淹水胁迫对中山杉光合和荧光特性的影响

江 皓, 张 龙, 张全全, 饶 辉, 范俊俊, 仲 磊, 张往祥,3

(1.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037；2.江苏省林业局，江苏 南京 210036；3.扬州小苹果园艺有限公司，江苏 扬州 225200)

我国南方大部分区域，包括江苏、安徽、浙江、湖北等沿海滩涂地和低湿地资源丰富，水渍地造林绿化有很大潜力[1].耐水湿树种的筛选和推广工作的积极开展，不但能够提高沿海地区和低湿地土地资源的利用率,且在农村产业结构调整和生态环境改善工作中具有重大意义[2].

中山杉(Taxodiumhybrid)为落羽杉属半常绿高大乔木，是由江苏省中国科学院植物研究所通过落羽杉(Tenoredistichum) 、墨西哥落羽杉(T.mucronatum)及池杉(T.ascendens)3个树种杂交选育出来的无性系[3].其树形挺直优美，叶绿期长，生长速度快，且可在排水不良的环境中生长[4]，成为生态、景观和经济效益兼顾的不可多得的树种.我国长江中下游一带夏季常发洪涝灾害，造林迫在眉睫.目前，通过中山杉的淹水试验主要研究其生长、生理和光合特性[5-9]，淹水胁迫对中山杉荧光动力学的影响鲜有报道.植物光反应能量转化中的叶绿素荧光部分，广泛用于诊断植物体内光合机构运转，及分析植物对逆境的响应机理[10-11].本研究通过人工模拟淹水环境，对淹水过程中中山杉光响应曲线、叶绿素快相荧光动力学曲线及其参数进行测定并分析，初步评价淹水胁迫对中山杉光合和荧光特性的影响，以期为我国湿地造林、园林造景和中山杉育种改良等提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江苏省扬州市江都区仙女镇(东经119°55＇，北纬32°42＇)，属于北亚热带季风气候，四季分明，年均温14.9 ℃，年均降雨量1 000 mm，无霜期320 d.地势平坦，立地条件一致，土壤为沙壤土，土层深厚肥沃，灌排条件良好.

1.2 试验设计

试验材料为中山杉两年生扦插苗，苗高约33.4 cm，地径约4.5 mm.2017年4月，选取300株长势相近的苗木，进行盆栽(口径25 cm，高30 cm)，每盆1棵，正常水分管理，露天培养3个月，至植株恢复正常稳定状态.

2017年7月14日，适应性栽培完成后，选择长势一致的中山杉苗60株，分为2组，即对照组(CK)和处理组(T)，每组30株.将试验苗放置于露天水槽内，水槽注水.其中，T组土壤含水量设置过饱和状态(水面高于土壤表面5 cm，与盆口持平)，为防止水质恶化,每3 d换1次水；CK组正常管理，土壤含水量设置为大约75%的田间持水量，每3 d进行盆栽称重，按要求对其补水.试验设置4个组别，分别为正常管理第0天(CK1)、正常管理第60天(CK2)、淹水处理第0天d(T1)和淹水处理第60天(T2).

1.3 测定方法

1.3.1 光合作用气体交换参数测定 于第0天和第60天的上午(8:00—11:00)设置光照强度为1 000 μmol·m-2·s-1，控制参比室的CO2浓度为380 μmol·mol-1，叶温25 ℃，使用CIRAS-2便携式光合仪(PP Systems, US)对净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)等光合作用气体交换参数均进行活体测定.所测叶片皆为平均生长水平的植株上部第3～5节位完全功能叶，重复3次.

1.3.2 光响应曲线测定 于第0天和第60天的上午(8:00—11:00)，使用CIRAS-2便携式光合仪测定系统光响应曲线.测定植株上部第3～5节位完全功能叶，重复3次.控制参比室的CO2浓度为380 μmol·mol-1，叶温25 ℃，对0、50、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 μmol·m-2·s-112个梯度进行光合测定，最终拟合出光响应曲线，推算光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)和表观量子效率(AQY).

1.3.3 荧光动力学参数测定 采用连续激发式荧光仪(Handy PEA, Hansatech, US)测定叶绿素快相荧光动力学曲线(OJIP曲线)及荧光参数，于淹水后第0天和第60天的8：00—10：00进行测定.选取植株上部第4～7节位的功能叶，对10个叶片进行暗适应30 min，叶片适应的时间相差2 min，一段时间后于光强为3 000 μmol·m-2·s-1的红闪光照射下记录荧光信号.

1.3.4 JIP-test分析 根据JIP-test[12]分析，得到OJIP荧光诱导曲线，荧光参数及意义见表1.

1.4 数据分析

运用Excel 2010进行数据整理并作图，用SPSS 17.0进行数据分析，用Ye model[13-14]拟合光响应曲线.

表1 快速荧光动力学曲线的参数及含义Table 1 Parameters and significance of fast fluorescence kinetic curve

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对中山杉成活率的影响

图1 正常管理与淹水处理条件下中山杉的外观形态比较Fig.1 Comparison of the appearance morphology of T. hybrid under normal management and flooded water treatment

从图1可以看出，在60 d的淹水胁迫下，处理组的中山杉叶片颜色部分变暗，叶片少量脱落，但植株很少死亡，成活率为96.67%.

2.2 淹水胁迫对中山杉光响应曲线的影响

从图2可知，淹水第0天，处理组和对照组的光响应曲线的变化趋势基本一致，随着光照强度的增大，Pn都上升.当光照强度达到1 800 μmol·m-2·s-1时，处理组和对照组均未出现光抑制现象.而淹水60 d后，处理组的光响应曲线低于对照组，光能利用率较低.从表2可以看出，淹水第0天，处理组和对照组的最大净光合速率(Amax)、暗呼吸速率(Rd)、AQY、LSP和LCP的差异均不显著.而淹水60 d处理显著降低了中山杉的Amax、LSP和LCP(P<0.01)，而AQY差异不显著.

图2 正常管理与淹水处理对中山杉光响应曲线的影响Fig.2 Comparison of the photoresponse curve of T.hybrid under normal and flooded conditions

2.3 淹水胁迫对中山杉光合作用气体交换参数的影响

从表3可知，在光照强度为1 000 μmol·m-2·s-1的条件下，处理组叶片的Ci显著高于对照组(P<0.01)，Pn显著低于对照组(P<0.01)，Tr和Gs无显著差异，但均低于处理组.相关性分析(表4)显示，Pn与Gs、Tr均呈极显著正相关(R2=0.847，R2=0.984)，与Ci呈极显著负相关(R2=0.960).

表2 正常管理与淹水处理对中山杉叶片光响应曲线特征参数的影响1)Table 2 Comparison of the effects of normal management and flooded water treatment on characteristic parameters of the photoresponse curve of T.hybrid

1)不同小写字母表示差异显著(P<0.01)，相同字母表示差异不显著(P>0.01).

表3 正常管理与淹水处理对中山杉叶片气体交换参数的影响比较1)Table 3 Comparison of the gas exchange parameters of T.hybrid under normal and flooded conditions

1)不同小写字母表示差异显著(P<0.01)，相同字母表示差异不显著(P>0.01).

表4 中山杉叶片气体交换参数的相关性分析1)Table 4 Correlation analysis of the blade gas exchange parameters of T.hybrid under normal and flooded conditions

1)**表示差异达极显著水平(P<0.01).

2.4 淹水胁迫对光系统Ⅱ(PSⅡ)荧光诱导动力学曲线的影响

从图3可以看出，中山杉叶片叶绿素快相荧光诱导动力学曲线均属于典型的OJIP曲线.与正常水分淹水叶片相比，淹水的苗木叶片在O相处的荧光强度(初始荧光Fo)高于对照，在P相处的荧光强度(最大荧光Fm)显著低于对照(P<0.01).在K相和J相的相对可变荧光(Vk和Vj)分别增长了6%和1.9%.

图3 正常管理与淹水处理的中山杉叶片叶绿素快相荧光诱导曲线的比较Fig.3 Comparison on the fast chlorophyll fluorescence induction kinetics of T.hybrid under normal and flooded conditions

2.5 淹水胁迫对光系统Ⅱ(PSⅡ)能量分配的影响

图4 正常管理与淹水处理的中山杉叶片叶绿素荧光参数的雷达图Fig.4 Radar map of chlorophyll fluorescence parameters of T.hybrid under normal and flooded conditions

利用雷达坐标图来直观表现各荧光参数的变化(设定CK1的所有参数为1，取其他对照和淹水处理与其的比值作图).从图4可以看出，淹水胁迫显著降低了中山杉叶片单位面积上的活性反应中心数量(RC/CSm)(P<0.01).其中，单位面积上吸收的能量(ABS/CSm)、捕获的能量(TRo/CSm)、电子传递的能量(ETo/CSm)和热耗散的能量(DIo/CSm)均显著下降(P<0.01).说明中山杉叶片用于电子传递的能量配额减少，电子传递受阻后热耗散的能量配额减少.此外，中山杉PSⅡ受体侧的电子传递体(Sm)和末端电子受体量子产额(φRo)均显著变少(P<0.01)，而PS Ⅱ捕获能量从QA传递到QB的效率(Ψo)和用于电子传递的量子比率(φEo)无显著差异.

2.6 淹水胁迫对光系统Ⅱ(PSⅡ)综合性能的影响

综合性能参数(PItotal)主要反映淹水胁迫对PSⅡ反应中心的影响，用于研究光系统间的电子传递活性.淹水胁迫使中山杉的PItotal极显著下降(P<0.01)，该参数的下降程度(敏感程度)明显大于其他参数.

3 小结与讨论

光合作用是植物生长与代谢等生命活动的基础，植物90%以上的干物质来自光合作用积累的有机物[15-17].光合作用能够较充分地反映植物在一天之中光合能力的变化，且利用各项气体交换参数的变化情况可探讨影响光合作用的限制因素[12].本研究中，经淹水胁迫60 d的中山杉存活率为96.67%，其各项气体交换参数均发生了变化.其中，Gs下降，Ci上升，Tr下降，最终表现为Pn下降.Farquhar et al[18]认为气孔限制值上升和Ci下降是Gs引起光合速率下降的充分条件，由此推测中山杉Pn降低不是受气孔限制因素影响，而非气孔限制因素才是主要原因之一，这与曹福亮等[19]对乌桕淹水研究的结果一致.淹水60 d后，即九月中旬，中山杉的叶片已出现部分老化现象，其光合功能有所下降，可以看出对照组的光响应曲线也低于初始.处理组的光响应曲线远远低于对照组，这说明淹水胁迫对中山杉是一个长期的伤害，加快了叶片的老化速率.淹水60 d的中山杉可能是由于土壤氧气供应不足，造成根系氧气匮乏，叶肉细胞的光合能力被破坏，叶肉细胞利用CO2的能力降低[20]，最终导致处理组的光响应曲线低于对照组.

叶绿素快相荧光动力学技术能够排除碳反应的干扰，探索测定光反应系统中的活性、结构和所处状态[21-22].目前，该技术也应用在植物光合、逆境等研究中[23-25].在典型的叶绿素荧光诱导动力学曲线中，J点荧光(Vj)的升高说明QA大量积累，QA后面的电子传递链出现了破损.如果在极短的时间内(J点之前)，叶绿素荧光升高出现在K点，则说明放氧复合体系统(OEC)的活性受到抑制，因此K点可以作为OEC受到损害的一个特殊标记[26-27].采用JIP-test方法，比较J和K点相对荧光强度的变化(Vj和Vk)，可以计算出放氧复合体和QA之后电子传递链的受损程度[28].本试验的JIP-test分析表明，淹水胁迫后Vj和Vk均有所增加，但Vj升幅低于Vk，这说明淹水胁迫对PSⅡ受体侧的损害大于供体侧.中山杉叶片单位面积内反应中心数量(RC/CSm)和PSⅡ电子受体库容量(Sm)逐渐减少，QA到QB过程中的电子传递受到了抑制(ETo/CSm)，PSⅡ向PSⅠ的电子传递能力参数中Ψo和φEo无显著差异，而φRo显著下降，最终表现为PSⅡ的PItotal受到显著抑制.本试验结果与张虎等[29]对湖北海棠淹水研究结果基本一致.因此，面对淹水逆境，中山杉叶片主要通过降低热耗散及提升自身能量合成比例来提高植物的耐水淹性.

本试验于夏季进行，高温与淹水胁迫同时发生，正迎合我国南方夏季洪涝灾害的实际情况[30-31].60 d的淹水导致了中山杉Pn和Gs等光合指标下降，叶绿素快相荧光中叶片PSⅡ电子受体侧损害大于供体侧且电子传递链受到了抑制，植株叶片颜色部分变暗，叶片少量脱落，但植株很少死亡.结果表明，中山杉这一树种具有较强的耐水能力，但长时间的淹水胁迫会给其带来一定的伤害.实际上，我国南方汛期带来的涝害是属于间歇性的淹水模式，从试验结果来看，中山杉可能更适合这一环境模式.