唐華欣,楊永清,蔣海港,劉 偉,李杰林,姚銀安

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

水分虧缺是樹木經常遭遇的非生物脅迫，樹木等維管植物對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輸?shù)哪芰Α＿@可以通過兩個策略來實現(xiàn)：第一種為保守型用水策略，將氣孔部分關閉維持一定的水勢，及時降低葉片蒸騰來實現(xiàn)，其副作用是降低光合速率，這種策略也被稱為等水調節(jié)對策。第二種為冒險型用水策略，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，從而維持土壤到達葉片的水分驅動力；其光合作用、氣孔導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節(jié)對策。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]。

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

研究對溫帶地區(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.)進行研究，采用自然干燥法分析其木質部栓塞特性。對上述7種盆栽植物進行控制水分條件的干旱脅迫處理，根據(jù)木質部栓塞VC曲線創(chuàng)造導水率損失率在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)和葉綠素熒光參數(shù)。揭示不同水分調節(jié)樹種的栓塞特性，明確在不同栓塞信號條件下兩種樹種的水分/固碳調節(jié)特點，以及相應的光化學響應特征。

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象，共選取生長相對一致的7個物種盆栽幼苗共105盆。

1.2 方法

1.2.1 木質部栓塞脆弱性測定

2020年6月至7月，于早晨6：00—7：00進行采樣。采用改良的自然干燥法，測定枝條VC曲線。選取各樹種間的個體株高、基莖在統(tǒng)計學上沒有顯著差異，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行遮光帶回實驗室。使用便攜式植物水勢壓力室測定其水勢，沖洗法測定枝條導水率[4]。

1.2.2 干旱脅迫環(huán)境中氣體交換指標和葉綠素熒光參數(shù)測定

7種植物每種植物15盆，將每種植物分成3組，放置在具有鈉燈補光系統(tǒng)的溫室內進行控制處理；所有植物在脅迫處理前一天的傍晚將試驗盆澆透水，使土壤達到飽和含水量，然后在第二天黎明前進行葉水勢測定[黎明前Ψleaf與土壤水勢(Ψsoil)達到平衡]。并于當日上午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全自動便攜式光合儀測定植物葉片氣體交換和葉綠素熒光參數(shù)，對照組始終維持土壤飽和含水量，另兩組不再澆水進行持續(xù)干旱，每天測定7種植物的葉水勢直到導水率損失率在50%或者80%的對應水勢；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。

試驗進行3種水分處理：對照(CK)，干旱脅迫(P50：導水率損失50%、P80：導水率損失80%)。每個處理5盆，每盆1株。在脅迫前1 d進行第1次測定，之后不再澆水，在水勢達到P50時測定第2次，在水勢達到P80時測定第3次，共測定3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用R Studio和Microsoft Office Excel 2003對數(shù)據(jù)進行處理并制作相關圖表。

2 結果與分析

2.1 不同樹種的導水率損失與栓塞特點

7種溫帶樹種的VC曲線，以水勢為自變量，木質部導水率損失百分數(shù)(PLC)為因變量，使用單威布爾函數(shù)進行回歸繪制，計算水勢的置信區(qū)間時采用bootstrap方法。木質部水勢絕對值與植物栓塞程度呈現(xiàn)負相關關系，即當水勢降低時，導水率損失率上升，木質部的栓塞程度也會隨之增加。

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越小表明其達到50%導水率(從而顯著影響植物正常功能)的水勢越低、干旱程度越嚴重，因此抗栓塞脆弱性越強。通過表1總結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種溫帶樹種木質部導水率損失百分數(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應的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。云杉導水率損失率最低僅為86%，顯示其對維持生存的忍受能力甚至弱于通常樹種88%的導水率。綜上7種樹種的栓塞抗性順序為麻櫟<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

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

圖2 7種溫帶樹種P50水勢對應達到P50或P80時的天數(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%木質部導水率(P50)的中度干旱條件下，不同樹種的氣孔導度(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照組62%～75%水平，表現(xiàn)出明顯的“維持氣孔導度”非等水植物特點；相反，赤皮青岡、歐美黑楊、麻櫟、北美紅杉等gs深度下降達到對照水平的15%～30%，表現(xiàn)出等水植物調節(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，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；而另一個非等水植物遼東冷杉盡管維持了對照75%的氣孔導度(gs)，然而蒸騰速率(E)和凈光合速率(A)和其他等水植物一樣，僅為對照組的25%～15%。中間型樹種云杉雖然維持了對照組40%～50%的氣孔導度(gs)和蒸騰速率(E)水平，凈光合速率(A)仍然深度下跌，導致其水分利用效率降低到對照的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%木質部導水率水平；歐美黑楊葉片凋落進入休眠，多數(shù)樹種如雞爪槭、赤皮青岡、麻櫟、云杉進一步降低了gs、E，但深度降低了A，導致WUEi大幅度下降；表明生化限制等非氣孔因素構成這些物種嚴重栓塞下的生存障礙。而北美紅杉同步降低了gs、E、A，因此保持了對照水平WUEi。遼東冷杉進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響應

由表3可知，在P50和P80栓塞水平下，植株的熒光相關參數(shù)發(fā)生顯著變化。暗適應下PSII反應中心完全開放時的最大光化學效率(Fv/Fm)、PSII天線效率(Fv′/Fm′)表征的光照下開放的PSII反應中心激發(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；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個樹種有明顯差異，顯示該指標很難作為栓塞脅迫的預測指標。

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

光照條件下PSII實際的光化學量子效率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反應中心中的熱耗散逐漸增強。

3 討論

有研究表明，植物木質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，木質部仍然具有較高的導水能力[5]。但也有研究認為，這只是植物節(jié)約水分的一種耐旱策略，植物木質部栓塞脆弱性與抗旱性之間的相互關系并不明顯[6]。研究對植物重度干旱下達到P80的時間點與木質部栓塞脆弱性抗性呈正相關，支持了前一種觀點。

自Tardieu等[7]提出等水植物和非等水植物觀點以來，對兩類植物類型的劃分一直存在爭議。對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的關系來確定，研究同樣遵循這個原則來確定，通過P0、P50、P80等3個時點來確定其屬于等水還是非等水植物。Klein等[8]總結了70種樹種氣孔導度降低50%對應的葉水勢(Ψgs50)，認為植物水分調節(jié)對策是一個連續(xù)體，而非截然劃分成兩類，并發(fā)現(xiàn)導水率損失點P50水勢與Ψgs50成線性正相關，提示可以采用P50條件分析植物氣孔的水分調節(jié)行為，盡管Andereggl等[9]總結了34種植物發(fā)現(xiàn)等水植物的木質部導水率損失值達到50%時其氣孔導度顯著低于50%。因此，研究將處于P50條件下氣孔導度降低幅度40%～60%稱為中間型。通過歸類已經發(fā)表的P50和氣孔導度/蒸騰速率損失率關系，支持這個劃分方法。

其中較特殊的物種是遼東冷杉，按照定義，本研究和Klein等[8]的報道均將遼東冷杉類植物歸為非等水行為調節(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，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比例在對照條件下遠高于其他樹種，干旱處理后大幅度降低，表明該樹種氣孔調節(jié)能力遠低于其他物種。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。有研究將中間型樹種云杉歸入非等水調節(jié)行為樹種，該物種損失50%的木質部導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，導致其P50干旱條件下WUEi大幅度下降到對照的25%，P80條件下A僅對照的5%，表明該樹種在中度和重度干旱情況下都受到嚴重的非氣孔限制，該樹種在P50條件下Fv′/Fm′的極顯著下降證明了這一點。此外，該樹種維持生存的導水率損失閾值PLC甚至弱于通常樹種88%臨界點，反映了這種在濕潤條件下生長的樹種對栓塞忍受能力很弱。

雞爪槭在P50條件下同步維持了較高的gs、E、A，表明在導水率降低了50%條件下維持了碳最大化的冒險型水分調節(jié)對策。研究發(fā)現(xiàn)北美紅杉導水率下降的情況同歐美黑楊一樣能夠快速響應外界干旱，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百米、樹齡長至上千年的古老樹種的保護型生存策略。同時，北美紅杉和赤皮青岡在極端干旱下還具有很強的耐低導水率和耐強栓塞脅迫特點。作為環(huán)境脅迫信號指標，兩種植物的Fv′/Fm′在P50/P80脅迫條件下變化較小，證實兩個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效率(ΦPSII)和較高的A，表明這種以優(yōu)良材質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節(jié)對策沒有很強的相關性，Quero等[10]的研究也證實了這一點。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)。研究表明麻櫟對干旱非常敏感，具有較高的栓塞脆弱性，這可能是導致該樹種樹干上節(jié)較多的原因。

光化學參數(shù)中，最大光化學效率(Fv/Fm)反映了PSII的潛在光化學效率與實際光化學效率，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]。非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)表征熱耗散的大小，可以準確衡量PSII類囊體薄膜的捕光復合體所吸收的不能用于光化學反應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機制[12]。有研究表明Fv′/Fm′是判斷植物生長狀況的關鍵指標[13]。在本研究結果中，當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，導致原初光能捕獲效率下降、電子傳遞活性減小，從而導致光合效率的降低。前人認為Fv′/Fm′可以作為重度干旱瀕死的預測指標，但是基于導水率損失值PLC的研究表明：即使在達到瀕臨生存危險的處理下其變化不大[14]。而胞間CO2濃度(Ci，非常用的Fv′/Fm′)對木質部栓塞程度具有一致的響應，致死條件下可作為干旱下栓塞預測指標[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，與我們研究結果一致?？紤]到測定栓塞和VC曲線比較繁復，Ci變化可以作為干旱下栓塞程度預測指標。

4 結論

研究表明樹木的水分調節(jié)方式與其抗栓塞能力和抗旱性關系不大?；赑LC設計抗旱性試驗能夠清楚反映種間水分調節(jié)和抗旱性差異，有助于理解樹木適應中度以上干旱強度的生存機制。種間分析表明：胞間CO2濃度(而非常用的Fv′/Fm′)對木質部栓塞程度具有一致的響應，可作為干旱下栓塞預測指標。建議在今后研究植物木質部栓塞脆弱性與抗旱性關系時，應進一步對導管結構和植物生長量、生長特性、生長速率以及外界條件等方面結合起來研究。