水分脅迫對赤霞珠葡萄光合特性的影響

胡宏遠，王振平

(寧夏大學 葡萄與葡萄酒教育部工程研究中心，銀川750021)

近年來，隨著中國葡萄酒產業的快速發展，釀酒葡萄的栽培面積迅速擴張，西部干旱、半干旱地區因其獨特的氣候條件，已成為中國釀酒葡萄栽培的主要區域[1]。在這些區域，能夠用來釀酒的葡萄品種繁多，特性鮮明，而赤霞珠(Cabernet Sauvignon)葡萄正是以其較強的栽培適應性和良好的釀酒品質贏得了種植者和釀酒企業的普遍青睞，成為世界上分布最為廣泛的紅色釀酒葡萄品種之一。

水分脅迫是影響植物生產力的最普遍的環境脅迫，由水分脅迫造成的損失在所有非生物脅迫中占有首要地位。同時，這種對植物造成的影響是非常廣泛而深刻的，它不僅表現在不同生長發育階段，同時也表現在對植物光合特性、呼吸作用等具體的生理生化過程中，是制約葡萄與葡萄酒產業發展的重要環境因子[2]。

目前關于干旱脅迫對植物的影響方面前人已經做了大量工作[3-6]?？偨Y前人對植物水分脅迫的研究方法主要集中在：土壤干旱法(通過控制盆栽或大田栽培作物的土壤含水量來實現植株水分脅迫，比較作物的抗寒性強弱，主要對作物不同生長階段進行干旱處理)；大氣干旱法(通過干燥的空氣給植株施加干旱脅迫以測定作物抗旱性強弱，或在植物葉面噴施化學干燥劑，通過植物對干旱的反應來測定植物的抗旱性)；高滲溶液法(在沙培或水培培養基中加入滲透物質，聚乙二醇PEG、甘露醇和甘油等)，來模擬干旱條件，并結合測定一些指標來反映植物苗期的抗旱性。

前人的研究主要集中在通過人為控制土壤含水量(田間持水量的百分數)及土壤水勢方面控制植物脅迫的程度，而土壤含水量的變化程度并不能真實地反映植物的實際水分供應及耗損狀況。同時從植物葉片水勢(黎明前的基礎水勢值)的角度來衡量植物水分匱乏狀況的研究少有報道，張大鵬等[7]雖然采取控制灌水，使葉片基礎水勢(黎明前水勢)維持在-0.5～-0.6 MPa左右，非脅迫植株(包括對照)葉片基礎水勢維持在-0.1～0.2 MPa左右，研究了不同時期水分脅迫對葡萄果實生長發育的影響，但是并沒有系統地闡述不同的葉片水勢范圍所代表的植物的脅迫程度。

本試驗基于前人研究，在根域限制條件下，以3 a生赤霞珠葡萄為材料，利用葉片黎明前基礎水勢值設置不同的脅迫程度，研究了不同程度水分脅迫對赤霞珠光合特性的影響，為進一步了解葡萄干旱的生理生化機制，完善葡萄的節水灌溉體系和加強葡萄栽培管理奠定一定的實踐基礎。同時，也為葉片水勢應用抗旱研究提供了一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用3 a生歐亞種(V ViniferaL)釀酒葡萄赤霞珠(Cabernet Sauvignon,CS)，株距50 cm，每株留6個結果新梢，杯狀整形，于2013年3-9月底在寧夏大學葡萄與葡萄酒工程研究中心實驗基地溫室中進行，試驗采用無土限根栽培模式，跟域限制在長4.0 m，寬0.8 m，高0.5 m的木槽中，槽內覆蓋兩層華盾PE耐老化(I)型棚膜，供試土壤為蛭石、珍珠巖及草炭灰(1∶1∶1，V/V/V)30 cm深，裝盆前過 2 mm 土壤篩過篩后，120 ℃下進行高溫滅菌處理。灌水裝置采用自制滴灌結合時控儀每天定時定量灌水，兩管的間距20 cm，每兩顆葡萄滴頭的間距50 cm，每分鐘的實際流量大小(3.2～3.4 L/min)。

1.2 試驗設計

試驗于轉色前一周(2014年7月22日，花后55 d)開始水分脅迫，每植株選取中部節位葉片(從基部數第8～16節)3片有代表性的葉片，隨機選取3株，共9片葉，于日出之前測定采用壓力勢法測定各自的黎明前基礎水勢Ψb，根據赤霞珠葡萄葉片黎明前基礎水勢，分別設置無水分脅迫(CK)，輕度水分脅迫(T1)，中度水分脅迫(T2)，重度水分脅迫(T3)等4個處理。利用時控儀(每天8∶00開始)控制統一灌水，以每天的澆水量來控制脅迫程度，見表1。

表1 不同程度水分脅迫處理參考Tab.1 The different standards of water stress

脅迫開始后每隔10 d作為脅迫梯度進行采樣，上午8∶00-9∶00取樣，每處隨機采植株功能葉上下1～2 節位的健康成熟葉片(代表多數葉色的葉片)，3次重復，冰袋儲藏，帶回實驗室，盡快進行相關指標的測定。

1.3 測定指標與方法

(1)葉綠素含量的測定。采用乙醇提取比色法[8]陳宇煒等。

(2)光合特性的測定。在果實轉色期開始，用德國WALZ 公司生產的GFS-3000 型便攜式光合儀，測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)和氣孔導度(Gs)。選用開放式氣路，設定光強1 000 μmol/(m2·s)，采用定點法，以從基部向上的第5片葉為光合測定研究對象。同時，用葉片蒸騰速率所消耗的水(mmol)所同化的CO2的量(μmol)來換算水分利用率WUE=Pn/Tr。對不同日期的同項指標測定采用定時測定，每10 d測1次，均在上午9∶00-11∶00進行。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫對赤霞珠葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量的影響

在光合色素中，葉綠素和類胡蘿卜素對植物的光合作用關系最為密切，并以葉綠素a最為重要。由圖1可知，在不同的水分脅迫處理中，對照(CK)無水分脅迫處理葉綠素a含量最高，其次為輕度水分脅迫(T1)、中度水分脅迫(T2)處理，重度水分脅迫(T3)處理葉綠素a含量最低。說明葉綠素a含量隨著脅迫時間的延長和加深而逐漸降低。對照無水分脅迫(CK)和輕度水分脅迫(T1)處理葉綠素a含量在花后85 d達到最大值，分別為1.566和1.471 mg/g，隨后又呈現下降趨勢。而中度水分脅迫(T2)處理在花后75 d出現最大值，為1.22 mg/g，說明葉綠素a在中度水分脅迫(T2)處理條件下，對脅迫的響應要先于輕度水分脅迫(T1)處理。隨著水分脅迫的持續，重度水分脅迫(T3)處理，葉綠素a含量呈現依次下降的趨勢，且下降了28.17%。

圖1 不同水分脅迫處理對葉綠素a含量的影響Fig.1 Effect of different water stress treatments on chlorophylla content

由圖2可知，葉綠素b的變化趨勢類同于葉綠素a的變化，不同處理隨著脅迫的持續均不同程度的表現為下降的趨勢。其中，對照(CK)無水分脅迫處理葉綠素a含量最高，輕度水分脅迫(T1)、中度水分脅迫(T2)次之，重度水分脅迫(T3)葉綠素a含量最低。其中，在處理前期，對照(CK)無水分脅迫處理，輕度水分脅迫(T1)和中度水分脅迫(T2)呈現上升的趨勢，且在花后85 d達到最大值，分別為0.66、0.642和0.556 2 mg/g，隨后出現下降趨勢。而在重度水分脅迫(T3)處理，葉綠素b含量呈上升趨勢，在花后75 d達到最大值，為0.539 mg/g。

圖2 不同水分脅迫處理對葉綠素b含量的影響Fig.2 Effect of different water stress treatments on chlorophyll b content

類胡蘿卜素作為光合色素中的主要色素，對植物的光合作用關系最為密切。由圖3可知，在不同程度水分脅迫條件下，對照(CK)無水分脅迫處理類胡蘿卜素含量最高，輕度水分脅迫(T1)、中度水分脅迫(T2)次之，重度水分脅迫(T3)含量最低。在處理前期，對照(CK)無水分脅迫、輕度水分脅迫(T1)和中度水分脅迫(T2)處理，類胡蘿卜素的含量呈現上升趨勢，在花后85 d達到最大值，分別為0.642、0.607和0.567 mg/g，隨后出現下降趨勢。在整個脅迫期間，重度水分脅迫(T3)處理條件下，類胡蘿卜素的含量呈現依次下降的趨勢，且下降幅度最大為21.84%。

圖3 不同水分脅迫處理對類胡蘿卜素含量的影響Fig.3 Effect of different water stress treatments on carotenoid content

由圖4可知，總的葉綠素含量的變化類同與葉綠素a含量的變化，在處理前期，隨著脅迫的進行，對照(CK)無水分脅迫處理、輕度水分脅迫(T1)及中度水分脅迫(T2)總的葉綠素含量呈現上升的趨勢，在花后85 d達到最大值，分別為2.1、1.8和1.75 mg/g。在整個脅迫期間，總的葉綠素含量在重度水分脅迫(T3)處理下呈現依次下降的趨勢，且下降幅度最大為24.58%。這種下降的趨勢很可能與水分脅迫限制葉綠素的合成，加速其分解及色素間的轉換有關。

圖4 不同水分脅迫處理對總葉綠素含量的影響Fig.4 Effect of different water stress treatments on total chlorophyll content

2.2 不同程度水分脅迫對赤霞珠凈光合(Pn)的影響

植物的凈光合能力的大小將直接決定同化產物的多少。由圖5可知，植物的凈光合隨著水分脅迫的持續，呈現依次下降的趨勢，且隨著脅迫程度的加重，凈光合速率(Pn)下降越顯著。其中，無水分脅迫(CK)處理凈光合速率(Pn)最大，其次為輕度水分脅迫(T1)和中度水分脅迫(T2)，重度水分脅迫(T3)處理凈光合速率(Pn)最小。與對照無水分脅迫(CK)下降 40.77%相比，輕度水分脅迫(T1)、中度水分脅迫(T2)和重度水分脅迫(T3)處理分別下降46.68%、55.79%和56.99%。說明水分脅迫能降低赤霞珠葡萄葉片的凈光合能力，導致其合成作用降低。

圖5 不同水分脅迫對凈光合速率(Pn)的影響Fig.5 Effects of different water stress treatments on net photosynthetic rate(Pn)

2.3 不同程度水分脅迫對赤霞珠蒸騰速率(Tr)的影響

由圖6可以看出，在整個脅迫期間，無水分脅迫(CK)處理的蒸騰速率 (Tr)均處于較高水平。隨著脅迫時間的延續和脅迫程度的加重，不同處理之間赤霞珠葡萄葉片的蒸騰速率(Tr)都有明顯的下降趨勢，表現在脅迫前期下降的趨勢較大，后期趨于平緩。在脅迫處理前期，無水分脅迫(CK)處理下降較為平緩，隨著脅迫的進行，其下降幅度增大，在整個脅迫處理內下降了49.75%，而輕度水分脅迫(T1)、中度水分脅迫(T2)和重度水分脅迫(T3)處理分別下降48.26%、48.27%和41.95%。說明水分脅迫能不同程度降低赤霞珠葡萄葉片的蒸騰速率(Tr)。

圖6 不同水分脅迫處理對蒸騰速率(Tr)的影響Fig.6 Effects different water stress treatments on transpiration rate (Tr)

2.4 不同程度水分脅迫對赤霞珠氣孔導度(Gs)的影響

植物氣孔導度調節是自身保護機制調節的主要途徑。由圖7可知，在不同處理間，隨著水分脅迫的持續，植物的氣孔導度均不同程度呈現下降的趨勢。其中對照氣孔導度值明顯高于其他處理，脅迫程度越大，氣孔導度值越低。脅迫處理前期，不同處理間氣孔導度下降較平緩，花后85 d以后，各處理間氣孔導度值下降幅度較大。整個脅迫期間，與CK氣孔導度(Gs)下降57.01%相比較，輕度水分脅迫(T1)、中度水分脅迫(T2)和重度水分脅迫(T3)處理分別下降64.22%、76.93%和78.93%。說明水分脅迫能不同程度降低赤霞珠葡萄葉片氣孔的開闊程度。

圖7 不同水分脅迫處理對氣孔導度(Gs)的影響Fig.7 Effect of different water stress treatments on stomatal conductance(Gs)

2.5 不同程度水分脅迫對赤霞珠胞間CO2濃度(Ci)的影響

CO2作為植物葉片光合作用合成有機物原料，葉片中其含量的減少，必定會影響光合速率和有機物的合成量。由圖8可知，對照(CK)處理胞間CO2濃度較為穩定，且明顯高于干旱處理，隨著脅迫的持續，不同脅迫處理間赤霞珠葡萄胞間CO2濃度均不同程度地呈現先下降后上升的“V”形趨勢。整個處理期間，胞間CO2的濃度變化在花后85 d出現臨界值和極值，相比對照(CK)處理(胞間CO2的濃度為274.32 μmol/m)輕度水分脅迫(T1)、中度水分脅迫(T2)處理和重度水分脅迫(T3)處理胞間CO2的濃度分別下降3.09%，12.61%和19.32 %。而在處理后期，胞間CO2的濃度的又依次呈現升高的趨勢，這可能與外界脅迫條件及自身的調節(氣孔導度的變化規律)相關。

圖8 不同水分脅迫處理對胞間CO2濃度(Ci)的影響的影響Fig.8 Effect of different water stress treatments on intercellular CO2 concentration (Ci)

2.6 不同程度水分脅迫對赤霞珠水分利用率(WUE)的影響

釀酒葡萄的水分利用效率受凈光合速率和蒸騰速率的影響。不同處理階段，凈光合速率和蒸騰速率的變化不同，因此二者的比值也會存在差異。由圖9可知，在整個脅迫階段，不同處理間，赤霞珠葡萄水分利用率(WUE)呈現先上升后下降的趨勢，且水分利用率隨著脅迫程度的加劇而增加，即受水分脅迫較重的水分利用率高于脅迫程度較低或者未受脅迫的處理。表現在重度水分脅迫(T3)處理，水分利用率(WUE)最高，中度水分脅迫(T2)處理次之，隨后為輕度水分脅迫(T1)處理，對照(CK)處理最低。

圖9 不同水分脅迫處理對水分利用率的影響Fig.9 Effect of different water stress treatments on water use efficiencies

3 討 論

植物葉片中的光合色素具有吸收、傳遞和轉化光能的作用，其含量的多少將直接影響植物的光合能力。前人研究表明，干旱脅迫導致植物葉片失水，影響葉綠素的生物合成，并促進已形成的葉綠素分解，最終導致葉綠素含量減少。而在一定范圍內葉綠素含量的高低則直接影響葉片的光合能力的強弱[9]。而關義新[10]等人認為干旱脅迫下，植物光合作用的下降是由于水分脅迫導致葉綠體膨脹，排列紊亂，基質片層模糊，基粒間連接松弛，類囊體片層腫脹或解體，光合器官的超微結構遭到破壞所致。本實驗研究表明：不同的水分脅迫處理，葉綠素a、葉綠素b及總的葉綠素含量的變化趨勢相似。無水分脅迫(CK)處理葉綠素含量最高，其次為輕度水分脅迫(T1)、中度水分脅迫(T2)處理，重度水分脅迫(T3)處理葉綠素含量最低，且在整個脅迫期間基本處于下降趨勢，而葉綠素b在處理前期，不同的處理間其含量都有上升趨勢，這可能是由于在干旱脅迫下，大部分葉綠素a發生了氧化作用而形成葉綠素b有關。其中，在處理前期，無水分脅迫(CK)處理、輕度水分脅迫(T1)和中度水分脅迫(T2)處理葉綠素含量有增加的趨勢，而隨著脅迫的持續，其含量出現不同程度的下降趨勢，這可能是由于隨著外界脅迫程度的加重，逆境條件不僅導致自身葉綠素的合成作用降低，同時，也促進了色素的氧化降解作用，導致導致葉綠素含量的降低。葉綠素含量變化會隨著脅迫時間的延長和加深而呈現逐漸降低的趨勢。這與前人研究結果相同。劉振亞[11]等認為Chla/Chlb值的變化能反映葉片光合活性的強弱。本實驗表明不同的脅迫處理中Chla/Chlb基本穩定在2～2.56之間，變化不明顯。這與房玉林[12]等在葡萄上的研究結果相同。何軍[13]等認為處于干旱脅迫中的植物，類胡蘿卜素含量的降低會減輕逆境對活性氧的淬滅，破壞了葉綠體膜結構，從而加速葉綠素的分解。本試驗表明，在處理前期，無水分脅迫(CK)處理、輕度水分脅迫(T1)和中度水分脅迫(T2)處理類胡蘿卜素含量呈現依次上升的趨勢，而重度水分脅迫(T3)處理呈現緩慢下降趨勢，隨著脅迫的進行，不同的處理間類胡蘿卜素含量均呈現下降趨勢，且脅迫程度越大，下降的趨勢越明顯。這可能是由于處理前期，脅迫程度較小，在赤霞珠葡萄自身保護機制調節作用下，水分脅迫對赤霞珠葡萄葉片類胡蘿卜素含量的影響較小，隨著外界脅迫程度的加深，植物自身組織的衰老退化，導致其含量顯著下降，且隨著脅迫程度的加深，下降的趨勢越大。這與前人研究結果相一致。

水作為植物物質代謝直接參與者及一系列代謝物質的溶劑，水分的缺乏不僅會直接制約光反應階段，導致光合下降，同時，還會通過影響光合過程中中間產物、相關酶的活性來間接影響光合作用，最終導致光合指標下降。水分脅迫導致葡萄光合作用下降是通過氣孔調節和非氣孔調節共同作用的結果，通常氣孔因素比非氣孔因素對脅迫更敏感，在逆境脅迫中，植物首先表現出氣孔因素，隨著脅迫程度的加深，非氣孔因素才開始起作用[14]。目前判斷光合速率下降是否受非氣孔因素限制依據是：光合速率和氣孔導度下降與細胞間隙CO2濃度的變化是否呈相反趨勢[15]。本實驗結果表明，隨著脅迫的持續，3個脅迫處理赤霞珠葡萄的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)均呈現不同程度的下降趨勢，胞間CO2濃度(Ci)呈現先下降后上升的趨勢，且隨著脅迫程度的加深，這一趨勢越顯著。脅迫期間，赤霞珠葡萄葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)明顯下降，二者的變化趨勢相一致，且氣孔導度(Gs)的變化先于凈光合速率(Pn)的變化，說明此階段水分脅迫下凈光合速率(Pn)的下降主要受氣孔因素的限制。但隨著脅迫的延長(花后85 d以后)，脅迫程度的加劇，在凈光合速率(Pn)和氣孔導度(Gs)下降的同時，細胞間隙CO2濃度(Ci)卻呈現上升趨勢。說明此階段赤霞珠葡萄葉片凈光合速率(Pn)的下降并非是由于氣孔導度(Gs)下降使CO2供應減少所致，而是由于非氣孔因素的參與阻礙了CO2的正常代謝，導致其含量累積所致。表明在脅迫期間，赤霞珠葡萄葉片凈光合速率(Pn)的下降隨著水分脅迫的持續和脅迫程度的加劇，由氣孔調節作用轉向了非氣孔因素調節作用，表明水分脅迫對葡萄光合速率的影響除受氣孔因素限制之外，在脅迫后期由活性氧代謝失調所誘導的非氣孔因素成為限制光合速率的主導因子，這與曹慧，周磊[15]等研究相一致。水分利用率(WUE)的變化受到凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)的共同作用。本試驗表明水分利用率(WUE)的變化則隨著脅迫程度的加劇而增加?？梢?，雖然對照(CK)處理土壤水分供應充足，但水分的無效消耗較多，最終導致葉片水分利用率較低，這種處理將不利于釀酒葡萄產量的形成和品質的提升。

4 結 語

水分脅迫能不同程度的抑制赤霞珠光合色素(葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素和總的葉綠素含量)的合成，促進其分解，最終導致植物光合色素含量下降。同時，水分脅迫導致赤霞珠葡萄凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)及氣孔導度(Gs)呈現下降的趨勢，促使胞間CO2濃度(Ci)呈現先下降后上升的趨勢。水分脅迫通過直接或間接影響赤霞珠葡萄光合特性的正常進行，同時，這種制約作用會隨著水分脅迫的持續和脅迫程度的加劇，逐漸由氣孔調節因素轉向非氣孔因素調節來實現。此外，水分脅迫在一定程度上能增加水分利用效率。

試驗處理后期,可以明顯地觀察到不同處理間赤霞珠葡萄植株形態上發生的變化。對照處理(CK)植株長勢最旺盛表現在，植株最高，葉片大，平展上沖，肥厚深綠，卷須向上，副梢發生多而茂密，冬芽飽滿外凸，部分還有二次果的發生；重度脅迫處理(T3)植株瘦小，梢尖有枯死現象，葉片暗黃下垂，看不到卷須，部分葉片出現外緣干枯，生長勢最差；中度脅迫處理(T2)新葉少，部分葉片有萎蔫表現，老葉泛黃下垂，很少有副梢發生；輕度脅迫處理(T1)長勢中庸，葉片密集，副梢生長較弱，葉片顏色暗綠。而從前期的取樣研究表明，處于水分脅迫的赤霞珠葡萄，在處理前期，雖然水分脅迫對植株的傷害在形態上還未表現出來，但實際上已經影響了植株的正常生長和發育。

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