模擬降水量變化對防風(Saposhnikovia divaricata)幼苗光合特性及礦質營養積累的影響

戰麗杰,李凌浩,孟 偉,徐 偉,韓晨靜,李宗泰,張宏寶*

(1.山東棉花研究中心，山東 濟南250100；2.中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室，北京 100093；3.山東省林業科學研究院，山東 濟南250014)

近年來，全球氣候變化問題越來越引起人們的關注。1901年以來，北半球中緯度陸地區域平均降水已增加；預測到21世紀末，許多中緯度潮濕地區的年降水量將會增加，而中緯度干燥地區的平均降水量將減少[1]。近百年來，中國區域降水分布差異明顯，其中西部干旱、半干旱地區近30年來降水持續增加；預計到本世紀末，中國降水平均增幅為2%～5%，北方降水可能增加5%～15%[2]。

水分是大多數植物生長的主要限制因子，顯著影響植物的分布和生長發育[3]，降水格局的變化導致植物生長的水環境發生改變，必將影響植物的生理過程[4]。多數研究認為，減少降水降低了植物光合色素含量和凈光合速率[5-6]，而增加降水可提高植物光合色素含量和凈光合速率[7-8]；但也有研究指出，減少降水提高了植物光合色素含量和凈光合速率[9-10]。此外，降水格局的變化會引起植物脯氨酸、可溶性糖以及礦質營養元素含量的改變，但變化趨勢在不同植物間不盡一致，這與降水格局改變引起的水分脅迫的程度、時間以及植物對脅迫的耐受性有關[4,11-12]。

防風（Saposhnikovia divaricate（Turcz.）Schischk.）為傘形科防風屬多年生草本植物，以未抽薹的干燥根入藥，是我國常用大宗中藥材之一，具有解表祛風、勝濕、止痙的功效，用于治療頭疼感冒、風濕痹痛、風疹瘙癢、破傷風等[13]。目前，關于降水變化對防風影響的研究多集中于生長發育、光合特性、保護酶活性、滲透調節物質含量以及化學成分等方面[10,14]，且降水變化以減少降水為主，同時研究增加降水和減少降水對防風生理生態影響的報道較少，關于降水變化對防風光合特性及礦質營養元素積累的研究更是鮮見報道。本研究中，我們以內蒙古多倫縣野生防風為實驗材料，采用盆栽實驗，通過不同供水量模擬降水量變化，模擬研究全球變化背景下降水格局變化對防風光合特性及礦質營養元素積累的影響，為防風人工栽培及未來氣候變化下防風對相應環境的適應能力進行預測提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 實驗設計

本實驗于2014年6月至10月在中國科學院植物研究所溫室（40°N，116°28′E，海拔 74 m）完成。實驗所用土壤取自中國科學院植物研究所北京植物園。土壤自然風干后，過2 mm篩子，與沙子按1：1（v/v）比例混勻備用。混勻后的土壤有機質含量為0.82%，全氮含量為0.39 g·kg-1，堿解氮含量為18.91 mg·kg-1，有效磷含量為 9.41 mg·kg-1，有效鉀含量為54.47 mg·kg-1，有效銅含量為 1.07 mg·kg-1，有效鐵含量為 5.42 mg·kg-1，有效錳含量為 4.34 mg·kg-1，有效鋅含量為1.26 mg·kg-1，pH為7.1。實驗用花盆高19 cm，盆口直徑25 cm，盆底直徑14 cm。每盆裝5.7 kg混勻風干土。實驗材料為生長4個月的防風幼苗。種子采自內蒙古自治區錫林郭勒盟多倫縣的蔡木山鄉自然保護區。

以種子采集地區1979－2000年生長季（6－9月）月平均降雨量309mm為參考（表1），共設3個水分處理，分別為正常降水（309mm）、減水30%（216mm）和增水30%（402mm），分別用CK、-W和+W表示；每個處理4次重復，隨機區組排列。不同處理的供水次數和時間均相同，每月供水4次，每隔7天供水1次，根據實驗用盆將每次施水量換算成mL。不同處理間統一栽培管理。

表1 1979—2000年多倫縣6—9月月平均降水量及各水分處理降水量值Table1 Average monthly precipitation from 1979 to 2000 in Duolun County and precipitation values of three treatments

1.2指標測定

光合參數測定：分別在移栽后36、73、102、128天，選取葉齡相同的葉片，采用便攜式光合儀（LI-6400，Li-Cor Lincoln，NE，USA）在 09：00—11：00 測定凈光合速率（Pn）、胞間 CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）。 氣孔限制值（Ls）=1-Ci/Ca，其中Ca為空氣CO2濃度。計算表觀葉肉導度（Pn/Ci）。

光合色素含量測定：光合色素以95%乙醇為浸提劑，于波長665nm、649nm和470nm下分別測定吸光度值，葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量計算公式參照Lichtenthaler方法[15]。

可溶性糖和脯氨酸含量測定：可溶性糖以80%乙醇浸提，采用蒽酮比色法測定其含量；脯氨酸以3%磺基水楊酸浸提，參照酸性茚三酮法測定其含量。

礦質元素含量測定：采用凱氏定氮法測定其全氮含量；其他礦質元素采用硝酸和過氧化氫混合溶液于微波消解爐（MARS，CEM，NC，USA）中消解，以電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES，ICAP6300，Thermo Fisher Scientific Inc.，MA，USA）測定其含量。

1.3 數據處理

采用 SPSS 統計軟件（version 21，SPSS Inc.，Chicago，USA）對數據進行單因素分析（One-Way ANOVA），利用Duncan氏法進行多重比，較檢驗數據之間的顯著性，并用字母標記法表示。采用Origin軟件（version 9.4，OriginLab Corp.，Northampton，MA，USA）作圖。

2 結果與分析

2.1 光合色素含量

由表2可知，葉片葉綠素（Chl）a、Chl b、Chl a+b和類胡蘿卜素含量及Chla/b均隨降水量的增加而降低，均以-W處理最高，且顯著高于CK和+W處理，各色素含量及Chla/b在CK與+W處理間差異均不顯著。

表2 降水量變化對防風幼苗葉片光合色素含量的影響Table2 Effects of precipitation change on photosynthetic pigments contents in leaves of S.divaricate seedlings

2.2 光合參數

由圖1可以看出，不同降水處理間的葉片光合參數隨處理時間的延長差異越加明顯。移栽后36 d，三個降水處理的各光合參數均無顯著差異；移栽后 73 d、102 d 和 128d，-W 處理的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和表觀葉肉導度（Pn/Ci）顯著高于CK和+W處理，且四個參數在CK和+W處理間無顯著差異（圖1A、B、C、E）；移栽后 73 d 和102 d，三個降水處理的胞間CO2濃度（Ci）和氣孔限制值（Ls）無顯著差異；移栽后 102 d，-W處理的 Ci顯著低于其他兩個降水處理，且該處理的Ls顯著高于CK和+W處理，Ci和Ls在CK和+W處理間無顯著差異（圖1D、F）。

2.3 脯氨酸和可溶性糖含量

圖2顯示，各器官中脯氨酸和可溶性糖含量對不同降水量處理的響應不盡相同。不同降水處理對葉片、葉柄和根中脯氨酸含量影響顯著，三器官中脯氨酸含量均以+W處理最高，且顯著高于CK和+W處理，CK和+W處理間無顯著差異（圖2A）。不同降水處理僅對葉片中可溶性糖含量影響顯著，對葉柄和根中可溶性糖含量無顯著影響。+W處理葉片中可溶性糖含量顯著高于-W處理，CK與-W處理及CK與+W處理間均無顯著差異（圖2B）。根中脯氨酸和可溶性糖含量顯著高于葉片和葉柄，且葉片和葉柄中脯氨酸和可溶性糖含量均無顯著差異。

2.4 礦質營養元素含量

2.4.1 氮含量

由圖3可以看出，不同降水量處理對葉片、葉柄和根中氮含量影響顯著，三器官中氮含量由高到低依次均為-W＞CK＞+W，且各處理間差異顯著（圖3A）。根和葉片中氮含量顯著高于葉柄，根和葉片中氮含量無顯著差異。

2.4.2 磷含量

葉片、葉柄和根中磷含量均隨降水量增加而降低（圖3B）。葉片和根中磷含量均以-W處理最高，且顯著高于CK和+W處理，CK和+W處理無顯著差異；-W處理的葉柄中磷含量顯著高于+W處理，CK與-W處理及CK與+W處理間均無顯著差異。葉片、葉柄和根中磷含量由高到低依次為根＞葉柄＞葉片，且各器官差異顯著。

2.4.3 鉀含量

圖1 降水量變化對防風幼苗葉片光合作用的影響Figure 1 Effect of precipitation change on photosynthesis of S.divaricata seedlings

葉片中鉀含量以-W處理最高，且顯著高于CK和+W處理，CK和+W處理無顯著差異；葉柄中鉀含量由高到低依次均為-W>CK>+W，且各處理間差異顯著；不同降水量處理對根中鉀含量無顯著影響（圖3C）。葉片、葉柄和根中鉀含量由高到低依次為葉柄>葉片>根，且各器官差異顯著。

2.4.4 鈣含量

葉片中鈣含量以+W處理最高，且顯著高于-W和CK處理，-W和W處理無顯著差異；根中鈣含量以-W處理最高，且顯著高于CK和+W處理，CK和+W處理無顯著差異；不同降水量處理對葉柄中鈣含量無顯著影響（圖3D）。葉片、葉柄和根中鈣含量由高到低依次為葉片>葉柄>根，且各器官差異顯著。

2.4.5 鎂含量

圖2 降水量變化對防風幼苗脯氨酸和可溶性糖含量的影響Figure 2 Effect of precipitation change on proline and soluble sugar contents of S.divaricata seedlings

圖3 降水量變化對防風幼苗礦質元素含量的影響Figure 3 Effect of precipitation change on mineral elements contents of S.divaricata seedling

葉柄中鎂含量以-W處理最低，且顯著低于CK和+W處理，CK和+W處理無顯著差異；-W處理的根中鎂含量顯著高于+W處理，CK與-W處理及CK與+W處理間均無顯著差異；不同降水量處理對葉片中鎂含量無顯著影響（圖3E）。根和葉片中鎂含量顯著高于葉柄，根和葉片中鎂含量無顯著差異。

2.4.6 硫含量

葉片中硫含量由高到低依次均為-W>CK>+W，且各處理間差異顯著；葉柄和根中硫含量均以+W處理最低，且顯著低于-W和CK處理，-W和CK處理差異不顯著（圖3F）。葉片中硫含量顯著高于根和葉柄，根和葉柄中硫含量無顯著差異。

3 討論

植物的生理響應對環境變化比較敏感，植物光合生理等一系列生理指標對于指示植物生長狀況具有重要作用。植物的光合生理是一個非常復雜的過程，該生理過程的變化與植物自身因素和環境因子密切相關。關于植物光合生理對降水量變化的響應，前人進行了許多相關研究[9,16-17]。葉綠素和類胡蘿卜素是重要的光合色素，葉綠素是光合作用中最主要的色素，在光合系統中起著吸收、傳遞和轉化光能及光能捕獲和光破壞防御的作用[18-19]。一般來說，減少降水能夠降低植物光合色素含量[5]，而增加降水大多可提高植物光合色素含量[7]；但也有報道指出，減少降水提高了植物光合色素含量[9,20]。本研究中，與正常降水（CK）和增加降水（+W）處理相比，減少降水（-W）處理顯著提高了葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量，這與前人對針茅和紅砂的研究結果一致[21-22]，即輕度干旱提高了植物葉片的光合色素含量，但中度或更加嚴重干旱則會顯著降低光合色素含量。本研究中減少降水處理所營造的干旱脅迫環境，對耐旱性較強的防風而言，可能僅為輕度干旱脅迫，并未對幼苗造成重度干旱脅迫。多數研究認為，增加降水可提高葉片凈光合速率[8]，而減少降水可降低葉片凈光合速率[6]；但也有研究指出，減少降水提高了植物葉片凈光合速率[10,23]。本研究發現，在實驗初期（移栽后36 d），葉片凈光合速率隨降水的減少而降低，而在中后期（移栽后 73，102，128 d），葉片凈光合速率均以-W處理的最高，且顯著高于CK和+W處理，說明實驗初期的干旱脅迫一定程度上抑制了葉片的光合作用，隨著脅迫時間的延長，植物適應了這種程度的干旱脅迫，并且該干旱脅迫提高了葉片表觀葉肉導度（Pn/Ci），即提高了葉片中RuBP Case的活性，進而提高了葉片Pn。

脯氨酸和可溶性糖通常被認為是植物體內滲透調節的主要物質，其含量的變化對調控植物生理過程以適應逆境條件具有重要的貢獻[24-25]，二者一方面通過增加膨壓來維持細胞內結構和膜的穩定性，另一方面通過清除超氧陰離子等自由基緩解植株體內活性氧的毒害作用，避免細胞膜質過氧化[26]。有研究表明，降水格局的改變會引起的植物脯氨酸和可溶性糖含量的變化，但變化趨勢在不同植物間不盡一致[12,27]。本研究中，-W處理顯著提高了葉片、葉柄和根中脯氨酸含量，說明植株遭受干旱脅迫時，脯氨酸含量增加以提高細胞液濃度，降低細胞滲透勢，保持了滲透平衡，以達到保持植物水分的作用，這與褚建民等[28]對樟子松的研究結果一致。本研究發現，+W和-W處理葉片、葉柄和跟中可溶性糖含量與CK處理均無顯著差異，說明防風體內可溶性糖含量對本實驗條件下降水變化的響應尚不敏感，其原因可能是本研究中減少降水處理所營造的干旱脅迫環境，對耐旱性較強的防風而言，可能僅為輕度干旱脅迫，該脅迫強度可能還不足以達到使可溶性糖含量升高的閾值，植物體內脯氨酸含量的增加可以滿足該脅迫下植物的滲透調節要求。

不同研究者關于水分脅迫對植物礦質營養元素含量影響的結果不盡一致[11,29]，這與脅迫的程度、時間以及植物對脅迫的耐受性有關[4,30-31]。關于水分脅迫提高植物礦質營養元素含量的原因，不同的研究者給出不同的解釋，有的認為這可能是因為水分脅迫使植物光合作用減弱，干物質積累減少，產生濃縮效應，而并非植株真正吸收了更多的營養元素[32]；也有人認為可能因為植物對水分脅迫的適應性較強，能迅速適應水分脅迫，脅迫條件下各營養元素含量維持在較高水平有助于增強植物抵御脅迫的能力，也就是說植物能通過對自身營養元素調節的方式來提高自身對脅迫的耐受性[30]。已有研究指出，減少減水顯著提高了針茅和二裂委陵菜綠葉中氮含量以及衰老葉中磷含量[33]。本研究中，與CK處理相比，-W顯著提高了氮（葉片、葉柄和根）、磷（葉片和根）、鉀（葉片和葉柄）、鈣（根）和硫（葉片）含量，這可能與防風本身喜干旱環境以及減少降水處理所營造的干旱脅迫環境，對耐旱性較強的防風而言，可能僅為輕度干旱脅迫有關。此外，+W處理顯著顯著降低了氮（葉片、葉柄和根）、鉀（葉柄）和硫（葉片、葉柄和根）含量，這與冰草磷含量和平車前氮含量的研究結果一致[5,34]，其原因有待于進一步研究。在本實驗條件下，減少降水處理能夠使防風幼苗葉片光合作用及植株礦質營養含量維持在較高水平，有利于其生長發育，有利于防風幼苗初生代謝產物的積累。