干旱脅迫下沙芥幼苗葉片光合特性和葉綠素熒光參數的變化

王 萍，張希吏，石 磊

(內蒙古農業大學農學院/內蒙古自治區野生特有蔬菜種質資源與種質創新重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010019)

干旱脅迫下沙芥幼苗葉片光合特性和葉綠素熒光參數的變化

王 萍，張希吏，石 磊

(內蒙古農業大學農學院/內蒙古自治區野生特有蔬菜種質資源與種質創新重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010019)

以一年生沙芥幼苗的葉片為實驗材料，采用盆栽實驗的方法，將土壤含水量設置為正常澆水為對照(70%～75%WHC，CK)，輕度干旱脅迫(55%～60%WHC，LD)，中度(40%～45%WHC，MD)，重度(25%～30%WHC，VD)四個處理，用Li-6400 光合儀和葉綠素熒光儀FMS2(Hansatech, UK)，研究干旱脅迫下沙芥光合參數、熒光參數的變化規律，探討干旱脅迫對沙芥葉片光合生理指標的影響，旨在揭示沙芥對干旱脅迫的響應機制，為闡明沙芥的耐旱性提供理論依據。結果表明：(1) 隨著干旱脅迫程度的加劇，沙芥葉片葉綠素a,b含量在各干旱脅迫處理下，比對照下降了1.30%～7.04%和19.47%～42.37%，類胡蘿卜素含量下降了2.06%～9.88%。葉綠素a/b上升了33.49%～74.27%，Car/Chl上升了1.33%～15.73%。(2) 隨著干旱脅迫的加劇，沙芥葉片的凈光合速率、蒸騰速率、水分利用率呈現下降的趨勢，胞間CO2濃度先下降后上升，氣孔限制值不斷下降。這表明輕度干旱脅迫下氣孔限制是影響沙芥幼苗葉片Pn下降的主要因素;中度和重度干旱脅迫下，非氣孔限制是沙芥幼苗葉片Pn下降的主要因素。(3) 干旱脅迫下，沙芥葉綠素熒光參數Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ，qP和ETR均呈下降趨勢，qN在干旱脅迫下不斷上升。

沙芥幼苗；干旱脅迫；光合參數；葉綠素熒光參數

光合作用是植物生長的基礎，是植物生產力構成的最主要的因素，水分狀況又是影響光合作用最重要的因子之一，干旱會導致葉片氣孔關閉，嚴重時甚至損傷葉肉細胞、降低光合酶的活性、破壞葉綠體的結構[1]，降低葉綠素和類胡蘿卜素的含量，使植物光合速率降低[2]。植物葉綠素熒光分析技術是近年發展起來的用于光合作用機理研究和光合生理狀況檢測的一種新技術。與一些表現性的氣體交換指標相比，葉綠素熒光參數更具有反映內在性的特點，因而被視為研究植物光合作用與環境關系的內在探針[3]。沙芥〔Pugioniumcornutum(L.) Gaertn〕為十字花科沙芥屬一、二年生草本植物，別名山羊沙芥、山蘿卜、沙蓋、蒙名額樂孫蘿邦等，為中國的特有種[4]。沙芥生長于干旱、半干旱地區的固定和半固定沙丘上，是一種典型的沙生植物[5]。它主要分布在毛烏素沙漠及其邊緣地區的流動與半流動的沙丘上，在甘肅、寧夏、陜西、內蒙古等地區均有分布，它的主根發達，是防風固沙的先鋒植物。目前，隨著人們對野生植物沙芥生態作用和營養價值認知程度的增加，在分類、種子萌發[6]、傳粉習性[7]、營養成分等方面已有一些報道[8]。迄今為止，關于土壤干旱脅迫下沙芥光合作用的研究較少，對沙芥在干旱脅迫下葉綠素熒光動力學特征的研究尚未見報道。為此，本研究通過對沙芥幼苗進行盆栽水分處理試驗，以了解沙芥幼苗在干旱脅迫下光合和熒光指標的變化，揭示沙芥光合作用對土壤干旱脅迫的響應機制，為深入了解沙芥的光合生理特性提供參考。

1 實驗材料

本實驗材料來自于鄂爾多斯市毛烏素沙地自然環境。試驗地位于內蒙古農業大學的日光溫室中。于2013年4月下旬將去果皮的沙芥種子進行消毒、浸種，之后均勻擺入底部覆有濾紙的培養皿中進行種子萌發，待胚根長出后播種在PVC花盆，并置于大棚中，花盆的規格為高18 cm，內徑15 cm，基質為沙∶土壤=4∶1，土壤中全氮含量為76.21 mg·100g-1，有效磷含量為28.50 mg·kg-1，速效鉀含量158.0 mg·kg-1，有機質含量為1.95%，pH值為7.81。田間最大持水量12.4 g·cm-3，每盆裝材料1.5 kg。每盆播種4～5粒，出苗后間苗，每盆保證幼苗2株。在幼苗長到六葉一心時進行土壤干旱脅迫處理。干旱脅迫程度按葉片萎焉程度和Hsiao[9]標準劃分：對照、輕度脅迫、中度脅迫、重度脅迫處理土壤含水量分別占田間最大持水量的70%～75%、55%～60%、40%～45%、25%～30%。采用稱重法，于每日早晨6∶00和傍晚18∶00對花盆進行稱重，補充水分至相應的重量范圍，因為花盆質量很輕為90 g，它對幼苗的影響可以省略不計，每個處理重復4次。干旱處理12 d后，于第二天清晨9∶00～11∶00進行各個梯度沙芥幼苗葉片光合特性和熒光參數的測定。

2 測定方法

2.1 土壤相對含水量的測定

土壤相對含水量(%)=土壤含水量/田間最大持水量×100%

土壤含水量(%)=(w1-w2)/(w2-w0)×100%

式中，w0=鋁盒重，w1=鋁盒重+風干土樣重，w2=鋁盒重+烘干土樣重

2.2 沙芥葉片光合參數和葉綠素熒光參數的測定

沙芥葉片的光合特性利用采用Li-6400便攜式光合儀在干旱處理后第二天早上9∶00～11∶00進行測定，所用光源為Li-6400配置的紅藍光LED光源，楊曉宇[10]對沙芥葉片的光飽和點和光補償點進行研究，得出沙芥幼苗葉片的光飽和點為1 325 μmol·m-2·s-1，故此，本實驗光合有效輻射設置為1 200 μmol·m-2·s-1，控制樣本室內氣流速率為500 μmol·s-1，參比室CO2濃度為400 μmol·mol-1，控制溫度為起始時的外界環境溫度，測定時，選取每種處理長勢相同的植株，從外展開的第3,4片葉進行掛牌標記作為測定對象，每個處理測定8片葉。測定沙芥葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)等相關指標，并計算水分利用率(WUE=Pn/Tr)，整個植株的WUE=干物質量/水分損失總量×100%，氣孔限制值Ls(%)=(1-Ci/Ca)×100，其中Ci為胞間CO2濃度，Ca為空氣中CO2濃度。葉綠熒光參數使用FMS2(Hansatech, UK)進行測定；測定前葉片暗處理30 min。先用600 Hz測定光測定初始熒光(Fo)，隨后給葉片施加1 500 μmol·m-2·s-1飽和脈沖光0.7 s，測得最大熒光(Fm)。然后，打開作用光(600 μmol·m-2·s-1)。在熒光下降至施加飽和光前穩定水平之后再20 s，測得最小熒光(F0)。在儀器上直接讀出參數值，如暗適應葉片可變熒光(Fv)，PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)，實際光化學效率(ΦPSⅡ)，光化學熒光猝滅系數qP，非光化學熒光猝滅系數qN，電子傳遞速率(ETR)。

2.3 數據分析

數據分析使用Excel和SPSS19.0統計軟件進行數據處理和單因素方差分析(Duncan新復極差法，P=0.05和P=0.01)。

3 結果與分析

3.1 干旱脅迫下沙芥幼苗葉片光合色素含量和光合參數的變化

從表1可以看出，隨著干旱脅迫程度的加劇，沙芥葉片葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素含量逐漸下降，重度脅迫與對照相比，差異極顯著(P<0.01)。葉綠素a/b的值不斷上升，輕度脅迫時，與對照相比，差異不顯著(P>0.05)。與對照相比，中度與重度時，差異極顯著(P<0.01)。Car/chl比值先下降后上升，與對照相比，中度與重度時，差異極顯著(P<0.01)。

從表2中可以看出，隨著干旱脅迫的加劇，沙芥葉片的凈光合速率呈先上升后下降趨勢，輕度脅迫與對照相比有所上升，差異顯著(P<0.05)，中度和重度脅迫下，與對照相比有所下降，差異極顯著(P<0.01)。從表2可以看出，沙芥葉片蒸騰速率呈下降趨勢，與對照相比，輕度脅迫時差異不顯著(P>0.05)，中度和重度脅迫時差異極顯著(P<0.01)。從表2中可以看出，隨著干旱脅迫的加劇，與對照相比，水分利用率在輕度脅迫時差異不顯著(P>0.05)，中度和重度脅迫時下降明顯，均表現出顯著差異(P<0.01)。

從表2可以看出，葉片胞間CO2濃度在干旱脅迫下，呈現先下降后上升的趨勢，與對照達到差異極顯著(P<0.01)。與對照相比，在輕度脅迫下氣孔導度值差異不顯著(P>0.05)，說明在輕度干旱的條件下，沙芥幼苗葉片氣孔能夠保持一定水平的開度，利于蒸騰和光合。然而，在中度和重度脅迫下，逐漸下降，與對照相比，差異極顯著(P<0.01)。氣孔限制值隨著干旱脅迫的加劇呈現先上升后下降的趨勢，輕度脅迫時高于對照，差異不顯著(P>0.05)，中度和重度干旱時低于對照，差異極顯著(P<0.01)。

3.2 干旱脅迫下沙芥幼苗葉片葉綠素熒光參數的變化

Fv/Fm反映的是PSⅡ反應中心內的光能轉化效率，非環境脅迫條件下葉片的熒光參數Fv/Fm極少變化，不受物種和生長條件的影響，而遭受在逆境或受傷害時這一參數變化明顯；Fv/Fo則反映了PSⅡ的潛在活性，它們是表明光化學反應狀況的兩個重要參數[11]。從圖1中可知，隨著干旱脅迫程度的加劇，Fv/Fm與Fv/Fo呈下降趨勢，與對照相比，Fv/Fm在輕度脅迫時，差異不顯著(P>0.05)；中度與重度脅迫下，差異極顯著(P<0.01)。與對照相比，輕度、中度和重度脅迫下，Fv/Fm的降幅分別為5.71%，15.54%和24.70%；與對照相比，Fv/Fo在輕度脅迫時，差異顯著(P<0.05)；中度與重度脅迫下，差異極顯著(P<0.01)；與對照相比，輕度、中度和重度脅迫下，Fv/Fo的降幅分別為9.16%，19.93%和29.22%。以上表明，干旱脅迫使 PSⅡ受到了傷害，降低了 PSⅡ原初光能轉化效率，使沙芥幼苗葉片PSⅡ潛在活性中心受損，光合作用原初反應過程受抑制。

表1 干旱脅迫對沙芥葉片光合色素含量的影響

注：同列數據后大、小寫字母分別表示不同處理與CK間在0.01和0.05水平上有顯著差異，下同。

Note: Capital and lowercase letters in the same column indicated significant difference between drought treatment and controls at 0.01 and 0.05 level, respectively. The same as below.

表2 干旱脅迫對沙芥幼苗葉片光合特性的影響

ΦPSⅡ反映葉片在光適應下PSⅡ反應中心的實際光化學效率，即光下植物葉片捕獲光能中用于電子傳遞的比例，ΦPSⅡ的大小意味PSⅡ的實際光化學反應所利用的光能和過剩光能的多少[12-13]。從圖1中可知，隨著干旱脅迫程度的加劇，ΦPSⅡ逐漸下降。與對照相比，輕度脅迫時，ΦPSⅡ緩慢下降，與對照之間差異不顯著(P>0.05)，中度和重度脅迫時差異極顯著(P<0.01)。與對照相比，輕度、中度和重度脅迫下，降幅分別為7.74%，18.42%和26.70%。以上表明，隨著干旱脅迫的加劇，用于光化學反應的光能顯著降低，過剩光能增多。

光化學猝滅系數qP表示PSⅡ反應中心吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，所以光化學在一定程度上反映了PSⅡ反應中心開放程度和活性狀態[14]。從圖1中可知，qP隨著干旱脅迫的加劇不斷下降，與對照相比，輕度脅迫時差異不顯著(P>0.05)，中度和重度脅迫，差異極顯著(P<0.01)。說明干旱脅迫降低了PSⅡ反應中心開放程度，減弱了受體側接受電子的能力。隨著干旱脅迫的加劇，與對照相比，輕度、中度和重度脅迫下qP的降幅分別為6.12%，17.73%和22.80%。

qN表示葉片捕獲的光能中用于非輻射能量耗散的量[15]，隨著干旱脅迫的加劇，qN逐漸上升，以中度脅迫下qN上升幅度最大，其次為輕度，重度脅迫上升幅度最小，與對照相比，輕度與中度達到極顯著差異(P<0.01)。可見隨著干旱脅迫的加劇，葉片吸收光能大部分以熱量的形式耗散，以保護光合機構免受過剩光能破壞。

ETR表示表觀電子傳遞速率(通過光系統的非環式電子傳遞)，從圖1中可知，輕度脅迫下沙芥幼苗葉片的ETR含量緩慢下降，與對照相比，差異不顯著(P>0.05)，與對照相比，中度和重度脅迫下，差異極顯著(P<0.01)。表明輕度脅迫時，表觀電子傳遞速率受影響較小，隨著脅迫程度的加劇，電子傳遞速率下降。與對照相比，輕度脅迫、中度脅迫和重度脅迫下，ETR降幅分別為5.46%、17.83%和20.45%。

圖1 干旱脅迫下沙芥幼苗葉綠素熒光參數的變化

4 討 論

4.1 干旱脅迫下沙芥葉片光合色素和光合特性的變化

葉綠素是光合作用的光敏催化劑，與光合作用密切相關，其含量和比例是植物適應和利用環境因子的重要指標，葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的變化反映了葉片對外界光環境變化的適應情況[16]。在本研究中，葉綠素a,b的含量都在下降，但葉綠素b下降的幅度要大于葉綠素a，所以Chla/b的值升高，可減少沙芥葉片對光能的捕捉，降低光合機構受光氧化的損傷，是沙芥葉片適應干旱脅迫的光保護調節措施。隨著干旱脅迫加重，沙芥幼苗的光合色素會受到損傷，導致沙芥幼苗的Chl和Car含量下降，而Car的穩定性高于Chl，所以其下降幅度小于Chl，造成沙芥幼苗中Car在光合色素中占有的比例較高，因此Car/Chl的比值會上升。這就說明給予適當的干旱脅迫，使沙芥幼苗的Car含量相對升高，就有利于保護沙芥葉片的光合機構，防止Chl的光氧化破壞。

影響植物光合作用的因素有氣孔限制和非氣孔限制之說。Farquhar和Sharkey認為，只有當光合速率和胞間CO2濃度變化方向相同，且氣孔限制值增大，才可認為光合速率的下降主要由氣孔因素引起；如果胞間CO2濃度和凈光合速率變化方向相反，氣孔限制值減小，則凈光合速率下降歸因于葉肉細胞同化能力的降低[17]。本實驗結果表明在輕度脅迫時，沙芥和斧翅沙芥幼苗葉片光合速率與胞間CO2變化方向相反，而氣孔限制值增大，說明在輕度脅迫下，氣孔因素不會引起沙芥幼苗葉片光合速率的下降；而在中度和重度脅迫處理下，沙芥幼苗葉片光合速率明顯下降，而胞間CO2濃度卻上升，氣孔限制值減小，說明在中度和重度干旱脅迫下，沙芥幼苗葉片光合速率下降主要原因由葉肉細胞同化能力降低等非氣孔因素引起的。這與楊曉宇研究得出的結論一致[10]。隨著干旱脅迫的加劇，沙芥單株幼苗的水分利用率不斷下降，因為光合速率的降低會影響沙芥幼苗整個植株的生長和產量的形成，干旱脅迫越嚴重，沙芥植株的水分利用率越低，產量降低越明顯。

4.2 干旱脅迫下沙芥葉片葉綠素熒光參數的變化

正常情況下，葉綠素吸收的光能主要通過光合電子傳遞、葉綠素熒光和熱耗散三種途徑來消耗，這三種途徑存在著此消彼長的關系，光合作用和熱耗散的變化能引起熒光發射的響應變化，因此，可以通過對熒光的觀測來探究光合電子的傳遞和熱耗散[18]。本試驗研究結果表明，在輕度脅迫時Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ，qP、ETR下降幅度較小，qN上升幅度較大，說明葉片的光系統Ⅱ受到的損傷較輕，積累在PSⅡ反應中心的過剩光能可以通過熱形式耗散，隨著干旱脅迫的加劇，Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ，qP、ETR下降幅度逐漸增大，在重度脅迫下，qN上升幅度下降，說明干旱脅迫到一定程度，導致沙芥葉PSⅡ反應中心的開放程度降低，光合電子傳遞速率下降，使PSⅡ潛在活性受損，直接影響了光合作用的電子傳遞，使積累在PSⅡ反應中心的光能過剩，相關保護機制無法消耗過剩的光能，使光合機構受到過剩光能的損害，產生光抑制。

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ChangesofphotosyntheticpharacteristicsandchlorophyllfluorescenceparametersofPugioniumcornutum(L.)Gaertnseedlingsleafunderdroughtstress

WANG Ping, ZHANG Xi-li, SHI Lei

(CollegeofAgronomy,InnerMongoliaAgriculturalUniversity/InnerMongoliaAutonomousRegionKeyLaboratoryof
WildPeculiarVegetableGermplasmResourceandGermplasmEnhancement,Huhhot010019,China)

With the help of the method of a pot-cultivation experiment and the reference of different soil content with 70%～75%WHC(CK), 55%～60%WHC(LD), 40%～45%WHC(MD), 25%～30%WHC(VD) and with FMS-2 and Li-6400 photosynthetic apparatus, choosing seedling leaves ofPugioniumcornutum(L.) Gaertn as the experimental materials, this paper studies the change laws of hlorophyll fluorescence parameters ofPugioniumcornutum(L.) Gaertn under the drought stress, and the effects of drought stress on its photosynthetic index. The purpose of this paper is to reveal the mechanism ofPugioniumcornutum(L.) Gaertn dealing with the drought stress, and to illustrate its drought resistance. The results showed that: (1) With intensifying drought stress, by contrast, the content ofPugioniumcornutumleaf chlorophyll a, chlorophyll b inP.cornutum(L.) Gaertn decreased by 1.30%～7.04% and 19.47%～42.37% respectively, carotene content by 2.06%～9.88%; the value of chlorophyll a/b and Car/Chl increased by 33.49%～74.27% and 1.33%～15.73% respectively. (2) With intensifying the drought stress, there were distinct decrease trends of the net photosynthetic rate(Pn), transpiration rate(Tr), stomatal conductance(Gs) and water use efficiency(WUE) ofP.cornutum(L.) Gaertn leaves, and the carbon dioxide concentration decrease at first and then increase and the stomatal limitation(Ls) decrease, which showed thatPndecrease ofP.cornutum(L.) Gaertn leaves under light stress was mainly induced by stomatal factors, andPndecrease under moderate and severe stress was mainly induced by non-stomatal factors. (3) Under drought stress, there were decrease trends ofFv/Fm,Fv/Fo,ΦPSⅡ,qP,ETRofPugioniumcornutum(L.) Gaertn leaf, and increase trends ofqN.

Pugioniumcornutu(L.) Gaertn seedling; drought stress; photosynthetic parameters; chlorophyll fluorescence parameters

1000-7601(2017)03-0159-05doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.25

2016-04-14

：2017-02-24

：國家自然科學基金項目(31260475，30960236，30560088)；內蒙古農業大學創新(培育)團隊(NDPYTD2013-3)

王 萍，副教授，碩士生導師，主要從事種質資源與種質創新研究。 E-mail: wangping@imau.edu.cn。

S637

： A