干旱胁迫下4种报春苣苔属植物叶绿素荧光特性的比较

史莹莹，何 栋，姚晓妍，罗 乐，张启翔

(1.花卉种质创新与分子育种北京市重点实验室，北京 100083； 2.国家花卉工程技术研究中心，北京 100083； 3.城乡生态环境北京实验室，北京 100083； 4.北京林业大学 园林学院，北京 100083)

水分是植物生长发育的重要环境因子，当其不能满足植物需要量时，便会造成干旱胁迫。叶绿素荧光能够用于植被生理、生长及各种胁迫监测[1]。近年来，关于干旱胁迫对叶绿素荧光影响的研究已有大量报道[2-4]。研究表明，干旱胁迫会使叶片PSⅡ的结构与功能受到一定程度的损伤和破坏[5-8]。陈雪妮等[9]研究发现，随着干旱胁迫的加剧，蓝莓的初始荧光(Fo)、非光化学淬灭(NPQ)呈上升趋势，最大荧光(Fm)、最大光化学效率(Fv/Fm)、光化学淬灭(qP)等参数呈下降趋势。张国盛等[10]研究发现，沙柳等固沙树种的相对光合电子传递速率(ETR)、Fv/Fm随着土壤体积含水量的降低而降低，且Fv/Fm对土壤水分变化响应最为敏感。赵丽丽等[11]对百脉根干旱胁迫的研究发现，随着干旱胁迫天数的增加，Fv/Fo、Fv/Fm、实际光量子产量(Yield)和qP等荧光参数均呈下降趋势，部分百脉根种质NPQ呈现先升高后降低的趋势。可见，叶绿素荧光参数对干旱胁迫的响应非常敏感。

苦苣苔科(Gesneriaceae)植物种类丰富，地理分布广泛，中国是世界苦苣苔科分布的一个中心，报春苣苔属(Primulina)为苦苣苔科的优势属之一，以叶形奇特、花色艳丽著称，是重要的观赏植物资源[12]。目前，人们对报春苣苔属的研究主要集中在分类系统修订[13-14]、传粉生物学[15-16]、新品种选育[17-18]、繁殖栽培[19-21]等方面，部分学者对苦苣苔科植物的发育及抗逆性相关的生理生化进行了研究[22-24]，其干旱胁迫下的叶绿素荧光特性的变化未见报道。鉴于此，通过盆栽自然干旱的方法，比较干旱胁迫下4种报春苣苔属植物的叶绿素荧光变化特点，为其水分栽培管理、抗旱性育种提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设计

试验于北京市国家花卉工程技术研究中心玻璃温室中进行。采用型号为L99-LXWS的温湿度照度记录仪记录玻璃温室的最高温(31.7 ℃)、最低温(6.0 ℃)、年平均气温(18.2 ℃)，相对湿度最大值(100%)、最小值(18.8%)、平均值(78.3%)，光照强度最大值(30 070 lx)、最小值(0)、平均值(1 640 lx)。

采用盆栽自然干旱法，选取生长良好、长势一致的4种报春苣苔(表1)各36株植株，其基质配比为V(草炭)∶V(珍珠岩)=2∶1，栽植于0.17 m×0.15 m的花盆中，缓苗期间保持土壤含水量在75%以上，时间持续1个月左右。试验前1 d对所有的植株进行浇水，使基质处于饱和含水状态，以浇透水后1 d作为干旱胁迫的基点。试验设4个处理，每个处理3盆，重复3次，分别在自然干旱0 d(土壤含水量75%以上)、15 d(土壤含水量50%～60%)、30 d(土壤含水量30%～40%)、45 d(土壤含水量10%以下)的固定时间段内连续测定叶绿素荧光参数，并记录

表1 研究材料及简称Tab.1 Research materials and abbreviations

4种报春苣苔的形态变化特征。

1.2 叶绿素荧光参数的测定

在温室自然遮光的条件下，使用PAM-2500叶绿素荧光仪对叶片进行活体测定，选择从外轮开始数的第2轮成熟、健康的3片叶子，试验重复3次，于8:00开始，11:30结束，测定开始前，先用暗适应叶夹DLC-8使叶片暗适应15～20 min。测定参数包括Fo、Fm、Fv/Fm、qP、NPQ、ETR。

1.3 数据处理

使用Microsoft Excel 2010和Graphpad Prism 7.0软件整理数据和作图，采用SPSS 20.0统计软件进行单因素方差分析，采用Duncan法进行差异显著性比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下4种报春苣苔属植物Fo和Fm的对比

从图1可以看出，YF、XN、QMX在不同干旱时间的Fo值均无显著差异(P>0.05)。JE呈先降低后升高的变化趋势，干旱0、15、45 d之间无显著差异(P>0.05)，而干旱30 d的Fo值比0 d显著下降18.3%(P<0.05)。JE、XN在不同干旱时间的Fm值均无显著差异(P>0.05)；而YF在干旱0、15、30 d之间无显著变化(P>0.05)，干旱45 d的Fm值比0 d显著降低12.20%(P<0.05)，QMX的Fm值呈先升高后降低的趋势，与0 d相比，干旱15、30、45 d均无显著差异(P>0.05)。

同种植物同一参数的不同小写字母表示处理间存在显著性差异(P<0.05)。图2—3同

2.2 干旱胁迫下4种报春苣苔属植物Fv/Fm和ETR的对比

从图2可以看出，YF在不同干旱时间的Fv/Fm均无显著差异(P>0.05)。JE呈先升高后降低的趋势，与0 d相比，干旱15、45 d均无显著差异(P>0.05)，而干旱30 d的Fv/Fm比0 d显著增长4.50%(P<0.05)。XN的变化趋势为先升高后降低，干旱0、30、45 d之间均无显著差异(P>0.05)，干旱15 d的Fv/Fm比0 d显著增长3.93%(P<0.05)。QMX呈先升高后降低的变化趋势，干旱0、15、30 d之间无显著差异(P>0.05)，干旱45 d的Fv/Fm比0 d显著下降4.15%(P<0.05)。

从图2得知，4种报春苣苔的ETR在不同干旱时间内均有显著差异。JE呈先降低后升高的变化趋势，干旱0 d与45 d无显著差异(P>0.05)，干旱15、30 d分别比0 d显著下降18.49%、15.82%(P<0.05)。YF的变化趋势为先降低后升高再降低，ETR值从高到低的顺序依次为0 d>30 d>15 d>45 d，与0 d相比，干旱15、30、45 d分别显著下降17.40%、7.64%、25.53%(P<0.05)。XN也呈先降低后升高再降低的变化趋势，干旱0 d与30 d无显著差异(P>0.05)，而干旱15、45 d分别比0 d显著下降27.58%、31.46%(P<0.05)。QMX的变化趋势与XN相同，干旱0 d与30 d无显著差异，干旱15 d与45 d无显著差异(P>0.05)，但与0 d相比，分别显著下降20.03%、17.16%(P<0.05)。

图2 干旱胁迫对4种报春苣苔属植物Fv/Fm、ETR的影响Fig.2 Effects of drought stress on four species of Primulina Fv/Fm,ETR

2.3 干旱胁迫下4种报春苣苔属植物NPQ和qP的对比

从图3可以看出，4种报春苣苔在不同干旱时间的NPQ值均有显著变化。JE呈先升高后降低的趋势，干旱15 d与30 d分别比0 d显著增长130.00%、104.84%(P<0.05)，干旱45 d的NPQ最低，比0 d显著降低35.16%(P<0.05)。YF的变化趋势为先升高后降低再升高，不同干旱时间的NPQ均有显著差异(P<0.05)，从高到低的顺序依次为45 d>15 d>30 d>0 d，干旱15、30、45 d分别比0 d显著增长274.85%、104.09%、373.68%(P<0.05)。XN呈先升高后降低再升高的变化趋势，干旱0 d与30 d之间无显著差异(P>0.05)，干旱15 d与45 d分别比0 d显著增长71.29%、54.26%(P<0.05)。QMX的变化趋势与XN相同，与0 d相比，干旱15、45 d分别显著增长228.23%、175.12%(P<0.05)。

由图3可知，JE与YF在不同干旱时间的qP均无显著差异(P>0.05)。XN呈先降低后升高再降低的趋势，干旱0 d与30 d无显著差异(P>0.05)，干旱15、45 d分别比0 d显著下降9.38%、12.54%(P<0.05)。QMX的变化趋势为先降低后升高再降低，干旱0 d与45 d无显著差异(P>0.05)，干旱15 d的qP比0 d显著降低6.92%(P<0.05)，干旱30 d的qP比0 d显著上升2.64%(P<0.05)。

图3 干旱胁迫对4种报春苣苔属植物NPQ、qP的影响Fig.3 Effects of drought stress on four species of Primulina NPQ,qP

3 结论与讨论

3.1 不同干旱时间下Fo和Fm的变化

Fo为初始荧光，也称基础荧光，是PSⅡ反应中心处于完全开放时的荧光产量[25]，即原初电子受体QA全部氧化时的荧光水平[9]。多数研究者认为，PSⅡ反应中心的破坏可以导致初始荧光Fo增高，天线复合体的热耗散可以引起Fo降低[26]；也有学者认为，Fo增高未必是反应中心受到破坏的结果，当引起Fo变化的多种因素同时存在时，其变化的方向取决于占优势的那个因素[27]。本研究中，永福报春苣苔、翔鸟报春苣苔、启明星报春苣苔随着干旱胁迫的加重，Fo均无显著变化，表明连续45 d的干旱胁迫并未对这3种报春苣苔的PSⅡ反应中心造成破坏，其植物体内有一系列光破坏防御机制在发挥作用[7]，也可以说，干旱胁迫并不是Fo变化的主要因素。尖萼报春苣苔在干旱15、45 d时的Fo与0 d无显著差异，而在干旱30 d时，Fo显著降低，表明尖萼报春苣苔的Fo变化可能存在自我调节机制，植物在达到干旱30 d时，体内的捕光色素吸收的光能已超过光化学反应的需要，为了避免光合机制受到破坏，天线复合体通过热耗散途径把多余光能耗散掉，45 d时尖萼报春苣苔的光合机制又恢复到正常水平。

Fm为最大荧光产量，是PSⅡ反应中心完全关闭时的荧光产量，反映的是通过PSⅡ的电子传递情况。Fm的降低是光抑制的一个重要特征，当植物的光合机构所接受的光能超过光合作用所能利用的数量时，光合功能便降低，即所谓的光抑制[8]。本研究中，尖萼报春苣苔、翔鸟报春苣苔和启明星报春苣苔在不同干旱时间的Fm与0 d相比，均无显著变化。永福报春苣苔的Fm在干旱45 d时显著下降，说明长达45 d的干旱使永福报春苣苔的光合功能下降。

3.2 不同干旱时间下Fv/Fm和ETR的变化

Fv/Fm为最大光能转换效率，可以反映光反应中心PSⅡ将光能转化为化学能的效率。Fv/Fm在没有遭到环境胁迫时其值是比较恒定的，逆境胁迫时会出现下降现象，降幅越小，发生光抑制的程度越小，所以该比值被认为是表明光抑制程度的良好指标和探针[9-11]。也有研究表明，在轻度水分胁迫、中度水分胁迫下，没有光合机构持久破坏的证据，Fv/Fm没有明显降低的现象[26]，有关研究证明，对光合作用造成影响的气孔限制因素并不会影响PSⅡ的初级光化学反应效率[28]。本研究中，连续45 d的干旱并没有影响永福报春苣苔的光能利用率，说明干旱胁迫45 d后其光合机制没有遭到破坏，或者在此期间影响永福报春苣苔Fv/Fm的主要因子为气孔限制。尖萼报春苣苔在干旱30 d显著高于0 d，而翔鸟报春苣苔则在干旱15 d显著高于0 d，且前者的升高幅度大于后者，表明二者分别在干旱30 d和15 d后的光化学效率最佳，但尖萼报春苣苔干旱胁迫后的最佳光化学效率高于翔鸟报春苣苔。启明星报春苣苔的Fv/Fm值在干旱45 d出现显著下降趋势，说明干旱45 d对其最大光能转换效率影响最大，此时的光化学反应速度最慢。

ETR为相对光合电子传递速率，在一定程度上可以反映其潜在最大光合能力的大小。有关试验证明，水分胁迫可抑制叶绿体的光下质子转移，使光合电子传递速率下降[29]。本研究中，尖萼报春苣苔在干旱15 d与30 d时的ETR均显著低于0 d，干旱45 d又升高至与0 d水平相近，表明轻度与中度干旱只影响其相对光合电子传递速率，但其潜在最大光合能力并未受到影响，自身可以通过一定时期的调节来适应干旱胁迫。永福报春苣苔、翔鸟与启明星报春苣苔均在干旱45 d时显著低于0 d，其中翔鸟报春苣苔的降幅最大，表明翔鸟报春苣苔在干旱45 d后的光合电子传递速率最慢，其潜在最大光合能力可能更小。

3.3 不同干旱时间下NPQ和qP的变化

NPQ为非光化学淬灭系数，是植物为了适应长期或较短时间的水分胁迫而加强激发能的生化机制，其反映的是捕光色素吸收的光能中不用于光化学反应而以热能形式耗散掉的光能部分，过剩的光能如不能及时耗散掉，将会对光合机构造成破坏或使其失活，它是植物的一种自我保护机制，对光合机构起一定的保护作用。qP为光化学淬灭系数，反映的是捕光色素吸收的光能中用于光化学反应的能量，其值越大，说明PSⅡ的电子传递活性越大[25]。这2个指标在一定程度上呈负相关。

4种报春苣苔的NPQ在不同干旱时间呈现先升高后降低或先升高后降低再升高的趋势，说明干旱初期15 d时，PSⅡ反应中心潜在热耗散能力增强，从而避免因捕光色素吸收过量光能而引起光合器官的损伤，与0 d相较，永福报春苣苔15 d时的上升幅度最大，表明其在15 d时的热耗散调节能力更强。永福报春苣苔、翔鸟报春苣苔和启明星报春苣苔在干旱30 d时，NPQ与干旱15 d相比呈下降趋势，即3种报春苣苔的热耗散能力降低，而尖萼报春苣苔干旱15、30 d的NPQ仍显著高于0 d，说明前三者经过热耗散的调节后，光化学反应在30 d时恢复正常，相反，尖萼报春苣苔在干旱15、30 d的电子传递活性qP值持续受到轻度影响，体内积累过剩的光能，因此NPQ持续升高，热耗散能力持续增强。干旱45 d时，胁迫时间较长，永福报春苣苔、翔鸟报春苣苔和启明星报春苣苔的NPQ值相应地增大，耗散体内剩余光能，其中永福报春苣苔的NPQ值上升幅度最大，比0 d显著增长373.68%，而翔鸟报春苣苔仅增长54.26%，表明在干旱后期45 d时，永福报春苣苔的热耗散能力最强，翔鸟报春苣苔相对较弱。较其他3种植物而言，尖萼报春苣苔45 d时的NPQ却显著降低，但其qP值无显著变化，可能是其吸收的光电子全部用于光化学反应，体内无过多的光能，也可能由于尖萼报春苣苔体内的捕光色素含量降低，影响光电子的吸收。

尖萼报春苣苔、永福报春苣苔在整个干旱期间的qP值均无显著差异，表明PSⅡ的电子传递活性并未受到干旱胁迫的影响。翔鸟报春苣苔和启明星报春苣苔的qP值均呈现先降低后升高再降低的趋势，表明二者的qP值对于干旱胁迫比较敏感，在干旱初期电子传递活性均受到轻度影响，光能利用率降低。干旱30 d时，翔鸟报春苣苔的qP值上升至与0 d无显著差异，而启明星报春苣苔的qP值显著高于0 d，说明随着干旱时间延长，二者逐渐适应缺水环境，通过自身热耗散来调节光能利用率，但启明星自身热耗散调节能力强于翔鸟报春苣苔。干旱后期45 d时，翔鸟报春苣苔的电子传递活性也比启明星更慢。