盐和淹水双重胁迫对3种丁香幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响1)

许小妍 李娟娟 张会慧 王晶英

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

丁香是黑龙江省常用的园林绿化树种，习性强健，适应性好，抗寒、耐旱、耐瘠薄，栽培管理容易，冠型好花期长，在园林绿化、水土保持、植被恢复中用途十分广泛。然而黑龙江省一些地区环境严重影响着丁香的生长及生存:三江平原地区耕地土质粘重，地下水偏高，易涝易渍［1］;西部地区苏打盐碱土分布面积甚广，包括肇东、肇州、肇源、安达、林甸、泰来、杜蒙、青岗、明水等地［2］，又由于季节性降雨、低洼地段、排灌系统不良及地下水位升高等原因容易造成土壤渍水，使植物处于盐渍和淹水胁迫下。有研究显示，地表淹水7 d就可导致紫丁香死亡，其原因主要是由淹水环境导致的低氧胁迫引起的［3］。植物受到环境胁迫后，会直接或间接地影响光合色素的含量，进而引起植物光合性能的改变［4］，而叶绿素荧光技术作为分析植物光合作用非损伤的探针，已经广泛应用到植物逆境生理学方面的研究［5－6］。为此，本文对3种丁香在盐和淹水双重胁迫下叶片叶绿素荧光特性方面进行了研究，比较了3种丁香叶片光合特性方面的耐受特点，以期为深入研究丁香的抗盐、抗涝性提供基本的理论依据，为丁香绿化配置提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为一年生紫丁香、暴马丁香和小叶丁香，购买于黑龙江省哈尔滨市利民苗圃。幼苗于春季上盆栽培，盆径30 cm，园土作基质，于2011年5月移苗入盆，每盆定植5株，苗木生长期间正常浇水和除草管理。

1.2 处理方法

2011年8月，对幼苗采用“双套盆法”分别以40、80、120、160 mmol·L－1的 NaCl水溶液进行淹水处理，依次记为 T1、T2、T3、T4，对照组只加水，记为CK。每个处理3盆重复，随机区组排列，保持水层距盆土表面2～3 cm，分别于胁迫处理的第1、4、7天进行叶绿素荧光参数的测定，在处理的第1、3、5、7天进行丙二醛质量分数和细胞膜相对透性的测定。

1.3 测定项目和方法

叶绿素荧光参数采用FMS—2型便携式调制荧光分析仪(Hansatech公司，英国)测定，于胁迫处理的第1、4、7天上午8:00—9:00进行。测定叶片均选择从顶端数第2～3片生长健壮的功能叶片，暗适应30 min后进行初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSⅡ潜在光化学活性(Fv/Fo)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、电子传递速率(ET，R)，光化学猝灭系数(qP)和非光化学猝灭系数(qN)等的测定。各处理重复3次，数据取平均值。丙二醛(MDA)质量分数采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法测定［7］。细胞膜相对透性采用DDS－11C电导率仪测定，以相对电导率来表示细胞膜相对透性。

2 结果与分析

2.1 盐渍和淹水双重胁迫对3种丁香幼苗叶片初始荧光(Fo)和最大荧光(Fm)的影响

Fo、Fm分别反映PSⅡ完全开放和完全关闭时的最大荧光产量。由表1可以看出，随着胁迫时间的延长，3种丁香幼苗叶片Fo均呈现上升趋势，Fm呈现下降趋势。在胁迫处理的第1天，3种丁香各处理组(T1、T2、T3、T4)的 Fo与 CK均无明显差异，但处理第4、7天时，T1、T2、T3、T4处理组的3种丁香叶片的Fo均高于CK，特别是处理第7天时差异更为明显，并且均表现出明显的深度效应。暴马丁香和小叶丁香Fm在胁迫处理的第1天时各处理组相差不大，随着胁迫时间的延长差异变得明显，而紫丁香Fm从胁迫处理的第4天起各处理组与CK差异显著，同样表现出明显的深度效应。结果表明:3种丁香中，紫丁香PSⅡ反应中心受到的伤害最严重。

2.2 盐渍和淹水双重胁迫对3种丁香幼苗叶片PSⅡ光系统活性(Fv/Fo)和最大光化学效率(Fv/Fm)的影响

可变荧光(Fv)与固定荧光(Fo)的比值可代表光系统Ⅱ(PSⅡ)活性，而Fv与最大荧光Fm的比值(Fv/Fm)可代表光系统Ⅱ光化学的最大效率或PSⅡ原初光能转化效率，Fv/Fm被认为是反映光抑制程度的可靠指标［8］。表1显示，随着胁迫时间的延长和胁迫深度的增加，3种丁香幼苗叶片Fv/Fo和Fv/Fm均呈现下降趋势，持续胁迫明显抑制了3种丁香PSⅡ反应中心的光能转换效率和潜在活性。在胁迫处理的第1天，紫丁香各处理间的Fv/Fo差别不大，与对照相比差异显著。低盐处理(T1、T2)下暴马丁香Fv/Fo与对照基本相同，明显高于高盐处理(T3、T4)，而小叶丁香的处理组(T2、T3、T4)与CK在第1天就表现出了差别。在胁迫第7天，3种丁香幼苗叶片各处理组Fv/Fo和Fv/Fm大幅下降，且表现出显著差异。在盐渍和淹水双重胁迫期间，3种丁香比较而言，紫丁香Fv/Fo最小，暴马丁香Fv/Fm略大于小叶丁香，紫丁香仍最小，表明紫丁香幼苗叶片受到光抑制的程度最高。

2.3 盐渍和淹水双重胁迫对3种丁香幼苗叶片光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(qN)的影响

叶绿素荧光猝灭由qP和qN两个过程构成，qP表示PSⅡ中处于开放状态的反应中心所占的比例［9］，是反映光合作用反应中心开放程度的指标。qN是非光化学猝灭的表示方法之一，它反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分［10］。由表1可知，随着胁迫时间的增加，3种丁香幼苗叶片qP逐渐降低，且第7天的下降幅度最大，而qN呈现先上升后下降的趋势。在胁迫期间，紫丁香叶片qP稍小于其它两种丁香，胁迫的第7天，暴马丁香和小叶丁香叶片qP在高盐胁迫(T3和T4)之间差别不大，显著低于对照和低盐胁迫(T1和T2)，表明长时间高浓度的盐渍和淹水双重胁迫显著降低了丁香光合作用反应中心的开放程度。在胁迫处理下，暴马丁香幼苗叶片qN逐渐增加，但第7天时T4下降，其它处理组上升的幅度明显减小。小叶丁香幼苗叶片各处理组qN在第7天均下降，高盐胁迫下下降幅度更大，而紫丁香幼苗叶片T4在第4天就已经表现出下降的趋势。这些结果表明，较长时间的双重胁迫在一定程度上破坏了丁香非光化学淬灭机制自身保护体系，暴马丁香受到的破坏程度最小，紫丁香最大。

2.4 盐渍和淹水双重胁迫对3种丁香幼苗叶片电子传递速率(ET，R)的影响

表观光合电子传递速率或PSⅡ非循环光合电子传递速率(ET，R)能反映PSⅡ原初光能的捕获和光全电子传输能力［11］。如表1所示，随着胁迫时间的增加，3种丁香幼苗叶片ET，R逐渐降低，且表现出深度效应。低盐胁迫(T1和T2)下紫丁香和小叶丁香幼苗叶片ET，R与CK差别不大，显著高于高盐胁迫(T3和T4)，而暴马丁香只有T4与CK及其它处理组差别显著。在NaCl处理的第7天，160 mmol·L－1NaCl(T4)处理的紫丁香、暴马丁香和小叶丁香幼苗叶片的 ET，R仅为 CK 的 70.4%、83.7% 和 74.7%。说明随着胁迫时间的延长，3种丁香表观光合电子传递速率降低，且各处理间存在差异，高浓度盐分胁迫引起的降低更明显。暴马丁香幼苗叶片ET，R稍高于小叶丁香且明显高于紫丁香，3种丁香中暴马丁香叶片qP最高，表明其具有较高的光合效率。

2.5 盐渍和淹水双重胁迫对3种丁香幼苗叶片丙二醛(MDA)和电解质渗漏率的影响

植物在逆境下往往发生膜脂过氧化作用，MDA是其主要产物之一。质膜透性的大小是质膜破坏程度的重要指标，以相对电导率表示。如表1所示，随着胁迫时间的延长和胁迫深度的增加，3种丁香幼苗叶片MDA质量分数和相对电导率均呈现上升的趋势。在盐渍和淹水双重胁迫的第1、3、5天，3种丁香幼苗叶片的MDA增加缓慢，而在第7天发生了显著增加，其中紫丁香的增加幅度高于暴马丁香和小叶丁香。3种丁香幼苗叶片中MDA质量分数和相对电导率大小表现为紫丁香＞小叶丁香＞暴马丁香。

3 结论与讨论

叶绿素荧光动力学分析技术能快速灵敏、无损伤地反映植物光合系统Ⅱ的状况，与植物叶片气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更能反映植物对光能的吸收、传递、耗散、分配等“内在性”特点［12－13］。因此，叶绿素荧光动力学技术是研究植物光合生理特性及与逆境胁迫相互关系的理想探针［14］。目前，国际上对植物在高温、低温、干旱等逆境的叶绿素荧光动力学的研究中已得到广泛应用［15－17］。

淹水会导致叶绿素的降解、气孔关闭，净光合速率大幅下降，还会引起光系统Ⅱ最大光化学效率的下降，但是有些耐淹的物种会随着淹水时间的延长而恢复到原来的水平［18］。本试验结果中，淹水降低了3种丁香叶片 Fm、Fv/Fo和 Fv/Fm，并且伴有 Fo的升高，这与枫杨(Pterocarya stenoptera)［19］和互花米草(Spartina alterniflora)［20］的研究结果相同。Fm、Fv/Fm下降，表明植物叶片发生了光抑制，Fo常用来度量色素吸收的能量中以热和荧光形式散失的部分，PSⅡ天线色素的热耗散常导致Fo降低，而PSⅡ反应中心的破坏和可逆失活则能引起Fo的增加，因而可根据Fo的变化衡量 PSⅡ的稳定性［21］。试验结果中Fv/Fm降低的同时伴随有Fo的上升，表明丁香PSⅡ遭受了破坏。淹水胁迫使丁香ET，R下降，表明电子传递速率减小。胁迫初期qP的下降和qN的上升则说明淹水胁迫下光能用于光化学的比例减少而非光化学的比例增加，这也是植物在环境胁迫下以热耗散的形式耗散掉多余能量，以减轻光氧化和光抑制对其伤害的一种自我保护方式。植物可能通过使一部分PSⅡ反应中心由原来的光能转化中心变为过剩光能耗散中心来达到增加热耗散的目的，而这种热耗散保护作用反之也使一部分PSⅡ反应中心受到暂时的或永久性的损伤。

张华新等［22］的研究显示，日本丁香(S.reticulata(Bl.)Hara)具有高度的耐盐性。丁香在干旱的环境下也表现出非常强的适应性［2］。有关NaCl胁迫对PSⅡ活性的影响，目前还没有统一的认识。多数研究认为［23－25］，NaCl胁迫下植物都会有 Fv/Fm和Fv/Fo的下降及qN的上升，而且qN对NaCl反应较敏感。本试验结果显示，淹水胁迫的同时加入一定量 NaCl使得丁香叶片 Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、qP和ET，R下降而Fo上升，qN先上升后下降，并且高浓度NaCl使其下降和上升的幅度更大，表现出明显的深度效应。说明NaCl和淹水双重胁迫下丁香叶片光合作用原初反应过程受到严重抑制，PSⅡ反应中心受到进一步伤害，电子传递途径受损，丁香幼苗生长受到严重影响。

有研究表明，植物幼苗的荧光参数具体的变化规律与盐胁迫强度和幼苗细胞膜的受损伤程度密切相关［26］。当植物组织受到胁迫时，通常发生膜脂过氧化作用，引起细胞膜透性增大，以及电解质外渗率增大。丙二醛是膜脂过氧化的主要产物，膜透性和MDA质量分数都可用来间接地表示细胞膜的受伤程度。本试验结果表明:胁迫前期3种丁香MDA质量分数没有明显升高，说明保护酶有效地清除了丁香体内的活性氧，丁香体内活性氧的产生与清除的动态平衡维持在良好的水平;在长期胁迫后MDA质量分数显著增加，这种平衡遭到了破坏，活性氧在植物体内开始大量积累，而且在盐+淹水胁迫下更为严重。在盐渍和淹水双重胁迫下相对电导率也逐渐升高，表明当丁香叶片组织受到盐渍和淹水双重胁迫时，体内活性氧产生与清除的代谢系统失调，活性氧在体内过量积累，直接或间接启动膜脂的过氧化作用，膜受到损伤，质膜透性增加，电解质大量外渗，植物受到了严重的伤害。

研究表明，盐渍和淹水双重胁迫对3种丁香的影响大于淹水胁迫，丁香幼苗受到了严重的伤害。由于丁香具有很强的耐盐性，淹水胁迫很有可能在双重胁迫中起主导作用。罗振等［27］研究发现，盐渍对植物的影响小于涝渍，而涝渍又小于盐涝复合胁迫，盐涝双重胁迫表现出累加效应。Naumann等［28］的研究也发现，胁迫的叠加效应对植物的损伤更大。

在本试验中，紫丁香幼苗叶片 Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、qP、qN和 ET，R均小于暴马丁香和小叶丁香，而丙二醛质量分数和电解质渗漏率最大，表明在盐渍和淹水双重胁迫下其叶片光合机构与膜系统受害最严重。胁迫的第7天，紫丁香和小叶丁香qN下降幅度较大，非光化学淬灭机制自身保护体系在一定程度上受到了破坏。暴马丁香幼苗叶片Fo较小，丙二醛质量分数和电解质渗漏率明显小于紫丁香和小叶丁香，电子传递速率(ET，R)也最高，具有较高的光合效率，叶片膜系统受害较小，对环境胁迫有较强的适应能力。

综上所述，盐渍和淹水双重胁迫使紫丁香、暴马丁香、小叶丁香叶片 Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、qP和 ET，R下降，以及Fo、qN、丙二醛质量分数和电解质渗漏率的上升，PSⅡ非光化学淬灭系数(qN)先上升后下降，破坏了幼苗叶片的光合机构，并且伤害了叶片的膜系统。从3种丁香受盐渍和淹水双重胁迫的叶绿素荧光特性和生理变化看，暴马丁香对胁迫的耐受能力最强，小叶丁香次之，紫丁香最弱。目前，有关盐渍和淹水双重胁迫对植物生理生化的影响及其抗性机理等方面的研究还有待更进一步提高。

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