干旱脅迫及復水對野牡丹光合和葉綠素熒光參數的影響

方必君 卓定龍 劉曉洲 鄧演文 曾鳳

（1. 廣州普邦園林股份有限公司 廣東廣州 510600；2. 仲愷農業工程學院 廣東廣州 510225）

水是植物正常生長發育的關鍵因素。由于全球氣候變暖，全球水循環進一步加快，植物蒸騰和地表蒸散等水分平衡隨之調整，干旱風險增高[1]。我國作為全球干旱最頻發的國家之一[2]，近年來特大干旱中心向南方轉移，南方干旱增加趨勢更加明顯[3]。

干旱對植物的影響可以分為3個層面：一是影響其形態結構，二是影響其生理生化，三是影響其相關基因的表達[4]。研究表明，當植物處在干旱環境下，根系首先感知到干旱脅迫信息，從而直接影響植株的地上部分[5]。植物在輕微干旱環境下根系活力提升，對水分的吸收能力增強；當水分脅迫繼續增加、植物水平衡被打破時，植物將受損傷甚至死亡[6]。大量研究證實，干旱會影響植株的光合作用，并控制葉綠素生成。在干旱脅迫的誘導下，植株葉片水分嚴重虧缺，氣孔運動受阻，氣孔導度（gs）下降，植株從外部獲得的二氧化碳量降低，從而導致胞間 CO2濃度（Ci）降低。嚴重缺水時氣孔接近完全關閉，造成蒸騰速率（Tr）減少，植物凈光合速率（Pn）降低，植物光合能力下降[7-9]。干旱脅迫下植物體內葉綠素熒光參數也會發現變化。GUO等[10]研究發現，干旱脅迫下，黑枸杞非光化學淬滅系數（NPQ）增多，最大光化學效率（Fv/Fm）、光合電子傳遞速率（ETR）等減少，表明干旱脅迫影響了PSⅡ反應中心的開放性。

野牡丹是中國華南地區常見的園林觀花植物，花大，顏色鮮艷，外形大小俱佳，且易于修剪，可孤植、片植或叢植，在園林綠化中有著廣泛的使用前景[11]。目前國內對野牡丹植物的研究主要集中在資源調查評價[12-14]、栽培技術[15-16]與適應性、組織培養、傳粉生物學及藥用價值[17]等方面，針對抗旱性、光合特性以及葉綠素熒光參數的研究較少。黃燕等[18]研究發現，隨著干旱程度增加，野牡丹葉片出現干枯下垂、頂芽萎蔫，野牡丹葉片的相對含水量、SOD酶活性、葉綠素含量等主要指標的變化趨勢表明，野牡丹的耐旱性不強。樊晚林等[19]對3種野牡丹屬植物（野牡丹、毛稔、紫毛野牡丹）進行光合特性研究，結果發現，野牡丹的耐陰性是三者中最強的，其對冬季自然低溫敏感性較強。本試驗以野牡丹為研究對象，以盆栽模擬干旱，在不同的干旱程度下探究水脅迫下野牡丹光合和葉綠素熒光參數的變化，研究其抗旱能力，以期為未來干旱環境下野牡丹的種植提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗地概況 試驗于2020年8月在廣州市從化區西向村廣州普邦研發中心大棚內開展。廣州地處低緯度地帶，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，夏季高溫冬季溫和，雨熱同期，季風發達。年平均氣溫22℃，年平均降雨量1 879.8 mm，大多集中在4—6月。

1.1.2 試材 試驗所用材料為 2019年在廣州市從化區西向村廣州普邦研發中心大棚內經扦插獲得，選取發育良好、長勢一致的1年生扦插苗盆栽，移至溫室大棚內正常養護一星期后開始干旱脅迫試驗。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 在干旱脅迫的第0、3、6、9、12天以及復水第3天測定各項指標，對照組為正常養護澆水。為減小株間差別，對各株植株中生長發育情況和形態大小一致的葉片掛牌標記，從中測取數據。測定時間為當天上午的8：00—11：00，每個處理測定植物3株，每株進行3次重復。實驗過程中大棚內溫度在30～35℃，光照充足。

1.2.2 指標測定 利用土壤水分檢測儀測定土壤含水率，并利用美國公司 LI-COR有限公司制造的便攜式光合作用測量儀（LI-6400）測量野牡丹葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速度（Tr），并測算土壤水分利用率（WUE），WUE = Pn/Tr。使用美國Walz有限公司研發的便攜式調制葉綠素熒光檢測儀（PAM-2500），對各種植物同一葉位的成熟葉片進行葉綠素熒光參數測定，測定參數包括最大光化學效率（Fv/Fm）、光化學淬滅系數（qP）、非光化學淬滅系數（NPQ）以及光合電子傳遞速率（ETR）。

1.2.3 數據處理 采用SPSS 23.0和Excel 2010對試驗數據進行統計分析以及圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量的變化

如圖 1所示，隨著干旱時間的不斷延長，土壤含水量不斷下降。在干旱12 d時土壤含水量達到最低值，與對照組相比下降了90.19%。

圖1 土壤含水量的變化

2.2 干旱脅迫及復水對野牡丹光合參數的影響

如圖2～5所示，隨著干旱程度的不斷增加，野牡丹葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（gs）、胞間 CO2濃度（Ci）以及蒸騰速率（Tr）均呈下降趨勢。野牡丹葉片Pn在輕度（干旱第3、6天）干旱下降幅較小，分別為 24.31%與 39.15%；在重度干旱（干旱第9、12天）下降幅較大，分別達到 79.91%與 92.75%；復水后，Pn僅恢復到干旱第3天水平，且不同干旱脅迫時間段存在顯著性差異（p＜0.05）。與對照組相比，第12天野牡丹葉片gs下降了91.49%，復水后僅恢復到干旱第3天水平；gs在干旱前期與后期降幅較大，中期降幅較平穩；gs在干旱脅迫過程中干旱組和復水后與對照組間均存在顯著性差異。Ci在整個干旱過程中的降幅都較為平穩，在第12天下降到最低水平，下降了42.74%，復水后恢復到干旱第9天的水平。Tr在整個干旱過程中的降幅都較大，在第 12天下降到最低水平，與對照組相比下降了94.58%，復水后恢復到了干旱第3天水平。

圖2 干旱及復水對野牡丹凈光合速率的影響

圖3 干旱及復水對野牡丹氣孔導度的影響

圖4 干旱及復水對野牡丹胞間CO2濃度的影響

圖5 干旱及復水對野牡丹蒸騰速率的影響

如圖 6所示，野牡丹葉片的水分利用效率（WUE）隨著干旱時間的延長呈先上升后下降的趨勢。WUE在第6天達到最大水平，與對照組相比上升了95.4%，復水后恢復到對照組水平。

圖6 干旱及復水對野牡丹水分利用效率的影響

2.3 干旱脅迫對野牡丹葉綠素熒光參數的影響

如圖7～11所示，隨著干旱程度的不斷增加，野牡丹葉片的最大光化學效率(Fv/Fm)、實際光能轉化效率[Y(Ⅱ)]、光化學淬滅系數（qP）和光合電子傳遞速率(ETR)均呈下降趨勢，而非光化學淬滅系數（NPQ）隨著干旱程度的不斷增加呈上升趨勢。野牡丹葉片的Fv/Fm4個干旱處理組與對照組相比分別降低了 6.58%、13.59%、17.39%、29.63%，降幅穩定，且4個干旱處理組與對照組的差異均達到了顯著水平。野牡丹葉片的Y(Ⅱ)四個干旱處理組與對照組相比分別降低了22.23%、39.89%、50.57%、66.48%，均有顯著性差異。野牡丹葉片的NPQ四個干旱處理與對照組相比均有顯著性差異，復水后與對照組間無顯著性差異。干旱處理NPQ不斷上升，在12 d達到峰值，與對照組相比上升了約42.11%。野牡丹葉片qP與對照組相比在干旱3 d時沒有受到顯著性影響，在干旱6、9、12 d均受到了顯著影響，在12 d時下降了40.19%。野牡丹葉片的ETR四個干旱處理組與對照組相比都受到顯著影響，其中 6與9 d、9與12 d組間沒有顯著性差異，干旱脅迫下ETR呈不斷下降趨勢，干旱12 d時與對照組相比下降64.22%。

圖7 干旱及復水對野牡丹最大光化學效率的影響

圖8 干旱及復水對野牡丹實際光能轉化效率的影響

圖9 干旱及復水對野牡丹非光化學淬滅系數的影響

圖10 干旱及復水對野牡丹光化學淬滅系數的影響

圖11 干旱及復水對野牡丹光合電子傳遞速率的影響

3 討論

3.1 干旱及復水對野牡丹光合參數的影響

研究發現，當植物在短期或適度的水分虧缺狀況下，氣孔限制是引起Pn值降低的重要因素[20]。葉片的光合速率和氣孔導度成正相關[21]。當水分脅迫加劇,植物抗水分逆境的能力有限，生理代謝功能失調以及葉綠體對CO2的固定能力降低等原因導致非氣孔限制因素，使得Pn降低[22]。本研究結果表明，當野牡丹處在干旱條件下時，氣孔運動受限，氣孔導度（gs）減少，植株從外部獲得的CO2大大減少，從而導致胞間co2濃度（Ci）降低。嚴重缺水時氣孔接近完全封閉，從而造成了蒸騰速率（Tr）降低，最終導致植物凈光合速率（Pn）減少，植株光合能力降低。干旱環境脅迫下野牡丹的水分利用效率（WUE）先上升后下降。程甜甜等[23]研究也發現，隨著土壤中相對含水率的下降，文冠果葉片的凈光合速率與水分利用效率都出現了先升高后下降的變化趨勢。

3.2 干旱及復水對野牡丹葉綠素熒光參數的影響

Fv/Fm值體現了 PSII的光能轉化效率，常被用于判斷植物PSII能否因發生光抑制而產生不可逆傷害[24]，該參數變動范圍較小，通常為0.75～0.85，且不受植物物種和生長條件的影響。Fv/Fm值在第9天后降到了0.7以下，說明在干旱脅迫下野牡丹產生了光抑制作用，光合組織受到破壞；復水后有所上升，說明抑制作用減弱、光合功能得到一定程度恢復。Y（Ⅱ）體現了PSII光化學系統的開放程度，與碳同化過程有很大的關聯[25]。qP表示以 PSII天線色素所吸收的光能作為植物暗反應中固定能量的部分，其值越大說明PSII的光電子轉換活性越大，在光能中轉化為活潑化學能的能量就越多，因此植物對光能的利用效率也就越高[26]。qP、ETR、Y（Ⅱ）低于對照組，說明野牡丹光合電子傳遞和光化學活性受到抑制，只有通過降低量子產額、光化學淬滅和電子傳遞速率來耗盡過剩的光能。NPQ超過了對照組，表明干旱脅迫造成野牡丹原始光能轉換效率下降，PSⅡ天線色素所吸收的光能過剩，因此只能升高NPQ，即以熱耗散的形式釋放掉過多的光能。復水后，各項熒光參數均顯著恢復，說明野牡丹受損的PSⅡ反應中心可在一定程度恢復。

干旱脅迫后的復水恢復情況可反映植物對干旱脅迫的適應能力和保護機制[27-28]。通過光合和葉綠素熒光參數的變化可知，12 d的干旱脅迫對野牡丹的光合生理造成了影響，但是復水后各項指標都能恢復到干旱脅迫0～3 d的水平，說明野牡丹具有一定的抗旱性。本實驗僅研究了干旱脅迫及復水對野牡丹光合和葉綠素熒光參數的影響，今后還需要在生理生化、信號轉導、基因表達等方面開展進一步的探索研究。