干旱和盐胁迫对鸭茅叶绿素荧光动力学参数的影响

李 硕，聂中南,2，陈 伟，姜哲浩，陈建纲，张德罡

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.澳大利亚维多利亚第一产业部；3.兰州城市学院，甘肃 兰州 730070)

干旱和盐胁迫对鸭茅叶绿素荧光动力学参数的影响

李 硕1，聂中南1,2，陈 伟3，姜哲浩1，陈建纲1，张德罡1

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.澳大利亚维多利亚第一产业部；3.兰州城市学院，甘肃 兰州 730070)

为了研究鸭茅对干旱、盐胁迫的回馈，采用随机区组盆栽试验。试验包括4种相对含水量处理，相对含水量为75%(CK)、55%、35%、20%和3种盐浓度(100，70和35 mmol/L)，以相对含水量75%作为对照,研究干旱胁迫和盐胁迫对叶绿素荧光参数的影响。结果表明:随着相对含水量的减少，鸭茅的非光化学荧光淬灭(NPQ)幅度逐渐降低，光化学淬灭系数(qP)逐渐增加；最大光化学效率(Fv/Fm)、潜在活性(Fv/F0)逐渐减少；电子传递速度(ETR)逐渐降低；实际原初光能的捕获效率Y(Ⅱ)降低。但在极度干旱胁迫时，热耗散能力降低，光合作用上升，潜在最大光合效率和潜在光合效率增加，实际原初光能的捕获效率增加；表明在极度干旱的条件下，鸭茅的内部机制会做出相应的反应，来避免恶劣的环境。盐胁迫时，低浓度促进热耗散幅度抑制光合作用，相反高浓度抑制剩余光能的转化和促进光合效率；鸭茅的Fv/Fm先上升后下降，Fv/F0与Fv/Fm有相同的趋势；ETR先上升后减少，原初光能的捕获效率先增加后降低。综合评定,鸭茅受盐胁迫影响大于干旱胁迫。

鸭茅；叶绿素荧光；干旱胁迫；盐胁迫

鸭茅(Dactylisglomerata) 是一种起源于欧洲的优良冬性牧草,叶量丰富、草质柔嫩,家畜均喜食、具有适应性强,营养价值高等特点。由于其表现出较好的抗性和生产性能,是退耕还草,建立复合植被等生态工程及草地建设的重要草种。在新西兰、澳大利亚、英国等也占有重要地位。近年来,鸭茅在我国四川、重庆、山西、甘肃、黑龙江等地广泛栽培应用,并取得了显著的经济、生态和社会效益[1]。

前人研究结果表明,光系统Ⅱ(PSⅡ)在植物对干旱胁迫的响应过程中起着重要作用[2,3]。盐胁迫是抑制植物光合作用的主要环境因子之一，盐胁迫条件下能加速植物叶绿素的降解，降低类囊体膜的稳定性，从而降低叶绿体对光能的吸收，导致植物光合速率下降，且对植物光合特性的影响程度直接决定着植物的抗性水平和产量水平[4]。

有关研究报道鸭茅的叶绿素荧光较少，叶绿素荧光是植物光合作用的有效探针,可反映光合机构内一系列重要的调节过程，通过对各种荧光参数的分析,可以得到有关光能利用途径的信息。以鸭茅为材料,研究干旱胁迫和盐胁迫对叶绿素荧光特性的影响,旨在揭示鸭茅的耐旱、耐盐机理，以便为鸭茅在兰州地区种植提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验以鸭茅作为供试材料，盆栽试验于2014年8～10月在甘肃农业大学草业学院组织培养室进行。用规格相同的塑料盆(内径19 cm,深14 cm)，分别装相同重量的基质，基质为草炭土和蛭石(1∶1)；鸭茅播量4 kg/hm2。试验包含4个水分梯度，分别是75%(正常条件CK)、55%(轻度胁迫)、35%(重度胁迫)和20%(极度胁迫)；盐胁迫基于正常浇水条件下，分别是35，70和100 mmol/L NaCl，以相对含水量为75%作为对照(CK)，采用随机区组设计，每个处理重复4次。待鸭茅生长2个月后，开始进行胁迫,胁迫20 d，每天17∶00用称重法补充水分以控制水分含量。

1.2 测定项目及方法

试验选择晴朗天气，早上9∶00开始利用调制荧光成像系统Mini-IMAGING-PAM(WALZ，德国)测量叶片叶绿素荧光。叶片暗适应30 min后进行测定，每个处理测定2～4个叶片。经过充分暗适应后，打开弱测量光不大于0.1 μmol/(m2·s)测定初始荧光(F0)，此时再打开1次饱和脉冲光测定叶绿素的最大荧光Fm。然后，在自然光下，稳态荧光(Ft)稳定后，给1次饱和脉冲光测定Fm′。

经计算得光系统Ⅱ(PSⅡ) 最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)和PSⅡ实际量子产量Y(Ⅱ),每处理至少测4片叶。

由光合作用引起的荧光猝灭，光化学猝灭系数数(qP)：

qP=(Fm′ -Ft)/Fv′ =1-(Ft-F0′ )/(Fm′ -F0′)

由热耗散引起的荧光猝灭，非光化学猝灭：

NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′=Fm/Fm′-1

电子传递的相对速率ETR=Yield×PAR×0.5× 0.84

式中：0.84是植物的经验性吸光系数，0.5是假设植物吸收的光能被两个光系统均分。

1.3 数据统计

采用GENSTAT 9.0统计分析软件进行数据统计分析，Fv/Fm和Fv/F0采用LSD法进行多重比较。用Office 2010 应用软件处理测定数据,并制作图表。采用隶属函数值法，对各项指标测定值用模糊数学隶属度公式进行定量转换，分别对所测的指标采用公式求出不同胁迫各指标的具体隶属值。

U(Xi)=(Xij-Xjmin)/(Ximax-Xjmin)，Δ=1/n∑U(Xi)

如果某一指标与耐性为负相关，用反隶属函数计算其耐性隶属函数值，即：

U(Xi)=1-(Xij-Xjmin)/(Ximax-Xjmin)，Δ=1/n∑U(Xi)

式中：Xij为第i个胁迫第j个测定指标；U(Xi)∈[0,1]；Δ为每个胁迫各项指标测定的综合评定结果；n为测定的指标总数；Ximax，Xjmin为第j项指标的最大值和最小值。

2 结果

2.1 不同胁迫对鸭茅光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光化学效率(Fv /Fm)和PSⅡ潜在活性(Fv/F0)影响

在干旱胁迫下，不同土壤相对含水量之间，Fv/Fm和Fv/F0的含量均有显著差异(P<0.05)。当Fv/Fm下降时，代表植物受到胁迫。随着土壤相对含水量的减少，Fv/Fm和Fv/F0也随着减少；表明两者含量与土壤相对含水量呈正相关；但在20%时，两者含量有所上升(表1)。

在NaCl胁迫下，不同盐浓度所对应的同一指标之间的差异极显著(P<0.01)。随着盐浓度的增大，两者均表现为先上升后下降的趋势；表明盐浓度对Fv/Fm和Fv/F0的含量在低浓度促进，高浓度抑制。Fv/Fm在土壤相对含水量为35%是最大，紧接着是55%，CK(75%)和20%；与Fv/Fm相比，Fv/F0有相同的趋势。

表1 不同胁迫处理下鸭茅Fv/Fm和Fv/F0Table 1 Effect of drought and salt stresses on Fv/Fmand Fv/F0 of cocksfoot

注：*表示差异显著(P<0.05),**表示差异极显著(P<0.01)

2.2 不同胁迫对鸭茅光系统(PSⅡ)实际量子产量Y(Ⅱ)影响

在干旱胁迫下，PSⅡ的Y(Ⅱ)总体表现为75%> 55%>20%>35%(图1)；且随着土壤相对含水量的减少而减少，两者呈正相关，同Fv/Fm有相同的趋势。NaCl胁迫下，在0～160 s时，对照的Y(Ⅱ)高于70 mmol/L；80 s以后，鸭茅的Y(Ⅱ)100 mmol/L>35 mmol/L(图1)。

2.3 不同胁迫对鸭茅光化学淬灭系数(qP)的影响

叶绿素荧光淬灭是叶绿体耗散能量的一种途径。qP值是由植物的光合作用而引起的荧光淬灭，反映了植物光合活性的高低。在干旱胁迫下，鸭茅叶绿素qP表现为CK<20%<35%<55%(图2)，表明随着干旱胁迫的加剧，鸭茅的光合能力逐渐增强。在盐胁迫下，对照的叶绿素荧光下降能力最快；盐浓度为100 mmol/L时，鸭茅的叶绿素荧光下降能力最慢(图2)。试验均表明对照的光合作用最强；100 mmol/L时，光合作用最差。

图1 不同胁迫下鸭茅实际量子产量荧光时间的变化Fig.1 Variation of Y(Ⅱ) of cocksfoot under drought and salt stresses

图2 不同胁迫下鸭茅光化学淬灭系数随荧光动力时间的变化Fig.2 Variation of qP of cocksfoot under drought and salt stresses

2.4 不同胁迫对鸭茅非光化学淬灭系数(NPQ)影响

NPQ由于热耗散引起的荧光淬灭，反映了植物耗散过剩光能为热能的能力，也就是光保护能力。在干旱胁迫下，120 s以前，NPQ以35%>CK(75%)>20% > 55%(图3)；120 s以后，对照的热耗散速度增加。在盐胁迫下，盐浓度为70 mmol/L时，鸭茅的热耗散最大，100 mmol/L时，热耗散次之，对照最小(图3)。

2.5 不同胁迫对鸭茅电子传递速率(ETR)影响

ETR反映实际光强条件下的表观电子传递效率。在干旱胁迫下，土壤相对含水量为CK(75%)时，鸭茅的ETR最大；55%时，ETR次之；140 s以前，35%>20%，在140～260 s，20%>35%，260 s以后，35%的ETR又上升(图4)。对盐胁迫而言，相对电子传递速率总体表现为CK>70 mmol/L>100 mmol/L>35 mmol/L(图4)。

图3 不同胁迫下鸭茅非光化学淬灭系数随荧光动力时间的变化Fig.3 Variation of NPQ of cocksfoot under drought and salt stresses

图4 不同胁迫下鸭茅相对电子传递速率随荧光动力时间的变化Fig.4 Variation of ETR of cocksfoot under drought and salt stresses

2.6 不同胁迫下鸭茅抗寒性和抗盐性综合评价

采用模糊数学隶属函数的方法，对于鸭茅抗性关系相关的6 个生理生化指标，作为抗旱和抗盐生理反应与适应能力综合能力指数进行评价。2个胁迫隶属度平均值分别为盐胁迫3.249和干旱胁迫2.137(表2)；由此综合评定鸭茅抗盐性能力高于抗旱性。

表2 鸭茅各指标隶属度平均值及抗性综合评定结果Table 2 The comprehensive evaluation on resistance of cocksfoot

3 讨论与结论

Fv/Fm是PSⅡ最大光合效率,它表示当所有反应中心开放时PSⅡ的最大光化学量子产量,即PSⅡ反应中心内的原初转化效率，是衡量PSⅡ的光抑制程度重要指标[5]。Fv/F0常用于表示植物叶片PSⅡ的潜在活性[6]。结果表明：干旱胁迫时，随着相对含水量的减少，Fv/Fm逐渐减少；在极度干旱的条件下，鸭茅的潜在光合效率增加。在盐胁迫下，随着盐浓度的增加，鸭茅的最大光合效率先上升后下降。潜在活性与最大光合效率有相同的趋势。

Y(Ⅱ)表示电子传递的量子效率，是PSⅡ反应中心在部分关闭的情况下的实际原初光能的捕获效率[7]。对干旱胁迫而言，随着含水量的减少实际原初光能的捕获效率降低，达到稳态后20%的实际捕获效率高于35%的效率。在未受盐胁迫时，鸭茅对原初光能的捕获速率最淡，但在被胁迫时，随着盐浓度的增加，原初光能的捕获效率先增加后降低。

ETR反映了实际光强条件下的表观电子传递效率；在胁迫下，植物叶片的ETR会下降[8]。试验分析表明，随着相对含水量的减少，ETR的幅度表现为CK(75%)>55%>35%>20%。随着盐浓度的增加，相对电子传递速率CK(75 mmol/L)>70 mmol/L>100 mmol/L>35 mmol/L。

光系统中叶绿素吸收的光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光发射和热耗散3种途径来消耗[9,10]。光合速率上升引起的qP反映了PSⅡ天线色素捕获的光能用于光化学电子传递的份额;而由热耗散引起的NPQ反映的则是PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光化学电子传递而以热的形式消耗掉的部分[11,12]。结果表明：随着土壤相对含水量的减少，鸭茅的热耗散加剧，光合作用减少；但在极度干旱胁迫时，热耗散能力降低，光合作用上升。盐胁迫时，低浓度促进热耗散幅度抑制光合作用，相反高浓度抑制剩余光能的转化和促进光合效率。

采用模糊数学隶属函数的方法，对鸭茅的盐胁迫和干旱胁迫进行了综合性评价：其总体评价结果鸭茅盐胁迫大于干旱胁迫。

随着相对含水量的减少，鸭茅的热耗散加剧，光合作用减少；Fv/Fm、Fv/F0逐渐减少，ETR逐渐降低；实际原初光能的捕获效率Y(Ⅱ)降低。但在极度干旱胁迫时，热耗散能力降低，光合作用上升，潜在光合效率增加，Y(Ⅱ)增加。

盐胁迫时，低浓度促进热耗散幅度抑制光合作用，相反高浓度抑制剩余光能的转化和促进光合效率；鸭茅的最大光合效率先上升后下降，潜在活性与最大光合效率有相同的趋势；ETR先上升后减少，原初光能的捕获效率先增加后降低。

[1] 彭燕,张新全.鸭茅生理生态及育种学研究进展[J].草业学报，2005,14(4):8-14.

[2] 林世青,许春辉,张其德,等.叶绿素荧光动力学在植物抗性生理学、生态学和农业现代化中的应用[J].植物学通报,1992,9(1):1-16.

[3] YANG Y,LIU Q,HAN C,etal.Influence of water stress and low irradiance on morphological and physiological characteristics of Piceaasperata seedlings[J].Photosynthetica,2007,45(4):613-619.

[4] 秦红艳,沈育杰,艾军，等.盐胁迫对不同葡萄品种叶片中叶绿素荧光参数的影响[J].中外葡萄与葡萄酒,2010(5):35-38.

[5] 张守仁.叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论[J].植物学报,1999,16(4):444-448.

[6] Krause G H,Weis E.Chlorophyll fluorescence and photosyn-thesis:The basics[J].AnnuRev Plant Physiol Plant Mol,1991,42:313-349.

[7] 郑有飞,赵泽,吴荣军,等.臭氧胁迫对冬小麦光响应能力及PSII光能吸收与利用的影响[J].生态学报,2010,30(24):6771-6780.

[8] 陈建明,俞晓平,程家安.叶绿素荧光动力学及其在植物抗逆生理研究中的应用[J].浙江农业学报,2006,18(1):51-55。

[9] 张守仁.叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论[J].植物学通报,1999,16(4):444-448.

[10] 许大全,张玉忠,张荣铣.光合作用的光抑制[J].植物生理学通讯,1997,35(6):237-243.

[11] 王德权.持绿型高粱、玉米对干旱胁迫响应的生理机制比较研究[D].沈阳:沈阳农业大学,2012.

[12] 刘瑞显,王友华,陈兵林,等.花铃期干旱胁迫下氮素水平对棉花光合作用与叶绿素荧光特性的影响[J].作物学报,2008,34(4):675-683.

Responses of the chlorophyll fluorescence parameters of cocksfoot (Dactylisglomerata) to water and salt stress

LI Shuo1,NIE Zhong-nan1,2,CHEN Wei3,JIANG Zhe-hao1,CHEN Jian-gang1，ZHANG De-gang1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China；2.DepartmentofEnvironmentandPrimaryIndustries,PrivateBag105,Hamilton,VIC3300,Australia;3.LanzhouCityUniversity,Lanzhou730070,China)

In order to understand the response of cocksfoot (Dactylisglomerata) to drought and salt stresses,a pot experiment was conducted in a randomized completely block design.There were 7 treatments including 4 water stress treatments (75%,55%,35% and 20% of gravimetric water content) and 3 salinity stress treatments (35 mmol/L NaCl,70 mmol/L NaCl and 100 mmol/L NaCl).The water content of 75% was used as control.After 20 days of the drought and salt stress treatment,the chlorophyll fluorescence parameters were measured using the chlorophyll fluometer.The results showed thatFv/Fm,Fv/F0,ETR,Y(Ⅱ) and NPQ gradually decreased,and qP increased with water content decreasing.However,under extreme water stress,heat dissipation was decreased,and photosynthesis and its efficacy were increased in cocksfoot,indicating that cocksfoot responded to water stress to avoid potential damage to the plants.With the increasing of salt stress level,Fv/Fmof cocksfoot initially increased and then declined.ETR,Fv/F0and Y(Ⅱ) showed a similar trend asFv/Fm.The heat dissipation increased at lower salinity levels but decreased at higher salinity levels.The photosynthesis responded in an opposite way to heat dissipation.The tolerance of cocksfoot to water stress was better than salt stress under the experimental conditions.

chlorophyll fluorescence parameters；drought stress；salt stress；Dactylisglomerata

2015-04-27；

2015-06-15

农业部全国畜牧总站“草地生态系统关键产品与服务实物量测度研究”项目资助。

李硕 (1989-)，男，甘肃庆阳人，在读硕士。 E-mail：lishuo858@foxmail.com 张德罡为通讯作者。

Q 945.78,Q 945.11

A

1009-5500(2015)05-0023-05