張書(shū)博，王均睿，周 濤，徐梓淞，馬松良，吳緒葉，張會(huì)慧，孫廣玉

（1.東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

植物生長(zhǎng)發(fā)育主要依靠其光合生理過(guò)程獲取物質(zhì)和能量[1-2]，而植物光合作用是對(duì)干旱脅迫較為敏感的過(guò)程之一。干旱脅迫常導(dǎo)致植物葉片失水萎蔫甚至卷曲，葉片的光能捕獲有效面積降低[3]，葉綠素含量降低[4]，植物的生長(zhǎng)及觀(guān)賞效果降低。另外，干旱脅迫下植物為減少水分的蒸騰散失，葉片常以氣孔關(guān)閉的方式來(lái)提高水分利用率[5]。除氣孔因素限制外，非氣孔因素中的碳同化能力及PSⅡ光化學(xué)活性的降低等因素也會(huì)導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)受到抑制[6]。光系統(tǒng)II(PSII)作為植物光合機(jī)構(gòu)中的光反應(yīng)中心，主要負(fù)責(zé)光能的吸收、水的光解和電子傳遞等一系列光合生理過(guò)程[7-8]。干旱脅迫下常抑制PSII光合電子傳遞，導(dǎo)致其光抑制的發(fā)生[9]，光合PSII功能受到抑制后還會(huì)導(dǎo)致光合作用介導(dǎo)的活性氧爆發(fā)，進(jìn)一步加劇光抑制程度的發(fā)生，甚至導(dǎo)致光氧化或光漂白等[10]。

由于自然干旱以及園林綠化灌溉條件等因素的限制，城市園林綠化植物常受到干旱脅迫的影響。因此，干旱脅迫下植物的光合生理響應(yīng)過(guò)程研究對(duì)抗旱物種的篩選和提高植物抗旱能力具有重要的意義。風(fēng)箱果Physocarpus amurensis和紫葉風(fēng)箱果Physocarpus opulifolius為薔薇科風(fēng)箱果屬落葉灌木。由于風(fēng)箱果花粉活力較弱以及生境的人為破壞等因素導(dǎo)致其分布范圍和種群數(shù)量日益減少[11]。紫葉風(fēng)箱果為紫葉觀(guān)賞植物，是我國(guó)近年來(lái)從北美引入的觀(guān)賞性花灌木[12]，雖然紫葉風(fēng)箱果較風(fēng)箱果具有形態(tài)和繁殖優(yōu)勢(shì)，但其抗旱、耐鹽、耐弱光性較差[13-15]。雜種優(yōu)勢(shì)是生物界普遍存在的生物學(xué)現(xiàn)象，特別是在逆境條件下，眾多雜交種植物的抗逆能力較親本明顯提高[16-18]。黑龍江省森林植物園郁永英等人[19-20]通過(guò)以本地的風(fēng)箱果（♀）和紫葉風(fēng)箱果（♂）雜交成功得到了有紫葉觀(guān)賞效果的F1代雜交風(fēng)箱果，并且其光合能力表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢(shì)。但是關(guān)于雜交風(fēng)箱果對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性方面的研究較少，本試驗(yàn)以風(fēng)箱果（♀）、紫葉風(fēng)箱果（♂）和雜交風(fēng)箱果F1代幼苗扦插苗為試驗(yàn)材料，研究了3種風(fēng)箱果葉片光合特性對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，探討了3種風(fēng)箱果光合能力的抗旱差異，明確不同品種風(fēng)箱果的抗旱能力，為指導(dǎo)風(fēng)箱果屬園林植物的合理引種及栽培提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

試驗(yàn)于2015年8月在東北林業(yè)大學(xué)植物生理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)材料為黑龍江省森林植物園提供的3年生風(fēng)箱果、紫葉風(fēng)箱及其雜交種F1代的扦插苗。3種材料均于2012年進(jìn)行扦插育苗，扦插成活的幼苗移植于開(kāi)口直徑28 cm、底直徑15 cm、高20 cm的塑料花盆中，每盆定植1株，培養(yǎng)基質(zhì)為草碳土，室外自然環(huán)境培養(yǎng)，常規(guī)養(yǎng)護(hù)管理。干旱脅迫處理于2015年8月10日進(jìn)行，選擇長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的3種風(fēng)箱果品種各3株，即3次重復(fù)。干旱脅迫處理之前均澆足水，然后進(jìn)行自然干旱處理，分別在干旱處理后的第1、4、7天和第10 天進(jìn)行各風(fēng)箱果品種葉片光合氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定，并于干旱處理第1天和第10天對(duì)不同處理材料進(jìn)行拍照，觀(guān)察植株長(zhǎng)勢(shì)及表型。3種風(fēng)箱果品種處理前分別測(cè)定其葉片中花色素苷含量及葉綠素含量。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

光合氣體交換參數(shù)的測(cè)定：各處理3種風(fēng)箱果選擇新生枝條上倒數(shù)第2片完全展開(kāi)葉，利用Li-6400光合測(cè)定系統(tǒng)（Licor公司，美國(guó)）將光強(qiáng)PFD設(shè)定為1 000 μmol·m-2s-1，分別測(cè)定對(duì)照和干旱處理下2種風(fēng)箱果葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）等參數(shù)。光合氣體交換參數(shù)測(cè)定時(shí)氣路用空氣緩沖瓶連接大氣，大氣CO2濃度約為400 μL·L-1，每個(gè)處理測(cè)定5次。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定：將不同處理3種風(fēng)箱果幼苗倒數(shù)第3片或第4片葉片利用暗適應(yīng)夾進(jìn)行0.5 h暗適應(yīng)，然后采用便攜式脈沖調(diào)制熒光儀FMS-2（Hansatch公司，英國(guó)）測(cè)定初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、電子傳遞速率（ETR）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）、非光化學(xué)淬滅（NPQ）等，并計(jì)算過(guò)剩光能(1-qP)/NPQ，均測(cè)定5次。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

運(yùn)用Excel2003和SPSS22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)3種風(fēng)箱果葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

由圖1可以看出，隨著干旱天數(shù)的增加，3種風(fēng)箱果葉片的Pn均呈明顯的降低趨勢(shì)，在干旱第1天時(shí)，風(fēng)箱果（♀）葉片的Pn稍低于紫葉風(fēng)箱果（♂）和雜交風(fēng)箱果，但是隨著干旱天數(shù)的增加，紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片Pn的降低幅度明顯大于風(fēng)箱果（♀）和雜交風(fēng)箱果，特別是在干旱第7天和第10天紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片的Pn均顯著低于風(fēng)箱果（♀）和雜交風(fēng)相果，但雜交風(fēng)箱果與風(fēng)箱果（♀）均無(wú)顯著差異。干旱脅迫下3種風(fēng)箱果葉片的Gs、Tr和Ci變化趨勢(shì)相似，在干旱第7天，3種風(fēng)箱果葉片的Gs和Tr均急劇降低，并且Ci也有小幅度降低。在干旱第1天和第4天，3種風(fēng)箱果葉片的Gs、Tr和Ci均表現(xiàn)為雜交風(fēng)箱果＞紫葉風(fēng)箱果（♂）＞風(fēng)箱果（♀），但在干旱第7天和第10天時(shí)，紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片的Gs和Tr均低于風(fēng)箱果（♀）和雜交風(fēng)箱果，但三者差異均不顯著，并且在干旱第10天時(shí)，風(fēng)箱果（♀）葉片的Ci分別低于紫葉風(fēng)箱果（♂）和雜交風(fēng)箱果的17.70%（P＜0.05）和18.29%（P＜0.05）。

圖1 干旱脅迫對(duì)3種風(fēng)箱果葉片光合氣體交換參數(shù)的影響Fig.1 Effects of drought stress on gas exchange parameters in leaves of three cultivars Physocarpus seedlings

2.2 干旱脅迫對(duì)3種風(fēng)箱果片PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和電子傳遞速率(ETR)的影響

由圖2可以看出，3種風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm和ETR在干旱脅迫下均表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，且ETR的降低幅度大于Fv/Fm。在干旱第1天和第4天時(shí)，3種風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm和ETR均無(wú)顯著差異（P＞0.05），但隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片F(xiàn)v/Fm和ETR的降低幅度明顯大于風(fēng)箱果（♀），在干旱第10天時(shí)，紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片的Fv/Fm顯著低于風(fēng)箱果（♀），而雜交風(fēng)箱果卻與風(fēng)箱果（♀）無(wú)顯著差異。并且在干旱第7和10天時(shí)，紫葉風(fēng)箱果葉片（♂）的ETR均顯著低于風(fēng)箱果（♀），而雜交風(fēng)箱果雖也稍低于風(fēng)箱果（♀），但差異均不顯著。

2.3 干旱脅迫對(duì)3種風(fēng)箱果葉片光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅(NPQ)和過(guò)剩光能(1-qP)/NPQ的影響

圖2 干旱脅迫對(duì)3種風(fēng)箱果葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和電子傳遞速率(ETR)的影響Fig.2 Effects of drought stress on PSⅡ maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) and electron transport rate (ETR) in leaves of three cultivars Physocarpus seedlings

由圖3可以看出，隨著干旱天數(shù)的增加，3種風(fēng)箱果葉片的qP呈明顯降低趨勢(shì)，但是紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片的qP的降低幅度均明顯大于風(fēng)箱果和雜交風(fēng)箱果，干旱第7天和第10天時(shí)，紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片的qP均顯著低于風(fēng)箱果（♀），而雜交箱果葉片qP雖也稍低于風(fēng)箱果（♀），但差異均不顯著。風(fēng)箱果（♀）和雜交風(fēng)箱果葉片的NPQ隨著干旱天數(shù)的增加整體呈增加趨勢(shì)，而紫葉風(fēng)箱果（♂）則呈先增加后降低趨勢(shì)，在干旱第10天時(shí)，紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片的NPQ較干旱第7天時(shí)降低了72.67%（P＜0.05）。在干旱前7 d，3種風(fēng)箱果葉片的（1-qP）/NPQ沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但在干旱第10天時(shí)，紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片的（1-qP）/NPQ劇增，而風(fēng)箱果（♀）和雜交風(fēng)箱果仍沒(méi)發(fā)生顯著變化。

圖3 干旱脅迫對(duì)3種風(fēng)箱果葉片光化學(xué)淬滅系數(shù)(qp)、非光化學(xué)淬滅(NPQ)和過(guò)剩光能(1-qp)/NPQ的影響Fig.3 Effects of drought stress on photochemical quenching coefficient (qP),non-photochemical quenching (NPQ) and excess energy (1-qP)/NPQ in leaves of three cultivars Physocarpus seedlings

3 討 論

光合作用是植物有機(jī)物質(zhì)積累、生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，受植物本身生理特性和環(huán)境因素的共同影響，其中土壤水分是影響光合生理過(guò)程的重要環(huán)境因素之一，植物光合能力的高低也是反映植物抗旱性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[21]。氣孔是植物與環(huán)境之間進(jìn)行氣體和水分交換的“門(mén)戶(hù)”，干旱脅迫下植物葉片為保證生理代謝所需的水分，植物葉片常常通過(guò)降低氣孔導(dǎo)度的方式以降低葉片的水分蒸騰作用，以減少水分的散失和提高水分利用效率[22]，但是，在降低水分散失的同時(shí)氣孔導(dǎo)度的降低也限制了碳同化原料-CO2的吸收，增加了CO2向葉內(nèi)的擴(kuò)散阻力，導(dǎo)致凈光合速率的降低[23-24]。本試驗(yàn)中，隨著干旱天數(shù)的增加，3種風(fēng)箱果葉片的Gs和Tr均呈明顯的降低趨勢(shì)，即在干旱脅迫下3種風(fēng)箱果均可以通過(guò)降低氣孔導(dǎo)度的方式減少水分的蒸騰。在干旱第7天和第10天時(shí)，3種風(fēng)箱果葉片的Gs和Tr迅速降低，但其Ci降低幅度卻較小，根據(jù)Farqhar的氣孔限制觀(guān)點(diǎn)[25]，干旱脅迫后期引起3種風(fēng)箱果葉片光合能力降低的原因不僅僅是氣孔因素限制，還可能與葉肉細(xì)胞對(duì)CO2的利用能力降低有關(guān)。3種風(fēng)箱果比較可以看出，在非干旱條件下，紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片的Pn、Gs、Tr和Ci均顯著高于風(fēng)箱果（♀），說(shuō)明紫葉風(fēng)箱果（♂）在正常水分條件下具有相對(duì)較強(qiáng)的光合能力。紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片光合能力雖然較強(qiáng)，但對(duì)土壤水分的依賴(lài)性較強(qiáng)，光合碳同化過(guò)程對(duì)干旱脅迫較為敏感，隨著干旱天數(shù)的增加，紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片含水率迅速降低，并且其葉片的凈光合速率降低幅度遠(yuǎn)大于風(fēng)箱果（♀）。但與2個(gè)親本相比，雜交風(fēng)箱果葉片的光合能力在非干旱脅迫下不僅與紫葉風(fēng)箱果（♂）接近，并且在干旱脅迫下的降低幅度明顯低于紫葉風(fēng)箱果（♂），說(shuō)明干旱脅迫下雜交風(fēng)箱果葉片的光合能力較紫葉風(fēng)箱果（♂）明顯提高。

隨著干旱天數(shù)的增加，3種風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm、ETR和qP隨著干旱天數(shù)的增加均呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明干旱脅迫首先會(huì)導(dǎo)致3種風(fēng)箱葉片的電子傳遞速率降低，甚至還會(huì)導(dǎo)致光抑制的發(fā)生。干旱第7天和第10天，風(fēng)箱果（♀）和雜交風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm、ETR和qP降低幅度均明顯小于紫葉風(fēng)箱果（♂），說(shuō)明紫葉風(fēng)箱果（♀）葉片PSII光化學(xué)活性和電子傳遞過(guò)程對(duì)干旱脅迫較為敏感，而雜交風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm、ETR和qP與風(fēng)箱果（♀）均無(wú)顯著差異，即雜交風(fēng)箱果葉片PSII性能較紫葉風(fēng)箱果（♂）明顯提高。逆境下如果PSⅡ電子傳遞鏈上的電子傳遞受阻，PSⅡ光解H2O會(huì)形成的跨膜質(zhì)子梯度會(huì)激活依賴(lài)跨膜質(zhì)子梯度的葉黃素循環(huán)進(jìn)行能量耗散，減輕PSII反應(yīng)中心的壓力[26]。非光化學(xué)淬滅NPQ與依賴(lài)葉黃素循環(huán)的能量耗散成正相關(guān)[27]，因此，逆境下NPQ作為一各重要的耗散激發(fā)能途徑，在保護(hù)PSⅡ反應(yīng)中心免受過(guò)剩激發(fā)能和活性氧的傷害方面具有重要作用[28-29]。干旱脅迫下風(fēng)箱果（♀）葉片NPQ顯著增加，而紫葉風(fēng)箱果（♂）葉片的NPQ則在干旱第7天增加到最大值后，干旱第10天顯著降低，說(shuō)明干旱脅迫下風(fēng)箱果（♀）可以通過(guò)啟動(dòng)依賴(lài)于NPQ的能量耗散機(jī)制來(lái)提高PSⅡ的抗旱性，而紫葉風(fēng)箱果（♂）在干旱第10天時(shí)這種抗旱機(jī)制受到顯著抑制，從而導(dǎo)致其過(guò)剩激發(fā)能(1-qP)/NPQ劇增。本研究?jī)H通過(guò)光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)探討了風(fēng)箱果（♀）×紫葉風(fēng)箱果（♂）雜交種的光合能力對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，但關(guān)于雜種優(yōu)勢(shì)的具體內(nèi)在機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

干旱脅迫下3種風(fēng)箱果葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性降低，光合碳同化過(guò)程明顯受到抑制，特別是紫葉風(fēng)箱果（♂）更易在干旱脅迫后期葉片失水嚴(yán)重，并且發(fā)生非氣孔因素的光合限制。風(fēng)箱果（♀）在干旱脅迫下葉片可以保持相對(duì)較高的水分，并且可以通過(guò)增加NPQ的方式來(lái)降低過(guò)剩下光能的產(chǎn)生，降低其葉片的光抑制程度，提高電子傳遞的穩(wěn)定性。風(fēng)箱果（♀）光合特性的耐旱性明顯高于引種紫葉風(fēng)箱果（♂），而以風(fēng)箱果（♀）×紫葉風(fēng)箱果（♂）雜交獲得的偏父本（♂）表型的雜交風(fēng)箱果不但具有紫葉風(fēng)箱果（♂）的觀(guān)賞效果，而且其抗旱能力明顯提高，在干旱脅迫下具有較高的光合能力，表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢(shì)。