干旱對甜菜葉叢期光系統Ⅱ及光合作用的影響

李思忠，高衛時，張立明，白曉山，劉 軍，董心久，楊洪澤，沙 紅，高 燕

（新疆農業科學院經濟作物研究所，新疆烏魯木齊 830091）

干旱脅迫是影響干旱區或半干旱區甜菜生產力的主要非生物脅迫之一[1]。新疆甜菜總產及產糖量僅次于內蒙古[2]。雖然甜菜采用膜下滴灌技術，使得甜菜產量和水分利用效率得到進一步提高，但新疆水資源分布不均、土壤保水保肥能力弱等特點，部分地區在甜菜生長關鍵期常遭遇持續性干旱[3]。加之甜菜需水量大，極端天氣(干旱、高溫)頻發等，嚴重影響植株的光合作用[4-5]。因此，干旱仍然是制約新疆甜菜產量形成的最大逆境生態因子之一[6]。

干旱脅迫對植物的影響是多方面的，缺水會降低葉片氣孔開度，導致葉片蒸騰速率和二氧化碳同化能力的降低，反過來，又會影響光反應和二氧化碳固定途徑之間的內在平衡，從而導致葉片吸收的能量過度被激發，并對PSⅡ造成氧化損傷，進一步降低葉片的光合能力，抑制葉片的新陳代謝[7-10]。干旱脅迫直接或間接的影響了葉片光系統，特別是對光系統Ⅱ，從而改變了葉綠素a 的熒光動力學特性[11-12]?？焖偃~綠素a 熒光測定因其無破壞，高度靈敏，快速且極易操作等特性，已被廣泛用于分析植物對不同類型逆境的響應[13]。如高溫脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、營養缺乏等[14-15]?？蒲泄ぷ髡呋谏锬つ芰苛鲃永碚?，開發了JIP-test 數據分析方法[16]，通過該方法量化了最終反映整個光合作用機制活動的結構和功能參數，可以得到關于光系統Ⅱ(PSⅡ)、反應中心(RC)和放氧復合體等豐富的信息，被廣泛應用篩選不同物種和基因型的抗逆性[17]。例如，性能指數(PI)是可作為評估植株抗旱能力的敏感指標[18]。干旱脅迫導致葉綠素a 瞬變熒光迅速上升，PSⅡ單位之間能量連接性變差，光合酶受到抑制，PSⅡ活性和穩定性降低，電子傳遞反應和碳同化代謝之間的內在平衡被破壞，從而限制葉片光合能力[10]。大量研究表明，甜菜葉叢生長期供水不足下葉片光合能力降低，產量下降。前人對干旱脅迫下甜菜葉片光合生理特性進行了一些研究，但有關干旱區滴灌甜菜葉叢生長期葉片光系統Ⅱ結構和功能對干旱脅迫的響應機制研究報道似乎較少。因此，本試驗采用兩個對干旱脅迫有不同敏感性的品種，在甜菜水分敏感期葉叢生長期進行控水，利用植物效率分析 儀(Handy-PEA,Hansatech, Norfolk, UK)，同 時 通過JIP-test 數據分析方法評估了干旱脅迫對葉片光合系統的影響，以期為滴灌甜菜高產栽培管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗條件及試驗設計

試驗于2018年在新疆農業科學院瑪納斯甜菜試驗基地進行。試驗區土壤為壤土，耕層土壤速效磷含量0.02 g·kg?1，速效鉀含量0.023 g·kg?1，堿解氮含量0.07 g·kg?1，田間持水量為16%(質量含水量)。試驗采用隨機區組設計，3次重復，小區面積為10 m2，每小區長5 m，寬2 m，各小區間間隔1 m。供試甜菜品種分別為XJT9907(旱敏感型)、XJT9916(耐旱型)。4月15日施磷酸二銨375 kg·hm?2和硫酸鉀150 kg·hm?2后春翻整地覆膜，4月17日播種，一膜兩行，滴灌帶鋪于兩行甜菜中間，即1條毛管控制2行甜菜，行距為50 cm，株距為20 cm，株數為11.12 ×104株·hm?2。于甜菜葉叢生長期進行控水，每隔3至4 d 利用土鉆采集土壤樣品測定土壤含水量，當土壤含水量低于設置的土壤水分控制下限時，通過水表控制灌水量，使0?50 cm 土層含水量為田間持水量的45%～50%持續7 d 作為干旱脅迫處理，然后測定相關熒光參數。對照含水量始終保持為田間持水量的70%～75%。

1.2 指標測定及方法

快速葉綠素a 熒光誘導曲線的測定：根據Strasser等[19]的 方 法，在11:00?13:30，利用植物效率分析儀(Handy-PEA,Hansatech, Norfolk,UK)，于室溫下測量了各處理第15片全完展開葉的熒光參數。在測量之前，每個處理選取5株，用葉夾固定(Hansatech)暗適應30 min。然后打開葉夾，用3個發光二極管(波長650 nm)提供3 000μmol·(m2·s)?1的飽和光脈沖照射各處理2 s。從10μs到1 s記錄快速葉綠素a 熒光動力學，采集20μs(FO)、300μs(FK)、2 ms (FJ)、30 ms(FI)和最大熒光強度(Fm)的熒光強度，所有數據用PEA Plus軟件進行分析，得到OJIP測試參數，具體參數計算方法及含義詳見文獻[19-20]，具體指標的含義如表1所列。為了進一步分析不同處理間熒光動力學的差異，將初始葉綠素a 熒光(OJIP)瞬變在FO和Fm之間進行歸一化，確定相對可變熒光VOX=(Ft?FO)/(FX?FO)，X分別表示K、I、J、P和t為自變量(照射時間)； ?VOX=VOX(干旱處理)?VOX(對照)；VIP=(Ft?FI)/(Fm?FI)。

表1 葉綠素熒光動力學參數Table 1 Kinetic parametersof chlorophyll fluorescence

葉片凈光合速率的測定：在自然光強下，于11:00到13:00，用CIRAS-3便攜式光合儀(PP Systems，USA)在田間活體測定各處理甜菜倒三全完展開葉的凈光合速率[Pn，μmol·(m2·s)?1]，參比室CO2濃度為400μmol·mol?1，流速設置為300μmol·s?1。每個處理測定4株，以3 片葉的平均值為該處理的測定值。

1.3 數據分析

數據分析均采用SPSS19.0統計軟件進行，用平均值± 標準誤表示測定結果，分別對同一品種不同干處理進行雙因素方差分析，并用Duncan 法對各測定數據進行多重比較；采用Excel 2016制圖。

2 結果

2.1 干旱處理對快速葉綠素a 熒光誘導動力學曲線的影響

各處理葉片快速熒光瞬變過程均呈現出典型的多相上升OJIP(圖1)。暗適應植株開始照光后，XJT9907品種處理間瞬態熒光就表現出明顯的變化，而XJT9916品種葉片處理間在照光后0.01 s之前差異不明顯。為了進一步分析不同處理間熒光動力學的差異，對F0和Fm之間的初始葉綠素熒光進行標準化處理，確定了相對熒光VOP，在OJ 相干旱處理葉片相對熒光迅速增加，隨后增加放緩，在I點后又迅速增加，于P點達最大值。另外，XJT9907和XJT9916品種干旱處理葉片葉綠素a 相對熒光值在K 點分別比對照高25.9%和23.1%。這表明，干旱脅迫破壞了PSⅡ的反應中心，PSⅡ放氧復合體供體側受到了損傷，抑制了PSⅡ的光化學反應；相對XJT9916品種，XJT9907品種在干旱脅迫下損傷更嚴重。

圖1 干旱脅迫下葉片熒光誘導曲線Figure 1 Fluorescence induction curve of leaves under drought stress

2.2 干旱處理對快速葉綠素a 熒光誘導動力學曲線OK 和OJ 相的影響

K 帶反映了放氧復合體的失活或功能性PSⅡ天線尺寸的大小，L 帶是反映PSⅡ單元之間能量連接或分組情況。兩品種在干旱條件下L 帶和K 帶均清晰可見，并分別在0.15 ms和0.25 ms附近有一個峰值(圖2)。干旱脅迫處理可變熒光值均高于對照處理。這說明，干旱脅迫下葉片PSⅡ單元之間能量連接性變低，PSⅡ供體側與受體側間電子傳遞不平衡，利用激發能的能力和光合系統穩定性降低。

圖2 干旱脅迫下葉片熒光OK 相及OJ 相Figure 2 Fluorescence OK phase and OJ phase of leavesunder drought stress

2.3 干旱處理對快速葉綠素a 熒光誘導動力學曲線OI 相的影響

為了評估OI相，對0.03～30 ms的熒光瞬態數據進行標準化處理[VOI= (Ft?F0)/ (FI?F0)]，得到熒光動力學差曲線[ΔVOI=VOI(處理)?VOI(對照)]。植株VOI可變瞬態熒光曲線當VOI< 1可反映PSⅡ捕獲的能量到質體醌的情況，當VOI≥1可反映質體醌至PSⅠ最終電子受體的電子轉移情況。如圖3所示，干旱脅迫均增加了可變熒光值(VOI< 1)，ΔVOI動力學差曲線均表現出明顯的正偏差。在可變熒光值VOI≥1時，干旱脅迫下XJT9907可變熒光值明顯高于對照；與XJT9907相比，XJT9916品種處理間差異不是很明顯。這說明，干旱處理的植物捕獲的能量傳遞到傳遞到電子鏈的末端降低，PSⅠ末端電子受體容量減小，尤其XJT9907品種。

圖3 干旱脅迫下葉片熒光OI 相Figure 3 Fluorescence OI phase of leaves under drought stress

2.4 干旱處理對快速葉綠素a 熒光誘導動力學曲線IP相的影響

為了評估IP相，對30～180 ms的瞬態熒光數據進行標準化處理[VIP=(Ft?FI)/(Fm?FI)]，作出熒光動力學差曲線[ΔVIP=VIP(處理)?VIP(對照)]，這可反映出到達PSⅠ受體的電子通量的情況(圖4)，其中達到VIP=0.5的時間的倒數可估計PSⅠ電子受體整體被還原的速率。干旱脅迫對VIP可變瞬態熒光值的影響較小，處理間差異較小，無法判斷出干旱脅迫對PSⅠ末端電子受體的還原速率的影響。

圖4 干旱脅迫下葉片熒光IP 相Figure 4 Fluorescence IPphase of leaves under drought stress

2.5 干旱處理對葉綠素a熒光參數的影響

利用JIP-test 數據分析方法，得出干旱脅迫條件下葉片光系統的大量信息如表2所示。干旱脅迫下XJT9907和XJT9916品種的Fv/Fm分別比對照降低2.6%和5.1%，而ABS/RC卻增加了16.7%和23.0%。干旱脅迫下XJT9907品種PSⅡ功能降低幅度高于XJT9916，XJT9907和XJT9916品種的RC/CSO分別比對照降低31.0%和17.1%，表現為PSⅡ反應中心失活。XJT9907和XJT9916品種的TRO/CSO分別比對照降低21.9%和3.5%，ETO/CSO分別降低29.8%和9.4%，表現為植株對激發能的捕獲和電子傳遞降低。干旱脅迫下XJT9907品種ABS/CSO、DIO/CSO、REO/CSO分別比對照低19.7%、12.2%和31.4%, 而XJT9916品種ABS/CSO、REO/CSO值略高于對照，處理間DIO/CSO值差異顯著。干旱脅迫增加了兩品種的DIO/RC、TRO/RC和ETO/RC值，但與對照相比，干旱脅迫降低了XJT9916品種的ΨEO和φEO值，但增加δRO值，對φRO值沒有影響。表現為吸收的光能和電子傳遞到PSⅠ末端的效率降低。干旱脅迫下XJT9907和XJT9916品種的PIabs值分別比對照降低37.9%和42.3%，PItotal值分別比對照降低43.6%和12.0%。這表明，干旱脅迫下葉片光合系統光化學活性和電子傳遞效率降低，光能轉化效率較低，XJT9907品種降低幅度高于XJT9916。

表2 干旱脅迫下葉綠素a 熒光參數Table 2 Chlorophyll a fluorescence parameters under drought stress

2.6 干旱處理對葉片凈光合速率的影響

干旱脅迫顯著的影響了葉片的光合能力，與對照相比，干旱脅迫下XJT9916和XJT9907品種的凈光合速率分別降低了10.3%和32.2%。這說明，干旱脅迫降低葉片凈光速率，XJT9916品種降低幅度高于XJT9907(圖5)。

圖5 干旱脅迫下葉片凈光合速率Figure 5 Net photosynthetic rate of leaves under drought stress

3 討論與結論

干旱脅迫會影響植物的光合系統，從而改變葉綠素a 熒光動力學特征[21]。OJ 相揭示了PSⅡ反應中心QA的光化學還原變化[16]。在本研究中，干旱脅迫下植株葉綠素a 熒光誘導曲線呈現典型的OJIP，其中干旱處理葉片的OJ 相可變熒光強度明顯高于對照，這可能是由于QA?的積累所導致[22-23]。一般來說，與正常植物相比，干旱脅迫會導致PSⅠ區域的末端電子受體容量降低[24]。本研究也表明，干旱脅迫降低了植株總電子受體容量的大小，向PSⅠ受體側轉移電子的能力降低，且XJT9907品種降低幅度高于XJT9916，這與Adamski 等[25]的研究類似。在嚴重的非生物脅迫過程中植株葉片熒光誘導曲線中會顯示出L 帶和K 帶[14,26]。根據Yusuf 等[27]的觀點，明顯的正L 帶則說明PSⅡ單元之間的能量連接或分組的減少，K 帶的出現則表明放氧復合物(OEC)失活和/或功能性PSⅡ天線尺寸增加。在本研究中，干旱處理葉片的L 帶和K 帶均清晰可見，分別在0.15和0.25 ms左右出現峰值。這些結果說明，干旱脅迫導致葉片放氧復合體(OEC)失活，PSⅡ單位之間的能量連接性降低，PSⅡ內受體側和供體側電子之間的不平衡。植株為應對干旱脅迫對自身的傷害，會通過關閉氣孔避免過多的水分流失，來維持碳同化的平衡[28]，但氣孔的關閉必然升高葉片溫度，從而降低PSⅡ的光化學活性，這也是導致干旱脅迫處理葉片出現明顯的L帶和K 帶的原因[29]。

ABS/RC是對天線尺寸大小的度量，干旱脅迫通常會導致ABS/RC值的增加[14,17]。在本研究中，干旱處理葉片的ABS/RC 值比對照高16.7%～23.0%，這與Jedmowski 等[30]的結果一致。ABS/RC的可能的解釋為天線尺寸的大小增加或活性反應中心減少所導致[17]。在本研究中，熒光曲線OJIP在干旱處理中表現出明顯的L 帶和K 帶，且RC/CSO顯著降低，進一步部分支持了上述解釋。干旱脅迫條件下葉片的DIO/RC、TRO/RC、ETO/RC和REO/RC值升高，與旱敏感型品種XJT9907相比，耐旱型品種XJT9916品種具有較高的單位反應中心電子傳遞效率(ETO/RC)，這可能與能量耗散能力高(DIO/RC)，避免了能量的過度被激發，保持了較高的光系統活性(RC/CSo)有關[10,18]；干旱脅迫均導致兩品種ΨEO、φEO下降；干旱脅迫下XJT9907品種φRO值低于對照，但對XJT9916品種φRO值沒有影響，但耐旱型品種降低幅度低于旱敏感型品種。另外，旱敏感型品種具有較低的熱耗散能力(DIO/RC，DIO/CSO)可能會增加活性氧類物質(O2?)形成的風險，從而抑制植株D1蛋白的合成及光合酶的活性，并增強氧化損傷[31]。本研究中，干旱脅迫顯著降低了旱敏感型品種的TRO/CSO、ETO/CSO和REO/CSO值，降低了ABS/CSO值，而對耐旱型品種的影響較小，DIO/CSO反而高于對照，這有利于耗散過多的能量，維持光合系統的穩定性。旱敏感型品種單位面積電子傳遞(ETO/CSO)能力較低主要是由于單位面積光能的吸收(ABS/CSO)、捕獲的光能(TRO/CSO)較低所導致[18]。

本研究結果表明，干旱脅迫降低了Fv/Fm比值。有研究者指出，PSⅡ比PSⅠ對干旱脅迫更敏感[25]，這說明，在本研究條件下干旱脅迫已經對葉片光合系統造成了損傷。與Fv/Fm相比，性能指數(PIabs, PItotal)是反映植物對環境脅迫反應的敏感性指標[18]，這是因為性能指數與植物的PSⅡ反應中心、光化學反應和電子傳遞相聯系起來，而Fv/Fm僅與Fv和Fm值的大小有關[32-33]。在本研究中，干旱脅迫下XJT9907和XJT9916品種的PI abs值分別比對照降低37.9%和42.3%，PItotal值分別比對照降低43.6%和12.0%，Fv/Fm僅分別降低了2.6%和5.1%，干旱脅迫下性能指數降低的主要原因是光合電子傳遞的光化學效率降低。此外，還有研究者認為，L 帶、K 帶、達到最大熒光的時間和減少的質體醌池(面積)的大小也有助于鑒定植物的抗逆性和光合機構狀態[10,18]。

嚴重干旱脅迫會降低了葉片的凈光合速率。本研究結果表明，干旱脅迫顯著降低了葉片的凈光合速率，這可能是因為葉片主動減小氣孔開度來避免過度蒸騰和減少水分散失的一種干旱適應機制，但嚴重的干旱脅迫會通過氣孔限制和葉肉限制共同降低了葉片的同化能力[9,34]。光合能力的降低也會影響光合原初反應和Calvin-Benson 循環之間的平衡，導致存在更多的過剩激發能量，從而對PSⅡ造成光抑制損害[35]。在本研究中，干旱脅迫降低了PSⅡ的光化學活性和電子傳遞能力。有研究者指出，甜菜堿和脯氨酸等調節劑的應用能夠通過提高PSⅡ的耐受性來減輕植物受干旱脅迫的損傷[36]，后期將使用甜菜堿和脯氨酸等進行試驗研究，以探索減輕干旱脅迫對光合結構的損害的可能途徑。

綜上所述，甜菜葉叢期土壤含水量為45%～50%田間持水量時，導致XJT9907和XJT9916葉片PSⅡ單元之間的能量連接變差，抑制光系統之間的電子傳遞，放氧復合體(OEC)失活，PSⅡ內受體側和供體側電子不平衡，電子傳遞反應和Calvin-Benson循環不平衡，導致光抑制破壞，從而降低了葉片的CO2同化能力和光合系統的穩定性，但抗旱品種降低幅度低于敏感型品種。