干旱环境下山葡萄光合和叶绿素荧光参数比较

潘 越 ,郭 靖,张 浩,韩政伟,刘阳阳,刘元媛,王红梅

(1.新疆林业科学院 园林绿化研究所,乌鲁木齐 830063; 2.新疆林业科学院 佳木国家重点林木良种基地,新疆温宿 843100；3.新疆阿克苏森林生态系统国家定位观测研究站,新疆温宿 843100；4.新疆农业大学 林学与园艺学院,乌鲁木齐 830052；5.新疆工程学院,乌鲁木齐 830023)

光合作用是植物有机物合成、营养贮存与转化的重要途经[1],也是影响植物生长快慢的重要指标之一[2]。干旱胁迫下,叶片光合作用的强弱及叶绿素荧光系统活性的高低直接影响到植物的生长发育,该指标是评价植被抗旱能力的重要指标之一[3]。罗静等[4]发现,受干旱胁迫影响,净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率和水分利用率逐渐下降,长时间的干旱胁迫会对光合结构造成不可逆转的破坏[5]。叶绿素荧光是反映植物光合能力、栽培适应性的重要参数[6],叶绿素荧光技术的运用,具有快捷、迅速、准确和无损伤的优点。Melgar等[7]发现,干旱胁迫与强光交互时,光系统Ⅱ(PSⅡ)会迅速失活,随之造成光破坏和光抑制,严重会导致植株死亡。山葡萄(VitisamurensisRupr.)是葡萄属中最抗寒的一个品种[8],主蔓能耐-45 ℃的低温,根系能耐-14 ℃～-16 ℃低温,是中国优质的抗寒葡萄种质资源。山葡萄果实富含单宁、白藜芦醇和酚类物质[9]，对调节人体血脂、保护心脑血管、防治动脉硬化及老年痴呆大有裨益[10],同时对耐盐碱性土地和病虫害表现出良好的耐受性和抗性[11],这为山葡萄开展引种栽培和杂交育种创造了先决条件[12]。新疆地处欧亚大陆,为典型干旱大陆型气候,夏季干旱少雨,昼夜温差大,有利于葡萄糖分积累且病虫害发生机率较低[13]。但部分酿酒葡萄种植在戈壁荒滩,葡萄园土壤保水、保肥、保温能力不足,此外,南疆地区受水资源匮缺的影响,葡萄生育期极易遭受高温干旱影响[14],越冬危险性较大,生产成本较高,为此引进并筛选抗旱且适应性强的山葡萄品种,即可以增加农民经济收益,又可以改善新疆生态环境[15]。前人虽研究在干旱胁迫对山葡萄光合及光系统Ⅱ活性的影响,然而选取的山葡萄品种数量较少,且未对山葡萄品种的抗旱性进行综合评价[16]。基于此,新疆林业科学院冰葡萄新品种引进及选育课题组按照引种、驯化、栽培、选育的思路,自2019年陆续从东北引进的10余个山葡萄品种,以表现良好的6个山葡萄品种为试材,基于因子分析,通过对光合、叶绿素荧光参数和干物质积累量指标的测定,综合评价各山葡萄品种对光照的利用能力和对环境的适应状况,筛选干旱环境下适应性最佳的山葡萄品种,以期为品种推广示范提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于新疆阿克苏地区温宿县境内的新疆林业科学院佳木良种试验站(地理坐标: E80°32′,N41°15′),海拔1 103.8 m。基地总面积76.7 hm2,地势北高南低,西高东低,地下水埋深2.8～3.3 m；属暖温带干旱气候,昼夜温差大；春季较短,多大风降温天气,时常有倒春寒现象发生,夏季炎热而干燥,蒸发量大; 降水量稀少,四季分配不均,降水量年际变化大,年均降水量不足100 mm; 年均气温 10.1 ℃,极端低温-27.4 ℃,年均日照时数2 747.7 h,≥10 ℃ 积温2 916.8～3 198.6 ℃ ,无霜期205～219 d。试验站的土壤砂粒含量为81.32%(0.02～2.00 mm),粉粒含量为5.76%(0.002～0.02 mm),粘粒含量为12.92%(<0.002 mm),属于砂壤土。

1.2 试验材料

以2019年10月从吉林省吉林市左家镇引进的2 a生‘北冰红’‘左优红’‘双红’‘雪兰红’‘双丰’和‘北国红’为试材,2019年经埋土越冬,于2020年3月定植。株行距1 m×3.5 m,行向呈南北带状分布,单臂篱架,正常土肥水管理。

1.3 试验方法

1.3.1 光合参数测定 选择晴朗无风的天气,使用Li-6400便携式光合仪,测试时间选择北京时间11:00-13:00,每个品种选择3株,以当年生新梢东南向充分伸展且叶面积大小基本一致的完整功能叶为测量样本,每个叶片重复测定3次计数,取平均值作为光合参数值,测定各品种葡萄的净光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸腾速率(Tr，mmol·m-2·s-1),胞间CO2浓度(Ci，μmol·mol-1)、气孔导度(Gs，mol·m-2·s-1)，并计算水分利用效率WUE=Pn/Tr[17]。

1.3.2 叶绿素荧光参数测定 参照高贵宾等[18]的方法,以测定光合参数的山葡萄叶片为样本,选在北京时间9：00-11：00,使用PAM-2500叶绿素荧光仪,测量实时荧光值(Ft)、光下最小荧光值(F0’)和光下最大荧光值(Fm’)；在暗环境对叶片适应30 min,采用测量光(小于0.05 μmol·m-2·s-1)合饱和脉冲光(8 000 μmol·m-2·s-1)照射叶片,测得初始荧光值(F0)和最大荧光值(Fm),并计算出：

最大光化学效率=Fv/Fm=[(Fm-F0)/Fm]

(1)

PSⅡ实际光化学效率=[Y(Ⅱ)]=(Fm’-Ft)/Fm’

(2)

光化学猝灭系数qP=(Fm’-Ft)/(Fm’-F0’),qL=qP×F0’/Ft

(3)

非光化学猝灭系数qN=1-(Fm’-F0’)/(Fm-F0),NPQ=Fm/Fm’-1

(4)

非调节性能量耗散量子产量[Y(NO)]=1/[NPQ+1+qL×(Fm/F0-1)]

(5)

相对电子传递速率(ETR)=PAR×0.84×0.5×Y(Ⅱ)

(6)

1.3.3 干物质积累量测定 每个品种选择树势一致,基径粗度基本相同的3株固定调查株,用标签做好记号,入冬埋土前,剪取当年生新梢枝条,切成若干段,放入120 ℃烘箱杀青25 min,于85 ℃烘箱烘至恒定质量,用千分之一天平称取干物质积累量。

1.4 数据分析

采用隶属函数法统一数量纲,按照指标属性与评价结果需要区分正相关和负相关,正相关计算公式如下式(7),负相关计算公式如下式(8)。

Uin=(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(7)

U’in=1-(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(8)

式(7)和(8)中,Uin、U'in分别为第n个样本第i个指标转化后的隶属函数值,Xin指第n个样本第i个指标的原始测定值,Ximax和Ximin分别指样本组中第i个指标的最大值与最小值。

对标准化后的数据基于进行因子分析,提取出对光合、叶绿素荧光参数和干物质积累量有显著影响的公因子,得出各公因子的分值Fjn,综合各分值Dn,以相应公因子的贡献率Ej为权重,根据下式(9)计算。

(9)

式(9)中,Dn表示以因子分析法得到的各样品光合、叶绿素荧光参数和干物质积累量的综合分值,Fjn表示第n个样品第j个特征值>1的主成分的分值,m为特征值>1的主成分的个数,Ej为第j个主成分的贡献率[19]。

2 结果与分析

2.1 不同山葡萄品种生长适应性指标比较

12项生长适应性指标比较结果见表1。光合参数方面,‘北冰红’的Pn最高,‘双丰’Pn最低,说明前者光合效率较高,而后者光合有机物积累速率较低；‘双丰’和‘北国红’的Tr较低,说明这2个品种干旱环境中水分散失较少。‘雪兰红’的Ci和Gs值均最大,推测与该品种叶肉细胞的光合活性较低有关[20]；各品种WUE均值由高到低排序依次是：‘北冰红’>‘北国红’>‘左优红’>‘双丰’>‘双红’>‘雪兰红’。叶绿素荧光参数方面,‘北冰红’‘左优红’和‘雪兰红’的Fv/Fm、Y(Ⅱ)、qP和ETR相对较高,‘双丰’相对较低,证明‘北冰红’等光反应阶段效率较高,‘双丰’则反之；‘左优红’‘雪兰红’和‘双红’qN和Y(NO)较大,‘双丰’较小,证明‘双丰’叶肉细胞光保护和预防强光损伤能力较强[21]。植物干物质90%来自光合作用[22]，6个山葡萄干物质积累量均值由高到低依次是：‘北冰红’>‘左优红’>‘雪兰红’>‘双红’>‘北国红’>‘双丰’。‘北冰红’相较于其他5个品种分别高出 18.70%、21.18%、33.23%、47.72%和68.51%,干物质积累量明显优于其他5个品种。

表1 不同山葡萄品种生长适应性指标比较

从变异程度分析，6个山葡萄品种的12项指标均存在不同程度的变异现象。其中，干物质积累量、Pn、Tr和ETR变异程度较高，超过30%；Ci、Fv/Fm和qN变异程度较小，低于10%。

2.2 不同山葡萄品种光合及荧光参数标准化、灰色关联度分析及聚类分析

2.2.1 数据标准化 由于光合和叶绿素荧光参数的单位不统一,不便进行数据分析,采用隶属函数法对数据结果进行标准化处理(表2)。根据新疆干旱区山葡萄选育要求,Tr、Ci、qN和Y(NO)4项指标越小越好,采用公式(8)计算；其他8项指标越大越好,采用公式(7)计算。

表2 山葡萄12项适应性指标的数据标准化值

标准化后的数据进行因子分析(表略),从12项指标中提取出3个主成分,得到平方载荷矩阵及旋转平方载荷矩阵。特征根为取出的有用信息占原始数据信息的比重,该值越大影响程度越大,主成分f1、f2和f3的方差贡献率分别为 48.239%、30.817%和12.681%。且3个主成分对应的特征根均>1,满足分析要求。

如表3,主成分f1中,载荷值较高且符号为正的有：干物质积累量、Pn、Gs、Fv/Fm、和qP,载荷值分别为0.965、0.832、0.911、0.959和 0.702,载荷值较高且符号为负的有：Tr、qN和Y(NO),载荷值分别为-0.874、-0.818和-0.539。

表3 旋转后的主成分载荷矩阵

主成分f2,载荷值较高且符号为正的有：Ci、WUE和Y(Ⅱ),载荷值分别为0.883、0.954和0.881。

主成分f3,载荷值较高符号为正的为ETR,载荷值为0.932。

2.2.2 不同山葡萄的综合评价及得分情况 用调查指标的载荷值除以各主成分相对应的特征根后开平方根,即可得出3个主成分中各指标所对应的系数,将该系数与标准化后的结果相乘,即能得出各主成分的函数表达式(式中BZ意为标准化后的数据)：

f1=0.4083BZ1+0.3790BZ2-0.3886BZ3+0.2107BZ4+0.3967BZ5-0.1639BZ6+ 0.4070BZ7+0.1629BZ8+0.3483BZ9-0.3759BZ10-0.3050BZ11+0.2252BZ12

f2=0.1696BZ1+0.3318BZ2+0.3518BZ3+0.4886BZ4-0.3242BZ5+0.5080BZ6+ 0.2751BZ7+0.4882BZ8+0.2819BZ9+ 0.3643BZ10+0.3793BZ11-0.1381BZ12

f3=0.2593BZ1-0.1503BZ2+0.1430BZ3-0.4486BZ4+0.2119BZ5+0.1664BZ6+ 0.0578BZ7+0.4457BZ8+0.2406BZ9-0.2970BZ10+0.6539BZ11+0.7825BZ12

上述表达式中,BZ1为干物质积累量,BZ2为Pn,BZ3为Tr,BZ4为Ci,BZ5为Gs,BZ6为WUE,BZ7为Fv/Fm,BZ8为Y(Ⅱ),BZ9为qP,BZ10为qN,BZ11为Y(NO),BZ12为ETR。

将各主成分特征值除以3个特征值之和,作为相应主成分的权重,并计算得出综合函数表达式：fz=f1A1+f2A2+f3A3,式中,A1=λ1/(λ1+λ2+λ3),A2=λ2/(λ1+λ2+λ3),A3=λ3/(λ1+λ2+λ3),其中λ1、λ2和λ3分别为3个主成分的特征值。

山葡萄各品种综合得分排序由高到低依次是：‘北冰红’‘左优红’‘雪兰红’‘北国红’‘双红’和‘双丰’。

由表4可见：对公因子f1排序,‘北冰红’排名第一,该品种长势强劲,干物质积累量、Pn、Gs、Y(Ⅱ)和qP较高,且绝大部分指标均达最大值,同时Tr较高,说明该品种在阳光充裕且水肥供应充足的环境下,光合效率最高,对干旱环境的适应效果最佳。‘雪兰红’‘左优红’‘双红’‘北国红’和‘双丰’排名依次靠后。

表4 山葡萄品种各主成分得分、综合得分及排序

对公因子f2排序,‘北国红’排名第一,主要优势表现为保证较低Ci的同时WUE较高,同时qN和Y(NO)较低,这表明该品种对强光和弱光环境均有较好的适应能力。

对公因子f3排序,‘雪兰红’排名第一,说明在暗反应时,相较于其他品种,该品种叶片可为光合碳同化积累更多所需能量。

3 结论与讨论

在采用隶属函数法统一单位数量纲的基础上,对影响山葡萄生长适应性好坏的12项指标进行标准化,采用因子分析法提取出3个几乎代表原始数据全部信息公因子,累计贡献率达 91.737%,公因子之间相互独立,避免了不确定性。其中‘北冰红’的干物质积累量最高,田间生长势最强,Pn、WUE和Fv/Fm最高,是适合南疆地区推广发展的山葡萄品种。

植物干物质积累量90%来源于光合作用[23],主要通过光合和荧光指标反映[24]。本试验干物质积累量、Pn和WUE呈正相关,与Tr呈负相关,即Pn越高,Tr越低,WUE越高；Tr越高,干物质积累量越小。该结论同牛莹莹等[25]关于库尔勒香梨Pn、Tr和WUE关系的研究结论一致。叶绿素荧光参数与光合作用关系极为密切,Fv/Fm是评价植被光合性能的重要参数[26]。种培芳等[27]发现,植被健康叶片Fv/Fm值为0.8～0.9，受胁迫时为0.3～0.7。本试验6个山葡萄品种Fv/Fm值为0.75～0.82,说明6个供试品种生长良好。qP越大,说明PSⅡ电子活性越强,ETR越大,暗反应条件下有机物的积累程度越高[28],而qN和Y(NO)多作为防御光抑制对光合结构破坏的指标[29]。试验结果表明,‘北冰红’的Fv/Fm和Y(Ⅱ)较高但qN和Y(NO)较低,说明该品种叶片具备较强的PSⅡ原初光能转化效率,PSⅡ反应中心潜在活性较高,能有效将植物所需的光能转化为化学能,供应树体生长。而‘双红’Fv/Fm和Y(Ⅱ)较低,但qN和Y(NO)较高,可能与该品种PSⅡ反应中心的可逆性失活,阻碍其高效利用光能有关[27,29],田间表现为对干旱环境极为敏感,生长势较弱。

干物质积累量是引进品种对新环境适应好坏的直观反映,也是干旱环境筛选优良山葡萄品种的重要参数[30-31],通过对不同山葡萄品种的干物质积累量、Fv/Fm、WUE、Pn和Tr进行K-均值聚类分析时发现,‘北国红’和‘双丰’相较于其他品种,属于低Pn、低Tr、低Fv/Fm，高WUE的品种,这类品种光合同化物生产能力较弱,干物质积累量低,虽能应对干旱恶劣的环境,但容易在光照充裕的地区发生光抑制现象,该结论与冯会丽等[32]在研究不同红枣优系荧光特征差异的结论一致；‘北冰红’和‘左优红’属高Pn、高Fv/Fm和高WUE的品种,生产上只要加强肥水投入,即可发挥这2个品种Pn较高的优势,干物质积累量大,最具推广价值；‘雪兰红’和‘双红’属于高Fv/Fm，高Tr和Pn、WUE较低的品种,生产上宜在发挥Fv/Fm较高的特点,结合树势整形修剪,以提高Pn。