高温干旱胁迫对茶树叶绿素荧光特性的影响

翟秀明 唐敏 胡方洁 张军 侯渝嘉

摘   要   以蜀永1号为试验对象，研究了高温干旱胁迫对茶树叶绿素荧光特性的影响，结果表明：随着高温干旱胁迫的进行，叶绿素荧光参数Fo、Fv/Fm、Fv/Fo均呈現先升高后降低的趋势，叶绿素荧光参数ETR、Y（II）等参数在第三天稍有升高之后不断下降，qN、Y（NPQ）先升高后降低，qP则逐渐下降，Y（NO）随着胁迫时间的进行先降低后升高，说明植物叶片受到高温干旱胁迫后，会通过提高PSII反应中心的开放程度、潜在活性，减少捕获的光能并增加热耗散来消耗光系统中的过剩光能等方式来抵御外界伤害，但这种自我保护和调节不是无限的，当伤害累积到一定程度时，茶树叶片保护性自我调节机制变弱，非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）则不断增加，PSII反应中心的开放程度、潜在活性、最大活性、调节性能力耗散等方面不断降低，直至植株死亡。

关键词   茶树;高温干旱;叶绿素;荧光特性

中图分类号：S571.1   文献标志码：A   DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.4.016

中国是茶树的发源地和原产地之一，茶叶作为中国农业特色及文化传承的重要经济作物，具有极大的社会价值与经济意义。我国茶区主要分布在亚热带和热带地区。受副热带高压的影响，中国茶叶主要产区江南茶区、华南茶区以及西南茶区的重庆、贵州，夏天易出现高温伏旱天气，且持续时间较长[1]。因高温干旱造成的茶树死亡或损伤的现象时有发生，国内外关于茶树遭受热害伏旱的报道也不断增加，高温干旱对茶园尤其是幼龄茶园威胁巨大，严重影响茶叶的质量和产量，造成巨大的经济损失。娄伟平[2]对浙江省1973—2017年的茶树高温热害进行了风险区划，研究发现2003—2017年浙江省茶树高温热害出现机率高且等级高，在2003—2017年的15年中有12～13年发生过茶树高温热害且有2～3年的茶树高温热害等级达到一级。2013年，浙江绍兴御茶村近85%的茶园受害，其中23.33余公顷濒临枯死，浙江丽水市松阳县因高温干旱致使茶叶经济损失达6 203万元[3]。叶绿素荧光技术是目前公认的可以快速无损伤的探究植物叶片光合机构受损程度的有效工具，被广泛的应用于植物胁迫的各项研究中[4]。本研究以蜀永1号为研究对象，探讨了高温干旱胁迫对茶树叶绿素荧光特性的影响，以期为茶树抗旱研究及耐旱机制提供更多的理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试茶树品种：蜀永1号，2年生茶苗，由重庆市农业科学院茶叶研究所良繁基地提供。

1.2 试验设计

试验于2018年5—9月在重庆市农业科学院温室大棚内进行，2017年4月移栽生长旺盛、长势一致的一年生扦插苗到直径20 cm、深25 cm的花盆中，每盆2株，共30盆，正常管理1年。2018年5月16日，将盆栽茶苗移入温室大棚中，由农业智能监控系统智慧云中直接读取每天温室大棚内的温度、湿度、光照强度、土壤含水量，每隔三天进行叶绿素荧光参数测定直至茶树死亡。

1.3 测定指标及方法

叶绿素荧光参数测定：选则天气晴朗的上午8： 30—11： 30进行测定。使用Walz PAM-2500便携式调制叶绿素荧光仪测定茶树在高温干旱胁迫响应过程中的荧光动力学参数，用暗适应夹夹住叶片中部将叶片充分暗适应30 min，打开加饱和脉冲光，测定初始荧光Fo、最大荧光Fm。打开测量光和光化光，每隔10 s照射1次饱和脉冲光，绘制快速动力学曲线。PSII最大光化学率Fv/Fm、电子传递速率ETR、非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）及调节性能量耗散的量子产量Y（NPQ）等参数由仪器直接读取，3次重复。

1.4 数据处理

测试数据用Microsoft Excel进行整理，用SPSS Statistics 22进行方差分析和多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 高温干旱胁迫对茶树Fo、Fv/Fo和Fv/Fm的影响

Fo叫做初始荧光也叫作最小变荧光强度，是光合机构PSII反应中心全部开放时的荧光水平，其数值升高表示PSII反应中心受到伤害或不可逆失活[5-7]。Fv/Fo代表了PSII的潜在活性，Fv/Fm反映了PSII的最大光能转化效率，也叫最大光化学量子产量，在未受胁迫的情况下，植物Fv/Fm数值相对稳定，一般在0.8左右，当植物遭受胁迫时，Fv/Fm数值会降低[8-10]。这三个指标是研究植物胁迫时的两个重要参数，Fo、Fv/Fo和Fv/Fm测定结果见表1。

由表1可知，随着胁迫时间的不断增加，Fo数值呈现逐渐升高的趋势，在第18天时突然下降，Fo上升说明茶树在初始受到高温干旱胁迫时，会通过提升PSII活性来抵御受到的胁迫伤害，但随着胁迫时间的不断增加，PSII反应中心受到的抑制进一步增强，开放程度开始降低，说明此时胁迫已经对叶片光合系统造成损伤。Fv/Fo随着胁迫时间的增加呈现先突然上升后逐渐下降的趋势，在胁迫第18天时达到最低值2.0，说明此时PSII反应中心潜在活性较低，叶片光合系统已出现损伤，与Fo的研究结果相同;Fv/Fm与Fv/Fo变化趋势相同，均随着胁迫时间延长呈现先上升后下降的趋势，在第18天时急剧下降，与CK相比下降35.3%，Fv/Fm反映了PSII反应中心受伤害的程度，Fv/Fm数值下降明显表明此时PSII反应中心收到了一定的抑制或损伤。

2.2 高温干旱胁迫对茶树叶绿素荧光参数ETR、Y（II）的影响

ETR为电子传递速率，反映实际光强条件下的表观电子传递速率[11]，多项研究表明ETR与植物净光合速率呈显著相关关系，其动态变化与光合速率一致，PSII实际光化学效率Y（II）常用来表示植物光合作用电子传递的量子产额，可作为植物叶片光合电子传递速率快慢的相对指标[12]。由表2可知，随着胁迫时间的增加，茶树叶片电子传递速率ETR和Y（II）均在胁迫3天时增加随后降低，在第15天时，ETR、Y（II）与CK相比分别下降了50%和50.5%，两者之间差异显著。证明在胁迫初期，植物的光合能力应激性保护性增强，随着胁迫时间的延长，茶树叶片收到不可逆损伤，光合能力不断降低，在第18天时，供试的植株损伤严重，有两株茶树死亡，未能测得相应数据。

2.3  高温干旱胁迫对茶树叶绿素荧光参数qP、qN、Y（NPQ）与Y（NO）的影响

光化学淬灭系数qP表示PSII反应中心中开放的反应中心所占比例的指标，非光化学淬灭系数qN代表了PSII反应中心天线色素吸收的光能用于热能耗散掉的部分[13-15]。调节性能量耗散的量子产量Y（NPQ）是PSII吸收的光能中不用于光合电子传递而以热形式耗散掉的部分，它代表了所有与光保护机制相关的热耗散。非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）是植物通过其他形式减少进入光化学途径的能量占总吸收能量的比例，代表了热耗散以外的猝灭部分，是光损伤的重要指标[12，16-20]，关于qP、qN、Y（NPQ）与Y（NO）的测定结果见表3。

方差分析结果显示，所有参数在高温干旱胁迫中差异不显著。随着高温干旱胁迫的进行，光化学淬灭系数qP波动式下降，在第15天时达到最低值，与CK相比下降了50.5%，qP可反映出PSII用于光化学电子传输的光能在天然色素吸收的光能中所占的比例，在一定程度上表现了该反应中心的开放度高低[21]，该数值不断降低，表明反应中心内部电子的传递效率和反应活性在不断减弱[22];非光化学淬灭系数qN随着胁迫的进行先增加后降低，在第15天时达到最低值，与CK相差较小，仅下降了4.8%，qN上升说明胁迫中植物叶片具有一定的光保护能力，可以通过增加热耗散的形式来避免逆境胁迫对光合系统的损伤，qN在第9天后下降，说明此时叶片光合系统已受到一定伤害，调节能力下降;调节性能量耗散的量子产量Y（NPQ）随着胁迫的进行先升高后降低，在第6天时达到最大值，在第18天时达到最小值，与CK相比下降了24.9%，非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）随着胁迫的进行先降低，在第3天和第9天之间数值保持稳定，之后增加，在第15天时达到最高值，与CK相比增加了31.1%。

3 讨论

植物的光合作用是一个非常复杂的过程，植物叶片吸收的光能通过光合作用、叶绿素荧光发射和热耗散三种途径消耗，三者之间遵循“光合作用+叶绿素荧光+热耗散=1”的规律，因此这三种途径之间具有此消彼长的关系，通过对叶绿素荧光参数的观测可以探究植物光合和热耗散的情况[23]。叶绿素荧光动力学可以从内在特性方面对植物光合系统的功能和外界环境對其造成的胁迫影响进行评价，其Fo、Fv/Fm、Fv/Fo、ETR、Y（II）等参数的变化程度可以鉴别植物抵御或耐受高温干旱的能力[24-25]。

本研究发现，随着高温干旱胁迫的进行，叶绿素荧光参数Fo、Fv/Fm、Fv/Fo均呈现先升高后降低的趋势，说明在胁迫初期，植物叶片通过提高PSII反应中心的开放程度、潜在活性等方式来抵御外界伤害，但随着胁迫时间的不断增加，茶树叶片PSII反应中心受到损伤，其开放程度、光能转化效率、潜在活性不断下降。同时，随着胁迫的不断进行，叶绿素荧光参数ETR、Y（II）等参数在第三天稍有升高之后不断下降，qN、Y（NPQ）先升高后降低，qP则逐渐下降，Y（NO）随着胁迫时间的进行先降低后升高，说明高温干旱胁迫会导致PSII反应中心受到伤害，致使茶树光合电子传递速率及光合作用电子传递的量子产额减少，导致茶树光合效率降低，为了抵制高温干旱带来的这种伤害，茶树叶片通过自身的调节机制减少捕获的光能并增加热耗散来消耗光系统中的过剩光能[13]，此时用于光化学过程的光能配额减少，非光化学过程分配的能量相应增加，因此，Y（NPQ）、qN随之升高，但这种自我保护和调节不是无限的，当伤害累积到一定程度时，茶树叶片保护性自我调剂机制变弱，非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）则不断增加，Y（NPQ）、qN不断降低，直至植株死亡。

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（责任编辑：敬廷桃）