牛林飛 田義新 馬靜 張芳芳 孟千琪

摘要：為了解干旱脅迫對菘藍(lán)光合特性的影響，采用盆栽法，利用大型移動防雨棚開展了菘藍(lán)干旱脅迫試驗，研究干旱脅迫對菘藍(lán)凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）、氣孔限制值（Ls）和水分利用率（WUE）日變化的影響。結(jié)果表明，在適宜水分和輕度干旱脅迫下，氣孔限制是菘藍(lán)Pn降低的主要因素;中度和重度干旱脅迫下，非氣孔限制是菘藍(lán)Pn降低的主要因素。干旱脅迫會導(dǎo)致菘藍(lán)的Tr降低和Tr峰值的前移。隨著干旱脅迫程度的加劇，菘藍(lán)為適應(yīng)干旱缺水的條件會使葉片的Pn、Tr和Gs均顯著下降，從而提高干旱情況下的WUE，縮小與充足供水情況下的差距。

關(guān)鍵詞：菘藍(lán);干旱脅迫;光合特性;水分利用效率

中圖分類號： S567.2+39.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0155-03

近年來，隨著溫室效應(yīng)的增加，世界各國干旱頻發(fā)且日益嚴(yán)重，絕大部分國家和地區(qū)都遭受到不同程度的干旱威脅[1]，合理利用水資源已成為一個世界性難題，而水資源短缺已成為干旱地區(qū)限制植物正常生長發(fā)育的關(guān)鍵因素，因此研究干旱脅迫對植物栽培的影響意義重大。

菘藍(lán)（Isatis indigotica Fortune）為十字花科菘藍(lán)屬2年生草本植物，是我國傳統(tǒng)的大宗藥材，其根部入藥為板藍(lán)根，葉入藥為大青葉，主要功效為清熱解毒，涼血利咽[2]。菘藍(lán)原產(chǎn)于中國，在全國各地均有栽培，是一種適應(yīng)性較強(qiáng)，喜溫暖怕水澇的藥材。

目前對菘藍(lán)的研究多見于對其的化學(xué)成分和藥理作用分析[3-4]，而與栽培密切相關(guān)的水分生理與光合生理研究較少。根據(jù)前人的報道，干旱脅迫對植物的光合作用影響較大。于文穎等研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致了玉米葉片整體凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度下降[5]。張金政等發(fā)現(xiàn)，東北玉簪和紫萼玉簪干物質(zhì)量、光合參數(shù)、葉綠素含量隨著干旱脅迫程度加深對其抑制作用變大[6]。楊娟娟等研究發(fā)現(xiàn)，鉀肥能顯著緩解干旱脅迫對菘藍(lán)幼苗的傷害[7]。筆者首次通過盆栽試驗研究了干旱脅迫對菘藍(lán)的光合參數(shù)的影響，分析干旱脅迫下菘藍(lán)的光合生理與水分利用效率二者之間的關(guān)系以及菘藍(lán)對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制，以期為菘藍(lán)的栽培與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地設(shè)在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)藥用植物科技示范園。試驗材料菘藍(lán)種子由吉林同仁堂提供，經(jīng)吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)田義新教授鑒定為十字花科植物菘藍(lán)的種子。

主要設(shè)備為便攜式光合作用儀（上海澤泉科技股份有限公司）;土壤水分含量測定儀（浙江托普儀器有限公司）。

1.2 試驗設(shè)計

采用盆栽模擬控水法進(jìn)行試驗。2018年5月10日將菘藍(lán)種子播種在高24 cm、內(nèi)徑21 cm的塑料花盆中，每盆裝土7 kg，盆栽土為混合均勻的1/3沙子、1/3當(dāng)?shù)赝梁?/3腐殖土。用環(huán)刀法和水分含量測定儀測得土壤最大含水量為315%。試驗設(shè)計了4個供水處理，即土壤的田間相對持水量85%（適宜水分，W1）、65%（輕度干旱，W2）、45%（中度干旱，W3）、25%（重度干旱，W4）。每個處理15盆，共計60盆。當(dāng)菘藍(lán)苗高5 cm后進(jìn)行間苗，每盆保留3株，2018年6月1日開始進(jìn)行水分處理試驗，9月30日結(jié)束。試驗每天下午使用土壤水分含量測定儀測量土壤含水量并進(jìn)行計算補(bǔ)充所缺水分，試驗在可移動透明擋雨棚內(nèi)進(jìn)行，晴天打開棚布，陰雨天和晚上把棚布蓋好，防止自然降水對試驗的影響。

1.3 指標(biāo)測定

在8月中旬菘藍(lán)根部快速生長期，選擇晴朗無云的天氣使用光合作用儀測定4種處理菘藍(lán)葉片的光合參數(shù)。從 08：00—16：00，每隔2 h測定1次，每個處理測定已經(jīng)標(biāo)記好的5張葉片，選擇長勢良好、生長部位相同的葉片進(jìn)行測定，5次重復(fù)。測定的指標(biāo)有：凈光合速率Pn、氣孔導(dǎo)度Gs、胞間CO2濃度Ci、蒸騰速率Tr等。計算出水分利用率WUE=Pn/Tr 和氣孔限制值（Ls=1-Ci/Ca），Ca為大氣CO2濃度。

1.4 統(tǒng)計方法

對所測得的數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對菘藍(lán)凈光合速率的影響

凈光合速率是指植物的光合作用速率減去呼吸作用速率，能體現(xiàn)植物有機(jī)物的積累速度。由圖1可以看出4種干旱處理的菘藍(lán)Pn曲線均呈現(xiàn)雙峰型曲線，在12：00的時候具有明顯的“光合午休”現(xiàn)象[8]。W1、W2和W3處理的Pn在14：00時達(dá)到峰值;而W4處理的Pn峰值在08：00。這是因為隨著脅迫程度的升高，菘藍(lán)體內(nèi)的葉綠素含量逐漸減少，從而導(dǎo)致08：00光照度對于W4處理已經(jīng)達(dá)到飽和光照。W1、W2、W3、W4處理的日平均Pn值分別為7.666、6.408、4.342、2.801 μmol/（m2·s），處理間差異顯著（P<0.05），表明干旱脅迫對菘藍(lán)的Pn的影響比較明顯，由此可以推測干旱脅迫在很大程度上會抑制菘藍(lán)干物質(zhì)的積累，進(jìn)而影響菘藍(lán)的產(chǎn)量。

2.2 干旱脅迫對菘藍(lán)氣孔導(dǎo)度日變化的影響

氣孔是植物葉片與外界進(jìn)行氣體交換的主要通道，氣孔導(dǎo)度代表了氣孔的張開程度，是影響植物光合作用、呼吸作用及蒸騰作用的主要因素。植物會通過改變氣孔的張開程度進(jìn)而來控制與外界CO2和水汽的交換，從而調(diào)節(jié)植物的Pn和Tr，以適應(yīng)不同的環(huán)境條件[9]。由圖2可見，W1處理下菘藍(lán)的Gs在白天光照強(qiáng)烈下明顯高于其他干旱處理組，呈單峰型曲線，14：00達(dá)到最高，14：00以后呈下降趨勢。可能是因為W1處理下菘藍(lán)的水分充足，從而緩解了高溫對氣孔的抑制作用。而W2、W3和W4處理下菘藍(lán)的GS曲線呈雙峰型曲線，峰值分別在10：00和14：00。可能是因為中午氣溫升高，植物為降低蒸騰作用而使Gs降低。W1、W2、W3和W4處理的日平均Gs值分別為0.114、0.073、0.064、0.043 mol/（m2·s），各處理間差異性顯著（P<0.05），表明干旱脅迫對菘藍(lán)的Gs影響較明顯。由此可以看出隨著脅迫程度加深，會導(dǎo)致植物Gs逐漸降低，從而使植物可以適應(yīng)干旱的環(huán)境條件。

2.3 干旱脅迫對菘藍(lán)胞間CO2濃度日變化的影響

胞間CO2濃度是植物光合生理研究中非常重要的參數(shù)，特別是在光合作用的氣孔限制分析中，它是判斷光合速率變化的主要原因和是否為氣孔因素必不可少的依據(jù)[10]。由圖3看出，W1和W2處理下Ci值在08：00—12：00時間段快速下降，這是由于光照增強(qiáng)，Pn升高，Ci濃度降低[11-12]。W3和W4處理下Ci值在08：00—10：00時間段呈下降趨勢，隨后呈上升趨勢。這是由于Ci值在08：00—10：00之間隨著植物光合作用的消耗而降低，在10：00—16：00之間隨著Pn的降低和Gs的增大呈上升趨勢。W1、W2、W3和W4處理的日平均Ci值分別為270.2、252.0、232.2、244.6 μmol/mol，各處理間差異不顯著（P>0.05）。表明干旱對菘藍(lán)的Ci影響不顯著。

2.4 干旱脅迫對菘藍(lán)蒸騰速率日變化的影響

蒸騰作用是植物體內(nèi)重要的一種生理過程，植物可以通過蒸騰作用來調(diào)節(jié)葉面溫度，運輸體內(nèi)所需的礦物質(zhì)和光合作用所需的水分[13]。由圖4看出，4種干旱處理下菘藍(lán)的Tr變化趨勢都顯現(xiàn)出單峰型趨勢，W1、W2處理下菘藍(lán)的Tr峰值出現(xiàn)在12：00，分別是1.675、1.483 mmol/（m2·s）;W3、W4干旱處理下菘藍(lán)的Tr峰值出現(xiàn)在10：00，分別是 1.258、0929 mmol/（m2·s）。這是由于溫度的升高導(dǎo)致植物須要加強(qiáng)蒸騰作用，以維持植物體的溫度。W1、W2、W3、W4處理的日平均Tr分別為1.290、1.153、1.046、 0.756 mmol/（m2·s），分析得W1適宜水分和W4重度干旱間有顯著性差異（P﹤005），說明干旱脅迫對菘藍(lán)的Tr影響顯著。

2.5 干旱脅迫對菘藍(lán)氣孔限制值日變化的影響

氣孔限制是指隨著植物的氣孔導(dǎo)度降低，進(jìn)入氣孔的CO2減少，不能滿足植物光合作用的要求。由圖5看出，4種處理菘藍(lán)Ls日變化曲線均呈單峰型曲線。W1和W2處理Ls峰值出現(xiàn)在12：00，W3、W4處理Ls峰值出現(xiàn)在10：00。W1、W2、W3和W4處理的日平均氣孔限制值分別為0.328、0.373、0.421、0.376，分析得各處理間差異不顯著（P>0.05）。

2.6 干旱脅迫對菘藍(lán)水分利用效率日變化的影響

氣孔限制影響葉片的蒸騰速率和光合速率，必將影響葉片的水分利用效率[14]。由圖6看出，W3、W4處理的WUE在12：00前呈下降趨勢，W1、W2處理在12∶ 00前變化不明顯，W1、W2、W3處理在14：00均上升到最大值，W4處理WUE率日變化曲線呈“V”形，在16∶ 00達(dá)到最高值。W3和W4處理開始降低，是因為隨著氣孔導(dǎo)度的開放，植物蒸騰速率增加較快，而凈光合速率反而呈略微下降的趨勢從而導(dǎo)致WUE呈下降趨勢，“光合午休”結(jié)束以后，植物的Pn增長迅速，WUE得到提高[15]。W1、W2、W3、W4處理的日平均WUE分別為6305、5.205、5.047、4.192 μmol/mmol，在不同干旱脅迫下，菘藍(lán)的WUE差異不顯著，說明菘藍(lán)在干旱環(huán)境下自身的水分利用率雖然受到一定的影響，但未達(dá)到顯著差異。

3 結(jié)論與討論

植物的光合作用會受多種因素的影響，如植物的蒸騰作用、氣孔導(dǎo)度、光照度等，而這些因素又會受到干旱的環(huán)境條件影響。通常植物光合速率在干旱條件下降低，主要分為2個方面：第1種是由于環(huán)境溫度的升高，導(dǎo)致植物葉片溫度升高，細(xì)胞內(nèi)的核桐糖二磷酸羧化酶、1，5一二磷酸核桐糧羧化酶/加氧酶和葉綠體的活性受到強(qiáng)烈影響，導(dǎo)致植物的光合速率顯著降低，這被稱為植物光合作用的非氣孔限制[16];另一種是因為植物在干旱脅迫的條件下，氣孔導(dǎo)度降低，限制了CO2的進(jìn)出速度，不能滿足植物光合作用對CO2的需求，這被稱為植物光合作用的氣孔限制，用Ls來表示氣孔限制值。在本研究中，不同水分處理下的菘藍(lán)均出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象，W3處理和W4處理在Gs和Pn下降的情況下，Ci出現(xiàn)了上升的現(xiàn)象，由此可知，菘藍(lán)在中度和重度干旱脅迫情況下光合能力降低，是由非氣孔因素引起的。隨著溫度的升高和干旱的加劇，導(dǎo)致了葉片內(nèi)酶活性受到抑制和葉綠體結(jié)構(gòu)受到破壞，使得葉片的光合作用能力降低[14，17]。在適宜水分和輕度干旱脅迫下，菘藍(lán)光合能力降低，氣孔限制是其降低的主要因素。因此，通過調(diào)控土壤水分促使植物Gs和Tr向有利于提高植物光合速率的方向變化是提高菘藍(lán)Pn的有效措施。

韓磊等認(rèn)為，隨著水分脅迫的加劇，植物的Tr會逐漸降低，且蒸騰速率的峰值前移[18]。本研究中不同處理間菘藍(lán)的Tr隨著干旱脅迫程度的加深，植物葉片的Tr逐漸降低，W1和W2的Tr峰值出現(xiàn)在12：00，W3和W4的Tr峰值出現(xiàn)在 10：00，W1處理的日平均Tr最高，為1.290 mmol/（m2·s），W4處理的日平均Tr最低，為0.756 mmol/（m2·s），且兩者之間有顯著性差異。說明干旱脅迫會導(dǎo)致菘藍(lán)的Tr降低和蒸騰速率峰值前移。

本試驗中各處理間菘藍(lán)的Pn、Tr和Gs日平均值表現(xiàn)為 W4﹤W3﹤W2﹤W1，且各處理間呈顯著性差異，不同干旱脅迫下的菘藍(lán)的WUE日變化均為上午和下午高、中午低的趨勢，不同處理的WUE日均值隨著脅迫程度的加深而降低，W1處理的WUE日均值最高，但在08∶ 00較W3和W4處理值低，且各處理間差異不顯著。說明隨著干旱脅迫程度的加劇，菘藍(lán)為適應(yīng)干旱缺水的條件會使葉片的Pn、Tr和Gs均顯著下降，從而提高了干旱情況下的WUE，縮小與充足供水情況下的差距;適度的干旱脅迫能提高菘藍(lán)的WUE，從而增強(qiáng)葉片對水分的充分利用能力，抵御干旱逆境對其造成的傷害。這與前人的研究基本一致，如于文穎等認(rèn)為隨著土壤含水量的降低，植物為提高葉片的WUE，會使葉片整體凈光合速率、Tr和Gs為適應(yīng)干旱的條件而顯著性降低[5，19]。因此，吉林省種植菘藍(lán)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮p度干旱脅迫，從而達(dá)到節(jié)約水資源和提高菘藍(lán)水分利用率的目的。

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收稿日期：2018-09-18

基金項目：吉林省重點科技攻關(guān)項目（編號：20160204001YY）。

作者簡介：牛林飛（1993—），男，山西運城人，碩士研究生，從事藥用植物規(guī)范化生產(chǎn)與質(zhì)量控制研究。E-mail：niu18243011623@163.com。

通信作者：田義新，博士，教授，從事藥用植物種植研究。E-mail：y.x.tian2003@163.com。