干旱胁迫对彩叶草光合特性及叶片超微结构的影响

孟力力， 张 俊， 闻 婧

(1.江苏省农业科学院园艺研究所，江苏 南京210014;2.江苏省农业科学院蔬菜研究所，江苏 南京210014)

彩叶草(Coleus blumei)原产于印度尼西亚，为唇形科鞘蕊花属多年生草本植物，叶对生，卵圆形，叶色丰富，花期夏秋季，圆锥花序，淡蓝或带白色，观赏价值高［1-2］。彩叶草具有消毒杀菌作用［2］，可改善环境，是城市园林绿化中常用的观叶植物。

干旱是影响植物生长发育的重要环境因子之一，其危害程度在诸多非生物胁迫中占首位［4-6］。干旱胁迫可引起叶片气孔关闭、细胞失水［7-8］，破坏植物体内的水分代谢［9］，使Rubisco 降解和Calvin 循环中酶活性下降［10］，导致光合器官损伤，从而抑制光合作用［11-12］。遭遇干旱胁迫后，华山新麦草［13］、黄栌［14］、丹参［15］的净光合速率下降;薄壳山核桃［16］和绢毛委陵菜［17］的细胞结构被破坏，叶绿体破坏溶解;大麦［18］的线粒体外形及膜受到破坏，内嵴部分消失。

彩叶草生长茂盛，需要较多水分，持续干旱下，彩叶草叶片萎蔫，基部叶片加速老化，严重影响其生长和观赏价值。因此本研究拟采用盆栽种植方法，模拟不同程度的土壤水分状况，研究干旱胁迫对彩叶草光合生理特性和细胞超微结构的影响，探索其对干旱环境的适应机理，为彩叶草的栽培应用及抗性品种选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为彩叶草(C. blumei)品种红色天鹅绒，产自美国。

1.2 试验设计

试验于2013 年4 ～7 月江苏省农业科学院观光农业研究中心智能温室进行。4 月播种育苗，5 月中旬选取生长健壮、长势一致的幼苗移栽到塑料花盆中，塑料盆下直径18 cm，上直径28 cm，高26 cm，每盆装基质(泥炭土∶ 黄土∶ 珍珠岩=2∶ 2∶ 1)5 kg。每盆栽种1 株，常规栽培管理。1 个月后开始进行干旱处理。2013 年6 月初进行干旱胁迫，每盆充分灌溉，土壤水分自然消耗。试验共设4 个土壤水分处理:(1)对照，土壤水分含量为田间最大持水量的75% ～80%;(2)轻度胁迫，土壤水分含量为田间最大持水量的60% ～65%;(3)中度胁迫，土壤水分含量为田间最大持水量的45% ～50%;(4)重度胁迫，土壤水分含量为田间最大持水量的30% ～35%。每处理10 盆，每盆1 株。每天18∶ 00用称重法补充消耗水分。胁迫持续20 d 后进行各项指标测定。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 彩叶草生长指标的测定 各处理随机选取3 株，测量株高和茎的最大直径，便携式叶面积仪YMJ-A(浙江托普仪器有限公司)测量最大叶面积。每个指标测定3 次取其平均值。

1.3.2 光强-光合响应曲线的测定 每个处理随机选取3 株，每株取2 片健壮的成熟叶片，试验当天将要测定的彩叶草提前1 h 时放到光下进行充分光适应。采用CIRAS-2 便携式光合记录仪(美国PP Systems 公司)测定。CO2由钢瓶供气，浓度设置为380 μmol/mol，大气温度为25 ～30 ℃，相对湿度为65% ±5%，采用人工LED 光源控制光合有效辐射强度(PAR)分别为1 600 μmol/(m2·s)、1 400 μmol/(m2·s)、1 200 μmol/(m2·s)、1 000 μmol/(m2·s)、 800 μmol/(m2·s)、 600 μmol/(m2·s)、 400 μmol/(m2·s)、 300 μmol/(m2·s)、 200 μmol/(m2·s)、 150 μmol/(m2·s)、 100 μmol/(m2·s)、 50 μmol/(m2·s)、0 μmol/(m2·s)13 个梯度下，每个光强梯度下测定2 min。利用光合仪自动记录如下气体交换参数:净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等，并计算气孔限制值Ls(Ls=1 -Ci/Cr，其中Cr为大气CO2浓 度)［19］和 水 分 利 用 效 率WUE(WUE = Pn/Tr［20］)。绘制光强-光合响应曲线，求得光饱和点(LSP)，并对曲线的初始部分进行线性回归，求得光补偿点(LCP)和表观光量子效率(AQY)。采用Duncan 检验法对各处理间的差异显著性在5%水平上进行检验。

1.3.3 叶片细胞透射电镜观察 取对照组和处理组相同部位叶龄一致的叶片，避开主脉，用双面锋利刀片切割成1 mm×2 mm 大小，迅速投入到4%戊二醛溶液中，利用针筒反复抽气使叶片沉入底部，固定24 h 后，用0.1 mol/L的磷酸缓冲液冲洗3 次，每次15 min。再用1%锇酸固定3 h，去离子水漂洗3 次，每次15 min。丙酮脱水20 min，再用环氧树脂包埋、聚合、切片、染色，在HitachiH-7650 透射电子显微镜(日立高新技术公司)下观察并照相。

2 结果

2.1 干旱胁迫对彩叶草生长指标的影响

由表1 可以看出，轻度胁迫对彩叶草的生长影响较小，与对照相比差异未达到显著水平;彩叶草株高、茎粗和最大叶面积均随着干旱胁迫程度的加深呈现显著下降趋势(P ＜0.05)，中度、重度胁迫后彩叶草的株高、茎粗和最大叶面积分别比对照下降26.25%、39.84%、30.77%和50.76%、39.04%、56.94%。

2.2 干旱胁迫对彩叶草气体交换参数的影响

干旱影响植物的首要环节便是光合作用。干旱对彩叶草气体交换参数的影响如表2 所示，随着干旱胁迫程度的加深，Pn、Gs、Tr均呈下降趋势，在中度、重度胁迫下达到显著水平(P ＜0.05)。重度胁迫下的Pn为2. 67 μmol/(m2·s)，仅为对照的29.12%。轻度和中度胁迫下的彩叶草WUE 升高，重度胁迫下则降低。由于重度胁迫下的彩叶草Pn降低趋势大于Tr，Ci呈现先降后升趋势。在轻度和中度胁迫下，彩叶草Ci降低，Ls升高，推测Pn降低的主要原因是气孔限制;而在重度胁迫下，Ci升高，Ls降低，推测Pn降低的主要原因是非气孔限制。

表1 干旱胁迫下彩叶草生长指标的变化Table 1 Growth parameters of Coleus blumei under drought stress

表2 不同水分处理对彩叶草叶片气体交换参数的影响Table 2 Effect of drought stress on gas-exchange parameters in C. blumei

2.3 干旱胁迫对彩叶草叶片光强-光合响应曲线的影响

利用光强-光合响应曲线可对干旱胁迫下彩叶草的光合作用状态作进一步分析。由图1 可见，在土壤水分轻度和中度胁迫下，彩叶草叶片光合速率的光响应过程与对照基本相同，即在有效辐射强度PAR ＜800 时，Pn随着PAR 的增强而明显升高，尤其在PAR＜200 的范围内基本呈直线增加;当PAR≥800 时，对照的Pn随着PAR 的增强呈缓慢增加趋势，干旱胁迫的Pn则呈下降趋势。土壤干旱胁迫越严重，彩叶草叶片的Pn越低，PAR 为1 000 μmol/(m2·s)时，轻度、中度、重度胁迫3 个处理下的Pn分别比对照降低了15.16%、40.52%、74.71%，表明土壤干旱胁迫加剧导致彩叶草叶片光合生产力明显下降。

表3 为通过对光强响应曲线进行直线回归求得的干旱胁迫下的光合参数。可以看出，随着土壤干旱胁迫加剧，光补偿点LCP 呈升高趋势，在中度胁迫时与对照差异达到显著水平(P ＜0.05);光饱和点LSP 随着干旱胁迫加剧而逐渐降低，各处理之间及处理与对照间的差异均达到显著水平(P ＜0.05);最大光合速率Pmax呈下降趋势，各处理之间及处理与对照间达到显著水平(P ＜0.05)。表观光量子效率AQY 下降，各处理之间及处理与对照间达到显著水平(P ＜0.05)。与对照相比，3 种干旱胁迫处理下的LCP 分别增加33.24%、70.74%和113.92%，LSP 分别降低17.50%、41.59%和65.26%，Pmax分别降低19.72%、46.34% 和78.02%，AQY 分别降低15.16%、40.52%和74.71%。

2.4 干旱胁迫对彩叶草叶片细胞超微结构的影响

图1 彩叶草叶片净光合速率的光响应过程Fig.1 Light response of net photosynthetic rate (Pn)for C. blumei leaves

表3 干旱胁迫下彩叶草叶片光强-光合响应曲线参数值的变化Table 3 Changes of parameters of light response of C. blumei leaves under drought stress

正常水分供应下，彩叶草叶片的叶肉细胞饱满，细胞壁圆滑，叶绿体呈现椭圆形，结构规则，紧贴细胞壁;基粒类囊体小，基质片层整齐;淀粉粒大小均匀，呈现蚕蛹型，边缘清晰;线粒体内嵴小而少，细胞质浓(图2A、2B、2C)。轻度干旱胁迫下，叶肉细胞较饱满，个别叶绿体部分脱离细胞壁，绝大多数仍靠细胞壁，细胞壁稍厚;基粒类囊体部分膨胀，基质片层略扭曲，局部结构变模糊，出现点状嗜锇颗粒;淀粉粒变化不大;部分线粒体内嵴模糊、细胞质变浅(图2D、2E、2F)。中度干旱胁迫下，叶肉细胞出现质壁分离，内膜清楚但外膜变模糊，细胞壁增厚;基粒类囊体变少，大小不均匀，基质片层明显扭曲，分布不均匀，部分模糊;淀粉粒变形，部分边缘模糊，嗜锇颗粒增多;线粒体内嵴和外膜模糊(图2G、2H、2I)。重度干旱胁迫下，叶绿体膜部分断裂，叶绿体结构溶解;基粒类囊体减少，部分消失，基质片层模糊消失;淀粉粒畸形，边缘模糊，出现大量嗜锇颗粒;线粒体膨大部分破裂，内含物流出(图2J、2K、2L)。

3 讨论

植株的整体生长状况是其对外界胁迫尤其是干旱胁迫的综合反映，也是评价胁迫程度和植株抗旱能力的重要指标［21］。本研究发现彩叶草叶片的生长指标株高、茎粗、最大叶面积对土壤中度、重度干旱胁迫比较敏感，土壤轻度干旱胁迫下变化不显著。

植物生长的关键生理活动为光合作用，其强弱可反映植物的生长势和抗旱性。已有研究表明，植株对周围环境因子的变化越敏感，植株细胞超微结构的变化越明显、越剧烈［22］。作为细胞内承担能量转换代谢的细胞器，叶绿体和线粒体的状态可表示新陈代谢的程度［23］。本研究中，随着干旱胁迫程度的加深，彩叶草叶肉细胞中的叶绿体和线粒体的超微结构均发生变化，同时光合生理指标也相应变化。轻度和中度胁迫下，叶绿体基粒片层和基质片层部分扭曲、边缘略模糊，基质变稀，出现嗜锇颗粒，此时叶片气孔导度Ci、净光合速率Pn、蒸腾速率Tr显著下降，证明气孔关闭导致进入叶片的CO2减少，影响植株的光合作用。因此气孔限制是造成光合下降的主要原因。重度胁迫下，叶绿体部分消失，出现大量嗜锇颗粒，此时气孔导度Ci上升，气孔限制值Ls下降，光合速率降低原因由气孔限制为主变为非气孔限制为主;叶绿体结构受到破坏引起光抑制或光破坏［24-25］。这与前人对银水牛果［26］、华山新麦草［13］和绢毛委陵菜［27］的研究结论一致。

图2 干旱对彩叶草叶片细胞超微结构的影响Fig.2 Effects of drought stress on cell ultra-structure of C. blumei leaves

光补偿点LCP 作为反映植物需光特性的指标之一，可以表征光合作用对弱光利用程度的高低，即光补偿点越高，意味着植物光合作用对弱光的利用程度越低［14］。随着土壤干旱胁迫程度的加深，彩叶草光合作用的LCP 显著增加，降低了光合作用对弱光的利用程度。光饱和点LSP 可反映植物对强光的适应能力［28］，即光饱和点越高，植物对强光的适应越好。随着土壤干旱胁迫程度的加深，彩叶草光合作用的LSP 显著下降，表明强光下产生了光抑制。光量子效率AQY 是反映植物光合作用对弱光的吸收和转化利用效率的指标［29］。本研究中，彩叶草的AQY 随着干旱胁迫程度的加深呈下降趋势，表明彩叶草光合作用对弱光的光能吸收和转换利用效率减弱，而且随着干旱胁迫程度的加深而降低明显。随着干旱胁迫程度的加深，光补偿点升高，光饱和点、最大净光合速率和表观量子效率下降，光抑制现象加重。

综上所述，适度的干旱胁迫可以提高叶片水分利用效率，从效益最大化的角度来说，彩叶草适宜的土壤水分应在轻度胁迫(土壤含水量为60% ～65%)范围。彩叶草的正常光饱和点LSP 在1 100 μmol/(m2·s)左右，而在夏天晴天的光合有效辐射大多在1 600 μmol/(m2·s)以上，远超过其饱和点，所以可适当遮阴或将彩叶草栽培于稀疏的林下，以减轻光抑制，降低叶片温度和蒸腾速率，从而提高光合速率和水分利用效率。

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