干旱脅迫與復水對不結球白菜光合、熒光及表型參數的影響

王玉杰,申海燕,何紅梅,孫云喬,顧 群

(上海乾菲諾農業科技有限公司,上海 201210)

光合作用是植物生長的基礎,水分脅迫使植物的形態、生理等產生一系列反應[1-2],從而影響光合作用,其中干旱脅迫通過氣孔和非氣孔限制(光合色素量的下降、葉綠體結構的破壞等)抑制植物的光合作用,使得光合速率、光合產物的量下降,是導致干旱作物減產的重要原因[3-4],同時干旱脅迫使植株表型出現一系列變化[5-6]。 不結球白菜(Brassica campestris ssp.chinensis Makino)為十字花科蕓薹屬白菜亞種,在我國廣泛栽培,占秋、冬、春季蔬菜復種面積的40%—60%,在蔬菜周年生產和供應中占有重要地位,并逐漸成為一種世界性蔬菜[7-8]。

研究持續干旱脅迫下不結球白菜光合作用及表型的變化,有助于認識干旱對其傷害的內在規律。 目前,雖然已有基質含水量對不結球白菜的光合特性和表型的研究[9-11],但基質含水量的設置并未完全覆蓋無旱、輕度、中度和重度干旱,因此缺乏不同程度的干旱脅迫對不結球白菜光合特性影響的研究;目前的表型研究集中在人工測量的葉面積、株高等參數,利用高通量表型檢測技術對投影面積、株幅、緊密度等參數研究較少。 本研究通過持續干旱脅迫以及高通量表型檢測技術研究不結球白菜在干旱脅迫下的光合特性和表型變化,旨在揭示不結球白菜干旱脅迫與光合生理、表型性狀之間的關系,以期為不結球白菜品種選育和高產栽培提供光合生理生態方面的理論依據與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020 年2 月中下旬至4 月上旬在上海孫橋農業園區C9-1 上海乾菲諾農業科技有限公司溫室內進行,該試驗區位于北緯31°14′,東經121°29′,屬于北亞熱帶季風氣候。

1.2 試驗材料

試驗材料選用上海市大面積栽培品種‘新場青’,該品種較抗病毒病,株型緊湊、束腰,葉綠色、脈細,葉面光滑、肉質肥厚,具有較強的耐寒性,經濟效益高,材料由上海市農業科學院提供。 種子處理方法為:使用5%的NaClO 溶液消毒5 min,去離子水沖洗3 次,并用去離子水浸泡30 min 后,播種于50 孔穴盤中,育苗基質為體積比3∶1∶1的草炭、蛭石和珍珠巖的混合物。 播種10 d 后選取長勢基本一致的不結球白菜幼苗移栽到棕色花盆中,每盆1 株,花盆尺寸為上口徑18 cm、下口徑11 cm、高12 cm,栽培基質同育苗基質,每盆裝400 g 基質。

1.3 試驗方法

1.3.1 干旱處理

試驗設置2 個水分處理(CK 組和干旱組),每組15 盆。 CK 組:基質含水量保持80%(無旱),每天9:00 稱重補水;干旱組:不結球白菜幼苗長至4 葉1 心時停止澆水,開始干旱處理,每天9:00 稱重,在基質含水量30%左右(重度干旱)恢復澆水。

1.3.2 基質含水量的計算方法

通過預試驗確定土壤飽和質量和土壤干質量(干重):選擇3 盆在傍晚充分澆水至水從盆底流出,次日9:00 稱重,其值減去盆重即為土壤飽和質量;將土壤烘干并稱重,得到土壤干重。 試驗過程中,每天9:00 稱重,其值減去盆重為土壤質量。 根據計算公式,土壤相對濕度=(土壤質量-土壤干重)∕(土壤飽和質量-土壤干重)[12]計算每天的基質含水量。 根據土壤相對濕度(R)的干旱等級[13]指標,可以分為60%

1.4 測定項目

1.4.1 基質含水量和天氣情況的測定

按照以上基質含水量的測定方法,每天對CK 組和干旱組每盆稱重,并計算基質含水量;使用小型自動氣象站WatchDog(Spectrum,美國)記錄試驗過程天氣情況,包括PAR、溫度、CO2濃度等數據。

1.4.2 光合參數的測定

每組選擇長勢基本一致的10 株不結球白菜,采用光合-熒光測量系統GFS-3000(Walz,德國),設置光強為600 μmol·m-2·s-1。 分別在干旱組基質含水量處于輕度干旱、中度干旱和重度干旱時,即處理第3 天,第6 天,第9 天及復水后第5 天測定植株靠近葉心的第2、3 片完全展開葉的凈光合速率(Pn),蒸騰速率(Tr),氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)參數,根據公式Ls=1-Ci∕Ca(外界CO2濃度)計算氣孔限制值[14]。

1.4.3 葉綠素熒光參數的測定

采用便攜式調制葉綠素熒光儀PAM-2500(Walz,德國),測定植株靠近葉心的第2、3 片完全展開葉的PS II 的實際光化學效率Y(II)、PS II 的相對電子傳遞速率(ETR)、非光化學淬滅系數(qN),光化學淬滅系數(qP)等參數,測定植株和時間與光合參數測定一致。

1.4.4 表型參數的測定

使用Scanalyzer PL(LemnaTec,德國)可見光頂部鏡頭,分別在持續干旱脅迫后及復水后檢測不結球白菜的變化,即處理第9 天(重度干旱)和復水后第5 天對不結球白菜進行無損成像,測定植株與以上一致。

1.4.5 植株地上部鮮重的稱量

試驗最后一天其他測定結束后,稱量不結球白菜的地上部鮮重。

1.5 數據分析

采用Duncan 法進行差異顯著性分析,顯著性水平設置為α =0.05;使用Scanalyzer PL 的LemnaGrid、LemnaBase、LemnaMiner 軟件進行表型圖片的分析,使用Excel 軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 基質含水量和天氣情況

從表1 可以看出,隨著干旱脅迫時間的延長,基質含水量持續下降,處理第3 天為56.29%(輕度干旱)、第6 天為44.60%(中度干旱)、第9 天為29.49%(重度干旱)。 CK 組在試驗期間均保持80%基質含水量;試驗第3、9 及復水后第5 天均為晴天,第6 天為陰天,且溫度偏低。

表1 持續干旱與復水下基質含水量和天氣情況的變化Table 1 Water content of substrate and weather situation with time under continuous drought stress and rewatering

2.2 持續干旱與復水對不結球白菜光合參數的影響

從圖1 可以看出,CK 組不結球白菜Pn和Tr在處理第6 天和復水后第5 天與處理第3 天和第9 天相比變化不顯著,而Gs和Ci均在第6 天和復水第5 天出現明顯下降,Ls這兩天出現明顯上升,且這兩天之間的數值無顯著差異。 結合表1 可知,復水后第5 天溫度、外界CO2濃度與處理第3 天和第9 天差異不大,而相應的Gs和Ci在復水后第5 天顯著降低,說明Gs和Ci受外界PAR 影響大,復水后第5 天與處理第6 天PAR 均明顯低于其他時間,相應的這兩天Gs和Ci無顯著差異。

干旱組不結球白菜的Pn、Tr、Gs呈下降趨勢,且均于第9 天重度干旱達到最低值,復水后又上升,但均未恢復到初始狀態;干旱組Ci、Ls處理第6 天、第9 天和復水后第5 天無顯著差異,并與處理第3 天差異顯著,可見在輕度和中度干旱脅迫時Pn和Gs下降,Ci也下降,而Ls相應地上升。 這表明光合速率下降的主要原因是氣孔限制,重度干旱時Pn和Gs下降,Ci稍增加、Ls下降,此時光合速率下降的主要原因是非氣孔限制[15]。

Pn在干旱處理第3 天(輕度干旱)、第6 天(中度干旱)、第9 天(重度干旱)分別比同一天CK 下降4.38%、26.29%、43.30%,Tr分別下降14.71%、34.18%、58.77%,Gs分別下降15.41%、35.65%、77.47%,Ci分別下降10.58%、12.04%、17.55%,Ls分別上升38.61%、26.61%、55.92%。 Pn、Tr、Gs從干旱處理第6 天(中度干旱)與CK 差異顯著,Ci、Ls從干旱處理第3 天(輕度干旱)就與CK 差異顯著,復水后Pn、Tr、Gs回升,但Pn、Tr、Gs、Ci仍與CK 差異顯著,說明重度干旱使不結球白菜的光合機構受到了損傷,復水對光合特性有一定的緩解作用,但在短期內難以消除干旱對不結球白菜光合參數的影響。

圖1 持續干旱與復水對不結球白菜光合參數的影響Fig.1 Effects of photosynthetic parameters during continuous drought stress and rewatering on pakchoi

2.3 持續干旱與復水對不結球白菜葉綠素熒光參數的影響

從圖2 可以看出,CK 組Y(II)和ETR 在第6 天、第9 天與復水后第5 天無顯著差異,并且與第3 天差異顯著,qN 之間無顯著差異,qP 之間差異均顯著,這可能與植株的生長狀態有關。

圖2 持續干旱與復水對不結球白菜葉綠素熒光參數的影響Fig.2 Effects of chlorophyll fluorescence parameters during continuous drought stress and rewatering on pakchoi

干旱組Y(II)、ETR、qP 呈下降趨勢,且差異顯著,并都于處理第9 天達到最低值,復水后又上升,相應地,qN 呈上升趨勢,且差異顯著,并都于處理第9 天達到最高值,復水后又下降。 說明干旱脅迫導致不結球白菜PSⅡ反應中心的開放程度降低,光合電子傳遞速率下降,從天線色素上捕獲的光能用于光化學反應的份額減少,累積在PSⅡ反應中心的光能過剩,通過提高qN 及時耗散了過剩的光能,有效保護了光合機構。

Y(II)在干旱處理第3 天(輕度干旱)、第6 天(中度干旱)、第9 天(重度干旱)分別比同一天對照下降1.26%、4.34%、26.45%,ETR 分別下降0.67%、6.00%、25.46%,qP 分別下降1.46%、1.87%、20.05%,qN 分別上升3.36%、25.43%、80.42%,Y(II)、qP、qN 從干旱處理第9 天(重度干旱)與CK 差異顯著,復水后除了qN 與CK 差異顯著,其他均無顯著差異,ETR 整個過程中與CK 無顯著差異。 說明在輕度干旱和中度干旱時,反應中心沒有受到破壞,重度干旱使不結球白菜的反應中心可逆失活,復水后反應中心可基本恢復。

2.4 持續干旱與復水對不結球白菜表型參數和地上部鮮重的影響

由圖3 可看出,CK 組和干旱組復水后第5 天均比處理第9 天的植株增大;干旱處理第9 天的不結球白菜植株明顯小于CK,此時干旱組植株出現萎蔫現象,葉片下垂;復水后第5 天,干旱組植株萎蔫現象消失,植株增大,但仍然明顯小于同一天CK 組的植株。 說明持續干旱使不結球白菜的生長明顯受阻,且短時間內無法恢復。

圖3 不結球白菜可見光頂部圖片獲取Fig.3 Vis top images acquisition of pakchoi

由圖3 和表2 可知,CK 組復水后第5 天與處理第9 天相比,投影面積、株幅分別增加23.32%、6.24%,緊密度變化不顯著,干旱組復水后第5 天與處理第9 天相比,投影面積顯著增加28.93%、株幅增加10.05%,緊密度變化不顯著。 可見,干旱組經過持續干旱脅迫,復水后短期內投影面積和株幅增速高于CK,說明不結球白菜對干旱脅迫的恢復能力強。

表2 持續干旱與復水下對不結球白菜表型參數和地上部鮮重的影響Table 2 Effect of phenotype parameters and aboveground fresh weight during continuous drought stress and rewatering on pakchoi

處理第9 天CK 組投影面積、株幅分別高于干旱組25.43%、16.20%,差異顯著,干旱組緊密度高于CK 組2.53%,說明持續干旱使不結球白菜投影面積、株幅顯著降低,不結球白菜通過增大緊密度以減少蒸騰作用,從而減少干旱對自身的損傷[16]。

復水后第5 天,CK 組投影面積、株幅高于干旱組,分別高出19.98%、12.61%,干旱組緊密度高于CK 6.33%,CK 地上部鮮重高于干旱組25.42%,差異均顯著。 與處理第9 天相比,復水后第5 天CK 與干旱組的投影面積、株幅差距減小,說明復水使干旱組不結球白菜的表型性狀在一定程度恢復,但復水后第5天干旱組投影面積、株幅、緊密度及地上部鮮重仍與CK 差異顯著,說明復水后短期內難以消除干旱對不結球白菜的影響。

3 結論與討論

干旱脅迫對植物光合作用的抑制包括氣孔限制和非氣孔限制,氣孔限制是造成光合能力下降的首要原因,輕度干旱導致氣孔阻力增大,光合速率降低[17]。 隨著干旱程度的加深,葉綠體結構發生變化,膜系統遭受損傷,光合電子傳遞系統遭到破壞等,這些非氣孔限制因素導致光合速率下降,電子傳遞速率、光化學淬滅、PSⅡ的實際量子產量下降,非光化學淬滅上升[18-20]。 本試驗中,在輕度干旱和中度干旱下,不結球白菜的光合速率Pn與氣孔導度Gs同時下降時,胞間CO2濃度Ci也下降,相應的Ls上升,說明輕度和中度干旱使不結球白菜光合速率下降主要是由于氣孔限制[21];在重度干旱下,Ci不再隨著Pn與Gs的下降而降低,Ls下降,說明重度干旱使不結球白菜的光合作用下降主要由非氣孔限制導致[22];復水后Pn、Tr、Gs回升,但Pn、Tr、Gs、Ci仍與CK 仍差異顯著,說明重度干旱使不結球白菜的光合機構受到了損傷,復水對光合特性有一定的緩解作用,但在短期內難以消除干旱對不結球白菜光合參數的影響。

干旱脅迫對植物光合作用的影響可通過葉綠素熒光參數快速、靈敏地研究[23-24]。 干旱脅迫對植物的傷害主要通過PSⅡ來體現[25],為避免或減輕過剩光能對其系統的損傷,PSⅡ調節電子傳遞速率和光化學效率,提高熱耗散能力[26]。 本試驗中,Y(II)、ETR、qP 干旱期間一直下降,qN 一直上升,說明干旱脅迫導致不結球白菜PSⅡ反應中心的開放程度降低,光合電子傳遞速率下降,光化學效率降低,累積在PSⅡ反應中心的光能過剩,通過提高qN 耗散過剩的光能,以保護光合機構。 李鵬民等[27]指出,在某些脅迫下,PSⅡ反應中心發生可逆性失活,能吸收光能但不能推動電子傳遞,逆境解除后,失活的反應中心又恢復活性;本試驗中,不結球白菜在輕度和中度干旱下Y(II)、qP、qN、ETR 與CK 差異不顯著,在重度干旱下Y(II)、qP、qN 與CK 差異顯著,復水后除了qN 與CK 差異顯著,Y(II)、qP、qN、ETR 均差異不顯著。 說明在輕度干旱和中度干旱時,反應中心沒有受到破壞,重度干旱使不結球白菜的反應中心可逆失活,復水后反應中心可基本恢復。 綜合光合參數和葉綠素熒光參數的試驗結果可知,重度干旱并未對不結球白菜的光合機構造成不可逆的損傷。

干旱脅迫影響植物表型,不同植物種類的響應機制不同,導致表型的變化不同[28],因此可通過對植物表型的探索來研究干旱脅迫對植物生長的影響。 近年來基于光學成像和圖像分析技術的高通量表型檢測技術,可客觀、準確、快速、無損檢測植株的表型性狀[29]。 表型性狀投影面積可預估產量,緊密度、株幅可評價株型[30]。 本研究通過高通量表型檢測技術得知,持續干旱使不結球白菜的投影面積、株幅顯著降低,緊密度升高,以減少干旱對自身的損傷;復水后干旱組不結球白菜短期內投影面積、株幅增速高于CK,說明不結球白菜對干旱脅迫的恢復能力強;但復水后第5 天干旱組投影面積、株幅、緊密度及地上部鮮重仍與CK 差異顯著,說明復水后短期內難以消除干旱對不結球白菜的影響。

綜上,不結球白菜輕度和中度干旱下主要由于氣孔限制導致光合速率下降,重度干旱時光合速率下降的原因主要是非氣孔限制;持續干旱未對不結球白菜的光合機構造成不可修復的損傷,不結球白菜對干旱脅迫的恢復能力強,但復水后短期內難以消除干旱對不結球白菜光合特性和表型的影響。 本研究可為不結球白菜的品種選育和高產栽培提供光合生理生態方面的理論依據與參考。