木棉叶片叶绿素荧光参数和SPAD值对干旱胁迫的响应

倪建中，罗 倩，陈小宇，代色平，王 伟

(广州市林业和园林科学研究院 / 广东省木本花卉工程技术研发中心，广东 广州 510405)

木棉(Bombax ceiba)为木棉科(Bombacaceae)木棉属(Bombax)植物，又名红棉、攀枝花、英雄树等，原产地为热带美洲、东南亚地区，在中国主要分布于广西、广东、海南、四川、贵州和云南等省(区)。广州强降水集中在4～9月[1]，季节性干旱明显，而水分是植物生长不可或缺的因子，干旱的逆境条件会影响植物各个阶段的生长发育和生理代谢过程。光合作用是绿色植物最基本的生命活动，也是对水分胁迫最敏感的生理过程之一，可作为判断植物生长和抗逆性的重要指标。叶绿素荧光是研究植物光合作用机制探测光合生理状况的一种技术，具有反映植物“内在性”的特点，是研究植物光合生理以及植物在逆境环境下生理状况的内在探针[2—3]，通过叶绿素荧光特性可分析叶片对光能的吸收和利用[4]。因此，分析干旱胁迫对木棉叶片叶绿素荧光参数等指标的变化，对其苗木在干旱季节的培育管理具有参考价值。

关于干旱胁迫对植物叶绿素荧光参数和叶绿素相对含量影响的研究较多[3—7]，但针对木棉苗木培育过程中干旱对其叶绿素荧光参数影响的研究未见报道。本研究通过人工模拟不同程度的干旱胁迫，测定木棉幼苗叶片叶绿素相对含量及其荧光参数的变化，分析其适应机制，为木棉苗木培育与园林应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

选用生长一致的木棉1年生盆栽实生苗，苗木定植于直径30 cm、高25 cm塑料盆中，每盆1株，试验前进行常规管养。

1.2 方法

实验在广州市林业和园林科学研究院开展。试验前将苗木移入防雨棚内，正常浇水进行恢复性生长，一个月后停止浇水，使土壤自然干旱。利用便携式土壤水分快速测定仪测定土壤体积含水量。采用土壤含水量衡量土壤干旱胁迫梯度，设定土壤相对含水量(土壤含水量占田间持水量)80%以上为正常水平(CK)，70%～50%为轻度干旱(D1)，50%～30%为中度干旱(D2)，低于30%为重度干旱(D3)[3,8]。每处理3次重复，每重复20株。

1.3 测定指标

1.3.1 叶片叶绿素相对含量(SPAD)测定

选取每片叶中部主脉两侧，采用SPAD-502便携式叶绿素测定仪(Konica，日本)测定叶片SPAD值，每片叶测3个点取平均值。

1.3.2 叶绿素荧光参数测定

选择植株由上往下第二至第三轮枝条上成熟且健康的叶片，使用便携式叶绿素荧光仪PAM-2500(WALZ，德国)测定叶绿素荧光参数，包括最小荧光产量(Fo)、最大荧光产量(Fm)、最大光化学效率 Fv/Fm、光化学淬灭系数 qP、非光化学淬灭系数 NPQ和表观光合电子传递速率 ETR，并计算PSⅡ潜在光化学效率Fv/Fo=(Fm–Fo)/Fo。测定前待测叶片暗适应20 min，每处理测定5株，每株测定3枚叶片。

1.4 数据处理

数据采用Microsoft Excel软件录入与初步整理，采用SPSS 13.0统计软件对各指标进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对木棉叶片相对叶绿素含量的影响

光合色素与光能的吸收、传递和转化过程密切相关，其总含量与植物净光合作用及光吸收密切相关。由图1: A可见，木棉叶片叶绿素相对含量SPAD值随干旱程度加剧缓慢下降，轻度胁迫下，SPAD值变化不显著；在中度干旱胁迫下，木棉叶片SPAD值比对照降低了 7.61%；在重度干旱胁迫下，木棉叶片SPAD值比对照降低15.76%，且差异显著。

2.2 干旱胁迫对木棉叶片叶绿素荧光参数的影响

2.2.1 初始荧光(Fo)和最大荧光(Fm)

对不同干旱胁迫处理下叶片初始荧光(Fo)测定分析表明，随着干旱程度加剧，Fo逐渐上升，重度胁迫时，Fo比对照增加49.60%，中度和重度干旱胁迫与对照间差异显著(图1: B)。

由图1: C可知，随着干旱胁迫程度加剧，最大荧光(Fm)呈下降趋势，中度和重度干旱胁迫处理分别比对照下降4.37%、7.43%，与对照差异显著。

2.2.2 潜在光化学效率(Fv/Fo)和最大光化学效率(Fv/Fm)

潜在光化学效率(Fv/Fo)表示光反应中心PSⅡ的潜在活性。最大光化学效率(Fv/Fm)反映PSⅡ反应中心将光能转化为化学能的效率，正常生理状态下，Fv/Fm非常稳定，不受物种和生长条件的影响，但在胁迫条件则明显下降[2]。如图1: D、E所示，不同干旱胁迫处理下木棉叶片Fv/Fo和Fv/Fm变化趋势相同，均随干旱程度加剧而降低。与对照相比，轻度胁迫时，Fv/Fo和 Fv/Fm轻微下降，但差异不显著，说明在轻度干旱胁迫时，木棉叶片的PSII反应中心潜在光化学效率和原初光能转换效率未受影响；中度和重度干旱胁迫时，Fv/F0和Fv/Fm显著下降，Fv/Fo分别比对照下降 43.23%、48.90%，Fv/Fm分别比对照下降14.37%、17.42%。

图1 干旱胁迫对木棉叶片叶绿素SPAD值与荧光参数的影响Fig. 1 Effects of drought stress on chlorophyll SPAD value and fluorescence parameters in leaves of Bombax ceiba

2.2.3 光化学淬灭系数(q P)和非光化学淬灭系数(NPQ)

由图1: F可知，光化学淬灭系数(qP)在轻度干旱胁迫时比较稳定，有小幅上升；当干旱胁迫达到中度和重度时，qP显著下降，分别比对照下降54.64%、64.19%。

非光化学淬灭系数(NPQ)反映PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散的光能部分，是植物的一种自我保护机制，对PSⅡ起到一定的保护作用[9]。不同程度干旱处理时，木棉幼苗叶片NPQ变化差异不显著(图1: G)，表明木棉能承受一定程度的干旱，当干旱继续加剧时，可通过适当增加热耗散来保护 PSⅡ免受伤害或减轻伤害。

2.2.4 表观光合电子传递速率(ETR)

ETR能反映光合机构运转调节的规律[10]。木棉经干旱处理后，ETR逐渐减小，在中度和重度干旱时，与对照差异显著，分别比对照降低 63.24%、68.65%(图1: H)，即中度和重度干旱使木棉叶片PSⅡ反应中心关闭或受损，从而发生光抑制导致光合量子传递效率明显降低。

3 结论与讨论

叶绿素荧光诱导动力学参数可以快速、灵敏、无损伤地研究和探测干旱胁迫对植物光合作用的影响[11]。在正常情况下，叶绿体吸收的光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散3种途径来消耗，这3种途径之间存在着此消彼长的关系，因此荧光变化可反映植物光合作用的状况[12]，而植物光能的捕获和转换是通过叶绿素完成的，叶绿素含量影响着叶绿素荧光参数的变化。前人研究表明，叶片叶肉细胞水分含量降低会制约叶绿素合成[7,13]，且干旱胁迫条件下，植物体内产生多种活性氧使光合色素发生降解[14]，从而导致叶绿素含量降低。本研究中木棉叶片SPAD值随着干旱胁迫强度增加呈降低趋势，表明叶绿素合成受到限制，并可能出现部分降解。

在干旱胁迫时，Fo升高主要是PSⅡ部分反应中心失活引起的，Fv/Fm降低主要反映 PSⅡ复合物的光抑制伤害[15]。本研究中，Fo随干旱程度加剧呈升高趋势，而 Fv/Fo、Fv/Fm逐渐降低，且在中度和重度干旱时与对照差异显著，表明干旱胁迫下，木棉叶片类囊体膜结构发生变化，PSⅡ反应中心受到一定程度的破坏[16—17]，进而导致光抑制并使光合机构活性降低。有研究表明，PSⅡ反应中心受到伤害后，通过主动降低电子传递和光化学效率响应CO2同化能力的降低，通过热耗散释放过剩的光能以避免强光对光系统的破坏和损伤[18—19]，而 qP反映电子传递的份额，其值越大，表明PSⅡ电子传递活性越高，ETR反映实际光强条件下的表观电子传递效率[10]，此外，Fo上升也是热耗散的一种形式[20]。本研究中，干旱胁迫导致木棉叶片Fm、ETR、qP降低，说明植物在干旱情况下，PSⅡ反应中心部分进入关闭状态或受到损害，降低了光化学电子传递比例和效率；同时Fo逐渐升高，NPQ在轻度和中度干旱胁迫时变化较小，在重度胁迫时开始增加，表明植株通过增加热耗散的形式消耗过量光能，避免干旱逆境造成的伤害，这与前人对竹柳和尾巨桉(Eucalyptus urophylla × E. grandis)[3]、杜鹃品种[5]、甜高粱(Sorghum bicolor)[6]、鹅掌楸(Liriodendron chinense)[11]的研究结果相似。

高洁等[21]曾对干热河谷植物的耐旱性进行研究，认为木棉相对其他几种植物耐旱性较弱，但仍具有较强的耐旱性。本研究中，中度和重度干旱情况下，植株出现光抑制，木棉通过降低光化学淬灭、增加热耗散的形式来提高对干旱的适应能力，具有一定抗旱性；但这种适应只是一种内耗损的被动适应方式，可以维持生存，但对生长不利，实际苗木培育栽培管理中应避免出现长时间的干旱，维持土壤相对含水量在50%以上。