干旱脅迫條件下朱槿葉綠素熒光特性

徐傳保 鄭偉兵 戴慶敏 趙承森

摘要 以朱槿為試驗材料，研究了干旱脅迫及復水對朱槿葉片葉綠素熒光參數的影響。結果表明：朱槿在經受25 d自然干旱脅迫后，除Fv/Fm值顯著降低外，Y（Ⅱ）、qP、NPQ、ETR等值均有所上升。復水1 d后，Fv/Fm值有止降回升的趨勢，Y（Ⅱ）、qP、NPQ、ETR等參數則恢復到對照水平。利用直角雙曲線修正模型擬合的快速光曲線結果表明，中度干旱脅迫提高了朱槿光化學反應的啟動能力，在弱光條件下具有最高的光能利用效率。當光強超過190 μmol/（m2·s）時，CK和復水1 d的適應能力更強，具有最大適應光強變化的能力和光合活性。研究綜合認為，朱槿在干旱脅迫下具有良好的自身調節能力，具有較強的光合系統損傷修復能力，表現出極強的抗干旱脅迫能力，可在較干旱地區栽培應用。

關鍵詞 朱槿；自然干旱脅迫；復水；葉綠素熒光特性；快速光曲線

中圖分類號 Q945.78? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）06-0110-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.024

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Chlorophyll Fluorescence Characteristics of Hibiscus rosa-sinensis Under Drought Stress

XU Chuan-bao1，ZHENG Wei-bing2，DAI Qing-min1 et al

（1.College of Ecology，Lishui University，Lishui，Zhejiang 323000; 2.Natural Resources and Planning Bureau of Songyang County，Songyang，Zhejiang 323400）

Abstract The article studied the effects of drought stress and rehydration on the chlorophyll fluorescence parameters of Hibiscus leaves.Results showed that Y（Ⅱ），qP，NPQ，ETR are increased of drought stress for 25 days，except for Fv/Fm decreased significantly.Fv/Fm showed tendency of stop falling and rebound，and parameters such as Y（Ⅱ），qP，NPQ，ETR returned to the CK level after one day of rehydration.The results of RLC by the modified rectangular hyperbolic model showed that moderate drought stress improves the initiation of the photochemical reaction of Hibiscus，and has the highest light energy utilization efficiency of low light conditions.When the light intensity exceeds 190 μmol/（m2·s），the adaptability for light energy utilization efficiency of CK and one day after rehydration is stronger，and it has the greatest adaptability and photosynthetic activity of light intensity changing.The research concluded that Hibiscus has better self-regulation ability under drought stress，has a good ability for repairing of photosynthetic system damaged.It exhibits stronger resistance to drought stress，and can be cultivated and applied in arid areas.

Key words Hibiscus rosa-sinensis;Natural drought stress;Rehydration;Chlorophyll fluorescence characteristics;RLC

干旱脅迫是影響植物生長發育和物種地理分布的主要非生物脅迫因素之一。干旱不僅影響植物生長，也影響其生態表現［1-2］。植物對水分缺失的生理反應是當前恢復生態學和植物生理學研究的重點。研究表明，植物生長過程嚴重缺水會導致植物光合器官損傷，從而抑制光合作用進程，對植物光合作用具有重要影響［3］。葉綠素熒光特性指標測定是探測和分析植物光合功能指標的重要方法和主要途徑，研究干旱脅迫條件下光合參數的變化，有利于在微觀層面了解植物光合系統的光能吸收、轉換和利用效率，有助于進一步探明缺水逆境對植物光系統功能的傷害機理。葉綠素熒光參數測定具有便捷、靈敏、快速、無損傷的特點，對于研究植物生長階段的逆境脅迫條件下光合功能變化十分客觀和有效［4-7］。

朱槿（Hibiscus rosa-sinensis Linn.），常綠灌木，錦葵科木槿屬植物，又名佛桑、扶桑、狀元紅、大紅花等。朱槿原產于我國，因其花大色艷，全年花期，自古就是極受人們喜愛的園林觀賞植物［8］。朱槿不僅是我國著名的觀賞植物，也是世界名花。它是夏威夷、南寧、茂名、玉溪、高雄等多地的市花，也是馬來西亞、蘇丹、斐濟等國的國花［9］。朱槿還具有較高的藥用價值，其根、莖、葉、花均可入藥，具有解毒、利尿、調經等功效［10］。目前，關于朱槿的研究主要集中于花朵特性［11-12］、物質成分活性［13-14］、病蟲害［15-16］和生長繁育技術［17-19］等方面，對于干旱脅迫條件下葉綠素熒光特性的研究尚鮮見報道。筆者以朱槿為研究對象，研究自然干旱條件下葉綠素熒光參數及快速光曲線的變化，分析葉綠素熒光參數的變化規律，以期為全面探索朱瑾傷害—修復—補償機制、栽種管理及抗旱品種選育提供理論依據，為朱槿抗旱機理研究和優良種源篩選提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用植株長勢良好，株型一致的2年生朱槿為供試材料，盆栽土為珍珠巖∶泥炭土∶黃壤土=1∶2∶5的混合基質。

1.2 試驗方法

1.2.1 干旱脅迫處理。

朱槿干旱脅迫采用室內盆栽自然干旱法。干旱脅迫前充分澆水，使土壤含水量保持一致，然后停止澆水進行25 d的自然干旱脅迫處理后再進行復水。利用ZDR-20T土壤水分溫度記錄儀進行土壤濕溫度監測，每2 h 記錄1次。利用德國WALZ公司MINI-PAM-Ⅱ超便攜葉綠素熒光儀于1 d（CK）、5、15、25 d及復水1 d后8：30—11：30 進行葉綠素熒光參數及快速光曲線（RLC）測定。

1.2.2 葉綠素熒光參數測定。將

植株置于暗環境中20～30 min 進行暗處理。設置光化光強度為0、25、45、65、90、125、190、285、420、625、820、1 150、1 500 μmol/（m2·s），暗恢復時間20 s，飽和脈沖時間20 s。測定表觀光電子傳遞效率（ETR）、光合有效輻射強度（PAR）、原初光能轉換效率（Fv/Fm）、光化學淬滅系數（qP）、非光化學淬滅系數（NPQ）、實際量子產量（Y（Ⅱ））等葉綠素熒光參數。

1.2.3 快速光曲線測定與擬合。

測定快速光曲線，根據直角雙曲線修正方程擬合公式計算最大電子傳遞速率（Jmax）、飽和光強（PARsat）、半飽和光強（IK）、快速光曲線初始斜率（α）等光合參數［20］。

直角雙曲線修正模型擬合公式：J=α1-bI1+cII

式中：J為光合電子傳遞速率；α為快速光曲線初始斜率；b和c為系數。

飽和光強（PARsat）：PARsat=（b+c）/b-1c

半飽和光強（Ik）：Ik=Jmaxα

最大電子傳遞速率（Jmax）：Jmax=ab+c-bc2

1.3 數據處理與分析

采用DPSv 7.05統計軟件進行方差分析和多重比較，利用Excel進行數據整理及圖表制作。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫及復水對朱槿土壤溫濕度的影響

圖1為ZDR-20T土壤水分溫度記錄儀測定的土壤濕溫度變化情況。如圖1所示，試驗期間土壤溫度較穩定，土壤濕度則隨脅迫時間的延長而勻速下降，脅迫25 d時土壤濕度降至最低，較CK降低了87.19%。根據土壤濕度變化情況，可將干旱脅迫過程分為3個階段（輕度脅迫：1～5 d；中度脅迫：5～15 d；重度脅迫：15～25 d）。復水后土壤濕度恢復到初始水平。

2.2 干旱脅迫及復水對朱槿葉綠素熒光參數的影響

2.2.1 對葉片原初光能轉化效率的影響。

Fv/Fm表示PS Ⅱ 最大光化學量子產量，又稱為最大原初光化學量子效率，它反映了PS Ⅱ 反應中心內稟光能轉換效率即最大PS Ⅱ的光能轉換效率，表明植物對光能的利用能力。Fv/Fm值在非逆境脅迫條件下較穩定。如圖2所示，隨著時間的延長，干旱脅迫程度持續增加，Fv/Fm呈逐漸降低趨勢。與CK相比，脅迫5 d 時Fv/Fm下降幅度極小，15 d時下降了5.6%，25 d時Fv/Fm 值僅為0.748，下降了9.6%。復水1 d后，Fv/Fm下降趨勢有所減緩，有止降回升的跡象，但復水1 d內難以恢復到初始水平。這可能是由于干旱脅迫時間較長，而復水時間較短，光合系統損傷在較短時間內難以修復自愈。多重比較結果表明，脅迫處理5、15、25 d的Fv/Fm值達到顯著水平（P<0.05），脅迫25 d與復水1 d的Fv/Fm值無顯著差異（P>0.05）。

2.2.2 對朱槿葉片光化學淬滅系數和非光化學淬滅系數的影響。

qP為葉綠素熒光光化學淬滅系數，是反映植物光系統受損狀況的指標。qP值反映了PS Ⅱ原初電子受體QA的氧化還原狀態和PS Ⅱ開放中心的數目，qP值越高，PS Ⅱ的電子傳遞活性越高。干旱脅迫5 d和15 d的qP值無明顯變化，但當脅迫程度達到重度干旱水平時，qP值快速增加，脅迫25 d時qP值較脅迫15 d時增加了26%，復水1 d時又恢復到初始水平（圖3）。多重比較結果顯示，CK與脅迫5、15 d及復水1 d的qP值差異不顯著（P>0.05），與脅迫25 d差異顯著（P<0.05）。

NPQ表示葉綠素熒光非光化學淬滅系數，反映了植物將多余的光能轉化為熱量耗散掉的能力，這是植物的一種光保護能力。由圖3可知，輕度干旱脅迫時，朱槿NPQ值迅速降低，僅為CK的51.6%。隨著水分干旱脅迫時間的不斷延長，植株的干旱脅迫程度不斷增大，NPQ值迅速增加，脅迫25 d時的NPQ值比CK增加了17.5％。復水1 d時NPQ值上升趨勢明顯減緩，僅比脅迫25 d增加了4.3%，且二者間差異不顯著（P<0.05）。

2.2.3 對朱槿葉片PS Ⅱ實際量子產量和表觀光合電子傳遞效率的影響。

Y（Ⅱ）值用來判斷PS Ⅱ實際參與光化學反應的量子產量，反映光下葉片的實際光能轉換效率和PS Ⅱ反應中心部分關閉時的實際光能轉化效率。Y（Ⅱ）大小反映了PS Ⅱ反應中心的開放程度，是衡量植物光合電子傳遞速率快慢的指標，表示植物的光合機構將吸收的光能進行轉化的能力［21］，反映了植物的光合速率。由圖4可知，Y（Ⅱ）值在干旱脅迫期間有所增加，復水后則快速降低。干旱脅迫提高了朱槿PS Ⅱ的實際量子產量，增大了PS Ⅱ反應中心的開放水平，提高了朱槿葉片的實際光能轉化效率。多重比較結果表明，CK、5、15、25 d朱槿葉片的Y（Ⅱ）值差異不顯著（P>0.05）。

表觀電子傳遞效率（ETR）是非循環光合電子傳遞速率，反映了實際光照強度下表觀電子傳遞速率。由圖4可知，朱槿葉片ETR值變化趨勢與Y（Ⅱ）值一致。脅迫25 d時ETR值較CK有所增加，但未達到顯著差異水平（P>0.05）。LSD多重比較結果表明，CK朱槿葉片ETR值與干旱脅迫5、15 d及復水1 d的差異不顯著（P>0.05），處理25 d與CK、處理15 d 差異顯著（P<0.05）。

2.2.4 對朱槿葉片快速光曲線（RLC）的影響。

RLC表達植物光合作用活性及PS Ⅱ電子傳遞速率特點，直觀反映出植物對光強變化的響應能力。由表1和圖5可知，隨著干旱脅迫程度的增加，RLC初始斜率α呈現先增后降的變化趨勢，并在脅迫15 d時達到最大。這說明中度干旱脅迫提高了朱槿光系統光化學反應的啟動能力，增強了弱光條件下的光能利用效率。比較半飽和光強和最大電子傳遞速率，脅迫15 d時的IK值最低，僅83.67 μmol/（m2·s），說明脅迫15 d時的朱槿在弱光條件下具有最高的光能利用效率。但當光強超過190 μmol/（m2·s）時，CK和復水1 d的適應能力更強，較干旱脅迫條件下具有更大的適應光強變化能力和光合活性。

3 結論

嚴重干旱的栽種環境是影響植物光合作用的重要限制條件，不僅能直接造成植物體光合機構的損傷，同時也會影響光合電子傳遞。葉綠素熒光動力學測定方法作為評價植物光合作用的有效探針，可以靈敏、快速、準確地檢測出植物光合系統對干旱脅迫的響應。

自然干旱脅迫條件下，朱槿Fv/Fm表現出持續下降趨勢，說明干旱脅迫降低了朱槿葉片PS Ⅱ 原初光能轉化效率，造成了PS Ⅱ 潛在活性中心受損，減弱了光合作用的原初反應過程，抑制了光合電子由PS Ⅱ 反應中心向QA、QB及PQ庫的傳遞過程，復水后Fv/Fm下降趨勢明顯放緩，有止降恢復的跡象。因該試驗僅進行了復水1 d的參數測定，復水時間較短，尚難以判斷Fv/Fm恢復所需時間和恢復程度。

qP一定程度上反映PS Ⅱ反應中心的開放程度，而NPQ則反映光合機構的自我保護機制。該研究表明，自然干旱脅迫條件下朱槿葉片的qP增大，說明干旱脅迫提高了朱槿葉片PSⅡ反應中心的開放程度，提高了光合電子傳遞速率。這一變化在ETR和Y（Ⅱ）值也有所體現。

該研究結果表明，朱槿在自然干旱脅迫后進行復水，Y（Ⅱ）、qP、NPQ、ETR等葉綠素熒光參數均可恢復到對照水平，表明朱槿在較長時間干旱脅迫條件下并未發生不可逆的植物機能損傷，且在復水后光合指標能迅速恢復，具有較好的自身調節功能，具備較強的修復光合系統損傷的能力，表現了極強的抗旱能力，可以在較干旱地區栽培應用。這與黃旭光等［22］研究MDA、保護酶、滲透調節物質等指標的結論是相符合的。

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