2）。試驗均表明對照的光合作用最強；100 mmol/L時，光合作用最差。

圖1不同脅迫下鴨茅實際量子產量熒光時間的變化

Fig.1Variation of Y（Ⅱ） of cocksfoot under drought and salt stresses圖2不同脅迫下鴨茅光化學淬滅系數隨熒光動力時間的變化

Fig.2Variation of qP of cocksfoot under drought and salt stresses2.4不同脅迫對鴨茅非光化學淬滅系數（NPQ）影響

NPQ由于熱耗散引起的熒光淬滅，反映了植物耗散過剩光能為熱能的能力，也就是光保護能力。在干旱脅迫下，120 s以前，NPQ以35%>CK（75%）>20% > 55%（圖3）；120 s以后，對照的熱耗散速度增加。在鹽脅迫下，鹽濃度為70 mmol/L時，鴨茅的熱耗散最大，100 mmol/L時，熱耗散次之，對照最小（圖3）。

2.5不同脅迫對鴨茅電子傳遞速率（ETR）影響

ETR反映實際光強條件下的表觀電子傳遞效率。在干旱脅迫下，土壤相對含水量為CK（75%）時，鴨茅的ETR最大；55%時，ETR次之；140 s以前，35%>20%，在140～260 s，20%>35%，260 s以后，35%的ETR又上升（圖4）。對鹽脅迫而言，相對電子傳遞速率總體表現為CK>70 mmol/L>100 mmol/L>35 mmol/L（圖4）。

圖3不同脅迫下鴨茅非光化學淬滅系數隨熒光動力時間的變化

Fig.3Variation of NPQ of cocksfoot under drought and salt stresses圖4不同脅迫下鴨茅相對電子傳遞速率隨熒光動力時間的變化

Fig.4Variation of ETR of cocksfoot under drought and salt stresses2.6不同脅迫下鴨茅抗寒性和抗鹽性綜合評價

采用模糊數學隸屬函數的方法，對于鴨茅抗性關系相關的6 個生理生化指標，作為抗旱和抗鹽生理反應與適應能力綜合能力指數進行評價。2個脅迫隸屬度平均值分別為鹽脅迫3.249和干旱脅迫2.137（表2）；由此綜合評定鴨茅抗鹽性能力高于抗旱性。

表2鴨茅各指標隸屬度平均值及抗性綜合評定結果

Table 2The comprehensive evaluation on resistance of cocksfoot

處理Fv/F0Fv/FmETRNPQY（Ⅱ）qPU（Xi）Δ鹽脅迫0.6300.6280.4780.4720.5190.5233.249Δ干旱脅迫0.3770.3740.3250.3410.3320.3882.1373討論與結論

Fv/Fm是PSⅡ最大光合效率，它表示當所有反應中心開放時PSⅡ的最大光化學量子產量，即PSⅡ反應中心內的原初轉化效率，是衡量PSⅡ的光抑制程度重要指標[5]。Fv/F0常用于表示植物葉片PSⅡ的潛在活性[6]。結果表明：干旱脅迫時，隨著相對含水量的減少，Fv/Fm逐漸減少；在極度干旱的條件下，鴨茅的潛在光合效率增加。在鹽脅迫下，隨著鹽濃度的增加，鴨茅的最大光合效率先上升后下降。潛在活性與最大光合效率有相同的趨勢。

Y（Ⅱ）表示電子傳遞的量子效率，是PSⅡ反應中心在部分關閉的情況下的實際原初光能的捕獲效率[7]。對干旱脅迫而言，隨著含水量的減少實際原初光能的捕獲效率降低，達到穩態后20%的實際捕獲效率高于35%的效率。在未受鹽脅迫時，鴨茅對原初光能的捕獲速率最淡，但在被脅迫時，隨著鹽濃度的增加，原初光能的捕獲效率先增加后降低。

ETR反映了實際光強條件下的表觀電子傳遞效率；在脅迫下，植物葉片的ETR會下降[8]。試驗分析表明，隨著相對含水量的減少，ETR的幅度表現為CK（75%）>55%>35%>20%。隨著鹽濃度的增加，相對電子傳遞速率CK（75 mmol/L）>70 mmol/L>100 mmol/L>35 mmol/L。

光系統中葉綠素吸收的光能主要通過光合電子傳遞、葉綠素熒光發射和熱耗散3種途徑來消耗[9，10]。光合速率上升引起的qP反映了PSⅡ天線色素捕獲的光能用于光化學電子傳遞的份額；而由熱耗散引起的NPQ反映的則是PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光化學電子傳遞而以熱的形式消耗掉的部分[11，12]。結果表明：隨著土壤相對含水量的減少，鴨茅的熱耗散加劇，光合作用減少；但在極度干旱脅迫時，熱耗散能力降低，光合作用上升。鹽脅迫時，低濃度促進熱耗散幅度抑制光合作用，相反高濃度抑制剩余光能的轉化和促進光合效率。

采用模糊數學隸屬函數的方法，對鴨茅的鹽脅迫和干旱脅迫進行了綜合性評價：其總體評價結果鴨茅鹽脅迫大于干旱脅迫。

隨著相對含水量的減少，鴨茅的熱耗散加劇，光合作用減少；Fv/Fm、Fv/F0逐漸減少，ETR逐漸降低；實際原初光能的捕獲效率Y（Ⅱ）降低。但在極度干旱脅迫時，熱耗散能力降低，光合作用上升，潛在光合效率增加，Y（Ⅱ）增加。

鹽脅迫時，低濃度促進熱耗散幅度抑制光合作用，相反高濃度抑制剩余光能的轉化和促進光合效率；鴨茅的最大光合效率先上升后下降，潛在活性與最大光合效率有相同的趨勢；ETR先上升后減少，原初光能的捕獲效率先增加后降低。

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Responses of the chlorophyll fluorescence parameters

of cocksfoot （Dactylis glomerata） to water

and salt stress

LI Shuo1，NIE Zhongnan1，2，CHEN Wei3，JIANG Zhehao1，

CHEN Jiangang1，ZHANG Degang1

（1.College of Pratacultural Science，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China； 2.Department

of Environment and Primary Industries，Private Bag 105，Hamilton，VIC 3300，Australia；

3.Lanzhou City University，Lanzhou 730070，China）

Abstract：In order to understand the response of cocksfoot （Dactylis glomerata） to drought and salt stresses，a pot experiment was conducted in a randomized completely block design.There were 7 treatments including 4 water stress treatments （75%，55%，35% and 20% of gravimetric water content） and 3 salinity stress treatments （35 mmol/L NaCl，70 mmol/L NaCl and 100 mmol/L NaCl）.The water content of 75% was used as control.After 20 days of the drought and salt stress treatment，the chlorophyll fluorescence parameters were measured using the chlorophyll fluometer.The results showed that Fv/Fm，Fv/F0，ETR，Y（Ⅱ） and NPQ gradually decreased，and qP increased with water content decreasing.However，under extreme water stress，heat dissipation was decreased，and photosynthesis and its efficacy were increased in cocksfoot，indicating that cocksfoot responded to water stress to avoid potential damage to the plants.With the increasing of salt stress level，Fv/Fm of cocksfoot initially increased and then declined.ETR，Fv/F0 and Y（Ⅱ） showed a similar trend as Fv/Fm.The heat dissipation increased at lower salinity levels but decreased at higher salinity levels.The photosynthesis responded in an opposite way to heat dissipation.The tolerance of cocksfoot to water stress was better than salt stress under the experimental conditions.

Key words：chlorophyll fluorescence parameters；drought stress；salt stress；Dactylis glomerata