干旱胁迫对4 个油茶品种光合特性的影响

董 斌，韦雪芬，蓝来娇，黄永芳，薛 立，赖娇娇，陆洁芳

（1.华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2.广东农工商职业技术学院，广东 广州 510507）

干旱影响植物的生存、生长和分布，是制约农林业生产的关键因素之一，每年都给全球许多国家造成巨大经济损失[1]。油茶Camellia oleifera，作为我国种植面积最大的木本油料作物，虽然被归为耐旱树种，但其一般被栽植于南方丘陵山地的干旱环境[2]，该区域难以开展人工灌溉，干旱仍然是制约油茶种植产业发展的主要因素[3]。自然界中，干旱环境能对植物的光合作用产生影响[4]，能通过气孔限制和非气孔限制2 种因素导致光合作用下降[5]，持续干旱胁迫能进一步抑制光合作用光反应中心电子传递、光能转换、光合磷酸化及光合作用暗反应等一系列过程[6]，影响植物的正常生长，甚至导致其死亡。

当前，针对油茶开展的光合生理研究主要集中在光合效能方面，如：吴方圆等[7]、袁军等[8]、廖文婷等[9]和范亚芳等[10]分别对产自江西、海南、湖南、广西等地的油茶优良无性系开展了研究，了解不同油茶品种在正常栽培条件下的光合效能。但是，有关干旱胁迫条件对油茶光合作用影响的研究鲜见报道。研究干旱胁迫条件下油茶的光合特性，能从光合作用层面了解其耐旱机制，进而有效地对耐旱品种进行高效筛选。当前仅冯士令等[11]和黄拯等[12]分别针对2年生长林系列3个品种和7年生长林4 号在干旱胁迫下的光合特性开展了研究。为进一步丰富该方面的研究数据，本研究中采取PEG 6000 模拟持续干旱胁迫环境，然后进行短期复水处理，测定广西4 个油茶优良品种的光合指标，并利用隶属函数分析法对其抗旱性进行综合评价。

1 材料与方法

1.1 供试苗木

试验材料为产自广东农垦热带作物科学研究所的桂无1 号、桂无4 号、岑软2 号、岑软3 号的1年生苗，引回后在华南农业大学经济林研究中心苗圃中继续培育。将所有苗木移植入12 cm×8 cm 的育苗袋中，在保持光、温、水、土、肥等环境条件一致的条件下统一培育6 个月。随后挑选长势接近的健壮植株进行后续胁迫试验。幼苗生长情况见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 干旱胁迫处理

为保持环境条件一致性，4 个品种所有的胁迫试验均在BIC-250 智能型人工气候室进行，光照强度设置为2 500 lx，保证14 h 光照和10 h 黑暗，并将温度控制在(25±2) ℃，湿度控制在75%～85%。将根部已洗净的油茶苗固定于3 个装有5 L 新鲜1/2 Hoagland 营养液的塑料盆中缓苗2 d，并以缓苗2 d 后的时间点作为对照。缓苗后，将3个塑料盆分别装入由新鲜的1/2 Hoagland 营养液和不同量PEG6000 配制而成的胁迫处理液中，设置轻度胁迫10%（100 g/L PEG）、中度胁迫20%（200 g/L PEG）和重度胁迫30%（300 g/L PEG）共3 种胁迫强度。各胁迫强度均设4 个时间点，其中12、24、36 h 为持续干旱胁迫，48 h 为复水处理，即持续胁迫36 h 后将胁迫溶液换回新鲜的1/2 Hoagland 营养液并对油茶苗继续培养12 h。

表1 4个油茶品种幼苗基本情况Table 1 Basic information of four clones of C.oleifera seedlings

1.2.2 光合生理指标测定

采用Licor-6400（LI-COR，USA）便携式光合系统分析仪，选用标准叶室（2 cm×3 cm）规格，在开放气路下测定光合参数。干旱胁迫和对照中均随机挑选生长状况基本一致的5 株油茶无性系植株，在每株幼苗的第4～6 位功能叶间选定1 枚叶片挂牌标记，进行不离体测试。需选择生长成熟、长势良好、无病虫害的叶片，为尽量减少环境条件对试验的准备性的影响，测定时间控制在早晨8:30—10:30 和晚上20:30—22:30。记录幼苗叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr），并计算水分利用率（WUE）。光照强度设置为1 000 μmol·m-2s-1，温度设置为25～28 ℃，空气流量设置为500 μmol·s-1。

每枚叶片测定3 次，取平均值。

水分利用率（WUE）的计算公式为：

RWUE＝Pn/Tr。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对净光合速率（Pn）的影响

干旱胁迫对4 个油茶品种净光合速率（Pn）的影响如图1所示。由图1可见，在干旱胁迫环境条件下，各胁迫强度处理的Pn值在胁迫初期快速大幅降低，4 个油茶品种在12 h 均显著低于对照（P＜0.05），且接近最小值。随着胁迫时间的持续，4个油茶品种的Pn值总体均呈逐步下降的变化趋势，且下降幅度较小。总体而言，4 个油茶品种中，岑软2 号和岑软3 号在轻度胁迫下Pn的降幅相对较小。复水12 h 后，岑软3 号轻度胁迫处理的增幅较显著。

图1 干旱胁迫对净光合速率的影响Fig.1 Effect of drought stress on net photosynthetic rate

2.2 干旱胁迫对气孔导度（Gs）的影响

干旱胁迫对4 个油茶品种气孔导度（Gs）的影响如图2所示。由图2可见，桂无1 号和桂无4号的初始Gs较岑软2 号和岑软3 号的高。干旱胁迫12 h 后，4 个油茶品种的Gs均快速降低且显著低于对照（P＜0.05），且随着胁迫时间的延长持续处于较低值。尤其是桂无4 号，轻度胁迫处理12 h 后，Gs已经降低到最低值，与后续时间点差异不显著；相应地，岑软3 号轻度胁迫Gs的降幅较其余3个品种小，呈现逐步降低的梯度变化趋势。复水处理12 h 后，岑软3 号轻度胁迫Gs增幅明显，其余品种及处理均变化不显著。

图2 干旱胁迫对气孔导度的影响Fig.2 Effect of drought stress on stomatal conductance

2.3 干旱胁迫对胞间CO2 浓度（Ci）的影响

干旱胁迫对4 个油茶品种胞间CO2浓度（Ci）的影响如图3所示。由图3可见，在各胁迫强度处理初期，4 个油茶品种的Ci呈轻微下降趋势，随着胁迫时间的持续，除岑软2 号中度和重度胁迫处理中Ci持续增加外，其余3 个油茶品种各胁迫强度处理中Ci整体呈现“先降低后升高”的变化趋势。胁迫处理36 h 后，桂无1 号、桂无4 号和岑软3 号的各胁迫强度处理中Ci均低于对照，但岑软2 号高于对照，其中度和重度胁迫处理甚至显著高于对照（P＜0.05）。复水处理12 h 后，桂无1 号和桂无4 号各胁迫强度处理中Ci继续上升至对照水平，与对照差异不显著，而岑软2 号和岑软3 号的Ci呈现下降趋势，且大部分处理显著低于对照（P＜0.05）。

图3 干旱胁迫对胞间CO2 浓度的影响Fig.3 Effect of drought stress on intercellular CO2 concentration

2.4 干旱胁迫对蒸腾速率（Tr）的影响

干旱胁迫对4 个油茶品种蒸腾速率（Tr）的影响如图4所示。由图4可见，桂无1 号和桂无4号的初始Tr较岑软2 号和岑软3 号高，显示岑软系列的2 个品种具有更强烈的蒸腾作用。在干旱胁迫过程中，各品种不同胁迫强度下的Tr值均显著低于对照（P＜0.05），且始终维持在较低水平，尤其是桂无4 号在胁迫处理12 h 后，Tr值已下降至接近最低值。相应地，桂无1 号轻度胁迫处理，岑软2 号轻度胁迫处理，岑软3 号轻度和中度胁迫处理的Tr值均呈现逐步下降的变化趋势，其中以岑软3 号轻度胁迫处理的梯度变化状态最为显著。复水处理12 h 后，除岑软3 号轻度胁迫Tr值显著上升外（P＜0.05），其余品种各胁迫强度仍继续降低。

2.5 干旱胁迫对水分利用效率（WUE）的影响

干旱胁迫对4 个油茶品种水分利用效率（WUE）的影响如图5所示。由图5可见，岑软2 号和岑软3 号的WUE 整体较桂无1 号和桂无4 号高。在干旱胁迫下，各品种在不同胁迫时间的WUE 的变化较为波动，在桂无1 号中度和重度胁迫处理中，桂无4 号轻度和中度胁迫处理中呈现“先升高，后下降”的变化趋势，桂无1 号在轻度胁迫处理中、桂无4 号在重度胁迫处理中、岑软2 号在各胁迫强度处理中呈现下降或波动下降的变化趋势，岑软3 号在各胁迫强度处理中呈现“先下降，后升高”的变化趋势。复水处理12 h 后，除桂无4 号中度、重度胁迫处理以及岑软2 号中度胁迫处理外，其余处理WUE 均显著升高（P＜0.05）。

2.6 幼苗抗旱性的综合评价

模糊数学中的隶属函数值法能够综合各个影响因素，对植物的综合抗性进行比较全面的评价[13-14]。本研究采用隶属函数法对4 个油茶品种的抗旱性进行综合评价，针对净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、水分利用效率这5 个生理指标的抗旱隶属函数分析结果见表2。

图4 干旱胁迫对蒸腾速率的影响Fig.4 Effect of drought stress on transpiration rate

图5 干旱胁迫对水分利用效率的影响Fig.5 Effect of drought stress on water use effciency

表2 不同干旱强度下4 个油茶品种各测定光合指标的隶属函数值Table 2 Subordina function values of determined photosynthetic indices of four C.oleifera clones under different drought intensities

对4 个品种油茶幼苗在干旱胁迫下光合指标进行隶属函数计算处理。其中岑软3 号的隶属函数平均值大于0.5，抗旱能力较强；其余3 个品种的隶属函数平均值均小于0.5，说明其抗旱性较弱。根据计算结果得出，4 个油茶品种的抗旱性由高到低依次为岑软3 号、岑软2 号、桂无4 号、桂无1 号。

3 结论与讨论

3.1 结 论

本研究中Pn、Gs、Tr、Ci和WUE 这5 种生理指标的总体变化趋势显示，岑软3号的抗旱性最强，桂无1 号和桂无4 号的抗旱性较弱。在复水试验中，岑软3 号光合生理指标表现出较明显的恢复能力，表明其在干旱环境条件下适应能力最强。对4 个油茶品种的5 个光合生理指标的隶属函数综合评定结果显示，抗旱性排序由强至弱依次为岑软3号、岑软2 号、桂无4 号、桂无1 号。

3.2 讨 论

光合作用是植物最基本也是最重要的生理过程，是地球生命能量的关键来源[15]。干旱胁迫引起植物适应性保护，过度胁迫导致植物光合系统受到破坏，进而影响植物光合作用的正常进行[16]。

干旱胁迫下，净光合速率（Pn）是植物光合能力最直接的体现，直接决定着植物光合作用的强弱以及植物在干旱胁迫下的适应能力[17]，气孔导度（Gs）也是影响植物抗旱能力的重要指标，其关闭及时与否对植物的抗旱能力起着重要作用[18]。各油茶品种不同胁迫强度处理12 h 后Pn和Gs均显著降低，Pn降低显示干旱快速对植物光合系统造成影响，光合速率快速下降；Gs降低表明植物通过关闭气孔减少自身水分的散失，以增强其对干旱条件的耐受能力。干旱胁迫引起Pn降低的因素主要有气孔限制和非气孔限制两大类[19]，气孔限制是由于干旱胁迫引起气孔部分关闭，减少甚至阻止CO2进入叶片，进而导致Pn和胞间CO2浓度（Ci）值降低；非气孔限制是由于植物体内光合器官活性降低导致Pn和Ci值升高。因此，Ci的变化趋势可以作为气孔因素影响光合速率变化的主要依据，也可以从侧面反映Pn和叶片CO2的利用率[20]。4 个油茶品种在干旱胁迫下均出现Ci显著下降的变化趋势，表明在胁迫前期，Pn下降主要是由于气孔因素引起的，随着胁迫的持续，Ci出现增高，表明在干旱胁迫的后期，4 个油茶品种的光合系统均受到损伤，逐步转变成非气孔因素引起的Pn下降。这个结果与李生平等对葫芦科黄瓜Cucumis sativus开展干旱胁迫的研究结果一致[21]。

在干旱胁迫下，植物吸水受阻导致体内水分缺乏，蒸腾速率会逐渐减缓，以维持植物基本代谢活动，这是植物抵御干旱胁迫的防御机制[22]，气孔导度是蒸腾速率大幅度下降的主要原因。本试验中，桂无1 号和桂无4 号的初始Gs和Tr均较岑软2 号和岑软3 号高，表明桂无系列2 个品种耗水量较大，维持正常生理活动需要的水较岑软系列2 个品种多，此结论也能从对水分利用率（WUE）指标的分析中得以验证。4 个油茶品种的Gs和Tr在胁迫初期显著降低，表明干旱胁迫对其正常生理活动产生了影响。其中，岑软3 号Gs和Tr降低幅度均较其余3 个品种缓，表明其抵御干旱胁迫的能力更强，能够在同等胁迫强度下保持较高的气孔开放率和较好的吸水能力，使植物进行气体交换和保持水分吸收，以维持光合作用的正常进行[23]。

WUE 是反映植物有效利用水分的能力，是植物在单位耗水量产出同化量的一个重要生理生态参数[24]。植物能够通过减少气孔开度和降低蒸腾速率来提高水分利用效率[25]，干旱胁迫下具有高的WUE 值是植物具有较强抗旱能力的重要指标[26]。岑软2 号和岑软3 号0 h 的WUE 较桂无1 号和桂无4 号初始WUE 高，显示前二者具有更高效的水分利用的先天优势，能在消耗同等水量的情况下同化更多的CO2，积累更多光合产物。岑软2 号和岑软3 号在干旱胁迫条件下仍能保持相对较高的WUE，表明其能更高效地利用水分来应对干旱的不利条件，抗旱性较强。复水处理后，桂无1 号和桂无4 号各胁迫强度处理中，以及岑软2 号和岑软3 号中度和重度胁迫处理中的各光合指标无明显变化。而岑软2 号和岑软3 号品种在轻度胁迫处理下，Gs、Pn、Tr、WUE 有不同程度的恢复迹象，显示岑软系列2 个品种有一定的旱后恢复能力，尤其是岑软3 号，各指标恢复迹象显著，表明其具有较强的干旱适应能力。

在干旱胁迫下，本研究中的4 个油茶品种5种光合生理指标均发生显著变化，显示干旱胁迫引起了油茶的生理反应。但是，植物的抗旱性是一个受多种因素共同影响的复杂综合性状，光合生理指标的变化仅能从相对单一的层面反映植物的抗旱能力。此外，本研究中采取PEG 模拟胁迫的方式，胁迫时间较短，后续可结合土壤栽培进一步开展植物解剖、荧光生理、生理生化等多指标的综合研究，更深入、更全面地了解各油茶品种的抗旱能力。