干旱環境下山葡萄光合和葉綠素熒光參數比較

潘 越 ,郭 靖,張 浩,韓政偉,劉陽陽,劉元媛,王紅梅

(1.新疆林業科學院 園林綠化研究所,烏魯木齊 830063; 2.新疆林業科學院 佳木國家重點林木良種基地,新疆溫宿 843100；3.新疆阿克蘇森林生態系統國家定位觀測研究站,新疆溫宿 843100；4.新疆農業大學 林學與園藝學院,烏魯木齊 830052；5.新疆工程學院,烏魯木齊 830023)

光合作用是植物有機物合成、營養貯存與轉化的重要途經[1],也是影響植物生長快慢的重要指標之一[2]。干旱脅迫下,葉片光合作用的強弱及葉綠素熒光系統活性的高低直接影響到植物的生長發育,該指標是評價植被抗旱能力的重要指標之一[3]。羅靜等[4]發現,受干旱脅迫影響,凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和水分利用率逐漸下降,長時間的干旱脅迫會對光合結構造成不可逆轉的破壞[5]。葉綠素熒光是反映植物光合能力、栽培適應性的重要參數[6],葉綠素熒光技術的運用,具有快捷、迅速、準確和無損傷的優點。Melgar等[7]發現,干旱脅迫與強光交互時,光系統Ⅱ(PSⅡ)會迅速失活,隨之造成光破壞和光抑制,嚴重會導致植株死亡。山葡萄(VitisamurensisRupr.)是葡萄屬中最抗寒的一個品種[8],主蔓能耐-45 ℃的低溫,根系能耐-14 ℃～-16 ℃低溫,是中國優質的抗寒葡萄種質資源。山葡萄果實富含單寧、白藜蘆醇和酚類物質[9]，對調節人體血脂、保護心腦血管、防治動脈硬化及老年癡呆大有裨益[10],同時對耐鹽堿性土地和病蟲害表現出良好的耐受性和抗性[11],這為山葡萄開展引種栽培和雜交育種創造了先決條件[12]。新疆地處歐亞大陸,為典型干旱大陸型氣候,夏季干旱少雨,晝夜溫差大,有利于葡萄糖分積累且病蟲害發生機率較低[13]。但部分釀酒葡萄種植在戈壁荒灘,葡萄園土壤保水、保肥、保溫能力不足,此外,南疆地區受水資源匱缺的影響,葡萄生育期極易遭受高溫干旱影響[14],越冬危險性較大,生產成本較高,為此引進并篩選抗旱且適應性強的山葡萄品種,即可以增加農民經濟收益,又可以改善新疆生態環境[15]。前人雖研究在干旱脅迫對山葡萄光合及光系統Ⅱ活性的影響,然而選取的山葡萄品種數量較少,且未對山葡萄品種的抗旱性進行綜合評價[16]。基于此,新疆林業科學院冰葡萄新品種引進及選育課題組按照引種、馴化、栽培、選育的思路,自2019年陸續從東北引進的10余個山葡萄品種,以表現良好的6個山葡萄品種為試材,基于因子分析,通過對光合、葉綠素熒光參數和干物質積累量指標的測定,綜合評價各山葡萄品種對光照的利用能力和對環境的適應狀況,篩選干旱環境下適應性最佳的山葡萄品種,以期為品種推廣示范提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新疆阿克蘇地區溫宿縣境內的新疆林業科學院佳木良種試驗站(地理坐標: E80°32′,N41°15′),海拔1 103.8 m。基地總面積76.7 hm2,地勢北高南低,西高東低,地下水埋深2.8～3.3 m；屬暖溫帶干旱氣候,晝夜溫差大；春季較短,多大風降溫天氣,時常有倒春寒現象發生,夏季炎熱而干燥,蒸發量大; 降水量稀少,四季分配不均,降水量年際變化大,年均降水量不足100 mm; 年均氣溫 10.1 ℃,極端低溫-27.4 ℃,年均日照時數2 747.7 h,≥10 ℃ 積溫2 916.8～3 198.6 ℃ ,無霜期205～219 d。試驗站的土壤砂粒含量為81.32%(0.02～2.00 mm),粉粒含量為5.76%(0.002～0.02 mm),粘粒含量為12.92%(<0.002 mm),屬于砂壤土。

1.2 試驗材料

以2019年10月從吉林省吉林市左家鎮引進的2 a生‘北冰紅’‘左優紅’‘雙紅’‘雪蘭紅’‘雙豐’和‘北國紅’為試材,2019年經埋土越冬,于2020年3月定植。株行距1 m×3.5 m,行向呈南北帶狀分布,單臂籬架,正常土肥水管理。

1.3 試驗方法

1.3.1 光合參數測定 選擇晴朗無風的天氣,使用Li-6400便攜式光合儀,測試時間選擇北京時間11:00-13:00,每個品種選擇3株,以當年生新梢東南向充分伸展且葉面積大小基本一致的完整功能葉為測量樣本,每個葉片重復測定3次計數,取平均值作為光合參數值,測定各品種葡萄的凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1),胞間CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)、氣孔導度(Gs，mol·m-2·s-1)，并計算水分利用效率WUE=Pn/Tr[17]。

1.3.2 葉綠素熒光參數測定 參照高貴賓等[18]的方法,以測定光合參數的山葡萄葉片為樣本,選在北京時間9：00-11：00,使用PAM-2500葉綠素熒光儀,測量實時熒光值(Ft)、光下最小熒光值(F0’)和光下最大熒光值(Fm’)；在暗環境對葉片適應30 min,采用測量光(小于0.05 μmol·m-2·s-1)合飽和脈沖光(8 000 μmol·m-2·s-1)照射葉片,測得初始熒光值(F0)和最大熒光值(Fm),并計算出：

最大光化學效率=Fv/Fm=[(Fm-F0)/Fm]

(1)

PSⅡ實際光化學效率=[Y(Ⅱ)]=(Fm’-Ft)/Fm’

(2)

光化學猝滅系數qP=(Fm’-Ft)/(Fm’-F0’),qL=qP×F0’/Ft

(3)

非光化學猝滅系數qN=1-(Fm’-F0’)/(Fm-F0),NPQ=Fm/Fm’-1

(4)

非調節性能量耗散量子產量[Y(NO)]=1/[NPQ+1+qL×(Fm/F0-1)]

(5)

相對電子傳遞速率(ETR)=PAR×0.84×0.5×Y(Ⅱ)

(6)

1.3.3 干物質積累量測定 每個品種選擇樹勢一致,基徑粗度基本相同的3株固定調查株,用標簽做好記號,入冬埋土前,剪取當年生新梢枝條,切成若干段,放入120 ℃烘箱殺青25 min,于85 ℃烘箱烘至恒定質量,用千分之一天平稱取干物質積累量。

1.4 數據分析

采用隸屬函數法統一數量綱,按照指標屬性與評價結果需要區分正相關和負相關,正相關計算公式如下式(7),負相關計算公式如下式(8)。

Uin=(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(7)

U’in=1-(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(8)

式(7)和(8)中,Uin、U'in分別為第n個樣本第i個指標轉化后的隸屬函數值,Xin指第n個樣本第i個指標的原始測定值,Ximax和Ximin分別指樣本組中第i個指標的最大值與最小值。

對標準化后的數據基于進行因子分析,提取出對光合、葉綠素熒光參數和干物質積累量有顯著影響的公因子,得出各公因子的分值Fjn,綜合各分值Dn,以相應公因子的貢獻率Ej為權重,根據下式(9)計算。

(9)

式(9)中,Dn表示以因子分析法得到的各樣品光合、葉綠素熒光參數和干物質積累量的綜合分值,Fjn表示第n個樣品第j個特征值>1的主成分的分值,m為特征值>1的主成分的個數,Ej為第j個主成分的貢獻率[19]。

2 結果與分析

2.1 不同山葡萄品種生長適應性指標比較

12項生長適應性指標比較結果見表1。光合參數方面,‘北冰紅’的Pn最高,‘雙豐’Pn最低,說明前者光合效率較高,而后者光合有機物積累速率較低；‘雙豐’和‘北國紅’的Tr較低,說明這2個品種干旱環境中水分散失較少。‘雪蘭紅’的Ci和Gs值均最大,推測與該品種葉肉細胞的光合活性較低有關[20]；各品種WUE均值由高到低排序依次是：‘北冰紅’>‘北國紅’>‘左優紅’>‘雙豐’>‘雙紅’>‘雪蘭紅’。葉綠素熒光參數方面,‘北冰紅’‘左優紅’和‘雪蘭紅’的Fv/Fm、Y(Ⅱ)、qP和ETR相對較高,‘雙豐’相對較低,證明‘北冰紅’等光反應階段效率較高,‘雙豐’則反之；‘左優紅’‘雪蘭紅’和‘雙紅’qN和Y(NO)較大,‘雙豐’較小,證明‘雙豐’葉肉細胞光保護和預防強光損傷能力較強[21]。植物干物質90%來自光合作用[22]，6個山葡萄干物質積累量均值由高到低依次是：‘北冰紅’>‘左優紅’>‘雪蘭紅’>‘雙紅’>‘北國紅’>‘雙豐’。‘北冰紅’相較于其他5個品種分別高出 18.70%、21.18%、33.23%、47.72%和68.51%,干物質積累量明顯優于其他5個品種。

表1 不同山葡萄品種生長適應性指標比較

從變異程度分析，6個山葡萄品種的12項指標均存在不同程度的變異現象。其中，干物質積累量、Pn、Tr和ETR變異程度較高，超過30%；Ci、Fv/Fm和qN變異程度較小，低于10%。

2.2 不同山葡萄品種光合及熒光參數標準化、灰色關聯度分析及聚類分析

2.2.1 數據標準化 由于光合和葉綠素熒光參數的單位不統一,不便進行數據分析,采用隸屬函數法對數據結果進行標準化處理(表2)。根據新疆干旱區山葡萄選育要求,Tr、Ci、qN和Y(NO)4項指標越小越好,采用公式(8)計算；其他8項指標越大越好,采用公式(7)計算。

表2 山葡萄12項適應性指標的數據標準化值

標準化后的數據進行因子分析(表略),從12項指標中提取出3個主成分,得到平方載荷矩陣及旋轉平方載荷矩陣。特征根為取出的有用信息占原始數據信息的比重,該值越大影響程度越大,主成分f1、f2和f3的方差貢獻率分別為 48.239%、30.817%和12.681%。且3個主成分對應的特征根均>1,滿足分析要求。

如表3,主成分f1中,載荷值較高且符號為正的有：干物質積累量、Pn、Gs、Fv/Fm、和qP,載荷值分別為0.965、0.832、0.911、0.959和 0.702,載荷值較高且符號為負的有：Tr、qN和Y(NO),載荷值分別為-0.874、-0.818和-0.539。

表3 旋轉后的主成分載荷矩陣

主成分f2,載荷值較高且符號為正的有：Ci、WUE和Y(Ⅱ),載荷值分別為0.883、0.954和0.881。

主成分f3,載荷值較高符號為正的為ETR,載荷值為0.932。

2.2.2 不同山葡萄的綜合評價及得分情況 用調查指標的載荷值除以各主成分相對應的特征根后開平方根,即可得出3個主成分中各指標所對應的系數,將該系數與標準化后的結果相乘,即能得出各主成分的函數表達式(式中BZ意為標準化后的數據)：

f1=0.4083BZ1+0.3790BZ2-0.3886BZ3+0.2107BZ4+0.3967BZ5-0.1639BZ6+ 0.4070BZ7+0.1629BZ8+0.3483BZ9-0.3759BZ10-0.3050BZ11+0.2252BZ12

f2=0.1696BZ1+0.3318BZ2+0.3518BZ3+0.4886BZ4-0.3242BZ5+0.5080BZ6+ 0.2751BZ7+0.4882BZ8+0.2819BZ9+ 0.3643BZ10+0.3793BZ11-0.1381BZ12

f3=0.2593BZ1-0.1503BZ2+0.1430BZ3-0.4486BZ4+0.2119BZ5+0.1664BZ6+ 0.0578BZ7+0.4457BZ8+0.2406BZ9-0.2970BZ10+0.6539BZ11+0.7825BZ12

上述表達式中,BZ1為干物質積累量,BZ2為Pn,BZ3為Tr,BZ4為Ci,BZ5為Gs,BZ6為WUE,BZ7為Fv/Fm,BZ8為Y(Ⅱ),BZ9為qP,BZ10為qN,BZ11為Y(NO),BZ12為ETR。

將各主成分特征值除以3個特征值之和,作為相應主成分的權重,并計算得出綜合函數表達式：fz=f1A1+f2A2+f3A3,式中,A1=λ1/(λ1+λ2+λ3),A2=λ2/(λ1+λ2+λ3),A3=λ3/(λ1+λ2+λ3),其中λ1、λ2和λ3分別為3個主成分的特征值。

山葡萄各品種綜合得分排序由高到低依次是：‘北冰紅’‘左優紅’‘雪蘭紅’‘北國紅’‘雙紅’和‘雙豐’。

由表4可見：對公因子f1排序,‘北冰紅’排名第一,該品種長勢強勁,干物質積累量、Pn、Gs、Y(Ⅱ)和qP較高,且絕大部分指標均達最大值,同時Tr較高,說明該品種在陽光充裕且水肥供應充足的環境下,光合效率最高,對干旱環境的適應效果最佳。‘雪蘭紅’‘左優紅’‘雙紅’‘北國紅’和‘雙豐’排名依次靠后。

表4 山葡萄品種各主成分得分、綜合得分及排序

對公因子f2排序,‘北國紅’排名第一,主要優勢表現為保證較低Ci的同時WUE較高,同時qN和Y(NO)較低,這表明該品種對強光和弱光環境均有較好的適應能力。

對公因子f3排序,‘雪蘭紅’排名第一,說明在暗反應時,相較于其他品種,該品種葉片可為光合碳同化積累更多所需能量。

3 結論與討論

在采用隸屬函數法統一單位數量綱的基礎上,對影響山葡萄生長適應性好壞的12項指標進行標準化,采用因子分析法提取出3個幾乎代表原始數據全部信息公因子,累計貢獻率達 91.737%,公因子之間相互獨立,避免了不確定性。其中‘北冰紅’的干物質積累量最高,田間生長勢最強,Pn、WUE和Fv/Fm最高,是適合南疆地區推廣發展的山葡萄品種。

植物干物質積累量90%來源于光合作用[23],主要通過光合和熒光指標反映[24]。本試驗干物質積累量、Pn和WUE呈正相關,與Tr呈負相關,即Pn越高,Tr越低,WUE越高；Tr越高,干物質積累量越小。該結論同牛瑩瑩等[25]關于庫爾勒香梨Pn、Tr和WUE關系的研究結論一致。葉綠素熒光參數與光合作用關系極為密切,Fv/Fm是評價植被光合性能的重要參數[26]。種培芳等[27]發現,植被健康葉片Fv/Fm值為0.8～0.9，受脅迫時為0.3～0.7。本試驗6個山葡萄品種Fv/Fm值為0.75～0.82,說明6個供試品種生長良好。qP越大,說明PSⅡ電子活性越強,ETR越大,暗反應條件下有機物的積累程度越高[28],而qN和Y(NO)多作為防御光抑制對光合結構破壞的指標[29]。試驗結果表明,‘北冰紅’的Fv/Fm和Y(Ⅱ)較高但qN和Y(NO)較低,說明該品種葉片具備較強的PSⅡ原初光能轉化效率,PSⅡ反應中心潛在活性較高,能有效將植物所需的光能轉化為化學能,供應樹體生長。而‘雙紅’Fv/Fm和Y(Ⅱ)較低,但qN和Y(NO)較高,可能與該品種PSⅡ反應中心的可逆性失活,阻礙其高效利用光能有關[27,29],田間表現為對干旱環境極為敏感,生長勢較弱。

干物質積累量是引進品種對新環境適應好壞的直觀反映,也是干旱環境篩選優良山葡萄品種的重要參數[30-31],通過對不同山葡萄品種的干物質積累量、Fv/Fm、WUE、Pn和Tr進行K-均值聚類分析時發現,‘北國紅’和‘雙豐’相較于其他品種,屬于低Pn、低Tr、低Fv/Fm，高WUE的品種,這類品種光合同化物生產能力較弱,干物質積累量低,雖能應對干旱惡劣的環境,但容易在光照充裕的地區發生光抑制現象,該結論與馮會麗等[32]在研究不同紅棗優系熒光特征差異的結論一致；‘北冰紅’和‘左優紅’屬高Pn、高Fv/Fm和高WUE的品種,生產上只要加強肥水投入,即可發揮這2個品種Pn較高的優勢,干物質積累量大,最具推廣價值；‘雪蘭紅’和‘雙紅’屬于高Fv/Fm，高Tr和Pn、WUE較低的品種,生產上宜在發揮Fv/Fm較高的特點,結合樹勢整形修剪,以提高Pn。