水分脅迫對(duì)盆栽夏蠟梅光合作用的影響

光的作用是植物的一個(gè)重要生理過(guò)程，對(duì)環(huán)境因素的影響高度敏感。其效率是植物生產(chǎn)力和產(chǎn)量的一個(gè)決定性因素。干旱是植物最常見(jiàn)的逆形式。它抑制了光反應(yīng)中光能轉(zhuǎn)化、電子傳輸、光合磷酸化和光合反應(yīng)的一些過(guò)程，導(dǎo)致光合速率降低。高溫對(duì)植物的生理過(guò)程特別敏感。例如，高蒸發(fā)對(duì)高溫的影響很小。例如，干燥對(duì)加熱和低溫的影響比干旱和高溫單因素的影響更大。夏蠟梅(Sinocalycanthuschinensis)是浙江省特有的第三紀(jì)孑遺瀕危物種,在我國(guó)是夏蠟梅屬(Sinocalycanthus)的唯一代表,僅間斷分布于浙江省臨安市西部狹小的范圍內(nèi)和天臺(tái)縣大雷山,現(xiàn)存資源極少,被列為國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物.夏蠟梅花朵美麗、分類(lèi)地位獨(dú)特、分布區(qū)狹窄、居群數(shù)目少,表現(xiàn)出典型的陰生特點(diǎn),在林下生長(zhǎng)良好.在夏季,夏蠟梅常受到不同程度的干旱脅迫(嚴(yán)重時(shí)土壤相對(duì)含水量低于最大田間持水量的40%),并伴隨午間高溫,極端最高氣溫超過(guò)40℃,脅迫嚴(yán)重時(shí),夏蠟梅葉片卷曲枯焦.目前,有關(guān)該種的分類(lèi)地位、形態(tài)解剖、染色體、植物化學(xué)及遺傳多樣性等方面的研究較多,但有關(guān)干旱脅迫對(duì)其生理生態(tài)方面的影響尚未見(jiàn)報(bào)道.為此,本文用盆栽控水法模擬不同程度的土壤水分狀況,研究干旱脅迫和不同溫度處理對(duì)夏蠟梅氣體交換和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?為夏蠟梅的保護(hù)和引種培育提供科學(xué)依據(jù).1材料和方法1.1土壤含水量測(cè)定供試材料為盆栽的2年生夏蠟梅實(shí)生苗,種子采自浙江省天臺(tái)縣大雷山.實(shí)驗(yàn)用夏蠟梅株高約33cm,分枝3~4條,每枝條4~5對(duì)葉片,生長(zhǎng)狀況良好一致.盆栽用塑料盆上、下口直徑分別為23cm和15cm,盆高23cm,每盆定植苗木1株.盆栽用土采自臺(tái)州學(xué)院樹(shù)木園表層土(0~15cm),土壤最大田間持水量為29.3%.設(shè)置4種水分處理:對(duì)照(土壤含水量為最大田間持水量的80%,下同)、輕度脅迫(65%)、中度脅迫(50%)、重度脅迫(35%),分別用CK、W1、W2和W3表示,試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù).因夏蠟梅是蔭性植物,為模擬其自然生存條件,將盆栽夏蠟梅置于一層黑色遮陽(yáng)網(wǎng)覆蓋的防雨棚下(透光率約為全光照的30%,午間葉片表面最大光合有效輻射約為600μmol·m-2·s-1).7月初開(kāi)始按試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行水分處理,澆透水后使土壤水分自然消耗,每天18:00稱(chēng)量整個(gè)花盆,計(jì)算土壤相對(duì)含水量,用稱(chēng)重補(bǔ)水法控制土壤相對(duì)含水量在設(shè)定范圍內(nèi).土壤分別達(dá)到輕度、中度和重度水分脅迫標(biāo)準(zhǔn)約需時(shí)4d、7d和11d,全部干旱處理達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)后再維持10d,對(duì)第2對(duì)成熟葉(頂部下數(shù))進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定.1.2測(cè)量1.2.1光合參數(shù)測(cè)定用LCA4型光合測(cè)定儀(ADC,UK)控制葉室溫度(Tch)為(30±1)℃,進(jìn)氣CO2濃度為(350±10)μmol·mol-1,相對(duì)濕度為(55±2)%,由鹵鎢燈提供(600±20)μmol·m-2·s-1的光合有效輻射(PAR).為了消除不同時(shí)間和強(qiáng)度自然光照對(duì)光合參數(shù)測(cè)定的影響,將待測(cè)樣品擺放于室內(nèi),測(cè)定前用600μmol·m-2·s-1光誘導(dǎo)30min.測(cè)定的光合參數(shù)包括凈光合速率(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)和氣孔阻力(Rs,m2·s·mol-1).另外,計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率(WUE=Pn/Tr)和光能利用效率(SUE=Pn/PAR).日出前,以O(shè)S30P型便攜式葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定儀(OPTI-sciences,USA)采用快速動(dòng)力學(xué)法測(cè)定葉片的熒光參數(shù),光強(qiáng)模式設(shè)為Mod2,測(cè)定指標(biāo)包括初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),測(cè)定前將葉片夾入暗適應(yīng)夾2h.1.2.2溫度響應(yīng)測(cè)試PAR保持在(600±20)μmol·m-2·s-1,進(jìn)氣CO2濃度為(350±10)μmol·mol-1,相對(duì)濕度為(55±2)%.用光合測(cè)定儀的控溫裝置調(diào)節(jié)Tch在20℃~40℃之間,2℃~3℃為1個(gè)測(cè)試間隔,每個(gè)間隔停留5min,測(cè)定Pn、Tr,計(jì)算相應(yīng)的WUE.用黑布完全遮光測(cè)定暗呼吸速率(Rd,μmolCO2·m-2·s-1)的溫度響應(yīng).1.2.3光補(bǔ)償點(diǎn)和最大凈光合速率的測(cè)定將不同水分處理的夏蠟梅置于人工氣候箱中,分別在23、30和39℃下處理4h(自然條件下午間高溫約持續(xù)4h),箱內(nèi)光合有效輻射250μmol·m-2·s-1,相對(duì)濕度55%.先測(cè)試最大光化學(xué)效率Fv/Fm(溫度處理前夾好暗適應(yīng)夾),再測(cè)試光合作用的光響應(yīng)曲線(xiàn).用光合測(cè)定儀控制葉室溫度為上述特定溫度,進(jìn)氣CO2濃度為(350±10)μmol·mol-1,相對(duì)濕度為(55±2)%,調(diào)節(jié)PAR從0到1000μmol·m-2·s-1,弱光下(PAR<160μmol·m-2·s-1)光強(qiáng)間隔為20~30μmol·m-2·s-1、強(qiáng)光下光強(qiáng)間隔為100~300μmol·m-2·s-1,每間隔光照持續(xù)3min,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后測(cè)定從低到高一系列PAR下葉片的Pn.從低光強(qiáng)下Pn-PAR的直線(xiàn)斜率求得表觀(guān)量子效率(AQY),計(jì)算光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP).實(shí)測(cè)光飽和點(diǎn)(LSP)和最大凈光合速率(Pmax).1.3顯著性差異分析采用DPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-wayANOVA),并運(yùn)用Duncan檢驗(yàn)法對(duì)顯著性差異(P<0.05)進(jìn)行多重比較.2結(jié)果與分析2.1胞間co濃度和水分脅迫由圖1可以看出,隨著水分脅迫的加重,夏蠟梅的凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)下降,氣孔阻力(Rs)升高;胞間CO2濃度(Ci)在輕度和中度水分脅迫下明顯降低,但在重度脅迫下升高;水分利用效率(WUE)在中度脅迫下最高;光能利用效率(SUE)隨著水分脅迫的加重而顯著降低.由圖2可以看出,在輕度和中度水分脅迫下,Fo、Fm和Fv/Fm變化不顯著,而在重度水分脅迫下,夏蠟梅Fo顯著升高,Fm和Fv/Fm顯著降低.2.2在水分脅迫下，溫度對(duì)夏蠟梅的光合參數(shù)和綠茶的熒光特性有影響2.2.1pn、tr、tr對(duì)tch的響應(yīng)由圖3和表1可以看出,水分脅迫對(duì)夏蠟梅Pn適溫范圍影響在20℃~28℃,隨著水分脅迫的加重,Pn的最適溫度稍有前移.在不同溫度下,水分脅迫對(duì)夏蠟梅Pn影響較大,Pn對(duì)葉室溫度(Tch)響應(yīng)的擬合曲線(xiàn)為二次多項(xiàng)式方程.水分脅迫明顯影響夏蠟梅暗呼吸速率(Rd),輕度和中度脅迫使Rd升高,重度脅迫降低了Rd.Rd對(duì)Tch響應(yīng)的擬合曲線(xiàn)為乘冪方程.Tr對(duì)Tch響應(yīng)的擬合曲線(xiàn)為線(xiàn)性方程,隨著水分脅迫的加重,方程的斜率變小,表明Tr對(duì)Tch的響應(yīng)敏感度降低.水分脅迫提高了夏蠟梅WUE,且以中度脅迫最為明顯,表明夏蠟梅有一定的協(xié)調(diào)碳同化和水分消耗關(guān)系的能力.在光合適溫區(qū),溫度升高明顯降低了夏蠟梅WUE.WUE對(duì)Tch響應(yīng)的擬合曲線(xiàn)為二次多項(xiàng)式方程.2.2.2不同濃度風(fēng)壓對(duì)夏蠟梅fv/fm的影響由表2可以看出,在CK和W1處理組中,不同溫度對(duì)夏蠟梅Fv/Fm的影響差異不顯著;在W2處理組中,與23℃處理相比,30℃處理對(duì)夏蠟梅Fv/Fm的影響不顯著,但39℃處理使夏蠟梅Fv/Fm顯著降低;在W3處理組中,不同溫度均對(duì)夏蠟梅Fv/Fm的具有顯著影響.表明水分脅迫減弱了夏蠟梅對(duì)高溫(39℃)的抵抗能力,使其能量轉(zhuǎn)換和電子傳遞效率下降.2.2.3光補(bǔ)償點(diǎn)lcp和光飽和點(diǎn)lsp、最大凈光合速率aqy由表3可以看出,在同一溫度下,與CK和W1處理組相比,W2和W3處理組的光響應(yīng)參數(shù)發(fā)生了顯著變化;不同溫度對(duì)同一水分處理下的光響應(yīng)參數(shù)也有明顯影響.隨著水分脅迫的加重,光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)升高,光飽和點(diǎn)(LSP)、最大凈光合速率(Pmax)和表觀(guān)量子效率(AQY)下降;隨著溫度的升高,LCP進(jìn)一步上升,LSP、Pmax和AQY進(jìn)一步下降.由此可見(jiàn),溫度升高加重了水分脅迫對(duì)光合作用的不利影響.夏蠟梅的LSP和LCP都較低,為典型的蔭生植物.夏天晴天PAR最高可達(dá)2000μmol·m-2·s-1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其LSP,將夏蠟梅適當(dāng)遮蔭或栽培于稀疏的林下,可以減輕光抑制,降低其葉片溫度(Tl)和Tr,提高Pn和WUE.3討論3.1氣孔限制試驗(yàn)水分脅迫下植物關(guān)閉氣孔以盡量減少水分散失,同時(shí)也減少了葉綠體可利用的CO2量.Yin等的研究認(rèn)為,水分虧缺時(shí)光合速率的降低并不是由于水原料供應(yīng)不足直接引起的,而是由水分虧缺造成了氣孔或非氣孔因素限制.有人認(rèn)為水分脅迫對(duì)光合作用的影響主要與氣孔關(guān)閉有關(guān),但越來(lái)越多的研究表明,水分脅迫下光合作用的抑制與非氣孔限制關(guān)系密切,水分脅迫影響光合磷酸化、核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)再生、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)活性,水分脅迫也引起氧化脅迫積累活性氧破壞葉綠素和加劇膜脂過(guò)氧化.檢查植物氣孔限制是否是Pn下降的原因,既要看Rs的大小,也要看Ci的變化.當(dāng)Pn和Ci下降,而Rs上升,說(shuō)明Pn的降低主要是由于氣孔限制所致;如果Pn下降,而Rs和Ci同時(shí)上升,則表明Pn的降低主要是非氣孔限制所致.本試驗(yàn)結(jié)果表明,與對(duì)照相比,在輕度和中度水分脅迫下,夏蠟梅Rs升高,Ci降低,因此氣孔限制是其Pn降低的主要原因;而在重度脅迫下,Ci升高,此時(shí)非氣孔限制因素則成為Pn降低的主要原因.在葉綠素?zé)晒夥治鲋?最常用的熒光參數(shù)是Fo、Fm和Fv/Fm.反應(yīng)中心的破壞或失活引起Fo的增加,Fm反映光系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞情況,Fv/Fm通常被作為光合作用敏感的探測(cè)器.AQY可以準(zhǔn)確反映光合機(jī)構(gòu)光合功能的變化.本試驗(yàn)結(jié)果表明,這些參數(shù)在輕度和中度水分脅迫下變化不明顯,而在重度水分脅迫下發(fā)生了顯著變化,表明輕度和中度水分脅迫可能還未對(duì)光合機(jī)構(gòu)造成損傷,中度水分脅迫下凈光合速率的降低只是夏臘梅對(duì)干旱環(huán)境的正常響應(yīng),如果及時(shí)補(bǔ)充水分,其光合能力將得到有效恢復(fù).而在重度水分脅迫下,夏臘梅Pn、AQY和Fv/Fm都明顯降低,表明其光能轉(zhuǎn)換效率下降,水分脅迫可能導(dǎo)致了光合機(jī)構(gòu)的損傷,光合作用受到嚴(yán)重抑制,此時(shí)即使補(bǔ)充水分,其光合能力也難以恢復(fù)正常.因此,在夏蠟梅的栽培管理中,應(yīng)避免其遭受?chē)?yán)重的水分脅迫.水分脅迫下植物光合能力降低,達(dá)到Pmax所需的光強(qiáng)低于非脅迫植物所需的光強(qiáng).在同樣的高光強(qiáng)下,脅迫植物光合作用會(huì)有更多的光能過(guò)剩,引起光抑制.夏蠟梅為蔭性植物,其LCP和LSP均較低.水分脅迫提高了夏蠟梅的LCP,降低了LSP,使其對(duì)光的適應(yīng)能力降低.自然條件下的光強(qiáng)遠(yuǎn)高于夏蠟梅的LSP,而適度遮蔭或?qū)⑾南灻吩耘嘤谙∈璧牧窒?可以減輕光抑制.水分脅迫下Rs升高,避免因過(guò)多蒸騰失水而造成葉肉組織的傷害,是植物對(duì)水分脅迫的生態(tài)適應(yīng)策略.以Pn/Tr計(jì)算的葉片瞬時(shí)水分利用效率(WUE)能表征植物對(duì)自身蒸騰耗水量的利用能力.Heitholt認(rèn)為,適度水分脅迫能使植物WUE顯著提高.本研究結(jié)果支持這一觀(guān)點(diǎn),在水分脅迫下,夏蠟梅在降低Pn的同時(shí)更大程度地降低了Tr,因此,WUE提高.這表明夏蠟梅能通過(guò)控制氣孔的開(kāi)放程度適應(yīng)一定程度的干旱環(huán)境,適度干旱脅迫能引發(fā)其抗旱性響應(yīng).3.2高溫、高溫和干旱脅迫對(duì)夏蠟梅fv/fm的影響夏蠟梅是一種落葉灌木,7月份是其重要的生長(zhǎng)時(shí)期,此時(shí)浙江地區(qū)受副熱帶高壓影響正是高溫和少雨季節(jié).這樣的氣候條件可能?chē)?yán)重抑制夏蠟梅的光合能力,給夏蠟梅的生長(zhǎng)造成不利影響.許多研究認(rèn)為,大多數(shù)植物的適宜生長(zhǎng)溫度通常在10℃~30℃,超過(guò)這個(gè)范圍,植物的生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制.高溫嚴(yán)重影響植物的正常生理活動(dòng),抑制光合酶活性,破壞電子傳遞,引發(fā)和加劇光合作用的光抑制,使凈光合速率下降.短期高溫脅迫(幾分鐘到幾小時(shí))就會(huì)影響光合機(jī)構(gòu)中一些關(guān)鍵組分,如光系統(tǒng)Ⅱ這一在光合作用過(guò)程中對(duì)高溫最敏感的環(huán)節(jié).本研究中,夏蠟梅在夏季的光合適溫為20℃~28℃,30℃以上的溫度使水分供應(yīng)充足(對(duì)照)的夏蠟梅的Pn急劇降低,但對(duì)Fv/Fm影響不大.因此,抑制夏蠟梅CO2固定的溫度并不一定影響其電子傳遞效率,抑制PSⅡ下游碳同化反應(yīng)的溫度明顯低于引起PSⅡ傷害的溫度.這與Crafts-Brandner等和王梅等的研究結(jié)果一致.高溫下Pn的降低主要緣于Rubisco活性降低、光呼吸和暗呼吸的增強(qiáng).Guo等研究認(rèn)為,在高溫脅迫下,柑橘(Citrusunshiu)Rubisco的加氧作用增強(qiáng)而羧化作用減弱,這有利于植物在高溫等脅迫環(huán)境下的生理活動(dòng).高溫下分配于光呼吸的能量相對(duì)增多能減輕光抑制所造成的有害影響,使利用光合電子傳遞產(chǎn)物的代謝能繼續(xù)進(jìn)行,并因此減少了活性氧的形成.高溫脅迫下Fv/Fm的持續(xù)降低和Fo的增高表明光抑制對(duì)PSⅡ造成了損傷.在本研究中,隨著水分脅迫的加重,39℃高溫使夏蠟梅Fv/Fm明顯降低,表明高溫和干旱的聯(lián)合作用造成了PSⅡ反應(yīng)中心的損害.高溫脅迫下植