干旱脅迫對日本莢蒾幼苗光合生理特性的影響

李瑞姣,陳獻志,岳春雷,李賀鵬,*,王　珺,郭　亮,楊　樂

1 浙江農林大學林業(yè)與生物技術學院,臨安　311300 2 浙江省臨海市林業(yè)技術推廣總站,臨海　317000 3 浙江省林業(yè)科學研究院,杭州　310000 4 浙江省臺州市椒江區(qū)農林局,臺州　318000

大多數(shù)瀕危植物在生理生態(tài)學方面存在生存力、適應力較差的共性[1]。干旱是影響植物生存、生長和分布最重要的環(huán)境脅迫因素之一。光合作用是植物最基本的生命活動,是干旱影響植物生長和代謝的第一環(huán)節(jié)[2]。研究瀕危植物干旱條件下的光合特性不僅有利于合理評估植物的最優(yōu)棲息地條件,而且對于揭示其瀕危機制、實施遷地保護和引種栽培等都有重要作用[3]。

日本莢蒾(Viburnumjaponicum)為忍冬科(Caprifoliaceae)莢蒾屬(Viburnum)常綠灌木,僅分布在環(huán)太平洋西部海島上,在日本[4- 5]、韓國[6],以及中國浙江省臺州、臨海、舟山[7- 8]等地有分布記錄。中國野生日本莢蒾數(shù)量十分稀少,主要生長在海島山坡林下、灌草叢及亂石堆中,生長環(huán)境土壤貧瘠,含水量低,該種已被列入浙江省重點保護野生植物名錄(第一批),是浙江省極小種群拯救保護物種之一。目前,有關日本莢蒾的研究主要集中在從植物葉片提取生物活性化合物[4,9]等方面,但對其生理生態(tài)特性的研究尚未見報道,有必要從干旱脅迫方面對日本莢蒾瀕危原因進行研究。本文采用盆栽控水模擬不同程度的土壤水分狀況,研究持續(xù)干旱脅迫對日本莢蒾幼苗光合生理指標的影響,分析植物在干旱脅迫下的內在光合機理,探討致瀕原因及其對干旱的適應能力和適應對策,為進行遷地保護及培育提供技術理論依據(jù)。

1　材料和方法

1.1　試驗材料

選用生長健壯、無病蟲害、長勢基本一致的2年生日本莢蒾實生幼苗(幼苗由臨海市林業(yè)技術推廣總站提供)作為供試材料,平均苗高(48.3±1.5)cm。試驗采用盆栽法,盆缽規(guī)格為21cm×16cm×21cm(上徑×下徑×高),每盆1株,每盆土重5kg,栽培基質為苗圃熟土,有機質含量為38.26g/kg,速氮0.16g/kg,速磷0.06g/kg,速鉀0.14g/kg,實驗前用環(huán)刀法測得栽培基質的最大田間持水量為31.9%。

1.2　試驗設計

2016年6月將盆栽苗移入浙江省林業(yè)科學研究院苗圃大棚內緩苗,期間正常供水。試驗設置4個不同的土壤水分水平：正常供水(Normal water supply,CK)、輕度干旱(Mild water stress,LS)、中度干旱(Moderate water stress,MS)、重度干旱(Severe water stress,SS),其土壤含水量分別為田間最大持水量的80%、60%、40%、20%,即土壤含水量分別為：25.52%,19.14%,12.76%,6.38%。每個處理設置6個重復。2016年7月下旬進行干旱脅迫實驗,每天傍晚采用感量為千分之一的電子天平稱重補水,使各處理的土壤含水量維持在設定的水平。于脅迫處理的第15、30、45、60、75天進行指標的測定。

1.3　測定指標與方法

1.3.1光合作用-光響應測定

采用Li- 6400便攜式光合作用測定儀(Li-COR,Lincoln,USA),于8:30—11:30,取枝條上部成熟葉片,通過紅藍光源(Li- 6400-02B)由高到低設定光合有效輻射(PAR,μmol m-2s-1)分別為2000、1500、1200、1000、800、600、400、300、200、100、50、20、0μmol m-2s-1,在此光強梯度下連續(xù)測定不同處理植株的凈光合速率(Pn,μmol m-2s-1),氣體流速控制在0.5L/min,葉溫控制在26—35℃,相對濕度60%左右,每株選一片葉子每天測一個重復,每個處理選3株,連續(xù)測3d取平均值。繪制凈光合速率對光合有效輻射的光響應曲線,并依據(jù)直角雙曲線修正模型(式1)進行模擬計算各光合生理參數(shù)[10]。

(1)

式中,Pn為凈光合速率,PAR為光合有效輻射,α為光響應曲線的初始斜率,β和γ為系數(shù),Rd為暗呼吸速率。

1.3.2葉綠素熒光參數(shù)測定

采用Li- 6400熒光葉室(Li- 6400- 40 Default Flurometer),于8:30—11:30進行葉綠素熒光參數(shù)的測定。選取的葉片與光合作用—光響應測量相同。首先采用配套的暗適應葉夾對各個處理葉片進行30min的遮光處理,立即測定其初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、最大光化學效率(Fv/Fm)；然后打開光源(強度為500μmol m-2s-1)對植物進行光照活化20—30min,待儀器穩(wěn)定后測定光適應下的光化學猝滅系數(shù)(qP)、非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)、實際光量子效率(ΦPSII)、電子傳遞速率(ETR)。

1.3.3葉片SPAD值的測定

采用便攜式葉綠素含量測定儀(SPAD- 502 Plus,Japan)分別測定各處理日本莢蒾幼苗葉片SPAD值[11]。

1.4　數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差(one-way ANOVA)分析,并用最小顯著法(Duncan′s)進行多重比較。用Origin 8.5軟件繪圖。

2　結果與分析

2.1　干旱脅迫對日本莢蒾幼苗生長的影響

干旱脅迫期間,CK處理幼苗長勢良好,頂芽萌發(fā)生長旺盛；LS、MS處理幼苗生長正常；SS處理在脅迫10d開始葉片下垂萎蔫,脅迫30d葉緣翻卷,45d時下部葉片枯死,60d時上部葉片出現(xiàn)褐斑,75d時幼苗全部枯死。說明日本莢蒾幼苗在重度干旱環(huán)境下不能長期存活。

2.2　干旱脅迫對日本莢蒾幼苗葉片SPAD值的影響

圖1　 不同水分處理下日本莢蒾葉片SPAD值的變化　Fig.1　SPAD value of Viburnum japonicum under different soil water treatmentsCK：正常供水,Normal water supply；LS：輕度干旱,Mild water stress；MS：中度干旱,Moderate water stress；SS：重度干旱,Severe water stress;不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

由圖1可以看出各脅迫階段日本莢蒾葉片SPAD值均表現(xiàn)出隨土壤水分的減小而下降。在脅迫前期和中期,LS、MS處理下葉片SPAD值與CK相比顯著降低,但隨著脅迫時間的延長,后期雖略低于CK但差異不明顯。SS處理下葉片的SPAD值與CK相比均顯著下降。

2.3　干旱脅迫對日本莢蒾幼苗葉片光響應曲線的影響

由圖2可知,在不同脅迫階段,日本莢蒾葉片凈光合速率(Pn)均表現(xiàn)為CK>LS>MS>SS,尤其是隨著光合有效輻射(PAR)的增大愈加明顯,脅迫45d時CK、LS、MS處理Pn較其他階段有所降低。在脅迫初期,3種干旱條件下的Pn與CK相比均有較大的降幅,SS的Pn與MS相似,但隨著脅迫時間的延長,LS、MS與CK之間的差距減小,SS處理葉片Pn下降明顯,從脅迫45d開始Pn值均為負。

圖2　不同水分處理下日本莢蒾的光合速率光響應曲線Fig.2　The photosynthesis light-response curves of net photosynthetic rate (Pn) for Viburnum japonicum under different soil water treatments

2.4　干旱脅迫對日本莢蒾幼苗葉片光響應特征參數(shù)的影響

由表1可知,日本莢蒾葉片的最大凈光合速率(Pnmax)隨著脅迫強度的增加逐漸下降,SS處理下比CK分別降低了55.70%、46.99%。暗呼吸速率(Rd)除在15d時LS顯著高于CK,MS、SS與CK無差異外,其他干旱時間都顯著低于CK；SS比CK 分別降低了16.73%、49.50%。表觀量子效率(AQY)隨脅迫強度的增加逐漸降低,正常供水、輕中度干旱處理隨時間延長逐漸上升。除SS處理在脅迫30d光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)比MS有所降低、MS處理在脅迫45d LSP比LS降低但差異不顯著外,其他處理下LSP、LCP隨土壤含水量的減小逐漸增加。脅迫45d時葉片Rd、LCP有大幅上升。

2.5　干旱脅迫對日本莢蒾葉綠素熒光參數(shù)的影響

由圖3可知,LS和MS處理下日本莢蒾幼苗葉片的PSII最大光化學效率(Fv/Fm)隨土壤含水量的減少逐漸降低,且在脅迫15d、75d與CK無顯著差異,SS處理除脅迫30d高于MS但差異不顯著外,其他時期均為最低。葉片PSII實際光量子效率(ΦPSII)隨處理時間的延長先升高后降低,各處理時期隨脅迫加重逐漸降低,SS比CK分別降低了26.05%、39.50%、51.38%、75.14%,且差異均顯著,而LS、MS降低幅度較小。光化學猝滅系數(shù)(qP)變化趨勢與ΦPSII相似,SS比CK分別降低了25.19%、28.43%、44.41%、65.56%。LS、MS處理下電子傳遞速率(ETR)與CK間降幅較小,在脅迫30d值最大,呈先增加后降低趨勢,SS則一直降低,與CK間降幅逐漸增大。非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)在脅迫15d,LS、MS較CK分別升高了55.40%、52.20%,但SS增加則相對較少；隨著時間的延長,LS、MS與CK差距減小,但SS一直有大幅升高,脅迫60d,SS的NPQ是CK的5倍左右。

表1　日本莢蒾在不同水分處理下的光響應曲線特征參數(shù)值

Pnmax：最大凈光合速率,Maximum net photosynthetic rate；AQY：表觀量子效率,Apparent quantum yield；Rd：暗呼吸速率,Dark respiration rate；LSP：光飽和點,Light saturation point；LCP：光補償點,Light compensation point；CK：正常供水,Normal water supply；LS：輕度干旱,Mild water stress；MS：中度干旱,Moderate water stress；SS：重度干旱,Severe water stress; —：凈光合速率(Pn)均在0μmol m-2s-1以下,無法通過擬合計算,不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

圖3　不同水分處理下日本莢蒾幼苗Fv/Fm、ΦPSII、ETR、qP、NPQ的變化Fig.3　Fv/Fm,ΦPSII,ETR,qP,and NPQ of Viburnum japonicum under different soil water treatments

3　討論

脅迫環(huán)境下的光響應特征參數(shù)有助于判定植物光合機構運轉狀況、光合作用能力和效率及其受環(huán)境變化的影響程度[12]。Rd與葉片的生理活性有關,干旱脅迫能夠使Rd降低[13],但也有研究表明輕度脅迫前期Rd會有所上升[14- 15],本研究結論與此相似,可能是因為溫和的水分虧缺能夠增加氣孔開度,降低氣孔阻力,從而使植物的呼吸作用增強。正常供水條件下日本莢蒾葉片LCP介于陰生植物(LCP<20μmol m-2s-1)與陽生植物(50μmol m-2s-11300μmol m-2s-1),說明對光環(huán)境的適應能力較強[16- 17]。在輕中度干旱下LSP、LCP逐漸增大,趨于陽生植物的特性,AQY隨脅迫時間延長逐漸上升至0.03—0.04左右,接近適宜生長條件下一般植物AQY的范圍值0.03—0.05,說明在長期輕度和中度干旱條件下,日本莢蒾對光仍能保持較強的生態(tài)適應性,反應了該植物對輕中度干旱有一定的抗性[13]。重度干旱下植物對光照的利用范圍擴大,但脅迫過程中Pnmax、AQY值較小,嚴重制約了日本莢蒾光合潛力的發(fā)揮,最大光合能力被限制,葉片光能轉化效率降低,光合作用受到影響[18- 19]。光合色素含量的高低直接影響到植物對光能的捕獲,進而影響光合產物的積累,最終影響植株的生長[20]。本研究中輕中度干旱下葉片SPAD值脅迫前期比對照顯著降低后期無明顯差異,Pn雖低于對照但差距逐漸減小,而長期重度干旱下SPAD值明顯下降且Pn均為負值,進一步說明了該植物對輕中度干旱有一定的耐受性和適應性,而重度干旱脅迫引起植物水分虧缺,延緩、停止或破壞植物的正常生長,并通過抑制葉片伸展、影響或降低葉綠體光化學及生物化學活性等途徑,使光合作用受到抑制[2,21]。有研究表明,高溫環(huán)境會使Pn下降,LCP上升,Rd先升后降[22- 23],脅迫45d各處理下日本莢蒾Pn比其他時期均較低,Rd、LCP大幅上升,且自脅迫開始至處理45d植物生長環(huán)境溫度均較高,是否由于高溫對光合作用造成了影響,還需進一步研究。

葉綠素熒光技術被稱為研究植物光合功能的快速、無損的探針,更能反映光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等特點[24- 25]。Fv/Fm反映PSII利用光能的能力,在沒有脅迫的條件下一般在0.75—0.85,而在逆境或受傷害時會明顯降低[26],但也有研究表明干旱脅迫下變化不明顯[27]。輕度和中度脅迫下日本莢蒾葉片F(xiàn)v/Fm值先降低后上升,這與李志軍等[28]對胡楊和灰葉胡楊的研究結果一致,重度干旱下降幅雖相對較大,但在Pn值為負的情況下仍大于0.75,說明日本莢蒾Fv/Fm對干旱脅迫不敏感,不能用來反映利用光能能力的強弱。輕度和中度干旱下,日本莢蒾葉片ΦPSII、ETR和qP均比對照有所降低但降幅較小,在15d時NPQ較正常供水有大幅升高且高于重度干旱,這是植物啟動光破壞防御機制,通過增加熱耗散能力,減少反應中心過剩光能的積累,保護光合機構免受破壞。重度干旱下葉片NPQ一直較高,ΦPSII、ETR和qP則隨時間延長與對照降幅逐漸增大,說明土壤重度干旱下植物熱耗散能力較強,但PSII復合體受破壞程度逐漸加大,導致光能轉換率大幅降低。此外正常供水、輕度、中度干旱環(huán)境下,日本莢蒾葉片ΦPSII、ETR和qP均隨處理時間的延長有一定的上升趨勢,這可以認為是日本莢蒾幼苗對長期干旱環(huán)境的正響應,從而維持植株光合作用的正常進行[25]。

4　結論

在長期輕度和中度干旱下,日本莢蒾幼苗通過提高葉片對光能的捕獲能力和光能轉化效率以及增強熱耗散能力等途徑,保持對光能較強的生態(tài)適應性,從而維持植物的正常生長,但重度干旱環(huán)境下PSII光系統(tǒng)受損嚴重,對光合作用造成嚴重影響,在土壤含水量長期低于6.38%環(huán)境下,該植物無法生存。野生日本莢蒾自然分布限于海島,而海島氣候干燥度較高,干旱嚴重,因此推測長期重度干旱是致使種群擴散困難的原因之一,此外在進行遷地保護和栽培過程中要注意及時補充土壤水分,以保證植物正常生長。

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