史瑩瑩，何 棟，姚曉妍，羅 樂，張啟翔

(1.花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點實驗室，北京 100083； 2.國家花卉工程技術(shù)研究中心，北京 100083； 3.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室，北京 100083； 4.北京林業(yè)大學 園林學院，北京 100083)

水分是植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，當其不能滿足植物需要量時，便會造成干旱脅迫。葉綠素熒光能夠用于植被生理、生長及各種脅迫監(jiān)測[1]。近年來，關(guān)于干旱脅迫對葉綠素熒光影響的研究已有大量報道[2-4]。研究表明，干旱脅迫會使葉片PSⅡ的結(jié)構(gòu)與功能受到一定程度的損傷和破壞[5-8]。陳雪妮等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫的加劇，藍莓的初始熒光(Fo)、非光化學淬滅(NPQ)呈上升趨勢，最大熒光(Fm)、最大光化學效率(Fv/Fm)、光化學淬滅(qP)等參數(shù)呈下降趨勢。張國盛等[10]研究發(fā)現(xiàn)，沙柳等固沙樹種的相對光合電子傳遞速率(ETR)、Fv/Fm隨著土壤體積含水量的降低而降低，且Fv/Fm對土壤水分變化響應最為敏感。趙麗麗等[11]對百脈根干旱脅迫的研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫天數(shù)的增加，F(xiàn)v/Fo、Fv/Fm、實際光量子產(chǎn)量(Yield)和qP等熒光參數(shù)均呈下降趨勢，部分百脈根種質(zhì)NPQ呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。可見，葉綠素熒光參數(shù)對干旱脅迫的響應非常敏感。

苦苣苔科(Gesneriaceae)植物種類豐富，地理分布廣泛，中國是世界苦苣苔科分布的一個中心，報春苣苔屬(Primulina)為苦苣苔科的優(yōu)勢屬之一，以葉形奇特、花色艷麗著稱，是重要的觀賞植物資源[12]。目前，人們對報春苣苔屬的研究主要集中在分類系統(tǒng)修訂[13-14]、傳粉生物學[15-16]、新品種選育[17-18]、繁殖栽培[19-21]等方面，部分學者對苦苣苔科植物的發(fā)育及抗逆性相關(guān)的生理生化進行了研究[22-24]，其干旱脅迫下的葉綠素熒光特性的變化未見報道。鑒于此，通過盆栽自然干旱的方法，比較干旱脅迫下4種報春苣苔屬植物的葉綠素熒光變化特點，為其水分栽培管理、抗旱性育種提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗于北京市國家花卉工程技術(shù)研究中心玻璃溫室中進行。采用型號為L99-LXWS的溫濕度照度記錄儀記錄玻璃溫室的最高溫(31.7 ℃)、最低溫(6.0 ℃)、年平均氣溫(18.2 ℃)，相對濕度最大值(100%)、最小值(18.8%)、平均值(78.3%)，光照強度最大值(30 070 lx)、最小值(0)、平均值(1 640 lx)。

采用盆栽自然干旱法，選取生長良好、長勢一致的4種報春苣苔(表1)各36株植株，其基質(zhì)配比為V(草炭)∶V(珍珠巖)=2∶1，栽植于0.17 m×0.15 m的花盆中，緩苗期間保持土壤含水量在75%以上，時間持續(xù)1個月左右。試驗前1 d對所有的植株進行澆水，使基質(zhì)處于飽和含水狀態(tài)，以澆透水后1 d作為干旱脅迫的基點。試驗設(shè)4個處理，每個處理3盆，重復3次，分別在自然干旱0 d(土壤含水量75%以上)、15 d(土壤含水量50%～60%)、30 d(土壤含水量30%～40%)、45 d(土壤含水量10%以下)的固定時間段內(nèi)連續(xù)測定葉綠素熒光參數(shù)，并記錄

表1 研究材料及簡稱Tab.1 Research materials and abbreviations

4種報春苣苔的形態(tài)變化特征。

1.2 葉綠素熒光參數(shù)的測定

在溫室自然遮光的條件下，使用PAM-2500葉綠素熒光儀對葉片進行活體測定，選擇從外輪開始數(shù)的第2輪成熟、健康的3片葉子，試驗重復3次，于8:00開始，11:30結(jié)束，測定開始前，先用暗適應葉夾DLC-8使葉片暗適應15～20 min。測定參數(shù)包括Fo、Fm、Fv/Fm、qP、NPQ、ETR。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010和Graphpad Prism 7.0軟件整理數(shù)據(jù)和作圖，采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析，采用Duncan法進行差異顯著性比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下4種報春苣苔屬植物Fo和Fm的對比

從圖1可以看出，YF、XN、QMX在不同干旱時間的Fo值均無顯著差異(P>0.05)。JE呈先降低后升高的變化趨勢，干旱0、15、45 d之間無顯著差異(P>0.05)，而干旱30 d的Fo值比0 d顯著下降18.3%(P<0.05)。JE、XN在不同干旱時間的Fm值均無顯著差異(P>0.05)；而YF在干旱0、15、30 d之間無顯著變化(P>0.05)，干旱45 d的Fm值比0 d顯著降低12.20%(P<0.05)，QMX的Fm值呈先升高后降低的趨勢，與0 d相比，干旱15、30、45 d均無顯著差異(P>0.05)。

同種植物同一參數(shù)的不同小寫字母表示處理間存在顯著性差異(P<0.05)。圖2—3同

2.2 干旱脅迫下4種報春苣苔屬植物Fv/Fm和ETR的對比

從圖2可以看出，YF在不同干旱時間的Fv/Fm均無顯著差異(P>0.05)。JE呈先升高后降低的趨勢，與0 d相比，干旱15、45 d均無顯著差異(P>0.05)，而干旱30 d的Fv/Fm比0 d顯著增長4.50%(P<0.05)。XN的變化趨勢為先升高后降低，干旱0、30、45 d之間均無顯著差異(P>0.05)，干旱15 d的Fv/Fm比0 d顯著增長3.93%(P<0.05)。QMX呈先升高后降低的變化趨勢，干旱0、15、30 d之間無顯著差異(P>0.05)，干旱45 d的Fv/Fm比0 d顯著下降4.15%(P<0.05)。

從圖2得知，4種報春苣苔的ETR在不同干旱時間內(nèi)均有顯著差異。JE呈先降低后升高的變化趨勢，干旱0 d與45 d無顯著差異(P>0.05)，干旱15、30 d分別比0 d顯著下降18.49%、15.82%(P<0.05)。YF的變化趨勢為先降低后升高再降低，ETR值從高到低的順序依次為0 d>30 d>15 d>45 d，與0 d相比，干旱15、30、45 d分別顯著下降17.40%、7.64%、25.53%(P<0.05)。XN也呈先降低后升高再降低的變化趨勢，干旱0 d與30 d無顯著差異(P>0.05)，而干旱15、45 d分別比0 d顯著下降27.58%、31.46%(P<0.05)。QMX的變化趨勢與XN相同，干旱0 d與30 d無顯著差異，干旱15 d與45 d無顯著差異(P>0.05)，但與0 d相比，分別顯著下降20.03%、17.16%(P<0.05)。

圖2 干旱脅迫對4種報春苣苔屬植物Fv/Fm、ETR的影響Fig.2 Effects of drought stress on four species of Primulina Fv/Fm,ETR

2.3 干旱脅迫下4種報春苣苔屬植物NPQ和qP的對比

從圖3可以看出，4種報春苣苔在不同干旱時間的NPQ值均有顯著變化。JE呈先升高后降低的趨勢，干旱15 d與30 d分別比0 d顯著增長130.00%、104.84%(P<0.05)，干旱45 d的NPQ最低，比0 d顯著降低35.16%(P<0.05)。YF的變化趨勢為先升高后降低再升高，不同干旱時間的NPQ均有顯著差異(P<0.05)，從高到低的順序依次為45 d>15 d>30 d>0 d，干旱15、30、45 d分別比0 d顯著增長274.85%、104.09%、373.68%(P<0.05)。XN呈先升高后降低再升高的變化趨勢，干旱0 d與30 d之間無顯著差異(P>0.05)，干旱15 d與45 d分別比0 d顯著增長71.29%、54.26%(P<0.05)。QMX的變化趨勢與XN相同，與0 d相比，干旱15、45 d分別顯著增長228.23%、175.12%(P<0.05)。

由圖3可知，JE與YF在不同干旱時間的qP均無顯著差異(P>0.05)。XN呈先降低后升高再降低的趨勢，干旱0 d與30 d無顯著差異(P>0.05)，干旱15、45 d分別比0 d顯著下降9.38%、12.54%(P<0.05)。QMX的變化趨勢為先降低后升高再降低，干旱0 d與45 d無顯著差異(P>0.05)，干旱15 d的qP比0 d顯著降低6.92%(P<0.05)，干旱30 d的qP比0 d顯著上升2.64%(P<0.05)。

圖3 干旱脅迫對4種報春苣苔屬植物NPQ、qP的影響Fig.3 Effects of drought stress on four species of Primulina NPQ,qP

3 結(jié)論與討論

3.1 不同干旱時間下Fo和Fm的變化

Fo為初始熒光，也稱基礎(chǔ)熒光，是PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產(chǎn)量[25]，即原初電子受體QA全部氧化時的熒光水平[9]。多數(shù)研究者認為，PSⅡ反應中心的破壞可以導致初始熒光Fo增高，天線復合體的熱耗散可以引起Fo降低[26]；也有學者認為，F(xiàn)o增高未必是反應中心受到破壞的結(jié)果，當引起Fo變化的多種因素同時存在時，其變化的方向取決于占優(yōu)勢的那個因素[27]。本研究中，永福報春苣苔、翔鳥報春苣苔、啟明星報春苣苔隨著干旱脅迫的加重，F(xiàn)o均無顯著變化，表明連續(xù)45 d的干旱脅迫并未對這3種報春苣苔的PSⅡ反應中心造成破壞，其植物體內(nèi)有一系列光破壞防御機制在發(fā)揮作用[7]，也可以說，干旱脅迫并不是Fo變化的主要因素。尖萼報春苣苔在干旱15、45 d時的Fo與0 d無顯著差異，而在干旱30 d時，F(xiàn)o顯著降低，表明尖萼報春苣苔的Fo變化可能存在自我調(diào)節(jié)機制，植物在達到干旱30 d時，體內(nèi)的捕光色素吸收的光能已超過光化學反應的需要，為了避免光合機制受到破壞，天線復合體通過熱耗散途徑把多余光能耗散掉，45 d時尖萼報春苣苔的光合機制又恢復到正常水平。

Fm為最大熒光產(chǎn)量，是PSⅡ反應中心完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量，反映的是通過PSⅡ的電子傳遞情況。Fm的降低是光抑制的一個重要特征，當植物的光合機構(gòu)所接受的光能超過光合作用所能利用的數(shù)量時，光合功能便降低，即所謂的光抑制[8]。本研究中，尖萼報春苣苔、翔鳥報春苣苔和啟明星報春苣苔在不同干旱時間的Fm與0 d相比，均無顯著變化。永福報春苣苔的Fm在干旱45 d時顯著下降，說明長達45 d的干旱使永福報春苣苔的光合功能下降。

3.2 不同干旱時間下Fv/Fm和ETR的變化

Fv/Fm為最大光能轉(zhuǎn)換效率，可以反映光反應中心PSⅡ?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為化學能的效率。Fv/Fm在沒有遭到環(huán)境脅迫時其值是比較恒定的，逆境脅迫時會出現(xiàn)下降現(xiàn)象，降幅越小，發(fā)生光抑制的程度越小，所以該比值被認為是表明光抑制程度的良好指標和探針[9-11]。也有研究表明，在輕度水分脅迫、中度水分脅迫下，沒有光合機構(gòu)持久破壞的證據(jù)，F(xiàn)v/Fm沒有明顯降低的現(xiàn)象[26]，有關(guān)研究證明，對光合作用造成影響的氣孔限制因素并不會影響PSⅡ的初級光化學反應效率[28]。本研究中，連續(xù)45 d的干旱并沒有影響永福報春苣苔的光能利用率，說明干旱脅迫45 d后其光合機制沒有遭到破壞，或者在此期間影響永福報春苣苔Fv/Fm的主要因子為氣孔限制。尖萼報春苣苔在干旱30 d顯著高于0 d，而翔鳥報春苣苔則在干旱15 d顯著高于0 d，且前者的升高幅度大于后者，表明二者分別在干旱30 d和15 d后的光化學效率最佳，但尖萼報春苣苔干旱脅迫后的最佳光化學效率高于翔鳥報春苣苔。啟明星報春苣苔的Fv/Fm值在干旱45 d出現(xiàn)顯著下降趨勢，說明干旱45 d對其最大光能轉(zhuǎn)換效率影響最大，此時的光化學反應速度最慢。

ETR為相對光合電子傳遞速率，在一定程度上可以反映其潛在最大光合能力的大小。有關(guān)試驗證明，水分脅迫可抑制葉綠體的光下質(zhì)子轉(zhuǎn)移，使光合電子傳遞速率下降[29]。本研究中，尖萼報春苣苔在干旱15 d與30 d時的ETR均顯著低于0 d，干旱45 d又升高至與0 d水平相近，表明輕度與中度干旱只影響其相對光合電子傳遞速率，但其潛在最大光合能力并未受到影響，自身可以通過一定時期的調(diào)節(jié)來適應干旱脅迫。永福報春苣苔、翔鳥與啟明星報春苣苔均在干旱45 d時顯著低于0 d，其中翔鳥報春苣苔的降幅最大，表明翔鳥報春苣苔在干旱45 d后的光合電子傳遞速率最慢，其潛在最大光合能力可能更小。

3.3 不同干旱時間下NPQ和qP的變化

NPQ為非光化學淬滅系數(shù)，是植物為了適應長期或較短時間的水分脅迫而加強激發(fā)能的生化機制，其反映的是捕光色素吸收的光能中不用于光化學反應而以熱能形式耗散掉的光能部分，過剩的光能如不能及時耗散掉，將會對光合機構(gòu)造成破壞或使其失活，它是植物的一種自我保護機制，對光合機構(gòu)起一定的保護作用。qP為光化學淬滅系數(shù)，反映的是捕光色素吸收的光能中用于光化學反應的能量，其值越大，說明PSⅡ的電子傳遞活性越大[25]。這2個指標在一定程度上呈負相關(guān)。

4種報春苣苔的NPQ在不同干旱時間呈現(xiàn)先升高后降低或先升高后降低再升高的趨勢，說明干旱初期15 d時，PSⅡ反應中心潛在熱耗散能力增強，從而避免因捕光色素吸收過量光能而引起光合器官的損傷，與0 d相較，永福報春苣苔15 d時的上升幅度最大，表明其在15 d時的熱耗散調(diào)節(jié)能力更強。永福報春苣苔、翔鳥報春苣苔和啟明星報春苣苔在干旱30 d時，NPQ與干旱15 d相比呈下降趨勢，即3種報春苣苔的熱耗散能力降低，而尖萼報春苣苔干旱15、30 d的NPQ仍顯著高于0 d，說明前三者經(jīng)過熱耗散的調(diào)節(jié)后，光化學反應在30 d時恢復正常，相反，尖萼報春苣苔在干旱15、30 d的電子傳遞活性qP值持續(xù)受到輕度影響，體內(nèi)積累過剩的光能，因此NPQ持續(xù)升高，熱耗散能力持續(xù)增強。干旱45 d時，脅迫時間較長，永福報春苣苔、翔鳥報春苣苔和啟明星報春苣苔的NPQ值相應地增大，耗散體內(nèi)剩余光能，其中永福報春苣苔的NPQ值上升幅度最大，比0 d顯著增長373.68%，而翔鳥報春苣苔僅增長54.26%，表明在干旱后期45 d時，永福報春苣苔的熱耗散能力最強，翔鳥報春苣苔相對較弱。較其他3種植物而言，尖萼報春苣苔45 d時的NPQ卻顯著降低，但其qP值無顯著變化，可能是其吸收的光電子全部用于光化學反應，體內(nèi)無過多的光能，也可能由于尖萼報春苣苔體內(nèi)的捕光色素含量降低，影響光電子的吸收。

尖萼報春苣苔、永福報春苣苔在整個干旱期間的qP值均無顯著差異，表明PSⅡ的電子傳遞活性并未受到干旱脅迫的影響。翔鳥報春苣苔和啟明星報春苣苔的qP值均呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢，表明二者的qP值對于干旱脅迫比較敏感，在干旱初期電子傳遞活性均受到輕度影響，光能利用率降低。干旱30 d時，翔鳥報春苣苔的qP值上升至與0 d無顯著差異，而啟明星報春苣苔的qP值顯著高于0 d，說明隨著干旱時間延長，二者逐漸適應缺水環(huán)境，通過自身熱耗散來調(diào)節(jié)光能利用率，但啟明星自身熱耗散調(diào)節(jié)能力強于翔鳥報春苣苔。干旱后期45 d時，翔鳥報春苣苔的電子傳遞活性也比啟明星更慢。