旺长期水分胁迫对红麻叶片中叶绿素和胡萝卜素含量的影响

张丽霞，郭晓彦，史鹏飞，聂良鹏，张琳，李梅，凌敬伟，杨光，吕玉虎，潘兹亮*，易红岩，陈红，李平

（1.信阳市农业科学院，河南 信阳 464000；2.信阳市土壤肥料工作站，河南 信阳 464000）

叶绿素是植物进行光合作用的物质基础，其含量可以反映植物的光合能力与生长情况［1］。水分不足可引起植物体内叶绿素含量发生变化，因此，水分胁迫下叶绿素含量的变化是植物对水分胁迫反应敏感的生理指标之一［2］。目前，有关水分胁迫影响作物叶绿素含量的研究国内已有大量报道［3-13］，董守坤等［4］研究了干旱胁迫对春大豆的影响，发现随着干旱胁迫程度的加强，叶绿素含量呈下降趋势；黄承建等［5］研究了干旱胁迫对苎麻叶绿素含量的影响，发现干旱胁迫降低了苎麻叶绿素含量，降低幅度和显著程度取决于干旱胁迫程度和干旱持续的时间；王蕾等［6］研究了干旱胁迫对3个烤烟品种叶绿素含量的影响，发现3个烤烟品种的叶绿素含量随干旱胁迫程度的推进呈现先上升后下降的趋势。

红麻（Kenaf）是锦葵科（Malvaceae）木槿属（Hibiscus）一年生韧皮纤维作物，是麻纺和造纸的重要原料，具有纤维产量高、耐旱、耐盐碱、耐贫瘠、抗逆性强、适应性广、易栽培等特点，在麻纺、造纸、板材、动物饲料、可降解地膜、食用和药用等领域被广泛开发利用［14］。目前国内对红麻的研究多集中在基因测序、重金属修复、品种选育和栽培技术等方面，有关水分胁迫对红麻叶绿素等影响的研究较少。基于此，本文着重研究了不同水分胁迫条件下红麻叶绿素的变化，以期揭示水分胁迫对红麻叶绿素的响应机制及对策，为豫南气候条件下抗旱节水栽培提供实践指导，并为红麻抗旱指标的选取和红麻抗旱性研究提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验所采用的红麻品种为杂红992，由信阳市农业科学院和广西大学共同培育。试验所用试剂均为分析纯。

1.2 试验设计

试验采用盆栽方法进行，试验期间搭遮雨棚。瓦盆规格为28 cm×40 cm，内装13 kg风干沙土，沙土中有机质含量 29.32 g/kg，碱解氮 60.87 mg/kg，有效磷 184.21 mg/kg，速效钾 137.77 mg/kg，pH 5.7，土壤田间最大持水量26%。设置4个土壤水分处理组：正常灌水（CK），含水量为土壤最大持水量的75%～80%；轻度胁迫（LS），含水量为土壤最大持水量的60%～65%；中度胁迫（MS），含水量为土壤最大持水量的40%～45%；重度胁迫（SS），含水量为土壤最大持水量的20%～25%。土壤含水量根据GB7172-1987采用（105±2）℃烘干法测定。每个处理重复4次，每重复4盆，每盆留4株麻苗。试验采用称重法控水，分别于每天早上7：00和傍晚18：00各称重1次，并补充水分，保持各处理的土壤含水量基本稳定。各处理除水分外的其他管理措施均一致。

1.3 叶绿素及类胡萝卜素含量测定

叶绿素及类胡萝卜素含量的测定参照王学奎［15］的方法进行。红麻旺长期分别于水分处理后5、10、15、20 d取红麻植株顶部倒数第6～7叶，去除叶脉后剪碎、混匀。取剪碎混匀后的红麻叶片0.2 g置于研钵中，加少量石英砂和碳酸钙粉及95%乙醇2～3 mL，研磨成匀浆，再加95%乙醇10 mL，继续研磨至组织变白，静置3～5 min。滤纸过滤除渣后，滤液用95%乙醇定容至25 mL。以95%乙醇为空白，用紫外可见分光光度计（1 cm比色槽）测定定容后的滤液在665、649、470 nm波长下的吸收值。叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a＋b）和类胡萝卜素含量采用下列公式计算，并以mg/g表示。

式中：

A665、A649、A470—相应波长下的最大吸收峰值；

V—提取液的体积，mL；

N—稀释倍数；

W—叶片鲜重，g；

Ca—叶绿素 a含量，mg/L；

Cb—叶绿素 b含量，mg/L。

1.4 数据统计及分析

采用Excel 2007进行图表制作，采用SAS8.0对数据进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对红麻叶片中叶绿素a含量的影响

由图1可知，随着胁迫时间的延长，CK和LS处理下，红麻叶片中叶绿素a含量呈下降的趋势；而MS处理和SS处理下，红麻叶片中叶绿素a含量则表现为先降低后升高。胁迫5 d时，SS处理的叶绿素a含量显著高于对照（CK），且达极显著水平（p＜0.01），而LS处理和MS处理的叶绿素a含量比对照略低，未达到显著水平（p＞0.05）。随着胁迫时间延长，SS处理的叶绿素a含量急速降低，胁迫10 d时，SS处理的叶绿素a含量显著低于CK（p＜0.05），LS处理的叶绿素a含量也有所下降，但和CK比未达到显著水平，MS处理的叶绿素a含量显著低于对照，同时低于LS处理。之后，CK处理的叶绿素a含量继续下降，其他3个处理叶绿素a含量有不同程度回升，胁迫到15 d时，3个处理的叶绿素a含量均高于对照（CK），且达到极显著水平。其中，MS处理回升的幅度最大，其次是SS处理。胁迫从15～20 d的过程中，CK处理叶绿素a含量继续下降，LS处理也有小幅下降，MS处理小幅度上升，SS处理快速上升，胁迫20 d时，SS处理叶绿素a含量显著高于其他3个处理，LS和MS处理之间不显著，但同时高于CK处理，形成SS＞MS＞LS＞CK的趋势。

图1 胁迫时间对不同胁迫处理叶绿素a含量的影响Fig.1 Effect of stress time on chlorophyll-a content under different stress treatments

2.2 水分胁迫对红麻叶片中叶绿素b含量的影响

从图2可见，除LS处理随胁迫时间的延长叶绿素b含量持续下降外，其他2个处理的叶绿素b含量同对照有相同的变化趋势，均随胁迫时间的延长先下将后上升，且随胁迫程度的加深，下降和上升的幅度增加，而且均在胁迫15 d时叶绿素b含量降到最低。胁迫5 d时，SS处理叶绿素b含量略高，其他3个处理几乎相同，处理间未达到显著水平（p＞0.05）。随着胁迫时间的延长，各处理叶绿素b含量的差距加大。胁迫10 d和15 d时叶绿素b含量均呈现LS＞SS＞MS＞CK的趋势，且LS处理叶绿素b含量均显著高于对照，10 d时LS处理叶绿色素b含量和MS、SS处理相比差异不显著（p＞0.05），15 d时相较于MS处理差异显著（p＜0.05），但同SS处理相比不显著；之后LS处理叶绿素b含量继续下降，但其他3个处理叶绿素b含量开始上升，胁迫到20 d时，SS处理叶绿素b含量已超过LS处理，且显著高于其他3个处理（p＜0.01）。MS处理和CK处理叶绿素b含量均稍有增加，且MS处理显著高于CK（p＜0.05），和LS相比未达显著水平（p＞0.05），LS处理持续下降，MS处理叶绿素b含量反超LS处理，胁迫结束，叶绿素b含量的趋势也变为SS＞MS＞LS＞CK。

图2 胁迫时间对不同胁迫处理叶绿素b含量的影响Fig.2 Effect of stress time on chlorophyll-b content under different stress treatments

2.3 干旱胁迫对红麻叶片中叶绿素（a＋b）含量的影响

由图3可看出，叶绿素（a＋b）含量的变化趋势和叶绿素a的变化趋势一致。随着胁迫时间的延长，CK和LS处理下红麻叶片中的叶绿素（a＋b）含量呈下降的趋势，MS和SS处理下红麻叶片中的叶绿素（a＋b）含量先降低后升高。胁迫5 d时，SS和CK处理的叶绿素（a＋b）含量高于LS和MS处理，SS处理叶绿素（a＋b）最高，但和CK处理相比未达显著水平。胁迫到10 d时，SS处理叶片中叶绿素（a＋b）含量显著低于LS处理，和CK处理相比未达显著水平，显著高于MS处理；MS处理叶片中叶绿素（a＋b）含量同时显著低于LS处理，和CK相比不显著，LS处理叶片中叶绿素（a＋b）含量和CK相比不显著。胁迫到15 d，CK处理的叶绿素（a＋b）含量已极显著低于其他3个处理（p＜0.01），而LS处理叶绿素（a＋b）含量显著高于MS和SS处理，MS和SS处理间未达显著水平。之后，CK处理叶绿素（a＋b）含量继续下降，LS处理也有小幅下降，MS处理小幅度上升，SS处理快速上升。胁迫到20 d时，SS处理的叶绿素（a＋b）含量已极显著高于其他3个处理，MS和LS处理也显著高于对照，两处理间差异不显著，SS＞MS＞LS＞CK的趋势再次出现。

图3 胁迫时间对不同胁迫处理叶绿素（a＋b）含量的影响Fig.3 Effect of stress time on chlorophyll（a＋b）content under different stress treatments

2.4 干旱胁迫对红麻叶片中叶绿素 a/b值的影响

图4显示，对照（CK）处理叶片中叶绿素a/b值先升高后降低，且从始至终高于其他处理；LS处理叶绿素a/b值先下降后上升，MS和SS处理叶绿素a/b值均是先降低后升高再降低。MS处理胁迫10 d时略降低，之后经历了快速增加和缓慢降低两个过程，SS处理在整个胁迫过程中叶绿素a/b值较稳定。胁迫5 d时，LS处理的叶绿素a/b值低于其他3个处理，但处理间差异不显著（p＞0.05）。胁迫到10 d时，LS和MS处理叶片中叶绿素a/b值显著低于CK处理（p＜0.05），低于SS处理，两处理间差异不显著。胁迫到15 d时，CK处理叶片中叶绿素a/b值显著高于LS和SS处理（p＜0.05），高于MS处理，但未达显著水平，LS、MS和 SS处理间差异不显著。胁迫到20 d，LS和MS处理的叶绿素a/b值和CK处理相比差异不显著，SS处理显著低于对照处理（p＜0.01）。胁迫结束后各处理叶片中叶绿素a/b的顺序为CK＞LS＞MS＞SS。

图4 胁迫时间对不同胁迫处理叶绿素a/b值的影响Fig.4 Effect of stress time on chlorophyll a/b content under different stress treatments

2.5 干旱胁迫对红麻叶片中类胡萝卜素含量的影响

类胡萝卜素可参与植物光合机构中过剩光能的耗散，进而使植物免受光抑制的损伤，除吸收传递光能外，还可起保护作用［16］。由图5可知，不同胁迫处理叶片中类胡萝卜素含量变化趋势并不一致，CK和LS处理的叶片类胡萝卜素含量随胁迫时间的延长持续降低；MS处理叶片中类胡萝卜素含量经历了先降低后升高然后又下降的过程，而SS处理叶片中类胡萝卜素含量则先下降后升高。4个处理中LS处理叶片中类胡萝卜素含量变化相对稳定。胁迫开始到第5 d，CK处理叶片中的类胡萝卜素含量显著高于MS和SS处理，和LS处理相比差异不显著，MS、SS和LS 3处理间差异也不显著；胁迫到第10 d时，CK处理叶片中类胡萝卜素含量显著高于其他3个处理，且和MS处理相比达极显著水平；胁迫到15 d，CK处理叶片中类胡萝卜素含量持续降低，已显著低于LS和MS处理，但和SS处理相比未达显著水平；胁迫到20 d，CK处理叶片中类胡萝卜素含量已显著低于其他3个处理，且和MS和SS处理相比达极显著水平（p＜0.01），MS处理叶片中类胡萝卜素含量显著低于SS处理。经过20 d的胁迫，类胡萝卜素含量趋势变为SS＞MS＞LS＞CK。

3 讨论和结论

叶绿素对光能的吸收、转换和利用起着重要作用，叶绿素a反映作物对长波光的吸收程度［17］，叶绿素b有利于短波光吸收，参与光能传递［18］。叶绿素（a＋b）含量在一定程度上可以代表作物光合作用的强度，含量变化指示植物对水分胁迫的敏感性，直接影响光合效率和光合产量［19］。

在水分胁迫下，叶绿素含量、叶绿素成分组成及比例在不同的处理间有着不同的变化［20］，有研究［21-23］显示，在水分胁迫下作物叶片的叶绿素含量降低，也有研究［24-26］显示经过一定的水分胁迫叶绿素含量反而升高，目前尚不清楚水分胁迫对叶绿素含量的影响途径和机理，但植物在水分胁迫下增加叶绿素含量，将增强其在逆境中的生存能力［20］。本研究表明，在一定的土壤含水量下（CK和LS），叶绿素（a＋b）含量随胁迫时间的延长而降低，超过一定的土壤含水量（MS和SS）后，植株叶片的叶绿素（a＋b）含量不降反升，这可能是水分胁迫减弱了植物光合作用，植物通过提高叶绿素含量来维持光合速率。水分胁迫下叶绿素含量下降的原因可能与质膜透性、膜质过氧化物MDA、叶绿素分解加快有关［27］，或者是叶绿素分解量大于叶绿素浓度的相应增加量，这与李叶峰等［28］的研究相似。也可能是因为土壤水分充足时红麻长势较好，叶面积扩展快，叶绿素的积累少；在土壤含水量较低的情况下，叶绿素含量上升可能是由于土壤干旱，造成叶片失水，叶绿素的浓度相应增加导致，且这种现象在耐旱性极强的植物中很是常见，抗旱性强的植物，即使在水分胁迫下，也能保持较高的叶绿素含量，从而保持较高的生长速率［25-26］。

叶片中叶绿素a的变化趋势和叶绿素（a＋b）一致，持续的水分胁迫过程中叶绿素b的含量只是出现了较小的波动，这说明持续水分胁迫并未严重影响到叶绿素b的含量，叶绿素（a＋b）变化主要是由叶绿素a的减少引起的。这可能是由于水分胁迫引起植物体内活性氧的积累，进而引发了叶绿素a的破坏［20］，直接证明了叶绿素a更容易被分解破坏，这和赵静等［18］的研究一致。

叶绿素的代谢是一个动态平衡的过程，光合强度与叶绿素a/b值密切相关［19］，叶绿素a/b值下降的程度可评定植物的抗旱性［29-30］。前人研究［18，29］表明，叶绿素 a/b与作物抗旱性呈显著的负相关关系，在一定范围内比值越低，吸收率越高。据张明生等［29］报道，叶绿素a/b比值愈大，膜脂过氧化作用愈强，品种抗旱性愈弱；聂华堂等［30］认为抗旱性越强的品种，随着水分胁迫程度的加深，叶绿素a/b值的变化幅度越小。本试验研究中，CK处理的叶绿素a/b值始终高于其他3个胁迫处理，说明在水分胁迫的情况下，叶绿素的转化和传递受到抑制。这也验证了水分胁迫下叶绿素a较叶绿素 b更为敏感，容易被分解破坏。SS处理叶绿素a/b值相对稳定，也验证了聂华堂等［30］的结论，说明红麻的抗旱性很强。

类胡萝卜素是植物体中重要的抗氧化物质，在减轻和消除由干旱等逆境引发的活性氧伤害方面直接发挥作用，同时通过逆境激素 ABA间接在植物抗旱中发挥作用［31］。白志英等［16］研究表明，在水分胁迫下，小麦叶片类胡萝卜素含量明显下降。本试验中，LS和CK处理的类胡萝卜素含量随胁迫时间的延长持续降低，MS处理先降低后升高然后又下降，SS处理呈先下降后升高的趋势。胁迫结束时，类胡萝卜素含量趋势为SS＞MS＞LS＞CK，这和叶绿素总量和叶绿素成分组成的变化趋势完全一致。CK和LS处理类胡萝卜素含量降低，可能是水分胁迫减弱了叶片类胡萝卜素的生物合成过程，使类胡萝卜素含量有减小的趋势，也可能是叶片的长势太快，稀释了类胡萝卜素的浓度造成的；而MS和SS处理，类胡萝卜素含量先降低后升高，降低原因可能是类胡萝卜素的降解速度大于生成速度，也可能是稀释作用导致的，而上升的原因可能是植株叶片含水率降低，叶片组织液浓缩，同时诱导了类胡萝卜素相关基因的表达，从而使叶片单位面积类胡萝卜素的浓度增加。MS处理类胡萝卜素含量增加后的降低可能是红麻本身的长势和类胡萝卜素的降解速度共同决定的。

愈世雄等［12］研究表明，小麦花期适当干旱，可诱发植株的抗旱能力。作物在逆境条件下，若关键生育期内能保持叶片较高的叶绿素含量，维持一定的持绿特性，可有效增强作物在逆境条件下的生存能力，提高产量和品质［32］。本试验结果显示，适当的干旱，可以降低红麻叶片中叶绿素含量，但在较低的土壤水分含量情况下经过短期胁迫，红麻叶片能够保持较高的叶绿素含量，这和苏其红［33］、周宇飞等［34］的研究一致，同时也进一步证明了红麻是适应性广、耐旱性强的作物。

由上述的分析可以得出，在水分胁迫下，通过比较不同水分胁迫处理下红麻叶片叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素（a＋b）含量、叶绿素（a/b）值的变化以及类胡萝卜素含量发现，红麻抗旱特性显著。但鉴于叶绿素在水分胁迫下变化的复杂性，还需进一步的深入研究，探索其变化对红麻抗性的影响。