王祁 陳昆 石紅梅 孫喜云
摘? ? 要:以甜高粱為供試材料,通過(guò)盆栽的方式,設(shè)置土壤含水量77%(CK),65%(D65),53%(D53),41%(D41)和29%(D29)5個(gè)水平,研究干旱脅迫對(duì)甜高粱光合特性、葉綠素?zé)晒?、SPAD及根系活力的影響。結(jié)果表明:隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加,甜高粱幼苗葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率三者的變化規(guī)律類似,均呈現(xiàn)逐漸降低的變化規(guī)律,而胞間CO2濃度則呈現(xiàn)先降低再升高的變化規(guī)律。初始熒光(F0)隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢(shì),其中D65處理下初始熒光(F0)與對(duì)照差異不顯著。最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和光化學(xué)卒滅系數(shù)(qP)的變化規(guī)律與初始熒光(F0)相反。在D29處理下,最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和光化學(xué)卒滅系數(shù)(qP)值最低,較對(duì)照分別降低11.53%,10.84%,35.59%,與對(duì)照差異極顯著(P<0.01)。在輕度脅迫D65處理下,根系活力較對(duì)照下降4.44%,與對(duì)照達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。CK和D65處理下的SPAD值差異不顯著(P>0.05)??傊?dāng)土壤相對(duì)含水量不低于65%時(shí),對(duì)高粱幼苗形態(tài)特征和生理特性的影響較小,能夠滿足高粱幼苗正常生長(zhǎng)需求;當(dāng)土壤相對(duì)含水量低于53%時(shí),隨著含水量的降低,高粱幼苗受干旱逆境脅迫的程度加重。
關(guān)鍵詞:干旱;甜高粱;光合特性;熒光;SPAD;根活
中圖分類號(hào):S514? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? DOI 編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2020.12.006
Effects of Drought Stress on Photosynthetic Characteristics, Chlorophyll Fluorescence, SPAD and Root Activity of Sweet Sorghum
WANG Qi,CHEN Kun,SHI Hongmei,SUN Xiyun
(Shangqiu Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Shangqiu,Henan 476000,China)
Abstract:The effects of drought stress on photosynthetic characteristics, chlorophyll fluorescence, SPAD and root activity of sweet sorghum were studied under five soil moisture levels 77% (CK), 65% (D65), 53% (D53), 41% (d41) and 29% (D29), respectively,and the sweet sorghum was used as test material through pot culture. The results showed that: with the increase of drought stress, the changes of net photosynthetic rate, stomatal conductance and transpiration rate of sweet sorghum seedlings were similar, showing a gradual decrease, while the intercellular CO2 concentration showed a change law of first decreasing and then increasing. The initial fluorescence(F0) increased gradually with the increase of drought stress intensity, and there was no significant difference between D65 treatment and control. The variation of maximum fluorescence (Fm), maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) and photochemical quenching coefficient(qP) were opposite to that of initial fluorescence(F0). Under D29 treatment, the maximum fluorescence (Fm), maximum photochemical efficiency(Fv/Fm) and photochemical quenching coefficient(qP) were the lowest, which decreased by 11.53%, 10.84% and 35.59% respectively. Compared with the control, the difference was very significant(P<0.01). Under the mild stress D65 treatment, the root activity decreased by 4.44%. Compared with the control, the difference was significant (P<0.05). There was no significant difference in SPAD between CK and D65 (P>0.05). In a word, when the relative soil water content is not less than 65%, the morphological and physiological characteristics of sorghum seedlings are less affected, which can meet the normal growth needs of sorghum seedlings; when the soil relative water content is less than 53%, with the decrease of water content, the degree of Sorghum Seedlings under drought stress is aggravated.
Key words: drought; sweet sorghum; photosynthetic characteristics; fluorescence; SPAD; root activity
干旱是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要時(shí)常面臨的問(wèn)題,也是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)境因子之一[1]。輕度的干旱即可引起植株生長(zhǎng)矮小,而重度的干旱脅迫則會(huì)造成植株正常代謝過(guò)程造成破壞,如氧化磷酸化解偶聯(lián)、光合電子傳遞鏈的過(guò)度還原、酶促防御系統(tǒng)損壞等[2]。當(dāng)前,干旱或半干旱耕地已達(dá)到全世界可耕地面積的2/5[3]。隨著氣候變暖,我國(guó)北方地區(qū)的干旱面積在近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)亦呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)[4],可耕地干旱面積的擴(kuò)大與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的短缺之間的矛盾日益顯現(xiàn),這為干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)重大挑戰(zhàn)。甜高粱是C4植物,具有耐澇、耐旱、耐熱等特點(diǎn),因此在干旱和半干旱地區(qū)發(fā)展甜高粱產(chǎn)業(yè)不僅對(duì)調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增加農(nóng)民收入有重要意義,還有利于緩解能源危機(jī)[5]。
當(dāng)前有關(guān)高粱的研究,主要集中于高粱新品種的選育[6]、高粱釀酒[7]、施肥用量[8]、基因克隆[9]和根際微生物群落結(jié)構(gòu)[10]等方面,而有關(guān)高粱尤其是甜高粱在干旱逆境方面的研究報(bào)道較少。因此,本研究通過(guò)設(shè)置5個(gè)水平的干旱脅迫處理,研究不同水平的干旱脅迫強(qiáng)度對(duì)甜高粱幼苗光合特性、葉綠素?zé)晒?、SPAD及根系活力的影響,以探究甜高粱幼苗對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制和對(duì)干旱脅迫的忍受范圍,為干旱和半干旱地區(qū)的高粱高產(chǎn)栽培提供科學(xué)依據(jù),為高粱的遇旱機(jī)理研究提供數(shù)據(jù)參考。
1 材料和方法
1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)
供試材料為甜高粱Sorghum bicolor (L .)Moench‘BJ0601。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)于2019年4月25日在商丘市農(nóng)林科學(xué)院雙八試驗(yàn)基地進(jìn)行盆栽種植試驗(yàn)。試驗(yàn)用盆直徑40 cm,高50 cm。試驗(yàn)用土pH值為6.53,全鉀16.12 g·kg-1,速效鉀6.93 mg·kg-1,全磷0.34 g·kg-1,速效磷6.91 mg·kg-1,堿解氮123.08 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)36.44 g·kg-1。
試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理,分別為正常水分(CK),土壤含水量(SWC)約為77%;輕度脅迫(D65),土壤含水量(SWC)約為65%;輕度脅迫(D53),土壤含水量(SWC)約為53%;中度脅迫(D41),土壤含水量(SWC)約為41%;重度脅迫(D29),土壤含水量(SWC)約為29%。每處理9盆,共45盆,每盆播種15粒種子,出苗后保留10株,將試驗(yàn)盆埋于土壤之中,盆邊沿高于地面8~10 cm。每天下午18時(shí)用ML2x型土壤水分儀測(cè)量各盆土壤含水量,并根據(jù)含水量高低進(jìn)行補(bǔ)水處理。待高粱幼苗長(zhǎng)至4~5片葉時(shí)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。
1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法
于晴天上午9:30—10:30,選取植株頂部第3張功能葉片并進(jìn)行光合參數(shù)和熒光參數(shù)等相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。采用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400XT便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定儀,測(cè)定高粱第三張功能葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度及蒸騰速率(Tr ),每處理3次重復(fù),取平均值。使用美國(guó)產(chǎn)LI-6400XT便攜式光合儀(Li-COR, USA)測(cè)定甜高粱倒3葉葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù),初始熒光(FO)、暗適應(yīng)下PS II最大熒光產(chǎn)量(Fm)、可變熒光(Fv)和光化學(xué)碎滅系數(shù)qP,每處理3次重復(fù),取平均值。采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測(cè)定根系活力[11]。采用SPAD-502測(cè)定高粱葉片SPAD (Soil and Plant Analyzer Development)值,每處理3次重復(fù),取平均值。
1.4 數(shù)據(jù)分析
采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖,利用DPS7.02軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 干旱脅迫對(duì)甜高粱幼苗葉片光合特性的影響
由表1可以得出,不同強(qiáng)度的干旱脅迫對(duì)甜高粱幼苗葉片凈光合速率的影響不同。隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加,甜高粱幼苗葉片凈光合速率呈現(xiàn)逐漸降低的變化規(guī)律,在D29處理下值最低,較對(duì)照降低37.14%,與對(duì)照差異極顯著(P<0.01);除D65處理下的凈光合速率與對(duì)照差異不顯著外,D53、D41和D29處理與對(duì)照均達(dá)到極顯著差異水平(P<0.01),這說(shuō)明輕度的干旱脅迫對(duì)甜高粱葉片凈光合速率的影響較小,而干旱脅迫強(qiáng)度達(dá)到一定限度則會(huì)顯著影響其凈光合速率的高低。氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率二者的變化規(guī)律與凈光合速率一致,均隨干旱程度的加重而表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì),二者均與凈光合速率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。胞間CO2濃度隨干旱強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先降低再升高的變化規(guī)律,且在D53處理下值最低,較對(duì)照降低18.49%,與對(duì)照差異極顯著(P<0.01)。
2.2 干旱脅迫對(duì)甜高粱幼苗葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
由表2可知,不同強(qiáng)度的干旱脅迫對(duì)甜高粱幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響存在差異。甜高粱幼苗葉片初始熒光(F0)隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢(shì),其中D65處理下初始熒光(F0)與對(duì)照差異不顯著,這表明輕度的干旱脅迫對(duì)PSII反應(yīng)中心產(chǎn)生的影響不大;D53處理與對(duì)照差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),這表明該處理下甜高粱葉片的PSII反應(yīng)中心開始受到一定程度的損傷;在D41和D29處理下,初始熒光(F0)與對(duì)照差異極顯著(P<0.01),較對(duì)照分別增加22.41%和24.76%,這表明在這兩個(gè)處理下的甜高粱葉片其PSII反應(yīng)中心已遭受明顯的受損和破壞。最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和光化學(xué)卒滅系數(shù)(qP)的變化規(guī)律與初始熒光(F0)相反,隨干旱脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)亦表現(xiàn)出下降的變化規(guī)律,與初始熒光(F0)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,這表明干旱脅迫強(qiáng)度增大可以抑制甜高粱葉片光合電子的傳遞速率,從而引起光合能力的減弱。在D29處理下,最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和光化學(xué)卒滅系數(shù)(qP)值最低,較對(duì)照分別降低11.53%,10.84%,35.59%,與對(duì)照差異極顯著(P<0.01)。
2.3 干旱脅迫對(duì)甜高粱根系活力及SPAD值的影響
由圖1可以看出,干旱脅迫對(duì)甜高粱苗期根系活力與SPAD值的影響顯著。在輕度脅迫D65處理下,根系活力較對(duì)照下降4.44%,與對(duì)照達(dá)到顯著差異水平(P<0.05),這表明甜高粱在苗期對(duì)水分較為敏感,輕度的水分脅迫即可降低其根系活力。D53、D41和D29處理下,甜高粱根系活力較對(duì)照分別降低18.35%,51.07%和66.11%,與對(duì)照均達(dá)到極顯著差異水平(P<0.01)。CK和D65處理下的SPAD值差異不顯著,在D53、D41、D29處理下與CK差異達(dá)到顯著以上水平,這說(shuō)明高粱葉片SPAD值對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)存在一定的閾值,當(dāng)土壤含水量在65%范圍內(nèi)對(duì)其影響較小,反之較大。
3 結(jié)論與討論
光合作用是植物進(jìn)行物質(zhì)代謝和能量代謝的基礎(chǔ),是對(duì)水分脅迫較為敏感的生理活動(dòng)之一。光合能力的高低可以直接用于表征植株葉片的制造碳水化合物能力的強(qiáng)弱[12],另外其對(duì)植物抵御逆境脅迫的能力、形態(tài)的建成及產(chǎn)量和品質(zhì)也有重要影響[13]。井大煒等[14]研究認(rèn)為,楊樹幼苗葉片凈光合速率與氣孔導(dǎo)度均隨干旱脅迫程度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的變化規(guī)律。胡文海等[15]通過(guò)對(duì)2個(gè)辣椒品種的研究測(cè)出,干旱脅迫使辣椒葉片凈光合速率降低。本試驗(yàn)結(jié)果表明,甜高粱幼苗葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì),試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)論一致。本試驗(yàn)條件下,在中輕度脅迫(D65、D53)下,胞間CO2濃度與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律一致,均隨脅迫強(qiáng)度的增加而降低,但中重度脅迫(D41、D29)下,胞間CO2濃度與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律相反,均隨脅迫強(qiáng)度的增加而增加,這說(shuō)明在D65、D53處理下,甜高粱凈光合速率的降低是氣孔因素限制,而在D41、D29處理下甜高粱凈光合速率的降低是非氣孔因素所致[16]。另外,甜高粱幼苗在輕度、中度脅迫(D65、D53)下凈光合速率降低,應(yīng)該是因?yàn)橹参镌诟惺艿礁珊得{迫信號(hào)后,出于自我保護(hù),減小氣孔開放程度以減少蒸騰,使得氣孔導(dǎo)度降低,致使光合底物CO2減少,進(jìn)而打破PSII和卡爾文循環(huán)之間的平衡,產(chǎn)生了光抑制從而使凈光合速率下降[17];而在非氣孔限制下甜高粱葉片凈光合速率的降低,應(yīng)該與干旱脅迫使葉綠素結(jié)構(gòu)和功能受到不同程度的損傷,光合羧化酶活性受到抑制等原因有關(guān)[18]。
葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)時(shí)變信號(hào)與光合反應(yīng)進(jìn)程密切偶聯(lián),是測(cè)定植株葉片光合功能的快速、無(wú)損傷探針,被廣泛應(yīng)用于植物抗逆性光合生理領(lǐng)域的研究[19]。本試驗(yàn)條件下,甜高粱葉片初始熒光(F0)隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加而降低,這說(shuō)明光合系統(tǒng)PSII逐漸遭受破壞[20]。未遭受逆境脅迫的植物,其葉片在暗適應(yīng)下的PS II最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)應(yīng)大于或等于0.8[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,在輕度干旱脅迫(D65、D53)下,甜高粱葉片的Fv/Fm雖低于對(duì)照但均不低于0.8,這說(shuō)明輕度的干旱脅迫對(duì)甜高粱葉片光合反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的損傷較小,或者說(shuō)甜高粱可以忍受輕度的干旱脅迫;在重度脅迫(D41、D29)下,F(xiàn)v/Fm極顯著低于對(duì)照,這表明甜高粱葉片PSII部分反應(yīng)中心失活,光合機(jī)構(gòu)遭受破壞并發(fā)生了光抑制現(xiàn)象,這與前人在金銀花[22]持綠型上的研究結(jié)果一致。王可玢等[23]在小麥水分脅迫上的研究表明,小麥在遭受水分脅迫時(shí),qP減小。本試驗(yàn)條件下,甜高粱葉片qP亦隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加而降低,這說(shuō)明PSII反應(yīng)中心的開放程度降低,PSII原初電子受體QA由氧化態(tài)向還原態(tài)轉(zhuǎn)變所需的電子流減少,即PS II氧化側(cè)向反應(yīng)中心PS II的電子傳遞活性受到抑制。
根系活力的大小反應(yīng)植株吸收礦質(zhì)元素和水分能力的強(qiáng)弱,而水分脅迫會(huì)影響根系的吸收[24]。馬富舉等[25]研究得出,在20%的PEG6000營(yíng)養(yǎng)液模擬的干旱條件下,小麥品種“耐旱型洛旱7號(hào)”根系活力高于對(duì)照。本試驗(yàn)條件下,不同強(qiáng)度的干旱脅迫均降低甜高粱幼苗的根系活力,試驗(yàn)結(jié)果與前人不一致,這應(yīng)該是因?yàn)楦珊得{迫對(duì)作物根系活力的影響也存在著明顯的基因型差異,這種差異也會(huì)因干旱脅迫的程度和時(shí)期也變得有所不同[26]。高粱幼苗葉片SPAD值隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),這因?yàn)槿~綠素的合成受到葉肉細(xì)胞水分含量的制約[27],且逆境條件下葉綠素酶活性的升高進(jìn)一步加快對(duì)葉綠素的分解[28],從而引起葉綠素含量的降低,這與前人在玉米上的研究結(jié)論一致[29]??傊?,當(dāng)土壤相對(duì)含水量不低于65%時(shí),對(duì)高粱幼苗形態(tài)特征和生理特性的影響較小,能夠滿足高粱幼苗正常生長(zhǎng)需求;當(dāng)土壤相對(duì)含水量低于53%時(shí),隨著含水量的降低,高粱幼苗受干旱逆境脅迫的程度加重。
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