磷胁迫对水土保持先锋植物类芦光合特性的影响

磷胁迫对水土保持先锋植物类芦光合特性的影响

科登科芦笋（kunth）和菊花属植物，属于水稻科。它们在中国南方13个省区分布均匀，主要分布在山坡、草坪和荒地上。类芦对各种恶劣生境条件有较强的适应性,根兜萌蘖能力强,生长快,生物量大,极耐干旱和瘠薄,能快速改变侵蚀区恶劣的生境,为其他乡土草种的侵入、繁衍创造有利条件。课题组前期在福建不同水土流失区、矿区的土壤肥力和植被恢复调查过程中发现:南方红壤侵蚀区水力侵蚀非常严重,土壤极其干旱贫瘠,尤其是N、P养分极为缺乏,在没有人为干预自然状态下其他植物难以侵入,但类芦却具有先行侵入特性,进而其他植物才可侵入。因此,类芦在南方土壤侵蚀治理中具有重要作用,是水土保持的先锋植物,也是严重土壤侵蚀区植被恢复的理想植物。但是长期以来,类芦一直处于野生状态,对类芦的研究甚少,目前对类芦的研究多局限在类芦的形态特征、生物学特性、护坡效果和重金属修复等方面,而对类芦如何能在极端干旱贫瘠土壤中生长的机制尚不清楚,极大地限制了类芦在生产上的应用。磷是植物生长发育的必需元素之一,参与植物各种生理代谢过程。光合作用为植物的生长发育提供重要碳架、原料和能源,磷在植物的光合作用起着极其重要的重要。南方土壤中有效磷含量极低,在水土流失区更突出,磷素不足是限制植物生长的重要因子。但目前有关类芦是如何适应南方红壤区低磷环境的机制还不很清楚,有鉴于此,本研究以水土保持先锋植物类芦为研究材料,通过5个不同浓度磷胁迫的盆栽试验,进行类芦在不同磷胁迫水平下光合作用特性的研究,分析光合特性对磷胁迫的响应规律,探讨类芦在低磷环境下的光合生理机制,为揭示类芦的光合机制和生态应用提供科学依据。1材料和方法1.1类芦的缓苗处理与磷胁迫处理试验材料为水土保持先锋植物类芦(种子购自深圳鑫淼森有限公司)。首先进行种子预处理,将类芦种子用蒸馏水常温浸泡24h,以消毒后的细沙作为发芽床,将预处理的种子放入培养皿中,在温度为25℃,湿度70%的培养箱中培养,待种子发芽7d后,小心地将发芽的幼苗移植到营养杯中进行缓苗处理,3周后选用生长相近、根系完整的类芦苗作为盆栽试验苗。2010年在福建农林大学田间实验室大棚进行试验。用干净河沙作为培养基质,进行类芦磷胁迫的盆栽试验,每盆的河沙干重相同,将营养杯中长势相近的类芦苗移栽到种植盆中,每盆种植1株,进行不同的磷胁迫处理。根据南方土壤有效磷的含量,试验共设5个不同磷胁迫处理,分别为极度磷胁迫(含P为0mg/kg)、重度磷胁迫(含P为7.75mg/kg)、中度磷胁迫(含P为15.5mg/kg)、轻度磷胁迫(含P为23.25mg/kg)、正常供磷(含P为31mg/kg)。每个处理设3个重复,每隔5d浇1次含磷胁迫液的改良Hoagland营养液,以满足类芦对其他营养元素的需求。胁迫处理90d测定光合作用的各个指标。1.2测量1.2.1光合参数测定采用GFS-3000便携式光合-荧光测量系统测定光合参数。在天气晴朗无风的自然光照下,同一天,分别在8:00,10:00,12:00,14:00,16:00进行光合参数测定。测定叶片均为第3片叶的中部,叶室气体流速为750μmol/s。测定参数为净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci),叶片与空气的水气压亏缺(VPD)、光合有效辐射(PAR)、空气CO2浓度(Ca)、叶室相对湿度(RH)。1.2.2荧光参数测定采用便携式荧光参数仪测定荧光参数。各个处理每盆选择叶片位置一致的3片叶进行叶片荧光参数测定,分别测定初始荧光(F0)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv=Fm-F0)、PSⅡ最大光化学效率或原初光能转换效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)。1.2.3测定了蓝色信号的含量1.3数据处理和分析采用MicrosoftExcel和SPSS12.0软件进行数据处理和相关分析、LSD多重比较等,图表中数据均为各测定数据的平均值±标准差。2结果与分析2.1极磷胁迫处理由表1可看出,类芦在不同程度磷胁迫下,叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量均存在差异,随着磷胁迫程度的加剧,叶绿素含量逐渐下降。在极度磷胁迫下,叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、叶绿素a/b与正常供磷、轻度胁迫处理之间均存在极显著差异;在重度磷胁迫下,叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量与正常供磷、轻度胁迫处理之间均存在显著差异,但叶绿素a/b差异不显著;在中度磷胁迫下,叶绿素b、叶绿素总量与正常供磷、轻度胁迫之间均存在显著差异,但叶绿素a、叶绿素a/b差异不显著;轻度磷胁迫与正常供磷之间叶绿素含量差异不显著。2.2磷酸限制对类黄酮开花时间变化的影响2.2.1净光合速率pn日变化由图1看出,不同磷浓度胁迫下,类芦净光合速率(Pn)日变化表现:除极度胁迫外,其他浓度磷胁迫处理与正常供磷条件下的日变化趋势一致,8:00-10:00类芦的Pn变化较小,略有下降,之后迅速上升,到12:00为高峰期,之后又快速下降,到下午16:00为最低;而极度磷胁迫下,净光合速率(Pn)日变化与其他处理不同,从8:00-10:00类芦的Pn上升,到10:00为高峰期,之后下降,到16:00为最低。不同磷胁迫下Pn存在差异,日平均净光合速率表现为正常供磷>极度磷胁迫>轻度磷胁迫>中度磷胁迫>重度磷胁迫,说明磷胁迫下净光合速率减小,随着磷胁迫程度加重Pn逐渐降低,同一时刻不同磷胁迫下的Pn有同样变化。而极度磷胁迫处理的日变化规律与正常供磷和其他磷胁迫处理不同,有较高的Pn值。2.2.2干旱胁迫对类芦蒸腾速率的影响由图2看出,不同磷浓度胁迫下,类芦Tr日变化规律:除极度磷胁迫外,其他浓度磷胁迫处理与正常供磷条件下的日变化趋势一致,8:00-10:00类芦的Tr变化小,略有下降,之后迅速上升,到12:00为高峰期,之后又快速下降,到下午16:00为最低;而极度磷胁迫下,类芦的Tr日变化为抛物线形,日变化较平缓,8:00比其他供磷水平的低,12:00比重度磷胁迫的略高,均比轻度、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。不同磷胁迫下蒸腾速率存在差异,除了极度磷胁迫外,同一时刻在不同磷胁迫下类芦的蒸腾速率随着干旱胁迫程度加重Tr逐渐降低。日平均蒸腾速率表现为正常供磷>极度磷胁迫>轻度磷胁迫>中度磷胁迫>重度磷胁迫,说明在一定的磷胁迫下类芦蒸腾速率下降,并且随着干旱胁迫程度加重Tr逐渐降低,而极度磷胁迫日变化规律与正常供磷和其他磷胁迫处理不同,有较高的Tr值。2.2.3农业正常供磷下胞间co浓度由图3看出,不同磷胁迫下不同处理之间类芦胞间CO2浓度(Ci)日变化差异较大,表现出3种变化:(1)正常供磷与轻度磷胁迫之间变化规律较一致,从8:00开始上升,到下午14:00达最高值,之后下降;正常供磷下胞间CO2浓度>轻度磷胁迫胞间CO2浓度。(2)中度磷胁迫与重度磷胁迫之间类芦胞间CO2浓度(Ci)的变化规律一致,从8:00开始到10:00稍有增加,之后一直减少,至16:00为最小值;中度磷胁迫下胞间CO2浓度>重度磷胁迫下胞间CO2浓度。(3)极度磷胁迫下,胞间CO2浓度从8:00开始上升,到14:00达最高值,与其他供磷处理相比,14:00前的胞间CO2浓度(Ci)最大,之后急剧下降至16:00为最低,也是所有处理中的最低值。2.2.4干旱胁迫对类芦气孔导度的影响由图4看出,不同磷浓度胁迫下,类芦叶片气孔导度日变化表现为:除极度磷胁迫外,其他浓度磷胁迫处理与正常供磷条件下的日变化趋势一致,8:00-10:00变化较小,之后开始上升,到12:00达到最大,下午下降,16:00为最小。而极度磷胁迫下,类芦的气孔导度日变化为抛物线形,日变化较平缓,上午上升,12:00达到最大,之后下降。不同磷浓度胁迫下叶片气孔导度存在差异,除了极度磷胁迫外,同一时刻在不同磷胁迫下类芦的叶片气孔导度随着干旱胁迫程度加重逐渐减小。日平均叶片气孔导度表现为正常供磷>极度磷胁迫>轻度磷胁迫>中度磷胁迫>重度磷胁迫,说明类芦在一定磷浓度胁迫下,随着供磷浓度下降,气孔导度逐渐减小。为了解磷胁迫下类芦光合作用的影响因子,以严重磷胁迫为例,对气孔导度、净光合速率和蒸腾速率以及环境因子进行相关分析(表2)。在严重磷胁迫下,类芦净光合速率和蒸腾速率均与气孔导度、光合有效辐射、水气压饱和亏呈极显著正相关;净光合速率和蒸腾速率之间也呈极显著的正相关。而环境温度、湿度等与类芦光合作用和蒸腾作用之间关系不显著,说明类芦在严重磷胁迫下,气孔开闭、水气压饱和亏、光合有效辐射是光合作用和蒸腾作用的主要影响因子。2.3类芦叶绿素荧光指标由表3可看出,磷胁迫对类芦叶绿素荧光参数有一定影响,基础荧光(F0)、最大荧光(Fm)随着磷胁迫程度加重而逐渐减小。F0、Fm均表现为正常供磷>轻度磷胁迫>中度磷胁迫>重度磷胁迫>极度磷胁迫,可变荧光(Fv)则表现为正常供磷>轻度磷胁迫>中度磷胁迫>极度磷胁迫>重度磷胁迫。Fv/Fm与Fv/F0是叶绿素荧光中的2个重要参数。Fv/Fm为PSⅡ最大光化学效率,反映PSⅡ反应中心原初光能转化效率。Fv/F0反映PSⅡ潜在的光化学活性。磷胁迫下,类芦的Fv/Fm与Fv/F0均表现为极度磷胁迫>正常供磷>轻度磷胁迫>中度磷胁迫>重度磷胁迫,荧光参数有轻微差异,但差异均不显著。不同磷胁迫下净光合速率、叶绿素和荧光参数进行相关分析,结果(表4)表明:磷胁迫下类芦的叶绿素含量与F0、Fm、Fv显著相关,净光合速率Pn与Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/F0存在显著相关。进一步说明在磷胁迫下类芦的PSⅡ反应中心光化学效率决定了净光合速率(Pn)。磷胁迫下,Fv/Fm和Fv/F0下降,从而导致Pn下降。3讨论3.1不同磷胁迫对类芦叶绿素含量的影响相关研究表明,叶绿素是光合作用的重要条件之一,在一定程度上可以反映植物抵抗逆境胁迫的能力。在一定范围内植物叶片的光合强度随其叶绿素含量增加而加强。植物的叶绿素对环境变化、肥水等反应非常灵敏,是反映植物对逆境反应的重要生理指标之一。在一定范围内较低的叶绿素含量a/b值有利于植物充分利用不饱和的散射弱光来进行光合作用。磷是叶绿素的重要组成成分,磷胁迫抑制叶绿素合成,使叶绿素含量降低,本研究表明:类芦叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量均随着磷胁迫程度的加剧而逐渐下降,这与玉米、油菜等低磷胁迫一致。叶绿素a/b除中度磷胁迫外,则逐渐增加。与正常供磷相比,轻度磷胁迫下叶绿素含量变化不显著,中度磷胁迫和重度磷胁迫条件下叶绿素含量变化显著,极度磷胁迫条件下叶绿素含量变化极显著。说明类芦在轻度磷胁迫下叶绿素合成没有受到影响,而磷胁迫程度增加,类芦叶绿素合成会受到抑制。3.2不同磷胁迫对类芦光合特性的影响植物光合作用的日变化有单峰、双峰、三峰、W等几种类型,与植物种类和测定时的环境条件有关。初秋季节,类芦在一定的磷胁迫下,类芦光合作用的日变化大体为“单峰型”,除极度胁迫外,类芦的气孔导度、光合速率和蒸腾速率日变化在10:00前轻微下降,之后快速上升,高峰值在12:00,没有“午休”现象。磷作为底物或调节物直接参与光合作用的各个环节,包括光能吸收、同化力的形成、卡尔文循环同化产物的运输以及对一些关键性酶的活性起调节作用等。土壤环境缺磷直接或间接影响植物的光合作用。目前,关于低磷胁迫下植物中的研究表明,低磷会导致植物气孔导度下降,但是低磷导致的光合速率下降主要是由于非气孔因素造成的,也有研究者认为,在植物的整个生长过程中,低磷导致光合速率下降是由气孔和非气孔因素共同作用造成的,在不同的时期这2种因素所起的作用也不同。不同试验结果可能跟不同的植物品种、胁迫程度及外界环境因素的影响有关。本研究表明,在不同磷浓度胁迫下类芦的光合特性存在一定差异。在正常供磷条件下,类芦的气孔导度最大,胞间CO2浓度(Ci)最大,光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)也最大,随着磷胁迫程度加重,气孔导度下降,光合速率和蒸腾速率也逐渐减小,而胞间CO2浓度(Ci)变化较大。在极度磷胁迫下,类芦光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度等与其他磷胁迫下的不同,仍有较大值,仅次于正常供磷处理,说明极度磷胁迫处理与有磷的光合作用机理可能不同。这表明光合速率和蒸腾速率与气孔导度有密切关系,与大多数的研究结论相同。3.3磷胁迫对ps表达的影响大量研究表明:叶绿素荧光是光合作用的探针,任何环境因子对光合作用的影响都可以通过叶绿素荧光参数反映出来。外界环境、不同植物、不同生长阶段对植物叶绿素荧光参数产生不同影响。初始荧光(F0)的大小主要与PSⅡ天线色素内的最初激子密度、天线色素到PSⅡ反应中心的激发能传递速率的结构状态及叶绿素含量有关,最大荧光(Fm)反映PSⅡ的电子传递情况。本研究表明,随着磷胁迫程度增加,类芦F0、Fm、Fv逐渐下降,降低幅度较小,差异不显著;除了极度磷胁迫外,随着磷胁迫程度增加PSⅡ最大光能转化效率(Fv/Fm)和潜在活性(Fv/F0)也有所下降,降低幅度较小,差异不显著;说明在磷胁迫下PSⅡ反应中心没有受到破坏,这与张可炜等关于耐低磷玉米的光能转化率和电子传递速率较大,受低磷胁迫影响较小的研究结论一致。类芦在磷胁迫下,仍然具有较高的光合作用能力。4不同磷胁迫对类芦光合能力的影响随磷胁迫程度加剧,类芦叶绿素含量逐渐下降。低磷胁迫与正常供磷条件下类芦叶片气孔导度、光合速率和蒸腾