干旱胁迫下腐植酸对燕麦叶绿素荧光特性的调控效应

李英浩，刘景辉，赵宝平，田 露，王 琦，朱珊珊，戴云仙

（内蒙古农业大学 杂粮产业协同创新中心，呼和浩特 010019）

0 引 言

由于全球气候变化和人类活动的加剧，地球上的水循环状况发生了剧烈的变化，导致很多地区和流域发生了严重的水资源问题和水环境危机，水资源紧缺已成为限制农业可持续发展的瓶颈[1]。水分是半干旱地区作物生产的主要因素，提高作物抗逆性以及高效利用水资源，成为我国旱区促进农业持续增长的必然选择[2]。燕麦是禾本科燕麦属草本植物，抗逆性强，广泛种植于贫瘠、干旱、冷凉等地区，是粮饲兼用型作物[3]。燕麦根系发达，吸水能力较强，且根冠比较大，调节水分能力较强，成为治理土地荒漠化的先锋作物[4]。【本研究的切入点】干旱胁迫会破坏植物的很多代谢和生理过程[5]。干旱胁迫会导致植物生物量减少，总叶绿素量减少，叶绿素荧光参数发生变化[6-12]，而光合作用是植物在干旱胁迫下被抑制的最重要的生理过程之一[10]，但对于其复杂而精密的生理生化调节过程尚不明确[13]。水分胁迫对植物光合作用的影响可以通过分析叶绿素荧光动力学参数进行研究，植物叶片叶绿素荧光参数的变化可以准确地衡量植物光合潜能的高低和受伤害程度[14]。叶绿素荧光动力学的应用可以深入细致地分析环境胁迫对植物光合机构尤其是 PSⅡ的影响以及光合机构对环境变化的适应机制[15]。干旱和涝胁迫均可对作物荧光反应产生抑制作用，如水分胁迫下最大荧光产量、可变荧光、PSⅡ最大光化学量子产量、PSⅡ潜在活性、非光化学猝灭和光化学猝灭[16]。荧光反应是光合功能强弱的重要指标，并且初始荧光值与叶绿素a的量密切相关，可以反映PSⅡ反应活性强弱，而最大荧光值则表现PSⅡ反应中心的电子传递情况，Fv/Fm反映 PSⅡ反应中心内部光能转换效率。【研究进展】目前，国内外关于运用叶绿素荧光参数以及光合参数的变化来研究土壤水分胁迫对植物影响的报道较多[17-20]，有研究表明重度干旱胁迫导致燕麦叶片净光合速率，蒸腾速率、气孔导度以及胞间 CO2摩尔分数急剧降低[21]，前人在麦类作物叶绿素荧光参数的研究多集中在叶片部位，燕麦苗期遭受干旱胁迫，叶片光系统Ⅱ的原初光能转化效率Fv/Fm和潜在活性相对较稳定，燕麦灌浆前期各光合器官Fv/Fm相对较稳定，随灌水次数增加各器官值有增加趋势，但变化很小[22]，由此说明燕麦的光合性能对水分胁迫较为敏感，一定程度的干旱胁迫会严重影响到燕麦的光合能力。荧光动力学在小麦、玉米、水稻及豆科作物上都已有相关研究，但有关燕麦荧光参数对水分胁迫的响应研究鲜有报道。腐植酸是动植物遗骸经过微生物分解和转化等一系列过程形成的一类有机物质[23]，腐植酸有助于提高作物耐旱性，延缓植株衰老。腐植酸处理明显提高了小麦灌浆后期旗叶实际光化学效率和光合电子传递速率[30]，但是至今国内外对腐植酸在干旱胁迫下燕麦叶片叶绿素荧光参数变化研究尚少。【拟解决的关键问题】本试验通过研究外源喷施腐植酸对燕麦叶片叶绿素量及各项荧光参数Fo、Fm、Fv等在干旱胁迫下的变化状态，试图探讨干旱胁迫下腐植酸对燕麦叶片叶绿素荧光特性的调控效应，【研究意义】进一步了解腐植酸提高植物耐旱性的机理，为开发利用腐植酸肥料和提高燕麦抗旱性提供一定理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

试验于2018年5月—2018年9月在内蒙古呼和浩特市内蒙古农业大学燕麦产业研究中心温室进行。供试燕麦品种为燕科二号，由内蒙古农牧业科学研究院提供。腐植酸水溶肥料（HA）由内蒙古永业农丰生物技术有限责任公司提供，其水溶腐植酸量≥50 g/L，N+P+K量≥200 g/L，微量元素（锰、硼、钼、锌等）量≥10 g/L。采用盆栽方法，土壤为蛭石与泥炭土按质量比为 1∶1的比例混合而成。泥炭土中N+P+K量>10 g/kg，有机质量>50 g/kg，pH值为5.5～8.5，土壤含水率为10%。塑料盆高25 cm，直径20 cm，每盆装混合土2.5 kg，播种前底施磷酸二铵（N18%，P2O546%）2 g，在拔节期与抽穗期各追施尿素（含N量为46%）2 g。5月1日播种，每盆播30粒，在三叶期（5月20日）定苗，每盆20株。试验采用随机区组排列，设置正常供水（75%田间持水率）；中度干旱胁迫（60%田间持水率）和重度干旱胁迫（45%田间持水率）3个水分条件，不同水分条件下设喷施500倍腐植酸水溶肥料（HA）和等量清水（CK）2个处理，共6个处理，每个处理重复3次，每个重复种植5盆，共90盆。水分胁迫在拔节期（6月10日）开始，每天17:00点利用称重法进行补水以保持各处理土壤含水率稳定，土壤田间持水率、永久萎蔫点及土壤质量含水率按Ryan等[24]的方法测定，全生育期3个水分条件的总灌水量分别为27.23、21.78 和16.34 L。分别在拔节期、抽穗期和灌浆期喷施腐植酸，喷施后7 d进行取样和测定荧光参数。

1.2 取样方法

取植株上部新鲜的旗叶叶片，立即液氮速冻并保存，每个处理重复取样3次，共6片叶。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 荧光参数

每处理选择3片生长完好的旗叶叶片，用FMS-2便携式脉冲调制式荧光仪测定叶绿素荧光参数。在叶片自然生长角度不变的情况下测定稳态荧光（Fs），随后加一个强闪光[6 000 μmol/（m2·s）]，脉冲 0.8 s测定光适应下的最大荧光（Fm'）；关闭作用光，暗反应3 s后再打开远红光，5 s后测定光下最小荧光（Fo'）；叶片暗适应15 min后测定初始荧光（Fo），随后加一个强闪光（6 000 μmol/（m2·s）），脉冲0.8 s测定最大荧光（Fm）。计算如下参数：PSⅡ最大光能转换效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm；PSⅡ潜在光化学活性Fv/Fo=（Fm-Fo）/Fo；光化学淬灭系数qP=（Fm'-Fs）/（Fm'-Fo'）；非光化学淬灭系数NPQ=（Fm-Fm'）/Fm'。

1.3.2 叶绿素量

称0.2 g冻干的燕麦叶片，采用分光光度法[25]测定旗叶叶绿素a（Chla）与叶绿素b（Chlb），最后计算总叶绿素量（Chla+Chlb）和叶绿素a与叶绿素b的比值（Chla/Chlb）。

1.4 数据分析

试验数据用Excel进行整理，用SAS 19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 喷施HA对干旱胁迫下燕麦叶片叶绿素的影响

干旱胁迫下喷施 HA后燕麦叶绿素量的变化如表1。由表1可知，从拔节期到灌浆期，燕麦叶片Chla+Chlb逐渐提高。干旱胁迫导致燕麦叶片Chla+Chlb和 Chla/Chlb降低，且降幅随着干旱胁迫程度加剧而增加。喷施HA后，正常供水条件下二者与 CK相比差异均不显著；中度干旱胁迫下，叶片Chla+Chlb和Chla/Chlb分别比CK分别平均增加6.69%和3.06%，但只有生育前期差异显著；而重度干旱胁迫下二者分别比CK平均增加40.82%和30.09%，且均达到显著差异（P<0.05）。综上说明，干旱胁迫使燕麦叶片叶绿素总量的合成受阻，分解速率增大，并且 Chla的分解速率超过 Chlb，进而导致 Chla/Chlb降低，而喷施HA可不同程度地缓解干旱胁迫造成的影响，在重度干旱胁迫下对叶绿素合成的促进作用最显著。

表1 不同处理燕麦叶片Chla+Chlb与Chla/ChlbTable 1 Effect of different treatments on the dry matter quality of oats Chla+Chlb and Chla/Chlb

2.2 HA喷施对干旱胁迫下燕麦荧光参数的影响

2.2.1Fo、Fm和Fv的变化

干旱胁迫下喷施HA后燕麦叶片Fo、Fm和Fv的变化情况如表2。由表2可知，从拔节期到灌浆期，Fo、Fm和Fv均逐渐提高。随着干旱胁迫程度的增加，Fo呈上升趋势，而Fm和Fv却显著下降。干旱胁迫下喷施 HA后Fo下降，降低范围为 0.70%～14.06%，而Fm和Fv升高，提升范围分别为0.7%～121.19%和1.0%～171.79%。不同时期中，喷施HA与CK相比，在正常供水和中度干旱胁迫条件下3个指标差异均不显著，而在重度干旱胁迫条件下三者均差异显著（P<0.05）。综上说明，干旱胁迫导致PSⅡ反应中心被破坏或可逆失活，同时会降低燕麦PSⅡ反应中心原初电子受体QA的还原能力，使电子传递活性受到抑制，但喷施HA会有效缓解干旱胁迫造成的影响，在重度干旱胁迫条件下效果最显著。

表2 不同处理燕麦Fo、Fm和FvTable 2 Effect of different treatments on the dry matter quality of oats Fo、Fm and Fv

2.2.2Fm/Fv和Fv/Fo的变化

干旱胁迫下喷施 HA后燕麦叶片Fm/Fv和Fv/Fo的变化情况如表3。由表3可知，从拔节期到灌浆期，Fv/Fm和Fv/Fo逐渐提升，但干旱胁迫下Fv/Fm和Fv/Fo均显著下降（P<0.05）。干旱胁迫下喷施HA与CK相比，Fv/Fm和Fv/Fo值出现不同程度的提升，提升范围分别为 0.2%～83.89%和1.9%～211.56%。3个时期中，喷施HA后相比于CK，正常供水和中度干旱胁迫条件下二者均无显著差异，而在重度干旱胁迫条件下二者均达到显著差异（P<0.05）。故干旱胁迫抑制了燕麦 PSⅡ的潜在活性并降低了PSⅡ的原初光能转换效率，HA对重度干旱胁迫造成的伤害有最明显的缓解效应。

表3 不同处理燕麦Fv/Fm和Fv/FoTable 3 Effect of different treatments on the dry matter quality of oats Fv/Fm and Fv/Fo

表4 不同处理燕麦qP和NPQTable 4 Effect of different treatments on the dry matter quality of oats qP and NPQ

2.2.3qP和NPQ的变化

干旱胁迫下喷施HA后燕麦叶片qP和NPQ的变化如表4。由表4可知，从拔节期到灌浆期，燕麦叶片qP和NPQ逐渐提高。水分胁迫会导致qP值显著降低，NPQ值则出现显著提升，表明水分胁迫下燕麦光能利用率上升，热量散失减少。喷施HA后相比于CK，qP和NPQ值会有所提高，提高范围分别为0.1%～68.30%和6.02%～73.36%，表明在干旱胁迫下HA会进一步提高燕麦对光能的利用效率，减少热量散失。喷施HA后，同样只在重度干旱胁迫条件下二者均差异显著（P<0.05）。综合以上结果说明，干旱胁迫对燕麦光反应中心造成了伤害，且干旱胁迫程度越大对植株的伤害越大，而喷施HA则会在一定程度上缓解胁迫对光反应中心造成的伤害，提高燕麦光能利用率，且重度干旱胁迫条件下HA效果最佳。

3 讨 论

叶绿素是植物进行光合作用的物质基础，叶绿素量的多少会影响植物光合作用能力。Chla/Chlb可反映出叶绿素a与叶绿素b对胁迫的敏感性及胁迫对二者的伤害程度，本试验研究发现，干旱胁迫导致燕麦叶片Chla/Chlb降低，说明叶绿素b对干旱胁迫的敏感性更大。总叶绿素量标志着该生命体光合能力的强弱，一般情况下，干旱胁迫会导致植物叶片失水，进而抑制叶绿素的生物合成，并促进已合成的叶绿素分解，使叶片叶绿素量下降，从而影响植株的光合作用[26-28]。但也有研究发现，干旱胁迫会使植物叶绿素量增加，可能是因为干旱胁迫使叶片含水率降低，叶片扩展生长受阻，叶片单位面积的叶绿素量升高[29]。这2种不同的研究结果表明植物处于逆境时的叶绿素量变化趋势可能与植物本身的耐旱性有关，本试验中，重度干旱胁迫导致燕麦叶片总叶绿素量急剧下降，说明燕麦已无法适应重度干旱胁迫环境。施用适量的腐植酸会增加作物叶片叶绿素量[30]，小麦经腐植酸浸种后，使叶片叶绿素量提高，提高Chla/Chlb[31]。本研究得出，干旱胁迫下喷施腐植酸后，燕麦叶片Chla+Chlb和Chla/b均有不同程度的提高，与张金政等[26]、梁文斌等[27]的研究结果Chla/Chlb一致，同时腐植酸可以提高不同水分胁迫处理油菜叶绿素量[32]，在重度干旱胁迫下喷施腐植酸后，燕麦叶片Chla+Chlb和Chla/b的提高幅度最大。

本试验中，燕麦Fo上升，Fm和Fv下降，说明干旱胁迫降低了PSⅡ反应中心原初电子受体QA的还原能力，QA→QB的能力下降，电子传递活性降低[33-36]。植物在逆境条件下或受到伤害时Fv/Fm 会明显下降。干旱胁迫下燕麦Fo升高，尤其以重度干旱胁迫下升高幅度最大，说明干旱胁迫严重破坏光反应系统的稳定性，使其光合速率降低[37]。干旱胁迫使PSⅡ捕光色素蛋白复合体（LHC-Ⅱ）量下降，使LHC-Ⅱ捕光色素吸收的能量减少[38]，从而导致叶绿体激发能LHC-Ⅱ向PSⅡ的传递减少，以至光合电子由PSⅡ反应中心向QA、QB及PQ库传递过程受到影响[39]，本研究中Fv/Fm和Fv/Fo的显著下降（P<0.05），表明干旱胁迫使燕麦PSⅡ反应中心受到伤害，抑制了燕麦PSⅡ的潜在活性并降低了PSⅡ的原初光能转换效率，从而使燕麦光合作用的原初反应受到抑制[40]。荧光淬灭包括光化学淬灭qP和非光化学淬灭NPQ。qP反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学传递的份额，也表示PSⅡ天线色素吸收的光能用于暗反应固定能量的部分，其值越高表示PSII的电子传递活性越大，光能中转变为活泼化学能的能量越多，植物对光能的利用效率也越高[41]。NPQ反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合传递而以热的形式耗散掉的部分[42]，其值大小表示光合机构的损伤程度[43]。NPQ在植物吸收光能过多情况时起到一定的自我保护作用[44-45]。本试验发现，干旱胁迫导致燕麦qP逐渐下降，NPQ逐渐上升，可能原因是干旱胁迫破坏了PSⅡ的反应中心系统，导致燕麦叶片光化学活性降低，并且干旱逆境下使燕麦减少热量散失，提高了光能利用率，这与孙雅丽等[46]在越桔上的研究结果类似。

腐植酸处理明显提高了小麦灌浆后期旗叶的光能转化效率（Fv/Fm）和反应中心的光化学活性（Fv/Fo），尤其以旱作条件下增加幅度较高[29]，本试验结果显示，从燕麦的拔节期到灌浆期，干旱胁迫下腐植酸均可以提高其Fv/Fm和Fv/Fo，且重度干旱胁迫条件下提高幅度最大，验证了上述研究结果。

4 结 论

干旱胁迫显著降低燕麦叶片总叶绿素量、Chla/Chlb、最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv）、PSⅡ原初光能转化效率（Fv/Fm）、PSⅡ的潜在活性（Fv/Fo）和光化学淬灭（qP），而提高了最小荧光（Fo）和非光化学淬灭（NPQ）。喷施腐植酸可缓解干旱胁迫对叶绿素荧光反应的影响，且与正常供水和中度胁迫相比，重度干旱胁迫条件下腐植酸的抗旱效果最佳。