干旱脅迫對銀杏幼苗葉片光合性狀的影響

張斌++周廣柱++聶義豐

摘要：以3年生銀杏幼苗為材料，設置輕度、中度、重度3種干旱處理，測定葉片光合參數變化。結果表明，干旱脅迫條件下銀杏葉片相對含水量保持在75.31%～87.19%；隨著干旱脅迫的加重，光合速率及氣孔導度加速下降，而胞間CO2濃度先下降后上升；PSⅡ反應中心電子受體側、供體側結構變化，葉綠素熒光初始熒光逐漸上升，最大熒光、電子傳遞活性下降，熱耗散增大；50%～65%的田間持水量條件下，光量子效率最高。這表明在輕度干旱時，銀杏葉片光合作用下降主要是氣孔因素引起的，光合機構沒有受到嚴重的損傷，而在中度、重度干旱脅迫下，葉片光合作用下降是由非氣孔因素引起的，伴隨著PSⅡ反應中心電子供體側和受體側的結構損傷。

關鍵詞：銀杏；干旱脅迫；葉片相對含水量；光合特性；葉綠素熒光

中圖分類號： S664.301文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0202-04

收稿日期：2016-01-08

基金項目：遼寧省農業科技攻關項目（編號：2014207005）。

作者簡介：張斌（1990—），女，遼寧大連人，碩士研究生，主要從事園林植物方向研究。E-mail：bin1990515@126.com。

通信作者：周廣柱，教授，主要從事園林植物栽培與應用的研究。E-mail：zhouguangzhu@sina.com。銀杏樹由于其觀賞價值高而被廣泛的應用于城市綠化，是城市綠化和景觀應用的重要樹種。銀杏原產于年降水量900～2 000 mm的地區，所以當年降水量在800 mm以上時，生長期一般不需要灌溉。然而，由于城市地面的硬化，留給降水滲入土壤的綠化樹池面積過小，導致城市土壤水分嚴重虧缺。因此，在一些城市，當銀杏達到一定規格時，土壤缺水就成為制約樹體生長發育和存活的重要因素[1]。在干旱脅迫下，銀杏表現的主要癥狀是提早黃葉和落葉，在嚴重干旱條件下甚至整株死亡。干旱脅迫可通過氣孔阻力增大來降低光合速率[2-4]，還可能通過葉肉細胞及葉綠體結構破壞[5-7]和光系統Ⅱ反應中心失活[8-9]等機制抑制光合作用。干旱脅迫對銀杏葉片光合作用的影響與脅迫的強度和持續時間的長短有關[10-12]，還與氣溫高低和光照強度有關[13-15]。目前遼寧省沈陽市栽植銀杏樹的街路和廣場有50多個，總計16 000多株，也經常遭受干旱脅迫的嚴重影響。因此，本研究以沈陽地區城市綠化應用較多的銀杏為材料，研究本地區溫、光條件下干旱脅迫對銀杏葉片光合作用的影響，以期為銀杏樹體培養和水分管理提供理論參考。

1材料與方法

1.1材料

本試驗在沈陽農業大學試驗基地進行。采用長勢一致的3年生銀杏苗為試驗材料，盆栽培養。栽培基質采用黃土和泥炭混合配制，黃土與泥炭體積配比為7 ∶3。干旱脅迫分為3個處理：（1）輕度干旱組（T1、T2），土壤含水量控制在田間持水量65%和50%；（2）中度干旱組（T3），含水量控制在田間持水量35%；（3）重度干旱組（T4、T5），含水量控制在田間持水量20%和10%。以土壤田間持水量80%為對照組（CK）。

每個處理30盆，每盆裝干土3.5 kg，設有托盤。試驗在塑料遮雨棚內進行。為消除生長的邊際效應，每15 d輪換1次盆缽擺放位置。通過自然蒸散方式降低盆土含水量，當降至試驗要求的范圍時，即采用單盆逐一稱重法測定盆內土壤的失水量。試驗期間，每天稱重1次，時間為早晨08：00，之后補水至所設水分梯度含水量。

1.2測定指標及方法

1.2.1葉片相對含水量的測定干旱脅迫45 d，從每個處理中選取上層健康完整、長勢接近的葉片，剪下后稱鮮質量，然后將葉片放入裝有蒸餾水的燒杯中，黑暗處放置12 h后稱飽和質量，在80 ℃烘箱中烘干至恒質量，稱量干質量，每個處理3次重復。依據公式（鮮質量-干質量）/（飽和質量-干質量）×100%計算相對含水量（RWC）。

1.2.2光合參數的測定干旱脅迫45 d，每個處理隨機選取5株，每株選取3張健康完整功能葉采用0GFS-3000便攜式光合測定儀測定光響應曲線，用便攜式植物效能儀（Handy PEA）測定葉綠素熒光曲線并計算熒光參數。于09：00—11：30之間測定，每張葉片重復3次，取平均值。光合參數測定時，葉室溫度為25 ℃，相對濕度為（60±5）%，CO2濃度為（390±10）μmol/mol，光合有效輻射強度為1 200 μmol/（m2·s），光響應曲線測定光合有效輻射強度分別設為1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、300、200、150、100、50、20 μmol/（m2·s）。

1.3數據處理

采用Excel 2003進行數據整理，用SPSS 17軟件進行數據分析。

2結果與分析

2.1干旱脅迫對銀杏葉片相對含水量（RWC）的影響

葉片相對含水量代表植物葉片維持水分含量的能力。在干旱脅迫下，葉片相對含水量越高，對干旱的適應能力就越強[16]。如圖1所示，隨著干旱脅迫的加重，銀杏葉片相對含水量加速下降。干旱處理的銀杏葉片相對含水量與對照處理相比差異顯著（P<0.05）；其中T1與T2處理差異不顯著，說明在該土壤水分范圍內銀杏葉片通過滲透調節等機制可以維持較高的RWC；T3、T4、T5之間差異顯著，說明在嚴重干旱脅迫下，土壤含水量較小幅度的降低都對葉片RWC產生較大的影響。

2.2干旱脅迫對銀杏幼苗葉片光合參數的影響

2.2.1干旱脅迫對葉片凈光合速率（Pn）的影響圖2-a可見，與對照相比，干旱處理的銀杏葉片光合作用的飽和光強降低。在飽和光強下，T1的最大凈光合速率與對照相比顯著降低，T2、T3、T4和T5極顯著降低。其中T3、T4和T5凈光合速率只有對照的67.48%、43.40%和39.86%。而且，隨著光照的增強，干旱處理葉片凈利用光能增加幅度都低于對照。這些結果說明輕度干旱脅迫就已經顯著影響銀杏葉片的光合作用。

當光合有效輻射（PAR）<200 μmol/（m2·s）時，各處理Pn值呈線性增加，其斜率代表葉片將光能轉換成化學能的效率，稱為光量子效率（AQY）[17]。本試驗5種干旱處理下的銀杏葉片AQY如圖2-b所示，其大小為T1>CK>T2>T3>T4>T5。除輕度干旱處理的T1外，其他處理的光量子利用效率都低于對照。

2.2.2干旱脅迫對葉片氣孔導度的影響在1 200 μmol/（m2·s）PAR下，不同干旱處理銀杏葉片的氣孔導度如圖3所示。除輕度干旱處理T1外，其他處理的葉片氣孔導度與對照處理相比差異顯著（P<0.05）。對照葉片的氣孔導度（Gs）較大，為73.90 mmol/（m2·s），隨干旱脅迫的加重，葉片Gs加速下降，T5處理Gs下降幅度最大。其中T3、T4和T5氣孔導度只有對照的57.70%、29.86%和25.38%，這些說明干旱脅迫嚴重影響葉片與環境的氣體交換和CO2同化作用。

2.2.3干旱脅迫對葉片胞間CO2的影響在1 200 μmol/（m2·s）PAR下，不同干旱處理銀杏葉片的CO2濃度（Ci）如圖4所示。輕度干旱處理T1的葉片Ci與對照相比變化不大。輕度干旱處理T2的Ci與對照相比明顯下降，下降幅度達11.42%。中度干旱處理T3的Ci與對照相比有較小幅度的增加。重度干旱處理T4、T5的Ci與對照相比明顯的上升，分別上升10.41%、11.54%。表明中度和重度干旱處理影響了葉片光合結構和光合酶活性，抑制了CO2同化作用。

2.3干旱脅迫對銀杏葉片葉綠素熒光特性的影響

2.3.1干旱脅迫對葉片葉綠素熒光動力學曲線的影響銀杏葉片經過暗適應后測得的葉綠素熒光動力學曲線形成OJIP 4個特征點位（圖5）。與對照相比，干旱處理熒光曲線的OJIP點位熒光強度發生顯著變化，說明電子傳遞受到影響。在O-J點位之間大于對照值，J-P點位之間小于對照值，其變化幅度前者顯著大于后者。經過計算[WOK=（Ft-Fo）/（F300μs-Fo）；WOJ=（Ft-Fo）/（Fj-Fo）；Δ=W脅迫-W對照]并繪制ΔWOK（圖6-a）和ΔWOJ的曲線（圖6-b），證明O-J點位之間存在L點與K點，形成具有O-L-K-J-I-P 6個特征點位的曲線。其L點位出現在80～160 μs時間段內，K點位出現在300 μs左右。曲線的L、K點上升，說明 PSⅡ 反應中心電子供體側受到傷害。在本試驗中，T3的L和K點與對照相比已經顯著上升，T4和T5處理則急速上升，說明隨干旱處理的加重，PSⅡ供體側受到的傷害加劇。

2.3.2干旱脅迫對葉片葉綠素熒光參數的影響圖7為葉綠素熒光參數雷達分析圖，所有參數均是與對照的比值。隨著干旱脅迫的加重，初始熒光（Fo）、Fo/Fm、單位反應中心吸收的光能（ABS/RC）、單位反應中心捕獲的光能（TRo/RC）、單位反應中心耗散的能量（DIo/RC）值加速增大，說明PSⅡ反應中心受到影響；最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、最大光化學效率（Fv/Fm）、PSⅡ潛在活力（Fv/Fo）、綜合指數（PIabs）、單位截面積電子傳遞能力（ETo/CSo）值加速減小，說明電子傳遞受阻。其中，綜合指數PIabs對干旱處理的響應比Fv/Fm更加靈敏，說明PIabs能夠更快地反映干旱脅迫下光合機構活力的變化。標準化的J-P相和直線F=Fm之間的面積（Sm）的降低反映PSⅡ反應中心的電子受體側受到傷害的程度。在本試驗中，隨著土壤干旱脅迫的加重，T3的Sm與對照相比已經顯著降低，T4和T5處理則是急劇下降，說明隨干旱脅迫的加重，PSⅡ受體側也受到嚴重傷害。

3討論和結論

與對照相比，輕度干旱（土壤田間持水量65%和50%）的銀杏葉片相對含水量降低，凈光合速率下降，氣孔阻力增大，但胞間CO2減少。在干旱脅迫下葉片胞間CO2濃度下降有2個方面的原因，一是由于氣孔阻力增大進入葉片內部的CO2數量減少，二是由于光合細胞具有較強的CO2同化能力。因此，在輕度干旱脅迫下，銀杏凈光合速率下降的主要原因是氣孔因素，即由于葉片缺水導致氣孔阻力增大減少CO2的供應所致。然而，本試驗結果表明，即使在輕度干旱脅迫下，葉片的光反應活性和結構都發生了變化，表示PSⅡ反應

中心活力的指標Fv/Fm和PIabs下降，反映結構變化的指標Fo增大，反映PSⅡ供體側傷害的曲線L點的K點沒有劇烈上升，反映PSⅡ受體側傷害的Sm也沒有劇烈下降。所以，在輕度干旱脅迫下，PSⅡ結構變化對凈光合速率的影響仍然有限。因為，一般在光合作用的氣孔限制階段，恢復水分供應后光合作用可以較快地恢復正常。

在中度干旱脅迫（土壤田間持水量35%）和重度干旱脅迫（田間持水量20%和10%）下，銀杏葉片凈光合速率下降，氣孔阻力增大，胞間CO2濃度增大。同時，反應PSⅡ結構變化和傷害的葉綠素參數Fo、L點和K點劇烈上升，Sm劇烈下降。這些結果說明在中、重度干旱脅迫下，光合作用下降的主要原因是非氣孔因素，而且光合作用的限制與光反應損傷有關[18-20]。在本試驗中，葉綠素熒光動力學曲線中的L點急劇上升，說明反應中心各個單位之間的排列變松散，穩固性下降；K點位的急劇上升說明PSⅡ放氧復合體受到損傷，抑制水的光氧化分解，減少光合電子傳遞鏈的電子供應。Sm反映P680受體側的PQ庫大小，在中度與重度干旱脅迫下Sm劇烈下降，可能是由于葉片缺水導致電子傳遞體QB脫落，使PQ庫容量變小，降低光合電子傳遞的速率。

綜上所述，在沈陽地區，在輕度干旱時，銀杏葉片光合作用下降主要是氣孔因素引起的，光合機構沒有受到嚴重的損傷，而在中、重度干旱脅迫下，葉片光合作用下降是由非氣孔因素引起的，伴隨著PSⅡ反應中心電子供體側和受體側的結構損傷，因此建議及時灌溉。本試驗的結果也表明，葉綠素熒光參數是一個理想的、測定簡便的反映銀杏葉片在干旱脅迫下光合作用傷害的指標。