酿酒葡萄叶片光合特性对干旱胁迫的响应

2022-12-22 11:51王胜永张瑞君陈国良
中国南方果树 2022年6期
关键词:气孔光合作用含水量

王胜永,张瑞君,陈国良

(1 徐州生物工程职业技术学院,江苏徐州,221006;2 江苏省徐州市现代农业生物技术重点实验室,江苏徐州,221006;3 长江大学农学院,湖北荆州,434025;4 湖北省荆州市种子管理局,湖北荆州,434020)

随着全球气温的升高,干旱胁迫对植物的影响越来越严重,能够间接导致叶片光抑制的发生,降低光合运转效率,严重影响植株的正常生长发育,大大降低产量。酿酒葡萄是宁夏特色优势产业之一,也是宁夏经济发展的支柱产业[1]。贺兰山东麓酿酒葡萄产区全年日照长达3 000 h,土壤富含矿物质砂石,流经宁夏境内的黄河水为酿酒葡萄提供了良好的灌溉条件[2]。特殊的地理优势使贺兰山东麓成为国际公认的最适合种植优质酿酒葡萄的“黄金地带”之一。但由于年降雨量少、蒸发量大[3],干旱缺水对当地的农林业造成了极大影响,在一定程度上限制了植被的生存和发展,影响生态环境及可持续发展。光合作用是植物重要的生理生化过程,且植物光合特征参数的变化是衡量逆境胁迫的重要指标之一[4-6],研究酿酒葡萄在不同程度干旱胁迫下的光合参数有利于深入了解植物在逆境中的适应性。

干旱胁迫是影响植物光合作用和生长发育的重要逆境因子,极易引起吸收光能过剩,造成光合损伤[7-9]。近年来,国内外学者针对干旱胁迫下的葡萄产量、品质和生理生化特性等方面进行了大量研究。研究发现,长期的适度干旱胁迫可以使葡萄最终产量提升4.7%[10],且可促进葡萄中花色苷的形成[11]。邓浩亮等[12]认为,在一定范围内的干旱胁迫不仅可以增加葡萄果实内的含糖总量,也可以提高可溶性固形物和维生素等含量。李晶等[13]研究表明,一定的水分胁迫能够降低葡萄果实内的可滴定酸含量,从而使葡萄品质更优。然而对于干旱胁迫条件下葡萄幼苗的光合特性的响应机理研究相对较少。本试验以1年生“霞多丽”葡萄幼苗为材料,用PEG-6000模拟干旱胁迫,定量控制干旱胁迫程度,研究酿酒葡萄幼苗叶片光合特性变化,揭示幼苗在干旱胁迫下的光合作用变化机理,为干旱区酿酒葡萄种植管理和光响应机理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验材料为1年生酿酒葡萄品种“霞多丽”(Chardonnay),由宁夏银川市平吉堡农场葡萄示范基地(N 38°25′27″,E 106°1′45″)提供。试验于2019年6—9月在宁夏回族自治区科技厅旱作节水科技园区试验站进行。用花盆(高25 cm,上口直径25 cm,下底直径15 cm)栽植1年生酿酒葡萄“霞多丽”扦插苗(基质配比为珍珠岩∶草木灰∶蛭石=3∶2∶5),待葡萄幼苗发育到10~12片叶时(7月20日),筛选出长势基本相同的幼苗20株进行不同浓度PEG溶液处理。PEG-6000用霍格兰(Hoagland’s)营养液配制成不同质量分数的渗透溶液,设置4组不同的比例,分别为5%、10%、15%和20%,以不含PEG-6000(-0.49 MPa)的Hoagland’s营养液作为对照(CK),每个处理重复4次,共20株葡萄幼苗。在胁迫处理开始前进行第1次相关指标测定,记为0 h;待葡萄幼苗干旱胁迫处理24 h后开始第2次测定,之后每隔24 h进行取样和测定。取样时间控制在11:00—12:00,取样后立即在实验室进行鲜样指标测定,以减少误差。

1.2 测定项目

采用烘干称质量法测定叶片相对含水量,采用紫外线吸收法并计算RuBP羧化酶活性[14]。采用SPAD-502便携式测定仪测定叶绿素含量,选择晴朗天气上午的11—12时,每个处理重复测定3次,测定时选择葡萄幼苗底部起向上第7~9节位叶片。利用 Li-6400XT型便携式光合仪测定光合指标,测定时间和测定部位与叶绿素含量测定同步。

1.3 数据处理

使用Excel 2010软件对数据进行处理,Origin 2021作图,SPSS 24.0统计软件进行方差分析,并进行Duncan多重比较(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对葡萄叶片相对含水量的影响

试验结果看出,对照(CK)酿酒葡萄幼苗叶片的相对含水量最终为92.54%。采用PEG进行处理的葡萄幼苗,在同一胁迫时间段,随着PEG浓度递增,叶片相对含水量在胁迫24 h明显降低,且叶片相对含水量随胁迫时间的增加均呈下降趋势,各处理间差异显著。5%和10% PEG处理叶片的相对含水量变化幅度微小,与CK无显著性差异;15%和20%处理叶片的相对含水量下降幅度较大,至胁迫结束时分别降至73.74%和66.24%,较CK分别下降20.31%和28.42%(见图1)。

图1 干旱胁迫下不同PEG浓度处理酿酒葡萄幼苗叶片相对含水量动态变化

2.2 干旱胁迫对叶绿素含量的影响

结果表明,CK和5% PEG处理叶片的叶绿素含量在整个胁迫时间段基本处于平稳状态,无明显变化;10%、15%和20%处理葡萄幼苗叶片的叶绿素含量随胁迫时间延长呈先升高后降低趋势,其中15%和20%处理均在胁迫24 h时达到高峰,分别为4.822、5.356 mg/g;10%处理则在胁迫48 h时达到最大值,为5.214 mg/g。不同胁迫处理下平均叶绿素含量从大到小依次为:10%>5%>CK>15%>20%(见图2)。与CK相比,5%、10%处理的叶片平均叶绿素含量分别提高了4.96%、8.00%;15%、20%的叶片平均叶绿素含量分别下降了22.02%、33.80%。

图2 干旱胁迫下不同PEG浓度处理对酿酒葡萄幼苗叶片叶绿素含量动态变化

2.3 干旱胁迫对光合特性的影响

2.3.1 净光合速率动态变化 CK葡萄幼苗叶片的净光合速率(Pn)为12.35 μmol·m-2·s-1。随着胁迫时间延长,不同质量分数PEG处理葡萄幼苗叶片的Pn呈先升高后降低的趋势。5%、10%、15%、20%处理在胁迫24 h时,葡萄幼苗叶片Pn达到最大值,分别为19.93、17.78、15.65和16.52 μmol·m-2·s-1。随后5%与10% PEG处理的Pn小幅下降,在96 h后,5% PEG处理的Pn略高于CK,为13.88 μmol·m-2·s-1,10%处理的Pn与CK相当;15%、20%处理的Pn则急剧下降,在96 h时分别为4.21、1.38 μmol·m-2·s-1,较CK分别降低了65.91%和88.83%(见图3a)。

2.3.2 气孔导度动态变化 CK葡萄幼苗叶片的气孔导度(Gs)为30.5 mmol·m-2·s-1。随着胁迫时间延长,不同质量分数PEG干旱胁迫处理下Gs表现为先升高后降低趋势。在同一胁迫时间段(24~96 h),随着PEG质量分数增加,葡萄幼苗叶片Gs相应减小,在96 h时,5%、10%处理的Gs降至略高于CK,且10%处理的Gs高于5%处理;15%、20%处理的Gs降幅显著,胁迫96 h时葡萄幼苗叶片的Gs分别比CK降低了63.25%、66.85%(见图3b)。

2.3.3 蒸腾速率动态变化 由图3c看出,CK葡萄幼苗叶片的蒸腾速率(Tr)为5.72 mmol·m-2·s-1。随着胁迫时间延长,不同质量分数PEG处理下葡萄幼苗叶片的Tr表现为先升高后降低。5%、10%、15%和20%处理在24 h时,葡萄幼苗叶片的Tr达到最大值,分别为12.12、9.89、8.48和10.56 mmol·m-2·s-1;5%、10%处理后期葡萄幼苗叶片的Tr逐渐降低,在96 h时与CK相当;15%、20%处理后期葡萄幼苗叶片的Tr降幅剧烈,96 h时葡萄幼苗叶片的Tr分别比CK降低了58.39%、74.83%。

2.3.4 胞间CO2浓度动态变化 CK葡萄幼苗叶片的胞间CO2浓度(Ci)为278.94 μmol·mol-1。不同质量分数PEG胁迫处理下,0~24 h叶片的Ci均呈升高趋势;其中5%、10%在24 h时达到顶峰,分别为392.33、376.21 μmol·mol-1;15%、20%处理则在处理结束时达到了最大值,分别为310.49、330.36 μmol·mol-1。随着胁迫时间的延长,5%、10%处理的Ci逐渐开始下降,最终降至与CK相当;15%、20%处理则呈先降低后升高趋势,在72 h时达最小值,分别为150.21、140.66 μmol·mol-1(见图3d)。

图3 干旱胁迫下不同PEG浓度处理对葡萄幼苗光合作用的影响

2.4 干旱胁迫对RuBP羧化酶的影响

RuBP羧化酶(核酮糖二磷酸羧化酶)是光合作用中一个起重要作用的酶系统,是叶绿体卡尔文循环羧化阶段中CO2的接受体,在RuBP羧化酶的催化下,CO2与RuBP反应形成2分子3-磷酸甘油酸(PGA)。试验结果看出,CK葡萄幼苗叶片的RuBP羧化酶活性为35.92 μmol·g-1·min-1。不同质量分数PEG胁迫处理下,葡萄幼苗叶片的RuBP羧化酶活性表现为先升高后降低趋势,不同处理之间有显著性差异。在24 h时,5%、10%、15%和20%处理的葡萄幼苗叶片RuBP羧化酶活性均达到顶峰,分别为49.59、40.89、45.66和38.21 μmol·g-1·min-1。24 h后RuBP羧化酶活性均开始下降,其中5%、10%处理的下降幅度小,最终与CK持平;15%、20%处理的下降幅度明显,在96 h时,酶活性较CK分别减少了34.68%、42.31%(见图4)。

图4 干旱胁迫下不同PEG浓度处理对葡萄幼苗叶片RuBP羧化酶活性动态变化

3 讨论

叶片相对含水量是植物耐旱性的重要指标,能准确反应出植物在水分胁迫条件下其体内水分的真实亏缺情况[15]。陈荣建等[16]研究表明,叶片相对含水量在干旱胁迫条件下的下降幅度小、速率慢,说明其在此状态下叶片保水能力强,抗旱性强。本研究结果显示,5%、10%、15%、20% PEG处理时,酿酒葡萄幼苗在胁迫前期(0~24 h)叶片相对含水量下降幅度小,说明酿酒葡萄幼苗叶片的保水效果较好,具有一定的耐旱性。但随着干旱胁迫时间的延长,酿酒葡萄幼苗叶片相对含水量会持续降低。而在5% PEG和10% PEG干旱胁迫处理下,葡萄幼苗在全部胁迫时间段的保水效果均与CK保持相当。可见适宜的胁迫浓度具有抵抗干旱的能力,主要是因为植物在遭遇到干旱胁迫时,体内的生理代谢过程会有相应的应对机制,可以在初期有一定的缓冲能力以抵抗干旱造成的危害,但是随着干旱胁迫时间延长,植物体内生理代谢过程平衡被逐渐破坏,并且干旱越严重,破坏的程度和范围越大。因此,对葡萄幼苗进行适度干旱胁迫,植株可能通过促进根系生长、增加渗透调节物质、提高抗氧化酶活性等调整形态结构以及生理生化变化,从而增强细胞的吸水保水能力。

叶绿素是影响光合作用速率的主要因素[17]。叶绿素含量与植物叶片光合能力密切相关,是衡量植物抗逆性的重要生理指标之一[18]。干旱胁迫能增强叶绿素酶活性,加剧叶绿素的降解,抑制其合成,因此叶绿素含量变化能反映干旱胁迫对植物的伤害程度[19]。高宏云等[20]研究表明,随着干旱程度加剧,2 个棉花品种的光合能力(叶面积大小、叶绿素含量、净光合速率)都表现出下降趋势。高焕哗等[21]研究认为,在一定干旱环境中,植物的叶绿素总量表现为持续减少的变化趋势。本研究结果表明,随着干旱胁迫时间的延长,酿酒葡萄幼苗的叶绿素相对含量表现为先上升后下降的趋势,该结果与前人研究结果略有不同[20-21],其主要原因是在干旱胁迫初期(0~24 h),叶片中的细胞会相应收缩以适应干旱环境。所以在前期叶片中的叶绿素相对含量会有所上升,PEG浓度低,植株适应快,叶片中的细胞恢复得快,叶绿素含量会向原来的水平恢复;PEG浓度越高,对叶肉细胞的破坏越大,叶片内部生理循环调节紊乱,叶绿素含量下降。

光合作用是植物生长发育的基础,是一个复杂的生理过程[22]。干旱情况下植物生长受到抑制,很大程度上取决于植物的光合作用。植物的光合能力是植物能够生长发育的一个关键指标,也是植物在生长环境下生理状况的综合体现,可以衡量不同植物间的差异性,以及受环境胁迫的影响[23]。植物进行光合作用的因子主要分为气孔限制和非气孔限制两种类型[24-25]。前人研究认为,在干旱胁迫中,植物首先表现出气孔因素,随着胁迫程度加深,非气孔因素才开始起作用[26-27]。目前判断光合速率下降是否受非气孔因素限制的依据是光合速率和气孔导度下降与胞间CO2浓度的变化是否呈相反趋势[28]。

本研究结果表明,在不同质量分数的PEG干旱胁迫处理下,5%和10%处理的葡萄幼苗叶片Pn随着胁迫时间的延长,表现为先升高后下降的趋势,与Ci变化趋势一致;同时15%和20%处理的Pn在0~72 h时间段内也与Ci变化一致,均呈现持续下降趋势。说明5%和10%处理在整个胁迫时间段与15%和20%在0~72 h时间段的光合作用受气孔因素限制。而15%和20%处理在胁迫末期(72~96 h)的Pn表现为下降,与同时间段内的Ci持续上升呈现出相反趋势,表明此胁迫阶段的光合作用受非气孔因素限制。结合叶绿素含量和RuBP羧化酶活性进一步证实,当Ci下降到胁迫末期再升高时,其叶片中的叶绿素含量和RuBP羧化酶活性明显下降,说明此阶段叶片内的叶绿体结构被破坏,使得光合色素含量减少,羧化酶活性降低,光合作用减弱。这一结论与前人在马铃薯[29]和醋栗[30]叶片上的研究结果一致。因此,在5%和10% PEG模拟胁迫处理下,葡萄幼苗进行光合作用主要受气孔因素限制,这与植物具有一定的体内生理渗透调节有关,但也与植物气孔结构对周围环境的适应性调节能力有一定的联系[31]。而15%和20% PEG模拟胁迫处理下,葡萄幼苗进行光合作用前期受气孔因素限制,后期受非气孔因素限制。

4 结论

5%和10% PEG模拟干旱胁迫下,葡萄幼苗可以保持较高的叶片相对含水量,且可以通过增加叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度和提高RuBP羧化酶活性以促进光合作用。15% PEG和20% PEG模拟干旱胁迫下,葡萄幼苗叶片相对含水量、叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和RuBP羧化酶的活性都有大幅度下降,对光合作用产生抑制效果。

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