水分胁迫对盆栽夏蜡梅光合作用的影响

水分胁迫对盆栽夏蜡梅光合作用的影响

光的作用是植物的一个重要生理过程，对环境因素的影响高度敏感。其效率是植物生产力和产量的一个决定性因素。干旱是植物最常见的逆形式。它抑制了光反应中光能转化、电子传输、光合磷酸化和光合反应的一些过程，导致光合速率降低。高温对植物的生理过程特别敏感。例如，高蒸发对高温的影响很小。例如，干燥对加热和低温的影响比干旱和高温单因素的影响更大。夏蜡梅(Sinocalycanthuschinensis)是浙江省特有的第三纪孑遗濒危物种,在我国是夏蜡梅属(Sinocalycanthus)的唯一代表,仅间断分布于浙江省临安市西部狭小的范围内和天台县大雷山,现存资源极少,被列为国家二级重点保护植物.夏蜡梅花朵美丽、分类地位独特、分布区狭窄、居群数目少,表现出典型的阴生特点,在林下生长良好.在夏季,夏蜡梅常受到不同程度的干旱胁迫(严重时土壤相对含水量低于最大田间持水量的40%),并伴随午间高温,极端最高气温超过40℃,胁迫严重时,夏蜡梅叶片卷曲枯焦.目前,有关该种的分类地位、形态解剖、染色体、植物化学及遗传多样性等方面的研究较多,但有关干旱胁迫对其生理生态方面的影响尚未见报道.为此,本文用盆栽控水法模拟不同程度的土壤水分状况,研究干旱胁迫和不同温度处理对夏蜡梅气体交换和叶绿素荧光特性的影响,为夏蜡梅的保护和引种培育提供科学依据.1材料和方法1.1土壤含水量测定供试材料为盆栽的2年生夏蜡梅实生苗,种子采自浙江省天台县大雷山.实验用夏蜡梅株高约33cm,分枝3~4条,每枝条4~5对叶片,生长状况良好一致.盆栽用塑料盆上、下口直径分别为23cm和15cm,盆高23cm,每盆定植苗木1株.盆栽用土采自台州学院树木园表层土(0~15cm),土壤最大田间持水量为29.3%.设置4种水分处理:对照(土壤含水量为最大田间持水量的80%,下同)、轻度胁迫(65%)、中度胁迫(50%)、重度胁迫(35%),分别用CK、W1、W2和W3表示,试验设3次重复.因夏蜡梅是荫性植物,为模拟其自然生存条件,将盆栽夏蜡梅置于一层黑色遮阳网覆盖的防雨棚下(透光率约为全光照的30%,午间叶片表面最大光合有效辐射约为600μmol·m-2·s-1).7月初开始按试验设计进行水分处理,浇透水后使土壤水分自然消耗,每天18:00称量整个花盆,计算土壤相对含水量,用称重补水法控制土壤相对含水量在设定范围内.土壤分别达到轻度、中度和重度水分胁迫标准约需时4d、7d和11d,全部干旱处理达到设定标准后再维持10d,对第2对成熟叶(顶部下数)进行各项指标测定.1.2测量1.2.1光合参数测定用LCA4型光合测定仪(ADC,UK)控制叶室温度(Tch)为(30±1)℃,进气CO2浓度为(350±10)μmol·mol-1,相对湿度为(55±2)%,由卤钨灯提供(600±20)μmol·m-2·s-1的光合有效辐射(PAR).为了消除不同时间和强度自然光照对光合参数测定的影响,将待测样品摆放于室内,测定前用600μmol·m-2·s-1光诱导30min.测定的光合参数包括净光合速率(Pn,μmol·m-2·s-1)、蒸腾速率(Tr,mmol·m-2·s-1)、胞间CO2浓度(Ci,μmol·mol-1)和气孔阻力(Rs,m2·s·mol-1).另外,计算瞬时水分利用效率(WUE=Pn/Tr)和光能利用效率(SUE=Pn/PAR).日出前,以OS30P型便携式叶绿素荧光测定仪(OPTI-sciences,USA)采用快速动力学法测定叶片的荧光参数,光强模式设为Mod2,测定指标包括初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)和最大光化学效率(Fv/Fm),测定前将叶片夹入暗适应夹2h.1.2.2温度响应测试PAR保持在(600±20)μmol·m-2·s-1,进气CO2浓度为(350±10)μmol·mol-1,相对湿度为(55±2)%.用光合测定仪的控温装置调节Tch在20℃~40℃之间,2℃~3℃为1个测试间隔,每个间隔停留5min,测定Pn、Tr,计算相应的WUE.用黑布完全遮光测定暗呼吸速率(Rd,μmolCO2·m-2·s-1)的温度响应.1.2.3光补偿点和最大净光合速率的测定将不同水分处理的夏蜡梅置于人工气候箱中,分别在23、30和39℃下处理4h(自然条件下午间高温约持续4h),箱内光合有效辐射250μmol·m-2·s-1,相对湿度55%.先测试最大光化学效率Fv/Fm(温度处理前夹好暗适应夹),再测试光合作用的光响应曲线.用光合测定仪控制叶室温度为上述特定温度,进气CO2浓度为(350±10)μmol·mol-1,相对湿度为(55±2)%,调节PAR从0到1000μmol·m-2·s-1,弱光下(PAR<160μmol·m-2·s-1)光强间隔为20~30μmol·m-2·s-1、强光下光强间隔为100~300μmol·m-2·s-1,每间隔光照持续3min,待数据稳定后测定从低到高一系列PAR下叶片的Pn.从低光强下Pn-PAR的直线斜率求得表观量子效率(AQY),计算光补偿点(LCP).实测光饱和点(LSP)和最大净光合速率(Pmax).1.3显著性差异分析采用DPSS软件对数据进行单因素方差分析(one-wayANOVA),并运用Duncan检验法对显著性差异(P<0.05)进行多重比较.2结果与分析2.1胞间co浓度和水分胁迫由图1可以看出,随着水分胁迫的加重,夏蜡梅的净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)下降,气孔阻力(Rs)升高;胞间CO2浓度(Ci)在轻度和中度水分胁迫下明显降低,但在重度胁迫下升高;水分利用效率(WUE)在中度胁迫下最高;光能利用效率(SUE)随着水分胁迫的加重而显著降低.由图2可以看出,在轻度和中度水分胁迫下,Fo、Fm和Fv/Fm变化不显著,而在重度水分胁迫下,夏蜡梅Fo显著升高,Fm和Fv/Fm显著降低.2.2在水分胁迫下，温度对夏蜡梅的光合参数和绿茶的荧光特性有影响2.2.1pn、tr、tr对tch的响应由图3和表1可以看出,水分胁迫对夏蜡梅Pn适温范围影响在20℃~28℃,随着水分胁迫的加重,Pn的最适温度稍有前移.在不同温度下,水分胁迫对夏蜡梅Pn影响较大,Pn对叶室温度(Tch)响应的拟合曲线为二次多项式方程.水分胁迫明显影响夏蜡梅暗呼吸速率(Rd),轻度和中度胁迫使Rd升高,重度胁迫降低了Rd.Rd对Tch响应的拟合曲线为乘幂方程.Tr对Tch响应的拟合曲线为线性方程,随着水分胁迫的加重,方程的斜率变小,表明Tr对Tch的响应敏感度降低.水分胁迫提高了夏蜡梅WUE,且以中度胁迫最为明显,表明夏蜡梅有一定的协调碳同化和水分消耗关系的能力.在光合适温区,温度升高明显降低了夏蜡梅WUE.WUE对Tch响应的拟合曲线为二次多项式方程.2.2.2不同浓度风压对夏蜡梅fv/fm的影响由表2可以看出,在CK和W1处理组中,不同温度对夏蜡梅Fv/Fm的影响差异不显著;在W2处理组中,与23℃处理相比,30℃处理对夏蜡梅Fv/Fm的影响不显著,但39℃处理使夏蜡梅Fv/Fm显著降低;在W3处理组中,不同温度均对夏蜡梅Fv/Fm的具有显著影响.表明水分胁迫减弱了夏蜡梅对高温(39℃)的抵抗能力,使其能量转换和电子传递效率下降.2.2.3光补偿点lcp和光饱和点lsp、最大净光合速率aqy由表3可以看出,在同一温度下,与CK和W1处理组相比,W2和W3处理组的光响应参数发生了显著变化;不同温度对同一水分处理下的光响应参数也有明显影响.随着水分胁迫的加重,光补偿点(LCP)升高,光饱和点(LSP)、最大净光合速率(Pmax)和表观量子效率(AQY)下降;随着温度的升高,LCP进一步上升,LSP、Pmax和AQY进一步下降.由此可见,温度升高加重了水分胁迫对光合作用的不利影响.夏蜡梅的LSP和LCP都较低,为典型的荫生植物.夏天晴天PAR最高可达2000μmol·m-2·s-1,远远超过其LSP,将夏蜡梅适当遮荫或栽培于稀疏的林下,可以减轻光抑制,降低其叶片温度(Tl)和Tr,提高Pn和WUE.3讨论3.1气孔限制试验水分胁迫下植物关闭气孔以尽量减少水分散失,同时也减少了叶绿体可利用的CO2量.Yin等的研究认为,水分亏缺时光合速率的降低并不是由于水原料供应不足直接引起的,而是由水分亏缺造成了气孔或非气孔因素限制.有人认为水分胁迫对光合作用的影响主要与气孔关闭有关,但越来越多的研究表明,水分胁迫下光合作用的抑制与非气孔限制关系密切,水分胁迫影响光合磷酸化、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,水分胁迫也引起氧化胁迫积累活性氧破坏叶绿素和加剧膜脂过氧化.检查植物气孔限制是否是Pn下降的原因,既要看Rs的大小,也要看Ci的变化.当Pn和Ci下降,而Rs上升,说明Pn的降低主要是由于气孔限制所致;如果Pn下降,而Rs和Ci同时上升,则表明Pn的降低主要是非气孔限制所致.本试验结果表明,与对照相比,在轻度和中度水分胁迫下,夏蜡梅Rs升高,Ci降低,因此气孔限制是其Pn降低的主要原因;而在重度胁迫下,Ci升高,此时非气孔限制因素则成为Pn降低的主要原因.在叶绿素荧光分析中,最常用的荧光参数是Fo、Fm和Fv/Fm.反应中心的破坏或失活引起Fo的增加,Fm反映光系统Ⅱ的电子传递情况,Fv/Fm通常被作为光合作用敏感的探测器.AQY可以准确反映光合机构光合功能的变化.本试验结果表明,这些参数在轻度和中度水分胁迫下变化不明显,而在重度水分胁迫下发生了显著变化,表明轻度和中度水分胁迫可能还未对光合机构造成损伤,中度水分胁迫下净光合速率的降低只是夏腊梅对干旱环境的正常响应,如果及时补充水分,其光合能力将得到有效恢复.而在重度水分胁迫下,夏腊梅Pn、AQY和Fv/Fm都明显降低,表明其光能转换效率下降,水分胁迫可能导致了光合机构的损伤,光合作用受到严重抑制,此时即使补充水分,其光合能力也难以恢复正常.因此,在夏蜡梅的栽培管理中,应避免其遭受严重的水分胁迫.水分胁迫下植物光合能力降低,达到Pmax所需的光强低于非胁迫植物所需的光强.在同样的高光强下,胁迫植物光合作用会有更多的光能过剩,引起光抑制.夏蜡梅为荫性植物,其LCP和LSP均较低.水分胁迫提高了夏蜡梅的LCP,降低了LSP,使其对光的适应能力降低.自然条件下的光强远高于夏蜡梅的LSP,而适度遮荫或将夏蜡梅栽培于稀疏的林下,可以减轻光抑制.水分胁迫下Rs升高,避免因过多蒸腾失水而造成叶肉组织的伤害,是植物对水分胁迫的生态适应策略.以Pn/Tr计算的叶片瞬时水分利用效率(WUE)能表征植物对自身蒸腾耗水量的利用能力.Heitholt认为,适度水分胁迫能使植物WUE显著提高.本研究结果支持这一观点,在水分胁迫下,夏蜡梅在降低Pn的同时更大程度地降低了Tr,因此,WUE提高.这表明夏蜡梅能通过控制气孔的开放程度适应一定程度的干旱环境,适度干旱胁迫能引发其抗旱性响应.3.2高温、高温和干旱胁迫对夏蜡梅fv/fm的影响夏蜡梅是一种落叶灌木,7月份是其重要的生长时期,此时浙江地区受副热带高压影响正是高温和少雨季节.这样的气候条件可能严重抑制夏蜡梅的光合能力,给夏蜡梅的生长造成不利影响.许多研究认为,大多数植物的适宜生长温度通常在10℃~30℃,超过这个范围,植物的生长就会受到抑制.高温严重影响植物的正常生理活动,抑制光合酶活性,破坏电子传递,引发和加剧光合作用的光抑制,使净光合速率下降.短期高温胁迫(几分钟到几小时)就会影响光合机构中一些关键组分,如光系统Ⅱ这一在光合作用过程中对高温最敏感的环节.本研究中,夏蜡梅在夏季的光合适温为20℃~28℃,30℃以上的温度使水分供应充足(对照)的夏蜡梅的Pn急剧降低,但对Fv/Fm影响不大.因此,抑制夏蜡梅CO2固定的温度并不一定影响其电子传递效率,抑制PSⅡ下游碳同化反应的温度明显低于引起PSⅡ伤害的温度.这与Crafts-Brandner等和王梅等的研究结果一致.高温下Pn的降低主要缘于Rubisco活性降低、光呼吸和暗呼吸的增强.Guo等研究认为,在高温胁迫下,柑橘(Citrusunshiu)Rubisco的加氧作用增强而羧化作用减弱,这有利于植物在高温等胁迫环境下的生理活动.高温下分配于光呼吸的能量相对增多能减轻光抑制所造成的有害影响,使利用光合电子传递产物的代谢能继续进行,并因此减少了活性氧的形成.高温胁迫下Fv/Fm的持续降低和Fo的增高表明光抑制对PSⅡ造成了损伤.在本研究中,随着水分胁迫的加重,39℃高温使夏蜡梅Fv/Fm明显降低,表明高温和干旱的联合作用造成了PSⅡ反应中心的损害.高温胁迫下植