不同滴灌量下马铃薯脱落酸产生及对气孔活动的调节作用

金建新，李株丹，桂林国

（1. 宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川 750002； 2. 宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021）

马铃薯是小麦、水稻、玉米后的第四大粮食作物，2015年农业部启动了马铃薯主粮化战略，预计在2020年将50%的马铃薯作为主粮消费［1，2］。干旱是影响马铃薯生理活性和产量的重要因素，在土壤水分不足时，马铃薯会产生一系列生理变化来适应这种干旱胁迫，包括生育期提前、产生化学物质调节生理活动等［3，4］。马铃薯各生育阶段受不同程度的干旱胁迫均会使其生理生化指标发生相应变化，其中丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）含量均增加，而超氧化物歧化酶（SOD）活性下降［5-7］。除此之外，干旱胁迫还会影响马铃薯光合生理，在干旱胁迫下气孔关闭，植物吸收CO2量减少，光合速率下降，导致产量减少，水分利用效率降低［8-10］。植物激素脱落酸ABA 在植物生长过程中扮演重要角色，能够促进果实发育、种子萌发等，也参与干旱胁迫作物自调节过程［11，12］。适宜的ABA 浓度处理后，可显著降低雾培微型马铃薯块茎的失重率，加速块茎周皮组织处软木脂和木质素的积累［13］。在马铃薯干旱脱水等条件下，胁迫信号会激发ABA 合成酶的作用，使ABA 在细胞内的含量快速发生改变，并且随着水分胁迫程度增加马铃薯叶片中ABA 含量呈递增趋势［14］。目前脱落酸ABA对作物气孔活动的调节有两种观点，一种是认为ABA直接作用于叶片保卫细胞，另一种是认为ABA通过叶肉细胞中离子间接作用于叶片保卫细胞［15-18］。本文在滴灌条件下，探索了不同滴灌灌水量条件下马铃薯叶片微观生理活动的变化和根系、叶片脱落酸的生成，以及叶片脱落酸ABA 对气孔和蒸腾的调节，为马铃薯滴灌条件下生理节水提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在盐池县冯记沟乡马儿庄试验基地展开，位于宁夏中部地区，东经107°43'33″，北纬37°57'57″，典型的大陆性季风气候，气温冬冷夏热，平均气温22.4 ℃，晴天多，降雨少，光能丰富，日照充足温差大，冬夏两季气候迥异，平均温差28 ℃左右，秋冬交节之际，昼夜温差可达20 ℃。多年平均降雨量为254.8 mm，蒸发量2 100 mm，日照时数2 286 h，大于10 ℃的有效积温为3 145 ℃，无霜期198 d，海拔1 352 m。试验区土质为沙壤土，平均容重1.42 g∕cm3，田间持水量为21.8%（重量百分比），耕层土壤碱解氮为92 mg∕kg，有效磷含量13.8 mg∕kg，速效钾含量125.4 mg∕kg，有机质含量为5.6 g∕kg［19］。

1.2 试验设计

马铃薯供试品种为宁薯16号，把马铃薯整个生育期分为出苗期、现蕾期、初花期、盛花期和淀粉积累期5 个生育阶段。本试验以灌溉定额为变量的单因素试验，设置3 000、3 750、4 500、5 250、6 000 m3∕hm2共5 个梯度灌溉量处理，共计5 个处理，如表1 所示。每个处理3 个重复，共计15 个小区，采用滴灌进行供水，随机区组排列。从马铃薯出苗期开始进行灌水量梯度处理，用水表严格计量灌水量，每个小区长20 m，宽3 m，于4月23 日前后开始穴播，种薯用量750 kg∕hm2，垄作滴灌种植，采用一垄双行一带布置，行距50 cm，株距33 cm。

表1 试验处理表m3∕hm2Tab.1 Test treatment table

1.3 测试指标及方法

（1）马铃薯生理指标。在马铃薯块茎膨大期，选择晴朗的天气，利用采用LI-6400型便携式光合仪测定净光合作用、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾强度等生理指标。每个小区随机选择3 株，观测时间为早上9∶00 至11∶00，选择长势正常、完全展开的叶片进行观测，每个叶片重复观测3次。

（2）脱落酸测定。在马铃薯块茎膨大期，每个小区随机挖取3 株马铃薯，将叶片和根系分离，装在保险箱带回实验室，采用气相色谱法［20］测定根系和叶片的脱落酸含量。

2 结果与分析

2.1 不同处理对马铃薯生理指标的影响

由图1可见，马铃薯净光合速率Pn和灌水量密切相关，随着灌水量的增加，马铃薯净光合速率Pn也增加，两者表现为线性相关关系，其中处理5的Pn最大，为35.5 μmol∕（m2·s），其次是处理4＞处理3＞处理2＞处理1，其中处理1 最小，最大值处理5较处理1、处理2、处理3、处理4 分别大55.93%、44.9%、12.22%和8.12%。可见处理1和处理2与处理3、处理4和处理5组间差异显著，说存在一个水分阈值，当超过阈值时，马铃薯净光合速率随着灌水量增加产生的增加值差异变小。拟合灌水量M与净光合速率Pn关系可得Pn=0.063M+10.76，决定系数R2=0.959，两者表现为显著的线性关系。

图1 不同处理马铃薯净光合速率PnFig.1 Photosynthetic rate of potato under different treatments

作物叶片气孔是氧气、CO2、水分等进出的通道，气孔导度大，进入细胞间的CO2浓度就越高，参与光合作用的CO2就越多，马铃薯的光合作用也就越大。由图2可以看出，马铃薯气孔导度和灌水量有一定的关系，基本趋势是随着灌水量的增加马铃薯叶片的气孔导度就越大，但是处理3较处理2小9.1%，出现了反常现象，各处理气孔导度相对大小和方向依次为处理5＞处理4＞处理2＞处理3＞处理1，最大值处理5 较最小值处理1大72%。说明在灌水量增加时能显著提高马铃薯叶片的气孔导度，拟合灌水量M和气孔导度Gs之间的关系可得Gs=0.000 67M+0.063 6，决定系数R2=0.82，两者之间也具有较为显著的线性关系。

图2 不同处理马铃薯气孔导度GsFig.2 Stomatal conductance of potato under different treatments

马铃薯胞间CO2浓度Ci越高说明进入细胞内参与光合作用的CO2越少，马铃薯光合强度就越小，其值受到叶片气孔导度、叶片周围空气的CO2浓度、叶肉导度和叶肉细胞的光合活性等的影响。由图3 可以看出，马铃薯叶片胞间CO2浓度随着灌水量的增加开始变化不大后来迅速减小，处理1 和处理2 之间差异不显著，处理3 则较处理小8.56%，处理4 和处理5 分别小16.77%和35.93%。拟合胞间CO2浓度和灌水量M之间的关系，发现Ci=-0.000 55M2+0.218M+60.82，决定系数R2=0.987，可见两者之间存在较好的二次函数关系，并且表现为显著性相关。叶片蒸腾强度是反应土壤水分状况的重要指标，灌水量小马铃薯从土壤可吸收的水分少，容易发生土壤干旱，若空气风速较大，马铃薯蒸腾强度过大，容易发生生理干旱，因此，作物蒸腾强度的大小和土壤水分直接相关。由图4 可以看出，马铃薯叶片蒸腾强度与灌水量具有较好的正相关关系，随着灌水量的增加马铃薯蒸腾强度也线性增加，表现为较好的一致性，其中处理5蒸腾强度最大，为8.21 mmol∕（m2·s），其次为处理4，最小的处理1，仅为为3.17 mmol∕（m2·s），处理5较处理4、处理3、处理2、处理1分别大7.47%、26.6%、50.95%和61.43%。拟合蒸腾强度Tr和灌水量M之间的相关关系，发现其也较好地满足线性关系，Tr=0.027M-2.389，决定系数R2=0.973，表现为显著性相关关系，说明马铃薯腾发量受灌水量的显著影响，灌水量增加其蒸腾强度也随着提高。

图3 不同处理马铃薯胞间CO2浓度CiFig.3 Intercellular CO2 concentration of potato under different treatments

图4 不同处理马铃薯蒸腾强度TrFig.4 Transpiration intensity of potato under different treatments

2.2 不同灌水对马铃薯根和叶脱落酸ABA的影响

植物在干旱脱水等条件下一种主要生理变化是内源激素脱落酸ABA 含量的变化，这是由于胁迫信号会激发ABA 合成酶的作用，从而使ABA 在细胞内的含量快速发生改变。从图5中可以看出随着灌水量的减少马铃薯叶片中的脱落酸含量增加，各处理叶片中的ABA 含量相对大小和方向依次为处理1＞处理2＞处理3＞处理4＞处理5，与灌水量具有较好的负相关关系，其中处理1 最大，较处理2、处理3、处理4、处理5 分别大15.56%、22.22%、31.11%和35.56%。拟合叶片脱落酸ABA 含量和灌水量M的关系，发现两者之间表现为显著的线性关系，即脱落酸含量ABA=-0.156M+118，决定系数R2=0.955。说明在土壤水分不足时，马铃薯会产生一定的内源激素对其生理活动进行调节，使水分消耗量减少，这也是马铃薯对周围环境胁迫进行自适应的一种应激反应，可最大限度减少土壤水分不足对其生长造成的胁迫影响。

图5 不同处理马铃薯叶片脱落酸含量Fig.5 Abscisic acid content in leaves of different treatments

图6 为不同处理马铃薯根系中脱落酸ABA 含量的变化，可以看出其表现为先增加后减少的趋势，各处理根系脱落酸含量相对大小和方向依次为处理2＞处理3＞处理1＞处理4＞处理5，其中处理2 根系中脱落酸含量达到最大，其较处理3、处理1、处理4、处理5分别大9.52%、14.28%、33.33%和47.62%。处理1根系ABA 含量小于处理2 和处理3，但是处理1 叶片中ABA 含量显著高于其他处理，这可能是因为处理1 下马铃薯根系在水分不足时产生的脱落酸转移至叶片参与叶肉保卫细胞的调节活动。但是整体趋势和叶片相似，即随着灌水量的增加根系脱落酸含量减小，处理1、处理2 和处理3较处理4 分别大28.57%、50%和35.72%，处理1、处理2和处理3较处理5分别大63.64%、90.9%和72.73%。说明马铃薯在土壤水分不足时，根系通过对渗透物质、保护酶和内源激素的调节来维持自身的正常生理代谢功能，来抵抗水分亏缺带来的影响。由此可见马铃薯对土壤水分胁迫具有一定的调节和适应能力，也说明了其对土壤干旱胁迫逆境所表现出来的耐旱作用和逃旱作用机制。

图6 不同处理马铃薯根系脱落酸含量Fig.6 Abscisic acid content in roots of different treatments

2.3 马铃薯脱落酸在调节气孔行为中的作用

当土壤水分不足时，马铃薯会产生一定的内源激素对其生理活动进行调节，这种内源激素包括很多类型，其中对蒸腾起主要作用的激素为脱落酸ABA。脱落酸对蒸腾的调节机制主要有两种观点，一是认为脱落酸通过刺激K+和Na+等离子，间接作用到叶片保卫细胞上，使气孔减小或者关闭，另一种解释为脱落酸直接作用于叶片保卫细胞使其收缩，造成气孔关闭，蒸腾减少［18］。由图7可知，气孔导度Gs和叶片脱落酸ABA 含量之间表现为一定的负相关关系，随着叶片脱落酸ABA 含量的增加，气孔导度Gs逐渐减小。拟合发现两者符合线性关系，即Gs=-0.003ABA+0.542，决定系数R2=0.72，说明整体来看，叶片脱落酸ABA 在调节叶片气孔行为上具有一定的作用，随着其含量升高，叶片气孔关闭，气孔导度减小。但是其决定系数仅为0.72，说明还存在其他因素或内源激素，与脱落酸ABA 共同调节叶片气孔行为，或各因素之间还存在互作效应，还有待进一步研究。

图7 叶片ABA和气孔导度Gs关系Fig.7 Relationship between leaf ABA and Gs

图8 为叶片脱落酸ABA 和蒸腾强度的关系，与气孔导度Gs类似，叶片ABA 含量与蒸腾强度也表现为负相关关系，随着叶片脱落酸ABA 含量的升高，马铃薯蒸腾强度Tr逐渐降低。拟合后发现Tr=-0.167ABA+17.72，决定系数R2=0.931，说明两者表现为显著的线性关系，说明叶片脱落酸ABA 在抑制马铃薯蒸腾方面具有直接作用。在土壤水分不足时，马铃薯通过机体自适应反馈体系产生内源激素ABA，在ABA 的作用下，直接降低了叶片的蒸腾强度，减少了水分流失，进而保证植株体细胞保持膨胀所需要的水分。

图8 叶片ABA和蒸腾强度Tr关系Fig.8 Relationship between leaf ABA and Tr

3 主要结论

（1）马铃薯气孔导度、蒸腾强度、净光合速率均与灌水量正相关，且与灌水量表现为显著的线性关系，胞间CO2浓度相反，说明土壤水分充足时，能促进马铃薯各项生理过程，光合速率加快，同化物累计量增加，大量的CO2进入细胞内参与光合作用，造成胞间CO2浓度降低。

（2）马铃薯叶片和根系中脱落酸ABA 含量与灌水量表现为负相关关系，马铃薯在土壤水分不足时，根系通过对渗透物质、保护酶和内源激素的调节来维持自身的正常生理代谢功能，抵抗一定的水分亏缺，可见马铃薯对土壤水分胁迫具有一定的调节和适应能力，充分说明了其对土壤干旱胁迫逆境所表现出来的耐旱作用和逃旱作用机制。

（3）叶片脱落酸ABA 在调节叶片气孔行为上具有一定的作用，随着其含量升高，叶片气孔关闭，气孔导度减小，但是其决定系数仅为0.72，说明还存在其他因素或内源激素，与脱落酸ABA 共同调节叶片气孔行为。叶片脱落酸ABA 在抑制马铃薯蒸腾方面具有直接作用，在土壤水分不足时，马铃薯通过机体自适应反馈体系产生内源激素ABA，在ABA 的作用下，直接降低了叶片的蒸腾强度，减少了水分流失，进而保证植株体细胞保持膨胀所需要的水分。