不同土壤含水率对红豆杉幼苗叶片气体交换和叶绿素荧光特性的影响

张玉豪，姚素梅，孟 丽，邓 哲

(河南科技学院生命科技学院,河南 新乡 453003)

红豆杉具有珍贵的药用价值，是我国一级重点保护植物，其主要有效药用成分紫杉醇能够抑制癌细胞的繁殖与转移，对癌症有很好的疗效[1-3]。如今，癌症患者的数量不断增加，紫杉醇的需求量逐渐增大，由于通过组织培养或真菌发酵等途径获取紫杉醇的成本高、产量低、步骤复杂，因此，从红豆杉属植株中直接提取紫杉醇是解决紫杉醇供应不足的有效途径[4-6]。但由于红豆杉生长缓慢，且对生长环境有很高的要求，野生红豆杉资源十分有限。近些年野生红豆杉被人类大肆采伐，致使野生红豆杉呈濒危状态[7]。土壤水分是影响植物生长发育的重要因素之一[8]，探究出适合红豆杉生长的土壤含水率阈值对红豆杉人工驯化栽培技术的研究具有十分重要的意义。但前人对红豆杉栽培技术的研究多集中在不同土壤基质[9]、光照[10]和温度[11]对红豆杉生理和生长的影响，而不同土壤含水率对红豆杉幼苗光合特性影响的研究不够深入且报道甚少，本试验通过设定不同的土壤含水率阈值，研究不同土壤含水率对红豆杉幼苗叶片气体交换参数和叶绿素荧光特性的影响，为红豆杉的人工驯化栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年3—6月在位于河南省新乡市的河南科技学院药用植物栽培场(113°54′E,35°18′N)进行，该地属大陆性季风气候，多年平均降水量600 mm左右，多年平均气温14.4℃。栽培场顶部采用铁皮棚进行遮雨，四周用6针型遮阳网进行遮阴处理，遮阳棚用钢架制造，高约3 m，红豆杉幼苗盆栽所用盆的直径和高度均为30 cm。

1.2 试验设计

试验以30盆生长一致的5 a生太行红豆杉幼苗盆栽为材料，将红豆杉幼苗盆栽分成5组并均匀放置在阴凉通风的防雨棚中，用称重法将5组红豆杉幼苗的土壤含水率阈值分别控制在田间持水率的90%～100%(W1)、80%～90%(W2)、70%～80%(W3)、60%～70%(W4)、50%～60%(W5)。每2 d测量1次土壤含水率，若土壤含水率低于设定的阈值下限则浇水至阈值上限。其中红豆杉幼苗盆栽所用基质的成分是稻壳∶土∶鸡粪=3∶3∶1，其田间持水率为21%(质量含水率)。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 红豆杉幼苗叶片气体交换参数和叶绿素相对含量(SPAD值)的测定 采用Li-6400型便携式光合测定仪于晴朗天气的上午9∶00—11∶00随机选取各处理具有代表性的植株3株测定其叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)等叶片气体交换参数。由于红豆杉叶片较小不能铺满叶室，测量时同时夹取4片叶子，使其相互平行不重叠且与叶室垂直，测量上述各指标后用游标卡尺测量叶片宽度，换算出实际叶面积，用于数据处理。采用日本产SPAD-502型叶绿素仪测定红豆杉叶片的叶绿素相对含量，测量时，所有处理在同一冠层处选取叶片，每个处理选取10片叶片，每片叶用叶绿素仪重复测定20次，取其平均值(SPAD值)。

1.3.2 红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光参数和快速光曲线(r(ETR-PAR))的测定 采用德国WALZ公司生产的PAM-2500型便携式叶绿素荧光仪于晴天上午9∶00—11∶00测量红豆杉幼苗叶片的叶绿素荧光参数和快速光曲线。测量时，选择各处理相同冠层处的叶片进行活体测量。测量前先将暗适应叶夹夹在叶片上，让叶片进行20 min以上的暗适应，然后测量叶片的慢速动力学曲线，得到F0、Fm、qP、NPQ、ETR和Y(Ⅱ)等荧光参数，并根据所测定的荧光参数计算最大光合量子产量Fv/Fm(Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm)和PSⅡ潜在活性Fv/F0(Fv/F0=(Fm-F0)/F0)。测量快速光曲线时，将光合有效辐射PAR分别设置为0、1、5、30、63、100、140、197、270、362、473、618、784、980、1 159、1 385、1 662 μmol·m-2·s-1。采用1980年Platt等[12]提出的拟合方程(式1)对快速光曲线进行拟合：

P=Pm·(1-e-α·PAR/Pm)·e-β·PAR/Pm

(1)

式中，P为光合速率，即相对电子传递速率rETR，Pm为最大光合速率，即最大相对电子传递速率rETRmax，α为初始斜率，β为光抑制参数。

半饱和光强(Ik) 的计算公式为:

Ik=Pm/α

1.3.3 红豆杉幼苗生长状况的测定 于试验结束前测量各处理红豆杉幼苗的株高、地茎和叶面积指数(LAI)等生长指标。从盆栽的盆沿处到植株顶端的距离记为红豆杉幼苗的株高。与盆栽盆沿等高处的株干直径为红豆杉幼苗的地径。采用LAI-2200型冠层分析仪于每日的日出前或日落后光线比较均匀时测量各处理的叶面积指数(LAI值)。

1.4 数据分析与处理

采用SAS统计软件中的ANOVA过程对数据进行方差分析。利用Microsoft Excel 2013对数据进行处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同土壤含水率对红豆杉幼苗叶片气体交换参数和SPAD值的影响

从表1得知，随着土壤含水率的下降红豆杉幼苗叶片的SPAD值呈先升高后下降趋势，W2处理的SPAD值最大且与W1、W4和W5处理差异显著。各处理间净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的变化趋势与叶绿素相对含量的趋势基本相似，均在W2处理达到最大值，分别比W1增长了24.65%、19.71%和49.37%，比W5增长了53.03%、35.91%和85.60%。但各处理叶片的胞间CO2浓度无显著差异，表明土壤含水率过高和过低均不利于红豆杉幼苗叶片叶绿素的积累和气孔的开放，使叶片的净光合速率下降。其中，W2处理的红豆杉幼苗叶片SPAD值和净光合速率最大，有利于红豆杉幼苗光合作用的进行。

2.2 不同土壤含水率对红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响

2.2.1 不同土壤含水率对红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光参数F0、Fm、Fv/F0和Fv/Fm的影响PSⅡ最大光合量子产量Fv/Fm能够反映出PSⅡ最大光能转化效率，在植物未受到胁迫时，Fv/Fm的数值一般在0.8左右[13]。从图1得知，本试验中，各处理Fv/Fm的数值均在0.8左右且无显著差异，各处理红豆杉幼苗叶片的初始荧光产量F0、最大荧光产量Fm和PSⅡ潜在活性Fv/F0均无显著差异。表明50%～100%的土壤含水率均未能使红豆杉幼苗叶片的光合机构受到损伤，低土壤含水率处理的红豆杉幼苗叶片PSⅡ仍保持较高的潜在活性。

2.2.2 不同土壤含水率对红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光参数qP、NPQ、ETR和Y(Ⅱ)的影响 光化学淬灭系数qP可表示叶绿素吸收的光能用于光化学反应的大小，能够反映出植物PSⅡ反应中心将光能转化成电势能的能力[14]。非光化学淬灭系数NPQ能够表示光合色素吸收的光能以热能的形式散去的部分，在干旱等逆境环境下，NPQ数值增大，植物通过增大热耗散来避免过剩光能对光合系统造成损伤[15-16]。电子传递速率ETR能够反映实际光强条件下的表观电子传递速率[17]，实际光化学效率Y(Ⅱ)常用来表示植物光合作用电子传递的量子产额，可反映出植物叶片光合电子传递速率的快慢[18]。从图2得知，随着土壤含水率的降低，红豆杉幼苗叶片qP、ETR和Y(Ⅱ)的趋势先升后降，在W2处理处达到最大值，分别比W5增长了15.38%、30.74%和21.76%。随着土壤含水率的下降，红豆杉幼苗叶片NPQ升高，叶片热耗散能力增加，W5的NPQ值达1.4347，比W1增长了36.78%，且差异显著。表明W2处理能够显著增大PSⅡ反应中心的开放程度，有利于光能向电势能的转化，增大了电子传递速率。随着土壤含水率的降低，红豆杉幼苗通过增大热耗散的形式抵御干旱，避免红豆杉幼苗光合系统受到损伤。

表1 不同处理红豆杉幼苗叶片气体交换参数和SPAD值

注: 图中不同小写字母表示处理间差异显著( P<0.05) 。下同。 Note: The different lowercase letters in the figure indicate the significant difference among treatments (P<0.05). The same below.图1 不同处理的红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光参数F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0Fig.1 Chlorophyll fluorescence parameters F0, Fm, Fv/Fm, and Fv/F0 in leaves ofTaxus chinensis seedlings under different treatments

图2 不同处理的红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光参数qP、NPQ、ETR和Y(Ⅱ)Fig.2 Chlorophyll fluorescence parameters qP, NPQ, ETRand Y(Ⅱ) in leaves ofTaxus chinensis seedlings under different treatments

2.2.3 不同土壤含水率对红豆杉幼苗叶片快速光曲线(r(ETR-PAR))的影响 由图3可知，5个处理的rETR快速光拟合曲线趋势相似，W1和W5处理的rETR快速光拟合曲线基本一致，各处理rETR随PAR的增大迅速升高，当PAR>400 μmol·m2·s-1时，rETR增速放缓，之后趋于稳定。W2处理的红豆杉幼苗叶片rETR值最大，W5处理的红豆杉幼苗叶片rETR值最小，W1、W3和W4处理的红豆杉幼苗叶片rETR值位于W2和W5处理之间。从表2可知，各处理的拟合参数最大相对电子传递速率rETRmax值和半饱和光强Ik值存在显著差异，初始斜率α值无显著差异，其中，W5处理的rETRmax和Ik数值最小，W2叶片rETRmax和半饱和光强Ik数值最大，与W1、W3、W4和W5相比，W2叶片rETRmax增长了24.40%、4.93%、12.60%和26.15%，Ik增长了25.06%、7.70%、18.20%、和27.08%。初始斜率α能够表示光化学反应的启动速率，半饱和光强Ik能够表示植株的耐强光能力[19-20]。试验表明，50%～100%的土壤含水率未能影响红豆杉幼苗叶片光化学反应的启动速率，但W2处理能够显著增大红豆杉幼苗叶片的rETRmax和耐强光能力，使红豆杉幼苗叶片有较强的光合电子传递能力。

图3 不同处理的红豆杉幼苗叶片rETR快速光曲线Fig.3 Rapid light curveof rETR in leaves of Taxus chinensis seedlings under different treatments

2.3 不同土壤含水率对红豆杉幼苗生长状况的影响

从表3得知，不同土壤含水率能够显著影响红豆杉幼苗的生长状况，不同处理的红豆杉幼苗株高、地径和叶面积指数LAI值均于试验后期出现差异。其中，W2处理的红豆杉幼苗株高、地径和叶面积指数LAI值最大，分别为58.95 cm、7.76 mm和4.01，且与其他处理差异显著，W1处理的红豆杉幼苗株高显著低于W2～W4处理，地径显著低于W2～W3处理,W5处理的红豆杉幼苗各生长指标最小且与其他处理差异显著，表明土壤含水率过高和过低均不利于红豆杉幼苗的生长，W2处理为适合红豆杉幼苗生长的土壤含水率阈值。

3 讨 论

土壤水分状况能够显著影响植物叶片的光合特性，适宜的土壤水分含量可使植物的光合效率达到最大，而土壤水分含量过高或过低均会使植物的光合效率降低[21-22]。本试验中，不同土壤含水率对红豆杉幼苗的叶片气体交换参数有着显著影响。红豆杉幼苗叶片的叶绿素相对含量、气孔导度、蒸腾速率和净光合速率均在土壤含水率阈值为W2时达到最大值，当土壤含水率阈值为W1、W4和W5时，叶绿素相对含量开始显著下降，而气孔导度在W5处理时才开始显著降低，可能是因为叶片气孔开度的变化与蒸腾量和根系吸水等因素有关[23]，W5处理土壤含水率低，根系吸水量小于蒸腾量，叶片通过减小气孔的开放程度来应对干旱环境。叶绿素荧光作为光合作用的探针, 能够反映出叶片光能吸收和光化学反应等光合作用过程[24-25]，且可以在不破坏叶片的前提下快速、准确地判断植物的光合特性、受胁迫状态和光保护能力[26]。本试验中，各处理红豆杉幼苗叶片F0、Fm、Fv/Fm、Fv/F0和初始斜率α等参数无显著差异，NPQ呈上升趋势，表明5个处理的红豆杉幼苗叶片光合机构未受到破坏，低土壤含水率处理的红豆杉幼苗叶片可以通过增加热耗散的方式抵御干旱环境，从而使PSⅡ反应中心仍保持较高的潜在活性和光化学反应启动速率。但在W2土壤含水率阈值下，红豆杉幼苗叶片的PSⅡ反应中心开放程度最大，电子传递速率最快，叶片的耐强光能力最大，可以将捕获的光能最大程度地转化成电势能，从而提升了红豆杉幼苗叶片的光合电子传递能力，增强红豆杉幼苗的光合能力。因此，土壤含水率阈值为W2时有利于红豆杉幼苗光合作用的进行。

表2 不同处理红豆杉幼苗叶片快速光曲线Platt模型拟合参数

表3 不同处理的红豆杉幼苗生长性状

植物光合作用的增强会促进植物干物质的积累，从而改善植物的生长状况，提升作物的产量[27]。本试验中，不同土壤含水率对红豆杉幼苗的光合作用影响显著，在试验后期，各处理红豆杉幼苗株高、地径和叶面积指数LAI值等生长指标均表现出了差异。其中，在W2土壤含水率阈值下，红豆杉幼苗的株高、地径和叶面积指数LAI值达到最大，且与其他各处理相比差异显著，因此，在试验土壤含水率阈值范围内，W2处理是适合红豆杉幼苗生长的最佳土壤含水率阈值。

4 结 论

1)不同土壤含水率能够显著影响红豆杉幼苗的叶片气体交换参数和叶绿素荧光特性。红豆杉幼苗叶片叶绿素相对含量、气孔导度、净光合速率和蒸腾速率在W2处理达到最大值，且W2土壤含水率处理下红豆杉幼苗叶片qP、ETR和Y(Ⅱ)值最高。随着土壤含水率的下降，红豆杉幼苗叶片NPQ升高，叶片热耗散能力增强，W5 处理的NPQ值达1.4347。W2显著增大了叶片rETRmax和半饱和光强Ik，因此，在试验阈值范围内，土壤含水率阈值为W2时有利于红豆杉幼苗光合作用的进行。

2)不同土壤含水率能够显著影响红豆杉幼苗的生长状况。W2处理的红豆杉幼苗株高、地径和叶面积指数LAI值最大，分别为58.95 cm、7.76 mm和4.01,且与其他处理差异显著。因此，在试验阈值范围内，土壤含水率阈值为W2时(田间持水率的80%～90%)最适合红豆杉幼苗的生长。