干旱脅迫對(duì)藜麥幼苗生長(zhǎng)和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>

2019-09-16 02:19:38劉文瑜楊發(fā)榮魏玉明李健榮

干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究訂閱 2019年4期 收藏

劉文瑜,楊發(fā)榮,黃 杰,魏玉明,李健榮

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.寧夏農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，寧夏 銀川 750001)

干旱是當(dāng)前制約全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題，特別是隨著全球氣候變化和水資源匱乏而引起的干旱強(qiáng)度和頻率增加已成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效發(fā)展的重要因素之一[1]。干旱脅迫下植物光合作用和光合能力下降[2]。此種情況下，由于植物不能將過(guò)量的光能用于光合作用，因此增加了植物對(duì)光抑制的敏感度[3]。干旱脅迫可通過(guò)影響作物農(nóng)藝性狀、形態(tài)特征、生理生化指標(biāo)及代謝物含量等，最終使得產(chǎn)量降低[4-5]。葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)被視為揭示植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針[6-7]，是研究植物光合生理與干旱脅迫關(guān)系的有力證據(jù)[7-8]。前人對(duì)水稻[9]、棉花[10]、玉米[11]、馬鈴薯[12]等作物研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下水稻超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)活性升高，丙二醛(MDA)含量有一定程度的降低；葉綠素?zé)晒鈪?shù)(如最小熒光(Fo)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等)隨干旱脅迫的持續(xù)加劇而升高，最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)隨干旱脅迫持續(xù)加劇而下降。但有關(guān)干旱脅迫對(duì)藜麥葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懮形匆?jiàn)報(bào)道。

藜麥?zhǔn)窃a(chǎn)于南美洲安第斯山區(qū)的莧科藜亞科藜屬一年生雙子葉草本植物[13]。藜麥的原產(chǎn)國(guó)主要有秘魯、玻利維亞、厄瓜多爾、智利、巴西等[14]，目前，在甘肅、青海、山西、浙江等省均有種植[15]。藜麥籽粒富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其蛋白質(zhì)含量高達(dá)16%～22%，另外含有9種人體必需氨基酸及礦物質(zhì)、維生素、膳食纖維等，且低脂、低糖、不含膽固醇和麩質(zhì)[16]。近年來(lái)，有關(guān)藜麥的研究主要集中于其耐鹽生理[17]、功能成分提取[18]及遺傳多樣性[19]等方面，而鮮見(jiàn)有關(guān)干旱脅迫對(duì)其影響的報(bào)道。

甘肅省地處黃土高原，水資源匱乏，山旱地占耕地面積的70%，且省內(nèi)缺乏可種植的耐旱作物品種。藜麥具有耐寒、耐旱、耐鹽堿及耐瘠薄的生物學(xué)特性，適宜在甘肅省種植，但不同品種的耐旱性不同。本試驗(yàn)以甘肅省栽培的5個(gè)藜麥品種為材料，采用盆栽控水法，設(shè)置輕度干旱脅迫(土壤含水量為田間持水量的50%～60%)、中度干旱脅迫(土壤含水量為田間持水量的30%～40%)、重度干旱脅迫(土壤含水量為田間持水量的10%～20%)，以正常澆水為對(duì)照(CK，土壤含水量為田間持水量的70%～80%)，處理15 d后，通過(guò)測(cè)定幼苗株高、根長(zhǎng)、地上部分鮮重、干重、地下部分鮮重、干重等生長(zhǎng)指標(biāo)及初始熒光、最大熒光、可變熒光等葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)，探究干旱脅迫對(duì)不同品種藜麥幼苗生長(zhǎng)和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?，以期初步明確藜麥幼苗葉片響應(yīng)干旱脅迫的光合生理機(jī)制，篩選出耐旱性好的藜麥品種。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料5份，均來(lái)自甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，其中隴藜1號(hào)(L-1)、隴藜2號(hào)(L-2)、隴藜3號(hào)(L-3)和隴藜4號(hào)(L-4)為該所自育品種，白藜(BL)為外引品種，千粒重分別為2.49、2.72、2.97、2.85 g和2.78 g。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年3月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室及畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試土壤為營(yíng)養(yǎng)土，土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分為全氮0.95 g·kg-1、全磷0.93 g·kg-1、堿解氮87.5 mg·kg-1，速效磷10.9 mg·kg-1，速效鉀107.5 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)40.5 g·kg-1，播種前不施肥，試驗(yàn)期內(nèi)不追肥。挑選飽滿(mǎn)、大小一致且無(wú)病蟲(chóng)害的L-1、L-2、L-3、L-4及BL藜麥種子播種于裝有2 kg營(yíng)養(yǎng)土的花盆中，每盆播種50粒，播種后覆蛭石，放置于溫室中，正常澆水。待幼苗長(zhǎng)至6～8葉期時(shí)進(jìn)行定苗，每盆留苗10株，并進(jìn)行干旱脅迫處理，試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)干旱脅迫梯度，分別為輕度干旱脅迫(LD，土壤含水量為田間持水量的50%～60%)、中度干旱脅迫(MD，土壤含水量為田間持水量的30%～40%)、重度干旱脅迫(SD，土壤含水量為田間持水量的10%～20%)，以正常澆水為對(duì)照(CK，土壤含水量為田間持水量的70%～80%)。每個(gè)處理重復(fù)3次，每24 h采用稱(chēng)重法補(bǔ)充各盆栽的水分。于處理后的15 d分別取全株及葉片進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)及葉綠素含量的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 生物量 干旱脅迫處理15 d后，將植株連根取出，洗凈根部泥土，后用濾紙吸干根部及葉面水分，將其分成地上和地下兩部分，分別用直尺測(cè)定其株高、根長(zhǎng)、地上部分及地下部分鮮重。然后將植株鮮樣放入105℃烘箱中殺青15 min后，在70℃下烘至恒重，取出分別測(cè)定其地上部分和地下部分干重。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定5次。

1.3.2 葉綠素含量 取植株從上向下數(shù)第2片新展開(kāi)葉片，用乙醇丙酮法[20]測(cè)定葉綠素含量。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 使用FluorPen 1.0.5.1熒光儀測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，選取幼苗植株頂部新展開(kāi)葉片3片，暗適應(yīng)30 min后，測(cè)定初始熒光(Fo)，最大熒光(Fm)，PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)并作圖，結(jié)果以“平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，采用SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)藜麥幼苗生長(zhǎng)的影響

隨干旱脅迫程度的加劇，5個(gè)藜麥品種幼苗的株高和地上部分生物量均呈逐漸降低的趨勢(shì)，因品種不同，降低幅度不同(表1)。與對(duì)照CK 相比，LD處理對(duì)藜麥地上部分生長(zhǎng)影響較小，5個(gè)藜麥品種幼苗的株高僅分別下降了0.73%、2.94%、3.41%、10.38%和3.27%，地上部分鮮重分別下降了23.55%、5.94%、19.48%、5.92%和11.41%，地上部分干重分別下降了22.22%、10.53%、5.88%、14.29%和24.00%；SD處理下，藜麥幼苗萎蔫，葉片卷曲，地上部分生長(zhǎng)受到抑制，5個(gè)藜麥品種幼苗的株高分別下降了30.64%、28.36%、32.67%、37.88%和38.09%，地上部分鮮重分別下降了63.60%、6073%、59.74%、55.92%和61.74%，地上部分干重分別下降了62.96%、52.63%、29.41%、35.71%和60.00%。

另外，隨干旱脅迫程度的加劇，5個(gè)藜麥品種幼苗的根長(zhǎng)逐漸增加，而地下部分生物量呈先升高后下降的趨勢(shì)，因品種不同，變化程度不同(表1)。LD處理促進(jìn)藜麥幼根的生長(zhǎng)及地下部分生物量的積累，與CK相比，5個(gè)藜麥品種幼苗的根長(zhǎng)分別升高了7.47%、17.33%、14.17%、27.29%和3.53%，地下部分鮮重分別升高了7.14%、12.50%、40.86%、42.86%和5.00%，地下部分干重分別升高了14.29%、14.29%、44.44%、100.00%和100.00%。SD處理下雖促進(jìn)藜麥根部的生長(zhǎng)，但是生物量的積累受到抑制，與CK相比，5個(gè)藜麥品種幼苗的地下部分鮮重分別下降了71.83%、71.43%、57.14%、42.86%和50.00%，地下部分干重分別下降了42.86%、41.67%、44.44%、12.50%和85.71%。

2.2 干旱脅迫對(duì)藜麥幼苗葉片葉綠素含量的影響

如圖1所示，隨著干旱脅迫程度的加劇，5個(gè)藜麥品種幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢(shì)。LD和MD處理下，均能促進(jìn)葉綠素的積累，且在MD處理下5個(gè)藜麥品種的幼苗葉片上述各指標(biāo)均達(dá)到最大值，其中葉綠素a分別比CK升高了38.93%、41.26%、8.56%、13.89%和70.77%，葉綠素b分別比CK升高了30.49%、2.69%、34.88%、23.19%和100.50%，總?cè)~綠素含量分別比CK升高了84.36%、31.81%、7.43%、17.07%和26.91%；SD處理下，5個(gè)藜麥品種中L-2、L-3和L-4材料的幼苗葉片葉色變黃，葉綠素含量下降，其中葉綠素a分別比CK降低了28.48%、33.66%和17.99%，葉綠素b分別比CK降低了47.80%、45.08%和13.90%，總?cè)~綠素含量分別比CK降低了33.22%、36.20%和15.99%，而L-1和BL藜麥幼苗葉片葉綠素含量升高，分別比CK升高了29.4%和14.29%。

表1 干旱脅迫對(duì)藜麥幼苗生長(zhǎng)的影響

注：CK、LD、MD、SD分別為土壤含水量為田間持水量的70%～80%、50%～60%、30%～40%和10%～20%;L-1、L-2、L-3、L-4、BL分別為隴藜1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和白藜。同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: CK,LD,MD,SD indicate that the soil moisture content is 70%～80%,50%～60%,30%～40% and 10%～20% of the field water holding capacity, respectively; L-1,L-2,L-3,L-4,BL indicate that Longli No.1, No.2, No.3, No.4 and white quinoa, separately. Different letters in the same column show significant differences (P<0.05). The same below.

注：不同字母表示相同處理不同品種間差異顯著(P<0.05)，下同。 Note: Different letters indicate that there are significant differences among different quinoa varieties under the same treatment (P<0.05), the same below.圖1 干旱脅迫下藜麥幼苗葉片葉綠素含量的變化Fig.1 Effects of drought stress on the contents of chlorophyll of quinoa seedlings

綜上所述，輕度干旱脅迫和中度干旱脅迫促進(jìn)了不同藜麥品種幼苗葉片葉綠素的積累，重度干旱脅迫下部分藜麥品種的幼苗葉片失水，細(xì)胞受損，葉綠素合成受到抑制，但品種L-1和BL葉片葉綠素含量升高，且L-1的升高幅度大于BL，說(shuō)明L-1的耐旱性強(qiáng)于其它4個(gè)品種。

2.3 干旱脅迫對(duì)藜麥幼苗葉片葉綠素初始熒光和最大熒光產(chǎn)量的影響

如圖2A所示，與對(duì)照CK相比，隨著干旱脅迫程度的加劇，5個(gè)藜麥品種幼苗葉片葉綠素初始熒光Fo逐漸降低。LD處理下，除藜麥品種L-2外，其余4個(gè)藜麥品種葉片葉綠素初始熒光Fo較CK分別降低了10.92%、12.50%、6.66%和13.70%，各品種間差異不顯著(P>0.05)。MD處理下，5個(gè)藜麥品種葉片葉綠素Fo較CK降幅較大，分別降低了15.16%、6.85%、16.47%、13.94%和21.10%。SD處理下，5個(gè)藜麥品種葉片葉綠素Fo值最小，較CK分別降低了30.61%、14.56%、31.28%、24.39%和24.16%，且L-2、BL與其它3個(gè)品種間差異顯著。

如圖2B所示，隨干旱脅迫程度的加劇，供試藜麥品種葉片葉綠素最大熒光Fm逐漸降低。LD處理下，供試藜麥品種葉片葉綠素Fm較CK降幅較小，分別降低了6.03%、5.1%、5.46%、3.52%和5.59%。MD處理下，供試藜麥品種葉片葉綠素Fm降低，L-1、L-3與其他3個(gè)品種間差異顯著(P<0.05)，而L-2、L-4和BL間差異不顯著(P>0.05)，其中BL降幅較大，較CK降低了20.34%。SD處理下，供試藜麥品種葉片葉綠素Fm最低，較CK 分別下降了19.11%、16.56%、16.76%、17.67%和22.19%，品種L-1和L-2間差異顯著(P<0.05),而L-1與L-3及L-4與BL間差異不顯著(P>0.05)。

2.4 干旱脅迫對(duì)藜麥葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率的影響

如圖3所示，隨干旱脅迫程度的加劇，藜麥各供試品種葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)較CK均逐漸降低。LD處理下，L-1、L-2、L-3、L-4和BL品種葉片F(xiàn)v/Fm較CK分別下降了2.64%、1.01%、4.47%、3.19%和2.68%。MD處理下，上述5個(gè)供試品種葉片F(xiàn)v/Fm較CK分別降低了3.54%、1.59%、4.79%、3.93%和3.43%，L-1與其他4個(gè)品種間差異顯著(P<0.05)，而L-2與BL及L-3與L-4間差異不顯著(P>0.05)。SD處理下，上述5個(gè)供試品種葉片F(xiàn)v/Fm最低，較CK分別降低了5.73%、4.29%、7.81%、4.58%和3.85%，L-1與其他品種間差異顯著(P<0.05)。

圖2 干旱脅迫對(duì)藜麥幼苗葉片葉綠素初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)的影響Fig.2 Effects of drought stress on Fo and Fm of quinoa leaves

圖3 干旱脅迫對(duì)藜麥幼苗葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率的影響Fig.3 Effects of drought stress on Fv/Fm of quinoa leaves

2.5 干旱脅迫對(duì)藜麥葉片PSⅡ潛在活性的影響

如圖4所示，隨著干旱脅迫程度的加劇，5個(gè)供試藜麥品種葉片PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)較CK均降低。LD處理下，藜麥品種L-1、L-2、L-3、L-4和BL葉片F(xiàn)v/Fo較CK降低了9.83%、6.13%、14.90%、7.12%和8.76%，L-1與其他品種間差異顯著(P<0.05)。MD處理下，5個(gè)供試藜麥品種葉片F(xiàn)v/Fo呈降低趨勢(shì)，較CK降低了11.93%、7.72%、15.59%、9.38%和10.85%，品種L-1與L-3和BL間差異顯著(P<0.05)，而L-2與BL及L-3與L-4間差異不顯著(P>0.05)。SD處理下，藜麥品種L-1、L-2、L-3、L-4和BL葉片F(xiàn)v/Fo最低，較CK分別降低了19.40%、14.93%、24.02%、11.34%和12.11%。

2.6 干旱脅迫對(duì)藜麥葉片PSⅡ非光化學(xué)猝滅系數(shù)的影響

由圖5可知，隨著干旱脅迫程度的加劇，供試藜麥品種葉片PSⅡ非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)呈逐漸升高的變化趨勢(shì)。LD處理下，各供試品種葉片NPQ較CK升高，其中藜麥品種L-4和BL增幅明顯，分別較CK升高了87.95%和154.67%。MD處理下，各供試藜麥品種葉片NPQ較CK增幅明顯，分別升高了61.34%、57.69%、65.91%、162.65%和173.33%。SD處理下，各供試藜麥品種葉片NPQ達(dá)到最大，分別較CK升高了74.79%、161.54%、104.55%、200.00%和196.00%。

圖4 干旱脅迫對(duì)藜麥幼苗葉片PSⅡ 潛在活性的影響Fig.4 Effects of drought stress on Fv/Fo of quinoa leaves

圖5 干旱脅迫對(duì)藜麥幼苗葉片PSⅡ 非光化學(xué)猝滅系數(shù)的影響Fig.5 Effects of drought stress on NPQ of quinoa leaves

3 討 論

3.1 藜麥幼苗生長(zhǎng)和葉綠素含量對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

水是植物生命之源，是物質(zhì)合成、轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸?shù)妮d體[21]。光合作用是綠色植物體內(nèi)有機(jī)物質(zhì)和能量的最終來(lái)源，是植物生物產(chǎn)量形成和生理代謝的基礎(chǔ)，而水分是影響光合作用的重要因素[22-23]。高等植物生長(zhǎng)進(jìn)程中，對(duì)干旱脅迫最敏感的過(guò)程是光合作用[24]。植物葉片葉綠素含量的變化能夠反映植物對(duì)水分脅迫的敏感性，并直接影響光合產(chǎn)量[25-26]。張彥妮等[27]研究表明當(dāng)黃連花幼苗受到干旱脅迫影響時(shí)，幼苗株高降低，葉綠素含量減少。劉建新等[28]研究表明干旱脅迫處理下燕麥幼苗生物量降低。羅杰等[26]研究表明隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)和脅迫程度的加劇，潤(rùn)楠幼苗葉片葉綠素a，葉綠素b及葉綠素a/b呈先增加后降低的趨勢(shì)。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫程度的加劇，供試各品種藜麥幼苗株高和地上部分生物量降低，而根長(zhǎng)和地下部分生物量先增加后降低，LD處理促進(jìn)幼苗根的生長(zhǎng)及生物量的積累。5個(gè)品種藜麥幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b，總?cè)~綠素及葉綠素a/b隨著干旱脅迫程度的加劇而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。分析其原因主要是中度和重度干旱脅迫下，植物細(xì)胞失水，葉綠體遭到破壞，光合作用降低，葉綠素合成受到抑制，光合產(chǎn)物減少，從而抑制幼苗生長(zhǎng)，地上部分生物量下降。

3.2 藜麥幼苗葉綠素?zé)晒馓匦詫?duì)干旱脅迫的響應(yīng)

葉綠素?zé)晒庾鳛楣夂献饔玫奶结?，不僅能夠反映光能吸收、激發(fā)能傳遞和光化學(xué)反應(yīng)等光合作用過(guò)程，而且與ATP合成和CO2固定等過(guò)程密切相關(guān)，幾乎所有光合作用過(guò)程的變化均可通過(guò)葉綠素?zé)晒獗憩F(xiàn)出來(lái)。當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，葉綠素?zé)晒獾淖兓稍谝欢ǔ潭壬戏从抄h(huán)境因子對(duì)植物的影響[29]。在葉綠素?zé)晒鈪?shù)中，F(xiàn)o是測(cè)量光下熒光強(qiáng)度，它可以反映PSⅡ天線(xiàn)色素內(nèi)的最初激發(fā)子密度、天線(xiàn)色素之間以及天線(xiàn)色素到PSⅡ反應(yīng)中心的激發(fā)能傳遞幾率的結(jié)構(gòu)狀態(tài)[30-31]；Fv/Fm可代表PSⅡ原始光能轉(zhuǎn)化效率，其下降表明PSⅡ反應(yīng)中心受到損傷，植物受到光抑制[23,32]；非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ反映了天線(xiàn)色素吸收的光能能否用于光化學(xué)電子傳遞，而用于熱耗散的部分[23,33]。楊霞等[34]研究表明，干旱脅迫下，供試品種的非順序衰老小麥旗葉PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率、Fv/Fm、Fv/Fo均呈下降趨勢(shì)。路之娟等[35]采用盆栽控水法研究表明，隨干旱脅迫的加劇，參試苦蕎品種葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo均下降，不同品種下降幅度不同。Guo等[36]研究表明隨干旱脅迫程度的加劇，黑果枸杞葉片F(xiàn)o和Fv/Fm呈下降趨勢(shì)，NPQ呈升高趨勢(shì)。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫程度的加劇，各供試藜麥品種Fo、Fm、Fv/Fm和Fv/Fo均呈下降趨勢(shì)，其中藜麥品種L-2下降幅度較小，而L-3下降幅度較大；另外，5個(gè)供試品種葉片NPQ隨干旱脅迫程度的加劇呈升高趨勢(shì)，L-2升高幅度較小，BL升高幅度較大。說(shuō)明L-2葉片PSⅡ反應(yīng)中心受干旱脅迫影響較小，而L-3和BL受干旱脅迫影響較大，初步推斷品種L-2耐旱性強(qiáng)于其余4個(gè)供試品種，5個(gè)供試品種中L-3和BL耐旱性較差。

干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究2019年4期

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