干旱及復水循環對苗期藥用大黃葉片光合碳同化功能和光化學活性的影響

謝豐璞,王 楠,高 靜,張 崗,宋忠興,唐志書,3

(1 陜西中醫藥大學 陜西中藥資源產業化省部共建協同創新中心/秦藥特色資源研究與開發國家重點實驗室(培育),陜西咸陽 712083; 2 陜西中醫藥大學 藥學院/陜西省中醫藥管理局“秦藥”研發重點實驗室,西安 712046; 3 中國中醫科學院,北京 100700)

氣候變化導致水資源供應異常,干旱事件頻發[1]。間歇性和季節性干旱使植物處于土壤水分劇烈波動的環境中,嚴重影響其正常生長發育[2-3]。植物在受到干旱脅迫時會對生物量進行重新分配[4-5],通常表現為根長和地下部分生物量增加,同時降低地上部分生物量及葉片光合作用,從而來維持自身正常的生長發育和代謝功能[6]。研究發現,在遭受輕度水分虧缺或干旱前期,光合作用的降低主要由氣孔因素引起[7]。植物通過限制氣孔導度來減少水分損失[8],同時降低CO2在葉肉細胞中的擴散[9],導致光合色素含量減少及光合速率下降[10]。在中、重度或長期干旱脅迫下,植物光合器官電子傳遞供受體側受到損害[11],導致光合電子傳遞受阻,引起葉綠素熒光變化[7]。干旱脅迫使質體醌到光系統I(PSI)末端受體的電子傳遞量子產額減少,嚴重影響電子傳遞鏈效率[12],而為了降低干旱對光系統Ⅱ(PSⅡ)核心復合體等光合結構的損傷,通常會出現非光化學淬滅等熱耗散現象[13]。

植物在遭受干旱后及時獲得水分供應,會迅速生長,如光合速率升高,葉綠素含量增加等,以緩解、修復干旱脅迫帶來的損傷[14]。有研究發現,玉米葉片葉綠素含量干旱復水后迅速恢復,甚至超過對照水平[15]。新疆大葉苜蓿的光合速率、最大光化學效率、非光化學淬滅等均能在復水后恢復至對照水平并產生補償效應[3]。然而,當干旱脅迫過于嚴重時,植物PSⅡ穩定性急劇下降,反應中心失活[16],在復水后葉片光合功能及PSⅡ功能無法恢復[17],光合系統依然遭到嚴重破壞[7]。植物在遭受干旱脅迫時的抗旱性及其復水恢復功能是否依賴于干旱持續時間、嚴重程度和復水階段仍是當前研究的重點。

藥用大黃(RheumofficinaleBaill.)為蓼科大黃屬植物,其干燥根及根莖為大宗藥材大黃的來源之一。雖然藥用大黃的固有特性使其可以適應短期干旱,但由于陜南地區連片種植、改變土地利用等原因,導致陸面植被覆蓋率降低,土壤蒸發量加大,從而引起缺水現象。

同時,地區降水格局及氣候變化帶來的季節性干旱會出現干旱-復水-干旱的環境循環,極有可能造成藥用大黃關鍵生育期缺水,嚴重影響大黃生長和藥材品質。然而關于干旱、復水對藥用大黃生長發育的影響尚鮮見報道。因此,本試驗對不同干旱梯度、干旱時間下的藥用大黃幼苗抗旱能力及復水后恢復能力進行研究,觀察其干旱及復水后葉片光合作用、葉綠素熒光的變化規律,對藥用大黃在不同干旱脅迫程度、干旱時間和復水條件下的光合生理機制進行綜合評價,以期為其水分高效利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

參試種子于2020年7月10日采集自陜西省漢中市鎮巴縣觀音鎮桃樹灣村金竹灣的3年生藥用大黃植株,采集地海拔1 470 m,緯度32°29′38″N,經度108°5′19.3″E。選擇顆粒飽滿、無發霉現象的種子作為試驗材料。

試驗采用盆栽方式,先將供試種子浸泡于純凈水中24 h,取出后用75%酒精消毒15 s,再用10%的過氧化氫消毒15 min,最后用純凈水沖洗干凈,置于有雙層濕潤濾紙的培養皿中催芽。胚芽長出3～5 mm時取出并播種于直徑15 cm、高20.5 cm的花盆中,每個處理種12盆,每盆種7株,土壤質地為泥炭土,在土壤相對含水量為(80±5)%的環境下生長,長至三葉期時選取長勢一致的幼苗定苗至每盆3株,各處理共計36株幼苗,生長60 d后開始干旱復水試驗。

1.2 試驗設計

試驗設置4個干旱梯度處理,分別表示為CK[對照組,水分充足,土壤含水量為(80±5)%]、LD[輕度干旱,土壤含水量為(60±5)%]、MD[中度干旱,土壤含水量為(40±5)%]和SD[重度干旱,土壤含水量為(20±5)%],各梯度種3盆作為重復組;各干旱處理又均設置3個持續干旱脅迫復水階段(干旱10 d→復水3 d→干旱25 d→復水3 d→干旱40 d→復水3 d)。每個處理在每階段干旱最后一天(復水前,T10-0、T25-0、T40-0)、復水后第1天(T10-1、T25-1、T40-1)、復水后第3天(T10-3、T25-3、T40-3) 取樣測定相關各項指標,每處理3個重復。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標

選取長勢、大小一致的幼苗,稱取各處理地上、地下部分生物量,量取根長,計算根冠比、總生物量、地上部分生長恢復能力、地下部分生長恢復能力、總生長恢復能力,各處理分別選取長勢一致的3份樣品進行測定,視作3個重復。具體計算公式如下:

根冠比=地下部分生物量/地上部分生物量×100%;總生物量=地下部分生物量+地上部分生物量;生長恢復能力=復水最后一天(T10-3、T25-3、T40-3)生物量-干旱最后一天(T10-0、T25-0、T40-0)生物量。

1.3.2 葉片葉綠素含量

選取長勢、大小一致、無病蟲害的葉片,避開葉脈剪取0.1 g,采用96%乙醇浸提法提取葉片葉綠素后,使用紫外分光光度計在665 nm和649 nm波長下測定吸光度(A),依據相關公式計算葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)及總葉綠素(a+b)(Chl a+b)含量,各處理分別選取長勢一致的3份樣進行測定,視作3個重復。

1.3.3 光合氣體交換參數和葉綠素熒光參數

選取長勢、大小一致、無病蟲害的葉片,使用CIRAS-3便攜式光合儀測定,在陜西中藥資源產業化省部共建協同創新中心組織培養室測定相關指標,測定時環境參數為:溫度25 ℃,二氧化碳濃度380～410 μmol/mol,光合有效輻射(PAR)為1 200 μmol/(m2·s),測定的指標包括:Pn、Ci、Gs、Tr、WUE、Ls、CE、Fv/Fm、ФPSⅡ、ETR、qP、NPQ,各處理分別選取長勢一致的3份樣進行測定,視作3個重復。各參數釋義見表1。

表1 測定和分析中所用的參數指標及其釋義

1.3.4 快速葉綠素熒光誘導動力學參數

選取長勢、大小一致、無病蟲害的葉片,使用Pocket PEA植物效率分析儀測定OJIP曲線及相關參數,測定的指標包括:Fv/Fo、Vj、Vi、Mo、Area、Fo、tFm、Fm、Sm、N、φEo、ψEo、δRo、φRo、ABS/RC、DIo/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、REo/CSo、PIabs、PItotal,各處理分別選取長勢一致的3份樣進行測定,視作3個重復。各參數釋義見表1。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016軟件和GraphPad Prism 8.0.2軟件進行數據處理和圖表繪制,使用IBM SPSS Statistics 22統計分析軟件對各指標進行顯著性分析(LSD法,P<0.05),使用GraphPad Prism 8.0.2軟件制作熱圖并對熒光參數數據進行單向方差分析和多重比較檢驗,將本試驗各指標處理結果導入R 4.0.2軟件,載入vegan、ggplot2程序包分別進行冗余分析(redundancy analysis, RDA)和RDA結果可視化。

2 結果與分析

2.1 干旱和旱后復水對藥用大黃幼苗生長的影響

圖1顯示,在大部分干旱脅迫時間內,藥用大黃幼苗復水后地上部、地下部和總的生長恢復能力均隨干旱程度的增加呈上升趨勢且在干旱脅迫程度之間大多存在顯著性差異,這種趨勢在總生長恢復能力中表現得尤為突出。隨著干旱時間的延長,在輕度干旱脅迫(LD)下,藥用大黃幼苗復水后地上部生長恢復能力逐漸顯著降低,地下部和總的生長恢復能力則均先降后升且均以脅迫25 d顯著最低,其余2個時間段間(10 d和40 d)無顯著差異;在中度干旱脅迫(MD)下,地上部和總的生長恢復能力均先降后升并以脅迫25 d顯著最低,而脅迫10 d和40 d間無顯著差異,地下部生長恢復能力在脅迫時間段間無顯著差異;在重度干旱脅迫(SD)下,地下部和總的生長恢復能力均先降后升且均以脅迫25 d顯著最低,脅迫40 d明顯較高,而地上部生長恢復能力在脅迫時間段間無顯著差異。

CK、LD、MD、SD分別為對照組(水分充足)、輕度干旱、中度干旱、重度干旱,它們土壤相對含水量分別為(80±5)%、(60±5)%、(40±5)%、(20±5)%,下同;同一干旱梯度下不同大寫字母表示干旱時間之間在0.05水平差異顯著,同一干旱時間下不同小寫字母表示干旱梯度之間在0.05水平差異顯著。圖1 復水后不同干旱時長、干旱梯度下的藥用大黃幼苗生長恢復能力CK, LD, MD and SD were control group (water sufficient), mild drought, moderate drought and severe drought, respectively, and their soil relative water content were (80±5)%, (60±5)%, (40±5)% and (20±5)%, respectively. Capital letters indicate significant difference at 0.05 level among different drought times under a same drought gradient, and lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among different drought gradients under a same drought time.Fig.1 Growth recovery ability of R. officinale Baill. seedlings under different drought durations and drought gradients after rehydration

總體來看,藥用大黃幼苗生長恢復能力以重度干旱40 d后復水的地下部分最高,而輕度干旱40 d復水的地上部分近于0。

同時,圖2顯示,隨干旱程度的增加,幼苗地上部分生物量在干旱10 d復水(T10-0、T10-1、T10-3)和干旱40 d復水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低,且干旱脅迫處理均顯著低于CK,干旱處理間也多差異顯著,而在干旱25 d復水處理(T25-0、T25-1、T25-3)下先升高后下降,LD處理與CK基本無顯著差異,而MD和SD處理均比CK顯著降低;與復水前(T10-0、T25-0、T40-0)相比,地上生物量在干旱后復水第1天(T10-1、T25-1、T40-1)和復水第3天(T10-3、T25-3、T40-3)多不同程度回升,并以干旱10 d復水和復水3 d表現更突出。幼苗總生物量除T10-3處理隨著干旱程度的增加而逐漸顯著上升外,其余處理總生物量變化與地上部分生物量相似。另外,幼苗地下部分生物量、根冠比在干旱10 d復水和干旱40 d復水處理下隨干旱程度增加均呈逐漸上升趨勢,且干旱脅迫處理均顯著高于CK,干旱處理間也多差異顯著;各指標在干旱25 d及復水處理下均先升高后下降,地下部分生物量在LD和MD處理下顯著高于CK,在SD處理下顯著低于CK;根冠比、根長均在MD處理下達到最高值,且各干旱處理除SD處理的根冠比外均顯著高于CK;與復水前相比,幼苗地下部分生物量、根冠比、根長在復水后大多顯著升高。以上結果說明大黃幼苗通過減少地上部分生物量,增加地下部分生物量,來降低水分損耗,保證根系存活,從而抵御干旱脅迫,復水后,幼苗能夠正常吸水,生物量均有所回升。

同一階段干旱梯度下不同大寫字母表示復水時間之間在0.05水平差異顯著,同一復水時間下不同小寫字母表示干旱梯度間在0.05水平差異顯著。圖2 藥用大黃幼苗生長指標對干旱及復水的響應Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level among different rehydration times under same drought gradient and stage, and different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among different drought gradients under same rehydration time and stage. The same as below.Fig.2 Response of seedling growth indexes of R. officinale Baill. to drought and rehydration

2.2 干旱和旱后復水對藥用大黃幼苗葉片光合氣體交換參數的影響

由圖3可知,重度干旱40 d的大黃幼苗Pn、Gs、CE以及WUE值最低。除CK外,隨干旱時間增長,各梯度下藥用大黃幼苗的Pn、Gs、CE均呈下降趨勢;LD、MD處理下幼苗的Ls值隨干旱時間增長顯著升高,各干旱梯度下幼苗的WUE、SD下幼苗Ls值則均呈先升高再降低的趨勢,LD和SD處理下幼苗的Tr值及SD下葉片Ci則呈先降低再升高的趨勢。

圖3 干旱和復水條件下藥用大黃幼苗光合參數的變化規律Fig.3 Changes of photosynthetic parameters of R. officinale Baill. seedlings under drought and rewatering conditions

復水后,Pn、Gs、CE均顯著回升,LD處理10 d幼苗Pn、Gs、CE均升高且可恢復至CK水平;MD處理25 d的幼苗Pn、CE、Gs在T25-3顯著高于CK,出現補償效應;各梯度下Pn、CE、Gs在T40-3均有所回升,但顯著低于CK,SD處理下Pn恢復效率最低,在T40-3僅有2.783 μmol/(m2·s)。Ci在干旱10 d及復水后(T10-0、T10-1、T10-3)LD處理下與CK基本無顯著差異,而MD和SD處理均比CK顯著降低;在干旱40 d復水處理(T40-0、T40-1、T40-3)下先下降后升高,SD處理下均最高。

另外,隨干旱程度的增加,幼苗Tr在干旱10 d及復水后(T10-0、T10-1、T10-3)呈現先升高后降低的趨勢,且在LD處理下最高,SD處理下最低;在干旱25 d后復水3 d(T25-3)處理下先升高后下降,且在MD處最高;而干旱25 d復水1 d處理(T25-0、T25-1)和干旱40 d復水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低,且干旱處理均顯著低于CK,干旱處理間也多差異顯著。幼苗Ls在干旱10 d、25 d時隨干旱梯度的升高呈上升趨勢,且在復水后均有所降低。其中,Ls值在LD處理下T10-1時及MD處理下T25-1、T25-3時低于CK,出現補償效應;而在干旱40 d復水處理(T40-0、T40-1、T40-3)下先升高后下降,在T40-0時各干旱梯度均高于CK,不論是干旱還是復水,MD處理下Ls均最高。

此外,隨干旱程度的增加,幼苗WUE在干旱10 d復水(T10-0、T10-1、T10-3)和25 d復水處理(T25-0、T25-3)處理下基本呈先降低再升高趨勢,且SD處理顯著高于LD、MD處理;干旱40 d(T40-0)后,WUE隨干旱程度增加呈降低趨勢,干旱脅迫處理均顯著低于CK,復水后(T40-1、T40-3)WUE顯著恢復,且在MD處理下高于CK。以上結果說明遭受干旱脅迫時大黃葉片通過限制氣孔導度Gs來降低Tr和Pn,導致Ls升高,WUE因此發生改變,當脅迫過重時,Ci增加,光合器官受損,Pn迅速降低;復水后,葉片光合功能均有所恢復,凈光合速率等顯著增加,甚至產生補償效應,來迅速修復干旱帶來的傷害。

2.3 干旱和旱后復水對藥用大黃幼苗葉片葉綠素含量的影響

由圖4可知,除MD處理10 d后的葉綠素b含量顯著高于CK外,其余干旱時間及干旱梯度下(T10-0、T25-0、T40-0),幼苗葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素含量均顯著低于CK,隨干旱程度的增加,幼苗葉綠素a、b及總葉綠素含量在干旱25 d復水1 d(T25-0、T25-1)和干旱40 d復水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低。

圖4 干旱及復水條件下藥用大黃葉片葉綠素含量的變化規律Fig.4 Changes of chlorophyll contents in leaves of R. officinale Baill. under drought and rewatering conditions

復水后,葉綠素含量均有所回升。其中,MD、SD處理10 d后復水的葉片葉綠素含量均能在復水3 d內(T10-3)恢復并顯著超過CK,產生補償效應;干旱25 d復水處理,各干旱梯度下葉綠素b含量及MD處理下葉片總葉綠素含量在復水第3天(T25-3)顯著高于CK,出現補償效應;干旱40 d后復水,葉綠素含量仍顯著低于CK。

以上結果說明,短期輕度干旱脅迫造成的傷害能在復水后得到補償,長期干旱會造成不可逆的損傷,復水也無法彌補。

2.4 干旱和旱后復水對藥用大黃幼苗葉片OJIP曲線變化的影響

對OJIP曲線進行標準化處理,由圖5可知,干旱處理后,隨著干旱梯度及干旱時間的增加(T10-0、T25-0、T40-0),OJ段、J相、JI段、I相呈上升趨勢,且顯著高于CK,各梯度間也差異顯著,且均在SD處理下達到最高。

圖5 藥用大黃葉片OJIP曲線在干旱及復水條件下的變化規律Fig.5 Changes of OJIP curve in R. officinale Baill. leaves under drought and rewatering conditions

復水后,不同干旱時間干旱梯度下的葉片恢復程度不同。其中,各梯度OJ段、J相、JI段、I相在T10-1時顯著低于CK,出現補償效應,而在T25-1、T40-1、T40-3時依然高于CK;SD處理下的I相在T25-3時顯著低于CK,產生比干旱10 d后復水更強的補償效應。

本文在調研M煤礦關閉職工安置工作的基礎上，結合國外煤礦關閉的經驗，探索M煤礦關閉和職工安置優點和不足。M煤礦關閉過程中，采用四種方式進行職工安置；針對煤礦的特點和工作進程，采取一次性現金獎勵的方式，提高安置工作的效率。綜觀全文，我們可以發現，職工安置工作是煤礦關閉過程中最重要的工作。目前，中國煤礦關閉體系尚不完善，缺乏對煤礦關閉的正確認識，職工安置工作仍存在較大不足，等待改進。煤礦關閉、職工安置工作的順利進行需要國家從制度法規和財政上給予支持，嚴格區分煤礦關閉和企業破產之間的關系、制定專項法律、創造有利的再就業環境，從實際出發解決職工的后顧之憂。

2.5 干旱和旱后復水對藥用大黃幼苗葉片葉綠素熒光動力學參數的影響

2.5.1 基本熒光參數

由圖6可知,隨著干旱時間的延長,輕、中、重度干旱下大黃葉片Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR、qP均降低,NPQ呈先升高后下降的趨勢。其中,隨干旱程度的增加,幼苗Fv/Fm在T10-0、干旱25 d復水處理(T25-0、T25-1、T25-3)和干旱40 d復水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低,且干旱脅迫處理均顯著低于CK,干旱處理間也多差異顯著,而在干旱10 d復水處理(T10-1、T10-3)下基本無顯著差異;與復水前(T10-0、T25-0、T40-0)相比,Fv/Fm在干旱后復水第1天(T10-1、T25-1、T40-1)和復水第3天(T10-3、T25-3、T40-3)多不同程度回升,并以干旱25 d復水和復水3 d表現更突出。

圖6 藥用大黃葉片熒光參數對干旱及復水的響應Fig.6 Response of fluorescence parameters in R. officinale Baill. leaves to drought and rehydration

除T25-2、T25-3處理下的ΦPSⅡ外,ΦPSⅡ及ETR、qP隨著干旱程度的增加的變化趨勢與Fv/Fm相似。此外,隨干旱程度的增加,幼苗NPQ在T10-0、T10-1、干旱25 d復水處理(T25-0、T25-1)處理下均逐漸升高且顯著高于CK;而在干旱40 d復水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下先升高后降低,并在LD處最高且高于CK,在MD、SD處顯著低于CK。

同時,由圖7可知,隨干旱程度的增加,幼苗Fv/Fo、Area、tFm、Fm、Sm在干旱處理下(T10-0、T25-0、T40-0)均逐漸降低,且干旱脅迫處理均顯著低于CK;干旱10 d后復水,除tFm恢復不明顯外,Fv/Fo、Area、Fm、Sm均能在T10-3時恢復至CK水平;干旱25 d后復水,各梯度Fv/Fo、Area、Fm可在T25-3恢復至CK水平;干旱40 d后復水,大部分指標仍與CK差異顯著。

*、**、***分別表示相應指標在P<0.05、P<0.01、P<0.001水平與CK差異顯著,ns表示該指標與CK無顯著性差異;每個色塊表示該色塊對應的指標值的大小,顏色越接近黑表示相較CK越上調,顏色越接近白色表示相較CK越下調。下同。圖7 干旱及復水條件下藥用大黃葉片熒光參數方差分析熱圖*, **, *** indicate that the corresponding indexes were significantly different from those of CK at the levels of P<0.05, P<0.01 and P<0.001, ns indicates that there was no significant difference; Each color block represents the size of the corresponding index value of the color block. the closer the color is to black, the higher it is compared to CK, and the closer the color is to white, the lower it is compared to CK. The same below.Fig.7 Analysis of fluorescence parameters in R. officinale Baill. leaves under drought and rehydration conditions

另外,隨干旱程度的增加,幼苗Vj、Vi、Mo在干旱處理下(T10-0、T25-0、T40-0)均顯著高于CK。復水后,各指標均有所恢復,其中,LD、MD處理下的Vj、Vi、Mo均能在T10-3、T25-3時恢復至CK水平,除LD、MD處理下的Vj能在T40-3時恢復至CK水平外,各梯度Vi、Mo在干旱40 d后復水(T40-0、T40-1、T40-3)處理下均顯著高于CK。

2.5.2 量子產率參數及性能參數

由圖8可知,隨干旱程度的增加,幼苗δRo、PIabs、PItotal在干旱處理(T10-0、T25-0、T40-0)、干旱25 d后復水1 d(T25-1)以及干旱40 d后復水(T40-1、T40-3)處理下均逐漸降低,且干旱脅迫處理均顯著低于CK;復水后,δRo、PIabs、PItotal均有所回升,干旱10 d、25 d復水,恢復能力較好,各梯度PIabs在干旱10 d復水處理(T10-1、T10-3)下顯著高于CK(P<0.001),產生補償效應,干旱40 d后復水,δRo、PIabs、PItotal依然顯著低于CK。

圖8 干旱及復水條件下藥用大黃葉片量子產率參數及性能參數方差分析熱圖Fig.8 Analysis of yield or flux ratio and performance index (PI) in R. officinale Baill. leaves under drought and rehydration conditions

此外,干旱10 d對LD下φEo及MD下φEo、ψEo、φRo無顯著影響,當脅迫時間增長,φEo、ψEo、φRo均受到顯著影響。其中,幼苗φEo在干旱處理(T25-0、T40-0)、干旱40 d后復水1 d(T40-1)處理下均顯著高于CK,ψEo變化趨勢與之相似;而φRo則在干旱處理(T25-0、T40-0)、干旱40 d后復水1 d(T40-1)處理下均顯著低于CK。復水后,φEo、ψEo、φRo均有不同程度的恢復,且以干旱25 d恢復效果最好。

2.6 干旱和旱后復水處理下藥用大黃幼苗相關指標的冗余分析

對葉片光合、熒光參數進行PCA分析(圖9)可知,葉綠素含量[Chl a、Chl b、Chl (a+b)]、光合參數(Pn、Ci、Gs、Tr、CE)、性能參數(PIabs、PItotal)、基本熒光參數(Fv/Fo、ФPSⅡ、Fv/Fm、tFm、Fm、Sm、N、Area、qP、ETR)、量子產率參數(ψEo、δRo、φRo)及ETo/CSo、REo/CSo均與干旱時長、干旱梯度呈負相關,與復水時間呈正相關;Ls、Vj、Vi、Mo、φEo、ABS/RC、DIo/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/CSo、TRo/CSo、Fo則與干旱時長、干旱梯度呈正相關,與復水時間呈負相關。

圖9 不同干旱時長、梯度、復水時間下藥用大黃葉片光合、熒光參數PCA分析Fig.9 PCA analysis of photosynthetic and fluorescence parameters in R. officinale Baill. leaves under different drought durations, gradients and rewatering time

3 討 論

水分是植物生長發育過程中重要的生態組成部分[2],但是由于降水格局變化,極端氣候現象頻發,使植物常暴露于反復干旱復水的土壤環境中,導致其光合、蒸騰、呼吸作用以及葉綠素熒光等受到嚴重影響,從而抑制了植物的生長發育[18]。

3.1 藥用大黃幼苗生長指標對干旱復水的響應特征

根冠比是反映植物對土壤水分吸收利用和植物遭受干旱脅迫時生物量分配的重要指標[4]。韓靜麗等[5]研究發現,玉米通過增加根系生物量,相應減少葉片生物量,來增加根系活力,降低水分損耗,從而使其在干旱脅迫下也能正常吸水以供生長,復水后,玉米也會適當增加根冠比來保證其生理功能能夠快速恢復;趙偉潔等[6]對糜子根進行干旱復水試驗,發現根系恢復能力與其遭受的干旱脅迫時長和程度有關,重度干旱后復水,根系的恢復能力強于輕度中度干旱水平。本研究與前人研究結果相似,干旱脅迫后,大部分藥用大黃幼苗根冠比及地下部分生物量顯著升高,地上部分生物量則呈降低趨勢,重度干旱40 d后復水,大黃幼苗生長恢復能力最為顯著,可能是重度干旱嚴重抑制根系生長但未使其失活,復水后依然能得到較好的補償[5]。然而植物在遭受干旱脅迫時,生物量的變化還會受到諸多因素如光照、溫度等的影響,因此生物量變化機制還有待后續進行深入研究。

3.2 藥用大黃幼苗葉片光合、氣體交換參數和葉綠素含量對干旱復水的響應特征

光合作用是植物生長發育的基礎,是植物對干旱脅迫最敏感的生理過程之一[19]。葉綠素在植物光合過程中對光能的吸收、傳遞和轉化起著重要作用[20],其含量與光合作用的碳氧化功能密切相關[21]。干旱脅迫會抑制葉綠素合成,同時提高葉綠素酶的活性和分解速率,從而導致葉綠素含量降低[22]。本試驗大部分干旱時長、梯度下的葉綠素a、b及總葉綠素含量顯著低于CK(P<0.05),可能是干旱脅迫抑制了葉片光合功能,造成脂質過氧化所致[23]。重度干旱40 d的大黃葉片葉綠素a含量甚至因脅迫過高無法檢測,這符合前人研究結果,干旱脅迫對葉綠素a的傷害大于葉綠素b,其原因推測與干旱脅迫對包膜、基粒、類囊體等葉綠體組織的損害程度有關[24]。

光合速率是反映干旱脅迫對植物光合系統危害程度的重要指標[19]。研究發現,植物遭受干旱脅迫時,其凈光合速率降低通常由氣孔因素和非氣孔因素引起,當Ci與Gs變化趨勢一致時,凈光合速率下降歸因于氣孔因素[25]。植物通過適當閉合氣孔來減少水分流失,從而限制CO2進入葉片,造成凈光合速率、蒸騰速率及初級光化學過程降低[26]。Ci與Gs變化趨勢相反時,非氣孔因素如光合系統受損、葉肉細胞羧化功能降低等成為導致Pn下降的主要原因[27]。本研究中,干旱10,25 d后,中、重度干旱下葉片的Ls顯著升高,Pn、Ci、Tr、Gs顯著降低,而重度干旱40 d,葉片Pn、Gs、Tr均趨近于0,Ci則顯著升高,推測在短期干旱脅迫下,大黃葉片通過限制氣孔來降低Tr和Pn,在遭受長期重度干旱脅迫時,Pn下降則是由光能捕獲效率、電子傳遞速率、葉肉細胞活性等非氣孔因素引起[25]。此外,氣孔還是影響植物水分利用效率(WUE)的重要因素。在水分虧缺條件下,植物葉片為維持自身滲透平衡,會降低氣孔導度來減慢水分擴散,從而調控WUE[22]。對枸杞葉片的研究發現,WUE對土壤水分有顯著的閾值響應,輕微水分脅迫會增加WUE,土壤水分過低時,光合器官被破壞,WUE受到顯著抑制[28]。本研究也同樣證實土壤含水量和干旱時間對大黃WUE的影響有明顯閾值范圍。干旱10,25 d時,WUE在土壤含水量≥40%時無明顯變化或顯著降低,土壤含水量<40%時,WUE顯著升高(P<0.05);干旱40 d后,WUE隨土壤含水量減小呈降低趨勢。冗余分析結果也表明,WUE與干旱時長呈負相關,其原因推測為初期重度干旱脅迫下,葉片Gs急劇降低,導致Tr降低速率高于Pn,植物通過提高WUE來抵抗干旱[29],隨著干旱時間增長,葉片光合系統嚴重受損,Pn降低速率高于Tr,從而造成WUE顯著下降[28]。

植物在遭受干旱脅迫后,復水的刺激效應能使其光合能力快速恢復,類似生長補償發生在植物的整個生命周期中[22]。Jia等[10]對干旱脅迫下的玉米進行復水處理,其光合速率迅速增加且顯著高于對照(P<0.05);水分脅迫后復水,大豆的葉綠素含量快速超過對照水平[23],屬于補償效應。然而,并非所有植物都能在復水后迅速生長。研究發現,干旱脅迫帶來的抑制作用在復水后的補償效果取決于預干旱及干旱脅迫的程度和持續時間[16],較溫和的干旱水平或較短的干旱時長會帶來更大的補償效果[23]。本研究中大黃幼苗的大部分光合指標及葉綠素含量在不同干旱時長、不同干旱梯度下復水后均顯著恢復(P<0.05),干旱10 d后復水,葉綠素b含量在各干旱梯度下均顯著超過CK(P<0.05),發生補償效應,這說明短期干旱并不影響光合生理機制及葉綠體結構,葉片能在復水后快速恢復[10]。繼續干旱25 d后,中度干旱的大黃幼苗,表現出比干旱10 d更強的復水恢復能力。復水后,其葉片Pn、Gs、CE、Tr、Ls、葉綠素b含量均表現出明顯的補償效應,說明第1次干旱能在一定程度上提高植物對二次干旱的抵抗能力和復水恢復能力[30]。同樣的,前期干旱能夠緩解再干旱對玉米葉片光合功能的傷害,遭受第2次干旱后,其光合參數Pn、Gs及生長速率顯著升高[31]。然而,繼續干旱40 d后大黃葉片被完全破壞,復水后Pn、Gs、CE、Tr、葉綠素含量依然顯著低于CK(P<0.05)。這有可能是由于長期干旱嚴重抑制了葉片的光合能力和葉綠素合成速率,復水也無法彌補長期干旱對光合器官及葉綠體結構的損傷[10]。

3.3 藥用大黃幼苗葉片葉綠素熒光參數和OJIP曲線對干旱復水的響應特征

由PSⅡ、PSI共同操控的原初光化學反應是光合作用的起始,經原初反應釋放出的電子會在類囊體膜上沿電子載體定向傳遞,為生成植物必需的有機物提供同化力[16]。水分作為原初電子供體在這一系列反應中扮演重要角色,水分虧缺對光合系統功能、光合電子傳遞鏈和反應中心復合體的抑制作用會直接影響植物光合作用和葉綠素熒光,進而影響植物的生長發育[2]。

為了緩解干旱脅迫對電子傳遞鏈及PSⅡ受體側的傷害,植物進化出一種自衛措施——光合系統熱耗散機制抵御外界脅迫,通常用增加非光化學淬滅系數(NPQ)來反映[10]。本研究中干旱10,25 d的大黃葉片NPQ均隨干旱時長、梯度增加呈上升趨勢,表明葉片光合系統具有保護機制,能夠將光合機構多余的能量轉化為熱能來抵御干旱脅迫對PSⅡ、類囊體系統及電子傳遞鏈的光損傷[3]。中、重度干旱40 d的大黃葉片NPQ大幅降低,可能是長期干旱或干旱程度過大,造成PSⅡ復合體遭受損傷過重,內部調控機制嚴重受損,光保護能力即無害消散過剩能量的能力下降,導致能量耗散的下調速度減緩所致[7]。

干旱后復水會緩解干旱脅迫對光合系統、電子傳遞鏈的抑制作用,植物會出現迅速生長、光合能力提高等補償效果,這可能是植物抵御短期、周期性或不可預測的干旱的一種自衛方式[36-37],而復水的恢復程度和恢復速度則取決于干旱前條件的持續時間和嚴重程度[18]。本研究中干旱初期對大黃葉片造成的光傷害在復水后得到緩解,干旱10,25 d后復水,Fv/Fo、Fv/Fm均有顯著回升(P<0.05),反應中心活性、量子產率參數、性能參數、J相、I相、Mo、ETR等均可恢復。各梯度tFm、J相、輕度干旱25 d的大黃葉片Fv/Fm、中度干旱25 d的NPQ及重度干旱25 d的Vi、Sm、δRo、φRo均產生顯著的補償效應(P<0.05),說明短期、輕度干旱對大黃幼苗PS Ⅱ受體側、PS Ⅱ反應中心及光合電子傳遞鏈的傷害是可逆的,光合機構沒有受到嚴重損傷,在復水后能夠快速恢復[25]。相反,干旱40 d后復水,大部分熒光參數、量子產率參數與CK差異明顯;OJIP曲線J相、I相依然顯著高于CK(P<0.05),PIabs、PItotal也趨近于0,推測是長期干旱嚴重抑制了光系統活性,干旱脅迫造成了不可逆傷害,導致PS Ⅱ受體產生的極強光抑制,活性被嚴重破壞,電子傳遞無法正常運行[25]。

綜上所述,干旱脅迫會抑制藥用大黃光合作用,進而抑制其生長發育,短期干旱后復水能帶來更好的補償效應;二次干旱的大黃葉片表現出比初次干旱更強的抗旱性和復水恢復能力;長期干旱造成的光抑制和生長抑制完全破壞了光合系統,在復水后依然不能得到完全補償。本研究結果為藥用大黃在季節性、間歇性干旱的環境中的水分高效利用提供了理論依據,但是由于外界氣候和土壤環境復雜多變,干旱天數及復水時間無法控制,植物自身應對逆境也有不同的耐受性和反應機制,仍然需要對此進行不斷探索。