張燕紅 吳永波 劉璇 朱嘉馨

(江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心(南京林業(yè)大學(xué))，南京，210037)

高溫和干旱脅迫對(duì)楊樹幼苗光合性能和抗氧化酶系統(tǒng)的影響1)

張燕紅 吳永波 劉璇 朱嘉馨

(江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心(南京林業(yè)大學(xué))，南京，210037)

采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究了高溫、干旱單一或復(fù)合脅迫對(duì)南林895楊(PopulusבNanlin-895’)幼苗光合特性、葉綠素?zé)晒?、抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明：隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫、干旱單因子和復(fù)合脅迫使楊樹幼苗凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、最大熒光(Fm)、PSII最大原初光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)下降、初始熒光(Fo)升高，中度干旱脅迫使胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)、水分利用效率(WUE)先降后升，超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)活性先升后降，Pn主要受氣孔和非氣孔因素共同限制；重度高溫、重度干旱和復(fù)合脅迫末期SOD、POD活性下降顯著，Pn主要受非氣孔因素限制。復(fù)合脅迫對(duì)Pn、Tr具有疊加效應(yīng)。復(fù)合脅迫對(duì)Pn、Gs、Ci、Tr、Fv/Fm、SOD的脅迫效應(yīng)大于單一脅迫；楊樹幼苗在高溫和干旱復(fù)合脅迫條件下受害最嚴(yán)重。

南林895楊；高溫脅迫；干旱脅迫；光合特性；抗氧化酶；葉綠素?zé)晒?/p>

植物的光合作用對(duì)環(huán)境變化非常敏感。在高溫或干旱脅迫下植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量有害自由基，超氧化物歧化酶和過(guò)氧化物酶等抗氧化酶會(huì)通過(guò)提高自身活性來(lái)清除體內(nèi)自由基以維持植物機(jī)體平衡[1]。當(dāng)自由基積累過(guò)量時(shí)則表現(xiàn)出酶活性降低、光合速率下降的現(xiàn)象[2]。葉綠素?zé)晒馐枪夂献饔醚芯康奶结?，在植物逆境脅迫方面得到了廣泛地應(yīng)用[3]。植物在受到逆境脅迫時(shí)，主要表現(xiàn)為PII反應(yīng)中心活性下降。高溫、干旱單因子脅迫已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)，主要集中在葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合特性、水分利用效率等方面[4-5]。關(guān)于高溫和干旱復(fù)合脅迫對(duì)植物的影響方面的研究較少，且大多集中于農(nóng)作物籽粒和草本植物葉肉細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)等[6]，對(duì)木本植物生理生化性能特別是光合性能、抗氧化酶系統(tǒng)影響的研究鮮有報(bào)道[7-8]。植物在復(fù)合脅迫下，各生化性能的變化機(jī)制非常復(fù)雜，并不能簡(jiǎn)單地通過(guò)單一脅迫的結(jié)果疊加或抵消獲得[9]。筆者研究了高溫與干旱復(fù)合脅迫對(duì)楊樹幼苗葉片光合性能、抗氧化酶系統(tǒng)的影響，揭示楊樹幼苗對(duì)高溫與干旱復(fù)合脅迫的抗性機(jī)理和響應(yīng)機(jī)制，為探討高溫和干旱氣候條件下，楊樹應(yīng)對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

控制試驗(yàn)在FYS-8智能人工氣候室進(jìn)行(3.5 m×2.5 m×3.0 m，高壓鈉燈光源，最大光合有效輻射為1 800 μmol·m-2·s-1，最大光照度為80 000 lx，空氣相對(duì)濕度為60%)，供試土壤為黃棕壤，pH=5.96，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.14 g·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.83 g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.79 mg·kg-1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34 g·kg-1，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.34 mg·kg-1。楊樹品種為南林895楊(PopulusבNanlin-895’)，穗長(zhǎng)20～23 cm，徑粗2.0 cm。花盆內(nèi)徑30.0 cm，高20.7 cm。于2015年6月開始盆栽試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將長(zhǎng)勢(shì)良好且基本一致的楊樹幼苗放入3個(gè)不同溫度的人工氣候室內(nèi)，夜間溫度均為25 ℃，白天溫度分別為25 ℃(適宜溫度T0)、35 ℃(中度高溫T1)、40 ℃(重度高溫T2)。分別設(shè)置3個(gè)水分梯度，土壤含水率分別為田間持水量的70%(適宜水分D0)、55%(中度干旱D1)、40%(重度干旱D2)。即：T0D0(對(duì)照)、T0D1、T0D2、T1D0、T1D1、T1D2、T2D0、T2D1、T2D2共9個(gè)處理。每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，共36盆。每日06:00，采用稱質(zhì)量與TDR200土壤水分測(cè)定儀相結(jié)合的方法對(duì)每盆植物進(jìn)行稱質(zhì)量補(bǔ)充水分，確保土壤含水率在控制處理下。同時(shí)模擬自然光照，調(diào)節(jié)光照量，于每日06:00打開光照、18:00關(guān)閉光照。脅迫試驗(yàn)維持7周，于第4周開始每周選取一天測(cè)定各項(xiàng)生理生化指標(biāo)。

1.3 光合參數(shù)和熒光參數(shù)測(cè)定

于測(cè)定日10:00用Li-6400XT便攜式光合儀連體測(cè)定。每個(gè)處理隨機(jī)選取3株，在每株苗木中上部標(biāo)記3片健康葉片作為待測(cè)葉片。測(cè)定指標(biāo)包括凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs，mol·m-2·s-1)和胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci，μmol·mol-1)。水分利用效率采用光合速率和蒸騰速率的比值計(jì)算。光合參數(shù)測(cè)定結(jié)束后，采用OS5-FL調(diào)制解調(diào)熒光儀(美國(guó)Opti-Science)測(cè)定。隨機(jī)抽取3株幼苗，選擇不同部位3片葉片，用葉夾暗適應(yīng)且關(guān)閉氣候室燈光，20 min后，測(cè)量初始熒光Fo、最大熒光Fm，以及PSII最大潛在光化學(xué)效率Fv/Fm。

1.4 抗氧化酶活性測(cè)定

取鮮葉0.2 g于預(yù)冷研缽中，加入2 mL預(yù)冷的50 mmol·L-1、pH=7.8的磷酸緩沖液在冰浴中研磨成勻漿，加入提取介質(zhì)沖洗研缽2～3次，使終體積為10 mL。于4 ℃下10 000g離心15 min，上清液即為酶提取液，在冰浴中保存?zhèn)溆?。酶提取液用于超氧化物歧化?SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)的測(cè)定。SOD活性采用氮藍(lán)四唑光還原法[10]，POD活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法[11]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用多重比較最小顯著差法(LSD)和SNK法進(jìn)行檢驗(yàn)，用Microsoft office軟件制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)楊樹幼苗光合性能指標(biāo)的影響

2.1.1對(duì)葉片凈光合速率(Pn)的影響

從表1可見，各處理下，Pn總體上呈下降趨勢(shì)，除T1D0處理外，各時(shí)期均與對(duì)照差異顯著(Plt;0.05)。高溫或干旱單因子脅迫的各時(shí)期內(nèi)，T1D0處理的Pn均大于T2D0處理，T0D1處理大于T0D2。單因子脅迫末期Pn在T1D0、T2D0、T0D1、T0D2處理下與對(duì)照相比分別下降了27.5%、52.5%、34.4%、50.2%，表現(xiàn)出重度高溫脅迫對(duì)Pn的影響大于干旱脅迫。復(fù)合脅迫末期，Pn與單一脅迫相比下降顯著，T1D1、T1D2、T2D1、T2D2處理與對(duì)照相比分別下降了52.1%、60%、67.3%、76.7%。高溫和干旱雙重逆境對(duì)Pn脅迫效應(yīng)由大到小為T2D1、T2D2、T1D2、T2D0、T0D2、T1D1、T0D1、T1D0(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，高溫、干旱以及復(fù)合脅迫極顯著影響Pn(表3)。

2.1.2對(duì)葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響

從表1可見，高溫、干旱單因子脅迫下，Gs變化規(guī)律與Pn相同，T0D2、T2D0處理在各時(shí)期顯著低于對(duì)照，并隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)差異增大。單因子脅迫下，Gs在各個(gè)時(shí)期內(nèi)表現(xiàn)為T1D0處理大于T2D0，T0D1處理大于T0D2，T1D0、T2D0、T0D1、T0D2脅迫末期分別較對(duì)照下降28.5%、68.8%、37.2%、53.7%。由此可見，重度高溫脅迫對(duì)Gs的影響大于干旱脅迫，單因子中度脅迫的影響低于重度脅迫。復(fù)合脅迫下，Gs呈先快速下降后緩慢上升的趨勢(shì)，除第7周T2D1處理外，各時(shí)期均小于單一脅迫，T1D1、T2D1、T2D2處理最小值均出現(xiàn)在第6周，分別較對(duì)照降低41.2%、83.3%、70.7%。高溫和干旱雙重逆境對(duì)Gs脅迫效應(yīng)由大到小依次為T2D1、T2D2、T1D2、T2D0、T1D1、T0D2、T0D1、T1D0(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，高溫、干旱以及復(fù)合脅迫極顯著影響Gs(表3)。

2.1.3對(duì)葉片胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)的影響

從表1可見，單因子脅迫T1D0、T0D1處理下Ci呈先下降后上升的趨勢(shì)，分別在脅迫第5、第6周時(shí)達(dá)到最小值，T2D0、T0D2處理下Ci呈上升趨勢(shì)，處理間差異顯著。脅迫末期T1D0、T2D0、T0D1、T0D2分別較對(duì)照上升16.4%、31.6%、12.1%、37.5%。復(fù)合脅迫下，各處理Ci變化趨勢(shì)不一致，T1D2、T2D1、T2D2處理下呈上升趨勢(shì)，在整個(gè)脅迫過(guò)程中均顯著高于對(duì)照，T1D1呈先降后升趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在第5周。脅迫末期，各復(fù)合脅迫處理均高于單一脅迫，T1D1、T1D2、T2D1、T2D2處理下分別較對(duì)照上升28.4%、54%、69%、62.8%，表現(xiàn)出溫度越高、干旱越嚴(yán)重，Ci上升幅度越大的趨勢(shì)。高溫和干旱雙重逆境對(duì)Ci脅迫效應(yīng)由大到小依次為T2D2、T2D1、T1D2、T2D0、T0D2、T1D1、T1D0、T0D1(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明高溫、干旱以及復(fù)合脅迫極顯著影響Ci(表3)。

表1 高溫和干旱脅迫對(duì)楊樹幼苗光合性能指標(biāo)的影響

處理胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)/μmol·mol-1第4周第5周第6周第7周蒸騰速率(Tr)/mmol·m-2·s-1第4周第5周第6周第7周T0D0(255.50±17.59)c(241.25±17.73)d(250.00±15.70)e(230.00±19.21)g(4.34±0.17)a (5.60±0.18)a(4.43±0.15)a(4.15±0.31)aT0D1(225.25±18.27)de(209.00±21.19)e(186.25±11.90)f(275.75±18.28)f(3.30±0.35)b(4.20±0.26)b(3.36±0.14)b(2.73±0.12)cT0D2(274.25±10.89)bc(282.50±16.23)c(294.50±24.21)d(316.25±16.69)e(2.89±0.23)bcd(2.05±0.23)de(2.31±0.10)d(1.76±0.19)deT1D0(226.50±15.66)de(217.75±12.72)de(196.25±14.39)f(267.75±21.04)f(3.89±0.36)a(5.21±0.33)a(4.22±0.15)a(3.33±0.32)bT1D1(199.25±24.36)e(177.00±14.51)f(232.75±18.23)e(295.25±11.45)ef(2.67±0.24)cde(3.50±0.21)c(2.81±0.21)c(2.03±0.13)dT1D2(292.00±24.26)ab(313.25±23.01)ab(308.75±12.66)cd(354.25±19.58)bc(2.46±0.20)def(1.67±0.17)ef(1.94±0.11)e(1.25±0.19)fgT2D0(265.50±15.63)bc(277.50±14.53)c(323.75±12.87)bc(336.50±22.07)cd(3.09±0.37)bc(3.36±0.33)c(2.05±0.26)de(1.51±0.20)efT2D1(276.00±14.47)bc(295.25±19.52)bc(345.75±13.97)b(388.75±21.03)a(2.24±0.18)ef(2.42±0.20)d(1.93±0.21)e(1.04±0.14)ghT2D2(315.75±15.80)a(335.50±11.08)a(375.75±14.36)a(374.50±13.50)ab(2.03±0.34)f(1.35±0.15)f(1.34±0.15)f(0.71±0.13)h

處理水分利用效率(WUE)/μmol·mol-1第4周第5周第6周第7周T0D0(3.21±0.11)a(2.39±0.15)b(2.96±0.28)bc(3.12±0.51)aT0D1(3.34±0.83)a(2.24±0.27)b(2.92±0.24)bc(3.11±0.53)aT0D2(3.41±0.55)a(4.09±0.59)a(3.31±0.35)bc(3.68±0.74)aT1D0(3.33±0.53)a(2.31±0.24)b(2.74±0.26)c(2.84±0.50)aT1D1(3.64±0.57)a(2.29±0.12)b(3.04±0.67)bc(3.05±0.57)aT1D2(3.05±0.43)a(3.97±0.79)a(3.28±0.54)bc(4.22±1.15)aT2D0(2.80±0.44)a(2.25±0.34)b(3.68±0.74)ab(4.05±0.70)aT2D1(3.13±0.67)a(1.82±0.39)b(2.91±0.39)bc(4.00±0.97)aT2D2(3.68±0.60)a(4.75±0.80)a(4.37±0.58)a(4.32±1.34)a

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(Plt;0.05)。

表2 高溫和干旱脅迫對(duì)楊樹幼苗生理生化指標(biāo)的脅迫效應(yīng)

2.1.4對(duì)葉片蒸騰速率(Tr)的影響

從表1可見，高溫脅迫T1D0、T2D0處理下Tr呈先上升后下降的趨勢(shì)，從第7周開始T1D0處理與對(duì)照差異顯著，各時(shí)期T2D0處理均顯著低于對(duì)照，處理間差異顯著，表現(xiàn)為T1D0大于T2D0。干旱脅迫T0D1處理Tr變化趨勢(shì)與高溫脅迫相同，T0D2總體上呈下降趨勢(shì)，干旱脅迫各時(shí)期顯著低于對(duì)照，表現(xiàn)為T0D1大于T0D2。T1D0、T2D0、T0D1、T0D2脅迫末期較對(duì)照分別下降39%、63.6%、34.3%和57.7%，說(shuō)明脅迫對(duì)Tr有抑制作用。復(fù)合脅迫T1D1、T2D1處理下Tr呈先上升后下降的趨勢(shì)，T1D2、T2D2處理下Tr總體上呈下降趨勢(shì)，各時(shí)期Tr均低于單一脅迫處理，T1D1、T1D2、T2D1、T2D2在脅迫末期分別下降51.21%、69.80%、74.90%和83.00%。高溫和干旱雙重逆境對(duì)Tr脅迫效應(yīng)由大到小依次為T2D2、T1D2、T2D1、T0D2、T2D0、T1D1、T0D1、T1D0(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，高溫、干旱以及復(fù)合脅迫極顯著影響Tr(表3)。

2.1.5 對(duì)葉片水分利用效率(WUE)的影響

從表1可見，高溫和干旱單因子脅迫下，除T0D2處理外，WUE呈先降后升趨勢(shì)，表明前期蒸騰速率降低幅度大于凈光合速率，后期蒸騰速率降低幅度小于凈光合速率，最小值出現(xiàn)在第5周。復(fù)合脅迫T1D1、T2D1處理下，WUE呈先降后升的趨勢(shì)，T2D2處理下，WUE呈先升后降的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在第5周。復(fù)合脅迫末期，除T1D1外，T1D2、T2D1、T2D2處理分別較對(duì)照增加35.7%、28.6%和38.9%(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，高溫以及復(fù)合脅迫對(duì)WUE影響不顯著，干旱脅迫極顯著影響WUE(表3)。

表3 高溫和干旱脅迫下楊樹幼苗生理生化指標(biāo)的雙因素方差分析結(jié)果

注：*表示顯著性概率為Plt;0.05；** 表示顯著性概率為Plt;0.01；*** 表示顯著性概率為Plt;0.001。

2.2 不同處理對(duì)楊樹幼苗熒光參數(shù)的影響

2.2.1對(duì)葉綠素初始熒光產(chǎn)量(Fo)的影響

從表4可見，高溫脅迫下，F(xiàn)o呈上升趨勢(shì)，T1D0處理下各時(shí)期與對(duì)照差異不顯著，T2D0處理下各時(shí)期顯著高于對(duì)照，處理間差異顯著。干旱脅迫下，F(xiàn)o呈先降后升趨勢(shì)，T0D1處理下Fo從第7周開始顯著高于對(duì)照，T0D2處理下各時(shí)期均顯著高于對(duì)照。脅迫末期T1D0、T2D0、T0D1、T0D2處理分別較對(duì)照上升5.4%、41.9%、11.1%和23.0%。復(fù)合脅迫下，除T2D2處理，F(xiàn)o變化趨勢(shì)與高溫脅迫相似。T1D1、T1D2處理下Fo各時(shí)期顯著高于單一脅迫處理。脅迫末期T1D1、T1D2、T2D1、T2D2較對(duì)照上升19.1%、32.9%、30.8%和37.7%(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，高溫、干旱以及復(fù)合脅迫極顯著影響Fo(表3)。

2.2.2對(duì)葉綠素最大熒光產(chǎn)量(Fm)的影響

從表4可見，高溫或干旱單因子脅迫下，F(xiàn)m總體上呈下降趨勢(shì)，且隨著脅迫程度的增加，下降幅度越大。干旱脅迫各處理間在第5、第6周差異顯著，高溫脅迫各處理間各個(gè)時(shí)期差異顯著。脅迫末期T1D0、T2D0、T0D1、T0D2處理下，F(xiàn)m分別下降了20.7%、40.3%、26.1%和26.2%。復(fù)合脅迫下，除T1D1處理，F(xiàn)m變化趨勢(shì)與單因子脅迫相同。脅迫末期T1D1、T1D2、T2D1、T2D2分別下降9.6%、29.7%、38.1%、40.2%(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，高溫、干旱以及復(fù)合脅迫極顯著影響Fm(表3)。

表4 高溫和干旱脅迫對(duì)楊樹幼苗熒光參數(shù)的影響

處理最大熒光產(chǎn)量(Fm)第4周第5周第6周第7周T0D0(3325.00±73.09)a(3261.00±132.32)a(3280.75±87.86)a(2944.00±45.47)aT0D1(2849.50±91.76)c(2653.25±94.95)cde(2500.50±123.84)b(2177.50±64.95)dT0D2(3060.50±112.49)bc(2447.50±114.45)f(2300.00±143.14)c(2141.00±126.93)dT1D0(3167.50±95.88)ab(3043.25±64.75)b(2608.00±102.30)b(2333.00±147.44)cT1D1(3196.00±111.35)ab(2739.75±63.72)c(2618.75±72.76)b(2661.25±73.33)bT1D2(2921.00±40.91)c(2513.50±119.76)ef(2155.00±114.55)cd(2069.00±104.09)dT2D0(2848.75±104.54)c(2686.75±60.10)cd(1873.75±161.23)e(1756.75±87.58)eT2D1(2998.00±56.53)bc(2677.00±73.15)cd(2286.25±100.89)c(1821.75±61.78)eT2D2(2917.50±298.53)c(2541.75±32.12)def(2082.25±42.69)d(1759.75±67.43)e

處理PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)第4周第5周第6周第7周T0D0(0.78±0.01)a(0.77±0.02)a(0.78±0.01)a(0.76±0.02)aT0D1(0.75±0.03)ab(0.75±0.01)b(0.73±0)b(0.69±0.02)bT0D2(0.71±0.02)b(0.70±0)c(0.68±0)c(0.65±0.01)cT1D0(0.76±0.03)a(0.75±0.01)ab(0.73±0.01)b(0.71±0.02)bT1D1(0.71±0.01)b(0.69±0.01)c(0.56±0.01)f(0.51±0.02)eT1D2(0.65±0.04)c(0.64±0)d(0.62±0.01)d(0.58±0.03)dT2D0(0.64±0.02)cd(0.62±0.01)d(0.53±0.01)g(0.50±0.01)eT2D1(0.66±0.02)c(0.64±0.02)d(0.59±0.01)e(0.52±0.01)eT2D2(0.60±0.04)d(0.52±0.01)e(0.48±0.01)h(0.42±0.01)f

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(Plt;0.05)。

2.2.3對(duì)葉綠素PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)的影響

Fv/Fm可以反映PSⅡ的潛在活性。從表4可見，高溫、干旱單因子和復(fù)合脅迫下，F(xiàn)v/Fm總體上呈下降趨勢(shì)。T1D0、T0D1處理下從第6周開始與對(duì)照差異顯著，T2D0、T0D2處理下各個(gè)時(shí)期顯著低于對(duì)照，干旱脅迫處理間從第5周開始差異顯著，高溫脅迫在各個(gè)時(shí)期內(nèi)處理間差異均顯著。脅迫末期，T1D0、T2D0、T0D1、T0D2處理下，F(xiàn)v/Fm分別下降7.19%、34%、9.12%、14.91%，表現(xiàn)為重度高溫脅迫對(duì)Fv/Fm的影響大于干旱脅迫。復(fù)合脅迫下，T1D1、T1D2、T2D2在各時(shí)期顯著高于單一脅迫處理，T1D1、T1D2、T2D1、T2D2處理在脅迫末期分別下降32.7%、23.9%、31.7%、45.6%，且溫度越高、干旱脅迫越嚴(yán)重，F(xiàn)v/Fm降低越顯著。高溫和干旱雙重逆境對(duì)Fv/Fm脅迫效應(yīng)由大到小依次為T2D2、T2D1、T2D0、T1D2、T1D1、T0D2、T0D1、T1D0(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，高溫、干旱以及復(fù)合脅迫極顯著影響Fv/Fm(表3)。

2.3 不同處理對(duì)楊樹幼苗抗氧化酶活性的影響

2.3.1 對(duì)超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

從表5可見，T1D0處理下，SOD活性呈上升趨勢(shì)，T2D0、T0D1、T0D2處理下SOD呈先升后降的趨勢(shì)，說(shuō)明一定程度的高溫或干旱脅迫可以使SOD活性上升，但在嚴(yán)重脅迫下，SOD活性受到抑制。T0D1處理下，SOD最大值出現(xiàn)在第6周。T2D0、T0D2處理下，最大值出現(xiàn)在第5周。干旱單因子脅迫下，各時(shí)期與對(duì)照差異顯著，處理間從第5周開始出現(xiàn)顯著差異。高溫單因子脅迫下，各處理時(shí)段間差異均顯著。復(fù)合脅迫，T1D1、T1D2處理下SOD活性呈先升后降趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在第5周。T2D1、T2D2處理下SOD活性呈下降趨勢(shì)，并從第6周開始顯著低于對(duì)照。復(fù)合脅迫末期SOD活性低于單一脅迫。高溫和干旱雙重逆境對(duì)SOD脅迫效應(yīng)由大到小依次為T2D1、T2D2、T1D2、T0D2、T2D0、T1D1、T0D1、T1D0(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，高溫以及復(fù)合脅迫顯著影響SOD，干旱單一脅迫對(duì)SOD無(wú)顯著影響(表3)。

2.3.2 對(duì)過(guò)氧化物酶(POD)活性的影響

從表5可見，T1D0處理下POD活性呈上升趨勢(shì)，從第6周開始顯著高于對(duì)照；T2D0處理下POD呈下降趨勢(shì)，從第5周開始顯著低于對(duì)照；T0D1、T0D2處理下，POD呈先升后降的趨勢(shì)，最大值分別出現(xiàn)在第6周、第5周，與SOD相同，適度的高溫或者干旱對(duì)POD活性有促進(jìn)作用。復(fù)合脅迫下，除T1D1處理，POD活性總體上呈下降趨勢(shì)，T1D1、T1D2、T2D2復(fù)合處理POD活性在脅迫末期均低于單一脅迫處理。高溫和干旱雙重逆境對(duì)POD脅迫效應(yīng)由大到小依次為T2D2、T2D0、T2D1、T1D1、T1D0、T1D2、T0D1、T0D2(表2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，高溫、干旱以及復(fù)合脅迫顯著影響POD(表3)。

表5 高溫和干旱脅迫對(duì)楊樹幼苗抗氧化酶活性的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(Plt;0.05)。

3 討論

3.1 高溫和干旱脅迫對(duì)光合特性的影響

植物光合作用的抑制包括氣孔限制和非氣孔限制，分別由氣孔關(guān)閉和光合器官自身活性下降引起[12]。在中度高溫或干旱脅迫下，Gs一直降低，Ci先降低后升高，說(shuō)明中度高溫和干旱脅迫下氣孔和非氣孔因素共同限制Pn，重度高溫和干旱脅迫下，Gs下降，Ci升高，說(shuō)明重度高溫和干旱脅迫下Pn主要受到非氣孔因素限制。韓瑞宏等[13]研究也發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿在中度和重度干旱脅迫下Pn的降低是非氣孔限制起著主要作用。孫憲芝等[14]研究在重度高溫脅迫下，Pn在脅迫前期受到氣孔限制，后期受到非氣孔限制，與本研究不一致，可能是與脅迫時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。為了不降低光合速率，植物適應(yīng)干旱的機(jī)制是最大限度地降低蒸騰速率[15]。本研究表明，隨著氣孔導(dǎo)度的降低，中度干旱脅迫下，蒸騰速率先升后降，重度干旱脅迫下，蒸騰速率顯著下降。這與干旱脅迫下，Tr均下降的研究結(jié)果[16]不符，可能是由于在一定的脅迫時(shí)間內(nèi)，植物對(duì)脅迫具有一定的抗性。有研究表明，高溫脅迫下，Tr大幅度上升[17]；也有研究表明，高溫脅迫下，Tr顯著低于對(duì)照[18]。本研究的結(jié)論與后者相同。復(fù)合脅迫下，Pn、Gs均下降，Ci上升，表明Pn主要受非氣孔限制。隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)和程度的加強(qiáng)，Pn、Tr下降越顯著，各個(gè)時(shí)期都低于單因子的水平，說(shuō)明復(fù)合脅迫對(duì)楊樹Pn、Tr具有疊加效應(yīng)。重度高溫和干旱復(fù)合脅迫末期，光合性能均低于其他處理，說(shuō)明楊樹幼苗在這2個(gè)處理下，受害最嚴(yán)重。從表1可以看出，溫度對(duì)Pn、Gs、Ci的影響大于水分，對(duì)Tr的影響小于水分。說(shuō)明與干旱相比，溫度在植物光合作用中起主導(dǎo)作用。

植物水分利用效率(WUE)的高低能夠反映對(duì)于逆境脅迫調(diào)節(jié)能力的大小。有研究表明在適度高溫或干旱脅迫下，WUE會(huì)顯著升高，而重度高溫或干旱脅迫下，WUE下降[19-20]。也有研究表明，較高的溫度和水分脅迫伴隨著較高的WUE[21-22]。本研究結(jié)果顯示，中度高溫或干旱脅迫下，植物水分利用效率與對(duì)照相比無(wú)明顯差異，重度高溫干旱脅迫下，水分利用效率上升，這可能是由于不同的植物對(duì)逆境脅迫具有不同抗性造成的。復(fù)合脅迫下，WUE先下降后升高，說(shuō)明植物在降低Pn的同時(shí)更大限度地降低了Tr，也說(shuō)明南林895楊在脅迫后期產(chǎn)生抗性，通過(guò)提高水分利用效率來(lái)適應(yīng)脅迫，提高自身的適應(yīng)性。

3.2 高溫和干旱脅迫對(duì)熒光參數(shù)的影響

PSII對(duì)于脅迫非常敏感，因此常用葉綠素?zé)晒鈪?shù)來(lái)判斷植物是否遭受逆境脅迫[23]。有研究表明，高溫、干旱或復(fù)合脅迫環(huán)境，會(huì)導(dǎo)致植物Fo上升、Fm、Fv/Fm下降[24]。本研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。FV/Fm常被用來(lái)衡量植物PSII是否因遭受光抑制而造成損傷[25]。本研究中，中度高溫和干旱脅迫時(shí)，F(xiàn)V/Fm在前期與對(duì)照差異不顯著，后期顯著低于對(duì)照，而重度高溫和干旱脅迫下Fv/Fm顯著低于對(duì)照，進(jìn)一步說(shuō)明在中度高溫和干旱脅迫下，Pn是由氣孔和非氣孔因素共同限制，在重度高溫和干旱脅迫下，Pn是由非氣孔因素限制。中度高溫、干旱脅迫下Fo上升幅度小于重度高溫、干旱脅迫。中度高溫、干旱脅迫下Fm、Fv/Fm的下降幅度小于重度高溫、干旱脅迫，說(shuō)明在重度高溫和干旱脅迫下葉片PSⅡ的電子傳遞能力變?nèi)?，光能利用率降低，PSⅡ潛在活性受到抑制，葉片捕獲光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的能力受到抑制[26-27]。同時(shí)也表明楊樹在中度高溫或干旱脅迫時(shí)可以通過(guò)將過(guò)剩的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，來(lái)延緩光破壞進(jìn)程[28]。復(fù)合脅迫下，F(xiàn)o、Fm、Fv/Fm的變化趨勢(shì)與單因子脅迫一致，但其對(duì)熒光參數(shù)的影響與對(duì)照相比更加顯著，表明復(fù)合脅迫對(duì)PSII影響大于單一脅迫，PSII產(chǎn)生可逆或不可逆的損傷。由此可見，高溫、干旱單一和復(fù)合脅迫下，植物葉片的PII受到不同程度的損傷，導(dǎo)致細(xì)胞ATP供應(yīng)受阻從而影響光合作用的正常進(jìn)行。

3.3 高溫和干旱脅迫對(duì)抗氧化酶活性的影響

植物抗氧化酶活性的變化在植物對(duì)逆境反應(yīng)的研究中應(yīng)用廣泛[29]。前人研究表明，逆境脅迫下，PSII活性降低會(huì)導(dǎo)致過(guò)量的化學(xué)能產(chǎn)生，MDA含量增加，從而增加質(zhì)膜的相對(duì)透性，使植物體內(nèi)活性氧積累，最終造成氧化傷害[30-31]。體內(nèi)活性氧升高時(shí)，抗氧化酶活性也會(huì)相應(yīng)升高。本研究表明，在中度高溫脅迫下，SOD、POD活性上升，說(shuō)明楊樹對(duì)于脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)生了防御，重度高溫、中度干旱、重度干旱下，SOD、POD活性呈先升后降的趨勢(shì)，且隨著時(shí)間的增加，降低越顯著，說(shuō)明高溫和干旱脅迫的時(shí)間和強(qiáng)度超過(guò)了抗氧化酶的適應(yīng)程度，細(xì)胞膜系統(tǒng)受損嚴(yán)重，細(xì)胞內(nèi)活性氧代謝失調(diào)。也說(shuō)明植物在遭受高溫和干旱脅迫時(shí)，抗氧化酶的活性不一定總升高，脅迫時(shí)間和強(qiáng)度均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。復(fù)合脅迫下SOD活性顯著低于單因子脅迫，說(shuō)明復(fù)合脅迫對(duì)SOD的影響大于單一脅迫，植物受到嚴(yán)重的氧化傷害。方差分析表明，溫度對(duì)SOD、POD的影響高于水分，這也與Li et al.[32]對(duì)云南楊的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本研究表明，高溫、干旱單一或復(fù)合脅迫使植物光合性能下降；高溫脅迫對(duì)幼苗光合性能和抗氧化酶活性的影響比干旱脅迫更顯著；復(fù)合脅迫對(duì)植物Pn、Gs、Ci、Tr、Fv/Fm、SOD的脅迫效應(yīng)大于單一脅迫且對(duì)Pn、Tr具有疊加效應(yīng)。綜合考慮脅迫時(shí)間和強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，楊樹幼苗在高溫和干旱復(fù)合脅迫條件下受害最嚴(yán)重。

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Zhang Yanhong, Wu Yongbo, Liu Xuan, Zhu Jiaxin

(Collaborative Innovation Center of Sustainable Forestry in Southern China of Jiangsu Province, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China)//

PopulusבNanlin-895’; Elevated temperature; Drought; Photosynthetic characteristics; Antioxidant enzyme; Chlorophyll fluorescence

1)江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(15KJA180003)；江蘇省生物學(xué)優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目。

張燕紅，女，1991年12月生，江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心(南京林業(yè)大學(xué))，碩士研究生。E-mail:906736024@qq.com。

吳永波，江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心(南京林業(yè)大學(xué))，副教授。 E-mail:yongbowu0920@163.com。

2017年6月17日。

責(zé)任編輯：程 紅。

Q948

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(11)：32-38.

An indoor simulation experiment was performed by controlling the different temperature and soil water conditions to study the single and combined stress of elevated temperature and drought on photosynthetic characteristics, chlorophyll fluorescence and the antioxidant enzymes activities inPopulusבNanlin-895’ seedling leaves. As the stress time progressed, net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr), maximal fluorescence (Fm), optimal/maximal photochemical efficiency of PSⅡ (Fv/Fm) of Poplar seedlings were decreased, whereas, minimal fluorescence (Fo) was increased under the single or combined stress of elevated temperature and drought. Intercellular CO2concentration (Ci) and water use efficiency (WUE) were decreased first and increased, and the activities of superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) had the opposite trend under the moderate stress of drought. Activities of superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) were decreased significantly under the severe stress of elevated temperature or their combination at the end of stress time. Decreases in net photosynthetic rate (Pn) were the result of stomatal and non-stomatal limitation under moderate stress of elevated temperature or drought, while the result of non-stomatal limitation was under the severe stress of elevated temperature or drought or their combination. The combined stress showed synergistic effects onPnandTr. The effects of the combined stress onPn,Gs,Ci,Tr,Fv/Fmand SOD were higher than that of a single stress, and poplar seedlings suffered the worst under the combined stress of elevated temperature and drought.