唐華欣,楊永清,蔣海港,劉 偉,李杰林,姚銀安

(1.重慶師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，重慶 401331；2.西南科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽 621000)

水分虧缺是樹木經(jīng)常遭遇的非生物脅迫，樹木等維管植物對(duì)干旱的抗性取決于維管系統(tǒng)在水分脅迫期間維持水分運(yùn)輸?shù)哪芰?。這可以通過兩個(gè)策略來實(shí)現(xiàn)：第一種為保守型用水策略，將氣孔部分關(guān)閉維持一定的水勢，及時(shí)降低葉片蒸騰來實(shí)現(xiàn)，其副作用是降低光合速率，這種策略也被稱為等水調(diào)節(jié)對(duì)策。第二種為冒險(xiǎn)型用水策略，水分虧缺條件下隨著葉氣飽和水汽壓差(VPD)的增加，葉水勢降低，從而維持土壤到達(dá)葉片的水分驅(qū)動(dòng)力；其光合作用、氣孔導(dǎo)度和蒸騰水平仍然保持在較高水平，其副作用是水分散失較快；這種策略也被稱為非等水調(diào)節(jié)對(duì)策。一些樹種兼有上述兩種策略，一些植物甚至在不同階段采用不同用水策略[1-2]。

當(dāng)干旱達(dá)到一定程度后木質(zhì)部液流發(fā)生空穴化而導(dǎo)致植物導(dǎo)水率下降，產(chǎn)生栓塞現(xiàn)象。木質(zhì)部出現(xiàn)栓塞后，植物恢復(fù)速度減慢，植物死亡率上升。木質(zhì)部栓塞是理解和預(yù)測植物耐旱性的關(guān)鍵特征[3]。植物抗栓塞能力已成為評(píng)估植物耐旱性重要指標(biāo)，這種能力通過栓塞脆弱性曲線(vulnerability curve，VC)來反映，該曲線描述木質(zhì)部水勢與栓塞程度的關(guān)系。雖然植物抗栓塞能力作為上述水勢調(diào)節(jié)的水力學(xué)指標(biāo)近年來受到研究者的關(guān)注，但是不同用水策略樹種的氣孔氣體交換過程如何響應(yīng)木質(zhì)部栓塞作用研究甚少。

研究對(duì)溫帶地區(qū)分布較廣的7種典型樹種，雞爪槭(Acerpalmatum)、赤皮青岡(Cyclobalanopsisglauca)、北美紅杉(Sequoiasempervirens)、遼東冷杉(AbiesholophyllaMaxim.)、歐美黑楊(Populusnigra)、麻櫟(Quercusacutissima)和云杉(PiceaasperataMast.)進(jìn)行研究，采用自然干燥法分析其木質(zhì)部栓塞特性。對(duì)上述7種盆栽植物進(jìn)行控制水分條件的干旱脅迫處理，根據(jù)木質(zhì)部栓塞VC曲線創(chuàng)造導(dǎo)水率損失率在50%～80% (P50-P80水勢)的中度-重度干旱條件，分析葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)。揭示不同水分調(diào)節(jié)樹種的栓塞特性，明確在不同栓塞信號(hào)條件下兩種樹種的水分/固碳調(diào)節(jié)特點(diǎn)，以及相應(yīng)的光化學(xué)響應(yīng)特征。

1 材料與方法

1.1 材料

雞爪槭、赤皮青岡、北美紅杉、遼東冷杉、歐美黑楊、麻櫟和云杉等7種木本植物為研究對(duì)象，共選取生長相對(duì)一致的7個(gè)物種盆栽幼苗共105盆。

1.2 方法

1.2.1 木質(zhì)部栓塞脆弱性測定

2020年6月至7月，于早晨6：00—7：00進(jìn)行采樣。采用改良的自然干燥法，測定枝條VC曲線。選取各樹種間的個(gè)體株高、基莖在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有顯著差異，剪取一年生枝條至少10枝后，將枝條立刻插入裝有清水的桶中，并且用黑色塑料袋進(jìn)行遮光帶回實(shí)驗(yàn)室。使用便攜式植物水勢壓力室測定其水勢，沖洗法測定枝條導(dǎo)水率[4]。

1.2.2 干旱脅迫環(huán)境中氣體交換指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

7種植物每種植物15盆，將每種植物分成3組，放置在具有鈉燈補(bǔ)光系統(tǒng)的溫室內(nèi)進(jìn)行控制處理；所有植物在脅迫處理前一天的傍晚將試驗(yàn)盆澆透水，使土壤達(dá)到飽和含水量，然后在第二天黎明前進(jìn)行葉水勢測定[黎明前Ψleaf與土壤水勢(Ψsoil)達(dá)到平衡]。并于當(dāng)日上午9：00—11：00選取每株植株的成熟功能葉第3～8張中部，采用LI-6800全自動(dòng)便攜式光合儀測定植物葉片氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，對(duì)照組始終維持土壤飽和含水量，另兩組不再澆水進(jìn)行持續(xù)干旱，每天測定7種植物的葉水勢直到導(dǎo)水率損失率在50%或者80%的對(duì)應(yīng)水勢；光照環(huán)境在11：00遮蔭維持散射光條件，溫濕度與凌晨相同，使其葉水勢在測定期間維持穩(wěn)定。

試驗(yàn)進(jìn)行3種水分處理：對(duì)照(CK)，干旱脅迫(P50：導(dǎo)水率損失50%、P80：導(dǎo)水率損失80%)。每個(gè)處理5盆，每盆1株。在脅迫前1 d進(jìn)行第1次測定，之后不再澆水，在水勢達(dá)到P50時(shí)測定第2次，在水勢達(dá)到P80時(shí)測定第3次，共測定3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用R Studio和Microsoft Office Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并制作相關(guān)圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種的導(dǎo)水率損失與栓塞特點(diǎn)

7種溫帶樹種的VC曲線，以水勢為自變量，木質(zhì)部導(dǎo)水率損失百分?jǐn)?shù)(PLC)為因變量，使用單威布爾函數(shù)進(jìn)行回歸繪制，計(jì)算水勢的置信區(qū)間時(shí)采用bootstrap方法。木質(zhì)部水勢絕對(duì)值與植物栓塞程度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)水勢降低時(shí)，導(dǎo)水率損失率上升，木質(zhì)部的栓塞程度也會(huì)隨之增加。

歐美黑楊VC曲線表現(xiàn)為較典型“S”型，說明在輕度干旱條件下，歐美黑楊能維持較低的PLC水平。與歐美黑楊相反，其余6種樹種VC曲線均表現(xiàn)出“R”型(圖 1)。P50越小表明其達(dá)到50%導(dǎo)水率(從而顯著影響植物正常功能)的水勢越低、干旱程度越嚴(yán)重，因此抗栓塞脆弱性越強(qiáng)。通過表1總結(jié)7種樹種的P50栓塞脆弱抗性依次為麻櫟<遼東冷杉<歐美黑楊<北美紅杉<云杉<雞爪槭<赤皮青岡。

圖1 7種溫帶樹種木質(zhì)部導(dǎo)水率損失百分?jǐn)?shù)PLC和枝條水勢的VC曲線Figure 1 VC curve of the percentage loss of water conductivity (PLC) in xylem and branch water potential of 7 temperate tree species

表1 7種溫帶樹種栓塞VC曲線的特征值Table 1 Eigenvalues of embolic VC curves of seven temperate tree species

導(dǎo)水率損失88%是植物生存的臨界栓塞水平，可以看出極端栓塞對(duì)應(yīng)的P88水勢從大到小依次為歐美黑楊<麻櫟<遼東冷杉<云杉<北美紅杉<雞爪槭<赤皮青岡，與P50順序基本一致。從P88的變化可以看出，赤皮青岡、雞爪槭和北美紅杉都具有較高的耐低導(dǎo)水率、耐極端干旱能力，而歐美黑楊、麻櫟兩種被子植物最低，兩種松科類裸子植物居中。云杉導(dǎo)水率損失率最低僅為86%，顯示其對(duì)維持生存的忍受能力甚至弱于通常樹種88%的導(dǎo)水率。綜上7種樹種的栓塞抗性順序?yàn)槁闄?歐美黑楊<遼東冷杉<云杉<北美紅杉<雞爪槭<赤皮青岡。

2.2 不同樹種在不同栓塞條件下的氣體交換特點(diǎn)

從圖2可知，7種植物達(dá)到木質(zhì)部導(dǎo)水率降低50%和80%所需時(shí)間天數(shù)與其抗栓塞能力一致。表明其栓塞特點(diǎn)能夠很好地預(yù)測植物抗旱性。

圖2 7種溫帶樹種P50水勢對(duì)應(yīng)達(dá)到P50或P80時(shí)的天數(shù)Figure 2 For 7 temperate tree species,P50 water potential corresponds to the number of days at P50 or P80

從表2可以看出：與CK相比，維持50%木質(zhì)部導(dǎo)水率(P50)的中度干旱條件下，不同樹種的氣孔導(dǎo)度(gs)下降程度差異明顯。雞爪槭和遼東冷杉兩種植物維持了對(duì)照組62%～75%水平，表現(xiàn)出明顯的“維持氣孔導(dǎo)度”非等水植物特點(diǎn)；相反，赤皮青岡、歐美黑楊、麻櫟、北美紅杉等gs深度下降達(dá)到對(duì)照水平的15%～30%，表現(xiàn)出等水植物調(diào)節(jié)行為特征，尤其是北美紅杉；云杉介于上述兩類型中間。同時(shí)，考察P50條件下的蒸騰速率(E)和凈光合速率(A)，非等水物種雞爪槭同樣維持了60%以上的水平；而另一個(gè)非等水植物遼東冷杉盡管維持了對(duì)照75%的氣孔導(dǎo)度(gs)，然而蒸騰速率(E)和凈光合速率(A)和其他等水植物一樣，僅為對(duì)照組的25%～15%。中間型樹種云杉雖然維持了對(duì)照組40%～50%的氣孔導(dǎo)度(gs)和蒸騰速率(E)水平，凈光合速率(A)仍然深度下跌，導(dǎo)致其水分利用效率降低到對(duì)照的25%水平。而歐美黑楊和北美紅杉提高了50%的水分利用效率(WUEi)，其他樹種保持了對(duì)照組水平。

表2 7種溫帶樹種在不同栓塞條件下的氣體交換特點(diǎn)Table 2 Gas exchange characteristics of 7 temperate tree species under different embolization conditions

P80重度干旱條件僅保持20%木質(zhì)部導(dǎo)水率水平；歐美黑楊葉片凋落進(jìn)入休眠，多數(shù)樹種如雞爪槭、赤皮青岡、麻櫟、云杉進(jìn)一步降低了gs、E，但深度降低了A，導(dǎo)致WUEi大幅度下降；表明生化限制等非氣孔因素構(gòu)成這些物種嚴(yán)重栓塞下的生存障礙。而北美紅杉同步降低了gs、E、A，因此保持了對(duì)照水平WUEi。遼東冷杉進(jìn)一步降低了蒸騰速率，卻維持或提升了gs、A和WUEi水平。暗示這兩種樹種在極端栓塞條件下生化水平還沒有受到顯著影響。

至于胞間CO2濃度(Ci)，在P50條件下，7個(gè)物種幾乎都提高了13%～30%；P80條件下除了北美紅杉提高了40%左右外，其他物種提高了70%～100%。

2.3 不同樹種在不同栓塞條件下的光化學(xué)響應(yīng)

由表3可知，在P50和P80栓塞水平下，植株的熒光相關(guān)參數(shù)發(fā)生顯著變化。暗適應(yīng)下PSII反應(yīng)中心完全開放時(shí)的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSII天線效率(Fv′/Fm′)表征的光照下開放的PSII反應(yīng)中心激發(fā)能捕獲效率出現(xiàn)明顯下降，趨勢十分相似，都隨著栓塞程度的加深逐漸降低。Fv′/Fm′被建議用作考察植物在中重度干旱條件下植物生存的表觀指標(biāo)；然而研究中發(fā)現(xiàn)P80重度脅迫條件下除麻櫟外其他樹種與P50沒有顯著差異，P50與CK相比僅有3個(gè)樹種有明顯差異，顯示該指標(biāo)很難作為栓塞脅迫的預(yù)測指標(biāo)。

表3 7種溫帶樹種在不同栓塞表型下的光化學(xué)分析Table 3 Photochemical analysis of 7 temperate tree species under different embolic phenotypes

光照條件下PSII實(shí)際的光化學(xué)量子效率ΦPSII在4種闊葉植物(雞爪槭、赤皮青岡、麻櫟、歐美黑楊)中隨導(dǎo)水率下降而梯度下降，而在3種松科/杉科針葉植物中沒有顯著變化。相反，所有物種非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)呈現(xiàn)出隨栓塞脅迫而上升；說明隨著栓塞脅迫程度的加深，PSII反應(yīng)中心中的熱耗散逐漸增強(qiáng)。

3 討論

有研究表明，植物木質(zhì)部的抗栓塞能力與其抗旱能力有密切聯(lián)系，抗旱能力更高的植物在低水勢條件下，木質(zhì)部仍然具有較高的導(dǎo)水能力[5]。但也有研究認(rèn)為，這只是植物節(jié)約水分的一種耐旱策略，植物木質(zhì)部栓塞脆弱性與抗旱性之間的相互關(guān)系并不明顯[6]。研究對(duì)植物重度干旱下達(dá)到P80的時(shí)間點(diǎn)與木質(zhì)部栓塞脆弱性抗性呈正相關(guān)，支持了前一種觀點(diǎn)。

自Tardieu等[7]提出等水植物和非等水植物觀點(diǎn)以來，對(duì)兩類植物類型的劃分一直存在爭議。對(duì)等水植物和非等水植物的劃分一般通過明確葉片水勢和gs的關(guān)系來確定，研究同樣遵循這個(gè)原則來確定，通過P0、P50、P80等3個(gè)時(shí)點(diǎn)來確定其屬于等水還是非等水植物。Klein等[8]總結(jié)了70種樹種氣孔導(dǎo)度降低50%對(duì)應(yīng)的葉水勢(Ψgs50)，認(rèn)為植物水分調(diào)節(jié)對(duì)策是一個(gè)連續(xù)體，而非截然劃分成兩類，并發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水率損失點(diǎn)P50水勢與Ψgs50成線性正相關(guān)，提示可以采用P50條件分析植物氣孔的水分調(diào)節(jié)行為，盡管Andereggl等[9]總結(jié)了34種植物發(fā)現(xiàn)等水植物的木質(zhì)部導(dǎo)水率損失值達(dá)到50%時(shí)其氣孔導(dǎo)度顯著低于50%。因此，研究將處于P50條件下氣孔導(dǎo)度降低幅度40%～60%稱為中間型。通過歸類已經(jīng)發(fā)表的P50和氣孔導(dǎo)度/蒸騰速率損失率關(guān)系，支持這個(gè)劃分方法。

其中較特殊的物種是遼東冷杉，按照定義，本研究和Klein等[8]的報(bào)道均將遼東冷杉類植物歸為非等水行為調(diào)節(jié)樹種。然而，在P50情況下，盡管物種gs僅降低了25%，其E卻降低了80%；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)其他6種植物E與gs保持同步變化，而遼東冷杉的E/gs比例在對(duì)照條件下遠(yuǎn)高于其他樹種，干旱處理后大幅度降低，表明該樹種氣孔調(diào)節(jié)能力遠(yuǎn)低于其他物種。這可能與該類冷杉屬物種主要生長于光照較低的陰坡，喜歡陰冷濕潤氣候有關(guān)。有研究將中間型樹種云杉?xì)w入非等水調(diào)節(jié)行為樹種，該物種損失50%的木質(zhì)部導(dǎo)水率情況下仍然保持了50%的E和40%的gs，然而該物種在P50干旱脅迫下A下降很快，導(dǎo)致其P50干旱條件下WUEi大幅度下降到對(duì)照的25%，P80條件下A僅對(duì)照的5%，表明該樹種在中度和重度干旱情況下都受到嚴(yán)重的非氣孔限制，該樹種在P50條件下Fv′/Fm′的極顯著下降證明了這一點(diǎn)。此外，該樹種維持生存的導(dǎo)水率損失閾值PLC甚至弱于通常樹種88%臨界點(diǎn)，反映了這種在濕潤條件下生長的樹種對(duì)栓塞忍受能力很弱。

雞爪槭在P50條件下同步維持了較高的gs、E、A，表明在導(dǎo)水率降低了50%條件下維持了碳最大化的冒險(xiǎn)型水分調(diào)節(jié)對(duì)策。研究發(fā)現(xiàn)北美紅杉導(dǎo)水率下降的情況同歐美黑楊一樣能夠快速響應(yīng)外界干旱，大幅度降低gs和E，通過提高WUEi來維持生存，反映了北美紅杉作為一種高達(dá)百米、樹齡長至上千年的古老樹種的保護(hù)型生存策略。同時(shí)，北美紅杉和赤皮青岡在極端干旱下還具有很強(qiáng)的耐低導(dǎo)水率和耐強(qiáng)栓塞脅迫特點(diǎn)。作為環(huán)境脅迫信號(hào)指標(biāo)，兩種植物的Fv′/Fm′在P50/P80脅迫條件下變化較小，證實(shí)兩個(gè)樹種的葉綠體天線色素仍然保持了正常的光能捕獲效率。赤皮青岡具有最強(qiáng)的栓塞脆弱性抗性，作為常綠樹種，具有7種典型樹種最高的光化學(xué)效率(ΦPSII)和較高的A，表明這種以優(yōu)良材質(zhì)著稱的紅木樹種在生長和抗旱性方面具有優(yōu)勢，這也是其能千年生存的原因之一。

研究表明樹種耐旱能力與其水分調(diào)節(jié)對(duì)策沒有很強(qiáng)的相關(guān)性，Quero等[10]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。即使同屬植物如櫟屬，也具有耐旱性相反的樹種(如赤皮青岡和麻櫟)。研究表明麻櫟對(duì)干旱非常敏感，具有較高的栓塞脆弱性，這可能是導(dǎo)致該樹種樹干上節(jié)較多的原因。

光化學(xué)參數(shù)中，最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)反映了PSII的潛在光化學(xué)效率與實(shí)際光化學(xué)效率，ФPSII反映了PSII的電子捕獲能力，這也是光合速率的另一種體現(xiàn)[11]。非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)表征熱耗散的大小，可以準(zhǔn)確衡量PSII類囊體薄膜的捕光復(fù)合體所吸收的不能用于光化學(xué)反應(yīng)而以熱能形式耗散的那部分光能，這是為了避免光合器官灼傷的自我保護(hù)機(jī)制[12]。有研究表明Fv′/Fm′是判斷植物生長狀況的關(guān)鍵指標(biāo)[13]。在本研究結(jié)果中，當(dāng)植物處于干旱脅迫逆境后，7種植物的光下最大熒光(Fm′)逐漸減小，光能捕獲效率(Fv′/Fm′)逐漸降低，與對(duì)照組形成差異。這可能是在干旱脅迫環(huán)境下，植物的PSII系統(tǒng)被破壞，開放程度降低，導(dǎo)致原初光能捕獲效率下降、電子傳遞活性減小，從而導(dǎo)致光合效率的降低。前人認(rèn)為Fv′/Fm′可以作為重度干旱瀕死的預(yù)測指標(biāo)，但是基于導(dǎo)水率損失值PLC的研究表明：即使在達(dá)到瀕臨生存危險(xiǎn)的處理下其變化不大[14]。而胞間CO2濃度(Ci，非常用的Fv′/Fm′)對(duì)木質(zhì)部栓塞程度具有一致的響應(yīng)，致死條件下可作為干旱下栓塞預(yù)測指標(biāo)[15]。胞間CO2濃度(Ci)可綜合反映植物非氣孔限制和光合生化障礙等，植物葉肉細(xì)胞光能力降低CO2利用能力降低，表現(xiàn)為Ci升高[16],劉英等[17]的研究在土壤含水量更低的情況下檸條葉片中Ci上升，與我們研究結(jié)果一致?？紤]到測定栓塞和VC曲線比較繁復(fù)，Ci變化可以作為干旱下栓塞程度預(yù)測指標(biāo)。

4 結(jié)論

研究表明樹木的水分調(diào)節(jié)方式與其抗栓塞能力和抗旱性關(guān)系不大。基于PLC設(shè)計(jì)抗旱性試驗(yàn)?zāi)軌蚯宄从撤N間水分調(diào)節(jié)和抗旱性差異，有助于理解樹木適應(yīng)中度以上干旱強(qiáng)度的生存機(jī)制。種間分析表明：胞間CO2濃度(而非常用的Fv′/Fm′)對(duì)木質(zhì)部栓塞程度具有一致的響應(yīng)，可作為干旱下栓塞預(yù)測指標(biāo)。建議在今后研究植物木質(zhì)部栓塞脆弱性與抗旱性關(guān)系時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)導(dǎo)管結(jié)構(gòu)和植物生長量、生長特性、生長速率以及外界條件等方面結(jié)合起來研究。