磷脅迫對水土保持先鋒植物類蘆光合特性的影響

磷脅迫對水土保持先鋒植物類蘆光合特性的影響

科登科蘆筍（kunth）和菊花屬植物，屬于水稻科。它們在中國南方13個省區(qū)分布均勻，主要分布在山坡、草坪和荒地上。類蘆對各種惡劣生境條件有較強的適應性,根兜萌蘗能力強,生長快,生物量大,極耐干旱和瘠薄,能快速改變侵蝕區(qū)惡劣的生境,為其他鄉(xiāng)土草種的侵入、繁衍創(chuàng)造有利條件。課題組前期在福建不同水土流失區(qū)、礦區(qū)的土壤肥力和植被恢復調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn):南方紅壤侵蝕區(qū)水力侵蝕非常嚴重,土壤極其干旱貧瘠,尤其是N、P養(yǎng)分極為缺乏,在沒有人為干預自然狀態(tài)下其他植物難以侵入,但類蘆卻具有先行侵入特性,進而其他植物才可侵入。因此,類蘆在南方土壤侵蝕治理中具有重要作用,是水土保持的先鋒植物,也是嚴重土壤侵蝕區(qū)植被恢復的理想植物。但是長期以來,類蘆一直處于野生狀態(tài),對類蘆的研究甚少,目前對類蘆的研究多局限在類蘆的形態(tài)特征、生物學特性、護坡效果和重金屬修復等方面,而對類蘆如何能在極端干旱貧瘠土壤中生長的機制尚不清楚,極大地限制了類蘆在生產(chǎn)上的應用。磷是植物生長發(fā)育的必需元素之一,參與植物各種生理代謝過程。光合作用為植物的生長發(fā)育提供重要碳架、原料和能源,磷在植物的光合作用起著極其重要的重要。南方土壤中有效磷含量極低,在水土流失區(qū)更突出,磷素不足是限制植物生長的重要因子。但目前有關類蘆是如何適應南方紅壤區(qū)低磷環(huán)境的機制還不很清楚,有鑒于此,本研究以水土保持先鋒植物類蘆為研究材料,通過5個不同濃度磷脅迫的盆栽試驗,進行類蘆在不同磷脅迫水平下光合作用特性的研究,分析光合特性對磷脅迫的響應規(guī)律,探討類蘆在低磷環(huán)境下的光合生理機制,為揭示類蘆的光合機制和生態(tài)應用提供科學依據(jù)。1材料和方法1.1類蘆的緩苗處理與磷脅迫處理試驗材料為水土保持先鋒植物類蘆(種子購自深圳鑫淼森有限公司)。首先進行種子預處理,將類蘆種子用蒸餾水常溫浸泡24h,以消毒后的細沙作為發(fā)芽床,將預處理的種子放入培養(yǎng)皿中,在溫度為25℃,濕度70%的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),待種子發(fā)芽7d后,小心地將發(fā)芽的幼苗移植到營養(yǎng)杯中進行緩苗處理,3周后選用生長相近、根系完整的類蘆苗作為盆栽試驗苗。2010年在福建農(nóng)林大學田間實驗室大棚進行試驗。用干凈河沙作為培養(yǎng)基質(zhì),進行類蘆磷脅迫的盆栽試驗,每盆的河沙干重相同,將營養(yǎng)杯中長勢相近的類蘆苗移栽到種植盆中,每盆種植1株,進行不同的磷脅迫處理。根據(jù)南方土壤有效磷的含量,試驗共設5個不同磷脅迫處理,分別為極度磷脅迫(含P為0mg/kg)、重度磷脅迫(含P為7.75mg/kg)、中度磷脅迫(含P為15.5mg/kg)、輕度磷脅迫(含P為23.25mg/kg)、正常供磷(含P為31mg/kg)。每個處理設3個重復,每隔5d澆1次含磷脅迫液的改良Hoagland營養(yǎng)液,以滿足類蘆對其他營養(yǎng)元素的需求。脅迫處理90d測定光合作用的各個指標。1.2測量1.2.1光合參數(shù)測定采用GFS-3000便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)測定光合參數(shù)。在天氣晴朗無風的自然光照下,同一天,分別在8:00,10:00,12:00,14:00,16:00進行光合參數(shù)測定。測定葉片均為第3片葉的中部,葉室氣體流速為750μmol/s。測定參數(shù)為凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci),葉片與空氣的水氣壓虧缺(VPD)、光合有效輻射(PAR)、空氣CO2濃度(Ca)、葉室相對濕度(RH)。1.2.2熒光參數(shù)測定采用便攜式熒光參數(shù)儀測定熒光參數(shù)。各個處理每盆選擇葉片位置一致的3片葉進行葉片熒光參數(shù)測定,分別測定初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv=Fm-F0)、PSⅡ最大光化學效率或原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/F0)。1.2.3測定了藍色信號的含量1.3數(shù)據(jù)處理和分析采用MicrosoftExcel和SPSS12.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和相關分析、LSD多重比較等,圖表中數(shù)據(jù)均為各測定數(shù)據(jù)的平均值±標準差。2結(jié)果與分析2.1極磷脅迫處理由表1可看出,類蘆在不同程度磷脅迫下,葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量均存在差異,隨著磷脅迫程度的加劇,葉綠素含量逐漸下降。在極度磷脅迫下,葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、葉綠素a/b與正常供磷、輕度脅迫處理之間均存在極顯著差異;在重度磷脅迫下,葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量與正常供磷、輕度脅迫處理之間均存在顯著差異,但葉綠素a/b差異不顯著;在中度磷脅迫下,葉綠素b、葉綠素總量與正常供磷、輕度脅迫之間均存在顯著差異,但葉綠素a、葉綠素a/b差異不顯著;輕度磷脅迫與正常供磷之間葉綠素含量差異不顯著。2.2磷酸限制對類黃酮開花時間變化的影響2.2.1凈光合速率pn日變化由圖1看出,不同磷濃度脅迫下,類蘆凈光合速率(Pn)日變化表現(xiàn):除極度脅迫外,其他濃度磷脅迫處理與正常供磷條件下的日變化趨勢一致,8:00-10:00類蘆的Pn變化較小,略有下降,之后迅速上升,到12:00為高峰期,之后又快速下降,到下午16:00為最低;而極度磷脅迫下,凈光合速率(Pn)日變化與其他處理不同,從8:00-10:00類蘆的Pn上升,到10:00為高峰期,之后下降,到16:00為最低。不同磷脅迫下Pn存在差異,日平均凈光合速率表現(xiàn)為正常供磷>極度磷脅迫>輕度磷脅迫>中度磷脅迫>重度磷脅迫,說明磷脅迫下凈光合速率減小,隨著磷脅迫程度加重Pn逐漸降低,同一時刻不同磷脅迫下的Pn有同樣變化。而極度磷脅迫處理的日變化規(guī)律與正常供磷和其他磷脅迫處理不同,有較高的Pn值。2.2.2干旱脅迫對類蘆蒸騰速率的影響由圖2看出,不同磷濃度脅迫下,類蘆Tr日變化規(guī)律:除極度磷脅迫外,其他濃度磷脅迫處理與正常供磷條件下的日變化趨勢一致,8:00-10:00類蘆的Tr變化小,略有下降,之后迅速上升,到12:00為高峰期,之后又快速下降,到下午16:00為最低;而極度磷脅迫下,類蘆的Tr日變化為拋物線形,日變化較平緩,8:00比其他供磷水平的低,12:00比重度磷脅迫的略高,均比輕度、中度、正常供磷水平的低,而在10:00和14:00均比其他供磷水平下的高。不同磷脅迫下蒸騰速率存在差異,除了極度磷脅迫外,同一時刻在不同磷脅迫下類蘆的蒸騰速率隨著干旱脅迫程度加重Tr逐漸降低。日平均蒸騰速率表現(xiàn)為正常供磷>極度磷脅迫>輕度磷脅迫>中度磷脅迫>重度磷脅迫,說明在一定的磷脅迫下類蘆蒸騰速率下降,并且隨著干旱脅迫程度加重Tr逐漸降低,而極度磷脅迫日變化規(guī)律與正常供磷和其他磷脅迫處理不同,有較高的Tr值。2.2.3農(nóng)業(yè)正常供磷下胞間co濃度由圖3看出,不同磷脅迫下不同處理之間類蘆胞間CO2濃度(Ci)日變化差異較大,表現(xiàn)出3種變化:(1)正常供磷與輕度磷脅迫之間變化規(guī)律較一致,從8:00開始上升,到下午14:00達最高值,之后下降;正常供磷下胞間CO2濃度>輕度磷脅迫胞間CO2濃度。(2)中度磷脅迫與重度磷脅迫之間類蘆胞間CO2濃度(Ci)的變化規(guī)律一致,從8:00開始到10:00稍有增加,之后一直減少,至16:00為最小值;中度磷脅迫下胞間CO2濃度>重度磷脅迫下胞間CO2濃度。(3)極度磷脅迫下,胞間CO2濃度從8:00開始上升,到14:00達最高值,與其他供磷處理相比,14:00前的胞間CO2濃度(Ci)最大,之后急劇下降至16:00為最低,也是所有處理中的最低值。2.2.4干旱脅迫對類蘆氣孔導度的影響由圖4看出,不同磷濃度脅迫下,類蘆葉片氣孔導度日變化表現(xiàn)為:除極度磷脅迫外,其他濃度磷脅迫處理與正常供磷條件下的日變化趨勢一致,8:00-10:00變化較小,之后開始上升,到12:00達到最大,下午下降,16:00為最小。而極度磷脅迫下,類蘆的氣孔導度日變化為拋物線形,日變化較平緩,上午上升,12:00達到最大,之后下降。不同磷濃度脅迫下葉片氣孔導度存在差異,除了極度磷脅迫外,同一時刻在不同磷脅迫下類蘆的葉片氣孔導度隨著干旱脅迫程度加重逐漸減小。日平均葉片氣孔導度表現(xiàn)為正常供磷>極度磷脅迫>輕度磷脅迫>中度磷脅迫>重度磷脅迫,說明類蘆在一定磷濃度脅迫下,隨著供磷濃度下降,氣孔導度逐漸減小。為了解磷脅迫下類蘆光合作用的影響因子,以嚴重磷脅迫為例,對氣孔導度、凈光合速率和蒸騰速率以及環(huán)境因子進行相關分析(表2)。在嚴重磷脅迫下,類蘆凈光合速率和蒸騰速率均與氣孔導度、光合有效輻射、水氣壓飽和虧呈極顯著正相關;凈光合速率和蒸騰速率之間也呈極顯著的正相關。而環(huán)境溫度、濕度等與類蘆光合作用和蒸騰作用之間關系不顯著,說明類蘆在嚴重磷脅迫下,氣孔開閉、水氣壓飽和虧、光合有效輻射是光合作用和蒸騰作用的主要影響因子。2.3類蘆葉綠素熒光指標由表3可看出,磷脅迫對類蘆葉綠素熒光參數(shù)有一定影響,基礎熒光(F0)、最大熒光(Fm)隨著磷脅迫程度加重而逐漸減小。F0、Fm均表現(xiàn)為正常供磷>輕度磷脅迫>中度磷脅迫>重度磷脅迫>極度磷脅迫,可變熒光(Fv)則表現(xiàn)為正常供磷>輕度磷脅迫>中度磷脅迫>極度磷脅迫>重度磷脅迫。Fv/Fm與Fv/F0是葉綠素熒光中的2個重要參數(shù)。Fv/Fm為PSⅡ最大光化學效率,反映PSⅡ反應中心原初光能轉(zhuǎn)化效率。Fv/F0反映PSⅡ潛在的光化學活性。磷脅迫下,類蘆的Fv/Fm與Fv/F0均表現(xiàn)為極度磷脅迫>正常供磷>輕度磷脅迫>中度磷脅迫>重度磷脅迫,熒光參數(shù)有輕微差異,但差異均不顯著。不同磷脅迫下凈光合速率、葉綠素和熒光參數(shù)進行相關分析,結(jié)果(表4)表明:磷脅迫下類蘆的葉綠素含量與F0、Fm、Fv顯著相關,凈光合速率Pn與Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/F0存在顯著相關。進一步說明在磷脅迫下類蘆的PSⅡ反應中心光化學效率決定了凈光合速率(Pn)。磷脅迫下,Fv/Fm和Fv/F0下降,從而導致Pn下降。3討論3.1不同磷脅迫對類蘆葉綠素含量的影響相關研究表明,葉綠素是光合作用的重要條件之一,在一定程度上可以反映植物抵抗逆境脅迫的能力。在一定范圍內(nèi)植物葉片的光合強度隨其葉綠素含量增加而加強。植物的葉綠素對環(huán)境變化、肥水等反應非常靈敏,是反映植物對逆境反應的重要生理指標之一。在一定范圍內(nèi)較低的葉綠素含量a/b值有利于植物充分利用不飽和的散射弱光來進行光合作用。磷是葉綠素的重要組成成分,磷脅迫抑制葉綠素合成,使葉綠素含量降低,本研究表明:類蘆葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量均隨著磷脅迫程度的加劇而逐漸下降,這與玉米、油菜等低磷脅迫一致。葉綠素a/b除中度磷脅迫外,則逐漸增加。與正常供磷相比,輕度磷脅迫下葉綠素含量變化不顯著,中度磷脅迫和重度磷脅迫條件下葉綠素含量變化顯著,極度磷脅迫條件下葉綠素含量變化極顯著。說明類蘆在輕度磷脅迫下葉綠素合成沒有受到影響,而磷脅迫程度增加,類蘆葉綠素合成會受到抑制。3.2不同磷脅迫對類蘆光合特性的影響植物光合作用的日變化有單峰、雙峰、三峰、W等幾種類型,與植物種類和測定時的環(huán)境條件有關。初秋季節(jié),類蘆在一定的磷脅迫下,類蘆光合作用的日變化大體為“單峰型”,除極度脅迫外,類蘆的氣孔導度、光合速率和蒸騰速率日變化在10:00前輕微下降,之后快速上升,高峰值在12:00,沒有“午休”現(xiàn)象。磷作為底物或調(diào)節(jié)物直接參與光合作用的各個環(huán)節(jié),包括光能吸收、同化力的形成、卡爾文循環(huán)同化產(chǎn)物的運輸以及對一些關鍵性酶的活性起調(diào)節(jié)作用等。土壤環(huán)境缺磷直接或間接影響植物的光合作用。目前,關于低磷脅迫下植物中的研究表明,低磷會導致植物氣孔導度下降,但是低磷導致的光合速率下降主要是由于非氣孔因素造成的,也有研究者認為,在植物的整個生長過程中,低磷導致光合速率下降是由氣孔和非氣孔因素共同作用造成的,在不同的時期這2種因素所起的作用也不同。不同試驗結(jié)果可能跟不同的植物品種、脅迫程度及外界環(huán)境因素的影響有關。本研究表明,在不同磷濃度脅迫下類蘆的光合特性存在一定差異。在正常供磷條件下,類蘆的氣孔導度最大,胞間CO2濃度(Ci)最大,光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)也最大,隨著磷脅迫程度加重,氣孔導度下降,光合速率和蒸騰速率也逐漸減小,而胞間CO2濃度(Ci)變化較大。在極度磷脅迫下,類蘆光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度等與其他磷脅迫下的不同,仍有較大值,僅次于正常供磷處理,說明極度磷脅迫處理與有磷的光合作用機理可能不同。這表明光合速率和蒸騰速率與氣孔導度有密切關系,與大多數(shù)的研究結(jié)論相同。3.3磷脅迫對ps表達的影響大量研究表明:葉綠素熒光是光合作用的探針,任何環(huán)境因子對光合作用的影響都可以通過葉綠素熒光參數(shù)反映出來。外界環(huán)境、不同植物、不同生長階段對植物葉綠素熒光參數(shù)產(chǎn)生不同影響。初始熒光(F0)的大小主要與PSⅡ天線色素內(nèi)的最初激子密度、天線色素到PSⅡ反應中心的激發(fā)能傳遞速率的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及葉綠素含量有關,最大熒光(Fm)反映PSⅡ的電子傳遞情況。本研究表明,隨著磷脅迫程度增加,類蘆F0、Fm、Fv逐漸下降,降低幅度較小,差異不顯著;除了極度磷脅迫外,隨著磷脅迫程度增加PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)和潛在活性(Fv/F0)也有所下降,降低幅度較小,差異不顯著;說明在磷脅迫下PSⅡ反應中心沒有受到破壞,這與張可煒等關于耐低磷玉米的光能轉(zhuǎn)化率和電子傳遞速率較大,受低磷脅迫影響較小的研究結(jié)論一致。類蘆在磷脅迫下,仍然具有較高的光合作用能力。4不同磷脅迫對類蘆光合能力的影響隨磷脅迫程度加劇,類蘆葉綠素含量逐漸下降。低磷脅迫與正常供磷條件下類蘆葉片氣孔導度、光合速率和蒸騰