干旱胁迫与复水对不结球白菜光合、荧光及表型参数的影响

王玉杰,申海燕,何红梅,孙云乔,顾 群

(上海乾菲诺农业科技有限公司,上海 201210)

光合作用是植物生长的基础,水分胁迫使植物的形态、生理等产生一系列反应[1-2],从而影响光合作用,其中干旱胁迫通过气孔和非气孔限制(光合色素量的下降、叶绿体结构的破坏等)抑制植物的光合作用,使得光合速率、光合产物的量下降,是导致干旱作物减产的重要原因[3-4],同时干旱胁迫使植株表型出现一系列变化[5-6]。 不结球白菜(Brassica campestris ssp.chinensis Makino)为十字花科芸薹属白菜亚种,在我国广泛栽培,占秋、冬、春季蔬菜复种面积的40%—60%,在蔬菜周年生产和供应中占有重要地位,并逐渐成为一种世界性蔬菜[7-8]。

研究持续干旱胁迫下不结球白菜光合作用及表型的变化,有助于认识干旱对其伤害的内在规律。 目前,虽然已有基质含水量对不结球白菜的光合特性和表型的研究[9-11],但基质含水量的设置并未完全覆盖无旱、轻度、中度和重度干旱,因此缺乏不同程度的干旱胁迫对不结球白菜光合特性影响的研究;目前的表型研究集中在人工测量的叶面积、株高等参数,利用高通量表型检测技术对投影面积、株幅、紧密度等参数研究较少。 本研究通过持续干旱胁迫以及高通量表型检测技术研究不结球白菜在干旱胁迫下的光合特性和表型变化,旨在揭示不结球白菜干旱胁迫与光合生理、表型性状之间的关系,以期为不结球白菜品种选育和高产栽培提供光合生理生态方面的理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020 年2 月中下旬至4 月上旬在上海孙桥农业园区C9-1 上海乾菲诺农业科技有限公司温室内进行,该试验区位于北纬31°14′,东经121°29′,属于北亚热带季风气候。

1.2 试验材料

试验材料选用上海市大面积栽培品种‘新场青’,该品种较抗病毒病,株型紧凑、束腰,叶绿色、脉细,叶面光滑、肉质肥厚,具有较强的耐寒性,经济效益高,材料由上海市农业科学院提供。 种子处理方法为:使用5%的NaClO 溶液消毒5 min,去离子水冲洗3 次,并用去离子水浸泡30 min 后,播种于50 孔穴盘中,育苗基质为体积比3∶1∶1的草炭、蛭石和珍珠岩的混合物。 播种10 d 后选取长势基本一致的不结球白菜幼苗移栽到棕色花盆中,每盆1 株,花盆尺寸为上口径18 cm、下口径11 cm、高12 cm,栽培基质同育苗基质,每盆装400 g 基质。

1.3 试验方法

1.3.1 干旱处理

试验设置2 个水分处理(CK 组和干旱组),每组15 盆。 CK 组:基质含水量保持80%(无旱),每天9:00 称重补水;干旱组:不结球白菜幼苗长至4 叶1 心时停止浇水,开始干旱处理,每天9:00 称重,在基质含水量30%左右(重度干旱)恢复浇水。

1.3.2 基质含水量的计算方法

通过预试验确定土壤饱和质量和土壤干质量(干重):选择3 盆在傍晚充分浇水至水从盆底流出,次日9:00 称重,其值减去盆重即为土壤饱和质量;将土壤烘干并称重,得到土壤干重。 试验过程中,每天9:00 称重,其值减去盆重为土壤质量。 根据计算公式,土壤相对湿度=(土壤质量-土壤干重)∕(土壤饱和质量-土壤干重)[12]计算每天的基质含水量。 根据土壤相对湿度(R)的干旱等级[13]指标,可以分为60%

1.4 测定项目

1.4.1 基质含水量和天气情况的测定

按照以上基质含水量的测定方法,每天对CK 组和干旱组每盆称重,并计算基质含水量;使用小型自动气象站WatchDog(Spectrum,美国)记录试验过程天气情况,包括PAR、温度、CO2浓度等数据。

1.4.2 光合参数的测定

每组选择长势基本一致的10 株不结球白菜,采用光合-荧光测量系统GFS-3000(Walz,德国),设置光强为600 μmol·m-2·s-1。 分别在干旱组基质含水量处于轻度干旱、中度干旱和重度干旱时,即处理第3 天,第6 天,第9 天及复水后第5 天测定植株靠近叶心的第2、3 片完全展开叶的净光合速率(Pn),蒸腾速率(Tr),气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)参数,根据公式Ls=1-Ci∕Ca(外界CO2浓度)计算气孔限制值[14]。

1.4.3 叶绿素荧光参数的测定

采用便携式调制叶绿素荧光仪PAM-2500(Walz,德国),测定植株靠近叶心的第2、3 片完全展开叶的PS II 的实际光化学效率Y(II)、PS II 的相对电子传递速率(ETR)、非光化学淬灭系数(qN),光化学淬灭系数(qP)等参数,测定植株和时间与光合参数测定一致。

1.4.4 表型参数的测定

使用Scanalyzer PL(LemnaTec,德国)可见光顶部镜头,分别在持续干旱胁迫后及复水后检测不结球白菜的变化,即处理第9 天(重度干旱)和复水后第5 天对不结球白菜进行无损成像,测定植株与以上一致。

1.4.5 植株地上部鲜重的称量

试验最后一天其他测定结束后,称量不结球白菜的地上部鲜重。

1.5 数据分析

采用Duncan 法进行差异显著性分析,显著性水平设置为α =0.05;使用Scanalyzer PL 的LemnaGrid、LemnaBase、LemnaMiner 软件进行表型图片的分析,使用Excel 软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 基质含水量和天气情况

从表1 可以看出,随着干旱胁迫时间的延长,基质含水量持续下降,处理第3 天为56.29%(轻度干旱)、第6 天为44.60%(中度干旱)、第9 天为29.49%(重度干旱)。 CK 组在试验期间均保持80%基质含水量;试验第3、9 及复水后第5 天均为晴天,第6 天为阴天,且温度偏低。

表1 持续干旱与复水下基质含水量和天气情况的变化Table 1 Water content of substrate and weather situation with time under continuous drought stress and rewatering

2.2 持续干旱与复水对不结球白菜光合参数的影响

从图1 可以看出,CK 组不结球白菜Pn和Tr在处理第6 天和复水后第5 天与处理第3 天和第9 天相比变化不显著,而Gs和Ci均在第6 天和复水第5 天出现明显下降,Ls这两天出现明显上升,且这两天之间的数值无显著差异。 结合表1 可知,复水后第5 天温度、外界CO2浓度与处理第3 天和第9 天差异不大,而相应的Gs和Ci在复水后第5 天显著降低,说明Gs和Ci受外界PAR 影响大,复水后第5 天与处理第6 天PAR 均明显低于其他时间,相应的这两天Gs和Ci无显著差异。

干旱组不结球白菜的Pn、Tr、Gs呈下降趋势,且均于第9 天重度干旱达到最低值,复水后又上升,但均未恢复到初始状态;干旱组Ci、Ls处理第6 天、第9 天和复水后第5 天无显著差异,并与处理第3 天差异显著,可见在轻度和中度干旱胁迫时Pn和Gs下降,Ci也下降,而Ls相应地上升。 这表明光合速率下降的主要原因是气孔限制,重度干旱时Pn和Gs下降,Ci稍增加、Ls下降,此时光合速率下降的主要原因是非气孔限制[15]。

Pn在干旱处理第3 天(轻度干旱)、第6 天(中度干旱)、第9 天(重度干旱)分别比同一天CK 下降4.38%、26.29%、43.30%,Tr分别下降14.71%、34.18%、58.77%,Gs分别下降15.41%、35.65%、77.47%,Ci分别下降10.58%、12.04%、17.55%,Ls分别上升38.61%、26.61%、55.92%。 Pn、Tr、Gs从干旱处理第6 天(中度干旱)与CK 差异显著,Ci、Ls从干旱处理第3 天(轻度干旱)就与CK 差异显著,复水后Pn、Tr、Gs回升,但Pn、Tr、Gs、Ci仍与CK 差异显著,说明重度干旱使不结球白菜的光合机构受到了损伤,复水对光合特性有一定的缓解作用,但在短期内难以消除干旱对不结球白菜光合参数的影响。

图1 持续干旱与复水对不结球白菜光合参数的影响Fig.1 Effects of photosynthetic parameters during continuous drought stress and rewatering on pakchoi

2.3 持续干旱与复水对不结球白菜叶绿素荧光参数的影响

从图2 可以看出,CK 组Y(II)和ETR 在第6 天、第9 天与复水后第5 天无显著差异,并且与第3 天差异显著,qN 之间无显著差异,qP 之间差异均显著,这可能与植株的生长状态有关。

图2 持续干旱与复水对不结球白菜叶绿素荧光参数的影响Fig.2 Effects of chlorophyll fluorescence parameters during continuous drought stress and rewatering on pakchoi

干旱组Y(II)、ETR、qP 呈下降趋势,且差异显著,并都于处理第9 天达到最低值,复水后又上升,相应地,qN 呈上升趋势,且差异显著,并都于处理第9 天达到最高值,复水后又下降。 说明干旱胁迫导致不结球白菜PSⅡ反应中心的开放程度降低,光合电子传递速率下降,从天线色素上捕获的光能用于光化学反应的份额减少,累积在PSⅡ反应中心的光能过剩,通过提高qN 及时耗散了过剩的光能,有效保护了光合机构。

Y(II)在干旱处理第3 天(轻度干旱)、第6 天(中度干旱)、第9 天(重度干旱)分别比同一天对照下降1.26%、4.34%、26.45%,ETR 分别下降0.67%、6.00%、25.46%,qP 分别下降1.46%、1.87%、20.05%,qN 分别上升3.36%、25.43%、80.42%,Y(II)、qP、qN 从干旱处理第9 天(重度干旱)与CK 差异显著,复水后除了qN 与CK 差异显著,其他均无显著差异,ETR 整个过程中与CK 无显著差异。 说明在轻度干旱和中度干旱时,反应中心没有受到破坏,重度干旱使不结球白菜的反应中心可逆失活,复水后反应中心可基本恢复。

2.4 持续干旱与复水对不结球白菜表型参数和地上部鲜重的影响

由图3 可看出,CK 组和干旱组复水后第5 天均比处理第9 天的植株增大;干旱处理第9 天的不结球白菜植株明显小于CK,此时干旱组植株出现萎蔫现象,叶片下垂;复水后第5 天,干旱组植株萎蔫现象消失,植株增大,但仍然明显小于同一天CK 组的植株。 说明持续干旱使不结球白菜的生长明显受阻,且短时间内无法恢复。

图3 不结球白菜可见光顶部图片获取Fig.3 Vis top images acquisition of pakchoi

由图3 和表2 可知,CK 组复水后第5 天与处理第9 天相比,投影面积、株幅分别增加23.32%、6.24%,紧密度变化不显著,干旱组复水后第5 天与处理第9 天相比,投影面积显著增加28.93%、株幅增加10.05%,紧密度变化不显著。 可见,干旱组经过持续干旱胁迫,复水后短期内投影面积和株幅增速高于CK,说明不结球白菜对干旱胁迫的恢复能力强。

表2 持续干旱与复水下对不结球白菜表型参数和地上部鲜重的影响Table 2 Effect of phenotype parameters and aboveground fresh weight during continuous drought stress and rewatering on pakchoi

处理第9 天CK 组投影面积、株幅分别高于干旱组25.43%、16.20%,差异显著,干旱组紧密度高于CK 组2.53%,说明持续干旱使不结球白菜投影面积、株幅显著降低,不结球白菜通过增大紧密度以减少蒸腾作用,从而减少干旱对自身的损伤[16]。

复水后第5 天,CK 组投影面积、株幅高于干旱组,分别高出19.98%、12.61%,干旱组紧密度高于CK 6.33%,CK 地上部鲜重高于干旱组25.42%,差异均显著。 与处理第9 天相比,复水后第5 天CK 与干旱组的投影面积、株幅差距减小,说明复水使干旱组不结球白菜的表型性状在一定程度恢复,但复水后第5天干旱组投影面积、株幅、紧密度及地上部鲜重仍与CK 差异显著,说明复水后短期内难以消除干旱对不结球白菜的影响。

3 结论与讨论

干旱胁迫对植物光合作用的抑制包括气孔限制和非气孔限制,气孔限制是造成光合能力下降的首要原因,轻度干旱导致气孔阻力增大,光合速率降低[17]。 随着干旱程度的加深,叶绿体结构发生变化,膜系统遭受损伤,光合电子传递系统遭到破坏等,这些非气孔限制因素导致光合速率下降,电子传递速率、光化学淬灭、PSⅡ的实际量子产量下降,非光化学淬灭上升[18-20]。 本试验中,在轻度干旱和中度干旱下,不结球白菜的光合速率Pn与气孔导度Gs同时下降时,胞间CO2浓度Ci也下降,相应的Ls上升,说明轻度和中度干旱使不结球白菜光合速率下降主要是由于气孔限制[21];在重度干旱下,Ci不再随着Pn与Gs的下降而降低,Ls下降,说明重度干旱使不结球白菜的光合作用下降主要由非气孔限制导致[22];复水后Pn、Tr、Gs回升,但Pn、Tr、Gs、Ci仍与CK 仍差异显著,说明重度干旱使不结球白菜的光合机构受到了损伤,复水对光合特性有一定的缓解作用,但在短期内难以消除干旱对不结球白菜光合参数的影响。

干旱胁迫对植物光合作用的影响可通过叶绿素荧光参数快速、灵敏地研究[23-24]。 干旱胁迫对植物的伤害主要通过PSⅡ来体现[25],为避免或减轻过剩光能对其系统的损伤,PSⅡ调节电子传递速率和光化学效率,提高热耗散能力[26]。 本试验中,Y(II)、ETR、qP 干旱期间一直下降,qN 一直上升,说明干旱胁迫导致不结球白菜PSⅡ反应中心的开放程度降低,光合电子传递速率下降,光化学效率降低,累积在PSⅡ反应中心的光能过剩,通过提高qN 耗散过剩的光能,以保护光合机构。 李鹏民等[27]指出,在某些胁迫下,PSⅡ反应中心发生可逆性失活,能吸收光能但不能推动电子传递,逆境解除后,失活的反应中心又恢复活性;本试验中,不结球白菜在轻度和中度干旱下Y(II)、qP、qN、ETR 与CK 差异不显著,在重度干旱下Y(II)、qP、qN 与CK 差异显著,复水后除了qN 与CK 差异显著,Y(II)、qP、qN、ETR 均差异不显著。 说明在轻度干旱和中度干旱时,反应中心没有受到破坏,重度干旱使不结球白菜的反应中心可逆失活,复水后反应中心可基本恢复。 综合光合参数和叶绿素荧光参数的试验结果可知,重度干旱并未对不结球白菜的光合机构造成不可逆的损伤。

干旱胁迫影响植物表型,不同植物种类的响应机制不同,导致表型的变化不同[28],因此可通过对植物表型的探索来研究干旱胁迫对植物生长的影响。 近年来基于光学成像和图像分析技术的高通量表型检测技术,可客观、准确、快速、无损检测植株的表型性状[29]。 表型性状投影面积可预估产量,紧密度、株幅可评价株型[30]。 本研究通过高通量表型检测技术得知,持续干旱使不结球白菜的投影面积、株幅显著降低,紧密度升高,以减少干旱对自身的损伤;复水后干旱组不结球白菜短期内投影面积、株幅增速高于CK,说明不结球白菜对干旱胁迫的恢复能力强;但复水后第5 天干旱组投影面积、株幅、紧密度及地上部鲜重仍与CK 差异显著,说明复水后短期内难以消除干旱对不结球白菜的影响。

综上,不结球白菜轻度和中度干旱下主要由于气孔限制导致光合速率下降,重度干旱时光合速率下降的原因主要是非气孔限制;持续干旱未对不结球白菜的光合机构造成不可修复的损伤,不结球白菜对干旱胁迫的恢复能力强,但复水后短期内难以消除干旱对不结球白菜光合特性和表型的影响。 本研究可为不结球白菜的品种选育和高产栽培提供光合生理生态方面的理论依据与参考。