祖麗皮耶·托合提麥麥提，徐 敏，亞里坤·努爾，胡 艷，艾力江·麥麥提

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，烏魯木齊 830052）

我國干旱、半干旱地區(qū)的面積約占國土總面積的一半，尤其是在我國的西部和北部地區(qū)，隨著全球氣候變暖的加劇，年降水量少，且季節(jié)分配不均，水資源短缺的形勢更加嚴峻，受到嚴重的干旱威脅，這也是造成西部經(jīng)濟滯后的一個重要原因之一[1,2]。干旱脅迫對作物產(chǎn)量的限制超過所有其他生物和非生物因素的總和，是對生態(tài)系統(tǒng)主要的威脅[3]。近年來，區(qū)域干旱期的頻率和程度一直在增加，預(yù)計許多地區(qū)的情況將會惡化[4]。干旱作為影響植物正常代謝和生長發(fā)育的最主要的非生物脅迫因子之一，對我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和城市綠化建設(shè)造成嚴重的阻礙。因此，研究植物的抗旱機理，提高植物的抗旱能力、使我們對水分脅迫與植物之間存在的所謂脅迫與傷害的關(guān)系有進一步認識，對改進旱地和生物性節(jié)水農(nóng)業(yè)措施等都具有重要的意義。

土壤缺水或干旱時，植物的整體發(fā)育被推遲，降低光合作用和碳水化合物的積累，限制植物的生長，嚴重時會導(dǎo)致代謝紊亂，最終導(dǎo)致植物死亡[5]。光合作用是植物生命活動的物質(zhì)和能量基礎(chǔ)，是對生長環(huán)境最敏感的指標(biāo)之一，干旱是影響植物生長和代謝的第一環(huán)節(jié)[6]。干旱脅迫下植物的水分代謝受到破壞，引起葉綠素分解，影響植物光能電子傳遞，減少葉片的光化學(xué)效率，不能有效轉(zhuǎn)化吸收的光能。另外，氣孔是植物與外界環(huán)境之間水、氣體交換的主要通道,直接控制作物蒸騰光合等生理過程，在干旱脅迫下，調(diào)節(jié)氣孔開閉可減少植物蒸騰量，從而減少水分消耗，但由于氣孔關(guān)閉影響CO2的通量，使光合作用受到抑制[7]，最終生長受到威脅而產(chǎn)量下降[8]。不同植物在干旱脅迫下表現(xiàn)來的形態(tài)、生理代謝等特征不相同，反映出的抗旱能力也不盡相同[9]。因此，研究植物在干旱條件下的生長及光合特性的變化，揭示其抗旱能力，對改進旱地和生物節(jié)水型農(nóng)業(yè)措施等具有非常重要的意義。

黑果腺肋花揪(Aronia melanocarpa)，薔薇科腺肋花楸屬多年生落葉灌木，高約1.5～3.0 m[10]，是一種兼具食用、藥用、景觀美化和生態(tài)保護等功能的珍貴樹種[11]。在果實功能性、物質(zhì)含量水平方面均優(yōu)于藍莓。因此，黑果腺肋花楸果實被譽為“超級食品”“口服的化妝品”，被評為最有價值的水果之一[12]。黑果腺肋花楸20世紀90年代被引入我國，自引進以來研究發(fā)現(xiàn)，黑果腺肋花楸較同科常見樹種具有較強的抗旱能力[13]，在我國干旱、半干旱地區(qū)可以大規(guī)模的推廣栽植[14]。國內(nèi)成規(guī)模的個體或經(jīng)營黑果腺肋花楸苗木、果實或提取物的公司不下數(shù)百家。是我國近期重點推廣發(fā)展的有望成為精準扶貧和鄉(xiāng)村振興的首選經(jīng)濟樹種。前人針對干旱脅迫下黑果腺肋花楸的生長及生理響應(yīng)方面進行了初步的研究[15]，對其在干旱脅迫下生長及光合特性的研究還不夠全面。因此，為了更全面的了解干旱脅迫對黑果腺肋花楸的影響，本研究以1 a生黑果腺肋花楸幼苗為試驗材料，采用盆栽控水法，對其進行不同程度的干旱處理，通過生長及葉片光合特性參數(shù)的變化響應(yīng)進行研究，分析生長和光合特性間的內(nèi)在關(guān)系，探究黑果腺肋花楸生長及光合特性對土壤干旱的響應(yīng)機制，為黑果腺肋花楸在干旱半干旱地區(qū)的廣泛應(yīng)用和推廣奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點及材料

本試驗于2019年5月至9月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院試驗基地大棚內(nèi)進行。

供試材料采用新疆維吾爾自治區(qū)五一農(nóng)場提供的1 a 生黑果腺肋花楸幼苗，進行苗木盆栽控水處理，栽培基質(zhì)為園土、羊糞、營養(yǎng)土(2∶1∶1體積比)。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計。共設(shè)置4個處理，分別為CK：土壤含水量為田間持水量的80%、LS(輕度干旱)：土壤含水量為田間持水量的60%、MS(中度干旱)：土壤含水量為田間持水量的40%、SS(重度干旱)：土壤含水量為田間持水量的20%。每個處理重復(fù)5 次，每個重復(fù)4 盆，每盆1 棵，共80 盆。通過盆栽稱重法每天下午19∶00 時補充失去的水分，使所有處理控制在預(yù)設(shè)的土壤含水量。為防止降雨對土壤水分消耗的干擾，試驗期間塔建簡易的遮雨棚，在降雨前，采用頂部覆蓋塑料薄膜簡易遮雨棚的方法，以防止雨水進入影響試驗結(jié)果，無雨時苗木露天。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標(biāo)的測定

干旱處理第30 d 對每個處理所標(biāo)記的5 株苗木進行株高(Sh H)、莖粗(Sh D)和葉面積(L area)的測定。用直尺測量株高(主莖與土壤交界處到其主莖頂芽的距離)；用游標(biāo)卡尺測量莖粗(主莖與土壤交界處的主莖的粗細度)；使用美國CID Bioscience公司生產(chǎn)的CI-202 Portable Laser Leaf Area Meter 葉面積儀測定葉面積。

生物量的測定于試驗結(jié)束后，每個處理隨機選取長勢均勻一致有代表性的5 棵苗木，用枝剪從主莖與土壤交界處剪斷，隨后將苗木的莖和葉用電子天秤稱其各部分的鮮重，分類裝置信封袋，然后將信封袋放置105 ℃干燥箱中殺青30 min，再80 ℃烘烤72 h至恒重，再用電子天秤稱其地下部分鮮重Fw(R)和地上部分鮮重Fw(T)。根冠比(R/S)為地下部分鮮重與地上部分鮮重的比值。

1.3.2 葉片相對含水量(RWC)的測定

參照王燕凌[16]等飽合稱重法測定。

1.3.3 光合參數(shù)的測定

選擇無云的晴天(9∶00-11∶00)采用美國LI-COR 公司生產(chǎn)的LI-6400 便攜式光合儀測定光合指標(biāo)，使用2×3 cm 紅藍光源葉室，光源強度為1 400 μmol/(m2·s)，每個處理隨機選取3 株，每株測定3 片完全展開且無病蟲害的成熟葉片，每片葉重復(fù)測定3 次。測量參數(shù)包括葉片凈光合速率Pn[mmol/(m2·s)]、氣孔導(dǎo)度Gs[mol/(m2·s)]、蒸騰速率Tr[mmol/(m2·s)]、胞間CO2濃度Ci[μmol/(m2·s)]、水分利用效率WUE(μmol CO2·mmol H2O)。水分利用效率(WUE)為凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)的比值。

1.3.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定日期與光合作用參數(shù)測定的日期保持同一天。采用英國Hansatech 公司生產(chǎn)的FMS-2 型便攜調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x進行熒光參數(shù)的測定。在對應(yīng)的時期提前對葉片進行暗適應(yīng)20 min 后，測定最大熒光(Fm)和可變熒光(Fv)；PSⅡ最大光化學(xué)效率=可變熒光(Fv)/最大熒光(Fm)。

1.3.5 光合色素的測定

采用王文杰等(2019年)二甲基亞砜法[17]。用分光光度計(上海菁華科技有限公司，中國)分別在480、649 和665 nm 3 個波長下測定吸光度值，分別計算葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)及類胡蘿卜素含量(Car)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016 進行整理，各指標(biāo)數(shù)據(jù)均利用SPSS 23.0 軟件進行方差分析，用Origin 2021 軟件進行各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析和繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗生長的影響

2.1.1 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗株高、莖粗、葉面積的影響

由圖1可知，不同程度干旱脅迫處理第30 d黑果腺肋花楸株高、莖粗、葉面積的變化隨著干旱程度的加深均呈現(xiàn)下降趨勢。各處理株高均無顯著差異(P＞0.05)，LS 處理莖粗與CK無顯著差異(P＞0.05)，MS、SS 處理分別較CK 處理下降24%、57%(P＜0.01)。LS 處理葉面積較CK 處理下降11%(P＜0.05)，MS、SS處理較CK分別下降33%、35%(P＜0.01)。

圖1 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗株高、莖粗、葉面積的影響Fig.1 Effects of different drought stress on plant height,stem diameter and leaf area of A.melanocarpa

2.1.2 不同干旱對黑果腺肋花楸幼苗生物量和根冠比的影響

由圖2可知，不同程度干旱脅迫處理第30 d黑果腺肋花楸生物量隨著干旱脅迫程度的加深呈現(xiàn)下降趨勢。LS 處理地下部分生物量達到最大值，較CK 處理無顯著差異(P＞0.05),MS、SS 處理較CK 處理分別降低20%、44%(P＜0.01)。地上部生物量在各處里間差異達到極顯著水平(P＜0.01)，其中SS 處理最小，較CK 處理降低59%，其次是MS 處理，較CK 處理降低39%。根冠比在LS 處理下達到最大，MS 處理次之，分別較CK處理增加44%、34%(P＜0.01)。

圖2 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗生物量和根冠比的影響Fig.2 Effects of different drought stress on biomass and root-shoot ratio of A.melanocarpa

2.2 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗葉片相對含水量的影響

由圖3可知，不同程度干旱脅迫處理第30 d黑果腺肋花楸幼苗葉片在LS、MS 處理下葉片相對含水量為86%、85%，與CK 無顯著差異(P＞0.05)；而SS 處理降幅較大，與其余處理差異顯著(P＜0.05)。

圖3 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗葉片相對含水量的影響Fig.3 Effects of different drought stress on leaf relative water content of A.melanocarpa

2.3 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗光合特性的影響

2.3.1 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗光合及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖4可知，隨著干旱脅迫程度的加深，黑果腺肋花楸幼苗葉片光合參數(shù)均呈逐漸下降趨勢。不同程度干旱脅迫下，Pn、Tr、Gs的降幅有較大差異[圖4(a)～圖4(c)]。LS處理Pn、Tr和Gs較CK 分別降低37.5%、14%、21%，MS 處理較CK 分別降低59%、42%、48%，SS 處理較CK 分別降低87%、46%、79%(P＜0.01)。Ci、WUE的變化規(guī)律基本一致[圖4(d)～圖4(e)]，LS、MS 處理下Ci和WUE較CK 分別減少11%、14%，27%、29%(P＜0.05)，SS 處理黑果腺肋花楸幼苗Ci、WUE達到最小值，較CK 處理分別降低21%、46%(P＜0.05)。在持續(xù)30 d 的LS、MS 處理下Fv/Fm未受干旱的影響(0.88～0.87)，與CK 無顯著差異(P＞0.05)，而SS 處理下Fv/Fm值最低，與CK 差異達到極顯著水平(P＜0.01)。

圖4 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗光合及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.4 Effects of different drought stress on photosynthesis and chlorophyll fluorescence parameters of A.melanocarpa

2.3.2 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗光合色素含量的影響

由圖5可知，隨著干旱脅迫程度的加深黑果腺肋花楸幼苗葉片光合色素呈現(xiàn)不同程度的變化趨勢。LS和MS處理葉綠素a 含量無顯著差異，較CK 處理均降低11%(P＜0.05)、SS 處理較CK 降低22%(P＜0.05)。各處理葉綠素b 含量和總?cè)~綠素含量均無顯著差異(P＞0.05)。類胡蘿卜素含量在干旱脅迫處理間均無顯著差異(P＞0.05)，較CK處理均降低8%(P＜0.05)。LS和MS 處理葉綠素a/b 值無顯著差異，較CK 處理分別降低27%、21%(P＜0.05)，SS處理葉綠素a/b 值最小，較CK 處理降低30%(P＜0.05)。

圖5 不同干旱脅迫對黑果腺肋花楸幼苗光合色素含量的影響Fig.5 Effects of different drought stress on photosynthetic pigment content of A.melanocarpa

2.4 不同干旱脅迫下黑果腺肋花楸幼苗各項指標(biāo)的相關(guān)性分析

不同干旱處理第30 d，對黑果腺肋花楸幼苗生長指標(biāo)、光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及光合色素含量進行綜合相關(guān)性分析表明，部分指標(biāo)的相關(guān)性達到顯著或極顯著水平(見圖6)。Pn、Gs、Tr、Ci、WUE之間均呈極顯著正相關(guān)，其中Pn和Gs、Tr的相關(guān)系數(shù)達到0.90 及以上，Gs和Tr的相關(guān)系數(shù)達到0.94；Chla 與T Chl、Pn、Fv/Fm均呈極顯著正相關(guān)；Chla/b 與Chlb 呈極顯著負相關(guān)。各生長指標(biāo)之間均呈極顯著正相關(guān)；RWC與生物量、Pn呈極顯著正相關(guān)，與R/S呈負相關(guān)。

圖6 不同干旱脅迫下黑果腺肋花楸幼苗各項指標(biāo)的相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis of various indexes of A.melanocarpa under different drought stress

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫會對植物生長和產(chǎn)量都會產(chǎn)生負面影響，脅迫嚴重時甚至?xí)Ｖ股L[18]，而適度的缺水有助于提高植物抵御干旱脅迫的能力[19]。同時，植物的抗旱性與植株的水分狀況有關(guān)，葉片相對含水量能夠反映植物的水分狀況[20]。隨著干旱脅迫加重，植物葉片相對含水量下降，降幅越小，植物抗旱能力越強[21]。在逆境脅迫條件下植物分配給根系的生物量比分配給葉片的要多，因此提高根冠比(R/S)[22]。根冠比(R/S)的變化是衡量生物量分配和忍耐干旱脅迫的重要指標(biāo)[23]。本研究中發(fā)現(xiàn)，黑果腺肋花楸幼苗株高在LS、MS、SS 處理下均與CK 無顯著差異，莖粗、葉面積、地上和地下部分鮮生物量的積累同時降低，但地下鮮生物量降低的程度低于地上部分，LS 處理下黑果腺肋花楸幼苗RWC和R/S達到最大，分別為86%、0.9，MS 處理次之為85%、0.8，R/S均與CK 達到極顯著差異?？梢?，LS～MS 處理(土壤含水量為田間持水量的40%～60%)下，黑果腺肋花楸幼苗能夠保持較高的葉片含水量，且趨于將更多的資源分配給地下部分，以提高根冠比而適應(yīng)干旱環(huán)境，此研究結(jié)果與李陽[24]等對沙棗在干旱脅迫下的研究結(jié)果一致。

光合作用是植物生長的基礎(chǔ)，也是植物耐旱性的指示性評價指標(biāo)之一[25]，植物的光合參數(shù)可具體反映植物對干旱環(huán)境的適應(yīng)能力[26]。氣孔是葉片對外進行氣體交換的門戶，干旱脅迫通過氣孔對植物光合速率的影響包括氣孔和非氣孔限制[27]。Gs的變化對干旱脅迫最為敏感，當(dāng)Gs和Ci均下降，此時Pn的下降主要由“氣孔限制”所引起；如果Gs下降而Ci升高，Pn的下降是由“非氣孔限制”引起的[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的加深，黑果腺肋花楸幼苗葉片Pn逐漸下降，并與Gs、Ci、Tr、WUE均呈極顯著正相關(guān)，說明，黑果腺肋花楸幼苗光合作用的降低主要是由“氣孔限制”引起。此研究結(jié)果與李佳佳[29]等對西紅柿在短期干旱處理下的研究結(jié)果一致。

光合色素是植物進行光合作用的基礎(chǔ)[30]。干旱脅迫下光合色素的合成會受到抑制，從而使葉片中的光合色素含量降低[31]。Chl 對光能的吸收、轉(zhuǎn)換和利用起著重要作用[32]，其含量反映植物生長的狀態(tài)，正常情況下，含量越高，生長越好[33]，Chla反映作物對長波光的吸收程度，Chlb有利于短波光吸收，參與光能傳遞[34]。T Chl 含量在一定程度上可以代表作物光合作用的強度，含量變化表示植物對水分脅迫的敏感性[35]。本研究結(jié)果顯示，不同干旱處理第30 d，黑果腺肋花楸葉片Chla 和T Chl 含量變化趨勢一致，兩者均在CK 處理下達到最大值，LS、MS 處理下次之；Chlb 含量在干旱處理下變化幅度較小，其中LS 處理下達到最大值，與其余處理無顯著差異，Chlb與T Chl含量的相關(guān)系數(shù)為0.013，這說明30 d干旱脅迫并沒有嚴重影響到黑果腺肋花楸Chlb 的含量，T Chl 含量的下降可能是由于Chla 含量降低所致，此結(jié)果與Sayed 對花生的研究結(jié)果一致[36]。前人研究認為，抗旱性越強的品種，隨著干旱脅迫程度的加深，Chla/b 值的變化幅度越小[37]。本研究中CK 處理Chla/b 值高于干旱脅迫處理，其中MS處理Chla/b 值有上升趨勢，這可能是由于Chlb 的降解速度比Chla 小所致，Chla/b值的增大有利于反應(yīng)中心對光能的即時轉(zhuǎn)換，這也是植物適應(yīng)逆境的表現(xiàn)[38]。葉片Car 含量在干旱脅迫處理間均無顯著差異，干旱處理與CK 差異顯著。綜合來看，黑果腺肋花楸在LS～MS 處理(土壤含水量為田間持水量的40%～60%)下葉片光合色素的合成沒有受到太大影響，表現(xiàn)出對干旱脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)。

光合色素吸收的光能驅(qū)動光合作用的光化學(xué)反應(yīng)，這種能量用于光合作用的電子傳遞，但也可以通過熱耗散損失或作為葉綠素?zé)晒庵匦掳l(fā)射[39]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)是光合作用的探針，并可通過測量PSII 最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)監(jiān)測植物所受的脅迫程度[40]。正常生長條件下，植物Fv/Fm值相對穩(wěn)定，植物受到環(huán)境脅迫時Fv/Fm值會迅速下降[41]。本研究中，黑果腺肋花楸幼苗葉片F(xiàn)v/Fm與Chla 和T Chl 含量呈極顯著正相關(guān)，F(xiàn)v/Fm值在LS、MS 處理下分別達到0.89、0.87，并與CK 無顯著差異，SS 處理下葉片Chla 含量和Fv/Fm值下降，與其他處理達到極顯著差異?？梢?，在LS、MS 處理下黑果腺肋花楸幼苗葉片沒有受到太大影響，表現(xiàn)出較強的抵御干旱的能力，而在SS 處理下幼苗葉片受到了一定的傷害。此研究結(jié)果與王愛芳[42]等對白皮松幼苗在干旱脅迫下的研究結(jié)果一致。

綜上所述，脅迫第30 d，不同程度干旱處理均抑制黑果腺肋花楸幼苗的生長和光合能力，各生長指標(biāo)的變化趨勢隨著光合作用的下降而下降。黑果腺肋花楸幼苗在LS～MS處理(土壤含水量為田間持水量的40%～60%)下根冠比最佳，生長健壯，干旱脅迫下黑果腺肋花楸適應(yīng)生長策略更趨向于將更多的資源分配給地下部分，并通過提高葉片PSII 反應(yīng)中心活性和調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度、保持較高的葉片相對含水量來適應(yīng)干旱環(huán)境，在SS(土壤含水量為田間持水量的20%)處理下雖受到較嚴重的影響，但仍能夠生存且維持生長，表明黑果腺肋花楸具有一定的抗旱性。