干旱環(huán)境下山葡萄光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

潘 越 ,郭 靖,張 浩,韓政偉,劉陽陽,劉元媛,王紅梅

(1.新疆林業(yè)科學(xué)院 園林綠化研究所,烏魯木齊 830063; 2.新疆林業(yè)科學(xué)院 佳木國家重點(diǎn)林木良種基地,新疆溫宿 843100；3.新疆阿克蘇森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站,新疆溫宿 843100；4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院,烏魯木齊 830052；5.新疆工程學(xué)院,烏魯木齊 830023)

光合作用是植物有機(jī)物合成、營養(yǎng)貯存與轉(zhuǎn)化的重要途經(jīng)[1],也是影響植物生長快慢的重要指標(biāo)之一[2]。干旱脅迫下,葉片光合作用的強(qiáng)弱及葉綠素?zé)晒庀到y(tǒng)活性的高低直接影響到植物的生長發(fā)育,該指標(biāo)是評(píng)價(jià)植被抗旱能力的重要指標(biāo)之一[3]。羅靜等[4]發(fā)現(xiàn),受干旱脅迫影響,凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和水分利用率逐漸下降,長時(shí)間的干旱脅迫會(huì)對(duì)光合結(jié)構(gòu)造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞[5]。葉綠素?zé)晒馐欠从持参锕夂夏芰Α⒃耘噙m應(yīng)性的重要參數(shù)[6],葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的運(yùn)用,具有快捷、迅速、準(zhǔn)確和無損傷的優(yōu)點(diǎn)。Melgar等[7]發(fā)現(xiàn),干旱脅迫與強(qiáng)光交互時(shí),光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)會(huì)迅速失活,隨之造成光破壞和光抑制,嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致植株死亡。山葡萄(VitisamurensisRupr.)是葡萄屬中最抗寒的一個(gè)品種[8],主蔓能耐-45 ℃的低溫,根系能耐-14 ℃～-16 ℃低溫,是中國優(yōu)質(zhì)的抗寒葡萄種質(zhì)資源。山葡萄果實(shí)富含單寧、白藜蘆醇和酚類物質(zhì)[9]，對(duì)調(diào)節(jié)人體血脂、保護(hù)心腦血管、防治動(dòng)脈硬化及老年癡呆大有裨益[10],同時(shí)對(duì)耐鹽堿性土地和病蟲害表現(xiàn)出良好的耐受性和抗性[11],這為山葡萄開展引種栽培和雜交育種創(chuàng)造了先決條件[12]。新疆地處歐亞大陸,為典型干旱大陸型氣候,夏季干旱少雨,晝夜溫差大,有利于葡萄糖分積累且病蟲害發(fā)生機(jī)率較低[13]。但部分釀酒葡萄種植在戈壁荒灘,葡萄園土壤保水、保肥、保溫能力不足,此外,南疆地區(qū)受水資源匱缺的影響,葡萄生育期極易遭受高溫干旱影響[14],越冬危險(xiǎn)性較大,生產(chǎn)成本較高,為此引進(jìn)并篩選抗旱且適應(yīng)性強(qiáng)的山葡萄品種,即可以增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收益,又可以改善新疆生態(tài)環(huán)境[15]。前人雖研究在干旱脅迫對(duì)山葡萄光合及光系統(tǒng)Ⅱ活性的影響,然而選取的山葡萄品種數(shù)量較少,且未對(duì)山葡萄品種的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[16]。基于此,新疆林業(yè)科學(xué)院冰葡萄新品種引進(jìn)及選育課題組按照引種、馴化、栽培、選育的思路,自2019年陸續(xù)從東北引進(jìn)的10余個(gè)山葡萄品種,以表現(xiàn)良好的6個(gè)山葡萄品種為試材,基于因子分析,通過對(duì)光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和干物質(zhì)積累量指標(biāo)的測(cè)定,綜合評(píng)價(jià)各山葡萄品種對(duì)光照的利用能力和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)狀況,篩選干旱環(huán)境下適應(yīng)性最佳的山葡萄品種,以期為品種推廣示范提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)的新疆林業(yè)科學(xué)院佳木良種試驗(yàn)站(地理坐標(biāo): E80°32′,N41°15′),海拔1 103.8 m。基地總面積76.7 hm2,地勢(shì)北高南低,西高東低,地下水埋深2.8～3.3 m；屬暖溫帶干旱氣候,晝夜溫差大；春季較短,多大風(fēng)降溫天氣,時(shí)常有倒春寒現(xiàn)象發(fā)生,夏季炎熱而干燥,蒸發(fā)量大; 降水量稀少,四季分配不均,降水量年際變化大,年均降水量不足100 mm; 年均氣溫 10.1 ℃,極端低溫-27.4 ℃,年均日照時(shí)數(shù)2 747.7 h,≥10 ℃ 積溫2 916.8～3 198.6 ℃ ,無霜期205～219 d。試驗(yàn)站的土壤砂粒含量為81.32%(0.02～2.00 mm),粉粒含量為5.76%(0.002～0.02 mm),粘粒含量為12.92%(<0.002 mm),屬于砂壤土。

1.2 試驗(yàn)材料

以2019年10月從吉林省吉林市左家鎮(zhèn)引進(jìn)的2 a生‘北冰紅’‘左優(yōu)紅’‘雙紅’‘雪蘭紅’‘雙豐’和‘北國紅’為試材,2019年經(jīng)埋土越冬,于2020年3月定植。株行距1 m×3.5 m,行向呈南北帶狀分布,單臂籬架,正常土肥水管理。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光合參數(shù)測(cè)定 選擇晴朗無風(fēng)的天氣,使用Li-6400便攜式光合儀,測(cè)試時(shí)間選擇北京時(shí)間11:00-13:00,每個(gè)品種選擇3株,以當(dāng)年生新梢東南向充分伸展且葉面積大小基本一致的完整功能葉為測(cè)量樣本,每個(gè)葉片重復(fù)測(cè)定3次計(jì)數(shù),取平均值作為光合參數(shù)值,測(cè)定各品種葡萄的凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1),胞間CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs，mol·m-2·s-1)，并計(jì)算水分利用效率WUE=Pn/Tr[17]。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 參照高貴賓等[18]的方法,以測(cè)定光合參數(shù)的山葡萄葉片為樣本,選在北京時(shí)間9：00-11：00,使用PAM-2500葉綠素?zé)晒鈨x,測(cè)量實(shí)時(shí)熒光值(Ft)、光下最小熒光值(F0’)和光下最大熒光值(Fm’)；在暗環(huán)境對(duì)葉片適應(yīng)30 min,采用測(cè)量光(小于0.05 μmol·m-2·s-1)合飽和脈沖光(8 000 μmol·m-2·s-1)照射葉片,測(cè)得初始熒光值(F0)和最大熒光值(Fm),并計(jì)算出：

最大光化學(xué)效率=Fv/Fm=[(Fm-F0)/Fm]

(1)

PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率=[Y(Ⅱ)]=(Fm’-Ft)/Fm’

(2)

光化學(xué)猝滅系數(shù)qP=(Fm’-Ft)/(Fm’-F0’),qL=qP×F0’/Ft

(3)

非光化學(xué)猝滅系數(shù)qN=1-(Fm’-F0’)/(Fm-F0),NPQ=Fm/Fm’-1

(4)

非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量[Y(NO)]=1/[NPQ+1+qL×(Fm/F0-1)]

(5)

相對(duì)電子傳遞速率(ETR)=PAR×0.84×0.5×Y(Ⅱ)

(6)

1.3.3 干物質(zhì)積累量測(cè)定 每個(gè)品種選擇樹勢(shì)一致,基徑粗度基本相同的3株固定調(diào)查株,用標(biāo)簽做好記號(hào),入冬埋土前,剪取當(dāng)年生新梢枝條,切成若干段,放入120 ℃烘箱殺青25 min,于85 ℃烘箱烘至恒定質(zhì)量,用千分之一天平稱取干物質(zhì)積累量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用隸屬函數(shù)法統(tǒng)一數(shù)量綱,按照指標(biāo)屬性與評(píng)價(jià)結(jié)果需要區(qū)分正相關(guān)和負(fù)相關(guān),正相關(guān)計(jì)算公式如下式(7),負(fù)相關(guān)計(jì)算公式如下式(8)。

Uin=(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(7)

U’in=1-(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(8)

式(7)和(8)中,Uin、U'in分別為第n個(gè)樣本第i個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化后的隸屬函數(shù)值,Xin指第n個(gè)樣本第i個(gè)指標(biāo)的原始測(cè)定值,Ximax和Ximin分別指樣本組中第i個(gè)指標(biāo)的最大值與最小值。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)基于進(jìn)行因子分析,提取出對(duì)光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和干物質(zhì)積累量有顯著影響的公因子,得出各公因子的分值Fjn,綜合各分值Dn,以相應(yīng)公因子的貢獻(xiàn)率Ej為權(quán)重,根據(jù)下式(9)計(jì)算。

(9)

式(9)中,Dn表示以因子分析法得到的各樣品光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和干物質(zhì)積累量的綜合分值,Fjn表示第n個(gè)樣品第j個(gè)特征值>1的主成分的分值,m為特征值>1的主成分的個(gè)數(shù),Ej為第j個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同山葡萄品種生長適應(yīng)性指標(biāo)比較

12項(xiàng)生長適應(yīng)性指標(biāo)比較結(jié)果見表1。光合參數(shù)方面,‘北冰紅’的Pn最高,‘雙豐’Pn最低,說明前者光合效率較高,而后者光合有機(jī)物積累速率較低；‘雙豐’和‘北國紅’的Tr較低,說明這2個(gè)品種干旱環(huán)境中水分散失較少。‘雪蘭紅’的Ci和Gs值均最大,推測(cè)與該品種葉肉細(xì)胞的光合活性較低有關(guān)[20]；各品種WUE均值由高到低排序依次是：‘北冰紅’>‘北國紅’>‘左優(yōu)紅’>‘雙豐’>‘雙紅’>‘雪蘭紅’。葉綠素?zé)晒鈪?shù)方面,‘北冰紅’‘左優(yōu)紅’和‘雪蘭紅’的Fv/Fm、Y(Ⅱ)、qP和ETR相對(duì)較高,‘雙豐’相對(duì)較低,證明‘北冰紅’等光反應(yīng)階段效率較高,‘雙豐’則反之；‘左優(yōu)紅’‘雪蘭紅’和‘雙紅’qN和Y(NO)較大,‘雙豐’較小,證明‘雙豐’葉肉細(xì)胞光保護(hù)和預(yù)防強(qiáng)光損傷能力較強(qiáng)[21]。植物干物質(zhì)90%來自光合作用[22]，6個(gè)山葡萄干物質(zhì)積累量均值由高到低依次是：‘北冰紅’>‘左優(yōu)紅’>‘雪蘭紅’>‘雙紅’>‘北國紅’>‘雙豐’。‘北冰紅’相較于其他5個(gè)品種分別高出 18.70%、21.18%、33.23%、47.72%和68.51%,干物質(zhì)積累量明顯優(yōu)于其他5個(gè)品種。

表1 不同山葡萄品種生長適應(yīng)性指標(biāo)比較

從變異程度分析，6個(gè)山葡萄品種的12項(xiàng)指標(biāo)均存在不同程度的變異現(xiàn)象。其中，干物質(zhì)積累量、Pn、Tr和ETR變異程度較高，超過30%；Ci、Fv/Fm和qN變異程度較小，低于10%。

2.2 不同山葡萄品種光合及熒光參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、灰色關(guān)聯(lián)度分析及聚類分析

2.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 由于光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的單位不統(tǒng)一,不便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用隸屬函數(shù)法對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表2)。根據(jù)新疆干旱區(qū)山葡萄選育要求,Tr、Ci、qN和Y(NO)4項(xiàng)指標(biāo)越小越好,采用公式(8)計(jì)算；其他8項(xiàng)指標(biāo)越大越好,采用公式(7)計(jì)算。

表2 山葡萄12項(xiàng)適應(yīng)性指標(biāo)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值

標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析(表略),從12項(xiàng)指標(biāo)中提取出3個(gè)主成分,得到平方載荷矩陣及旋轉(zhuǎn)平方載荷矩陣。特征根為取出的有用信息占原始數(shù)據(jù)信息的比重,該值越大影響程度越大,主成分f1、f2和f3的方差貢獻(xiàn)率分別為 48.239%、30.817%和12.681%。且3個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征根均>1,滿足分析要求。

如表3,主成分f1中,載荷值較高且符號(hào)為正的有：干物質(zhì)積累量、Pn、Gs、Fv/Fm、和qP,載荷值分別為0.965、0.832、0.911、0.959和 0.702,載荷值較高且符號(hào)為負(fù)的有：Tr、qN和Y(NO),載荷值分別為-0.874、-0.818和-0.539。

表3 旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷矩陣

主成分f2,載荷值較高且符號(hào)為正的有：Ci、WUE和Y(Ⅱ),載荷值分別為0.883、0.954和0.881。

主成分f3,載荷值較高符號(hào)為正的為ETR,載荷值為0.932。

2.2.2 不同山葡萄的綜合評(píng)價(jià)及得分情況 用調(diào)查指標(biāo)的載荷值除以各主成分相對(duì)應(yīng)的特征根后開平方根,即可得出3個(gè)主成分中各指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù),將該系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果相乘,即能得出各主成分的函數(shù)表達(dá)式(式中BZ意為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù))：

f1=0.4083BZ1+0.3790BZ2-0.3886BZ3+0.2107BZ4+0.3967BZ5-0.1639BZ6+ 0.4070BZ7+0.1629BZ8+0.3483BZ9-0.3759BZ10-0.3050BZ11+0.2252BZ12

f2=0.1696BZ1+0.3318BZ2+0.3518BZ3+0.4886BZ4-0.3242BZ5+0.5080BZ6+ 0.2751BZ7+0.4882BZ8+0.2819BZ9+ 0.3643BZ10+0.3793BZ11-0.1381BZ12

f3=0.2593BZ1-0.1503BZ2+0.1430BZ3-0.4486BZ4+0.2119BZ5+0.1664BZ6+ 0.0578BZ7+0.4457BZ8+0.2406BZ9-0.2970BZ10+0.6539BZ11+0.7825BZ12

上述表達(dá)式中,BZ1為干物質(zhì)積累量,BZ2為Pn,BZ3為Tr,BZ4為Ci,BZ5為Gs,BZ6為WUE,BZ7為Fv/Fm,BZ8為Y(Ⅱ),BZ9為qP,BZ10為qN,BZ11為Y(NO),BZ12為ETR。

將各主成分特征值除以3個(gè)特征值之和,作為相應(yīng)主成分的權(quán)重,并計(jì)算得出綜合函數(shù)表達(dá)式：fz=f1A1+f2A2+f3A3,式中,A1=λ1/(λ1+λ2+λ3),A2=λ2/(λ1+λ2+λ3),A3=λ3/(λ1+λ2+λ3),其中λ1、λ2和λ3分別為3個(gè)主成分的特征值。

山葡萄各品種綜合得分排序由高到低依次是：‘北冰紅’‘左優(yōu)紅’‘雪蘭紅’‘北國紅’‘雙紅’和‘雙豐’。

由表4可見：對(duì)公因子f1排序,‘北冰紅’排名第一,該品種長勢(shì)強(qiáng)勁,干物質(zhì)積累量、Pn、Gs、Y(Ⅱ)和qP較高,且絕大部分指標(biāo)均達(dá)最大值,同時(shí)Tr較高,說明該品種在陽光充裕且水肥供應(yīng)充足的環(huán)境下,光合效率最高,對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)效果最佳。‘雪蘭紅’‘左優(yōu)紅’‘雙紅’‘北國紅’和‘雙豐’排名依次靠后。

表4 山葡萄品種各主成分得分、綜合得分及排序

對(duì)公因子f2排序,‘北國紅’排名第一,主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為保證較低Ci的同時(shí)WUE較高,同時(shí)qN和Y(NO)較低,這表明該品種對(duì)強(qiáng)光和弱光環(huán)境均有較好的適應(yīng)能力。

對(duì)公因子f3排序,‘雪蘭紅’排名第一,說明在暗反應(yīng)時(shí),相較于其他品種,該品種葉片可為光合碳同化積累更多所需能量。

3 結(jié)論與討論

在采用隸屬函數(shù)法統(tǒng)一單位數(shù)量綱的基礎(chǔ)上,對(duì)影響山葡萄生長適應(yīng)性好壞的12項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,采用因子分析法提取出3個(gè)幾乎代表原始數(shù)據(jù)全部信息公因子,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá) 91.737%,公因子之間相互獨(dú)立,避免了不確定性。其中‘北冰紅’的干物質(zhì)積累量最高,田間生長勢(shì)最強(qiáng),Pn、WUE和Fv/Fm最高,是適合南疆地區(qū)推廣發(fā)展的山葡萄品種。

植物干物質(zhì)積累量90%來源于光合作用[23],主要通過光合和熒光指標(biāo)反映[24]。本試驗(yàn)干物質(zhì)積累量、Pn和WUE呈正相關(guān),與Tr呈負(fù)相關(guān),即Pn越高,Tr越低,WUE越高；Tr越高,干物質(zhì)積累量越小。該結(jié)論同牛瑩瑩等[25]關(guān)于庫爾勒香梨Pn、Tr和WUE關(guān)系的研究結(jié)論一致。葉綠素?zé)晒鈪?shù)與光合作用關(guān)系極為密切,Fv/Fm是評(píng)價(jià)植被光合性能的重要參數(shù)[26]。種培芳等[27]發(fā)現(xiàn),植被健康葉片F(xiàn)v/Fm值為0.8～0.9，受脅迫時(shí)為0.3～0.7。本試驗(yàn)6個(gè)山葡萄品種Fv/Fm值為0.75～0.82,說明6個(gè)供試品種生長良好。qP越大,說明PSⅡ電子活性越強(qiáng),ETR越大,暗反應(yīng)條件下有機(jī)物的積累程度越高[28],而qN和Y(NO)多作為防御光抑制對(duì)光合結(jié)構(gòu)破壞的指標(biāo)[29]。試驗(yàn)結(jié)果表明,‘北冰紅’的Fv/Fm和Y(Ⅱ)較高但qN和Y(NO)較低,說明該品種葉片具備較強(qiáng)的PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率,PSⅡ反應(yīng)中心潛在活性較高,能有效將植物所需的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,供應(yīng)樹體生長。而‘雙紅’Fv/Fm和Y(Ⅱ)較低,但qN和Y(NO)較高,可能與該品種PSⅡ反應(yīng)中心的可逆性失活,阻礙其高效利用光能有關(guān)[27,29],田間表現(xiàn)為對(duì)干旱環(huán)境極為敏感,生長勢(shì)較弱。

干物質(zhì)積累量是引進(jìn)品種對(duì)新環(huán)境適應(yīng)好壞的直觀反映,也是干旱環(huán)境篩選優(yōu)良山葡萄品種的重要參數(shù)[30-31],通過對(duì)不同山葡萄品種的干物質(zhì)積累量、Fv/Fm、WUE、Pn和Tr進(jìn)行K-均值聚類分析時(shí)發(fā)現(xiàn),‘北國紅’和‘雙豐’相較于其他品種,屬于低Pn、低Tr、低Fv/Fm，高WUE的品種,這類品種光合同化物生產(chǎn)能力較弱,干物質(zhì)積累量低,雖能應(yīng)對(duì)干旱惡劣的環(huán)境,但容易在光照充裕的地區(qū)發(fā)生光抑制現(xiàn)象,該結(jié)論與馮會(huì)麗等[32]在研究不同紅棗優(yōu)系熒光特征差異的結(jié)論一致；‘北冰紅’和‘左優(yōu)紅’屬高Pn、高Fv/Fm和高WUE的品種,生產(chǎn)上只要加強(qiáng)肥水投入,即可發(fā)揮這2個(gè)品種Pn較高的優(yōu)勢(shì),干物質(zhì)積累量大,最具推廣價(jià)值；‘雪蘭紅’和‘雙紅’屬于高Fv/Fm，高Tr和Pn、WUE較低的品種,生產(chǎn)上宜在發(fā)揮Fv/Fm較高的特點(diǎn),結(jié)合樹勢(shì)整形修剪,以提高Pn。