水分脅迫對盆栽夏蠟梅光合作用的影響

水分脅迫對盆栽夏蠟梅光合作用的影響

光的作用是植物的一個重要生理過程，對環(huán)境因素的影響高度敏感。其效率是植物生產(chǎn)力和產(chǎn)量的一個決定性因素。干旱是植物最常見的逆形式。它抑制了光反應中光能轉化、電子傳輸、光合磷酸化和光合反應的一些過程，導致光合速率降低。高溫對植物的生理過程特別敏感。例如，高蒸發(fā)對高溫的影響很小。例如，干燥對加熱和低溫的影響比干旱和高溫單因素的影響更大。夏蠟梅(Sinocalycanthuschinensis)是浙江省特有的第三紀孑遺瀕危物種,在我國是夏蠟梅屬(Sinocalycanthus)的唯一代表,僅間斷分布于浙江省臨安市西部狹小的范圍內(nèi)和天臺縣大雷山,現(xiàn)存資源極少,被列為國家二級重點保護植物.夏蠟梅花朵美麗、分類地位獨特、分布區(qū)狹窄、居群數(shù)目少,表現(xiàn)出典型的陰生特點,在林下生長良好.在夏季,夏蠟梅常受到不同程度的干旱脅迫(嚴重時土壤相對含水量低于最大田間持水量的40%),并伴隨午間高溫,極端最高氣溫超過40℃,脅迫嚴重時,夏蠟梅葉片卷曲枯焦.目前,有關該種的分類地位、形態(tài)解剖、染色體、植物化學及遺傳多樣性等方面的研究較多,但有關干旱脅迫對其生理生態(tài)方面的影響尚未見報道.為此,本文用盆栽控水法模擬不同程度的土壤水分狀況,研究干旱脅迫和不同溫度處理對夏蠟梅氣體交換和葉綠素熒光特性的影響,為夏蠟梅的保護和引種培育提供科學依據(jù).1材料和方法1.1土壤含水量測定供試材料為盆栽的2年生夏蠟梅實生苗,種子采自浙江省天臺縣大雷山.實驗用夏蠟梅株高約33cm,分枝3~4條,每枝條4~5對葉片,生長狀況良好一致.盆栽用塑料盆上、下口直徑分別為23cm和15cm,盆高23cm,每盆定植苗木1株.盆栽用土采自臺州學院樹木園表層土(0~15cm),土壤最大田間持水量為29.3%.設置4種水分處理:對照(土壤含水量為最大田間持水量的80%,下同)、輕度脅迫(65%)、中度脅迫(50%)、重度脅迫(35%),分別用CK、W1、W2和W3表示,試驗設3次重復.因夏蠟梅是蔭性植物,為模擬其自然生存條件,將盆栽夏蠟梅置于一層黑色遮陽網(wǎng)覆蓋的防雨棚下(透光率約為全光照的30%,午間葉片表面最大光合有效輻射約為600μmol·m-2·s-1).7月初開始按試驗設計進行水分處理,澆透水后使土壤水分自然消耗,每天18:00稱量整個花盆,計算土壤相對含水量,用稱重補水法控制土壤相對含水量在設定范圍內(nèi).土壤分別達到輕度、中度和重度水分脅迫標準約需時4d、7d和11d,全部干旱處理達到設定標準后再維持10d,對第2對成熟葉(頂部下數(shù))進行各項指標測定.1.2測量1.2.1光合參數(shù)測定用LCA4型光合測定儀(ADC,UK)控制葉室溫度(Tch)為(30±1)℃,進氣CO2濃度為(350±10)μmol·mol-1,相對濕度為(55±2)%,由鹵鎢燈提供(600±20)μmol·m-2·s-1的光合有效輻射(PAR).為了消除不同時間和強度自然光照對光合參數(shù)測定的影響,將待測樣品擺放于室內(nèi),測定前用600μmol·m-2·s-1光誘導30min.測定的光合參數(shù)包括凈光合速率(Pn,μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr,mmol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci,μmol·mol-1)和氣孔阻力(Rs,m2·s·mol-1).另外,計算瞬時水分利用效率(WUE=Pn/Tr)和光能利用效率(SUE=Pn/PAR).日出前,以OS30P型便攜式葉綠素熒光測定儀(OPTI-sciences,USA)采用快速動力學法測定葉片的熒光參數(shù),光強模式設為Mod2,測定指標包括初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和最大光化學效率(Fv/Fm),測定前將葉片夾入暗適應夾2h.1.2.2溫度響應測試PAR保持在(600±20)μmol·m-2·s-1,進氣CO2濃度為(350±10)μmol·mol-1,相對濕度為(55±2)%.用光合測定儀的控溫裝置調(diào)節(jié)Tch在20℃~40℃之間,2℃~3℃為1個測試間隔,每個間隔停留5min,測定Pn、Tr,計算相應的WUE.用黑布完全遮光測定暗呼吸速率(Rd,μmolCO2·m-2·s-1)的溫度響應.1.2.3光補償點和最大凈光合速率的測定將不同水分處理的夏蠟梅置于人工氣候箱中,分別在23、30和39℃下處理4h(自然條件下午間高溫約持續(xù)4h),箱內(nèi)光合有效輻射250μmol·m-2·s-1,相對濕度55%.先測試最大光化學效率Fv/Fm(溫度處理前夾好暗適應夾),再測試光合作用的光響應曲線.用光合測定儀控制葉室溫度為上述特定溫度,進氣CO2濃度為(350±10)μmol·mol-1,相對濕度為(55±2)%,調(diào)節(jié)PAR從0到1000μmol·m-2·s-1,弱光下(PAR<160μmol·m-2·s-1)光強間隔為20~30μmol·m-2·s-1、強光下光強間隔為100~300μmol·m-2·s-1,每間隔光照持續(xù)3min,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后測定從低到高一系列PAR下葉片的Pn.從低光強下Pn-PAR的直線斜率求得表觀量子效率(AQY),計算光補償點(LCP).實測光飽和點(LSP)和最大凈光合速率(Pmax).1.3顯著性差異分析采用DPSS軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(one-wayANOVA),并運用Duncan檢驗法對顯著性差異(P<0.05)進行多重比較.2結果與分析2.1胞間co濃度和水分脅迫由圖1可以看出,隨著水分脅迫的加重,夏蠟梅的凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)下降,氣孔阻力(Rs)升高;胞間CO2濃度(Ci)在輕度和中度水分脅迫下明顯降低,但在重度脅迫下升高;水分利用效率(WUE)在中度脅迫下最高;光能利用效率(SUE)隨著水分脅迫的加重而顯著降低.由圖2可以看出,在輕度和中度水分脅迫下,Fo、Fm和Fv/Fm變化不顯著,而在重度水分脅迫下,夏蠟梅Fo顯著升高,Fm和Fv/Fm顯著降低.2.2在水分脅迫下，溫度對夏蠟梅的光合參數(shù)和綠茶的熒光特性有影響2.2.1pn、tr、tr對tch的響應由圖3和表1可以看出,水分脅迫對夏蠟梅Pn適溫范圍影響在20℃~28℃,隨著水分脅迫的加重,Pn的最適溫度稍有前移.在不同溫度下,水分脅迫對夏蠟梅Pn影響較大,Pn對葉室溫度(Tch)響應的擬合曲線為二次多項式方程.水分脅迫明顯影響夏蠟梅暗呼吸速率(Rd),輕度和中度脅迫使Rd升高,重度脅迫降低了Rd.Rd對Tch響應的擬合曲線為乘冪方程.Tr對Tch響應的擬合曲線為線性方程,隨著水分脅迫的加重,方程的斜率變小,表明Tr對Tch的響應敏感度降低.水分脅迫提高了夏蠟梅WUE,且以中度脅迫最為明顯,表明夏蠟梅有一定的協(xié)調(diào)碳同化和水分消耗關系的能力.在光合適溫區(qū),溫度升高明顯降低了夏蠟梅WUE.WUE對Tch響應的擬合曲線為二次多項式方程.2.2.2不同濃度風壓對夏蠟梅fv/fm的影響由表2可以看出,在CK和W1處理組中,不同溫度對夏蠟梅Fv/Fm的影響差異不顯著;在W2處理組中,與23℃處理相比,30℃處理對夏蠟梅Fv/Fm的影響不顯著,但39℃處理使夏蠟梅Fv/Fm顯著降低;在W3處理組中,不同溫度均對夏蠟梅Fv/Fm的具有顯著影響.表明水分脅迫減弱了夏蠟梅對高溫(39℃)的抵抗能力,使其能量轉換和電子傳遞效率下降.2.2.3光補償點lcp和光飽和點lsp、最大凈光合速率aqy由表3可以看出,在同一溫度下,與CK和W1處理組相比,W2和W3處理組的光響應參數(shù)發(fā)生了顯著變化;不同溫度對同一水分處理下的光響應參數(shù)也有明顯影響.隨著水分脅迫的加重,光補償點(LCP)升高,光飽和點(LSP)、最大凈光合速率(Pmax)和表觀量子效率(AQY)下降;隨著溫度的升高,LCP進一步上升,LSP、Pmax和AQY進一步下降.由此可見,溫度升高加重了水分脅迫對光合作用的不利影響.夏蠟梅的LSP和LCP都較低,為典型的蔭生植物.夏天晴天PAR最高可達2000μmol·m-2·s-1,遠遠超過其LSP,將夏蠟梅適當遮蔭或栽培于稀疏的林下,可以減輕光抑制,降低其葉片溫度(Tl)和Tr,提高Pn和WUE.3討論3.1氣孔限制試驗水分脅迫下植物關閉氣孔以盡量減少水分散失,同時也減少了葉綠體可利用的CO2量.Yin等的研究認為,水分虧缺時光合速率的降低并不是由于水原料供應不足直接引起的,而是由水分虧缺造成了氣孔或非氣孔因素限制.有人認為水分脅迫對光合作用的影響主要與氣孔關閉有關,但越來越多的研究表明,水分脅迫下光合作用的抑制與非氣孔限制關系密切,水分脅迫影響光合磷酸化、核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)再生、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)活性,水分脅迫也引起氧化脅迫積累活性氧破壞葉綠素和加劇膜脂過氧化.檢查植物氣孔限制是否是Pn下降的原因,既要看Rs的大小,也要看Ci的變化.當Pn和Ci下降,而Rs上升,說明Pn的降低主要是由于氣孔限制所致;如果Pn下降,而Rs和Ci同時上升,則表明Pn的降低主要是非氣孔限制所致.本試驗結果表明,與對照相比,在輕度和中度水分脅迫下,夏蠟梅Rs升高,Ci降低,因此氣孔限制是其Pn降低的主要原因;而在重度脅迫下,Ci升高,此時非氣孔限制因素則成為Pn降低的主要原因.在葉綠素熒光分析中,最常用的熒光參數(shù)是Fo、Fm和Fv/Fm.反應中心的破壞或失活引起Fo的增加,Fm反映光系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞情況,Fv/Fm通常被作為光合作用敏感的探測器.AQY可以準確反映光合機構光合功能的變化.本試驗結果表明,這些參數(shù)在輕度和中度水分脅迫下變化不明顯,而在重度水分脅迫下發(fā)生了顯著變化,表明輕度和中度水分脅迫可能還未對光合機構造成損傷,中度水分脅迫下凈光合速率的降低只是夏臘梅對干旱環(huán)境的正常響應,如果及時補充水分,其光合能力將得到有效恢復.而在重度水分脅迫下,夏臘梅Pn、AQY和Fv/Fm都明顯降低,表明其光能轉換效率下降,水分脅迫可能導致了光合機構的損傷,光合作用受到嚴重抑制,此時即使補充水分,其光合能力也難以恢復正常.因此,在夏蠟梅的栽培管理中,應避免其遭受嚴重的水分脅迫.水分脅迫下植物光合能力降低,達到Pmax所需的光強低于非脅迫植物所需的光強.在同樣的高光強下,脅迫植物光合作用會有更多的光能過剩,引起光抑制.夏蠟梅為蔭性植物,其LCP和LSP均較低.水分脅迫提高了夏蠟梅的LCP,降低了LSP,使其對光的適應能力降低.自然條件下的光強遠高于夏蠟梅的LSP,而適度遮蔭或將夏蠟梅栽培于稀疏的林下,可以減輕光抑制.水分脅迫下Rs升高,避免因過多蒸騰失水而造成葉肉組織的傷害,是植物對水分脅迫的生態(tài)適應策略.以Pn/Tr計算的葉片瞬時水分利用效率(WUE)能表征植物對自身蒸騰耗水量的利用能力.Heitholt認為,適度水分脅迫能使植物WUE顯著提高.本研究結果支持這一觀點,在水分脅迫下,夏蠟梅在降低Pn的同時更大程度地降低了Tr,因此,WUE提高.這表明夏蠟梅能通過控制氣孔的開放程度適應一定程度的干旱環(huán)境,適度干旱脅迫能引發(fā)其抗旱性響應.3.2高溫、高溫和干旱脅迫對夏蠟梅fv/fm的影響夏蠟梅是一種落葉灌木,7月份是其重要的生長時期,此時浙江地區(qū)受副熱帶高壓影響正是高溫和少雨季節(jié).這樣的氣候條件可能嚴重抑制夏蠟梅的光合能力,給夏蠟梅的生長造成不利影響.許多研究認為,大多數(shù)植物的適宜生長溫度通常在10℃~30℃,超過這個范圍,植物的生長就會受到抑制.高溫嚴重影響植物的正常生理活動,抑制光合酶活性,破壞電子傳遞,引發(fā)和加劇光合作用的光抑制,使凈光合速率下降.短期高溫脅迫(幾分鐘到幾小時)就會影響光合機構中一些關鍵組分,如光系統(tǒng)Ⅱ這一在光合作用過程中對高溫最敏感的環(huán)節(jié).本研究中,夏蠟梅在夏季的光合適溫為20℃~28℃,30℃以上的溫度使水分供應充足(對照)的夏蠟梅的Pn急劇降低,但對Fv/Fm影響不大.因此,抑制夏蠟梅CO2固定的溫度并不一定影響其電子傳遞效率,抑制PSⅡ下游碳同化反應的溫度明顯低于引起PSⅡ傷害的溫度.這與Crafts-Brandner等和王梅等的研究結果一致.高溫下Pn的降低主要緣于Rubisco活性降低、光呼吸和暗呼吸的增強.Guo等研究認為,在高溫脅迫下,柑橘(Citrusunshiu)Rubisco的加氧作用增強而羧化作用減弱,這有利于植物在高溫等脅迫環(huán)境下的生理活動.高溫下分配于光呼吸的能量相對增多能減輕光抑制所造成的有害影響,使利用光合電子傳遞產(chǎn)物的代謝能繼續(xù)進行,并因此減少了活性氧的形成.高溫脅迫下Fv/Fm的持續(xù)降低和Fo的增高表明光抑制對PSⅡ造成了損傷.在本研究中,隨著水分脅迫的加重,39℃高溫使夏蠟梅Fv/Fm明顯降低,表明高溫和干旱的聯(lián)合作用造成了PSⅡ反應中心的損害.高溫脅迫下植