吳建慧，郭瑤，崔艷桃

（東北林業(yè)大學園林學院，黑龍江哈爾濱150040）

水分脅迫對絹毛委陵菜葉綠體超微結構及光合生理因子的影響

吳建慧，郭瑤，崔艷桃

（東北林業(yè)大學園林學院，黑龍江哈爾濱150040）

以絹毛委陵菜（Potentillasericea）為材料，通過盆栽試驗進行水分脅迫處理并分析幼苗葉片超微結構與凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、水分利用率（WUE）的關系。結果表明，未脅迫的葉肉細胞結構完整。葉綠體基粒片層結構清晰，基粒數(shù)目多且排列整齊，基粒類囊體排列致密，類囊體片層疊垛整齊。葉綠體嗜鋨程度低，嗜鋨顆粒少，且體積?。浑S著自然失水脅迫程度的加強，葉綠體基粒和膜結構斷裂，片層排列紊亂，基粒垛疊程度下降；線粒體雙膜結構膨大或破裂，內(nèi)含物流出，嵴減少。光合作用與葉綠體的結構變化相關，隨著土壤逐步干旱和葉綠體受損程度的加重，Pn、Tr、WUE有所下降。表明在干旱脅迫下絹毛委陵菜通過改變?nèi)~綠體結構和光合生理因子來提高抗旱性。

絹毛委陵菜；水分脅迫；葉綠體；光合生理因子

絹毛委陵菜（Potentillasericea）是薔薇科委陵菜屬多年生草本植物，抗逆性較強，對溫度、水分、養(yǎng)分及光照等條件的適應范圍很寬，能適應北方寒冷、干旱的氣候環(huán)境，有良好的涵養(yǎng)水源、保持水土及護坡作用，耐陰性較強；并且具有花色艷麗、花期較長、株型低矮、綠色期長等特點，是一種良好的早春及初夏時節(jié)的觀花地被植物，可以豐富北方城市的園林綠化素材。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對周圍環(huán)境和綠化的關注度日益提高，城市及小區(qū)綠化率越來越高，耐陰性強的材料可廣泛用于小區(qū)、公園、綠地等景觀設計中樓宇旁、林下、樹蔭下等蔭蔽地［1］。目前對委陵菜屬植物的研究主要集中在資源開發(fā)利用、藥用和觀賞價值、引種馴化工作及花粉、葉表皮形態(tài)等方面［2-5］，生理方面特別是干旱脅迫的研究極少。本研究通過對水分脅迫后絹毛委陵菜葉片超微結構及光合作用的變化情況進行分析，進一步了解其對干旱環(huán)境的適應機理，以期為干旱地區(qū)的城市綠化提供更多的植物材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 研究對象為絹毛委陵菜一齡幼苗，于2010年6月從黑龍江省植物園移至東北林業(yè)大學苗圃中進行培育和繁殖。

1.2 試驗處理 2011年6月選取生長一致、發(fā)育正常的植株，用盆長35cm、寬20cm、高12cm的盆栽試驗對其進行自然失水脅迫，土壤為草炭土（土∶草炭=3∶1）。采用連續(xù)控水的方法，試驗前對植物進行正常的管理，給予充足的水分，確保植株生長良好。水分脅迫試驗設為對照組和處理組。對照組每天正常澆水，使土壤含水量始終保持在35%～40%；處理組連續(xù)停水21d，每3d進行一次取樣，測定土壤含水量和光合生理因子；葉綠體超微結構觀察從處理組脅迫的第6天（土壤含水量為25%～27%：輕度干旱脅迫）、第9天（土壤含水量為15%～17%：中度干旱脅迫）和第18天（土壤含水量為5%～7%：重度干旱脅迫）取樣，取樣均重復3次。

1.3 試驗方法

1.3.1 葉片超顯微結構樣品的制備 取對照組和處理組相同部位的葉片，切取葉片中脈附近部位，取材大小為1mm×1mm的方塊，在3%戊二醛中固定24h以上，磷酸緩沖液漂洗3次，每次15～20min，再用1%鋨酸在4℃溫度下固定4h，去離子水漂洗3次，每次20min；再用乙醇脫水后在丙酮中過渡，之后用環(huán)氧樹脂812進行滲透與包埋。LKB-5型超薄切片機切片；醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛雙染；采用H7650型透射電鏡觀察并照相。

1.3.2 土壤含水量的測定 分別取對照組和處理組各脅迫梯度的原狀土樣進行測定。取盆內(nèi)0～5cm土層的土樣10g左右，采用烘干法測定，置于105℃下連續(xù)烘干8h，再置于80℃烘24h，按如下公式計算土壤含水量：

1.3.3 光合作用相關生理因子的測定 采用美國LI-Cor公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合儀測定光合數(shù)據(jù)，測量均在09：00-11：00，天氣晴朗無風條件下完成。測定時選取生長良好、大小相近的葉片以自然光為光源進行測定，對照組和處理組各選取4片葉子測定，并做好標記，每片葉子每次測量重復記錄5組數(shù)據(jù)，計算平均值。測定指標包括葉片凈光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、蒸騰速率（Tr，mmol·m-2·s-1）、氣孔導度（Gs，mol·m-2·s-1）、胞間CO2濃度（Ci，μmol·mol-1）和水分利用率（WUE）。

1.4 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行計算和繪制圖表，用SAS 17.0軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量在水分脅迫下的變化 隨著脅迫天數(shù)的增加，處理組土壤含水量呈逐漸下降的趨勢。脅迫開始的幾天土壤失水較快，從第9天開始，下降的趨勢有所減緩，直到脅迫結束，水分幾乎完全喪失。對照組土壤含水量始終保持在正常范圍內(nèi)（圖1）。

2.2 葉綠體超微結構在水分脅迫下的變化正常狀態(tài)下絹毛委陵菜葉肉細胞細胞質(zhì)內(nèi)細胞器完整，葉綠體呈橢圓形，結構規(guī)則，緊貼細胞壁，膜與壁結合緊密?；Ｆ瑢雍突|(zhì)片層清晰可見，排列緊密且有序，基質(zhì)濃厚，貯藏有淀粉粒，葉綠體嗜鋨程度低，嗜鋨顆粒少，且體積?。▓D2-Ⅰ）。脅迫第6天（土壤含水量為25%～27%）時，細胞壁稍厚，葉綠體的類囊體片層膨脹，片層扭曲不明顯，有局部膜和片層結構變模糊，葉綠體體積增大，部分移向細胞中央，絕大多數(shù)仍靠細胞壁，但與細胞壁的相鄰面積有所減少，葉綠體中嗜鋨顆粒?。▓D2-Ⅱ）。脅迫第9天（土壤含水量為15%～17%）時，葉片細胞出現(xiàn)質(zhì)壁分離，內(nèi)膜清楚，外膜模糊，細胞壁厚度增加；葉綠體嗜鋨程度增高，嗜鋨顆粒增多，體積增大；基粒片層膨脹、溶解或空泡化、破裂、基粒垛疊程度下降（圖2-Ⅲ）。脅迫第18天（土壤含水量為5%～7%）時，葉綠體的被膜破裂甚至完全解體，內(nèi)含物外流，僅剩排列紊亂的片層結構；類囊體膜互相粘連，基粒類囊體部分沒有，部分小且模糊，基質(zhì)片層大部分溶解，嗜鋨顆粒膨大，葉綠體細胞甚至解體（圖2-Ⅳ）。

圖1 不同水分條件下土壤含水量的變化Fig.1 Change on water content of soil under water stress

2.3 葉片凈光合速率、蒸騰速率在水分脅迫下的變化 對照組的光合速率一直保持在較高的水平，且數(shù)值上下波動不大；處理組隨著脅迫天數(shù)的增加和土壤含水量的下降Pn也呈逐漸下降的趨勢（圖3）。脅迫第3天，處理組Pn同對照組基本一致，從脅迫第6天開始處理組Pn始終明顯低于對照組，且一直呈下降趨勢，下降的幅度也大于對照組。在脅迫的第6-9天和第12-15天是下降最明顯的時間段，此時正是脅迫梯度由輕度向中度和重度過渡的時期。

隨著脅迫時間的延長，脅迫程度的加大，對照組Tr呈先下降再升高后又下降的走勢，但始終保持較高的水平，且變化范圍不大，變化趨勢同光合速率一致；處理組則呈明顯的下降趨勢，且處理組Tr均低于對照組。處理組在脅迫的第12-15天下降最明顯，之后都是緩慢的下降，脅迫第3、6、9、12、15天時Tr分別降至5.04、4.99、3.31、2.86、0.76 μmol·m-2·s-1（圖3）。

圖2 水分脅迫對葉片葉綠體超微結構的影響Fig.2 Effects of water stress on chloroplast in leaf

圖3 水分脅迫對葉片凈光合速率、蒸騰速率的影響Fig.3 Effects of water stress on net photosynthetic rate and transpiration rate of leaf

2.4 葉片氣孔導度、胞間CO2濃度在水分脅迫下的變化 水分脅迫剛開始的幾天處理組氣孔導度與對照組相差不大，隨著脅迫加劇，對照組一直保持較高的水平，從第9天開始（即土壤含水量為15.39%，達到中度脅迫）處理組氣孔導度的值開始明顯小于對照組，脅迫15d以后處理組氣孔導度變化范圍最小，而且在脅迫過程中總體上呈下降的趨勢（圖4）。

在土壤含水量達到12.41%（即脅迫的第12天以前），處理組胞間CO2濃度和對照組差別不大，從第9天開始處理組胞間CO2濃度要高于對照組，從第12天開始兩組的差異開始增大，處理組整體呈先下降后上升的趨勢（圖4）。

2.5 葉片水分利用率在水分脅迫下的變化處理組WUE呈下降趨勢，一直持續(xù)到脅迫結束（圖5）。WUE下降說明Pn下降的幅度要顯著大于Tr，水分脅迫會降低絹毛委陵菜葉片的Pn，缺水嚴重影響絹毛委陵菜正常的能量生產(chǎn)和傳遞。

圖4 水分脅迫對葉片氣孔導度、葉片胞間CO2濃度的影響

2.6 光合因子和土壤含水量的相關性分析土壤含水量與Pn、Tr、Ci、Gs和WUE幾個光合因子間均有一定的相關性。其中Pn、Tr、Gs和WUE均與土壤含水量呈極顯著正相關（P＜0.01），而同Ci呈極顯著負相關（表1）。說明除了Ci以外，其他各光合因子隨著水分脅迫程度的加重均受到顯著抑制，水分脅迫嚴重影響了絹毛委陵菜的光合作用，進而影響植物的正常生長。葉片Pn和Tr與Gs均呈極顯著正相關，說明在水分脅迫條件下，葉片蒸騰強弱與Gs同步變化，隨著氣孔閉合數(shù)量的增加植物的蒸騰作用相應的受到了抑制，光合速率也就隨之下降。

圖5 水分脅迫對葉片水分利用率的影響Fig.5 Effects of water stress on WUE of leaf

表1 光合指標及土壤含水量間相關性分析Table 1 Correlation analysis between photosynthetic Parameters and soil water content

3 討論

干旱是影響植物分布、觀賞性狀和生長發(fā)育的主要環(huán)境因子之一，其危害程度在諸多非生物脅迫中占首位。隨著全球氣候變化，干旱頻繁發(fā)生，水分短缺成為干旱地區(qū)限制植物生產(chǎn)力的主要因素［6］。葉片是植物體暴露在環(huán)境中面積最大的器官，在復雜的外界環(huán)境中反應最為敏感，最容易為適應環(huán)境而改變其形態(tài)和結構［7-9］。不同植物對干旱具有不同的適應對策，在葉片結構上，主要是向著降低蒸騰、增強儲水性和提高光合效率幾個方面發(fā)展［10］。葉綠體是植物細胞產(chǎn)生活性氧的一個重要細胞器，正常情況下其處于動態(tài)平衡狀態(tài)［11］，當葉綠體基粒片層和基質(zhì)片層受到外界環(huán)境脅迫而破壞解體甚至消失時，會抑制光合作用的正常進行。水分脅迫會導致葉綠體光合機構的破壞，引起光合CO2同化效率的降低，使葉片光合速率降低［12］。蒸騰作用和光合作用一樣，既受到外界因子的影響，也受植物體內(nèi)部結構和生理狀況的調(diào)節(jié)［13］，而水分利用效率是植物光合與蒸騰特性的綜合反映，它是用來說明植物消耗單位質(zhì)量的水分所固定的CO2的數(shù)量［14］。植物的光合性能可以通過光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、水分利用效率和胞間CO2濃度等衡量［15］。

本研究表明，當植株受到輕度水分脅迫時絹毛委陵菜的葉綠體體積增大，部分移向細胞中央，絕大多數(shù)仍靠細胞壁。此時葉綠體受影響程度不大，葉片氣孔導度出現(xiàn)了明顯的下降，凈光合速率、蒸騰速率和胞間CO2濃度也都有所下降，說明在輕度水分脅迫下是氣孔的關閉導致CO2進入葉片受阻，從而直接影響植物的光合作用。此時，氣孔限制是造成光合下降的主要原因。隨著脅迫天數(shù)的增加，當植株受到中度脅迫后委陵菜的葉綠體出現(xiàn)嗜鋨程度增高，嗜鋨顆粒增多，體積增大，葉綠體受到了較大程度的影響；達到重度脅迫后葉綠體的被膜破裂甚至完全解體，內(nèi)含物外流，基質(zhì)片層大部分溶解，嗜鋨顆粒膨大，葉綠體細胞甚至解體，細胞趨向于死亡，是不可逆的傷害。在中度和重度脅迫下葉綠體超微結構受到了較大程度的影響，尤其是在重度脅迫下葉綠體超微結構受到了不可恢復的破壞，葉片的氣孔導度、凈光合速率和蒸騰速率依然呈下降的趨勢，但胞間CO2濃度卻開始升高，說明此時光合作用的下降是由非氣孔因素造成的，而不再是由氣孔關閉引起的。氣孔限制并不是影響光合作用的唯一因素，水分脅迫抑制植物光合作用包括氣孔限制和非氣孔限制兩個方面，隨著水分脅迫程度的加劇，光合速率下降有一個從氣孔限制向葉肉細胞光合活性限制轉(zhuǎn)變的過程，也就是向非氣孔因素轉(zhuǎn)變的過程，表現(xiàn)為光合器官活性的下降［16］，即中度和重度脅迫下葉綠體超微結構的變化。

綜上所述，水分脅迫直接影響委陵菜的光合能力，隨著脅迫時間的延長和脅迫程度的加重，葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和水分利用率都逐漸下降，胞間CO2濃度逐漸升高，說明水分脅迫對光合因子有顯著的影響。表明在干旱脅迫下絹毛委陵菜通過改變?nèi)~綠體結構和光合生理因子來提高抗旱性。

［1］高鶴，宗俊勤，陳靜波，等.7種優(yōu)良觀賞草光合生理日變化及光響應特征研究［J］.草業(yè)學報，2010，19（4）：87-93.

［2］卞勇，呂冬霞，張玉泉等.扁蓄和叉葉委陵菜的草坪利用研究［J］.草業(yè)科學，2004，21（7）：66-68.

［3］張彥芬，吳學明.青藏高原東北部鵝絨委陵菜資源及開發(fā)利用前景的研究［J］.西北農(nóng)業(yè)學報，2006，15（3）：193-200.

［4］尤鳳麗，梁彥濤，曲麗娜，等.大慶地區(qū)委陵菜屬植物花粉形態(tài)研究［J］.中國農(nóng)學通報，2010，26（16）：337-340.

［5］田麗，周新宗，孫航，等.7種委陵菜屬植物葉表皮微形態(tài)的研究［J］.草業(yè)科學，2009，26（2）：53-56.

［6］Klich M G.Leaf variation inElaeagnusangustifoliarelated to environmental heterogeneity［J］.Environmental and Experimental Botany，2000，44：171-183.

［7］Castro-Diez P，Puyravaud J P，Cornelissen J H C.Leaf structure and anatomy as related to leaf mass per area variation in seedlings of a wide range of woody plant species and types［J］.Oecologia，2000，124：476-486.

［8］England J R，Attiwil P M.Changes in leaf morphology and anatomy with tree age and heigh in the species，EucalypturegnansF.Muell［J］.Trees Structure and Function，2006，20：79-90.

［9］Kocsis M，Darok J，Borhidi A.Comparative leaf anatomy and morphology of some neotropical Rondeletia（Rubiaceae）species［J］.Plant Systematics and Evolution，2004，248：205-218.

［10］鄭國琦，張磊，鄭國保，等.不同灌水量對干旱區(qū)枸杞葉片結構、光合生理參數(shù)和產(chǎn)量的影響［J］.應用生態(tài)學報，2010，21（11）：2806-2813.

［11］Asada K.The water cycle in chloroplasts：scavenging of active oxygen and dissipation of excess photons［J］.Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1999，50：601-639.

［12］鄭敏娜，李向林，萬里強，等.水分脅迫對6種禾草葉綠體、線粒體超微結構及光合作用的影響［J］.草地學報，2009，17（5）：643-649.

［13］高松，蘇培璽，嚴巧娣，等.C4荒漠植物豬毛菜與木本豬毛菜的葉片解剖結構及光合生理特征［J］.植物生態(tài)學報，2009，33（2）：347-354.

［14］廖行，王百田，武晶，等.不同水分條件下核桃蒸騰速率與光合速率的研究［J］.水土保持研究，2007，14（4）：30-34.

［15］楊秀芳，玉柱，徐妙云，等.2種不同類型的尖葉胡枝子光合-光響應特性研究［J］.草業(yè)科學，2009，26（7）：61-65.

［16］姚慶群，謝貴水.干旱脅迫下光合作用的氣孔與非氣孔限制［J］.熱帶農(nóng)業(yè)科學，2005（4）：80-85.

Effects of water stress on ultrastructure and photosynthetic physiological factors of Potentilla sericea

WU Jian-hui，GUO Yao，CUI Yan-tao
（The College of Landscape，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

The leaf ultrastructure ofPotentillasericeaunder water stress was investigated by transmission electron microscopy.The leaf photosynthetic rate（Pn），transpiration rate（Tr），stomata conductance（Gs），intercellular CO2concentration and water use efficiency（WUE）were measured by portable photosynthesis system（LI-6400）.The results showed that the leaf ultrastructure was complete under control. Grana lamellaes of chloroplasts were distinct.The number of granas was abundant and the structure was compact.The thylakoids were compact and the grana stacks of thylakoids were regular.The chloroplasts showed lowly osmiophilic.There were few and small osmiophilic grain in the chloroplasts.With the intensive of drought stress，the grana and envelope damaged，the lamella swelled or dissolved and the grana stacks of thylakoids were disorder.Mitochondrial doublemembranes swelled or rived and its inclusion effused.The net photosynthetic rate was closely related to the change in chloroplast structure.The Pn，Trand WUE of leaf decrease with the declining of soil water content and the damage of chloroplast.

Potentillasericea；water stress；chloroplast；photosynthetic physiological factors

WU Jian-hui E-mail：wujianhui20002002＠yahoo.com.cn

S688.4；Q945.11

A

1001-0629（2012）03-0434-06

2011-09-18 接受日期：2011-11-16

黑龍江省自然科學基金（41308602）

吳建慧（1966-），女，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，主要從事植物生理與分子生物學研究。E-mail：wujianhui20002002＠yahoo.com.cn