干旱和復水對4種咖啡葉片葉綠素熒光特性和SPAD的影響①

武瑞瑞 黃家雄 楊 陽 李亞男 張曉芳 呂玉蘭 沈正松 何紅艷 李貴平

(云南省農業(yè)科院熱帶亞熱帶經濟作物研究所 云南保山678000)

植物適應干旱的機制基本分為：避旱性、抗旱性及耐旱性3種［1］。抗旱性機理主要是減少蒸騰、根系加強吸水能力、儲藏水分；耐旱機理主要是保持綠色的耐脫水性，保持正常的代謝水平，延遲組織器官衰老；避旱性機理為通過改變自身的生長史等方式躲避干旱。作物抗旱性評價指標有：形態(tài)指標、生長發(fā)育指標、生理生化指標、產量指標等。生理生化指標包括水分生理指標、光合作用指標等，葉綠素熒光分析技術是反映光合作用“內在性”的特點。當干旱脅迫發(fā)生時，植物葉片葉綠素熒光參數也會發(fā)生規(guī)律性變化，從而間接地指示不同干旱程度時植物光合生理的變化。

從葉綠素熒光參數入手研究植物抗旱性相關的報道比較多，如吳甘霖等［2］對草莓在不同干旱脅迫和復水下葉綠素熒光測定研究結果表明，低中度干旱脅迫復水后草莓的葉綠素熒光參數恢復到正常水平，而重度干旱脅迫時未能恢復；李威等［3］對東北紅豆杉實生苗和扦插苗在干旱和復水條件下的葉綠素熒光特性進行了研究，結果表明，在干旱條件下扦插苗的葉綠素熒光參數變化程度大，對干旱敏感，但復水后兩者都恢復到正常水平；劉永安等［4］研究了麻瘋樹幼苗在干旱和復水條件下葉綠素熒光的變化，結果表明基質含水量在8.70%時，葉綠素熒光參數發(fā)生變化，基質含水量降至4.22%復水48 h后，葉綠素熒光較快恢復，說明麻瘋樹有極強的干旱適應能力；謝東鋒［5］對干旱脅迫和復水后金銀花葉綠素熒光參數的變化進行了研究，結果表明，隨著干旱脅迫時間的延長，金銀花的葉綠素熒光參數發(fā)生變化，復水后各參數先快速恢復后緩慢恢復，直到穩(wěn)定狀態(tài)，但是不同干旱程度和脅迫時間，恢復的程度和速度均不同。目前，從葉綠素熒光參數等方面入手開展咖啡抗旱性研究的報道較少，王睿芳等［6］通過對小粒種咖啡葉片的解剖研究咖啡的抗旱性，結果發(fā)現，柵欄組織和葉片組織結構緊密度是迅速反應抗旱性的葉片解剖性狀；張珍賢等［7］通過小粒種咖啡在干旱脅迫下施肥對其光合特性的影響研究，發(fā)現氮肥和磷肥在增強抗旱性方面有很大效果，且磷肥作用更強。筆者從葉綠素熒光參數最大光化學效率（Fv/Fm）、實際光化學效率（ΦPSII）、光合電子傳遞速率（ETR）等方面開展不同小粒種咖啡在干旱脅迫下的表現，分析其對干旱逆境的響應規(guī)律及適應能力，以及復水后各品種葉綠素熒光參數的恢復情況，明確不同咖啡品種的抗旱性，為加強抗旱育種的針對性和節(jié)水栽培的有效性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗地點位于云南省保山市隆陽區(qū)潞江鎮(zhèn)（21°59′N，98°53′E），屬南亞熱帶半干旱季風氣候，年均溫21.3℃，絕對最高氣溫40.4℃，絕對最低氣溫0.2℃，＞10℃積溫7 694℃，年均降雨量751.4 mm，降雨集中在6～10月份，年均蒸發(fā)量2 101.9 mm，年日照時數2 328 h，相對濕度70%。

材料：小粒種咖啡（Coffea arabicaL.）卡蒂姆系列的4個品種（卡蒂姆1、卡蒂姆2、卡蒂姆3、卡蒂姆4），各品種均為2年生咖啡苗。

儀器：葉綠素熒光參數用調制葉綠素熒光儀（英國漢莎FMS-2），手持葉綠素測定儀（浙江托普TYS-B）。

1.2 方法

1.2.1 干旱處理

采用疼痛視覺評估方法(VAS)進行評價,分值分布在0-10分,0分表示患者無疼痛感,10分表示患者疼痛劇烈,無法忍受,分數越高表示患者疼痛程度越深。采用QLQ-C30生活質量量表對患者進行評價,總分為100分,分數越高則表示患者的生活狀況越好。

試驗時間于2018年4～5月，采用盆栽方式進行，規(guī)格為上口直徑24 cm、底部直徑20 cm、高20 cm的塑料盆。盆栽用的土壤為0～30 cm試驗地點大田表層土，風干過篩后混勻。土壤為沖積母質發(fā)育的沙壤土，pH7.11，有機質含量10.30 g/kg，全氮0.074%，水解氮71.60 mg/kg，有效磷17.70 mg/kg，速效鉀83 mg/kg。每盆底部用紙封口，裝入6 kg土和60 g羊糞，混勻。每盆種植1株，每個品種6株，共24株。整個試驗在溫室中進行，溫室中有通風措施。試驗材料在溫室中培養(yǎng)2周，適應溫室中的環(huán)境，每天下午澆透水。2周后干旱處理，采用持續(xù)不澆水。持續(xù)干旱15 d后，分為二組，A-1組和A-2組，每組每個品種3棵。A-1組直接復水，復水6 d后結束；A-2組再持續(xù)干旱3 d，然后復水，復水6 d后結束。

1.2.2 功能性狀測定

葉綠素含量測定：用手持葉綠素測定儀（浙江托普TYS-B）測定第4對葉子的葉綠素含量（Soil and Plant Analyzer Development，SPAD），每株測10次，取平均值。

葉綠素熒光參數測定：每次早上9：00開始測定，用飽和脈沖100 μmol/（m2·s）測定光適應下的實際光化學效率（ΦPSII）、光合電子傳遞速率（ETR），暗適應下15 min后光系統(tǒng)II的最大光化學效率（Fv/Fm），各參數直接從儀器FMS-2中直接導出，每株測定從頂端數第4對葉子，重復3次，取平均值。

1.3 數據統(tǒng)計

采用Excel 2003進行數據整理和制圖，測定指標用SPSS 19.0進行分析。

2 結果與分析

2.1 咖啡葉片SPAD值的變化

2.1.1 干旱15 d及復水對咖啡葉片SPAD的影響

由表1可知，在試驗干旱前，4個卡蒂姆品種的SPAD有一定的差異，卡蒂姆2和4無顯著差異，與卡蒂姆1、3有顯著差異（p＜0.05）。干旱15 d后測得SPAD值，除了卡蒂姆1外，其他3個品種均比試驗開始時有增加，卡蒂姆3增幅最大；卡蒂姆1、2無顯著差異，卡蒂姆3和4與它們之間有顯著差異。復水后第3天測得的SPAD值，較試驗開始及干旱15 d測得的SPAD值下降，卡蒂姆3下降幅度最大；卡蒂姆2、3、4間無顯著差異，與卡蒂姆1有顯著差異。復水后第6天所測得的SPAD值，比復水后第3天有所增加，卡蒂姆2增加數值最大，且卡蒂姆2恢復到試驗開始的98.41%，其他品種分別為84.05%、86.64%和96.28%，卡蒂姆2、3、4無顯著差異，卡蒂姆1、4無顯著差異（p＜0.05）。

表1 A-1組干旱15 d及復水后SPAD變化

2.1.2 干旱18 d及復水對咖啡葉片SPAD的影響

由表2可知，干旱18 d后所測的SPAD值均比試驗開始時降低，各品種較原始值下降幅度分別為20.45%、10.88%、20.46%和9.04%，卡蒂姆1和3降低幅度最大，卡蒂姆2、3、4無顯著差異，與卡蒂姆1有顯著差異（p＜0.05）；復水后第3天，除了卡蒂姆4外，其他3個品種的SPAD值均有所降低，卡蒂姆2降低幅度最大，卡蒂姆3、4無顯著差異，卡蒂姆1、2無顯著差異，卡蒂姆1、2和卡蒂姆3、4有顯著差異；復水后第6天，較復水后第3天均有所增長，卡蒂姆3增長幅度大，各品種的恢復到初始值的79.12%、82.39%、86.62%和95.26%，卡蒂姆3、4無顯著差異，卡蒂姆1、2無顯著差異，卡蒂姆1、2和卡蒂姆3、4有顯著差異。

SPAD值的大小是衡量葉片中葉綠素含量變化情況。干旱脅迫15 d后SPAD值增加，但干旱脅迫18 d后SPAD值下降，所以適度的干旱脅迫可以使SPAD值上升，但是過度脅迫后SPAD值降低；從干旱脅迫15 d后復水的情況和干旱脅迫18 d后復水的情況，SPAD增長情況也有所不同。表明不同干旱脅迫程度，植物生長恢復速度也有所不同，適度干旱對植株生長有促進作用，嚴重干旱時葉綠素含量才減少。

表2 A-1組干旱18 d及復水后SPAD變化

2.2 咖啡葉片葉綠素熒光參數的變化情況

2.2.1 干旱及復水對咖啡葉片葉綠素熒光參數Fv/Fm的影響

由圖1可知，未脅迫前各咖啡品種的Fv/Fm值均在0.7以上，數值分別為，0.72、0.71、0.71、0.76，卡蒂姆4和卡蒂姆2、3有顯著差異，卡蒂姆1和其他品種無顯著差異（p＜0.05）。干旱脅迫后各咖啡品種的Fv/Fm值不同程度降低，且隨著干旱時間的延長呈繼續(xù)下降趨勢；干旱15 d時，卡蒂姆1和2的Fv/Fm值下降幅度較大，卡蒂姆3和4下降幅度較小；品種間差異：卡蒂姆1（數值為0.34）和卡蒂姆3（數值為0.52）、4（數值為0.58）顯著差異，卡蒂姆2（數值為0.41）和4（數值為0.58）顯著差異（p＜0.05）。由圖2可知，干旱18 d時，各品種的Fv/Fm值繼續(xù)下降，與干旱15 d相比，下降最大的是卡蒂姆1，下降幅度為57.01%（數值為0.15），其他3個品種的下降幅度分別為36.21%（數值為0.26）、22.16%（數值為0.41）和15.76%（數值為0.49），各品種間差異顯著（p＜0.05）。

復水后，各品種的Fv/Fm值恢復速度也不相同，恢復的程度也有所不同，且均沒恢復如初。由圖1可知干旱15 d后復水6 d，各品種的Fv/Fm值均有不同程度回升，分別恢復到初始值的97.65%（數值為0.70）、98.98%（數值為0.68）、92.57%（數值為0.65）、88.85%（數值為0.68），各品種間無顯著差異（p＜0.05）。由圖2可知，干旱18天后復水6 d，各品種的Fv/Fm值都有所回升，分別恢復到初始值的 72.81%、93.66%、84.41%、89.51%，卡蒂姆1（數值為0.52）和3（數值為0.60）顯著差異，卡蒂姆2（數值為0.66）和4（數值為0.68）無顯著差異，卡蒂姆1、3和卡蒂姆2、4顯著差異（p＜0.05）。

整個試驗過程中，干旱脅迫時和復水后卡蒂姆4的Fv/Fm值波動不大，且Fv/Fm值一直居高，變幅也較緩慢。

2.2.2 干旱及復水以后咖啡葉片葉綠素熒光參數ΦPSII的變化

由圖3可知，未脅迫前各咖啡品種的ΦPSII數值分別為0.74、0.71、0.73、0.74，卡蒂姆2和其他3個品種有顯著差異（p＜0.05）。干旱脅迫導致各咖啡品種ΦPSII值不同程度的降低，且隨著干旱時間的延長呈快速下降趨勢。由圖3可知，干旱15 d時，卡蒂姆1（數值為0.28）和2（數值為0.33）快速下降，卡蒂姆3（數值為0.58）和4（數值為0.55）降幅降幅較小，降幅較初始值分別為 61.82%、53.97%。20.98%、26.09%；品種間差異：除了卡蒂姆2和3無顯著差異外，品種間存在顯著差異（p＜0.05）。由圖4可知干旱18 d時，各品種的ΦPSII值繼續(xù)下降，降幅較初始值分別為75.97%（數值為0.18）、47.94%（數值為0.37）、43.66%（數值為0.41）和28.32%（數值為0.53）；卡蒂姆3較干旱15 d時下降明顯，不同品種間差異顯著（p＜0.05）。

復水后各品種ΦPSII值都有所回升。從圖3看出，干旱15 d復水6 d后卡蒂姆3（數值為0.64）和4（數值為0.69）恢復緩慢，卡蒂姆1（數值為0.72）和2（數值為0.69）恢復較快；各品種復水6 d后分別恢復到初始值的98.24%、97.23%、86.99%和93.19%；除了卡蒂姆2和4無顯著差異外，品種間存在顯著差異（p＜0.05）。由圖4可看出，干旱18 d復水6 d后各品種ΦPSII值都有了明顯的回升；卡蒂姆1（數值為0.55）、2（數值為0.69）、3（數值為0.61）和4（數值為0.72）分別恢復到初始值75.13%、96.22%、83.35%和97.79%；各品種間存在顯著差異（p＜0.05）。

整個試驗過程中，干旱15 d卡蒂姆3的ΦPSII值變化波動較小，干旱18 d時卡蒂姆4的波動較小。卡蒂姆4的ΦPSII值在整個試驗過程中居高。

2.2.3 干旱及復水后咖啡葉片葉綠素熒光參數ETR的變化

由圖5可知，未脅迫前各咖啡品種的ETR數值分別為3.85、2.88、3.08、3.91，卡蒂姆1、4和卡蒂姆2、3有顯著差異（p＜0.05）。干旱15 d時各品種光合電子傳遞速率ETR值較初始值下降幅度分別為61.29%、45.78%、21.23%和35.98%，數值分別為1.12、1.56、2.43、2.50，各品種間存在顯著差異（p＜0.05）；由圖6可知，隨干旱時間延長，各品種ETR值繼續(xù)降低，干旱18 d時較初始值降幅為74.30%、51.20%、43.29%和41.30%，數值分別為0.74、1.41、1.75、2.29，各品種間存在顯著差異（p＜0.05）。

圖1 A-1組干旱及復水后咖啡葉片葉綠素熒光參數Fv/Fm的變化

圖2 A-2組干旱及復水后咖啡葉片葉綠素熒光參數Fv/Fm的變化

圖3 A-1組干旱及復水后咖啡葉片葉綠素熒光參數ΦPSII的變化

圖4 A-2組干旱及復水后咖啡葉片葉綠素熒光參數ΦPSII的變化

由圖5可知，復水后第3天卡蒂姆1、2和4的ETR值上升幅度較大，復水第6天時各品種恢復到初始值的 90.88%、121.53%、103.98%和 88.84%，數值分別為3.50、3.50、3.21、3.47；卡蒂姆2、3的ETR值超過了初始值，表明復水后ETR值恢復能力較強。由圖6可看出，復水后第3天卡蒂姆2恢復速率最大；復水后第6天各品種恢復到初始值的84.36%、105.26%、91.36%和85.46%，數值分別為2.44、3.03、2.82、3.34，卡蒂姆2恢復超過原有水平。

整個試驗過程，卡蒂姆4的ETR值都高于其他品種，表明其光能轉化效率和光電子傳遞效率較強。

3 討論與結論

3.1 討論

葉綠素是綠色植物參與光合作用的重要色素，其含量的高低反映了植株光合能力和生長狀況［8］，故通過研究干旱脅迫對植物葉綠素含量的影響，可分析抗旱性能的差異［9］。SPAD值是一項表征葉片光合活性的指標，它與單位葉面積的葉綠素含量及葉綠素的密度顯著正相關［10-11］，因此常用SPAD值的大小來衡量葉片中葉綠素含量的情況［12］。本次試驗中，干旱15 d時卡蒂姆1的SPAD值略小于試驗開始所測得數值，而卡蒂姆2、3、4的SPAD值均高于試驗開始所測得數值，和吳際友對紅椿的試驗結果相似［13］；干旱18 d時各品種均低于試驗開始和干旱15 d所測得數值，與陳雪妮對藍莓的研究結果一致［14］。試驗結果表明，在一定范圍內的干旱脅迫，咖啡葉片的SPAD值先增加，超過范圍后SPAD值減少；在一定程度的干旱脅迫下，植物體內水分降低，造成單位葉面積的葉綠素含量升高［9，15-16］，干旱脅迫加深時，葉綠體遭到破壞［17-18］，或葉綠體合成受到阻礙或抑制，從而使葉綠素含量降低［19］，降低了對光能的利用。本次試驗中復水后4種咖啡的葉綠素含量相對于干旱脅迫時數值均有所增加，說明復水對這些植物均有不同程度的補償作用。

圖6 A-2組干旱及復水后咖啡葉片葉綠素熒光參數ETR的變化

Fv/Fm是PSⅡ的最大光化學效率，常用于說明植物葉片PSⅡ原初光能轉換效率。一般來說，植物在非脅迫生長條件下，葉綠素熒光參數Fv/Fm值一般在0.70以上。Fv/Fm值越高，光化學效率越高，葉片的光合作用越強［11］。植物在脅迫生長條件下，葉綠素熒光Fv/Fm低于 0.7［2，20］，說明植物受到光抑制，反應中心受到不可逆破壞或可逆失活［21-22］，下降程度越高，抑制作用越大，脅迫程度越高。

ΦPSII表示PSII實際光能轉化效率，表示進入PSII反應中心的光能中用于光化學反應的光能所占比例，可以作為植物葉片光合電子傳遞速率快慢的相對指標。高的ΦPSII有利于提高作物的光能轉換效率，為暗反應的碳同化積累更多的能量，其值降低說明光合機構受到抑制［23-24］。

由本研究結果可知，干旱脅迫均使各參度品種的ΦPSII、Fv/Fm和ETR降低，說明捕光蛋白復合體被破壞，使得電子傳遞受阻，光能轉化效率降低［5］，參數的下降幅度越大，抗旱性越弱［17］。干旱15 d時Fv/Fm、ΦPSII和ETR的降低程度順序為：卡蒂姆1＞卡蒂姆2＞卡蒂姆4＞卡蒂姆3；干旱18 d時Fv/Fm、ΦPSII和ETR的降低程度順序為：卡蒂姆1＞卡蒂姆2＞卡蒂姆3＞卡蒂姆4。表明卡蒂姆1和2對干旱敏感，受到水分限制較大［5］；干旱時間越長，各參數下降程度越大；復水后ΦPSII、Fv/Fm和ETR升高，說明干旱脅迫并未對光系統(tǒng)造成不可逆的抑制［10］，但未恢復到未脅迫前，可能是恢復時間不夠或此時的干旱脅迫對咖啡品種光系統(tǒng)還是帶來了一定的損傷，且不同程度的干旱，各參數恢復情況也不同。

隨著干旱程度的加深，葉綠素熒光參數ΦPSII和Fv/Fm的變化趨勢與李偉成等［25］對浙江楠的研究結果一致，葉綠素熒光參數ETR和Fv/Fm的變化趨勢與李曉梅等［26］對辣椒的研究結果一致。植物的抗旱性是植物在干旱條件下的生存能力，以及在干旱解除以后迅速恢復的能力，理想抗旱作物品種，不但要求植物在操受干旱脅迫過程中能夠盡量減少干旱脅迫對植物的傷害，而且要求一旦有降水或灌溉，又能夠從干旱傷害中迅速恢復生長［20］。

3.2 結論

SPAD是植株抗旱指標之一［9］。本研究結果得出，適度干旱時，卡蒂姆2和4均表現良好，而干旱程度再加深時，卡蒂姆4表現良好。根據干旱脅迫時葉綠素熒光參數的變化，得出干旱15 d時，卡蒂姆3和4表現良好，抗旱性強；干旱18 d時，卡蒂姆4抗旱性更好一些，結合復水后不同咖啡品種的恢復情況，卡蒂姆4抗旱性較好。