干旱與復水對喀斯特地區紅背山麻桿生長及葉綠素熒光動力學參數的影響

趙 英,吳 敏,葉曉霞,任 琪,鄧 平,朱宇林,2*

(1 廣西玉林師范學院,廣西玉林 537000;2 廣西農業職業技術大學,南寧 530000)

喀斯特地貌是指可溶性巖石在水和大氣CO2參與情況下,將可溶性巖石剝蝕搬運、沉積形成的獨特地貌[1]。中國是世界上喀斯特分布面積最大的國家,喀斯特地區也是中國四大生態環境脆弱區之一,普遍具有生境基巖裸露、土體淺薄、水分下滲嚴重、生境保水性差、基質以及土壤和水等環境富鈣的生態特征,獨特的地貌特征導致喀斯特地區干旱頻發,頻發的干旱脅迫對當地的植物生長造成了嚴重的影響[2]。因此,開展喀斯特地區植物抗旱機理研究,提高植物抗旱性,篩選出抗旱性強、適應頻繁干旱的喀斯特地區特殊生境條件的植物,對于植被恢復和生態環境修復具有重要意義。

光合作用是植物重要的生理過程,受干旱脅迫影響較大,正常情況下植物葉片葉綠素吸收的太陽光主要用于葉綠素熒光發射、熱耗散及光合電子傳遞,光合作用和熱耗散都會引起葉綠素熒光參數變化[3],因此葉綠素熒光參數常作為植物在干旱、低溫及強光等環境脅迫條件下抗逆變化的重要指標。研究表明,隨干旱脅迫的加劇,側柏[Platycladusorientalis(L.) Franco]幼苗PSⅡ的最大光化學量子產量(Fv/Fm)、相對光合電子傳遞速率(ETR)和實際光化學量子產量(ΦPSⅡ)均呈下降趨勢,而非光化學淬滅系數(NPQ)呈上升趨勢[4];隨干旱脅迫時間的延長,射干[Belamcandachinensis(L.) Redouté]的Fv/Fm、光化學淬滅系數(qP)、ETR在輕度干旱脅迫下緩慢下降,相對葉綠素含量SPAD值、光合參數、葉綠素熒光參數均得到不同程度的恢復,但仍小于對照[5];干旱脅迫后玉米幼苗葉片葉綠素熒光參數Fv、Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP不斷減小,且隨干旱脅迫嚴重程度減小而增加[6];干旱脅迫使連翹(Forsythiasuspensa)[7]及何首烏(PolygonummultifloraThunb.)[8]的PSⅡ原初光能轉換效率、活性降低,光合電子傳遞受到影響。

紅背山麻桿[Alchorneatrewioides(Benth.) Muell. Arg.]是喀斯特地區的典型鄉土樹種,具有繁殖周期短、拓展性強、利用資源高效、生長快等優點,目前相關研究多集中在其生理指標特征、種群數量、格局分布及繁殖的方式等方面[9-13],而對于干旱和復水處理對紅背山麻桿葉片葉綠素熒光動力學參數的影響研究鮮見報道。隨著全球氣溫升高、強降雨增多和干旱頻發,喀斯特地區的“干濕交替”現象加劇,植物經常處于干旱和復水狀態[14]。因此,本試驗擬通過模擬喀斯特地區自然干旱條件,研究干旱和復水對喀斯特地區典型樹種紅背山麻桿生長指標、葉綠素含量及葉綠素熒光動力學參數等指標的影響,分析紅背山麻桿在喀斯特干旱環境下的生長變化、抗逆機理以及復水條件下的補償機理,為喀斯特地區植被恢復以及提高該地區典型植物耐受性提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為廣西玉林師范學院玻璃溫室種植的生長健壯、株高(36±1.18) cm的一年生紅背山麻桿扦插苗。紅背山麻桿扦插苗栽種于高27 cm、上口徑25 cm(內徑)、下口徑20 cm(內徑)的塑料花盆中,每盆2株,共40盆。試驗土壤為模擬喀斯特地貌土壤,上層為混合土層,下層為約18 cm 碎石層,碎石層為喀斯特山地收集的棕色石灰土、河床細沙和腐殖質,按1∶1∶1 比例(V/V/V)混合。緩苗4周后進行干旱脅迫試驗,育苗與緩苗期均保持80%的田間持水量。

1.2 試驗方法

2021年9月15日在廣西玉林師范學院玻璃溫室進行干旱脅迫試驗,設置對照組(CK)10盆,干旱處理組(DT)30盆, DT組中15盆用于復水試驗。測定干旱和降雨后喀斯特地貌土壤0-20 cm 土壤含水量,同時結合一年生紅背山麻桿扦插苗生長環境情況,整個干旱脅迫試驗持續42 d,CK組土壤相對含水量保持為(24.4±1.22)%,DT組不澆水進行自然干旱處理;處理期間,棚內白天溫度為28 ℃,光強為800 μmol/(m2·s),相對濕度為(70±2.5)%,夜間溫度為20 ℃。分別對CK組和DT組處理14 d、28 d、42 d的植株進行生長指標、葉綠素含量和葉綠素熒光測定,然后立即對各時期DT組中15盆進行2 d復水處理(復水處理組,RT),在試驗處理16,30,44 d進行RT組植株相關指標測定,相關指標測定均為3次重復,取平均值。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤相對含水量

采用烘干法測定扦插苗根部附近的土壤相對含水量,對照組土壤相對含水量測定為隔天18:00開始稱重,損失的水分重新補充到土壤中;DT組土壤相對含水量測定為隔天18:00開始稱重,持續測定42d,RT組在DT組14 d、28 d、42 d進行復水處理,2 d后,即16 d、20 d、44 d下午18:00稱重測定土壤相對含水量,每個處理5盆,每盆測3次并記錄,取其平均值。

1.3.2 葉片相對含水量

采用飽和稱重法。采集植株莖干上、中、下部位的葉片各1片,測定其相對含水量,即每盆測定1株,每株3片葉子,取其平均值,每個處理5盆。葉片采摘后用電子天平(精度0.01 g)測定葉片鮮重(m),然后將葉片浸泡在純凈水中24 h測定飽和鮮重(m1);最后放置在烘箱中70 ℃下烘烤48 h測定葉片干重(m2),最后計算葉片相對含水量 [(m-m2)/(m1-m2) ×100%]。

1.3.3 株高和基徑

采用卷尺(精度0.1 cm)測量株高(植株底部到主枝頂端的高度),用游標卡尺(精度0.01 mm)測量莖粗。各個指標均重復測量3次,取平均值。

1.3.4 葉片葉綠素含量

參考李合生[15]的方法。每個處理分別采集5株,將葉片均勻混合剪碎,稱取0.2 g,放入研缽中加適量95%酒精、少許碳酸鈣和石英砂,研磨成勻漿,將勻漿轉入10 mL離心管,用95%酒精洗滌研缽,一并轉入離心管,靜置30 min,取上清液定容為25 mL,整個過程避光操作,以95%酒精作為對照,分別測定470 nm(類胡蘿卜素)、663 nm(葉綠素a)和649 nm(葉綠素b)下的吸光度,根據相關公式計算出葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、總葉綠素(Chl a+b)含量及葉綠素a/b(Chla/b)。

1.3.5 葉片葉綠素熒光參數

采用OS-30p+快速熒光測定儀測量植物脅迫熒光誘導動力學曲線(O-J-I-P熒光誘導曲線)。葉綠素熒光動力學參數的計算參考Strasser等[16]方法,初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、潛在光化學效率(Fv/Fo)、最大光化學效率(Fv/Fm)、OJIP熒光誘導曲線的初始斜率(Mo)、J點的相對可變熒光(Vj)直接從系統導出,然后計算PSⅡ反應中心活性參數:單位反應中心吸收的光能Abs/Rc=Mo/Vj/(Fv/Fm);單位反應中心捕獲的用于還原Qa的能量Tro/Rc=Mo/Vj;單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量Eto/Rc=(Mo/Vj)×Ψo;單位反應中耗散掉的能量Dio/Rc=Abs/Rc-Tro/Rc,再計算PSⅡ能量分配率參數:最大量子效率Ψpo=1-(Fo/Fm);捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中Qa下游的其他電子受體的概率:Ψo=1-Vj;用于電子傳遞的量子產額:ΨEo=(1-Fo/Fm)×Ψo;用于熱耗散的量子比率:ΨDo=1-Ψpo。

1.4 數據處理

采用SPSS 26.0軟件對試驗數據進行統計分析,采用Origin 2019軟件繪圖,各圖中的數值均為平均值±標準誤差,所有數據均進行單因素方差分析(one-way AVOVA)和Duncan多重比較。

2 結果與分析

2.1 干旱與復水對紅背山麻桿立地土壤相對含水量的影響

土壤相對含水量是衡量土壤干旱程度的最直接指標之一[6],按照植物生長需水關鍵連續無效降雨日數確定,干旱10～20 d為輕度干旱,21～30 d為中度干旱,31～45 d為嚴重干旱。由圖1可知,在不同干旱脅迫時間段,紅背山麻桿土壤相對含水量都顯著降低,復水后又都達到對照組含水量水平;相較于CK,紅背山麻桿土壤相對含水量在干旱14 d、28 d、42 d時分別降低了42.3%、65.9%和80.6%,即在輕度、中度、中度干旱脅迫處理間存在明顯差異。

CK.對照; DT.干旱;RT.復水。下同。

2.2 干旱與復水對紅背山麻桿葉片相對含水量的影響

葉片含水量是體現植物葉片保水能力的常用指標[17]。由圖2可知,在處理天數間相比較,隨干旱脅迫時間的延長和干旱程度的加劇,DT和RT組紅背山麻桿葉片含水量均顯著逐漸降低(P<0.05)。在處理組間相比較,DT組葉片含水量均始終顯著低于同期對照組和RT組,RT組葉片含水量在干旱脅迫處理14 d(輕度干旱)時與對照組無顯著差異,在干旱處理28(中度干旱)和42 d(重度干旱)時也顯著低于同期對照組。其中,干旱脅迫處理14 d、28 d和42 d時,DT組葉片含水量相較于同期CK分別顯著減少了6.7%、14.5%和23.7%(P<0.05)。可見,輕度干旱復水后葉片含水量能夠完全恢復到對照水平,而中、重度干旱復水后僅能部分恢復但仍顯著低于對照,說明紅背山麻桿對短時間的干旱環境具有較強的適應性,對中、重度干旱具有一定的恢復能力。

不同小寫字母表示相同時間不同處理間差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示相同處理不同時間之間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 干旱與復水對紅背山麻桿株高和基徑的影響

株高和基徑是植物重要的生長指標,其相對增量反映了植物間斷性生長狀況及對環境變化的適應性[18]。由圖3可知,正常生長(CK)的紅背山麻桿在42 d生長時間內株高顯著增加;隨干旱脅迫時間延長,紅背山麻桿株高整體增加緩慢,干旱脅迫處理14 d、28 d和42 d時的株高相較于CK分別顯著減少了2.98%、6.07%、9.98%(P<0.05),這與大部分植物受干旱脅迫后生長受到抑制的表現相同;在復水處理后,紅背山麻桿株高比DT組略微增加,但仍顯著低于相應對照。刁兆龍[19]認為植物受到嚴重干旱脅迫,由于嫩芽、嫩葉等缺水萎蔫,植物株高甚至會出現不增反降的現象。同時,紅背山麻桿基徑在正常生長的42 d內也顯著增加;隨干旱脅迫時間延長,紅背山麻桿基徑緩慢增加,在干旱處理14 d、28 d和42 d時相較于CK分別顯著減少了4.91%、5.68%和11.00%(P<0.05);在復水處理后,其基徑比同期DT稍微增加,但顯著低于相應對照。以上結果說明,不同程度干旱脅迫均顯著抑制了紅背山麻桿株高和基徑生長,及時復水后仍不能恢復至正常對照水平。

圖3 干旱與復水處理紅背山麻桿的株高和基徑

2.4 干旱與復水對紅背山麻桿葉綠素含量的影響

葉綠素a含量變化可以反映作物對長波光的吸收程度,葉綠素b可以參與傳遞光能、促進作物對短波光的吸收,葉綠素總量在一定程度上可以代表作物光合作用的強度,葉綠素a/b可以反映作物對不飽和散射弱光的吸收情況,在一定范圍內比值越低,吸收率越高[20]。如圖4所示,隨生長時間延長,對照組紅背山麻桿葉片Chla、Chlb和Chl(a+b)含量逐漸顯著增加(P<0.05),Chla/b始終無顯著變化;隨干旱脅迫處理時間延長,DT組葉片Chla、Chlb、Chl(a+b)及Chla/b先增加后降低,并均在干旱脅迫處理28 d時達到最高值,并以處理14 d時最低,且各時期間多存在顯著性差異;與對照相比,DT組各時期葉綠素含量及其比值大多顯著提高,干旱脅迫28 d時分別顯著增加了75.0%、45.6%、62.0%和20.1%;RT組葉片葉綠素含量及其比值隨干旱脅迫時間延長逐漸顯著增加,并大多顯著高于同期對照;RT組各指標在處理14 d、28 d均顯著低于同期DT組,而在處理42 d時稍高于同期DT組。這可能是由于干旱脅迫使葉片相對含水量降低,導致葉綠素含量相對升高,而葉片含水量在復水以后增加,又導致葉綠素含量相對減少[21];同時說明紅背山麻桿在重度干旱脅迫下葉綠素的合成未受到毀滅性破壞,復水處理后經自身調節可恢復。

圖4 干旱與復水處理紅背山麻桿的葉綠素含量

2.5 干旱與復水對紅背山麻桿葉綠素熒光動力學參數的影響

2.5.1 葉綠素熒光基本參數

初始熒光Fo是PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產量,代表不參與PSⅡ光化學反應的光能輻射部分;最大熒光Fm是PSⅡ反應中心完全關閉時的熒光產量,它能反映通過PSⅡ的電子傳遞情況;Fv/Fo是PSⅡ反應中心潛在活性指標;Fv/Fm是PSⅡ最大光化學量子產量,反映PSⅡ反應中心最大的光能轉換率和植物潛在的最大光合能力。

圖5顯示,隨干旱時間的延長和干旱脅迫程度的加劇,各組紅背山麻桿葉片Fo均逐漸增加,但CK組均增加不顯著,DT組和RT組在干旱脅迫42 d均顯著高于28 d、14 d;各期DT組葉片Fo均比CK顯著提高,RT組Fo均高于同期CK組,卻低于同期DT組,但均僅在干旱脅迫42 d達到顯著水平(P<0.05)。隨干旱脅迫加劇,各處理組葉片Fm、Fv/Fo、Fv/Fm均逐漸減小,且均僅在42 d時降幅達到顯著水平;各時期葉片Fm、Fv/Fo、Fv/Fm均表現為CK組>RT組>DT組,且DT組各指標與同期對照、RT組間始終差異顯著,RT組Fm始終與同期對照無顯著差異,而其Fv/Fo、Fv/Fm均僅在干旱脅迫處理28 d和42 d時與相應對照差異顯著;干旱脅迫42 d時,DT組葉片Fm、Fv/Fo、Fv/Fm相較于CK分別顯著減少了16.3%、44.3%和13.8%(P<0.05)。可見,不同程度的干旱脅迫均使紅背山麻桿葉片Fo顯著升高,而使Fm、Fv/Fo、Fv/Fm顯著降低;復水可使不同干旱脅迫程度處理的Fm都基本能恢復到CK水平,但僅能使輕度干旱脅迫下的Fo、Fv/Fo、Fv/Fm恢復到CK水平。這說明復水后,雖然有光保護機制的存在,但Fo、Fv/Fo、Fv/Fm均未能恢復到對照水平,復水處理后葉片Chla、Chlb含量仍然高于對照也從另一方面可說明紅背山麻桿葉片光合能力未完全恢復至對照水平,因此干旱后復水不能完全解除干旱對PSⅡ反應中心所帶來的傷害,這與李文嬈等[22]的研究結果一致。

圖5 干旱與復水對紅背山麻桿的葉綠素熒光參數

2.5.2 PSⅡ反應中心活性參數

PSⅡ反應中心活性參數包括單位反應中心吸收的光能(Abs/Rc)、單位反應中心捕獲的用于還原Qa的能量(Tro/Rc)、單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量(Eto/Rc)、單位反應中耗散的能量(Dio/Rc)。如圖6所示,隨干旱時間的延長和干旱脅迫程度的加劇,DT組紅背山麻桿葉片Abs/Rc、Tro/Rc、Eto/Rc、Dio/Rc均逐漸增加,且均顯著高于同期CK(P<0.05),它們干旱處理42 d時相較于CK分別顯著上升了34.8%、16.1%、6.3%和109.1%;不同程度干旱脅迫復水后,RT組葉片Abs/Rc、Tro/Rc、Eto/Rc、Dio/Rc相對于同期DT組均不同程度降低,且除干旱脅迫42 d復水處理的Eto/Rc外降幅均達到顯著水平,但同時它們均不同程度地高于同期CK,并隨著干旱脅迫時間延長,復水處理后比對照增幅越大,且增幅大多達到顯著水平。以上結果說明干旱脅迫后紅背山麻桿葉片通過調節單位反應中心吸收、傳遞和耗散的光能,使其保持較高的光能轉換能力,保證光合作用正常進行,同時在電子傳遞延伸過程中耗散的能量增加,也體現了對PSⅡ的保護。

圖6 干旱與復水處理紅背山麻桿的PSⅡ反應中心活性參數

2.5.3 PSⅡ能量分配比率參數

PSⅡ最大量子效率(Ψpo)、捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中Qa下游的其他電子受體的概率(Ψo)、用于電子傳遞的量子產額(ΨEo)、用于熱耗散的量子比率(ΨDo)都屬于PSⅡ能量分配比率參數。

由圖7可知,隨干旱時間的延長和干旱脅迫程度的加劇,DT組紅背山麻桿葉片Ψpo、Ψo、ΨEo逐漸下降,ΨDo逐漸升高,且與同期CK相比均變化顯著(P<0.05);干旱處理42 d時,Ψpo、Ψo、ΨEo相較于CK分別顯著減少了13.8%、8.5%和21.3%,ΨDo相較于CK顯著增加了54.7%。

圖7 干旱與復水處理紅背山麻桿的PSⅡ能量分配比率參數

不同程度干旱脅迫復水后,葉片Ψpo和ΨEo相較于同期干旱脅迫處理均顯著增加(P<0.05),Ψo均稍有增加,且Ψpo在輕度干旱脅迫復水后能恢復到CK水平,Ψpo在中度、重度干旱脅迫以及Ψo、ΨEo在各程度干旱脅迫后復水均不能恢復到CK水平,且均與對照組存在顯著差異(P<0.05);不同程度干旱脅迫復水后,ΨDo相較于干旱脅迫處理時均顯著下降(P<0.05),但均高于CK水平。以上結果說明干旱脅迫后紅背山麻桿葉片通過減少葉片對光能的捕獲和增加熱耗散量子比率來減弱光合機構被破壞的風險。

3 討 論

本試驗中,隨干旱脅迫時間的延長和干旱程度的加劇,紅背山麻桿葉片相對含水量逐漸下降,株高和基徑增長緩慢,干旱脅迫14 d復水處理后,葉片相對含水量能恢復至CK水平,株高、基徑基本無變化;干旱脅迫42 d復水后葉片含水量部分恢復但與CK存在顯著差異,株高、基徑變化不大。說明重度干旱會對紅背山麻桿造成傷害,恢復補水后紅背山麻桿具有一定的恢復能力。

干旱影響植物生長和代謝的第一環節就是光合作用[23],而測定葉綠素含量的變化是研究植物光合作用的重要手段。本試驗中,隨干旱脅迫時間的延長和干旱程度的加劇,紅背山麻桿葉片Chla、Chlb、Chl(a+b)含量及Chla/b均先增加后降低,葉綠素含量增加既可能是葉片含水量的下降使葉綠素濃縮,因而提高了葉片單位鮮重中的含量,也可能是葉綠素降解過程受阻導致植物葉片滯綠[24];持續干旱脅迫42 d時,葉綠素含量顯著下降則可能是由于過度的干旱導致葉綠素合成能力下降,或是葉綠體膜結構和功能受損,葉綠素分解[25]所致;干旱脅迫42 d復水后,紅背山麻桿葉片葉綠素含量均有所恢復,說明紅背山麻桿在重度干旱脅迫下葉綠素的合成未受到毀滅性破壞,復水處理后經自身調節可一定程度恢復。

干旱脅迫導致植物葉片含水量減少,葉片含水量減少使其光合機構被破壞,從而導致葉綠素含量減少及葉綠素熒光發生變化。有研究表明植物受到逆境脅迫時最初傷害的部位是植物葉片的PS Ⅱ[26-27]。葉綠素熒光主要是由PSⅡ中的光合色素分子在原初反應階段產生,利用葉綠素熒光動力學方法可以快速、靈敏、無損傷探測干旱脅迫及干旱后復水對植物光合作用的影響[28]。研究[28]表明,當植物未受到脅迫時,Fv/Fm變化范圍一般為0.75～0.85,變化較小且不受生長條件和物種限制,在受到脅迫時會顯著降低。本試驗驗中,持續干旱脅迫42 d后,紅背山麻桿葉片Fv/Fm值降低至0.68,表明嚴重干旱脅迫使得葉片PSⅡ反應中心遭到了一定程度的破壞或可逆性失活,PSⅡ原初光能轉換效率降低,光合能力受到抑制,同時此時Fo的急劇升高及Fm的降低,也說明干旱破壞了PSⅡ的反應中心,這與吳甘霖等[29]的研究結果一致。

植物葉片PSⅡ結構被破壞后會導致電子傳遞和能量轉化受到較大影響。本研究中持續干旱脅迫42 d后,紅背山麻桿葉片Abs/Rc、Tro/Rc、Eto/Rc、Dio/Rc顯著增加,表明植株葉片PSⅡ結構被破壞后,光合原初反應過程受到抑制,由于葉片葉綠素含量仍保持較高水平,吸收和捕獲的光能也增加,但電子傳遞受阻、電子傳遞效率降低,大部分反應中心吸收和捕獲的光能都以熱能的形式耗散了,這也是植物的一種自我保護機制。同時由于紅背山麻桿葉片PSⅡ中電子傳遞受阻,Ψpo、Ψo、ΨEo下降,進一步表明重度干旱脅迫下PSⅡ反應中心受到傷害,Qa積累阻礙電子向下傳遞,導致PSⅡ功能受到抑制,使部分PSⅡ反應中心失活轉變為熱耗散機構,過剩光能被耗散,這與吳敏等[30]和魏曉東等[31]的研究結論相似。

干旱脅迫后復水可反映植物對干旱脅迫的保護機制和適應能力。本試驗中,干旱復水后,紅背山麻桿葉片Fo、Abs/Rc、Tro/Rc、Eto/Rc、Dio/Rc、ΨDo有所下降,Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、Ψpo、Ψo、ΨEo適度恢復,Fm均能恢復到CK水平,而Ψo、ΨEo均不能恢復到CK水平且均與其存在顯著差異,表明在水分環境條件改善時,受損害的PSⅡ反應中心可在一定程度上恢復;但損傷過重時,可能會延長恢復時間甚至可能無法恢復到正常水平。

另外,復水處理后紅背山麻桿葉片Chla、Chlb低于干旱脅迫處理組但仍然高于對照,即復水處理后葉片相對含水量有所增加但仍然低于對照組,也印證了紅背山麻桿葉片復水處理后未完全恢復至對照水平,說明葉綠素熒光動力學參數的變化與其葉綠素含量的變化一致。

綜上所述,輕度(干旱14 d)和中度干旱脅迫(干旱28 d)對紅背山麻桿生長影響較小,重度干旱脅迫(干旱42 d)則使紅背山麻桿生長受到嚴重影響,但并未出現幼苗枯死現象,證明紅背山麻桿幼苗可通過降低光能的捕獲和增加熱耗散量子比率來降低光合機構受到破壞的影響;干旱復水處理后,紅背山麻桿各項指標均有適度恢復,證明紅背山麻桿具有強的抗旱性和較強干旱脅迫耐受能力,可作為喀斯特地區生態恢復的抗旱性植物。