干旱脅迫對2種梨砧木生長及葉綠素熒光特性的影響

解 斌，李俊豪，趙 軍，朱霄飛，李六林

(1.山西農業大學 園藝學院，山西太谷 030801；2.江蘇省溧陽市別橋鎮農業服務中心，江蘇溧陽 213321；3.山西省晉中市祁縣果樹產業技術服務中心，山西祁縣 030900)

隨著全球氣候變化，水分虧缺日益嚴重[1]，干旱嚴重制約果樹產業發展。梨是中國重要的栽培果樹之一，樹體高大，根系分布深，耗水量大，但其產地多為干旱、半干旱地區，降水時間分布不均[2-3]，干旱缺水嚴重影響梨樹栽培生產。在梨樹苗木的嫁接繁育中，砧木對其抗旱性起決定性作用[4]。杜梨(PyrusbetulaefoliaBunge.)為北方梨樹栽培常用砧木；豆梨(PyruscalleryanaDecne.)常被用作砂梨的砧木。董星光等[5]研究發現資源起源生態區不同使梨砧木間莖干組織結構形成巨大差異，杜梨導管分子管徑大等的特點，保證其在干旱下的水分運輸，抗旱性明顯優于豆梨。目前,關于梨砧木響應干旱的研究多集中于組織結構[6]，遺傳多樣性[7]及抗氧化酶[8]等方面，有關光合作用和葉綠素熒光參數變化規律的系統性研究較少。

葉片作為植株響應干旱最敏感的部位，其形態結構及生理變化可直接反映植株適應和抵御干旱的能力，通過葉綠素熒光特性可分析葉片對光能的吸收和利用[9]。Naidoo等[10]、麻云霞等[11]認為抗旱性強的植物能調節自身的葉綠物質含量等生理學指標主動適應干旱逆境。Wang等[12]、曹慧等[13]研究發現水分脅迫會使蘋果屬植物幼苗葉綠素降解加劇，光合速率大幅下降，最大光化學效率(Fv/Fm)、光化學猝滅系數(qP)降低，而非光化學猝滅系數(NPQ)不斷上升以減輕干旱對樹體造成的傷害。Stellfeldt等[14]在研究中發現輕度干旱脅迫對植株無明顯影響，嚴重水分虧缺會使植物電子傳遞受阻，熱耗散增加，從而使光合效率降低，生長減緩。王延秀等[4]在對3種蘋果砧木的研究中發現干旱脅迫下抗性品種能夠較好地保持細胞結構的完整性，維持光合作用相對穩定，并證明光合速率與蘋果砧木抗旱能力的相關性。因此,本研究以2種梨砧木為試材進行干旱模擬試驗，分析其生長狀態、光合及葉綠素熒光特性等對干旱脅迫的響應與適應，探討不同梨砧木適應干旱的能力及對策，以期為梨砧木苗期精細化水分管理及耐旱機制的深入研究提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 植物材料

供試材料分別為杜梨(PyrusbetulaefoliaBunge.)和豆梨(PyruscalleryanaDecne.)的2 a生實生幼樹。杜梨的種子采自山西省絳縣中條山區；豆梨的種子來自于湖北省果茶研究所。2016年11月將種子層積處理5個月后催芽、播種于穴盤中，栽培基質為細沙；2017年5月將6葉齡幼苗移栽至塑料花盆(上口徑16.1 cm、下口徑11 cm、高14 cm)中，盆栽土由腐熟豬糞、田園土和細砂按體積比1∶2∶3配制，每盆1株，常規管理；2018年4月中旬選擇大小基本一致的苗木共計40株移植入花盆(高18 cm、上口徑21 cm、下口徑12 cm)中，每盆裝干土2.90 kg，其土壤飽和含水量為41.3%，每盆1株，常規管理；2018年5月，將供試植株放入遮雨棚中，幼樹平均株高和基徑分別約為55.0 cm和0.8 cm。

1.2 處 理

試驗設以下處理:輕度干旱脅迫(LD):土壤相對含水量為60%±5%；中度干旱脅迫(MD):土壤相對含水量為40%±5%；重度干旱脅迫(HD):土壤相對含水量為20%±5%。對照(CK):土壤相對含水量為80%±5%。每處理10盆。土壤相對含水量以土壤含水量占土壤飽和含水量的百分數表示[6]。試驗環境溫度為(25±5)℃；當控水達到預設的水分梯度后，每天18：00補充當天水分蒸發量。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤體積含水量日變化動態監測 使用托普云農土壤墑情速測儀(TZS-1K，中國)進行長期監測，每種各處理隨機選擇3盆，測量深度約10 cm，每隔30 min自動采集1次數據。

1.3.2 新生枝條相對生長量的測定 每隔15 d于9:00使用毫米刻度尺準確定位測定，計算相對生長量。相對生長量=(脅迫處理一定時間后新梢長度-初始新梢長度)/初始新梢長度×100%。

1.3.3 氣體交換參數的測定 每隔15 d于 9:30-11:30使用便攜式光合儀(LI-6400 XT，美國)測定葉片凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)，各處理隨機選擇3株，每株選擇上端5～6片健康葉片待測，測定重復9次。

1.3.4 葉綠素含量的測定 葉綠素含量參考高俊鳳[15]的方法，使用分光光度計(Eppendorf Bio Spectroneter fluorescence，德國)進行測定，采樣間隔為15 d，每株選擇3片葉待測，測定重復3次。

1.3.5 葉綠素熒光的測定 梨砧木葉片葉綠素熒光使用便攜式光合儀(LI-6400 XT，美國)測定。每隔15 d在各植株上分別選擇3片健康葉片作為待測葉片，重復3株，于測定當天15:00左右用錫箔紙包裹葉片使其充分暗適應約9 h后，照射檢測光測定最小初始熒光F0，暗適應下最大熒光Fm，計算光系統Ⅱ中最大光化學效率[Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm]。第2天9:00用葉室內活化光活化30 min以上，進行相關參數測定。

1.4 數據統計與分析

用Excel 2013和SAS v 9.0(SAS Institute Inc.,美國)對試驗數據進行制圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同程度干旱脅迫處理下土壤體積含水量動態變化

圖1結果表明，正常供水和輕度干旱脅迫下土壤水分日變化波動較大，在12:00之后受植物蒸騰耗水及水分蒸發影響，土壤含水量出現明顯下降，但盆內土壤含水量均處于試驗設計范圍內；而中度及重度干旱脅迫下土壤水分無明顯變化。

2.2 不同程度干旱脅迫處理對2種梨砧木幼樹生長的影響

圖2顯示，正常供水情況下豆梨新梢相對生長量高于杜梨(P<0.05)，說明豆梨幼苗較杜梨生長快。隨著干旱脅迫的加重，2種砧木新梢相對生長量逐漸降低。持續性輕度干旱脅迫下，杜梨幼苗的新梢相對生長量下降了9.22%，但差異不顯著(P>0.05)，而豆梨降低28.47%(P< 0.05)，顯著低于對照；中度干旱分別使杜梨和豆梨新梢相對生長量降低35.52%和45.71%，差異達到顯著水平(P<0.05)；重度干旱下杜梨和豆梨的新梢相對生長量均顯著低于其他水分條件，但杜梨新梢相對生長量為7.18%，豆梨新梢相對生長量僅為2.14%，說明中度及重度干旱嚴重影響梨砧木幼苗的生長，而豆梨受干旱脅迫影響 較重。

CK.正常供水 Normal water supply；LD.輕度干旱 Lighter drought-stress；MD.中度干旱 Moderate drought-stress；HD.重度干旱 Heavier drought-stress;下同 The same below

圖1 不同程度干旱脅迫處理的土壤體積含水量
Fig.1 Soil volumetric moisture content under treatments of different drought stresses

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05) Different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05)。下同 The same below

圖2 干旱脅迫處理對2種梨砧木幼苗生長的影響
Fig.2 Effects of drought stress on growth of two kinds of pear rootstock seedlings

2.3 不同程度干旱脅迫對2種梨砧木凈光合速率的影響

圖3顯示，與正常供水處理相比，干旱脅迫導致杜梨和豆梨幼苗凈光合速率(Pn)下降，且不同程度干旱處理間存在差異。輕度干旱處理前期杜梨Pn值與正常供水植株相比，無明顯差異(P>0.05)，第45天時出現顯著降低(P<0.05)，而豆梨則從15 d時就低于對照(P<0.05)；中度及重度干旱脅迫下2種砧木的Pn值均顯著低于對照(P<0.05)，其中杜梨45 d時較干旱處理初Pn值分別下降36.8%和74.5%，但豆梨分別下降 44.81%和78.04%，即在相同處理時間下杜梨的Pn降幅較小。

2.4 不同程度干旱脅迫對2種梨砧木葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響

由表1可知，在正常供水情況下，豆梨的葉片葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、總葉綠素(Chl(a+b))及β-胡蘿卜素(β-carotene)含量均高于杜梨，但差異不顯著(P>0.05)。與正常供水相比，不同程度干旱脅迫下杜梨Chlb含量在30 d內變化均未達顯著水平，在45 d時出現顯著下降 (P<0.05)，其他色素含量均呈不斷下降的趨勢；在重度干旱處理45 d時，杜梨葉片的Chla、Chlb、Chl(a+b)及β-carotene含量分別下降41.9%、27.3%、39.2%和35.4%，而豆梨分別降低了 58.6%、43.3%、55.3%和44.0%，表明在干旱脅迫下，豆梨色素含量下降幅度明顯大于杜梨。

圖3 干旱脅迫對2種砧木葉片凈光合速率(Pn)的影響Fig.3 Effects of drought stress on net photosynthetic rate in leaves of two kinds of pear rootstock seedlings

測定指標Measurement index處 理Treatment持續干旱時間/d Drought duration杜 梨 Pyrus betulaefolia Bunge.0153045豆 梨 Pyrus calleryana Decne.0153045葉綠素a Chla/(μg·cm-2)正常供水 CK28.12±0.75 a28.08±0.17 a28.71±0.15 a28.20±0.74 a30.40±0.83 a30.50±0.90 a29.44±0.56 a29.40±1.13 aChlorophyll a輕度干旱LD28.34±0.83 a27.77±1.42 ab26.98±0.76 b25.60±0.80 b29.51±0.52 a27.55±0.57 a25.40±0.93 ab24.24±0.60 a中度干旱 MD27.76±0.95 a25.43±0.47 ab22.83±1.01 b19.63±0.63 c29.55±0.78 a24.22±0.62 b21.88±0.78 b18.81±0.57 b重度干旱 HD28.16±0.75 a23.22±0.50 b19.57±0.69 b16.40±0.57 d30.14±0.85 a21.58±0.83 b15.27±1.57 c12.17±1.45 c葉綠素b Chlb/(μg·cm-2)正常供水 CK6.02±0.22 a5.74±0.15 a6.06±0.34 a6.38±0.17 a8.37±0.15 a8.16±0.13 a8.22±0.21 a8.11±0.25 aChlorophyll b 輕度干旱LD5.88±0.26 a5.64±0.17 a5.93±0.43 a5.76±0.13 a8.39±0.20 a7.84±0.15 a7.55±0.16 b7.69±0.10 b中度干旱 MD5.83±0.36 a5.59±0.07 a5.41±0.09 a5.00±0.16 b8.40±0.15 a7.10±0.41 ab6.83±0.07 c6.47±0.11 b重度干旱 HD5.96±0.13 a5.44±0.13 a5.23±0.13 a4.64±0.04 b8.57±0.67 a6.57±0.11 b5.51±0.06 c4.59±0.14 b總葉綠素Chl(a+b) /(mg·cm-2)正常供水 CK34.15±0.97 a33.81±0.49 a34.78±0.49 a34.58±0.64 a38.77±0.97 a38.66±0.80 a37.66±0.44 a37.51±1.22 aTotal chlorophyll輕度干旱LD34.22±0.66 a33.41±1.58 a32.91±0.56 a31.35±0.89 a37.90±0.61 a35.39±0.72 b32.95±0.86 b31.93±0.56 b中度干旱 MD33.59±1.29 a31.02±0.44 ab28.24±1.10 b24.92±0.47 b37.96±0.72 a31.32±0.97 c28.70±0.85 c25.28±0.62 c重度干旱 HD34.13±0.66 a28.66±0.55 b24.80±0.82 b21.04±0.60 b37.71±1.13 a28.45±0.88 d20.78±1.55 d16.76±1.38 d類胡蘿卜素 /(μg·cm-2)正常供水 CK7.20±0.23 a7.57±0.09 a7.17±0.35 a7.25±0.61 a7.22±0.14 a7.64±0.79 a7.06±0.46 a7.15±0.19 aβ-carotene 輕度干旱LD7.55±0.25 a7.00±0.10 b7.07±0.29 a6.84±0.16 a7.25±0.21 a6.68±0.14 ab5.92±0.12 b5.64±0.08 b中度干旱 MD7.47±0.58 a6.15±0.16 c5.55±0.05 b5.23±0.06 b7.18±0.33 a6.31±0.11 ab5.18±0.12 b4.77±0.15 c重度干旱 HD7.29±0.31 a6.01±0.16 c5.30±0.02 b4.68±0.13 b6.90±0.21 a5.71±0.15 b5.17±0.11 b4.00±0.08 d

注:同列不同小寫字母表示同一指標在相同處理時間內不同干旱處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same columns indicate significant difference among different drought treatments at the same treatment time at 0.05 level.

2.5 不同程度干旱脅迫對2種梨砧木葉綠素熒光參數的影響

由圖4可知，在正常供水情況下，2個品種間光系統Ⅱ(PSⅡ)熒光參數無明顯差異(P> 0.05)，干旱脅迫前期(0 d、15 d)對于杜梨的最小初始熒光(F0)、實際光化學量子效率(ΦPSⅡ)、非光化學猝滅系數(NPQ)和電子傳遞效率(ETR)均無明顯影響，持續的低土壤含水量條件下，2個品種的最大光化學效率(Fv/Fm)、ΦPSⅡ、光化學猝滅系數(qP)和ETR值均顯著下降(P<0.05)，F0和NPQ則顯著升高(P<0.05)。

2.5.1 最大光化學效率(Fv/Fm) 由圖4可知，干旱脅迫后杜梨和豆梨的Fv/Fm均有所減小，且脅迫越重，降幅越大。輕度干旱脅迫下杜梨Fv/Fm在第45天時相較于CK下降1.33%，豆梨則是在脅迫第30天已經降低2.06%；中度和重度水分脅迫下杜梨、豆梨分別在第30天和第15天時出現下降；重度脅迫處理45 d時，杜梨和豆梨相較于CK分別降低6.67%和7.31%。

2種梨砧木的F0在脅迫后均有所增加，增加幅度在各處理間均存在顯著差異。在輕度、中度和重度干旱處理15 d時，豆梨F0均顯著高于CK，之后隨時間延長，差異愈加顯著，45 d時F0分別增加至CK的1.1倍、1.25倍和1.36倍；而在45 d時，輕度脅迫處理下的杜梨與CK相比無顯著差異，中度和重度干旱使杜梨F0增加至對照的1.06倍和1.11倍。

圖4 干旱脅迫對2種砧木葉綠素熒光參數的影響Fig.4 Effects of drought stress on chlorophyll fluorescence parameters of two kinds of pear rootstock seedlings

2.5.2 熒光猝滅動力學 由圖4可知，干旱脅迫下，杜梨和豆梨的ΦPSⅡ相較于正常供水處理均呈下降趨勢(P<0.05)，其中，中度及重度脅迫下杜梨從第30天開始顯著低于正常供水(P<0.05)，而豆梨則在第15天即出現顯著下降。

qP為光適應光化學淬滅系數，可以反映光合反應中心的開放程度。由圖4可知，輕度干旱脅迫下，杜梨qP值在45 d時顯著降低，豆梨在15 d時出現顯著下降；在中度和重度干旱脅迫下杜梨和豆梨均于第15天出現下降。與CK相比，長期輕度、中度和重度干旱處理45 d使得杜梨qP分別下降14.4%、34.3%和36.5%，而豆梨則分別下降 23.7%、35.8%和46.3%。

NPQ可反映PSⅡ吸收的能量以熱耗散形式釋放的部分。由圖4可知，隨著土壤水分含量降低及處理時間延長，杜梨和豆梨的NPQ值均顯著上升(P<0.05)。干旱處理45 d時，輕度、中度和重度干旱使杜梨的NPQ值相較于CK分別增長 21.7%、42.7%和68.9%，而使豆梨分別增長12.0%、 42.4%和53.0%。

輕度干旱脅迫對于杜梨的電子傳遞效率(ETR)無明顯影響，但豆梨卻呈下降趨勢，差異顯著(P<0.05)。在中度和重度干旱脅迫下2種砧木的ETR表現相似的變化規律，即均呈顯著下降趨勢。

3 討論與結論

3.1 干旱脅迫對梨砧木幼苗生長特性的影響

杜梨和豆梨幼苗的水分消耗和生長情況均與土壤體積含水量緊密相關(圖1，圖2)。水分虧缺下2種梨砧木新梢相對生長量均低于正常供水處理。干旱條件下植株的新梢相對生長量是其抗旱性反應的綜合體現，本研究發現，杜梨對輕度干旱脅迫適應性較強，該結果與李澤等[16]的研究結果類似；隨土壤水分含量的降低，杜梨和豆梨幼苗的生長受抑制程度逐漸加重，新梢生長愈加減緩，長期干旱條件下豆梨的新梢生長速率明顯低于杜梨，換言之，杜梨表現出較好的抗旱能力。

3.2 干旱脅迫對梨砧木幼苗葉片凈光合速率的影響

梨砧木在應對干旱脅迫時表現形態和生理變化等多種防御機制[17]。本研究發現干旱脅迫后杜梨葉綠素b含量變化較小，但隨著干旱脅迫的加劇，2種梨砧木葉綠素a、總葉綠素及類胡蘿卜素含量均不斷降低，這可能是由于水分虧缺使活性氧累積，器官受損，影響葉綠素的生物合成，同時葉綠素分解加快，從而導致植株葉片葉綠素減少[8]；相較于葉綠素b而言，葉綠素a對活性氧反應更敏感，致使葉綠素a含量受干旱脅迫影響較大[18]。梨砧木幼苗的葉綠體結構破壞，直接影響光合作用的正常進行，因此干旱脅迫以對光合作用的影響最為突出。井大煒等[19]、Limbu等[20]研究發現，隨干旱脅迫程度的增加，植物葉片的Pn隨之下降，抗旱性強的植物Pn較抗旱性弱的植物降幅小。本研究結果同樣表明，重度和中度干旱脅迫下2種砧木幼苗的光合作用明顯減弱，這可能主要是由于滲透脅迫導致葉片氣孔關閉，環境中CO2向細胞內擴散難度增大，使得光合碳固定底物減少所致。杜梨的光合參數在干旱脅迫后變化幅度明顯小于豆梨，表現出較好的抗旱能力，可能與杜梨在脅迫后能較好地維持正常葉片氣孔形態相關。

3.3 干旱脅迫對梨砧木幼苗光系統Ⅱ葉綠素熒光參數的影響

植物葉綠素所吸收的光能需經葉綠素熒光發射、光合電子傳遞和熱耗散消耗，因此，利用葉綠素熒光特性能夠有效探測植株的光合作用效率[21]。逆境中植物品種內或品種間遺傳物質的差異會使其葉綠素熒光參數從本質上產生不同[22-25]。Fv/Fm響應逆境脅迫較為敏感[26]，本試驗中杜梨和豆梨的Fv/Fm均逐漸下降，表明長期水分虧缺使梨砧木葉片發生了光抑制[27-28]。F0既和葉綠素含量有關，同時也與PSⅡ反應中心的活性密切相關[29-30]。前人研究發現，干旱[31]和鹽脅迫[32]等逆境均使F0升高。本研究發現，土壤含水量降低使豆梨的F0增幅顯著大于杜梨，說明水分虧缺使豆梨光合器官受到更嚴重損傷，影響PSⅡ的正常活動。杜梨的F0在不同程度干旱處理30 d時才逐漸升高，而豆梨在15 d就發生了顯著升高，證實杜梨可維持PSⅡ活性以增強對干旱的耐受性。

Jalink等[22]、Razavi等[33]認為，植物的抗旱能力與非光化學猝滅系數NPQ的上升幅度呈正比，此系數升高表明植株在干旱脅迫下會啟動自我保護機制。本研究結果顯示，干旱脅迫45 d后杜梨qP和ETR下降幅度低于豆梨，NPQ增加幅度明顯大于豆梨，這可能是由于在嚴重水分虧缺的情況下，抗旱性強的砧木杜梨一方面可以保護光系統Ⅱ，維持原初光能轉換效率和潛在活性的穩態，另一方面非輻射熱能耗散體系能夠有效響應干旱，從而使光合機構得到保護。

綜上所述，干旱脅迫使2種梨砧木均受到光抑制，葉片葉綠素含量下降，葉綠體結構發育受阻，凈光合速率減弱，從而導致生長減緩，但杜梨的光合系統對干旱脅迫的防衛能力明顯優于豆梨，輕度干旱脅迫對杜梨不產生明顯影響。