干旱与复水对喀斯特地区红背山麻杆生长及叶绿素荧光动力学参数的影响

赵 英,吴 敏,叶晓霞,任 琪,邓 平,朱宇林,2*

(1 广西玉林师范学院,广西玉林 537000;2 广西农业职业技术大学,南宁 530000)

喀斯特地貌是指可溶性岩石在水和大气CO2参与情况下,将可溶性岩石剥蚀搬运、沉积形成的独特地貌[1]。中国是世界上喀斯特分布面积最大的国家,喀斯特地区也是中国四大生态环境脆弱区之一,普遍具有生境基岩裸露、土体浅薄、水分下渗严重、生境保水性差、基质以及土壤和水等环境富钙的生态特征,独特的地貌特征导致喀斯特地区干旱频发,频发的干旱胁迫对当地的植物生长造成了严重的影响[2]。因此,开展喀斯特地区植物抗旱机理研究,提高植物抗旱性,筛选出抗旱性强、适应频繁干旱的喀斯特地区特殊生境条件的植物,对于植被恢复和生态环境修复具有重要意义。

光合作用是植物重要的生理过程,受干旱胁迫影响较大,正常情况下植物叶片叶绿素吸收的太阳光主要用于叶绿素荧光发射、热耗散及光合电子传递,光合作用和热耗散都会引起叶绿素荧光参数变化[3],因此叶绿素荧光参数常作为植物在干旱、低温及强光等环境胁迫条件下抗逆变化的重要指标。研究表明,随干旱胁迫的加剧,侧柏[Platycladusorientalis(L.) Franco]幼苗PSⅡ的最大光化学量子产量(Fv/Fm)、相对光合电子传递速率(ETR)和实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)均呈下降趋势,而非光化学淬灭系数(NPQ)呈上升趋势[4];随干旱胁迫时间的延长,射干[Belamcandachinensis(L.) Redouté]的Fv/Fm、光化学淬灭系数(qP)、ETR在轻度干旱胁迫下缓慢下降,相对叶绿素含量SPAD值、光合参数、叶绿素荧光参数均得到不同程度的恢复,但仍小于对照[5];干旱胁迫后玉米幼苗叶片叶绿素荧光参数Fv、Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP不断减小,且随干旱胁迫严重程度减小而增加[6];干旱胁迫使连翘(Forsythiasuspensa)[7]及何首乌(PolygonummultifloraThunb.)[8]的PSⅡ原初光能转换效率、活性降低,光合电子传递受到影响。

红背山麻杆[Alchorneatrewioides(Benth.) Muell. Arg.]是喀斯特地区的典型乡土树种,具有繁殖周期短、拓展性强、利用资源高效、生长快等优点,目前相关研究多集中在其生理指标特征、种群数量、格局分布及繁殖的方式等方面[9-13],而对于干旱和复水处理对红背山麻杆叶片叶绿素荧光动力学参数的影响研究鲜见报道。随着全球气温升高、强降雨增多和干旱频发,喀斯特地区的“干湿交替”现象加剧,植物经常处于干旱和复水状态[14]。因此,本试验拟通过模拟喀斯特地区自然干旱条件,研究干旱和复水对喀斯特地区典型树种红背山麻杆生长指标、叶绿素含量及叶绿素荧光动力学参数等指标的影响,分析红背山麻杆在喀斯特干旱环境下的生长变化、抗逆机理以及复水条件下的补偿机理,为喀斯特地区植被恢复以及提高该地区典型植物耐受性提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为广西玉林师范学院玻璃温室种植的生长健壮、株高(36±1.18) cm的一年生红背山麻杆扦插苗。红背山麻杆扦插苗栽种于高27 cm、上口径25 cm(内径)、下口径20 cm(内径)的塑料花盆中,每盆2株,共40盆。试验土壤为模拟喀斯特地貌土壤,上层为混合土层,下层为约18 cm 碎石层,碎石层为喀斯特山地收集的棕色石灰土、河床细沙和腐殖质,按1∶1∶1 比例(V/V/V)混合。缓苗4周后进行干旱胁迫试验,育苗与缓苗期均保持80%的田间持水量。

1.2 试验方法

2021年9月15日在广西玉林师范学院玻璃温室进行干旱胁迫试验,设置对照组(CK)10盆,干旱处理组(DT)30盆, DT组中15盆用于复水试验。测定干旱和降雨后喀斯特地貌土壤0-20 cm 土壤含水量,同时结合一年生红背山麻杆扦插苗生长环境情况,整个干旱胁迫试验持续42 d,CK组土壤相对含水量保持为(24.4±1.22)%,DT组不浇水进行自然干旱处理;处理期间,棚内白天温度为28 ℃,光强为800 μmol/(m2·s),相对湿度为(70±2.5)%,夜间温度为20 ℃。分别对CK组和DT组处理14 d、28 d、42 d的植株进行生长指标、叶绿素含量和叶绿素荧光测定,然后立即对各时期DT组中15盆进行2 d复水处理(复水处理组,RT),在试验处理16,30,44 d进行RT组植株相关指标测定,相关指标测定均为3次重复,取平均值。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤相对含水量

采用烘干法测定扦插苗根部附近的土壤相对含水量,对照组土壤相对含水量测定为隔天18:00开始称重,损失的水分重新补充到土壤中;DT组土壤相对含水量测定为隔天18:00开始称重,持续测定42d,RT组在DT组14 d、28 d、42 d进行复水处理,2 d后,即16 d、20 d、44 d下午18:00称重测定土壤相对含水量,每个处理5盆,每盆测3次并记录,取其平均值。

1.3.2 叶片相对含水量

采用饱和称重法。采集植株茎干上、中、下部位的叶片各1片,测定其相对含水量,即每盆测定1株,每株3片叶子,取其平均值,每个处理5盆。叶片采摘后用电子天平(精度0.01 g)测定叶片鲜重(m),然后将叶片浸泡在纯净水中24 h测定饱和鲜重(m1);最后放置在烘箱中70 ℃下烘烤48 h测定叶片干重(m2),最后计算叶片相对含水量 [(m-m2)/(m1-m2) ×100%]。

1.3.3 株高和基径

采用卷尺(精度0.1 cm)测量株高(植株底部到主枝顶端的高度),用游标卡尺(精度0.01 mm)测量茎粗。各个指标均重复测量3次,取平均值。

1.3.4 叶片叶绿素含量

参考李合生[15]的方法。每个处理分别采集5株,将叶片均匀混合剪碎,称取0.2 g,放入研钵中加适量95%酒精、少许碳酸钙和石英砂,研磨成匀浆,将匀浆转入10 mL离心管,用95%酒精洗涤研钵,一并转入离心管,静置30 min,取上清液定容为25 mL,整个过程避光操作,以95%酒精作为对照,分别测定470 nm(类胡萝卜素)、663 nm(叶绿素a)和649 nm(叶绿素b)下的吸光度,根据相关公式计算出叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、总叶绿素(Chl a+b)含量及叶绿素a/b(Chla/b)。

1.3.5 叶片叶绿素荧光参数

采用OS-30p+快速荧光测定仪测量植物胁迫荧光诱导动力学曲线(O-J-I-P荧光诱导曲线)。叶绿素荧光动力学参数的计算参考Strasser等[16]方法,初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、潜在光化学效率(Fv/Fo)、最大光化学效率(Fv/Fm)、OJIP荧光诱导曲线的初始斜率(Mo)、J点的相对可变荧光(Vj)直接从系统导出,然后计算PSⅡ反应中心活性参数:单位反应中心吸收的光能Abs/Rc=Mo/Vj/(Fv/Fm);单位反应中心捕获的用于还原Qa的能量Tro/Rc=Mo/Vj;单位反应中心捕获的用于电子传递的能量Eto/Rc=(Mo/Vj)×Ψo;单位反应中耗散掉的能量Dio/Rc=Abs/Rc-Tro/Rc,再计算PSⅡ能量分配率参数:最大量子效率Ψpo=1-(Fo/Fm);捕获的激子将电子传递到电子传递链中Qa下游的其他电子受体的概率:Ψo=1-Vj;用于电子传递的量子产额:ΨEo=(1-Fo/Fm)×Ψo;用于热耗散的量子比率:ΨDo=1-Ψpo。

1.4 数据处理

采用SPSS 26.0软件对试验数据进行统计分析,采用Origin 2019软件绘图,各图中的数值均为平均值±标准误差,所有数据均进行单因素方差分析(one-way AVOVA)和Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 干旱与复水对红背山麻杆立地土壤相对含水量的影响

土壤相对含水量是衡量土壤干旱程度的最直接指标之一[6],按照植物生长需水关键连续无效降雨日数确定,干旱10～20 d为轻度干旱,21～30 d为中度干旱,31～45 d为严重干旱。由图1可知,在不同干旱胁迫时间段,红背山麻杆土壤相对含水量都显著降低,复水后又都达到对照组含水量水平;相较于CK,红背山麻杆土壤相对含水量在干旱14 d、28 d、42 d时分别降低了42.3%、65.9%和80.6%,即在轻度、中度、中度干旱胁迫处理间存在明显差异。

CK.对照; DT.干旱;RT.复水。下同。

2.2 干旱与复水对红背山麻杆叶片相对含水量的影响

叶片含水量是体现植物叶片保水能力的常用指标[17]。由图2可知,在处理天数间相比较,随干旱胁迫时间的延长和干旱程度的加剧,DT和RT组红背山麻杆叶片含水量均显著逐渐降低(P<0.05)。在处理组间相比较,DT组叶片含水量均始终显著低于同期对照组和RT组,RT组叶片含水量在干旱胁迫处理14 d(轻度干旱)时与对照组无显著差异,在干旱处理28(中度干旱)和42 d(重度干旱)时也显著低于同期对照组。其中,干旱胁迫处理14 d、28 d和42 d时,DT组叶片含水量相较于同期CK分别显著减少了6.7%、14.5%和23.7%(P<0.05)。可见,轻度干旱复水后叶片含水量能够完全恢复到对照水平,而中、重度干旱复水后仅能部分恢复但仍显著低于对照,说明红背山麻杆对短时间的干旱环境具有较强的适应性,对中、重度干旱具有一定的恢复能力。

不同小写字母表示相同时间不同处理间差异显著(P<0.05),不同大写字母表示相同处理不同时间之间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3 干旱与复水对红背山麻杆株高和基径的影响

株高和基径是植物重要的生长指标,其相对增量反映了植物间断性生长状况及对环境变化的适应性[18]。由图3可知,正常生长(CK)的红背山麻杆在42 d生长时间内株高显著增加;随干旱胁迫时间延长,红背山麻杆株高整体增加缓慢,干旱胁迫处理14 d、28 d和42 d时的株高相较于CK分别显著减少了2.98%、6.07%、9.98%(P<0.05),这与大部分植物受干旱胁迫后生长受到抑制的表现相同;在复水处理后,红背山麻杆株高比DT组略微增加,但仍显著低于相应对照。刁兆龙[19]认为植物受到严重干旱胁迫,由于嫩芽、嫩叶等缺水萎蔫,植物株高甚至会出现不增反降的现象。同时,红背山麻杆基径在正常生长的42 d内也显著增加;随干旱胁迫时间延长,红背山麻杆基径缓慢增加,在干旱处理14 d、28 d和42 d时相较于CK分别显著减少了4.91%、5.68%和11.00%(P<0.05);在复水处理后,其基径比同期DT稍微增加,但显著低于相应对照。以上结果说明,不同程度干旱胁迫均显著抑制了红背山麻杆株高和基径生长,及时复水后仍不能恢复至正常对照水平。

图3 干旱与复水处理红背山麻杆的株高和基径

2.4 干旱与复水对红背山麻杆叶绿素含量的影响

叶绿素a含量变化可以反映作物对长波光的吸收程度,叶绿素b可以参与传递光能、促进作物对短波光的吸收,叶绿素总量在一定程度上可以代表作物光合作用的强度,叶绿素a/b可以反映作物对不饱和散射弱光的吸收情况,在一定范围内比值越低,吸收率越高[20]。如图4所示,随生长时间延长,对照组红背山麻杆叶片Chla、Chlb和Chl(a+b)含量逐渐显著增加(P<0.05),Chla/b始终无显著变化;随干旱胁迫处理时间延长,DT组叶片Chla、Chlb、Chl(a+b)及Chla/b先增加后降低,并均在干旱胁迫处理28 d时达到最高值,并以处理14 d时最低,且各时期间多存在显著性差异;与对照相比,DT组各时期叶绿素含量及其比值大多显著提高,干旱胁迫28 d时分别显著增加了75.0%、45.6%、62.0%和20.1%;RT组叶片叶绿素含量及其比值随干旱胁迫时间延长逐渐显著增加,并大多显著高于同期对照;RT组各指标在处理14 d、28 d均显著低于同期DT组,而在处理42 d时稍高于同期DT组。这可能是由于干旱胁迫使叶片相对含水量降低,导致叶绿素含量相对升高,而叶片含水量在复水以后增加,又导致叶绿素含量相对减少[21];同时说明红背山麻杆在重度干旱胁迫下叶绿素的合成未受到毁灭性破坏,复水处理后经自身调节可恢复。

图4 干旱与复水处理红背山麻杆的叶绿素含量

2.5 干旱与复水对红背山麻杆叶绿素荧光动力学参数的影响

2.5.1 叶绿素荧光基本参数

初始荧光Fo是PSⅡ反应中心处于完全开放时的荧光产量,代表不参与PSⅡ光化学反应的光能辐射部分;最大荧光Fm是PSⅡ反应中心完全关闭时的荧光产量,它能反映通过PSⅡ的电子传递情况;Fv/Fo是PSⅡ反应中心潜在活性指标;Fv/Fm是PSⅡ最大光化学量子产量,反映PSⅡ反应中心最大的光能转换率和植物潜在的最大光合能力。

图5显示,随干旱时间的延长和干旱胁迫程度的加剧,各组红背山麻杆叶片Fo均逐渐增加,但CK组均增加不显著,DT组和RT组在干旱胁迫42 d均显著高于28 d、14 d;各期DT组叶片Fo均比CK显著提高,RT组Fo均高于同期CK组,却低于同期DT组,但均仅在干旱胁迫42 d达到显著水平(P<0.05)。随干旱胁迫加剧,各处理组叶片Fm、Fv/Fo、Fv/Fm均逐渐减小,且均仅在42 d时降幅达到显著水平;各时期叶片Fm、Fv/Fo、Fv/Fm均表现为CK组>RT组>DT组,且DT组各指标与同期对照、RT组间始终差异显著,RT组Fm始终与同期对照无显著差异,而其Fv/Fo、Fv/Fm均仅在干旱胁迫处理28 d和42 d时与相应对照差异显著;干旱胁迫42 d时,DT组叶片Fm、Fv/Fo、Fv/Fm相较于CK分别显著减少了16.3%、44.3%和13.8%(P<0.05)。可见,不同程度的干旱胁迫均使红背山麻杆叶片Fo显著升高,而使Fm、Fv/Fo、Fv/Fm显著降低;复水可使不同干旱胁迫程度处理的Fm都基本能恢复到CK水平,但仅能使轻度干旱胁迫下的Fo、Fv/Fo、Fv/Fm恢复到CK水平。这说明复水后,虽然有光保护机制的存在,但Fo、Fv/Fo、Fv/Fm均未能恢复到对照水平,复水处理后叶片Chla、Chlb含量仍然高于对照也从另一方面可说明红背山麻杆叶片光合能力未完全恢复至对照水平,因此干旱后复水不能完全解除干旱对PSⅡ反应中心所带来的伤害,这与李文娆等[22]的研究结果一致。

图5 干旱与复水对红背山麻杆的叶绿素荧光参数

2.5.2 PSⅡ反应中心活性参数

PSⅡ反应中心活性参数包括单位反应中心吸收的光能(Abs/Rc)、单位反应中心捕获的用于还原Qa的能量(Tro/Rc)、单位反应中心捕获的用于电子传递的能量(Eto/Rc)、单位反应中耗散的能量(Dio/Rc)。如图6所示,随干旱时间的延长和干旱胁迫程度的加剧,DT组红背山麻杆叶片Abs/Rc、Tro/Rc、Eto/Rc、Dio/Rc均逐渐增加,且均显著高于同期CK(P<0.05),它们干旱处理42 d时相较于CK分别显著上升了34.8%、16.1%、6.3%和109.1%;不同程度干旱胁迫复水后,RT组叶片Abs/Rc、Tro/Rc、Eto/Rc、Dio/Rc相对于同期DT组均不同程度降低,且除干旱胁迫42 d复水处理的Eto/Rc外降幅均达到显著水平,但同时它们均不同程度地高于同期CK,并随着干旱胁迫时间延长,复水处理后比对照增幅越大,且增幅大多达到显著水平。以上结果说明干旱胁迫后红背山麻杆叶片通过调节单位反应中心吸收、传递和耗散的光能,使其保持较高的光能转换能力,保证光合作用正常进行,同时在电子传递延伸过程中耗散的能量增加,也体现了对PSⅡ的保护。

图6 干旱与复水处理红背山麻杆的PSⅡ反应中心活性参数

2.5.3 PSⅡ能量分配比率参数

PSⅡ最大量子效率(Ψpo)、捕获的激子将电子传递到电子传递链中Qa下游的其他电子受体的概率(Ψo)、用于电子传递的量子产额(ΨEo)、用于热耗散的量子比率(ΨDo)都属于PSⅡ能量分配比率参数。

由图7可知,随干旱时间的延长和干旱胁迫程度的加剧,DT组红背山麻杆叶片Ψpo、Ψo、ΨEo逐渐下降,ΨDo逐渐升高,且与同期CK相比均变化显著(P<0.05);干旱处理42 d时,Ψpo、Ψo、ΨEo相较于CK分别显著减少了13.8%、8.5%和21.3%,ΨDo相较于CK显著增加了54.7%。

图7 干旱与复水处理红背山麻杆的PSⅡ能量分配比率参数

不同程度干旱胁迫复水后,叶片Ψpo和ΨEo相较于同期干旱胁迫处理均显著增加(P<0.05),Ψo均稍有增加,且Ψpo在轻度干旱胁迫复水后能恢复到CK水平,Ψpo在中度、重度干旱胁迫以及Ψo、ΨEo在各程度干旱胁迫后复水均不能恢复到CK水平,且均与对照组存在显著差异(P<0.05);不同程度干旱胁迫复水后,ΨDo相较于干旱胁迫处理时均显著下降(P<0.05),但均高于CK水平。以上结果说明干旱胁迫后红背山麻杆叶片通过减少叶片对光能的捕获和增加热耗散量子比率来减弱光合机构被破坏的风险。

3 讨 论

本试验中,随干旱胁迫时间的延长和干旱程度的加剧,红背山麻杆叶片相对含水量逐渐下降,株高和基径增长缓慢,干旱胁迫14 d复水处理后,叶片相对含水量能恢复至CK水平,株高、基径基本无变化;干旱胁迫42 d复水后叶片含水量部分恢复但与CK存在显著差异,株高、基径变化不大。说明重度干旱会对红背山麻杆造成伤害,恢复补水后红背山麻杆具有一定的恢复能力。

干旱影响植物生长和代谢的第一环节就是光合作用[23],而测定叶绿素含量的变化是研究植物光合作用的重要手段。本试验中,随干旱胁迫时间的延长和干旱程度的加剧,红背山麻杆叶片Chla、Chlb、Chl(a+b)含量及Chla/b均先增加后降低,叶绿素含量增加既可能是叶片含水量的下降使叶绿素浓缩,因而提高了叶片单位鲜重中的含量,也可能是叶绿素降解过程受阻导致植物叶片滞绿[24];持续干旱胁迫42 d时,叶绿素含量显著下降则可能是由于过度的干旱导致叶绿素合成能力下降,或是叶绿体膜结构和功能受损,叶绿素分解[25]所致;干旱胁迫42 d复水后,红背山麻杆叶片叶绿素含量均有所恢复,说明红背山麻杆在重度干旱胁迫下叶绿素的合成未受到毁灭性破坏,复水处理后经自身调节可一定程度恢复。

干旱胁迫导致植物叶片含水量减少,叶片含水量减少使其光合机构被破坏,从而导致叶绿素含量减少及叶绿素荧光发生变化。有研究表明植物受到逆境胁迫时最初伤害的部位是植物叶片的PS Ⅱ[26-27]。叶绿素荧光主要是由PSⅡ中的光合色素分子在原初反应阶段产生,利用叶绿素荧光动力学方法可以快速、灵敏、无损伤探测干旱胁迫及干旱后复水对植物光合作用的影响[28]。研究[28]表明,当植物未受到胁迫时,Fv/Fm变化范围一般为0.75～0.85,变化较小且不受生长条件和物种限制,在受到胁迫时会显著降低。本试验验中,持续干旱胁迫42 d后,红背山麻杆叶片Fv/Fm值降低至0.68,表明严重干旱胁迫使得叶片PSⅡ反应中心遭到了一定程度的破坏或可逆性失活,PSⅡ原初光能转换效率降低,光合能力受到抑制,同时此时Fo的急剧升高及Fm的降低,也说明干旱破坏了PSⅡ的反应中心,这与吴甘霖等[29]的研究结果一致。

植物叶片PSⅡ结构被破坏后会导致电子传递和能量转化受到较大影响。本研究中持续干旱胁迫42 d后,红背山麻杆叶片Abs/Rc、Tro/Rc、Eto/Rc、Dio/Rc显著增加,表明植株叶片PSⅡ结构被破坏后,光合原初反应过程受到抑制,由于叶片叶绿素含量仍保持较高水平,吸收和捕获的光能也增加,但电子传递受阻、电子传递效率降低,大部分反应中心吸收和捕获的光能都以热能的形式耗散了,这也是植物的一种自我保护机制。同时由于红背山麻杆叶片PSⅡ中电子传递受阻,Ψpo、Ψo、ΨEo下降,进一步表明重度干旱胁迫下PSⅡ反应中心受到伤害,Qa积累阻碍电子向下传递,导致PSⅡ功能受到抑制,使部分PSⅡ反应中心失活转变为热耗散机构,过剩光能被耗散,这与吴敏等[30]和魏晓东等[31]的研究结论相似。

干旱胁迫后复水可反映植物对干旱胁迫的保护机制和适应能力。本试验中,干旱复水后,红背山麻杆叶片Fo、Abs/Rc、Tro/Rc、Eto/Rc、Dio/Rc、ΨDo有所下降,Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、Ψpo、Ψo、ΨEo适度恢复,Fm均能恢复到CK水平,而Ψo、ΨEo均不能恢复到CK水平且均与其存在显著差异,表明在水分环境条件改善时,受损害的PSⅡ反应中心可在一定程度上恢复;但损伤过重时,可能会延长恢复时间甚至可能无法恢复到正常水平。

另外,复水处理后红背山麻杆叶片Chla、Chlb低于干旱胁迫处理组但仍然高于对照,即复水处理后叶片相对含水量有所增加但仍然低于对照组,也印证了红背山麻杆叶片复水处理后未完全恢复至对照水平,说明叶绿素荧光动力学参数的变化与其叶绿素含量的变化一致。

综上所述,轻度(干旱14 d)和中度干旱胁迫(干旱28 d)对红背山麻杆生长影响较小,重度干旱胁迫(干旱42 d)则使红背山麻杆生长受到严重影响,但并未出现幼苗枯死现象,证明红背山麻杆幼苗可通过降低光能的捕获和增加热耗散量子比率来降低光合机构受到破坏的影响;干旱复水处理后,红背山麻杆各项指标均有适度恢复,证明红背山麻杆具有强的抗旱性和较强干旱胁迫耐受能力,可作为喀斯特地区生态恢复的抗旱性植物。