不同生态型铺地黍光合特性对干旱胁迫的响应

李志丹，李婷婷，黄绮玉，黄晓燕，曾小龙，高桂娟，韩瑞宏

（1.广东第二师范学院 环境教育研究所，广东 广州510000；2.广东省梅州市平远县实验中学，广东 梅州 514000；3.仲恺农业工程学院，广东 广州 510000）

水分胁迫影响植物的生长发育，造成作物严重减产［1］。作为一种多维胁迫，干旱能够引起植物从表型、生理、生化和分子水平的一系列变化。而光合作用作为绿色植物最重要的生理活动，易受周围环境的影响，其中水分胁迫是最为显著的一种限制因素［3-4］。因此探索植物的抗旱性对研究植物的耐旱机制和培育耐旱植物等方面具有重要意义。

植物在受到水分胁迫后，净光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、气 孔 导 度（Stomatal conductance，Gs）和蒸腾速率（Transpiration rate，Tr）均呈现下降趋势［10］，这是由于水分胁迫造成植物光合器官受到损害，破坏了叶绿素的合成，从而抑制光合作用的正常工作，这一系列变化都体现了植物光合作用对外界环境的适应［11］。如在水分胁迫下烟草（Nicotiana tabacum）叶片叶绿素含量（Content of chlorophyll， Chl）、Pn、Gs、胞间CO2浓度（Intercellular CO2concentration，Ci）和Tr均降低，叶片气孔限制值增加，水分利用率、瞬间光能利用率均降低［12］。对玉米进行水分胁迫实验也表明，玉米在受到胁迫后花环结构发生明显的变化，花环结构的变化导致Gs、Pn和Tr都逐渐降低，Ci随着水分胁迫程度的增加而降低，而后由于光合作用碳同化过程CO2利用量的减少而升高［13］。

光能的捕获和能量的利用平衡是光合系统对水分胁迫反应的核心［14］。干旱会引起光系统 Ⅱ反应中心失活，叶绿素荧光参数变化不仅受干旱影响，而且与叶绿素含量显著相关［15］。吕芳德的研究表明，在6 h 的干旱水分胁迫处理下，美国山核桃（Carya illinoinensis）叶片在黑暗下的初始荧光［Initial fluorescence（dark），Fo］、最大荧光［Maximum fluorescence （dark），Fm］和最大光化学效率（Maximum photochemical efficiency，Fv/Fm）等均有所下降，但降幅不大，非光化学淬灭系数（Non-photochemical quenching coefficient，NPQ）显著上升，这说明其在遭受水分胁迫后，叶片的光系统II 反应中心电子传递活性受到伤害，光合电子传递速率明显下降［16］。叶绿素含量和荧光参数可以作为评价不同基因型对水分响应差异最有效的指标［17］。如水分胁迫显著改变小麦的叶绿素荧光参数变化［18］，水分胁迫下抗旱型紫花苜蓿 （Medicago sativa）光合机构损伤及膜脂过氧化程度较轻，且品种差异具有较大的主导作用［19］。

铺地黍（Panicum repensL.）属于禾本科多年生草本植物，广布于热带、亚热带地区，多生于路边、坡地和近海沙地上。在美国佛罗里达州，铺地黍是主要的湖滨湿地植物［20］；其在矿区也能生长良好，并具一定吸收重金属的能力［21］，在埃及北部，铺地黍则是重要的盐碱地治理植物［22］。前期研究表明铺地黍具有很强的抗旱、 耐淹性，可耐受46 d 的连续干旱及9 个月以上的全淹状态［23-24］，应用于受损消涨带的生态重建有着巨大潜力。前期对采集的29 种生态型铺地黍的重金属耐受特性和水分胁迫下的表现进行了研究，初步确认了铺地黍重金属耐受范围和水分胁迫响应特征及不同地域铺地黍生态型的抗逆性表现差异［25-26］，但对于铺地黍对水分胁迫的适应机制尚缺乏系统研究。因此选择整体表现突出且地域差异较大的海南、广东两种生态型铺地黍作物材料，探究铺地黍光合特性、光系统II光化学活性对水分胁迫的响应，比较两种生态型铺地黍对水分胁迫的适应能力，以期揭示铺地黍光合系统对水分胁迫的响应特性。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为两种铺地黍生态型，分别采集自广东省广州市番禺区公路边（E-guangdong，22°79' N，113°41'E）及海南省儋州市郊区山坡 （E-hainan，19°30'N，108°51'E）。

1.2 试验设计

试验时间为2019年9月～2021年1月，试验场地设在户外防雨棚下，空气正常流通，顶棚采用透光玻璃遮雨。采用盆栽方式（规格为直径23.5 cm，高17 cm 的圆形），试验土壤为广州市花都区稻田土（土壤含水量54.25%为田间最大持水量，土壤pH 5.78，有机质含量3.21%，总氮含量1.12 g·kg-1，总磷4.89 g·kg-1），每盆装风干土6 kg。每个生态型采用提前培养的同一株系克隆材料，选取长势均一、健康无病虫害的繁殖体，剪取2 节，扦插到塑料盆内，每盆一株，正常培养30天，待植株完全成活，正常生长，高度达到10 cm，开始干旱胁迫处理。

采用单因素随机区组实验设计，设3 个水分梯度，分别为对照CK：田间最大持水量50%（土壤含水量27.13%）；中度干旱胁迫：田间最大持水量30%（土壤含水量16.28%）；重度干旱胁迫：田间最大持水量15%（土壤含水量8.14%）。两个生态型铺地黍每个处理10 个重复，共60 盆。采用称重差值法控水，每天同一时间（18：00）称重浇水，确保土壤水分含量始终保持在试验设定的范围内。

1.3 测定指标与方法

试验处理3周后，铺地黍表现出胁迫反应，开始测量各项指标。植株高度和分枝数采用常规测量方法，每个处理选取5 株测定，取平均值；每个处理选取5株，选成熟叶片，采取乙醇浸提比色法测定叶绿 素 含 量［27］，包 括 叶 绿 素a（Chl-a）、叶 绿 素b（Chl-b）、叶 绿 素a+b（Chl-a+b）；每 个 处 理 选 取5 株，取成熟叶片，用便携式光合仪（LI-6400XT，LI-COR，USA）测定光合气体交换参数和叶绿素荧光参数，每株测定重复3 次。光合气体交换参数测定时间为10：00～12：00，测定时采用开放式气路，温度和湿度为自然温度和自然湿度，红蓝光源控制光强为1 300 μmol·m-2·s-1。测定光合指标Pn、Ci和Tr，计算叶片水分利用效率（Water use efficiency，WUE）［28］。

叶绿素荧光参数测定时间为 8：00～10：00，在自然温度和湿度下测定，主要在暗适应1 h 后测定其Fo、Fm；在1 300 μmol·m-2·s-1光强下进行光适应1 h，测定光下初始荧光［minimal fluorescence（light），Fo'］、光下最大荧光［Maximum fluorescence（light），Fm'］等指标。并计算光化学效率（Actual photochemical efficiency，ΦPSII）、Fv/Fm、NPQ及光化学淬灭系数（Photochemical quenching coefficient，qP）参数［29-30］，计算公式如下：

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2020和SPSS 19.0软件进行数据处理和作图，单因素方差分析用于评价同一生态型在不同水分处理条件下的差异显著性（P＜0.05），多重比较采用最小显著差异法。T 检验方法用于比较同一水分处理条件下两种生态型之间的差异显著性（P＜0.05）。

1288 Research focus of critical care medicine: a study based on Web of Science retrieve and bibliometrics

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下的铺地黍形态特征变化

铺地黍的分枝数和植株高度变化在两种生态型之间的差异性比较大（图1），整体上，采集于广东的E-guangdong表现优于采集于海南的E-hainan。

图1 两种铺地黍生态型在不同水分处理条件下的形态特征变化Fig.1 Change of morphological characters of torpedograss under different water stress between two ecotypes

E-guangdong 的植株高度在CK、中度和重度干旱胁迫下分别达到43.67 cm、21.33 cm 和51.00 cm，均显著高于同一干旱胁迫梯度下的E-hainan 株高（23.00 cm、47.33 cm 和23.67 cm）。而与植株高度相反，E-guangdong 的分枝数均显著低于同一干旱胁迫梯度下的E-hainan 值。 相对于对照，中度和重度干旱胁迫处理反而促进了铺地黍高度生长。方差分析结果显示， 在中度和重度干旱胁迫下，E-guangdong 和E-hainan 的植株高度均显著高于CK条件下的对应值。E-hainan的分枝数随干旱程度增加变化不大。

2.2 干旱胁迫下的铺地黍叶绿素含量变化

针对不同水分处理梯度之间的变化，E-guangdong 的Chl-a、Chl-b 和Chl-a+b 均表现为：CK＞重度＞中度，E-hainan 表现为：重度＞CK＞中度。即E-hainan叶绿素含量的最高值均出现在重度干旱处理条件下，分别为1.47、0.43 和1.90 mg/g，并显著高于CK 和中度处理。E-guangdong 的表现有所不同，其叶绿素含量最高值均出现在对照，并高于中度和重度处理。其中，CK 条件下的Chl-a 和Chl-a+b含量同时显著高于重度干旱处理（图2）。

图2 两种铺地黍生态型在不同水分处理条件下的叶绿素变化Fig.2 Change of chlorophyll content of torpedograss under different water stress between two ecotypes

针对两种生态型之间的差异性比较得出，Eguangdong 在CK 条件下的Chl-a、Chl-b 和Chl-a+b显著高于E-hainan，而在重度和中度干旱处理条件下，两种生态型之间的差异均不显著。

在干旱胁迫下，供试的两种铺地黍生态型在形态特征和生理特性方面的表现差异性很大。根据广东生态型的测定值相比较海南生态型的变化率（图3），E-guangdong的横向分枝能力远高于E-hainan，其在CK、中度和重度干旱处理的分枝数较Ehainan分别提高了105.80%、84.51%和139.06%。同时，E-guangdong 的Chl-a、Chl-b 和Chl-a+b 均显著高于E-hainan，尤其是CK 条件下的Chl-b 含量提高了43.18%。而E-guangdong 的向上生长能力却弱于E-hainan，变化幅度相对较小，分别为-33.97%，-24.46%和-18.53%。

图3 各指标变量中，广东生态型的测定值相比较海南生态型的变化率Fig.3 Rate of change of all tested variable of E-guangdong to E-hainan

2.3 干旱胁迫下铺地黍叶片光合气体交换参数的变化

两种生态型铺地黍光合气体交换参数Pn、Gs、Ci、Tr随胁迫程度增加均呈现递减趋势（图4）。重度干旱处理下，两种生态型铺地黍各光合参数均显著低于CK，E-guangdong各光合参数较CK分别下降了30.10%（Pn）、47.59%（Gs）、 42.03%（Ci）、59.39%（Tr）；E-hainan 各光合参数较CK 下降了 44.76%（Pn）、52.94%（Gs）、33.70%（Ci）、61.50%（Tr）。中度干旱处理下，两种生态型铺地黍的上述四种光合气体交换参数除Pn外均与重度处理差异显著（P＜0.05），但与CK的差异均不显著。

图4 两种铺地黍生态型在不同水分处理条件下的叶片气体交换参数变化Fig.4 Change of leaf gas exchange of torpedograss under different water stress between two ecotypes

两种生态型铺地黍间对比，E-guangdong 四种光合气体交换参数均高于E-hainan。但除在重度干旱处理下，两生态型铺地黍Pn差异显著，其余参数在两生态型间均无显著差异。两种生态型铺地黍水分利用效率（WUE）随干旱胁迫程度的加深呈现递增趋势（图4e），在重度干旱处理下的水分利用效率显著高于CK，分别比CK 增加了70.45%（E-guangdong）和54.81%（E-hainan）；中度干旱处理与CK 差异不显著，两生态型间WUE 无显著差异。

2.4 干旱胁迫下铺地黍叶绿素荧光参数的变化

ΦPSII 是代表着光系统II 反应中心实际光化学效率的变化，即光系统II 反应中心电荷分离实际量子效率。表1 表明，随干旱胁迫程度增加两种生态型铺地黍的实际光化学效率ΦPSII 值逐渐降低，重度干旱处理与CK 和中度处理差异显著，比CK 和中度处理分别降低了41.89% 和39.01%（E-guangdong）、60.42%和57.46%（E-hainan）。CK 和中度干旱处理间无显著差异。重度和中度干旱胁迫对Ehainan 的最大光化学效率（Fv/Fm）均无显著影响，而重度干旱胁迫显著降低了E-guangdong 的Fv/Fm值。

qP代表了光合能量用于暗反应固定能量的部分。总体上，随着干旱胁迫程度的增加，两种生态型铺地黍的qP呈现逐渐降低趋势，且干旱胁迫对E-hainan影响明显，三个处理间均存在显著差异，而E-guangdong 仅在重度干旱处理下的qP值达到显著差异。NPQ反映了植物热耗散能力的变化。不同干旱胁迫处理对两种生态型铺地黍的NPQ值的影响见表1。两种生态型铺地黍NPQ随着胁迫程度增加呈现先下降后上升的趋势，且不同处理间的NPQ差异显著。E-guangdong 在重度干旱胁迫下的NPQ较CK 和中度干旱胁迫处理分别显著提高了15.03%和42.09%；而E-hainan 在重度干旱胁迫下的NPQ较CK 和中度干旱胁迫处理分别显著提高了27.04%和48.84%。

3 讨论与结论

3.1 铺地黍形态特征对干旱胁迫的响应

在干旱胁迫下，供试的两种铺地黍生态型在形态特征和生理特性的表现方面差异性很大。根据广东生态型的测定值相比较海南生态型的变化率，E-guangdong的横向分枝能力远高于E-hainan，其在CK、中度和重度干旱处理的分枝数分别比E-hainan提高了105.80%、84.51%和139.06%，达到极显著水平（P＜0.01）。相对应的，E-guangdong的向上生长能力却弱于E-hainan，但株高变化幅度较小。这可能是由于供试的铺地黍生态型在生境和地理分布的异质性，引起了植物形态上的适应性发生改变。其它植物也有类似结果，环境异质性下克隆植物会表现出适应性的生长繁殖对策，如喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides）的生长对策［31］。前期研究显示，采集于中国南部的29 种生态型铺地黍（包括本研究的两种供试生态型），对镉的累积能力整体上是按地理生理学分组［24］。

3.2 铺地黍叶绿素含量对干旱胁迫的响应

叶绿素直接影响植物光合作用的强度，其含量也与植物的营养状况和干物质的积累密切相关。依据上述形态特征的表现，随着干旱程度的增加反而表现越来越好，Chl-a、Chl-b 和Chl-a+b 也表现出重度干旱处理下显著高于CK 和中度干旱。说明在干旱胁迫下，铺地黍通过增加高度生长和提高叶绿素含量等方式适应和应对干旱环境。王家宜等针对粉葛（Pueraria thomsoniiBenth.）和微甘菊（Mikania micrantha）在干旱环境下的叶绿素含量变化趋势研究也证实了这一点［32］。这可能与铺地黍是典型的“共耐性”植物有关，其在连续干旱45 d 的条件下均能存活［25］。高桂娟等的研究显示，在重金属和水分复合胁迫条件下，铺地黍在胁迫后的第28 d才出现植株茎叶全部萎蔫现象，到第35 d 地上部才全部死亡［26］。本研究中，同一生态型的Chl-a、Chl-b和Chl-a+b 含量在重度干旱处理下的值均高于中度干旱处理，说明铺地黍完全能够耐受重度干旱胁迫，并通过叶绿素含量的增加加强光合作用，促进植物形态生长。而两种生态型之间，E-guangdong的叶绿素含量始终显著高于E-hainan，尤其是Chlb在CK处理下提高了43.18%，说明两种生态型光合系统对干旱胁迫的响应表现不同。

3.3 铺地黍叶片光合气体交换参数对干旱胁迫的响应

水分是影响植物光合作用的关键环境因子，干旱胁迫会导致植物叶片光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率下降，水分利用效率提高［33］，本研究与此结论一致。水分利用效率（WUE）是评价植物耐旱能力的重要指标之一，反映了植物生产过程中单位水分的能量转化效率［34］，高水分利用效率往往是作物抵御干旱胁迫的重要策略，在干旱胁迫时，植物主要是通过降低其蒸腾速率来提高其水分利用效率。植物也通过降低气孔导度和降低胞间CO2浓度从而调控植物光合速率和蒸腾速率来间接的影响水分利用效率［35］。本研究中，铺地黍叶片Pn、Gs、Ci、Tr随干旱胁迫增加明显下降，而WUE 上升，重度干旱处理与CK 差异显著。在严重干旱胁迫下，铺地黍通过降低蒸腾速率和气孔导度来调节水分利用效率和提高叶片的水分利用效率来增强植物对干旱胁迫的适应能力，从而抵御这种逆境。两种生态型铺地黍抗旱能力较强，均能够耐受中度干旱胁迫且Pn、Gs、Ci、Tr未受到显著抑制，而重度干旱胁迫则呈现显著的抑制作用。广东生态型的光合气体交换参数在各处理水平均高于海南生态型，且在重度干旱处理下Pn存在显著差异。从叶片光合气体交换参数方面来看，广东生态型较海南生态型表现出更强的抗旱性。

3.4 铺地黍叶绿素荧光参数对干旱胁迫的响应

光化学反应是耗散光能的主要途径，也是植物碳积累的有效方式。植物光化学反应可通过最大光化学效率 （Fv/Fm）、实际光化学效率 （ΦPSII）、光化学猝灭系数 （qP） 等荧光参数来反映［36］。本研究中ΦPSII、qP值随干旱胁迫程度增加而降低，重度胁迫下降低显著，而Fv/Fm受影响较小，说明 光系统II和光合电子传递链可能未受损伤，保持完整功能，这与崔俊美、孙骏威等的研究结果一致［37-38］。非光化学淬灭系数（NPQ），反映了植物热耗散能力的变化，将吸收光能以热能的形式无损伤的耗散掉，是植物受到光抑制的重要防护策略。植物在胁迫条件下NPQ值升高［39］，消散光能和减少光合作用的光化学反应效率，从而保护自己免受胁迫条件的影响［40］，本研究与之一致，重度干旱胁迫下铺地黍叶片NPQ值升高，增加了热能损耗来抵御胁迫。

总体上，两种铺地黍生态型均表现出了较强的抗旱性。中度干旱胁迫对铺地黍光合指标影响较小，而重度干旱胁迫时叶绿素和光合指标呈现出一定的胁迫反应。对于两种生态型，广东生态型综合特性优于海南生态型，说明铺地黍的抗旱性可能与地理分布有关，呈现出一定的地域特性。