水分脅迫下胡楊和灰葉胡楊的生理響應

水分脅迫下胡楊和灰葉胡楊的生理響應

水是干旱植物生長的主要限制因素。這是植物抗旱能力的弱，生物產量的高，以及通過栽培、繁殖和水分管理來觀察植物生理變化的重要理論依據。水分是影響植物光合作用的因素之一,水分脅迫引起凈光合速率降低,其原因有兩個方面:一是氣孔因素,即由于氣孔關閉而阻礙CO2進入葉片,外界的CO2向葉綠體的供應減少;二是非氣孔因素,即由于得不到外界CO2的葉片繼續(xù)照光而造成光合器官的破壞,葉肉細胞光合活性下降。葉綠素熒光反應是植物光化學反應的指示物,與物種、季節(jié)、環(huán)境、樣品情況以及其他影響植物生理作用的因素有關,通過測定葉綠素熒光的變化可以反映植物對環(huán)境脅迫的響應,特別是用于監(jiān)測脅迫對光合系統(tǒng)的影響。水分脅迫條件下,光合作用受到傷害的最初部位與光合系統(tǒng)II(PSII)緊密聯系,因此,水分脅迫下葉綠素的熒光參數會發(fā)生一系列的變化。胡楊(Populuseuphratica)是第三紀的孑遺植物,和灰葉胡楊(P.pruinosa)同屬于楊柳科(Salicaceae)楊屬(Populus)胡楊組(派)(Sect.Turanga)。胡楊主要分布在中亞、西亞和地中海地區(qū),全世界60%的胡楊天然林集中分布在中國,而中國91.1%的胡楊林集中分布在新疆塔里木河流域。在世界上灰葉胡楊分布于中亞、西亞、巴爾喀什、阿母大里亞等地,在中國僅分布于新疆塔里木盆地西南部37°~41°N,75°30′~82°E,它們是新疆荒漠區(qū)的主要建群樹種和珍貴的抗逆種質資源。能在干旱、鹽堿化、多風沙的惡劣環(huán)境下生長,對維持脆弱荒漠生態(tài)具有重要作用。對胡楊、灰葉胡楊的研究表明,干旱的環(huán)境使這兩個物種的生長和繁殖受到明顯的抑制,胡楊體內的抗逆物質脯氨酸含量隨著地下水位的降低和干旱脅迫程度的加大而增加,地下水位越深,胡楊生理脅迫越重,其光合速率和水分利用率等都受到一定程度的抑制,這充分說明土壤水分狀況是影響其生長繁殖的主要限制因子。為了保護塔里木河下游天然胡楊林,國家實施了向塔里木河下游生態(tài)輸水工程,隨著地下水位的上升和水質的好轉,塔里木河下游的胡楊狀況有了改善。雖然,國內外對于胡楊的光合作用[20,21,22,23,24,25]、水分生理特性已較多研究,但是有關胡楊,尤其是灰葉胡楊在干旱脅迫下光合作用的生理響應的研究還較少,有些結果之間還不盡一致。因此,以2年生胡楊、灰葉胡楊實生苗為對象,研究干旱脅迫對其光合作用和葉綠素熒光特性的影響,旨在揭示其抗旱機制,為胡楊、灰葉胡楊的物種適應性、制定林地合理水分管理和保育措施等提供理論依據。1試驗材料和方法1.1生長植株培養(yǎng)供試胡楊、灰葉胡楊為長勢基本一致的2年生實生苗,于2005年6月采自新疆生產建設兵團農一師11團苗圃,移栽到直徑22cm,深27cm的生長盆中進行培養(yǎng),每盆裝干土6.5kg。培育苗木的土壤也采自苗圃,土壤類型為林灌草甸土,田間持水量為26.47%。1.2干旱脅迫處理幼苗在盆中適應1個月后,于8月6日開始水分脅迫處理。土壤相對含水量(土壤含水量占田間持水量的百分率)設為:70%~80%,50%~60%和30%~40%3個梯度,其中土壤相對含水量70%~80%為胡楊、灰葉胡楊的正常供水水平,50%~60%和30%~40%分別代表輕度、重度干旱脅迫處理。每個處理設置6個重復,計36盆,每盆3株幼苗,采用秤重法監(jiān)控土壤含水量,每天20:00時用感量為千分之一的電子天平秤盆重,補充揮發(fā)的水分。1.3測量指標1.3.1水分利用效率測定干旱脅迫后的8,16,24,32,40,48d,用Li-6400便攜式光合作用測定儀(Li-COR,Inc,USA)測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等光合作用參數。根據測定的光合速率Pn和蒸騰速率Tr的比值(Pn/Tr),計算出水分利用效率(WUE)。每株選擇一片中上部葉片,標記為測定葉片。以光合作用測定儀的配件6400-02紅藍LED為光源,設定光照強度為1200μmol/(m2·s),在10:00~12:30進行光合作用參數的測定。1.3.2葉綠素熒光參數測定用PAM-2100便攜式葉綠素熒光分析儀(Walz,Effeltrich,Germany)測定暗適應后的最小熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光Fv(Fv=Fm-Fo)、PSII原初光能轉換效率(Fv/Fm)、PSII的潛在活性(Fv/Fo),光適應后的穩(wěn)態(tài)熒光(Ft)、最大熒光(Fm′)、最小熒光(Fo′)和PSII實際的光化學反應量子效率(ΦPSII)等葉綠素熒光參數。參考許大全的方法,在測定前一天晚上將生長盆搬入暗室。胡楊、灰葉胡楊經過一夜充分暗適應后,于次日凌晨7:00左右測定葉綠素熒光參數。再按Genty等的方法計算光化學淬滅系數(qP)和非光化學淬滅系數(NPQ)。2結果與分析2.1干旱脅迫對胡楊胞間cod的影響圖1顯示,干旱脅迫對胡楊、灰葉胡楊凈光合速率Pn都有一定的影響,不同干旱脅迫程度對凈光合速率Pn的影響在脅迫的不同階段有所不同。與脅迫后8d相比,到了16d,輕度、重度脅迫的Pn均有所下降,之后緩慢回升,至24d時達到最大,此時輕度脅迫下的Pn值明顯高于重度脅迫,之后Pn均下降,且重度脅迫下Pn的下降程度和下降速度均明顯大于輕度脅迫。在相同水分處理條件下,隨著脅迫時間的推移,初期至中期,正常供水和輕度脅迫下胡楊的Pn較灰葉胡楊大,后期重度脅迫下Pn差異不明顯。說明生長在干旱區(qū)的胡楊具有更強的適應性,但嚴重缺水仍將引起其光合速率的大幅度下降。干旱脅迫下胡楊、灰葉胡楊胞間CO2濃度Gs變化趨勢基本與Pn的變化趨勢相同,只是Gs最大值出現的時間較Pn提前,說明Gs的下降是造成Pn下降的主要原因之一。在干旱脅迫初期,Gs值隨脅迫程度的增加有所降低,即:重度脅迫<輕度脅迫<正常供水,之后輕度脅迫下Gs逐漸升高,直至基本接近甚至大于正常供水處理的Gs值。脅迫后期,輕度和重度脅迫下,兩樹種Gs呈下降趨勢,此時輕度脅迫下的Gs較正常供水明顯偏低,而仍比重度脅迫高。進一步比較兩樹種Gs變化可知,隨著脅迫時間的推移,相同水分處理條件下胡楊的Gs較灰葉胡楊大。隨著脅迫時間的延長,兩樹種的胞間CO2濃度Ci呈現近“N”字型變化趨勢。干旱脅迫后8~16d,輕度、重度脅迫下的Ci出現急速上升之后再下降的趨勢,至32d時出現低谷,后期緩慢回升至基本穩(wěn)定。此時各處理的Ci排序為:正常供水>輕度脅迫>重度脅迫,表明干旱脅迫降低了葉片對CO2的利用效率,可能與光合作用酶系統(tǒng)的活性受阻有關。衡量水分消耗與CO2固定能力的關系,常用水分利用效率WUE來表示。干旱脅迫持續(xù)至中期時,兩樹種輕度干旱脅迫下的WUE比重度脅迫和正常供水處理高,在脅迫24d時各處理的WUE均達到最高峰值,之后開始緩慢降低,且重度脅迫下WUE下降的幅度最大。由此表明,輕度干旱脅迫有利于WUE的提高,重度脅迫則使WUE降低,并僅僅維持其生命活動。此外,進一步比較兩樹種的水分利用情況可以看出,相同水分處理條件下胡楊的WUE始終較灰葉胡楊的大,說明胡楊利用土壤水分的能力較大,對干旱適應能力較強。2.2干旱脅迫對psiii光化學特性的影響由圖2可知,不同程度的干旱脅迫對兩樹種的PSII光化學特性都有一定的影響,且在不同時期表現不同。在脅迫初期,輕度和重度脅迫處理兩樹種的PSII原初光能轉換效率Fv/Fm,PSII的潛在活性Fv/Fo與正常供水相比均明顯下降,說明干旱脅迫對胡楊和灰葉胡楊葉片PSII光化學系統(tǒng)有一定程度的傷害,使得光合潛力下降,PSII光化學活性降低。但隨著處理時間的延長,輕度脅迫處理下這兩個熒光參數值都有所回升,從而與正常供水差異不明顯,而重度脅迫差異依然明顯。到脅迫后期,輕度和重度脅迫下各項熒光參數均急劇下降,此時重度脅迫與正常供水和輕度脅迫相比,熒光參數差異明顯增大,可見輕度脅迫對PSII光化學特性影響較小,而重度脅迫影響較大。光化學淬滅系數qP值的大小反映的是PSII原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)和PSII開放中心的數目,其值越大,說明PSII具有高的電子傳遞活性。由圖2可知,干旱脅迫處理下,兩樹種的qP都呈下降趨勢,說明QA重新氧化能力減弱,干旱脅迫傷害了PSII受體的電子傳遞。隨著脅迫時間的延長,到16d時,輕度脅迫葉片qP值幾乎沒有下降;到了脅迫中后期,葉片qP值緩慢下降,而重度脅迫下qP下降幅度較大。非光化學淬滅系數NPQ值是PSII反應中心對天線色素吸收過量光能后的熱耗散能力及光合機構的損傷程度。PSII系統(tǒng)通過提高非輻射性熱耗散,可以消耗PSII吸收的過剩光能,從而保護PSII反應中心免受因吸收過多光能而引起的光氧化傷害。當植物處于脅迫條件時,NPQ值增大,表明干旱脅迫使PSII非輻射能量的耗散增加。由圖2可見,在干旱處理過程中,盆栽兩樹種葉片的NPQ值均隨著干旱脅迫程度的加劇而迅速增加,但增加的幅度不同。在整個脅迫過程中,胡楊NPQ值上升的幅度較灰葉胡楊的大,說明在受到干旱脅迫時,前者PSII反應中心的開放程度較后者高,熱耗散途徑消耗過剩光能的作用得以加強,避免過剩光能對光合機構的損傷。2.3水分利用效率和fv/fm、fv/fo、psiii與fv/fo、pq、ci的相關性經過對兩樹種的光合及葉綠素熒光參數間的相關性分析來看,凈光合速率Pn,PSII綜合活力之間表現出明顯的連鎖相關(表1)。Pn與Fv/Fm,Fv/Fo,ΦPSII是極顯著負相關關系,相關系數分別為r=-0.42**,r=-0.26**,和r=-0.41**;Fv/Fm與Fv/Fo,ΦPSII呈現出極顯著正相關關系,相關系數分別為r=0.39**和r=0.35**。水分利用效率WUE與NPQ呈顯著正相關(r=0.24*),與Ci,Fv/Fo和ΦPSII呈顯著負相關(r=-0.21*,r=-0.19*,r=-0.21*);此外,Fv/Fo與qP和Ci也呈顯著負相關。若P<0.05時,用符號*表示;若P<0.01時,用符號**表示。3干旱脅迫對植物光合特性的影響干旱環(huán)境能使植物的生長和光合速率受到抑制。Farquhar等認為,Pn的降低有氣孔限制和非氣孔限制兩方面的因素,當Pn和Ci變化方向相同時,兩者同時減小,Pn的下降主要是由Gs引起的,否則Pn的下降要歸因于葉肉細胞羧化能力的降低。研究表明:①在干旱脅迫的初期(8~16d),氣孔會立即作出反應,開度減小或關閉,減少水分散失,氣體交換受到影響使Pn下降,此時為胡楊、灰葉胡楊對干旱脅迫的快速反應調節(jié)期。②隨著干旱脅迫的時間延長,輕度脅迫下兩樹種的Pn開始恢復并呈上升趨勢,Gs也存在相同的趨勢,但其升高的持續(xù)時間短于Pn。重度脅迫下兩樹種的Pn和Gs的升高變化時間短,之后一直下降,此時雖然Gs與正常供水相比有所升高,Ci有所降低,但輕度脅迫的Pn卻高于正常供水,說明隨著脅迫時間的延長,兩樹種調動了體內所有的防御系統(tǒng)使適應能力增強,尤其是光化學效率和光合功能增強,使其在略受氣孔限制時,輕度脅迫下能夠保持穩(wěn)定的光合速率。但在干旱脅迫嚴重時,氣孔限制程度大,其Pn仍低于正常供水和輕度脅迫處理,由于Pn下降的同時伴隨著Ci的下降。因此,此時仍以氣孔限制為主。③隨著干旱脅迫時間的進一步延長,輕度和重度脅迫下的Pn和Gs都開始下降,明顯低于正常供水,同時,由于隨著Gs的不斷降低,其敏感性下降,這樣氣孔限制的絕對增加因氣孔敏感性的降低而越來越小,Gs也開始下降,而Ci開始上升,至末期上升到最高水平,而Gs降到最低水平。由此可見,此階段隨著脅迫時間的延長,重度脅迫的葉片衰老提前,氣孔調節(jié)能力喪失,Pn下降的主要原因為非氣孔限制。試驗表明,短期、輕度的干旱脅迫對胡楊、灰葉胡楊Pn和WUE均有一定的促進作用,而長期、重度干旱脅迫對光合生理有明顯的負面影響,說明兩樹種光合作用對干旱脅迫具有一定的適應程度和適應期。一段時期的輕度脅迫使兩樹種的光合潛力得到充分發(fā)揮,其適應性也強于重度脅迫,一旦超過這種期限和范圍,其光合機構就受到不可恢復的破壞,這種現象也存在別的樹種。朱教君研究發(fā)現,輕度脅迫(40%田間持水量)對沙地樟子松幼苗光合特性的各個指標影響不大,水分利用效率有升高趨勢,只有在重度脅迫時,光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率逐漸降低。說明胡楊、灰葉胡楊與沙地樟子松一樣,在較低的土壤含水量條件下,也具有忍耐一定干旱脅迫的能力。在葉綠素熒光參數中,葉綠素熒光的可變部分(Fv)與最大熒光值(Fm)的比值(Fv/Fm)反映了開放的PSII反應中心捕獲激發(fā)能的效率,是研究植物脅迫的重要參數,任何影響PSII效能的環(huán)境脅迫均會使Fv/Fm降低。有研究表明,干旱脅迫能造成小青楊和紫花苜蓿等植物的Fv/Fm和Fv/Fo降低。本試驗中,正常水分條件下胡楊與灰葉胡楊葉片的Fv/Fm在0.773~0.813之間,Fv/Fo在3.056~4.524之間,這一結果與羅青紅等的研究基本一致。隨著干旱脅迫時間的延長、脅迫程度的加劇,Fv/Fm和Fv/Fo均以灰葉胡楊下降幅度較大而胡楊下降幅度較小,表明干旱脅迫下灰葉胡楊PSII活性下降更明顯,對干旱脅迫更敏感。在非干旱脅迫條件下,PSII原初光能轉換效率和PSII潛在活性也是胡楊比灰葉胡楊高。伍維模等研究發(fā)現,土壤水分脅迫能顯著降低胡楊、灰葉胡楊最大光合速率Pnmax、表觀光合量子效率AQY、光飽和點LSP。水分脅迫下胡楊Pn,Pnmax,LSP,AQY及暗呼吸速率Rd值均比灰葉胡楊高。本試驗研究結果進一步證明了土壤水分脅迫條件下,胡楊比灰葉胡楊有更高的光合適應性。值得注意的是,在試驗中還發(fā)現,相同干旱脅迫處理下,隨著干旱脅迫時間的延長,胡楊、灰葉胡楊Fv/Fm均略有上升,引起這種現象的