干旱胁迫及复水对野牡丹光合和叶绿素荧光参数的影响

方必君 卓定龙 刘晓洲 邓演文 曾凤

（1. 广州普邦园林股份有限公司 广东广州 510600；2. 仲恺农业工程学院 广东广州 510225）

水是植物正常生长发育的关键因素。由于全球气候变暖，全球水循环进一步加快，植物蒸腾和地表蒸散等水分平衡随之调整，干旱风险增高[1]。我国作为全球干旱最频发的国家之一[2]，近年来特大干旱中心向南方转移，南方干旱增加趋势更加明显[3]。

干旱对植物的影响可以分为3个层面：一是影响其形态结构，二是影响其生理生化，三是影响其相关基因的表达[4]。研究表明，当植物处在干旱环境下，根系首先感知到干旱胁迫信息，从而直接影响植株的地上部分[5]。植物在轻微干旱环境下根系活力提升，对水分的吸收能力增强；当水分胁迫继续增加、植物水平衡被打破时，植物将受损伤甚至死亡[6]。大量研究证实，干旱会影响植株的光合作用，并控制叶绿素生成。在干旱胁迫的诱导下，植株叶片水分严重亏缺，气孔运动受阻，气孔导度（gs）下降，植株从外部获得的二氧化碳量降低，从而导致胞间 CO2浓度（Ci）降低。严重缺水时气孔接近完全关闭，造成蒸腾速率（Tr）减少，植物净光合速率（Pn）降低，植物光合能力下降[7-9]。干旱胁迫下植物体内叶绿素荧光参数也会发现变化。GUO等[10]研究发现，干旱胁迫下，黑枸杞非光化学淬灭系数（NPQ）增多，最大光化学效率（Fv/Fm）、光合电子传递速率（ETR）等减少，表明干旱胁迫影响了PSⅡ反应中心的开放性。

野牡丹是中国华南地区常见的园林观花植物，花大，颜色鲜艳，外形大小俱佳，且易于修剪，可孤植、片植或丛植，在园林绿化中有着广泛的使用前景[11]。目前国内对野牡丹植物的研究主要集中在资源调查评价[12-14]、栽培技术[15-16]与适应性、组织培养、传粉生物学及药用价值[17]等方面，针对抗旱性、光合特性以及叶绿素荧光参数的研究较少。黄燕等[18]研究发现，随着干旱程度增加，野牡丹叶片出现干枯下垂、顶芽萎蔫，野牡丹叶片的相对含水量、SOD酶活性、叶绿素含量等主要指标的变化趋势表明，野牡丹的耐旱性不强。樊晚林等[19]对3种野牡丹属植物（野牡丹、毛稔、紫毛野牡丹）进行光合特性研究，结果发现，野牡丹的耐阴性是三者中最强的，其对冬季自然低温敏感性较强。本试验以野牡丹为研究对象，以盆栽模拟干旱，在不同的干旱程度下探究水胁迫下野牡丹光合和叶绿素荧光参数的变化，研究其抗旱能力，以期为未来干旱环境下野牡丹的种植提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验地概况 试验于2020年8月在广州市从化区西向村广州普邦研发中心大棚内开展。广州地处低纬度地带，属亚热带季风性湿润气候，夏季高温冬季温和，雨热同期，季风发达。年平均气温22℃，年平均降雨量1 879.8 mm，大多集中在4—6月。

1.1.2 试材 试验所用材料为 2019年在广州市从化区西向村广州普邦研发中心大棚内经扦插获得，选取发育良好、长势一致的1年生扦插苗盆栽，移至温室大棚内正常养护一星期后开始干旱胁迫试验。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 在干旱胁迫的第0、3、6、9、12天以及复水第3天测定各项指标，对照组为正常养护浇水。为减小株间差别，对各株植株中生长发育情况和形态大小一致的叶片挂牌标记，从中测取数据。测定时间为当天上午的8：00—11：00，每个处理测定植物3株，每株进行3次重复。实验过程中大棚内温度在30～35℃，光照充足。

1.2.2 指标测定 利用土壤水分检测仪测定土壤含水率，并利用美国公司 LI-COR有限公司制造的便携式光合作用测量仪（LI-6400）测量野牡丹叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速度（Tr），并测算土壤水分利用率（WUE），WUE = Pn/Tr。使用美国Walz有限公司研发的便携式调制叶绿素荧光检测仪（PAM-2500），对各种植物同一叶位的成熟叶片进行叶绿素荧光参数测定，测定参数包括最大光化学效率（Fv/Fm）、光化学淬灭系数（qP）、非光化学淬灭系数（NPQ）以及光合电子传递速率（ETR）。

1.2.3 数据处理 采用SPSS 23.0和Excel 2010对试验数据进行统计分析以及图表绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量的变化

如图 1所示，随着干旱时间的不断延长，土壤含水量不断下降。在干旱12 d时土壤含水量达到最低值，与对照组相比下降了90.19%。

图1 土壤含水量的变化

2.2 干旱胁迫及复水对野牡丹光合参数的影响

如图2～5所示，随着干旱程度的不断增加，野牡丹叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（gs）、胞间 CO2浓度（Ci）以及蒸腾速率（Tr）均呈下降趋势。野牡丹叶片Pn在轻度（干旱第3、6天）干旱下降幅较小，分别为 24.31%与 39.15%；在重度干旱（干旱第9、12天）下降幅较大，分别达到 79.91%与 92.75%；复水后，Pn仅恢复到干旱第3天水平，且不同干旱胁迫时间段存在显著性差异（p＜0.05）。与对照组相比，第12天野牡丹叶片gs下降了91.49%，复水后仅恢复到干旱第3天水平；gs在干旱前期与后期降幅较大，中期降幅较平稳；gs在干旱胁迫过程中干旱组和复水后与对照组间均存在显著性差异。Ci在整个干旱过程中的降幅都较为平稳，在第12天下降到最低水平，下降了42.74%，复水后恢复到干旱第9天的水平。Tr在整个干旱过程中的降幅都较大，在第 12天下降到最低水平，与对照组相比下降了94.58%，复水后恢复到了干旱第3天水平。

图2 干旱及复水对野牡丹净光合速率的影响

图3 干旱及复水对野牡丹气孔导度的影响

图4 干旱及复水对野牡丹胞间CO2浓度的影响

图5 干旱及复水对野牡丹蒸腾速率的影响

如图 6所示，野牡丹叶片的水分利用效率（WUE）随着干旱时间的延长呈先上升后下降的趋势。WUE在第6天达到最大水平，与对照组相比上升了95.4%，复水后恢复到对照组水平。

图6 干旱及复水对野牡丹水分利用效率的影响

2.3 干旱胁迫对野牡丹叶绿素荧光参数的影响

如图7～11所示，随着干旱程度的不断增加，野牡丹叶片的最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光能转化效率[Y(Ⅱ)]、光化学淬灭系数（qP）和光合电子传递速率(ETR)均呈下降趋势，而非光化学淬灭系数（NPQ）随着干旱程度的不断增加呈上升趋势。野牡丹叶片的Fv/Fm4个干旱处理组与对照组相比分别降低了 6.58%、13.59%、17.39%、29.63%，降幅稳定，且4个干旱处理组与对照组的差异均达到了显著水平。野牡丹叶片的Y(Ⅱ)四个干旱处理组与对照组相比分别降低了22.23%、39.89%、50.57%、66.48%，均有显著性差异。野牡丹叶片的NPQ四个干旱处理与对照组相比均有显著性差异，复水后与对照组间无显著性差异。干旱处理NPQ不断上升，在12 d达到峰值，与对照组相比上升了约42.11%。野牡丹叶片qP与对照组相比在干旱3 d时没有受到显著性影响，在干旱6、9、12 d均受到了显著影响，在12 d时下降了40.19%。野牡丹叶片的ETR四个干旱处理组与对照组相比都受到显著影响，其中 6与9 d、9与12 d组间没有显著性差异，干旱胁迫下ETR呈不断下降趋势，干旱12 d时与对照组相比下降64.22%。

图7 干旱及复水对野牡丹最大光化学效率的影响

图8 干旱及复水对野牡丹实际光能转化效率的影响

图9 干旱及复水对野牡丹非光化学淬灭系数的影响

图10 干旱及复水对野牡丹光化学淬灭系数的影响

图11 干旱及复水对野牡丹光合电子传递速率的影响

3 讨论

3.1 干旱及复水对野牡丹光合参数的影响

研究发现，当植物在短期或适度的水分亏缺状况下，气孔限制是引起Pn值降低的重要因素[20]。叶片的光合速率和气孔导度成正相关[21]。当水分胁迫加剧,植物抗水分逆境的能力有限，生理代谢功能失调以及叶绿体对CO2的固定能力降低等原因导致非气孔限制因素，使得Pn降低[22]。本研究结果表明，当野牡丹处在干旱条件下时，气孔运动受限，气孔导度（gs）减少，植株从外部获得的CO2大大减少，从而导致胞间co2浓度（Ci）降低。严重缺水时气孔接近完全封闭，从而造成了蒸腾速率（Tr）降低，最终导致植物净光合速率（Pn）减少，植株光合能力降低。干旱环境胁迫下野牡丹的水分利用效率（WUE）先上升后下降。程甜甜等[23]研究也发现，随着土壤中相对含水率的下降，文冠果叶片的净光合速率与水分利用效率都出现了先升高后下降的变化趋势。

3.2 干旱及复水对野牡丹叶绿素荧光参数的影响

Fv/Fm值体现了 PSII的光能转化效率，常被用于判断植物PSII能否因发生光抑制而产生不可逆伤害[24]，该参数变动范围较小，通常为0.75～0.85，且不受植物物种和生长条件的影响。Fv/Fm值在第9天后降到了0.7以下，说明在干旱胁迫下野牡丹产生了光抑制作用，光合组织受到破坏；复水后有所上升，说明抑制作用减弱、光合功能得到一定程度恢复。Y（Ⅱ）体现了PSII光化学系统的开放程度，与碳同化过程有很大的关联[25]。qP表示以 PSII天线色素所吸收的光能作为植物暗反应中固定能量的部分，其值越大说明PSII的光电子转换活性越大，在光能中转化为活泼化学能的能量就越多，因此植物对光能的利用效率也就越高[26]。qP、ETR、Y（Ⅱ）低于对照组，说明野牡丹光合电子传递和光化学活性受到抑制，只有通过降低量子产额、光化学淬灭和电子传递速率来耗尽过剩的光能。NPQ超过了对照组，表明干旱胁迫造成野牡丹原始光能转换效率下降，PSⅡ天线色素所吸收的光能过剩，因此只能升高NPQ，即以热耗散的形式释放掉过多的光能。复水后，各项荧光参数均显著恢复，说明野牡丹受损的PSⅡ反应中心可在一定程度恢复。

干旱胁迫后的复水恢复情况可反映植物对干旱胁迫的适应能力和保护机制[27-28]。通过光合和叶绿素荧光参数的变化可知，12 d的干旱胁迫对野牡丹的光合生理造成了影响，但是复水后各项指标都能恢复到干旱胁迫0～3 d的水平，说明野牡丹具有一定的抗旱性。本实验仅研究了干旱胁迫及复水对野牡丹光合和叶绿素荧光参数的影响，今后还需要在生理生化、信号转导、基因表达等方面开展进一步的探索研究。