干旱胁迫对桔梗光合和叶绿素荧光特性的影响

陈兰兰，郭圣茂，李桂凤，姚春娟，熊光康，赖晓莲

(江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045)

水分是制约植物生长、繁殖和持续的主要限制因子之一，是研究植物的抗旱能力、生物产量、引种驯化和生理特性的重要理论依据［1-2］。受全球气候变暖的影响，我国的干旱土地面积正在逐渐增加，干旱不仅严重制约了当地的经济发展，也一定程度地影响了生态系统的稳定性。植物叶片的光合作用是植物生长的基础，极易受到环境变化的影响［3］。干旱是限制植物光合作用的主要自然因素，在干旱条件下，植物通过气孔和非气孔限制引起光合作用下降［4-7］。叶绿素荧光反应包含着复杂的信号，可以指示植物的光化学反应，是植物对影响其生理作用环境变化的一种生理响应［8-9］。

桔梗(Platycodon grandiflorus(Jacq.)A.DC.)属于桔梗科桔梗属，是一种集药用、食用与观赏于一体的多年生草本植物［10］。近年来，随着桔梗的抑制癌症、延缓衰老和掩饰气味等功用的相继开发利用，日益增加的市场需求使得野生桔梗生境遭受过度采挖的破坏，这极大地影响了生态系统的多样性、稳定性以及物种的群体遗传结构［11］。桔梗的苗期生长阶段是恢复其种群数量以及构建栽培群体的重要时期，自然生境下，桔梗成苗对干旱、瘠薄等不利环境具有一定的耐受性［12］。因此，研究干旱胁迫对桔梗生理的影响生态意义重大。

目前，关于桔梗的研究多集中在种子萌发［13］、品质检验［14］、施肥［15］以及分子标记［16］等方面，而关于干旱胁迫对桔梗光合作用、叶绿素荧光特性的影响研究尚未见报道。本试验研究春播和秋播桔梗的光合生理变化对干旱胁迫的响应，旨在了解桔梗的干旱胁迫与光合生理之间的关系，揭示其抗旱机制，为不同播期桔梗的水分管理、保育措施和高产栽培等提供光合生理方面的理论科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以桔梗为试材，采用盆栽方式，选择直径23 cm、高18 cm的塑料花盆。以园土∶沙∶草木灰=3∶1∶1混匀后作为盆栽土，每盆装入6 kg干土，土壤的有机质为26.13 g/kg，碱解氮68.65 mg/kg，有效磷46.68 mg/kg，速效钾104.21 mg/kg，田间持水量为26.11%。分别于2013年10月20日和2014年3月17日将桔梗种子直播入盆中，苗齐后间苗，每盆留苗3株。

1.2 试验方法

2014年7月16日，从每个播种期挑选24盆健康生长且长势均一的桔梗盆栽转移至江西农业大学中药园大棚，对盆栽进行充分灌溉，自然干旱待土壤含水量达到干旱处理的要求范围。按土壤相对含水量(土壤含水量占田间持水量的百分率)设4个处理:正常供水CK(土壤含水量为田间持水量的75% ～80%)、轻度干旱胁迫LD(土壤含水量为田间持水量的60% ～65%)、中度干旱胁迫MD(土壤含水量为田间持水量的45% ～50%)、重度干旱胁迫SD(土壤含水量为田间持水量的30% ～35%)。每个处理重复3次，每次重复2盆。当水分梯度都形成时干旱胁迫即开始，以17:30的土壤水分作为标准，并在每天这一时刻采用称重法补充各盆栽的水分。

干旱胁迫后的 3，6，9，12，15 d，于 08:30—11:30，在设定的 1 200 μmol/(m2·s)光照强度下，用 Li-6400便携式光合作用测定仪测定桔梗植株的中上部健康叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)等光合作用参数。水分利用效率(WUE)根据测公式WUE=Pn/Tr得出［17］，气孔限制值(Ls)根据公式Ls=1-Ci/Ca(Ca为大气中CO2浓度)得出［18］。用PAM-2500便携式叶绿素荧光分析仪测定桔梗叶片暗适应20 min后的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSⅡ原初光能转换效率(Fv/Fm)、PSⅡ的潜在活性(Fv/Fo)，光适应后的光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(qN)。

1.3 数据处理

采用Excel 2007进行数据整理和图表的绘制，SPSS 17.0对试验数据进行统计分析。采用单因素方差分析法和Duncan多重比较法分析不同处理间平均值的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对春播、秋播桔梗光合参数的影响

春播、秋播桔梗的净光合速率Pn在一定程度上都受到了干旱胁迫的影响，当处理天数相同，随着胁迫程度的加剧，Pn均显著性下降，且秋播桔梗的Pn大于相同处理下的春播桔梗。LD条件下，随着处理时间的延长，春播、秋播桔梗的Pn呈现“N”字型的变化趋势，至胁迫后期，春播桔梗在12、15 d的Pn与胁迫第3天无显著性差异，秋播桔梗则显著性高于第3天。MD和重度干旱胁迫SD条件下Pn均呈先上升后下降的趋势，春播桔梗第6天的Pn显著性高于第3天，而秋播桔梗第6、9天的Pn均显著性高于第3天(图1)。

图1 干旱胁迫下桔梗光合参数的动态变化Fig.1 Dynamic changes in the photosynthetic parameters of Platycodon grandiflorus under drought stress

图2 干旱胁迫下桔梗荧光参数的动态变化Fig.2 Dynamic changes in the fluorescence parameters of Platycodon grandiflorus under drought stress

相同干旱胁迫阶段时，桔梗气孔导度Gs的变化趋势与净光合速率Pn的几乎一致，只是春播桔梗在第6天和秋播桔梗在第3天时的LD与CK无显著性差异，而12 d时，秋播桔梗的MD与SD无显著性差异。桔梗的气孔导度Gs在轻度胁迫的各个时期都存在显著性差异，春播桔梗Gs的最大值出现在胁迫后12 d，为 0.17 mol/(m2·s)，秋播桔梗的最大值则出现在胁迫后 3 d，为 0.28 mol/(m2·s)。

胁迫后3～12 d时，桔梗的胞间CO2浓度Ci随着胁迫程度的加深而显著性下降，同一胁迫程度下，随着胁迫时间的推移，春播、秋播桔梗的Ci呈先下降后上升的趋势，其中，春播桔梗LD和MD条件下Ci在第6天和第9天无显著性差异，秋播桔梗LD条件下Ci在第6天和15天时无显著性差异。

在干旱胁迫初期，春播桔梗的水分利用效率WUE随着胁迫程度的加剧呈先下降后上升的趋势，SD条件下WUE显著性高于MD。秋播桔梗的WUE在胁迫初期呈降→升→降的变化，MD条件下WUE显著性高于CK，随着胁迫的持续，至胁迫后12 d，秋播桔梗在LD和MD条件下WUE均显著性高于CK。

干旱胁迫后9 d，春播桔梗MD条件下气孔限制值Ls与CK无显著性差异，随着胁迫时间的延续，至12、15 d，MD条件下Ls显著性大于CK。干旱胁迫后3，6，9 d，秋播桔梗LD的Ls显著性小于CK，之后随着胁迫的延长，Ls的值开始显著性大于CK，而MD和SD条件下的Ls在胁迫的各个阶段均显著性大于CK。

2.2 干旱胁迫对春播、秋播桔梗荧光参数的影响

由图2可知，不同的干旱胁迫处理在一定程度上影响了春播和秋播桔梗的荧光特性，并且干旱处理天数不同，表现也不同。春播桔梗的PSⅡ原初光能转换效率Fv/Fm在干旱胁迫的各个时期均随着胁迫程度的增加呈下降趋势，而LD与CK均无显著性差异，SD条件下Fv/Fm显著小于CK。秋播桔梗LD条件下Fv/Fm随着干旱时间的延长呈先上升后下降的趋势，且从第6天开始一直大于CK，MD在胁迫的任意时期均与CK无显著性差异，而SD则始终显著性小于CK。

春播和秋播桔梗的PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)变化趋势相同，即随着干旱胁迫程度的加深而逐渐下降。相同处理下，秋播桔梗的Fv/Fo均高于春播桔梗，且LD和MD条件下秋播桔梗的Fv/Fo与CK无显著性差异，而春播桔梗MD条件下Fv/Fo均显著性小于CK。

桔梗的光化学淬灭系数(qP)的变化趋势与Fv/Fo相一致，且当处理条件相同时，秋播的qP均会大于春播。LD、MD和SD条件下，春播和秋播桔梗的qP随着胁迫时间的延长而呈先上升后下降的趋势，且均在第9天时达到最大值，但都显著性小于CK。

非光化学淬灭系数(qN)的变化趋势基本上是随着干旱胁迫的加剧和干旱时间的延续而逐渐升高，因此，春播和秋播桔梗的qN最大值均出现在SD条件下15 d。其中，在干旱胁迫初期，春播桔梗的LD、MD和SD之间无显著性差异，但显著性大于CK。处理时间相同时，秋播桔梗的各个干旱胁迫程度之间均存在显著性差异。

表1 光合参数和荧光参数之间的相关系数Tab.1 Correlation coefficients between the parameters of photosynthesis and fluorescence

2.3 桔梗光合参数和荧光参数的相关性分析

表1结果显示，桔梗的光合参数与荧光参数之间呈现明显的连锁相关。Pn、Gs、Ci、Tr、WUE与Fv/Fm、Fv/Fo、qP呈极显著正相关，与qN呈极显著负相关，其中，与Fv/Fm相关性最为密切的光合参数是Pn。光合参数之间，Ls与Pn呈显著性负相关，与Gs、Ci、WUE呈极显著负相关，与Pn相关密切的则是Gs。此外，荧光参数之间，qN与Fv/Fm、Fv/Fo、qP也呈极显著负相关，而qN与Ls之间呈极显著正相关，相关系数 r=0.246＊＊。

3 结论与讨论

干旱的环境条件会抑制植物正常的生长和光合速率［19-20］。Farquhar等［21］研究认为，气孔限制或非气孔限制是引起植物Pn的降低主要原因，当Pn和Ci同时减小时，Pn降低的主要原因就是Gs，否则就是非气孔限制，即叶肉细胞羧化能力的下降。本研究结果表明:在干旱胁迫期间，桔梗Pn和Ci的变化趋势基本一致，气孔通过减小或闭合开度来减少水分的散失和影响气体的交换使得Pn下降，而Pn与Gs、Ci的正相关性均极显著，与Ls的负相关性极显著，说明气孔限制因素是引起桔梗Pn下降的主要原因。

试验表明，轻度干旱胁迫时，春播桔梗的Pn随着胁迫时间的延长和胁迫初期无显著性差异，秋播桔梗则会显著性大于初期;中、重度干旱胁迫时，春播桔梗在胁迫中后期的Pn较初期一直呈显著性下降趋势，而秋播桔梗有一个显著上升或保持阶段。短期的轻、中度干旱胁迫对秋播桔梗的WUE有一定的促进作用，对春播桔梗的影响与长期的重度干旱胁迫一致，均是明显降低了WUE。而Pn与WUE有极显著的正相关关系，说明秋播桔梗的干旱耐受性强于春播桔梗。

叶绿素的荧光动力学参数是灵敏、快速和无伤害地研究干旱胁迫对植物光合影响的理想方法［22-25］，干旱逆境主要是伤害植物的光合机构PSⅡ［26］，而PSⅡ能够主动调节光化学效率以及电子传递速率，并且通过热耗散的方式来避免或减轻过剩的光能对光合系统的伤害从而响应CO2同化能力的降低［27］。在叶绿素的荧光参数中，PSⅡ原初光能转换效率Fv/Fm是研究植物胁迫的重要参数，能够反映开放的PSⅡ反应中心捕获激发能的效率，凡是影响到PSⅡ反应中心的胁迫环境都会导致Fv/Fm的下降［28］。

本试验中，桔梗在正常供水条件下的 Fv/Fm在 0.773～0.787，Fv/Fo在 3.524～4.011，秋播桔梗的PSⅡ原初光能转换效率和PSⅡ潜在活性都高于春播桔梗。随着干旱胁迫的加剧以及胁迫时间的延长，秋播桔梗Fv/Fm和Fv/Fo下降幅度均较春播桔梗小，这是因为春播桔梗更容易受到光抑制，使得叶片光系统Ⅱ质子醌库(PQ库)的容量变小从而直接影响光合作用电子的传递和CO2的同化过程［29］。而在干旱胁迫的后期，春播桔梗通过增大qN这一自我保护机制来保护光合机构的幅度更大，这一现象与紫花苜蓿对干旱胁迫的表现一致［30］，表明春播桔梗对干旱胁迫更为敏感。

通过对桔梗光合、荧光参数的相关性进行分析，发现桔梗在干旱胁迫下的Pn与Fv/Fm呈极显著正相关，相关系数r为0.725，这一结果与Krause［31］和韩瑞宏等［30］研究发现基本一致，说明干旱逆境会伤害桔梗PSⅡ反应中心和潜在活性中心，使得PSⅡ原初光能转化效率降低，抑制了光合作用的原初反应过程，并影响了PSⅡ反应中心的光合电子向QA，QB和PQ库的传递过程。

［1］刘海燕，李吉跃，赵燕，等.干旱胁迫对5个种源沙柳(Salix psammophila)气体交换及水分利用效率的影响［J］.干旱区研究，2007，24(6):815-820.

［2］陈亚鹏，陈亚宁，李卫红，等.干旱胁迫下的胡杨脯氨酸累积特点分析［J］.干旱区地理，2003，26(4):420-424.

［3］蔡海霞，吴福忠，杨万勤.干旱胁迫对高山柳和沙棘幼苗光合生理特征的影响［J］.生态学报，2011，31(9):2430-2436.

［4］Boyer J S.Plant productivity and environment［J］.Science，1982，218(4571):443-448.

［5］Flexas J，Bota J，Loreto F，et al.Diffusive and metabolic limitations to photosynthesis under drought and salinity in C3plants［J］.Plant Biology，2004，6(3):269-279.

［6］Flexas J，Rubas-Carb M，Bota J，et al.Decreased rubisco activity during water stress is not induced by decreased relative water content but related to conditions of low stomatal conductance and chloroplast CO2concentration［J］.New Philologists，2006，172(1):73-82.

［7］WU F Z，BAO W K，LI F L，et al.Effects of water stress and nitrogen supply on leaf gas exchange and fluorescence parameters of Sophora davidii seedlings［J］.Photosynthetic，2008，46(1):40-48.

［8］种培芳，李毅，苏世平，等.荒漠植物红砂叶绿素荧光参数日变化及其与环境因子的关系［J］.中国沙漠，2010，30(3):539-545.

［9］Schreiber U，Bilger W，Neubauer C.Chlorophyll fluorescence as a nonintrusive indicator for rapid assessment of in vivo photosynthesis［J］.Ecophysiology of Photosynthesis，1995，100:49-70.

［10］刘自刚，胡天明，杨亚丽，等.桔梗花粉萌发与花粉管生长研究［J］.植物研究，2011，31(3):271-276.

［11］刘自刚，沈冰，张雁.桔梗种子萌发对低温、干旱及互作胁迫的响应［J］.生态学报，2013，33(8):2615-2622.

［12］祝振昌，张利权，肖德荣.上海崇明东滩互花米草种子产量及其萌发对温度的响应［J］.生态学报，2011，31(6):1574-1581.

［13］陈兰兰，郭圣茂，赖晓莲，等.干旱、时间及其互作对桔梗种子萌发的影响［J］.北方园艺，2014，38(15):170-172.

［14］郭巧生，赵荣梅，刘丽，等.桔梗种子品质检验及质量标准研究［J］.中国中药杂志，2007，32(5):377-381.

［15］王渭玲，杜俊波，徐福利，等.不同施肥水平对桔梗土壤微生物和土壤酶活性的影响［J］.中国中药杂志，2013，38(22):3851-3856.

［16］于营，郭靖，王志清，等.桔梗ISSR反应体系的建立和优化［J］.时珍国医国药，2014，25(6):1396-1399.

［17］李志军，罗青红，伍建模，等.干旱胁迫对胡杨和灰叶胡杨光合作用及叶绿素荧光特性的影响［J］.干旱区研究，2009，26(1):45-52.

［18］邵玺文，韩梅，韩忠明，等.水分供给量对黄芩生长与光合特性的影响［J］.生态学报，2006，26(10):3214-3220.

［19］王万里.植物对水分胁迫的响应［J］.植物生理学通讯，1981(5):55-64.

［20］陈绍光，李燕南，王沙生.空气和土壤干旱对不同杨树种类无性系生长及光合的影响［J］.北京林业大学学报，1996，18(3):35-41.

［21］Farquhar G D，Sharkey T D.Stomatal conductance and photosynthesis［J］.Annual Review of Plant Physiology，1982，33:317-345.

［22］李潮海，赵亚丽，杨国航，等.遮光对不同基因型玉米光合特性的影响［J］.应用生态学报，2007，18(6):1259-1264.

［23］毕建杰，刘建栋，叶宝兴，等.干旱胁迫对夏玉米叶片光合及叶绿素荧光的影响［J］.气象与环境科学，2008，31(1):10-15.

［24］卢广超，许建新，薛立，等.低温胁迫对4种幼苗的叶绿素荧光特性的影响［J］.中南林业科技大学学报，2014，34(2):44-49.

［25］杨雨华，宗建伟，杨风岭.3个核桃品种的光合——光响应特性［J］.经济林研究，2014，34(2):19-23.

［26］White A J，Critchley C.Rapid light curves:a new fluorescence method to assess the state of the photosynthetic apparatus［J］.Photosynthesis Research，1999，59(1):63-72.

［27］卜令铎，张仁和，常宇，等.苗期玉米叶片光合特性对水分胁迫的响应［J］.生态学报，2010，30(5):1184-1192.

［28］李敦海，宋立荣，刘永定.念珠藻葛仙米叶绿素荧光与水分胁迫的关系［J］.植物生理学通讯，2000，36(3):205-208.

［29］景茂，曹福亮，汪贵斌，等.土壤水分含量对银杏光合特性的影响［J］.南京林业大学学报:自然科学版，2005，29(4):83-86.

［30］韩瑞宏，卢欣石，高桂娟，等.紫花苜蓿(Medicago sativa)对干旱胁迫的光合生理响应［J］.生态学报，2007，27(12):5229-5237.

［31］Krause G H，Weis E.Chlorophyll fluorescence and photosynthesis:the basics［J］.Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1991，42:313-349.