干旱胁迫下七种牧草叶绿素荧光参数与抗旱性关系研究

2017-03-09张诗吟杨建军莫爱

湖北农业科学 2017年1期

张诗吟++杨建军++莫爱

摘要：以多年生黑麦草（Lolium perenne L.）、垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb）、毛穗新麦草（Psathyrostachys lanuginosa （Trin.） Nevski）、高羊茅（Festuca arundinace）、草地早熟禾（Poa pratensis L.）、扁穗冰草（Agropyron cristatum（L.） Gaertn）和紫羊茅（Festuca rubra L.）7种牧草为试验材料，研究了干旱胁迫下不同禾本科牧草的存活率及叶绿素荧光参数的变化。结果表明，随着干旱胁迫时间的延长，7种牧草的初始荧光（F0）呈现逐渐上升的趋势，可变荧光（Fv）、PSⅡ潜在活性（Fv/F0）、最大光化学效率（Fv/Fm）呈现逐渐下降的趋势。运用隶属函数对7种牧草抗旱性进行评价分析，初步评定高羊茅的抗旱性最强，其次为多年生黑麦草、毛穗新麦草、草地早熟禾、扁穗冰草和紫羊茅，垂穗披碱草的光合机制受到的破坏程度最大，初步评定其抗旱性最弱。

关键词：牧草；干旱胁迫；叶绿素荧光参数

中图分类号：Q945.11 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）01-0107-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.027

The Relation of Chlorophyll Fluorescence Parameters and Drought Resistance Characteristic of Seven Kinds of Pasture Under Drought Stress

ZHANG Shi-yin， YANG Jian-jun， MO Ai

（College of Resources and Environmental Sciences， Xinjiang University/Key Laboratory of Oasis Ecology， Urumqi 830046， China）

Abstract： The chlorophyll fluorescence parameters and survival rate changes of seven kinds of pasture，such as Lolium perenne L.， Elymus nutans Griseb，Psathyrostachys lanuginosa（Trin.） Nevski， Festuca arundinace， Poa pratensis L.，Agropyron cristatum（L.） Gaertn，Festuca rubra L. were measured and analyzed under different drought stress treatment. The results showed that，with the prolonging of drought stress time， the minimal fluorescence（F0） of seven pasture increased gradually， and the variable fluorescence（Fv），PSII potential activity（Fv/F0） and maximal photochemical efficiency of PSII（Fv/Fm） decreased gradually. The order of the drought resistance for seven pasture obtained by the analysis of membership function was as follows： F. arundinace drought was the strongest， followed by L. perenne L.， P. lanuginosa（Trin.） Nevski， P. pratensis L.， A. cristatum（L.） Gaertn and F. rubra L.，the photosynthetic mechanism damage extent of E. nutans Griseb is maximum， and its drought resistance is weakest by preliminary assessment.

Key words： pasture； drought stress； chlorophyll fluorescence parameter

干旱是植物生長发育的主要限制因素之一。干旱胁迫导致植物光合器官受损，叶绿素含量下降，光合作用受阻，进而影响植物的光合生理特性[1]。绿色植物叶片接收的光能辐射，一部分通过光合作用被固定，一部分以热能和荧光的形式耗散[2]。以光合作用理论为基础的叶绿素荧光动力学参数是研究植物光合生理状况及与逆境胁迫关系的理想指针[3，4]。由于叶绿素荧光动力学参数的测定对植物无损伤，而且迅速、准确，能有效地了解如水分、干旱、盐分等胁迫条件下叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、转换、耗散、分配等内在性特点，因此叶绿素荧光动力学参数在植物抗旱生理和抗旱植物的筛选方面具有重要意义[5-7]。目前，叶绿素荧光分析技术被广泛应用于植物的光合机制、作物的增产培育、植物的逆境生理等方面的研究[8-10]。愈来愈多的研究表明叶绿素荧光特征对外界环境条件敏感，并且被用于评价作物光合作用的功能和对环境胁迫的响应[11，12]。如Sayed[13]将其应用于农作物抗旱性的筛选和评价。李磊等[2]对策勒绿洲边缘的21种豆科牧草叶片的叶绿素荧光诱导曲线及其参数进行测定，比较了21种牧草的抗旱性。路兴慧等[14]研究发现，在相同环境胁迫下不同植物种的荧光变化幅度不一，说明其与物种的差异有关。近几年，已对叶绿素荧光动力学参数进行了较多的研究，其内容涉及到小麦[15]、玉米[16]、棉花等[17]植物，但对新疆不同的抗旱性牧草叶绿素荧光特性研究较少。

本文通过在新疆呼图壁西沟煤矿煤火废弃地的研究，筛选出针茅（Stipa capillata L.）、黄芪[Astragalus membranaceus（Fisch.） Bunge]、草原苔草（Carex liparocarpos Gaudin）作为煤火废弃地生态恢复的优先植物种，但通过2012年、2013年连续两年，每次近15 d的种子采集工作，仅采集到约0.5 kg的种子（针茅、黄芪、草原苔草均为优良牧草，研究区牧区牲畜大量啃食，种子量极少），不足以在煤火废弃地上进行大面积的生态修复试验。因此，本研究选取新疆常见的7种抗旱性牧草作为测试材料，采用调制式OS-30P荧光仪测定其在持续干旱胁迫条件下的叶绿素荧光参数，并运用模糊数学中的隶属函数对7种牧草抗旱性进行评价，旨在了解其荧光特性和对干旱胁迫的适应性差异，以期为煤火废弃地植被恢复时抗旱性牧草的筛选和配置提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在新疆乌鲁木齐县板房沟乡温室大棚中进行，共7种牧草。A样地：多年生黑麦草（Lolium perenne L.）；B样地：垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb）；C樣地：毛穗新麦草[Psathyrostachys lanuginosa（Trin.） Nevski]；D样地：高羊茅（Festuca arundinace）；E样地：扁穗冰草[Agropyron cristatum（L.） Gaertn]；F样地：草地早熟禾（Poa pratensis L.）；G样地：紫羊茅（Festuca rubra L.）。

1.2 干旱胁迫处理

每种牧草25个小区，小区面积1 m×1 m，2014年4月中旬播种，种植密度适宜，田间肥水管理一致。幼苗时期每隔10 d漫灌一次，保持土壤适宜含水量。待牧草生长到一定程度后每15～25 d漫灌一次。于2015年3月22日测其叶绿素荧光参数值（对照），4月9日漫灌一次，使土壤含水量达田间持水量，之后进行连续干旱胁迫，在干旱处理的第20、40天分别再测7种牧草的叶绿素荧光参数；各干旱胁迫下的土壤含水量见表1。

1.3 测定指标以及测定方法

取长势良好、大小一致的牧草叶，采用OS-30P荧光仪应用暗适应夹进行试验（每处理选取25片叶，每一品种每一处理重复3次，取其平均值），测定有关叶绿素荧光参数[2]初始荧光（F0）和最大荧光产量（Fm），并计算可变荧光量（Fv=Fm-F0）、PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）和PSⅡ潜在活性（Fv/F0）；存活率=■×100%[18]，其中N表示试验牧草的棵数，N′表示存活的棵数。

1.4 7种牧草耐旱性评价

采用隶属函数法[18，19]对7种牧草的叶绿素荧光参数进行综合评价，把同一处理下各种牧草各耐旱性指标的隶属函数值进行累加，分别计算各种牧草的隶属平均值，并对其排序。计算公式为X（u）=■，式中Xmax为某一处理下平均测定值中的最大值，Xmin为某一处理下平均测定值中的最小值，X为某一种牧草在某一处理下的平均测定值。若某指标与耐旱性呈负相关，计算公式为X（u）=1-■[19]。

1.5 数据处理

所测叶绿素荧光参数经软件Data Capture下载后转为Excel形式进行数据处理，并用SPSS 19.0统计软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下7种牧草存活率比较

随着干旱胁迫时间的延长，对照及胁迫的第20天7种牧草的存活率均为100%（表2），表明牧草还没有出现枯死现象。在胁迫的第40天7种牧草的存活率都呈不同程度下降，其中高羊茅下降的幅度最小，存活率降到56%，植株相对枯死的最少；垂穗披碱草和紫羊茅下降得最明显，存活率最低，为24%；其余牧草的存活率下降至32%～52%之间。

2.2 干旱胁迫对7种牧草叶绿素荧光动力学参数F0和Fv的影响

F0为初始荧光，是PSⅡ反应中心处于完全开放的状态，且所有非光化学过程最小时的荧光产量[20]。F0的大小主要与天线色素到PSⅡ反应中心的激发能传递速率的结构状态及叶绿素含量有关。其变化程度可以用来鉴别植物的不同抵抗力或耐盐耐旱性能力[21]。F0的增加则表明PSⅡ反应中心破坏或者可逆失活[21，22]。随着干旱处理时间的延长，7种牧草的F0均呈上升的趋势（表3），其具体表现为在干旱胁迫的第20天，扁穗冰草、垂穗披碱草、紫羊茅上升的幅度较大，且毛穗新麦草与对照相比差异显著（P<0.05），其他与对照相比均无显著差异。在干旱胁迫的第40天，垂穗披碱草、扁穗冰草、毛穗新麦草相对上升幅度较大，分别为73.8%、53.0%和58.9%；紫羊茅和高羊茅上升幅度相对较小，为45.6%和52.2%，而草地早熟禾和多年生黑麦草的上升幅度较小，为25.2%和22.0%；除了草地早熟禾和紫羊茅，其他牧草均与对照组差异显著（P<0.05）。由此可知，在干旱胁迫条件下PSⅡ反应中心受到了一定程度的破坏，且垂穗披碱草、紫羊茅和毛穗新麦草PSⅡ反应中心受到的破坏程度最大，高羊茅、扁穗冰草和草地早熟禾次之，多年生黑麦草受到的破坏程度最小。

Fv为可变荧光，反映了电子受体QA的还原情况，由表3可知，受到干旱胁迫后，7种牧草的Fv较对照均有所下降，在胁迫的第20天，垂穗披碱草的降幅最大，为12.67%，多年生黑麦草的降幅最小，为0.47%，毛穗新麦草、高羊茅、扁穗冰草、草地早熟禾和紫羊茅的降幅处于0.91%～8.37%之间，7种牧草均与对照之间无显著差异。当胁迫处理的第40天时，7种牧草中降幅较大的为草地早熟禾、毛穗新麦草和垂穗披碱草，其中垂穗披碱草与对照之间差异显著（P<0.05），其他牧草与对照间均无显著差异。扁穗冰草和紫羊茅的降幅分别为16.54%和2.78%，处在中间位置，多年生黑麦草和高羊茅的降低幅度较小，分别为2.57%和2.19%。

2.3 干旱胁迫对7种牧草PSⅡ潜在活性的影响

PSⅡ潜在活性（Fv/F0）表明光反应中心潜在的光化学效率[1]。随着干旱胁迫时间的延长，各品种牧草的Fv/F0都有所下降（图1），但下降的幅度因品种而异。在干旱处理的第20天，紫羊茅和毛穗新麦草的降幅最大，所有品种均与对照无显著差异。在干旱胁迫的第40天，紫羊茅和多年生黑麦草与对照相比下降幅度较小，分别下降了17.6%和13.0%，其他品种Fv/F0开始受到显著影响，其中垂穗披碱草、毛穗新麦草、高羊茅和扁穗冰草与对照相比均差异显著（P<0.05），垂穗披碱草、毛穗新麦草和扁穗冰草降幅相对较大，分别为52.0%，39.3%和36.1%；草地早熟禾和高羊茅降幅相对较小，分别为27.1%和19.0%。由此可知，7种不同的牧草中垂穗披碱草和毛穗新麦草受到干旱胁迫的影响最大，多年生黑麦草受到的影响最小，高羊茅、扁穗冰草、草地早熟禾和紫羊茅介于之间。

2.4 干旱胁迫对7种牧草最大光化学效率的影响

最大光化学效率（Fv/Fm）反映了PSⅡ反应中心的光能转换效率，代表了PSⅡ光化学效率的变化，其值在非环境胁迫的条件下极少变化，而受到胁迫时Fv/Fm的值会发生明显下降，它的值表明了光抑制和植物受到脅迫的程度大小，是光合作用抑制程度的重要指标[20]。它的值的变化不受物种差异和生长条件的影响[20，21]。

图2表明，干旱胁迫下7种牧草PSⅡ原初光能转换效率下降。随着干旱时间的延长，7种牧草Fv/Fm均呈下降趋势。且不同牧草间的下降幅度存在差异，在干旱胁迫的第20天，垂穗披碱草、紫羊茅的下降幅度是较大的，分别较对照下降了6.0%和5.7%；其次为毛穗新麦草，下降幅度为3.7%；再次为草地早熟禾和扁穗冰草，下降幅度分别为2.7%和2.1%。在干旱胁迫的第40天，垂穗披碱草的下降幅度最大，降至13.0%，且与对照相比差异显著（P<0.05），其他均与对照之间无显著差异；高羊茅和多年生黑麦草下降的幅度相对最小，为1.6%和1.3%；扁穗冰草、毛穗新麦草、紫羊茅和草地早熟禾下降幅度处于12.4%～4.1%之间。表明7种牧草中垂穗披碱草、扁穗冰草和毛穗新麦草受到的干旱胁迫影响是较大的，高羊茅和多年生黑麦草受到的干旱影响较小。因此干旱胁迫使PSⅡ的活性中心受到损害，光合作用的能力下降。不同牧草间的Fv/Fm值的动态变化因品种的抗旱性差异而表现不同。

2.5 干旱胁迫对7种牧草PSⅡ耐旱性综合评价

用隶属函数方法对7种牧草的存活率和叶绿素荧光参数进行隶属函数值的计算，将耐旱隶属值进行累加得出7种牧草的耐旱性综合值。结果（表4）表明，7种牧草的耐旱性差别较大，高羊茅的耐旱性综合值最高，达到了0.636，垂穗披碱草的值最低，为0.388，其他的牧草耐旱性综合值居于两者之间。

3 小结与讨论

植物吸收、传递和转换光能时，其中叶绿素荧光的变化会影响光合电子传递和热耗散的变化过程，因此叶绿素荧光参数包含了很多光合作用的信息，并且能快速无损伤的检测干旱胁迫等逆境下植物生长发育以及生理代谢影响的研究。赵丽丽等[1]研究了干旱胁迫下不同品种百脉根叶绿素荧光参数变化，认为不同品种百脉根的叶绿素参数对干旱胁迫的反应差异鉴定品种抗旱性是可行的。本试验研究结果表明，在干旱胁迫时间的延长下，7种牧草的叶绿素荧光参数F0（上升）、Fv、Fv/Fm和Fv/F0（下降）的幅度和速度均随胁迫强度的增加而加快，并且因品种的抗旱性差异而不同。其中在干旱胁迫下，F0的值呈上升的趋势，垂穗披碱草、毛穗新麦草相对上升幅度较大，不可逆的破坏程度较大，草地早熟禾、高羊茅、扁穗冰草次之，多年生黑麦草受到的破坏程度最小。说明PSⅡ反应中心的不可逆失活或出现了被破坏的现象，可能是植物热耗散保护机制失去作用，这与白晶晶等[20]的研究结果基本一致。Fv下降，其中高羊茅和多年生黑麦草的降幅在胁迫的第20天和40天都是最小的，而垂穗披碱草的降幅趋于最大，说明干旱胁迫降低了PSⅡ反应中心QA-QB传递电子的能力，使之后PQ库的传递受到了抑制。

Fv/Fm反映了处于开放状态的PSⅡ反应中心激发和捕获光能的效率，是研究植物胁迫的重要参数[1]。研究表明，干旱胁迫能造成小麦、玉米以及类芦等植物的Fv/Fm和Fv/F0值的降低[15，16，23]。在本试验研究中，随着干旱胁迫的加剧，7种牧草的Fv/Fm均呈下降的趋势，在干旱胁迫的第40天，垂穗披碱草的下降幅度明显大于高羊茅，说明垂穗披碱草在连续干旱胁迫时出现了比高羊茅更严重的光抑制，PSⅡ的原初荧光能转换率明显下降，PSⅡ的转换机构稳定性较其他牧草都差。Fv/F0以垂穗披碱草的下降幅度最大，表明干旱胁迫下垂穗披碱草的PSⅡ活性下降更明显，对干旱胁迫相对更加敏感。Fv/Fm和Fv/F0的变化趋势综合说明了干旱胁迫抑制了7种牧草的PSⅡ的光化学活性，降低了PSⅡ的最大光能转化效率，使PSⅡ潜在活性中心受到了损害，使植物吸收光能并转化为化学能的过程受阻。

在逆境胁迫下植物的存活率也是测定其耐旱、耐盐性指标之一[18]，试验对7种牧草在连续干旱胁迫下的存活率进行比较发现，在胁迫的第40天，7种牧草都相应地发生了枯死现象，存活率也因品种的不同有差异，结果表明垂穗披碱草和紫羊茅的存活率最小而高羊茅的存活率最大。通过隶属函数法，综合了存活率、Fv/Fm、F0、Fv/F0及Fv 5个指标的分析，对7种牧草的耐旱性进行评价，得出高羊茅的耐旱性最强，垂穗披碱草的耐旱性最弱。结果说明可能是高羊茅的PSⅡ反应中心在干旱胁迫下能保持较高的电子传递效率，光化学转换效率较高，反映了高羊茅对干旱胁迫的一种适应能力。

综上所述，干旱胁迫明显导致了7种牧草PSⅡ功能的降低，且7种牧草的抗旱性均表现为不同，结合存活率、Fv/Fm、F0、Fv/F0及Fv等荧光参数的分析以及模糊数学中的隶属函数法对7种牧草PSⅡ功能的综合评价结果表明，在持续干旱胁迫条件下，7种牧草中高羊茅受到的干旱影响最小，适应干旱的能力最强，初步评定为其抗旱性最强；其次为多年生黑麦草、毛穗新麦草、草地早熟禾、扁穗冰草和紫羊茅；垂穗披碱草的光合机制受到的破坏程度最大，初步评定其抗旱性最差。因此建议在煤火废弃地植被恢复时优先选择高羊茅、多年生黑麦草、毛穗新麦草这3种抗旱性强的牧草。

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