高溫干旱脅迫對茶樹葉綠素熒光特性的影響

翟秀明 唐敏 胡方潔 張軍 侯渝嘉

摘? ?要? ?以蜀永1號為試驗對象，研究了高溫干旱脅迫對茶樹葉綠素熒光特性的影響，結果表明：隨著高溫干旱脅迫的進行，葉綠素熒光參數Fo、Fv/Fm、Fv/Fo均呈現先升高后降低的趨勢，葉綠素熒光參數ETR、Y（II）等參數在第三天稍有升高之后不斷下降，qN、Y（NPQ）先升高后降低，qP則逐漸下降，Y（NO）隨著脅迫時間的進行先降低后升高，說明植物葉片受到高溫干旱脅迫后，會通過提高PSII反應中心的開放程度、潛在活性，減少捕獲的光能并增加熱耗散來消耗光系統中的過剩光能等方式來抵御外界傷害，但這種自我保護和調節不是無限的，當傷害累積到一定程度時，茶樹葉片保護性自我調節機制變弱，非調節性能量耗散的量子產量Y（NO）則不斷增加，PSII反應中心的開放程度、潛在活性、最大活性、調節性能力耗散等方面不斷降低，直至植株死亡。

關鍵詞? ?茶樹;高溫干旱;葉綠素;熒光特性

中圖分類號：S571.1? ?文獻標志碼：A? ?DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.4.016

中國是茶樹的發源地和原產地之一，茶葉作為中國農業特色及文化傳承的重要經濟作物，具有極大的社會價值與經濟意義。我國茶區主要分布在亞熱帶和熱帶地區。受副熱帶高壓的影響，中國茶葉主要產區江南茶區、華南茶區以及西南茶區的重慶、貴州，夏天易出現高溫伏旱天氣，且持續時間較長[1]。因高溫干旱造成的茶樹死亡或損傷的現象時有發生，國內外關于茶樹遭受熱害伏旱的報道也不斷增加，高溫干旱對茶園尤其是幼齡茶園威脅巨大，嚴重影響茶葉的質量和產量，造成巨大的經濟損失。婁偉平[2]對浙江省1973—2017年的茶樹高溫熱害進行了風險區劃，研究發現2003—2017年浙江省茶樹高溫熱害出現機率高且等級高，在2003—2017年的15年中有12～13年發生過茶樹高溫熱害且有2～3年的茶樹高溫熱害等級達到一級。2013年，浙江紹興御茶村近85%的茶園受害，其中23.33余公頃瀕臨枯死，浙江麗水市松陽縣因高溫干旱致使茶葉經濟損失達6 203萬元[3]。葉綠素熒光技術是目前公認的可以快速無損傷的探究植物葉片光合機構受損程度的有效工具，被廣泛的應用于植物脅迫的各項研究中[4]。本研究以蜀永1號為研究對象，探討了高溫干旱脅迫對茶樹葉綠素熒光特性的影響，以期為茶樹抗旱研究及耐旱機制提供更多的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試茶樹品種：蜀永1號，2年生茶苗，由重慶市農業科學院茶葉研究所良繁基地提供。

1.2 試驗設計

試驗于2018年5—9月在重慶市農業科學院溫室大棚內進行，2017年4月移栽生長旺盛、長勢一致的一年生扦插苗到直徑20 cm、深25 cm的花盆中，每盆2株，共30盆，正常管理1年。2018年5月16日，將盆栽茶苗移入溫室大棚中，由農業智能監控系統智慧云中直接讀取每天溫室大棚內的溫度、濕度、光照強度、土壤含水量，每隔三天進行葉綠素熒光參數測定直至茶樹死亡。

1.3 測定指標及方法

葉綠素熒光參數測定：選則天氣晴朗的上午8： 30—11： 30進行測定。使用Walz PAM-2500便攜式調制葉綠素熒光儀測定茶樹在高溫干旱脅迫響應過程中的熒光動力學參數，用暗適應夾夾住葉片中部將葉片充分暗適應30 min，打開加飽和脈沖光，測定初始熒光Fo、最大熒光Fm。打開測量光和光化光，每隔10 s照射1次飽和脈沖光，繪制快速動力學曲線。PSII最大光化學率Fv/Fm、電子傳遞速率ETR、非調節性能量耗散的量子產量Y（NO）及調節性能量耗散的量子產量Y（NPQ）等參數由儀器直接讀取，3次重復。

1.4 數據處理

測試數據用Microsoft Excel進行整理，用SPSS Statistics 22進行方差分析和多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 高溫干旱脅迫對茶樹Fo、Fv/Fo和Fv/Fm的影響

Fo叫做初始熒光也叫作最小變熒光強度，是光合機構PSII反應中心全部開放時的熒光水平，其數值升高表示PSII反應中心受到傷害或不可逆失活[5-7]。Fv/Fo代表了PSII的潛在活性，Fv/Fm反映了PSII的最大光能轉化效率，也叫最大光化學量子產量，在未受脅迫的情況下，植物Fv/Fm數值相對穩定，一般在0.8左右，當植物遭受脅迫時，Fv/Fm數值會降低[8-10]。這三個指標是研究植物脅迫時的兩個重要參數，Fo、Fv/Fo和Fv/Fm測定結果見表1。

由表1可知，隨著脅迫時間的不斷增加，Fo數值呈現逐漸升高的趨勢，在第18天時突然下降，Fo上升說明茶樹在初始受到高溫干旱脅迫時，會通過提升PSII活性來抵御受到的脅迫傷害，但隨著脅迫時間的不斷增加，PSII反應中心受到的抑制進一步增強，開放程度開始降低，說明此時脅迫已經對葉片光合系統造成損傷。Fv/Fo隨著脅迫時間的增加呈現先突然上升后逐漸下降的趨勢，在脅迫第18天時達到最低值2.0，說明此時PSII反應中心潛在活性較低，葉片光合系統已出現損傷，與Fo的研究結果相同;Fv/Fm與Fv/Fo變化趨勢相同，均隨著脅迫時間延長呈現先上升后下降的趨勢，在第18天時急劇下降，與CK相比下降35.3%，Fv/Fm反映了PSII反應中心受傷害的程度，Fv/Fm數值下降明顯表明此時PSII反應中心收到了一定的抑制或損傷。

2.2 高溫干旱脅迫對茶樹葉綠素熒光參數ETR、Y（II）的影響

ETR為電子傳遞速率，反映實際光強條件下的表觀電子傳遞速率[11]，多項研究表明ETR與植物凈光合速率呈顯著相關關系，其動態變化與光合速率一致，PSII實際光化學效率Y（II）常用來表示植物光合作用電子傳遞的量子產額，可作為植物葉片光合電子傳遞速率快慢的相對指標[12]。由表2可知，隨著脅迫時間的增加，茶樹葉片電子傳遞速率ETR和Y（II）均在脅迫3天時增加隨后降低，在第15天時，ETR、Y（II）與CK相比分別下降了50%和50.5%，兩者之間差異顯著。證明在脅迫初期，植物的光合能力應激性保護性增強，隨著脅迫時間的延長，茶樹葉片收到不可逆損傷，光合能力不斷降低，在第18天時，供試的植株損傷嚴重，有兩株茶樹死亡，未能測得相應數據。

2.3? 高溫干旱脅迫對茶樹葉綠素熒光參數qP、qN、Y（NPQ）與Y（NO）的影響

光化學淬滅系數qP表示PSII反應中心中開放的反應中心所占比例的指標，非光化學淬滅系數qN代表了PSII反應中心天線色素吸收的光能用于熱能耗散掉的部分[13-15]。調節性能量耗散的量子產量Y（NPQ）是PSII吸收的光能中不用于光合電子傳遞而以熱形式耗散掉的部分，它代表了所有與光保護機制相關的熱耗散。非調節性能量耗散的量子產量Y（NO）是植物通過其他形式減少進入光化學途徑的能量占總吸收能量的比例，代表了熱耗散以外的猝滅部分，是光損傷的重要指標[12，16-20]，關于qP、qN、Y（NPQ）與Y（NO）的測定結果見表3。

方差分析結果顯示，所有參數在高溫干旱脅迫中差異不顯著。隨著高溫干旱脅迫的進行，光化學淬滅系數qP波動式下降，在第15天時達到最低值，與CK相比下降了50.5%，qP可反映出PSII用于光化學電子傳輸的光能在天然色素吸收的光能中所占的比例，在一定程度上表現了該反應中心的開放度高低[21]，該數值不斷降低，表明反應中心內部電子的傳遞效率和反應活性在不斷減弱[22];非光化學淬滅系數qN隨著脅迫的進行先增加后降低，在第15天時達到最低值，與CK相差較小，僅下降了4.8%，qN上升說明脅迫中植物葉片具有一定的光保護能力，可以通過增加熱耗散的形式來避免逆境脅迫對光合系統的損傷，qN在第9天后下降，說明此時葉片光合系統已受到一定傷害，調節能力下降;調節性能量耗散的量子產量Y（NPQ）隨著脅迫的進行先升高后降低，在第6天時達到最大值，在第18天時達到最小值，與CK相比下降了24.9%，非調節性能量耗散的量子產量Y（NO）隨著脅迫的進行先降低，在第3天和第9天之間數值保持穩定，之后增加，在第15天時達到最高值，與CK相比增加了31.1%。

3 討論

植物的光合作用是一個非常復雜的過程，植物葉片吸收的光能通過光合作用、葉綠素熒光發射和熱耗散三種途徑消耗，三者之間遵循“光合作用+葉綠素熒光+熱耗散=1”的規律，因此這三種途徑之間具有此消彼長的關系，通過對葉綠素熒光參數的觀測可以探究植物光合和熱耗散的情況[23]。葉綠素熒光動力學可以從內在特性方面對植物光合系統的功能和外界環境對其造成的脅迫影響進行評價，其Fo、Fv/Fm、Fv/Fo、ETR、Y（II）等參數的變化程度可以鑒別植物抵御或耐受高溫干旱的能力[24-25]。

本研究發現，隨著高溫干旱脅迫的進行，葉綠素熒光參數Fo、Fv/Fm、Fv/Fo均呈現先升高后降低的趨勢，說明在脅迫初期，植物葉片通過提高PSII反應中心的開放程度、潛在活性等方式來抵御外界傷害，但隨著脅迫時間的不斷增加，茶樹葉片PSII反應中心受到損傷，其開放程度、光能轉化效率、潛在活性不斷下降。同時，隨著脅迫的不斷進行，葉綠素熒光參數ETR、Y（II）等參數在第三天稍有升高之后不斷下降，qN、Y（NPQ）先升高后降低，qP則逐漸下降，Y（NO）隨著脅迫時間的進行先降低后升高，說明高溫干旱脅迫會導致PSII反應中心受到傷害，致使茶樹光合電子傳遞速率及光合作用電子傳遞的量子產額減少，導致茶樹光合效率降低，為了抵制高溫干旱帶來的這種傷害，茶樹葉片通過自身的調節機制減少捕獲的光能并增加熱耗散來消耗光系統中的過剩光能[13]，此時用于光化學過程的光能配額減少，非光化學過程分配的能量相應增加，因此，Y（NPQ）、qN隨之升高，但這種自我保護和調節不是無限的，當傷害累積到一定程度時，茶樹葉片保護性自我調劑機制變弱，非調節性能量耗散的量子產量Y（NO）則不斷增加，Y（NPQ）、qN不斷降低，直至植株死亡。

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（責任編輯：敬廷桃）