干旱后復水對側柏幼苗葉綠素含量的影響

張玉玉 王進鑫 馬 戌 呂國利 馮樹林

（1. 西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2. 西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100；3. 農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西 楊陵 712100）

葉綠素是植物類囊體膜上色素蛋白復合體的重要組成部分，是綠色植物進行光合作用的基礎物質和關鍵構成因子。葉綠素含量的高低可反映光合能力的強弱，葉綠素含量越低，光合作用越弱，不利于植物的生長[1]。也可反映植物抗逆性的強弱，大量研究表明干旱脅迫使得植物葉綠素含量降低[2-3]，也有研究表明植物葉綠素含量經干旱脅迫后會出現升高的趨勢，或者變化不顯著[4-6]。初江濤等[7]研究發現，隨著土壤含水量的減少，側柏（Platycladus orientalis）葉綠素含量呈現先降后升的趨勢。馬仁義等[8]研究表明，側柏比祁連圓柏（Sabina przewalskii）對干旱脅迫更為敏感，受持續干旱的影響更大。劉俊峰等[9]研究發現，側柏幼苗葉綠素含量隨脅迫程度的加劇而降低，其重度水分脅迫處理與對照差異顯著。干旱是影響植物生長和生理生化的主要非生物脅迫[10]。由于自然界的降雨脈沖及人為灌溉等原因，不僅在干旱半干旱地區經常會出現土壤缺水和干濕交替的現象，而且在南方等非干旱地區也經常出現季節性干旱。當植物處于干旱環境時，會通過調動自身的生理生化過程或啟動自我的保護機制來避免自身受到損傷[11-12]。植物在生長發育過程中，均呈現出一定的階段性變化規律，且在不同生長階段對環境的要求也存在著明顯的異質性[13-14]。徐國偉等[15]通過對水稻（Oryza sativa）的研究，發現水稻在不同的生育時期葉綠素的含量明顯不同，隨著生長發育的進程，水稻葉片葉綠素含量先增加后降低，成熟期最低。王進鑫等[16]研究發現，對側柏幼樹蒸騰耗水影響較大的是生長盛期的土壤供水狀況，生長后期次之，生長前期影響最小。因此，側柏幼苗在生長盛期對土壤水分的響應更加明顯。目前有關側柏葉綠素含量的研究，多以干旱脅迫及旱后復水的短時效應較為常見[17-18]，而前期干旱對側柏葉綠素含量在后期復水過程中恢復能力的長期影響的研究幾乎沒有。吳訓[19]研究發現，植物的生長對水分脅迫存在滯后現象，復水后植物生理機能的修復過程存在滯后效應。復水效應包括激發效應和補償效應，其中復水補償效應是指植物在受到的水分脅迫在閾值以內，又具有恢復因子和時間的條件下，在其生理等方面產生的有利于植物生長發育的能力[20]。Zhang等[21]研究發現，不同植物對不同程度水分脅迫的響應和復水補償效應具有不同的調虧機制和補償能力。因此，研究生長盛期側柏幼苗葉綠素含量經過干旱脅迫后復水的變化，分析干旱脅迫及旱后復水對葉綠素含量的影響，了解側柏幼苗葉綠素含量對干旱脅迫及旱后復水作出的響應，進一步反映側柏幼苗光合作用的變化，為側柏在土壤干濕交替變化的條件下更好的生長提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

試驗在陜西楊凌西北農林科技大學南校區（108°7′E，34°16′N）防雨旱棚內進行，該地區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，降水季節分配不均勻，年均降雨量635 mm，有78%的雨量集中在5—9月。年平均相對濕度為70%，年平均氣溫為12.9 ℃，1月平均氣溫為-1.2 ℃，7月平均氣溫為 26.0 ℃，≥10 ℃年有效積溫 4 169.2 ℃，年干燥度1.1。

試驗選取地徑、株高和根系基本一致的1年生側柏幼苗，沖洗根系后用吸水紙吸干苗木表面水分，于2019年3月15日栽植在口徑29 cm、深27 cm的塑料桶中，每桶栽植2株，并對其進行編號。栽培基質為塿土，質地粘壤，通透性良好，田間持水量為22.3%，充分風干后過篩，除去石礫、結核及林草根系，充分混勻后每盆裝10 kg。采用邊埋邊壓邊提苗的方式栽植，并在土層表面鋪蓋2 kg石礫以減少土體表面蒸發。澆灌一定體積的水，以保證苗木成活。然后放置室外自然透風塑料旱棚內，使側柏盆栽土壤水分維持在80%～90%最大田間持水量。

1.2 試驗設計

本試驗參照王進鑫等[16]、吉增寶等[22]的研究，設置干旱脅迫持續時間（15、30、45、60 d ）和土壤水分梯度（土壤相對含水量（RSWC）為40%、52.16%、70%、87.84%）2個因素來布設試驗，每個處理4個重復。以RSWC為100%，充分供水為CK，共17個處理。干旱脅迫外的所有時間內按照100%相對含水量對各處理供水。采用稱重法對側柏盆栽進行控水處理，每天18：00稱量，并補充當日失去的水分，以保證各處理維持在試驗設定的土壤含水量，持續時間為60 d。試驗期間栽培基質保持自然肥力，不施肥。整個試驗過程中，以大棚內自然溫度和光照為主，采用人為適時控制補水的辦法，使土壤水分達到試驗要求。為了減少環境因素對試驗結果的影響，將各處理干旱脅迫的結束時間調整到同一天（8月15日）。

2019年6月10日對控水60 d的側柏幼苗盆栽進行水分控制，將表面的石礫去掉，增大土壤表面蒸發或適當補水，使其在6月15日相應的土壤含水量達到40%、52.16%、70%、87.84%，以此類推，分別在6月25日、7月10日、7月25日對控水45、30、15 d的處理進行上述操作，CK土壤相對含水量保持100%。于8月15日上午8：00開始取側柏幼苗不同方位當年生成熟健康的鱗葉置冰袋并迅速帶回實驗室。下午6：00對各處理進行復水（按土壤相對含水量100%復水），并于復水后1、3、5、7、9 d對其葉綠素含量進行測定。

1.3 葉綠素含量的測定

采用丙酮乙醇提取法測定[23]，用剪刀將洗干凈的待測葉剪碎，以增加萃取面積，準確稱取0.1 g，放入15 mL的具塞三角瓶，然后再加入10 mLV（丙酮）∶V（乙醇）∶V（蒸餾水）=4.5∶4.5∶1的混合液，將其放置于4 ℃避光處浸提24 h，待材料變白充分浸提后過濾，取濾液在663 nm和645 nm波長下測定吸光度（A），按公式（1）～（4）計算葉綠素a含量（Ca）、葉綠素b含量（Cb）、葉綠素總量（Ca+b）、葉綠素a/b。

1.4 數據處理

不同歷時干旱脅迫的數據為對應脅迫歷時不同土壤干旱處理下的平均值，不同程度土壤干旱脅迫的數據為對應土壤干旱脅迫不同脅迫歷時處理下的平均值，數據統計分析采用 Microsoft Excel和 SPSS軟件結合進行，使用單因素方差分析來揭示不同歷時干旱脅迫及不同程度土壤干旱脅迫后復水對側柏幼苗葉綠素含量的影響。使用雙因素有重復方差分析，揭示不同歷時和不同程度土壤干旱同時脅迫后復水對側柏幼苗葉綠素含量的影響；并運用Duncan檢驗方法來確定每個指標在各處理間差異的顯著性。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對側柏幼苗葉綠素含量的影響

由表1可知，側柏幼苗在生長盛期Ca、Cb、Ca+b隨著干旱脅迫時間的延長呈現緩慢下降的趨勢，隨著土壤干旱脅迫程度的加劇，呈現先降低再上升的趨勢。其中干旱脅迫15 d土壤相對含水量為87.84%的側柏幼苗Ca、Cb、Ca+b比CK降低11.5%、9.1%、11.1%，干旱脅迫60 d 土壤相對含水量為40%的側柏幼苗Ca、Cb、Ca+b比CK降低15.4%、14.0%、15.1%。葉綠素a/b隨著干旱脅迫時間的延長整體上呈現上升的趨勢，隨著土壤干旱脅迫程度的加劇逐漸下降。其中土壤相對含水量為52.16%干旱脅迫15、30、45 d的側柏幼苗葉綠素a/b比CK分別降低4.2%、2.3%、1.2%，干旱脅迫60 d比CK高0.7%。各脅迫處理Ca、Cb、Ca+b及葉綠素a/b與CK差異顯著（P＜0.05），其中干旱脅迫45 d和60 d與CK差異顯著（P＜0.05）。說明隨著干旱脅迫時間的延長和土壤干旱脅迫程度的加劇，側柏幼苗在逐漸適應環境，并作出相應的生理響應。

表1 干旱脅迫程度對側柏幼苗葉綠素的影響Table 1 Effects of drought stress on chlorophyll content of P. orientalis seedlings

2.2 不同歷時干旱脅迫后復水對側柏幼苗葉綠素含量的影響

由表2可知，經過不同歷時干旱脅迫后復水，側柏幼苗Ca、Cb以及Ca+b整體上隨著復水時間的延長而呈現出先升后降再升的趨勢。復水第1天葉綠素含量高于復水前，第3天低于復水前，而第5天開始緩慢恢復出現了補償現象。以干旱脅迫60 d的側柏幼苗為例，Ca、Cb以及Ca+b在復水第9天比復水前分別增加了14.2%、16.8%和14.7%，不同歷時的干旱脅迫處理后側柏幼苗Ca、Cb以及Ca+b在復水前和復水后差異不顯著。葉綠素a/b在復水后得到了恢復，其中復水第3天達到最大值，脅迫60 d的側柏幼苗在復水第3天比復水前上升了26.3%，脅迫15 d的側柏幼苗在復水第7天比復水前上升了5.0%。葉綠素a/b在復水第3天與復水前差異顯著（P＜0.05），在其他復水時段與復水前無顯著差異。可見，側柏幼苗經過不同歷時干旱脅迫后，葉綠素含量在逐漸適應環境的同時，隨著復水時間的推移出現了補償現象。

表2 不同歷時干旱脅迫后復水對側柏幼苗葉綠素含量的影響Table 2 Effects of different duration of drought stress and rewatering on chlorophyll content of P. orientalis seedlings

2.3 不同程度土壤干旱脅迫后復水對側柏幼苗葉綠素含量的影響

由表3可知，側柏幼苗在不同程度土壤干旱脅迫后復水，Ca、Cb以及Ca+b隨著復水時間的延長逐漸上升，在復水第3天葉綠素含量總體上低于復水前，但基本恢復并高于CK，之后出現補償現象。以土壤相對含水量為70%的側柏幼苗為例，Ca、Cb以及Ca+b在復水第9天比復水前分別增加了13.2%、15.6%和13.7%。不同程度土壤干旱脅迫處理后側柏幼苗Ca以及Ca+b在復水前和復水后差異不顯著，低水分處理的側柏幼苗Cb在復水第3天與復水前差異顯著（P＜0.05）。葉綠素a/b在不同土壤水分脅迫后復水，呈現出先升后降再升的趨勢，在復水第3天達到最大值，土壤相對含水量為40%的側柏幼苗在復水第3天比復水前高21.6%。不同程度土壤干旱脅迫后復水葉綠素a/b差異顯著（P＜0.05），其中復水第3天與復水前差異顯著（P＜0.05）。

表3 不同水分脅迫后復水對側柏幼苗葉綠素含量的影響Table 3 Effect of rewatering on chlorophyll content of P. orientalis seedlings under different water stresses

2.4 干旱脅迫程度與歷時互作后復水對側柏幼苗葉綠素含量的影響

由表4可知，經過不同歷時和不同程度的土壤干旱同時脅迫后側柏幼苗Ca+b呈現先降后升的趨勢，復水后逐漸恢復。在復水第3天，除干旱脅迫60 d和45 d以及重度土壤水分脅迫外，其他處理均恢復至CK水平，復水第5天所有處理基本恢復CK水平；第7天開始出現補償效應。其中干旱脅迫60 d土壤相對含水量為40%的處理在復水前比CK低15.1%，隨著復水的進行，逐漸恢復，在復水第9天比CK高12.9%。干旱脅迫30 d土壤相對含水量為70%的處理在復水前比CK低6.4%，隨著復水時間的延長逐漸恢復，在復水第9天比CK高34.9%，比復水前高20.4%。不同歷時、不同程度土壤水分及二者同時脅迫下側柏幼苗Ca+b的差異顯著（P＜0.05），說明側柏幼苗Ca+b在不同歷時、不同程度土壤水分及二者同時脅迫的交互作用下具有顯著差異（P＜0.05），因此不同歷時、不同程度土壤水分及二者同時脅迫對側柏幼苗Ca+b影響都較大。不同歷時脅迫下，側柏幼苗Ca+b差異顯著（P＜0.05），尤其是在復水第5天開始差異顯著（P＜0.05）；不同程度土壤水分脅迫下，相對含水量為52.16%和70%的處理與CK差異顯著（P＜0.05），87.84%的處理在復水前和復水第1、5天與CK差異不顯著，在復水第3、7、9天差異顯著（P＜0.05），40%的處理在復水前和復水第3、5天與CK差異不顯著，在復水第1天、第7天和第9天與CK差異顯著（P＜0.05）。說明側柏幼苗葉綠素含量受52.16%和70%的水分脅迫變化明顯，而受87.84%和40%的水分脅迫變化不明顯。

表 4 干旱脅迫程度與歷時互作后復水對側柏幼苗葉綠素含量的影響Table 4 Effect of rewatering on chlorophyll content of P. orientalis seedlings after interaction of drought stress and time

3 結論與討論

干旱脅迫是常見的自然災害，是植物生長過程中遇到的主要非生物脅迫，土壤干旱導致植物生理代謝活動降低[24]。因此，研究干旱脅迫對植物的抗旱性響應和旱后復水對植物的恢復機制同樣重要[25-26]。適度的干旱脅迫后復水能使植物快速恢復其生長，從而減少干旱脅迫對其造成的損失，有時會產生超補償效應來彌補前期干旱對植物產生的影響。植物葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，其含量高低直接影響光合作用的強弱，因此，測定葉綠素含量的變化是研究光合作用的重要手段[27]。Ca是天線色素，也是參與光反應的主要色素，Cb是構成捕光天線復合體（LHC）的重要組成部分，具有吸收和傳遞光能的作用，在調控光合機構天線的大小、維持LHCⅡ的穩定性及對各種環境的適應等過程中都起作用。葉綠素a/b和葉綠素總量對植物光合作用也有一定的影響，其值隨溫度和光照強度的變化而改變[28]。

側柏幼苗葉綠素a/b隨著干旱脅迫時間的延長整體上呈現上升的趨勢，隨著土壤干旱脅迫程度的加劇逐漸下降。Ca、Cb以及Ca+b隨著干旱脅迫時間的延長呈現緩慢下降的趨勢，隨著土壤干旱脅迫程度的加劇，呈現先降后升的趨勢，這與初江濤等[7]、鄒朋[18]、趙瑾等[29]的研究結果一致。說明隨著干旱脅迫時間的延長和土壤干旱脅迫程度的加劇，側柏幼苗在逐漸適應環境，并作出相應的生理響應。目前關于旱后復水對側柏幼苗的影響已有很多研究，但多集中在生長、水分生理、活性氧及光合作用的方面，而對葉綠素含量的研究幾乎沒有[30-32]。不同歷時及不同程度土壤干旱同時脅迫后復水，側柏幼苗葉綠素含量隨著復水時間的推移逐漸恢復，并在第7天開始出現補償效應。側柏幼苗Ca、Cb以及Ca+b經過不同歷時的干旱脅迫及不同程度土壤干旱脅迫后，隨著復水時間的延長，逐漸恢復并出現補償效應，復水后葉綠素a/b呈現出先升后降再升的趨勢，這與曹丹等[33]和張紅萍等[34]的研究結果一致。表明側柏幼苗耐旱性強，經過干旱脅迫后，幼苗能對復水做出及時的響應，隨著復水時間的延長，側柏幼苗能很快的恢復并出現補償效應。

葉綠素含量變化與Ca的變化一致，由于Cb含量較少，因此，Ca含量的變化是引起葉綠素含量變化的主要因素。葉綠素a/b的波動幅度與Ca及Ca+b的波動幅度相反，而與Cb的波動幅度一致，雖然Cb的含量很少，但是在調節葉綠素a/b比值時起到了關鍵的作用。土壤相對含水量為40%的重度脅迫解除后，隨著復水時間的延長，葉綠素總量的恢復度逐漸上升，在復水第1天的恢復度為51.2%，到復水第9天其值增長到76.2%；土壤相對含水量為70%的中輕度脅迫解除后，恢復度從復水第1天的57.8%增長到第9天的85.5%。說明隨著復水時間的推移，側柏幼苗葉綠素含量在逐漸恢復。

綜上所述，經過不同歷時的干旱脅迫側柏幼苗葉綠素含量逐漸下降，不同程度土壤干旱脅迫及二者同時脅迫使得側柏幼苗葉綠素含量呈現先降后升的趨勢。隨著復水時間的推移，側柏幼苗能及時做出響應，在復水第3天基本恢復并高于對照，之后出現補償效應。雖然側柏幼苗在復水后恢復過程比較迅速，但在復水后對不同程度干旱脅迫的恢復能力存在差異，說明旱后復水的恢復能力對側柏幼苗應對干旱脅迫的作用突出。不同歷時和不同程度土壤干旱脅迫及二者同時脅迫雖然對側柏幼苗葉綠素含量有影響，但這種影響經過復水是可以彌補的，甚至會在復水第7天出現超補償現象，所以適度的干旱脅迫后復水有利于側柏幼苗的生長。這是側柏能在干濕交替頻繁發生的西部干旱半干旱地區生存的重要保障。