外源ABA对干旱胁迫下多年生黑麦草光合特性的影响

许 喆，任 健，田 英，米 楠*

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021； 2. 云南农业大学草业科学系，云南 昆明 650201)

植物在生长中受到各种环境因素的影响，干旱是植物生长发育最重要的限制因子之一，对植物生长和生物量的形成均有一定影响[1]。当植物处于干旱胁迫时，体内的脱落酸(Abscisic acid，ABA)会大量增加，从而提高对逆境的抗性[2]，降低干旱对植物细胞膜的伤害[3]。ABA是公认的五大植物激素之一，在调控植物生长发育、应对非生物胁迫中发挥着重要作用，能调节植物气孔开闭、休眠、叶片衰老等[4-5]。研究发现，喷施外源ABA能延缓番茄(LycopersiconesculentumMill.)[6]、玉米(ZeamaysL.)[7]、香蕉(MusananaLour.)[8]、水稻(OryzasativaL.)[9]等植物叶片中叶绿素的降解速度，增加脯氨酸含量和保护酶的活性。外源ABA可以提高植物的抗冷性和保水能力，促使气孔关闭、降低蒸腾速率、提高光合作用及叶片含水量，减少干旱胁迫对植物细胞与组织的伤害[10-12]。

多年生黑麦草(Loliumperenne)属禾本科黑麦草属植物，是全世界种植最广泛的冷季型草种之一[13-14]，在我国主要分布在华东、华中和西南等地。由于黑麦草再生性强、耐刈割、耐放牧[15]，具有成坪快、品质优良、耐践踏等优点，是草坪建植重要的先锋草种[16]，也是草食家畜的优质牧草和养鱼的好饲料[17]。然而，多年生黑麦草的根系较浅，主要分布在15厘米深的表层土壤中[18]，所以很容易受到干旱胁迫的影响。有研究表明，在干旱环境下多年生黑麦草的过氧化物酶(Peroxidase,POD)、超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD)等酶活性升高，并带动其他酶活性的变化[19-20]。目前有关干旱对多年生黑麦草的影响方面的研究报道较少，生长调节剂对多年生黑麦草抗旱性的影响尚不清楚。因此，本研究以多年生黑麦草为材料，探究干旱胁迫下外源ABA对多年生黑麦草耐旱性的影响，尤其是光合能力的变化，为干旱气候下多年生黑麦草草坪管理提供理论基础与参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料和试验设计

供试材料为多年黑麦草(品种：冬牧)。选取大小、形状、色泽一致且饱满的种子，先用0.1%HgCl溶液消毒15 min，清水冲洗干净，播种至育苗盆(19 cm×15 cm×6 cm)中培养，培养基质为蛭石。2017年4月12日于人工气候箱中发芽，人工气候箱培养条件：白天温度(25±1)℃，夜晚温度(20±1)℃，每天光照12 h，黑暗12 h，光强4 000 lx，湿度70%。发芽后用Hoagland营养液培养15 d后，平均株高10 cm时开展干旱胁迫。利用聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG 6000)模拟干旱胁迫，该化合物是一种高分子渗压剂，性质稳定，方便易行[21]。脱落酸ABA为国药集团化学试剂有限公司生产。

采用双因素随机区组试验，试验因素包括ABA和PEG，其中ABA设3个梯度：0(A0)，200 μmol·L-1(A2)和500 μmol·L-1(A5)，叶面喷施，对照组以等量蒸馏水代替。PEG设3个梯度：正常浇水(PEG 0%)、中度干旱(PEG浓度10%)和重度干旱(PEG浓度30%)，对照以等量的Hoagland营养液代替。土壤水分传感器测得土壤水分的体积百分比分别为65%，51%和34%。试验共9个处理，即ABA 0 μmol·L-1+PEG 0%(CK),ABA 200 μmol·L-1+PEG 0%(A2P0),ABA 500 μmol·L-1+PEG 0%(A5P0),ABA 0 μmol·L-1+PEG 10%(A0P10),ABA 0μmol·L-1+PEG 30%(A0P30),ABA 200 μmol·L-1+PEG 10%(A2P10),ABA 200 μmol·L-1+PEG 30%(A2P30),ABA 500 μmol·L-1+PEG 10%(A5P10),ABA 500 μmol·L-1+PEG 30%(A5P30)，每处理重复三次。ABA2 d喷施一次，每次各喷施15 ml，PEG培养液3 d浇灌一次，每次各200 ml，胁迫时间为1个月后测定相关指标。

1.2 叶绿素含量

采用N-N-甲基甲酰胺浸提法测定[22]。

1.3 光合参数

2017年6月，选择叶片全展开、无病虫害的叶片进行光合作用测定。利用LI-6400XT光合-荧光测定仪(美国LI-COR公司)上午9：00-11:00在室内测定叶片净光合速率(Net photosynthetic rate,Pn)、胞间CO2浓度(Intercellular carbon dioxide concentration,Ci)、蒸腾速率(Transpiration rate,Tr)、气孔导度(Stomatal conductance,Gs)等光合生理参数，计算出水分利用效率(Water use efficiency,WUE=Pn/Tr)，使用开放式气路，CO2浓度400 μmol·mol-1，饱和光强设定为800 μmol· (m2·s)-1，测定时光照强度稳定3min[23]。

1.4 叶绿素荧光

采用LI-6400-40叶绿素荧光系统叶室，选择无伤害有代表性的叶片完全暗适应12 h。测定光合的初始荧光(Basic fluorescence,Fo)、最大荧光(Maximum fluorescence,Fm)和可变荧光(Variable fluorescence,Fv)，计算PSII最大光化学量子产量(PSII Maximum photochemical quantum yield,Fv/Fm)、PSII潜在活性(PSII potential activity,Fv/F0)。叶片光适应20min后进行测定，非光化学猝灭(Photochemical quenching coefficient,qP)、光化学猝灭(Non-photochemical quenching,NPQ)等荧光参数。每处理测定3个叶片，各荧光参数重复记录6次。

1.5 数据处理与统计方法

利用SPSS19.0统计分析软件对数据进行方差分析(ANOVA)，不同处理间差异比较(Mean±SE)采用Duncan法，数据均用EXCEL软件作图。

2 结果与分析

2.1 对叶绿素含量的影响

干旱胁迫显著影响了多年生黑麦草的叶绿素含量(P<0.05)(图1)。与CK相比，中度干旱胁迫使叶绿素a，b和总叶绿素含量分别提高了13.7%，15.5%和13.8%，而重度干旱胁迫下外源ABA 500 μmol·L-1与未喷施ABA处理相比叶绿素a，b和总叶绿素含量分别上升77.9%，75.9%和77.2%。说明ABA能够抑制正常生长和中度干旱胁迫下的叶绿素含量，但是，适度干旱胁迫能增加多年生黑麦草的叶绿素含量，在重度干旱胁迫下喷施外源ABA，尤其是ABA 500 μmol·L-1使叶绿素a，b和总叶绿素含量变化显著(P<0.05)。

2.2 对光合参数的影响

干旱胁迫对多年生黑麦草的光合参数影响显著(图2)，导致叶片的光合机构数量和活性下降，导致光合作用减弱。在重度干旱胁迫下与CK相比，多年生黑麦草Pn，Gs和WUE分别下降124.8%,155.8%和57.9%，原因是气孔导降低(P<0.05)，从而抑制了植物的光合作用。

ABA仅对多年生黑麦草Gs产生了明显的影响(P<0.05)。与对照相比，喷施外源ABA 200 μmol·L-1对净光合速率(Pn)的影响不明显，但显著提高了水分利用效率(WUE)(P<0.05)，相反胞间CO2浓度(Ci)下降了23.7%(P<0.05)。外源ABA 500 μmol·L-1使净光合速率(Pn)下降了47.6%，ABA能够抑制正常生长条件下的净光合速率(Pn)。

由于多年生黑麦草在中度干旱胁迫下具有抗旱性，因此，喷施不同浓度的ABA产生的影响不显著。气孔是植物对干旱胁迫反应的重要标志，是植物气体交换的“窗口”，在重度干旱胁迫下，喷施ABA 500 μmol·L-1与未喷施ABA处理相比Gs显著上升(P<0.05)，Pn和WUE分别上升85.1%和89.5%，降低叶片的失水速度，提高叶片的抗氧化能力，减缓因干旱胁迫造成的伤害。在重度干旱胁迫下喷施ABA 500 μmol·L-1能缓解干旱对多年生黑麦草光合作用的伤害。

图1 干旱胁迫下ABA对多年生黑麦草叶绿素a，b及叶绿素总量的影响

2.3 对叶绿素荧光的影响

干旱胁迫对多年生黑麦草Fo，Fm，Fv，Fv/Fm，Fv/Fo和NPQ均有着显著影响(表1，2)。与CK相比，重度干旱胁迫(PEG 30%)造成了光抑制现象，使Fv/Fm和Fv/Fo分别下降2.6%和19.4%(P<0.05)；NPQ上升97.3%(P<0.05)，ABA对正常生长的多年生黑麦草Fv/Fm和Fv/Fo有显著影响(P<0.05)。但在干旱胁迫下外源ABA在Fo，Fm，Fv，Fv/Fm，Fv/Fo和NPQ方面存在的交互作用(P<0.05)，即喷施外源素ABA影响了干旱对光反应中心PSII的作用。

中度干旱胁迫下表现出较强的抗逆性，随着喷施ABA浓度的升高Fv/Fm和Fv/Fo下降；中度干旱下喷施ABA 200 μmol·L-1能提高电子传递速率，而喷施ABA 500 μmol·L-1则能够缓解对叶绿体光合机构的破坏。

重度干旱下喷施ABA 500 μmol·L-1能缓解干旱对多年生黑麦草的伤害，与未喷施ABA处理相比，Fv/Fo显著升高21.1%(P<0.05)PSII电子传递活性升高，植物光合活性的水平上升，叶片利用光能的能力增强。

3 讨论与结论

干旱是不可避免的自然灾害，在自然界植物会遭受周期性或长期性干旱胁迫[24-25]。受到严重干旱胁迫后，植物在形态结构、生理代谢和产量都会受到不同程度的影响[26-28]，从而直接或者间接影响到光合色素及光合特性。本研究中，多年生黑麦草在中度干旱胁迫下叶绿素含量出现了升高，相反，重度干旱胁迫下叶绿素降低，这与干旱胁迫对甘蔗叶绿素的影响结果一致[29]，也进一步证明了张艳侠[30]对花生的研究结果。叶绿体是植物光合作用的主要场所，干旱胁迫影响了植物进行光合作用，使植物的叶绿体结构造成破坏导致叶绿素含量降低[31]。多年生黑麦草在重度干旱下喷施ABA 200 μmol·L-1和500 μmol·L-1提高叶绿素的含量，使叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素上升。重度干旱胁迫下喷施ABA可以防止叶绿素降解引起的最大光能转化效率有明显的缓解作用[12，32]。

表2 干旱胁迫下ABA对多年生黑麦草Fv/Fo,qP,NPQ和ETR的影响

干旱导致的水分胁迫使得植物光合作用减弱，净光合速率(Pn)降低[33]，导致植物减产[34-35]。气孔导度影响着植物的蒸腾和光合作用，气孔导度降低，叶绿体光合能力受到明显抑制[36]，气孔部分关闭或全部关闭[13]，降低蒸腾速率(Tr)，减少叶片内水分蒸发，CO2的进入阻力增大，胞间CO2浓度(Ci)上升，光合速率下降。

多年生黑麦草作为冷季型草坪草属于C3植物，CO2补偿点较高，胞间CO2增加并不是因为光合作用限制，而是受非气孔因素的限制，这与顾振瑜等[37]研究结果一致。王书宏等[38]研究发现外源ABA能够显著提高干旱胁迫下草莓(Fragaria×ananassaDuch.)叶片的净光合速率(Pn)，缓解干旱造成的光抑制现象。本研究结果表明中度干旱胁迫下喷施ABA 200 μmol·L-1能够提高多年生黑麦草的净光合速率(Pn)和水分利用效率(WUE)，气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)下降，这与陈露露[39]和郭贵华[40]等研究一致。试验还发现多年生黑麦草光合参数随着干旱程度的加深和ABA浓度增加而逐渐上升。但不同强度或类型的干旱胁迫可能导致不同程度或方式的适应性反应[41]，由于植物存在差异性，ABA也是一种生长抑制物质，关于干旱胁迫程度和外源ABA浓度的关系还需要进一步研究。在正常生长的植物上，喷施ABA效果与干旱胁迫下植物受到的影响有所不同。在没有干旱胁迫下，喷施ABA 200 μmol·L-1，多年生黑麦草水分利用效率(WUE)提高，胞间CO2浓度(Ci)降低，这与李雪梅对小麦[42]研究一致。相反，喷施ABA 500 μmol·L-1，叶片光合作用受到了抑制。但是，刘小金等[43]对檀香幼苗的研究发现叶面喷施适量的ABA能够提高檀香(SantalumalbumL.)幼苗的净光合速率(Pn)，气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)上升，而水分利用效率(WUE)下降；随着ABA浓度的升高气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)提高，而水分利用效率(WUE)显著降低。

叶绿素荧光参数能够准确检测植物的光合机构在逆境下的响应能力，从而反映植物的抗逆性[44]。裴斌等[45]发现干旱导致叶片初始荧光上升，而最大荧光、最大光化学效率和实际光化学效率逐渐降低。PSII原初光能转化效率可以用叶绿素荧光参数Fv/Fm反映，干旱胁迫可导致植物的Fv/Fm和Fv/Fo降低[46]。Fo的增长越小，干旱胁迫对反应中心破坏程度越小，植物的抗旱性越强[47]。在干旱胁迫下，多年生黑麦草Fv/Fm和Fv/Fo呈下降趋势，说明干旱对植物叶片造成了光抑制作用，影响光合电子的传递过程，与王飞[48]、代微然[49]研究结果一致，在逆境胁迫下或植物遭受到伤害时Fv/Fm会显著降低[50]。

若Fo上升，表明PSII光合机构受到了损坏或者是植物本身一些防御性的激发能热耗散过程加强的反映[51-53]，多年生黑麦草在干旱胁迫下Fo变化显著，表明干旱胁迫对PSII反应中心的破坏较大，且随着胁迫的加剧，其光合功能的破坏程度增加，这进一步证明了胡化广[54]和吴甘霖等[55]的研究结论。

另外，干旱胁迫使qP和ETR呈下降趋势，非光化学猝灭系数(NPQ)是光合机构的一种自我保护机制，NPQ上升从而降低PSII活性，从而适应干旱环境，这与谌端玉[56]、史胜青[57]等研究结果一致。多年生黑麦草在干旱胁迫下，表观电子传递速率(ETR)下降，可以有效缓解因PSII吸收太多的光能而产生的光抑制和光氧化[58]。在重度干旱胁迫下，喷施ABA 500 μmol·L-1对Fv/Fm和Fv/Fo没有产生显著影响，说明当干旱胁迫超过一定程度喷施ABA并不能改变对植物光合器官的伤害，产生光抑制现象。NPQ上升光合作用受到抑制，影响植物进行电子传递。

ABA对正常生长的多年生黑麦草的叶绿素含量产生抑制作用，但在重度干旱胁迫下喷施ABA能够提高叶绿素含量并缓解干旱胁迫造成的影响，从而发挥促进作用。本研究中ABA浓度不同产生的影响不同，在大田进行ABA喷施时要掌握好喷施的浓度，以免造成不必要的损失，从而更加有效的缓解干旱对植物的伤害。