干旱胁迫对甜高粱光合特性、叶绿素荧光、SPAD及根系活力的影响

王祁 陈昆 石红梅 孙喜云

摘    要：以甜高粱為供试材料，通过盆栽的方式，设置土壤含水量77%（CK），65%（D65），53%（D53），41%（D41）和29%（D29）5个水平，研究干旱胁迫对甜高粱光合特性、叶绿素荧光、SPAD及根系活力的影响。结果表明：随着干旱胁迫强度的增加，甜高粱幼苗叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率三者的变化规律类似，均呈现逐渐降低的变化规律，而胞间CO2浓度则呈现先降低再升高的变化规律。初始荧光（F0）随干旱胁迫强度的增加呈现逐渐升高的变化趋势，其中D65处理下初始荧光（F0）与对照差异不显著。最大荧光（Fm）、最大光化学效率（Fv/Fm）和光化学卒灭系数（qP）的变化规律与初始荧光（F0）相反。在D29处理下，最大荧光（Fm）、最大光化学效率（Fv/Fm）和光化学卒灭系数（qP）值最低，较对照分别降低11.53%，10.84%，35.59%，与对照差异极显著（P<0.01）。在轻度胁迫D65处理下，根系活力较对照下降4.44%，与对照达到显著差异水平（P<0.05）。CK和D65处理下的SPAD值差异不显著（P>0.05）。总之，当土壤相对含水量不低于65%时，对高粱幼苗形态特征和生理特性的影响较小，能够满足高粱幼苗正常生长需求;当土壤相对含水量低于53%时，随着含水量的降低，高粱幼苗受干旱逆境胁迫的程度加重。

关键词：干旱;甜高粱;光合特性;荧光;SPAD;根活

中图分类号：S514       文献标识码：A      DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.12.006

Effects of Drought Stress on Photosynthetic Characteristics， Chlorophyll Fluorescence， SPAD and Root Activity of Sweet Sorghum

WANG Qi，CHEN Kun，SHI Hongmei，SUN Xiyun

（Shangqiu Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Shangqiu，Henan 476000，China）

Abstract：The effects of drought stress on photosynthetic characteristics， chlorophyll fluorescence， SPAD and root activity of sweet sorghum were studied under five soil moisture levels 77% （CK）， 65% （D65）， 53% （D53）， 41% （d41） and 29% （D29）， respectively，and the sweet sorghum was used as test material through pot culture. The results showed that： with the increase of drought stress， the changes of net photosynthetic rate， stomatal conductance and transpiration rate of sweet sorghum seedlings were similar， showing a gradual decrease， while the intercellular CO2 concentration showed a change law of first decreasing and then increasing. The initial fluorescence（F0） increased gradually with the increase of drought stress intensity， and there was no significant difference between D65 treatment and control. The variation of maximum fluorescence （Fm）， maximum photochemical efficiency （Fv/Fm） and photochemical quenching coefficient（qP） were opposite to that of initial fluorescence（F0）. Under D29 treatment， the maximum fluorescence （Fm）， maximum photochemical efficiency（Fv/Fm） and photochemical quenching coefficient（qP） were the lowest， which decreased by 11.53%， 10.84% and 35.59% respectively. Compared with the control， the difference was very significant（P<0.01）. Under the mild stress D65 treatment， the root activity decreased by 4.44%. Compared with the control， the difference was significant （P<0.05）. There was no significant difference in SPAD between CK and D65 （P>0.05）. In a word， when the relative soil water content is not less than 65%， the morphological and physiological characteristics of sorghum seedlings are less affected， which can meet the normal growth needs of sorghum seedlings; when the soil relative water content is less than 53%， with the decrease of water content， the degree of Sorghum Seedlings under drought stress is aggravated.

Key words： drought; sweet sorghum; photosynthetic characteristics; fluorescence; SPAD; root activity

干旱是农业生产中要时常面临的问题，也是制约农业可持续发展的重要环境因子之一[1]。轻度的干旱即可引起植株生长矮小，而重度的干旱胁迫则会造成植株正常代谢过程造成破坏，如氧化磷酸化解偶联、光合电子传递链的过度还原、酶促防御系统损坏等[2]。当前，干旱或半干旱耕地已达到全世界可耕地面积的2/5[3]。随着气候变暖，我国北方地区的干旱面积在近半个世纪以来亦呈现逐年扩大的趋势[4]，可耕地干旱面积的扩大与农业生产用水的短缺之间的矛盾日益显现，这为干旱区的农业可持续生产带来重大挑战。甜高粱是C4植物，具有耐涝、耐旱、耐热等特点，因此在干旱和半干旱地区发展甜高粱产业不仅对调整农业产业结构、增加农民收入有重要意义，还有利于缓解能源危机[5]。

当前有关高粱的研究，主要集中于高粱新品种的选育[6]、高粱酿酒[7]、施肥用量[8]、基因克隆[9]和根际微生物群落结构[10]等方面，而有关高粱尤其是甜高粱在干旱逆境方面的研究报道较少。因此，本研究通过设置5个水平的干旱胁迫处理，研究不同水平的干旱胁迫强度对甜高粱幼苗光合特性、叶绿素荧光、SPAD及根系活力的影响，以探究甜高粱幼苗对干旱胁迫的响应机制和对干旱胁迫的忍受范围，为干旱和半干旱地区的高粱高产栽培提供科学依据，为高粱的遇旱机理研究提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料与试验设计

供试材料为甜高粱Sorghum bicolor （L .）Moench‘BJ0601。

1.2 试验设计

试验于2019年4月25日在商丘市农林科学院双八试验基地进行盆栽种植试验。试验用盆直径40 cm，高50 cm。试验用土pH值为6.53，全钾16.12 g·kg-1，速效钾6.93 mg·kg-1，全磷0.34 g·kg-1，速效磷6.91 mg·kg-1，碱解氮123.08 mg·kg-1，有机质36.44 g·kg-1。

试验共设置5个处理，分别为正常水分（CK），土壤含水量（SWC）约为77%;轻度胁迫（D65），土壤含水量（SWC）约为65%;轻度胁迫（D53），土壤含水量（SWC）约为53%;中度胁迫（D41），土壤含水量（SWC）约为41%;重度胁迫（D29），土壤含水量（SWC）约为29%。每处理9盆，共45盆，每盆播种15粒种子，出苗后保留10株，将试验盆埋于土壤之中，盆边沿高于地面8～10 cm。每天下午18时用ML2x型土壤水分仪测量各盆土壤含水量，并根据含水量高低进行补水处理。待高粱幼苗长至4～5片叶时对各指标进行测定。

1.3 测定项目与方法

于晴天上午9：30—10：30，选取植株顶部第3张功能叶片并进行光合参数和荧光参数等相关指标的测定。采用美国LI-COR公司生产的LI-6400XT便携式光合系统测定仪，测定高粱第三张功能叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度及蒸腾速率（Tr ），每处理3次重复，取平均值。使用美国产LI-6400XT便携式光合仪（Li-COR， USA）测定甜高粱倒3叶叶绿素荧光动力学参数，初始荧光（FO）、暗适应下PS II最大荧光产量（Fm）、可变荧光（Fv）和光化学碎灭系数qP，每处理3次重复，取平均值。采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定根系活力[11]。采用SPAD-502测定高粱叶片SPAD （Soil and Plant Analyzer Development）值，每处理3次重复，取平均值。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理和作图，利用DPS7.02软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对甜高粱幼苗叶片光合特性的影响

由表1可以得出，不同强度的干旱胁迫对甜高粱幼苗叶片净光合速率的影响不同。随着干旱胁迫强度的增加，甜高粱幼苗叶片净光合速率呈现逐渐降低的变化规律，在D29处理下值最低，较对照降低37.14%，与对照差异极显著（P<0.01）;除D65处理下的净光合速率与对照差异不显著外，D53、D41和D29处理与对照均达到极显著差异水平（P<0.01），這说明轻度的干旱胁迫对甜高粱叶片净光合速率的影响较小，而干旱胁迫强度达到一定限度则会显著影响其净光合速率的高低。气孔导度和蒸腾速率二者的变化规律与净光合速率一致，均随干旱程度的加重而表现出逐渐降低的趋势，二者均与净光合速率呈现正相关关系。胞间CO2浓度随干旱强度的增加呈现先降低再升高的变化规律，且在D53处理下值最低，较对照降低18.49%，与对照差异极显著（P<0.01）。

2.2 干旱胁迫对甜高粱幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响

由表2可知，不同强度的干旱胁迫对甜高粱幼苗叶片叶绿素荧光参数影响存在差异。甜高粱幼苗叶片初始荧光（F0）随干旱胁迫强度的增加呈现逐渐升高的变化趋势，其中D65处理下初始荧光（F0）与对照差异不显著，这表明轻度的干旱胁迫对PSII反应中心产生的影响不大;D53处理与对照差异达到显著水平（P<0.05），这表明该处理下甜高粱叶片的PSII反应中心开始受到一定程度的损伤;在D41和D29处理下，初始荧光（F0）与对照差异极显著（P<0.01），较对照分别增加22.41%和24.76%，这表明在这两个处理下的甜高粱叶片其PSII反应中心已遭受明显的受损和破坏。最大荧光（Fm）、最大光化学效率（Fv/Fm）和光化学卒灭系数（qP）的变化规律与初始荧光（F0）相反，随干旱胁迫强度的增强亦表现出下降的变化规律，与初始荧光（F0）呈现负相关关系，这表明干旱胁迫强度增大可以抑制甜高粱叶片光合电子的传递速率，从而引起光合能力的减弱。在D29处理下，最大荧光（Fm）、最大光化学效率（Fv/Fm）和光化学卒灭系数（qP）值最低，较对照分别降低11.53%，10.84%，35.59%，与对照差异极显著（P<0.01）。

2.3 干旱胁迫对甜高粱根系活力及SPAD值的影响

由图1可以看出，干旱胁迫对甜高粱苗期根系活力与SPAD值的影响显著。在轻度胁迫D65处理下，根系活力较对照下降4.44%，与对照达到显著差异水平（P<0.05），这表明甜高粱在苗期对水分较为敏感，轻度的水分胁迫即可降低其根系活力。D53、D41和D29处理下，甜高粱根系活力较对照分别降低18.35%，51.07%和66.11%，与对照均达到极显著差异水平（P<0.01）。CK和D65处理下的SPAD值差异不显著，在D53、D41、D29处理下与CK差异达到显著以上水平，这说明高粱叶片SPAD值对干旱胁迫的响应存在一定的阈值，当土壤含水量在65%范围内对其影响较小，反之较大。

3 结论与讨论

光合作用是植物进行物质代谢和能量代谢的基础，是对水分胁迫较为敏感的生理活动之一。光合能力的高低可以直接用于表征植株叶片的制造碳水化合物能力的强弱[12]，另外其对植物抵御逆境胁迫的能力、形态的建成及产量和品质也有重要影响[13]。井大炜等[14]研究认为，杨树幼苗叶片净光合速率与气孔导度均随干旱胁迫程度的增加呈现逐渐降低的变化规律。胡文海等[15]通过对2个辣椒品种的研究测出，干旱胁迫使辣椒叶片净光合速率降低。本试验结果表明，甜高粱幼苗叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率随干旱胁迫强度的增加呈现降低趋势，试验结果与前人研究结论一致。本试验条件下，在中轻度胁迫（D65、D53）下，胞间CO2浓度与净光合速率、气孔导度变化规律一致，均随胁迫强度的增加而降低，但中重度胁迫（D41、D29）下，胞间CO2浓度与净光合速率、气孔导度变化规律相反，均随胁迫强度的增加而增加，这说明在D65、D53处理下，甜高粱净光合速率的降低是气孔因素限制，而在D41、D29处理下甜高粱净光合速率的降低是非气孔因素所致[16]。另外，甜高粱幼苗在轻度、中度胁迫（D65、D53）下净光合速率降低，应该是因为植物在感受到干旱胁迫信号后，出于自我保护，减小气孔开放程度以减少蒸腾，使得气孔导度降低，致使光合底物CO2減少，进而打破PSII和卡尔文循环之间的平衡，产生了光抑制从而使净光合速率下降[17];而在非气孔限制下甜高粱叶片净光合速率的降低，应该与干旱胁迫使叶绿素结构和功能受到不同程度的损伤，光合羧化酶活性受到抑制等原因有关[18]。

叶绿素荧光动力学时变信号与光合反应进程密切偶联，是测定植株叶片光合功能的快速、无损伤探针，被广泛应用于植物抗逆性光合生理领域的研究[19]。本试验条件下，甜高粱叶片初始荧光（F0）随干旱胁迫强度的增加而降低，这说明光合系统PSII逐渐遭受破坏[20]。未遭受逆境胁迫的植物，其叶片在暗适应下的PS II最大光化学量子产量（Fv/Fm）应大于或等于0.8[21]。本试验结果表明，在轻度干旱胁迫（D65、D53）下，甜高粱叶片的Fv/Fm虽低于对照但均不低于0.8，这说明轻度的干旱胁迫对甜高粱叶片光合反应系统结构和功能的损伤较小，或者说甜高粱可以忍受轻度的干旱胁迫;在重度胁迫（D41、D29）下，Fv/Fm极显著低于对照，这表明甜高粱叶片PSII部分反应中心失活，光合机构遭受破坏并发生了光抑制现象，这与前人在金银花[22]持绿型上的研究结果一致。王可玢等[23]在小麦水分胁迫上的研究表明，小麦在遭受水分胁迫时，qP减小。本试验条件下，甜高粱叶片qP亦随干旱胁迫强度的增加而降低，这说明PSII反应中心的开放程度降低，PSII原初电子受体QA由氧化态向还原态转变所需的电子流减少，即PS II氧化侧向反应中心PS II的电子传递活性受到抑制。

根系活力的大小反应植株吸收矿质元素和水分能力的强弱，而水分胁迫会影响根系的吸收[24]。马富举等[25]研究得出，在20%的PEG6000营养液模拟的干旱条件下，小麦品种“耐旱型洛旱7号”根系活力高于对照。本试验条件下，不同强度的干旱胁迫均降低甜高粱幼苗的根系活力，试验结果与前人不一致，这应该是因为干旱胁迫对作物根系活力的影响也存在着明显的基因型差异，这种差异也会因干旱胁迫的程度和时期也变得有所不同[26]。高粱幼苗叶片SPAD值随干旱胁迫强度的增加呈现逐渐降低的趋势，这因为叶绿素的合成受到叶肉细胞水分含量的制约[27]，且逆境条件下叶绿素酶活性的升高进一步加快对叶绿素的分解[28]，从而引起叶绿素含量的降低，这与前人在玉米上的研究结论一致[29]。总之，当土壤相对含水量不低于65%时，对高粱幼苗形态特征和生理特性的影响较小，能够满足高粱幼苗正常生长需求;当土壤相对含水量低于53%时，随着含水量的降低，高粱幼苗受干旱逆境胁迫的程度加重。

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