盐和干旱胁迫对欧李幼苗光合生理特性的影响

牟 静, 李秋霞, 高小刚, 王文银, 徐当会

兰州大学生命科学学院， 草地农业生态系统国家重点实验室， 甘肃 兰州 730000

非生物因子对植物的影响覆盖了其整个生长周期，其中水分因子至关重要. 广义上的水分胁迫包括盐和干旱胁迫[1]. 植物可以感知非生物胁迫，并在其代谢、生长和发育过程中做出适当的响应[2]，如在适应环境过程中，叶绿体结构成分和光合功能的变化有同步的趋势[3]. 土壤中高浓度的盐使根系更难提取水分以及植物内部高浓度的盐可以产生毒性[4]，即盐胁迫对植物组织的损害主要由水分、离子(Cl-、Mg2+等)胁迫引起[5]，常造成植物细胞中毒、组织中活性氧代谢失衡、光合能力下降等[6]. 在干旱、半干旱气候条件下，植物遭遇干旱胁迫，根系供水困难，蒸腾速率迅速升高[7]，会发生因组织缺水而引起的气孔关闭、叶绿体结构发生变化，以及相关酶变性失活等一系列反应，严重时会导致光合器官的损伤. 由于植物对盐和干旱环境的响应紧密相关，且机制重叠，而目前关于水分胁迫的研究太过广泛，植物对盐、干旱胁迫的响应没有明确的界限[1]，需对二者加以区分.

欧李(Cerasushumilis)隶属蔷薇科(Rosaceae)樱桃属(Cerasus)，落叶小灌木果树，既具抗干燥性，又具储水性，耐寒、耐旱、耐盐碱，具有较强的抗水土流失能力，可用于改善受损土壤和环境绿化，固土保水能力较强[8]，因此该物种是干旱、半干旱地区绿化的首选树种. 欧李根系庞大，在地下呈网状结构，是防风固沙、荒漠治理的先锋植物，其在水土保持、维持生态平衡等方面的作用明显高于传统树种——沙棘、柠条等[9]. 在干旱、半干旱地区造林和绿化过程中，欧李经常面临着干旱、盐等各种非生物胁迫，使其陷入成活率低、绿化效果不佳等困境. 目前对欧李的研究多集中于对其种质资源、增殖技术以及经济价值评估等方面，也有关于其对不同胁迫响应的研究，但较少且较单一. 卫娇娇等[10]比较了不同种植密度下欧李的光合生理特性. YIN等[11-12]分析了干旱胁迫下欧李的生理响应、蛋白质含量变化：发现水分亏损会刺激渗透调节物质的积累，通过增加光反应和卡尔文循环可促进CO2同化，从而导致碳代谢的重新规划；参与欧李保护系统的外源亚精胺和精胺会诱导产生一些抗氧化物酶以防止活性氧(ROS)的形成，避免发生过氧化反应. 而目前有关欧李对不同类型非生物胁迫的光合生理响应研究较少，尤其是不同强度胁迫下的光合生理变化. 鉴于此，该研究采用控制试验，分别模拟不同强度的盐和干旱胁迫，研究欧李在不同胁迫处理下的光合特性，以期为欧李在治理水土流失、荒山绿化等生态修复工作中作用的高效发挥提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验处理

试验于2017年4—7月在兰州大学榆中校区(103°4′E、38°37′N)遮雨大棚内进行，欧李(Cerasushumilis)由宁夏林业研究院股份有限公司提供. 于2017年4月中旬选择长势一致的欧李幼苗，半径3～5 mm，高度100～150 mm不等，根据前期实际观测，选择大小适用的180 mm×270 mm的塑料花盆进行移栽，每盆装土6 kg，一盆一株，充分灌水，使土壤含水量保持基本一致，经测定此时田间持水量为20.03%；之后定期浇水使其适应生长，参考冯蕾等[13-14]的试验方法并结合实际情况，于6月上旬分别进行盐(NaCl)胁迫、干旱胁迫处理. 欧李是典型的抗性品种，需增大处理梯度，设置盐胁迫浓度分别为0(CK)、3‰(S1)、5‰(S2)、8‰(S3)；干旱胁迫下浇水量分别为田间持水量的80%～85%(CK)、30%～35%(W1)、40%～45%(W2)、50%～55%(W3)，每个处理均设3个重复.

1.2 相关指标测定

1.2.1光合气体参数

从2017年7月上旬开始，选择晴朗无风天气，对长势良好的欧李叶片使用便携式光合系统测定仪(Li-6400，Li-COR，USA)进行活体测定，所测指标主要包括Tr(蒸腾速率)、Pn(净光合速率)、Gs(气孔导度)、Ci(胞间CO2浓度). 测定时采用内置红蓝光源，因欧李是常见的绿化树种，在阳坡砂地、山地灌丛或是庭院栽培中都可见到，故其自然立地环境下的光照强度也由强到弱不等，1 200 μmol(m2·s)是接近其在自然立地环境中的平均光照强度，故设置恒定光强为 1 200 μmol(m2·s). 为避免外界光强变化对试验的影响，待读数稳定后开始计数，同一叶片重复计数6次；测定结束后，采集所测叶片，使用叶面积扫描仪测量叶面积，计算实际光合气体交换参数值.

1.2.2Pn-PAR响应曲线

设置CO2浓度为400 μmolmol，流速为500 μmols，由高到低依次设置光强为 2 000、1 500、1 200、1 000、750、500、250、150、100、60、20、0 μmol(m2·s)，运用自动测定程序测定不同光强下叶片的净光合速率(Pn)，Pn-PAR响应曲线采用叶子飘等[15]提出的直角双曲线修正模型进行拟合，其公式为

(1)

式中：Pn为净光合速率，μmol(m2·s)；α为Pn-PAR响应曲线的初始斜率(无量纲)，即表观量子效率；I为光合有效辐射，μmol(m2·s)；β为修正系数；γ为一个与光强无关的系数；Rd为暗呼吸速率，μmol(m2·s).

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0软件进行数据分析，不同处理间差异采用单因素方差分析检验，显著性差异水平为P<0.05；采用Origin 8.5作图.

2 结果与讨论

2.1 盐和干旱胁迫对欧李幼苗的光合参数的影响

由图1可见，Tr、Pn与Gs均随着盐胁迫程度的增加而逐渐降低. 与CK相比，S1、S2、S3处理下，Tr分别下降25.81%、57.68%、59.21%〔(见图1(A)〕，Pn分 别下降13.88%、66.29%、65.02%〔(见图1(B)〕，Gs分别下降58.95%、81.48%、83.26%〔(见图1(C)〕. 与CK相比，S1处理下，Gs下降趋势最明显〔(见图1(C)〕，Tr、Pn则在S2、S3处理下显著降低〔(见图1(A)(B)〕.Ci随盐胁迫的变化则未表现出明显趋势，经盐处理的Ci均低于CK，且表现为S2>S1>S3〔(见图1(D)〕.

注： 不同小写字母表示差异显著(P<0.05). 下同.图1 盐胁迫对欧李光合气体参数的影响Fig.1 Effect of salt stress on photosynthetic gas parameters of C. humilis

干旱胁迫对欧李幼苗光合气体参数的影响如图2所示. 结果显示，随着干旱程度的减弱，Tr呈不规律变化，W3处理下Tr较CK显著降低〔(见图2(A)〕；干旱胁迫下各处理间Gs均显著低于CK，但各处理之间没有显著差异〔(见图2(C)〕；各处理间Pn、Ci未出现显著差异〔(见图2(B)(D)〕.

图2 干旱胁迫对欧李光合气体参数的影响Fig.2 Effect of drought stress on photosynthetic gas parameters of C. humilis

图3 盐和干旱胁迫下欧李的Pn-PAR响应曲线Fig.3 Pn-PAR response curve of C. humilis under salt and drought stresses

2.2 盐和干旱胁迫下欧李幼苗的Pn-PAR响应曲线

由图3(A)可见，随着盐胁迫程度的增加，PAR较低〔0～500 μmol(m2·s)〕时，随着PAR的增加，Pn呈上升趋势；随着PAR的继续增加，Pn增加趋势变缓，S1处理下达到峰值〔2.82 μmol(m2·s)〕；PAR较高〔1 500～2 000 μmol(m2·s)〕时，S1处理下Pn呈略微下降趋势，说明欧李幼苗出现了光抑制现象. 相反，在S2、S3处理下，PAR较高时净光合速率仍呈增加趋势，说明中、高度盐胁迫下，欧李幼苗表现出其喜光的特性.

由图3(B)可见，干旱胁迫下，在PAR较低〔0～500 μmol(m2·s)〕时，Pn随着PAR的增加而增大；随着PAR的继续增加，Pn增加趋势变缓，直至变得平缓(W1处理)、下降(W2处理)或呈略微上升趋势(W3处理). W2处理下，欧李叶片在PAR约为500 μmol(m2·s)时即达到光饱和点，继而出现严重的光抑制现象，而在W3处理下则表现出积极的光响应. 这说明在W1、W3处理下，欧李幼苗能对光强做出积极响应，在该处理范围内的土壤水分更有利于欧李幼苗进行光合作用.

2.3 盐和干旱胁迫下欧李幼苗光响应特征参数的比较

不同处理下欧李幼苗Pn-PAR响应曲线拟合所得光响应参数如表1所示. 结果显示，盐胁迫下α随着胁迫程度的加重而逐渐减小，说明欧李幼苗对光能的利用效率逐渐降低；Rd、Pnmax均在S2处理下达到最大值〔1.10和5.41 μmol(m2·s)〕；Lcp随着胁迫程度的增强而逐渐增大；Lsp在S1处理下较CK减小，达到最小值〔882.17 μmol(m2·s)〕,S2、S3处理下较CK有增大趋势〔见表1，图3(A)〕.

不同干旱胁迫处理下，α、Rd均在W2处理下出现最大值〔分别为0.05和1.47 μmol(m2·s)〕；W2处理下光能利用效率最大，在弱光环境下，Rd最大.Pnmax在W3处理下达到最大值〔5.94 μmol(m2·s)〕. 随着干旱程度减弱，Lcp先增后减，在W2处理下达到最大值〔35.79 μmol(m2·s)〕；较CK而言，Lsp在W1处理下增至最大值〔1 581.56 μmol(m2·s)〕，而在W2、W3处理下则减小(见表1)，说明欧李幼苗在W2、W3处理下对光照环境适应性减弱.

2.4 讨论

2.4.1盐和干旱胁迫对欧李幼苗光合气体参数的影响

光照强度作为影响植物光合作用最根本、最直接的环境因子，从根本上影响植物的生长发育. 随着盐胁迫程度的增强，欧李幼苗光合气体参数Tr、Pn均呈现出类似的变化趋势，与CK相比，这些参数在S1处理下变化不显著，在S2处理下显著降低，原因是植物通常通过减弱光合作用和蒸腾作用来适应盐胁迫逆境，Elfeky等[16-17]在对长春花(Catharanthusroseus)和紫穗槐(Amorphafruticosa)的研究中也得到类似结果；但随着胁迫程度的持续增强(S3处理)，Pn、Tr则鲜少出现变化. 这可能是因为S2处理已致使欧李叶片气孔结构、光合系统等出现损伤，再继续增强胁迫时，叶片无法做出积极响应.Gs在S2、S3处理下没有显著变化的原因与之类似，盐胁迫导致叶片气孔结构损伤，光合作用减弱. 限制植物光合作用的因素除气孔因素外，还包括非气孔因素，尤其在严重胁迫条件下非气孔因素常占主导作用[18]. S2处理下，欧李幼苗Pn的降低即为非气孔因素引起，这与王文银等[19-20]对沙拐枣(Calligonumarborescens)和冬小麦的研究结果一致. 虽然气孔限制被普遍认为是胁迫下光合作用减弱的主要决定因子[21]，且部分研究指出，光合磷酸化、1,5二磷酸核酮糖(RuBP)再生及ATP合成等一些被定义为非气孔因素的过程均受气孔影响[22-24]，但不同环境条件下气孔变化动态是一个复杂的调节过程，需客观地将气孔作为一个综合参数来评估植物光合作用的变化.

表1 盐和干旱胁迫下欧李幼苗的光响应特征参数

植物实际的水分吸收利用和根系深度有关，在土壤表层水分缺乏的情况下，较深层的根系会吸收更深层的土壤水分，以维持水分缺乏条件下植物气孔开放[25]. 欧李根系庞大复杂，且主要以水平根系为主，较深层土壤水分对其根茎生长的贡献较小，而在该试验中，由于盆栽处理导致了部分水分下渗，一定程度上限制了表层土壤水分含量，影响了欧李幼苗对土壤水分的吸收，故干旱胁迫处理对其光合气体参数的影响较小. 在今后的研究试验中应考虑改进试验方案，加大盆栽体积，尽可能地减弱其对根系功能的影响.

2.4.2盐和干旱胁迫对欧李幼苗光响应特征参数的影响

Pn-PAR曲线能反映出植物光合作用的强弱，由曲线得出的Lsp、Lcp、Rd及α等参数对研究绿色植物光合特性有重要意义[26]，如α能反映植物对光能的利用效率，尤其是在弱光条件下；Lsp、Lcp分别反映植物对强光和弱光的适应能力[27]. 笔者对欧李幼苗的Pn-PAR曲线拟合结果显示，其α主要分布在0.03～0.05之间，相对于适宜条件下植物正常表观量子效率而言较低，表现出欧李幼苗的喜光特性. S2处理下，Pn低于CK，但高于S1、S3处理，可能的原因是，在盐胁迫程度逐渐增强的过程中，可能存在最适宜的NaCl浓度，使得光合效果达到最佳；在干旱处理下，则未出现这种现象，反而在土壤水分含量较低(W1处理)或较高(W3处理)时，光合作用较强，Pn均高于W2处理. 究其原因：①植物对干旱逆境具有可塑性[28]，即在较极端环境中依旧可以保持较高的生理活性；②由于叶片光合作用的非均一性，即因为同一叶片上气孔分布不均匀，导致叶片光合作用的异质性，使得Pn的变化不同于预期[29]. 植物光响应曲线拟合模型有多种，要根据实际情况选择适宜模型. FANG等[30]提出，直角双曲线模型和直角双曲线修正模型对欧美杨中林46(Populus×Euramericanacv. ‘Zhonglin’46)光响应曲线的拟合效果更佳；CHEN等[31]则提出，指数修正模型对烟草(NicotianatabacumL.)光响应曲线的拟合效果最好. 因此要根据不同植物的不同特征选择适合的光响应曲线模型，以得出合理的光响应曲线参数，科学评估胁迫条件下植物的光合生产能力.

3 结论

a) 欧李幼苗对盐胁迫的响应较为敏感，其各处理下的光合参数多具有显著性差异；干旱胁迫下，由于欧李根系多以水平根系为主，且盆栽试验条件部分地限制了其水平根系对水分的吸收，故各处理间则鲜有显著差异.

b) 轻度盐胁迫(S1)、中度干旱胁迫(W2)处理下，较CK而言，欧李幼苗出现光抑制现象. 盐胁迫下，随着胁迫程度的增强，相较于CK，Lcp逐渐增大；Lsp在S1处理下减小，S2、S3处理下有增大趋势，欧李幼苗光能利用效率随胁迫增强而减弱. 干旱胁迫下，相较于CK，随着干旱程度的减弱，Lcp、Lsp均先增后减.

c) 该试验分别研究了单一盐、干旱胁迫对欧李幼苗光合生理特性的影响，但在自然环境中往往是多种胁迫交互发生，故需进一步了解欧李对多种胁迫交互发生的响应机制，以充分发挥欧李在固土保水、荒山绿化等生态修复工程中的价值.