沙尘胁迫对新疆引进欧洲李叶片光合和荧光特性的影响

2018-04-08薛亚荣巴特尔巴克

经济林研究 2018年4期

薛亚荣，巴特尔·巴克

（新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830052）

新疆地处欧亚大陆内部，位于中国西北干旱区，远离海洋，气候干燥，风多雨少，植被稀疏，地表裸露，生态系统脆弱，是中国沙漠化最严重、分布范围最广的省区[1-2]。但是，近年来频繁的沙尘天气给人民生活和林果业的发展带来了很多不利的影响[3-4]，如沙尘能引起植物叶面的物理和化学伤害[5]，能遮挡并减弱太阳辐射[6]，影响其呼吸作用[7]、叶片的光合作用等生理生态特性[8]。莫治新等人的研究结果表明，降尘能显著降低苹果和香梨叶片的Pn、Tr、Gs和Ci值[9-10]；张兆永的研究结果表明，盐碱尘沉降能阻塞棉花叶片气孔，对气体交换代谢、光能利用率和水分利用率产生不利影响[11]；浮尘能减少植物叶片光合叶面积，妨碍气体交换，对其光合作用和呼吸作用产生不利影响[12]；煤粉尘沉降量的增加会使羊柴叶片的Pn和Tr值降低，影响杨柴叶片的生长特性[13]；Naidoo 和Chirkoot 研究了长期煤灰覆盖对S.chinensis雌叶的PSII 效应，结果发现，叶PSII的光子产量减少了约21%，蒸散量下降约58%，叶片Pn值也大大降低[14]；王孟辉等人研究发现，沙尘胁迫能使山楂的Pn、Gs、Tr等参数降低[15]。因此，研究沙尘胁迫对欧洲李生长的影响情况，对于欧洲李的防灾减灾方面具有十分重要的意义。目前，国内关于欧洲李的研究仅限于产量、品质、嫁接栽培技术、生物学特性、贮藏加工等方面，而对西洋李种质资源保护、逆境对其光合生理的影响等方面的研究报道却较少。新疆夏季高温少雨，是我国生产优质西洋李的适宜区[16]，在巴州、喀什、阿克苏、伊犁等地已形成了规模化生产，主要品种有法兰西、斯泰勒、女神等[17]。本研究以巴州轮台县为研究区，选取法兰西为研究对象，探究了沙尘胁迫处理对其叶片光合特性与叶绿素荧光特性的影响情况，以期为逆境对欧洲李生理生态影响机理的揭示和果树的增产增收提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和试验材料

选择在新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州轮台县国家果树资源圃（83°38′～85°25′ E、41°05′～42°32′ N）开展野外试验。该地区处于天山南部、塔河中游、塔克拉玛干沙漠北部，属于温带大陆性干旱气候，多风沙和浮尘天气。年均气温在10.6 ℃左右，最高气温为41.4 ℃，最低气温为-21 ℃。年平均降水量、蒸发量分别为72 和2 080 mm，年均太阳总辐射量可达到577.6 kJ·cm-2。

试验材料为欧洲李Prunus domesticaL.品种之一的法兰西，是蔷薇科Rosaceae 李属Prunus果树之一，别名为西梅、西洋李，属于引进品种，在新疆有一定面积的种植，其果肉香甜，口感润滑，富含维生素等物质，被称为第三代功能性水果[18]。

1.2 试验设计

以无沙尘胁迫为对照，设计轻度（5 mg·cm-2）沙尘胁迫和重度（12 mg·cm-2）沙尘胁迫处理，分别用S1 和S2 表示，每种处理的胁迫时间分别设为10、20、30、40 d，即设有8 个处理和1 个对照，共计9 个处理。按照何芳[19]和帕提古丽·麦麦提[20]的方法，使用太阳辐射仪（AV-20P）和数据采集器（AR5），选择晴天上午在资源圃测定遮阴率，每个处理分别从5年生欧洲李果树的中上部不同方位各选6 个健康叶片，然后用万深LA-S 叶面积仪进行扫描，分别计算出每个叶片的叶面积。根据单位面积覆盖厚度和叶面积计算出叶片所需沙尘量，再根据所需沙尘量称取沙尘，并将沙尘均匀涂于叶片表面，待处理时间达到预定时间后再测定其各项指标。

所需沙尘量＝单位面积沙尘覆盖厚度×每个叶片的面积。

1.3 测定指标及观测方法

1.3.1 叶绿素含量的测定

采用刘家尧的方法[21]测定叶绿素含量：称取去掉中脉的叶片0.15 g，放入研钵中，加入少量石英砂和95%的乙醇2 mL，研成匀浆，再加入95%的乙醇5 mL，静止3～5 min 后过滤到25 mL 的棕色容量瓶中。将叶绿体色素提取物倒入比色皿中，在波长分别为665、649 nm 处测量吸光度，用95%的乙醇作为空白测量。叶绿素a、b 的浓度分别按照以下公式计算：

Ca＝13.95A665－6.88A649；

Cb＝24.96A649－7.32A665。

式中：Ca为叶绿素a 的浓度；Cb为叶绿素b 的浓度；A665为提取液在波长665 nm 下的吸光度，A649为提取液在波长649 nm 下的吸光度。

叶绿素含量(mg·g-1)＝叶绿素浓度×提取液总体积×稀释倍数/样品鲜质量；

Chl-a 含量(mg·g-1)＝(13.95A665－6.88A649)×V/ (1 000 ×W)；

Chl-b 含量(mg·g-1)＝(24.96A649－7.32A665)×V/ (1 000 ×W)。

式中：Chl-a 表示叶绿素a，Chl-b 表示叶绿素 b；V为提取液体积，W为鲜样质量。

1.3.2 光合参数的测定

光合参数的测定时间为2017年8月28日上午（晴天）。采用CIRAS-2，PP SYSTEMS 光合仪（叶片温度都控制在25～27 ℃），在自然光照下测定各处理叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、叶片胞间CO2浓度（Ci）和气孔导度（Gs）等光合参数。

1.3.3 叶绿素荧光参数的测定

在完成欧洲李叶片光合参数的测定以后，将测定过的活体叶片用锡箔纸包裹好暗适应20 min。暗适应后，使用AZ-FluorCam 植物荧光成像仪，在快门Shutter ＝1、敏感度Sensitivity ＝20、光照Act2 ＝60、Super ＝20 的条件下，测定初始荧光（F0）、PSII 最大光化学效率（Fv/Fm）、非光化学淬灭系数（NPQ）和光化学淬灭系数（qP）等荧光参数。

1.4 数据分析与统计方法

采用SPSS 21.0 软件中的单因素方差分析法（one-way ANOVA）进行统计分析，用LSD 法对各参数的平均值进行显著性检验和多重比较，利用Excel 2010 整理数据并绘图。

2 结果与分析

2.1 沙尘胁迫对欧洲李叶片叶绿素含量的影响

沙尘可以影响植物叶片的光合作用色素，主要表现在叶绿素a、b 含量和a / b 值的变化上，不同程度不同时间的沙尘胁迫处理对欧洲李叶片叶绿素含量的影响情况如图1所示。由图1可知，沙尘胁迫后欧洲李叶片的叶绿素含量显著低于对照，不同程度的沙尘胁迫下，随着覆沙时间的延长，总叶绿素（Chl）、叶绿素a（Chl-a）及叶绿素b（Chl-b）含量均呈下降趋势。当沙尘胁迫处理10 d 时，轻度沙尘胁迫处理的Chl-a 和Chl-b 含量分别为1.60 和0.74 mg·g-1，比对照分别低16.2%和34.8%；重度沙尘胁迫处理的Chl-a 和Chl-b 含量分别为1.77 和0.54 mg·g-1，比对照分别低1.2%和23.6%；轻度和重度胁迫处理的Chl 含量值分别为2.31 和2.76 mg·g-1，分别比对照降低21.3%和6.2%。沙尘处理30 d 后，各处理的Chl、Chl-a 和Chl-b 含量随处理时间的延长而下降的变化趋势均逐渐减缓，且与对照相比，各处理的3 种叶绿素含量都达到了显著差异水平；但是，沙尘胁迫处理30 和40 d 后，各处理间3 种叶绿素含量均无显著差异。叶绿素a / b 之值在轻度胁迫下呈现出先升高后降低的变化趋势，在重度胁迫下相比对照一直处于较高水平且无显著差异。当沙尘胁迫处理10 d 时，轻度和重度胁迫处理的Chl-a / Chl-b 之值分别为3.27 和3.14，比对照分别升高28.7%和23.8%；当沙尘胁迫处理40 d 时，轻度和重度胁迫处理的Chl-a / Chl-b 之值分别为2.88和3.32，比对照分别升高13.6%和30.7%。

图1 不同程度不同时间的沙尘胁迫处理对欧洲李叶片叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of dust stress at different degrees for different durations on chlorophyll content in P.domestica leaves

2.2 沙尘胁迫对欧洲李叶片光合参数的影响

不同程度不同时间的沙尘胁迫处理对欧洲李叶片光合参数的影响情况如图2所示。由图2可知，经过沙尘胁迫后，欧洲李叶片的净光合速率（Pn）随胁迫时间的延长而呈现显著降低的变化趋势。沙尘胁迫30 d 后其降幅减小，且重度（12 mg·cm-2）沙尘胁迫处理的变化趋势比轻度（5 mg·cm-2）沙尘胁迫处理的变化趋势明显；沙尘胁迫40 d 时，轻度和重度胁迫处理的Pn值分别为5.533 和5.366 μmol·m-2s-1，比对照分别下降54.3% 和55.7%，两种处理的Pn值相比对照都达到了显著差异水平。这一结果说明，覆沙量越多、胁迫时间越长，欧洲李叶片的Pn值越低。

图2 不同程度不同时间的沙尘胁迫处理对欧洲李叶片光合参数的影响Fig.2 Effects of different dust stress durations at different stress degrees on photosynthetic parameters in P.domestica leaves

蒸腾速率（Tr）随沙尘胁迫时间的延长总体上也呈降低趋势。沙尘胁迫10 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Tr值分别为2.8 与2.5 mmol·m-2s-1，比对照分别下降5% 和15%。沙尘胁迫20 d时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Tr值分别为2.70 与2.43 mmol·m-2s-1，比对照分别下降8.9%和17.9%。沙尘胁迫30 d 时，轻度胁迫处理的Tr值为2.20 mmol·m-2s-1，比对照降低25.8%；重度胁迫处理的Tr值为2.26 mmol·m-2s-1，比对照下降23.5%。沙尘胁迫40 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Tr值分别为1.866 与1.966 mmol·m-2s-1，比对照分别下降37.1%和33.7%。

在沙尘胁迫处理前期即胁迫10、20 d 时，叶片的气孔导度（Gs）均高于对照。沙尘胁迫10 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Gs值分别为83.66 与81.66 mmol·m-2s-1，比对照分别高25.5%和22.5%；沙尘胁迫20 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Gs值分别为70.66 与72.00 mmol·m-2s-1，比对照分别高6%和8%。沙尘胁迫处理后期，叶片的气孔导度普遍受到抑制，其Gs值均低于对照。沙尘胁迫30 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Gs值与对照相比分别降低了4%和3%；沙尘胁迫40 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Gs值均为42 mmol·m-2s-1，比对照均下降了7%。气孔是H2O 和CO2出入的门户，是植物生态系统碳循环和水循环的交汇点[26]，是植物与外界环境进行气体交换的重要渠道。沙尘胁迫处理后期Gs值降低的原因可能是，沙尘堵塞欧洲李叶片气孔，从而影响了气体交换。Gs值与含水量也有关系，当水分不足时，叶片中脱落酸的含量会增加，从而引起气孔关闭，导度下降，且光合速率也降低，影响气体交换。

长时间的沙尘胁迫后，欧洲李叶片胞间CO2浓度（Ci）的变化呈现出先升高后降低的趋势，并且达到显著差异水平。沙尘胁迫10 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Ci值分别为165.3 与161.0 μmol·mol-1，比对照分别上升30.6%和29.5%。沙尘胁迫20 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Ci值分别为175.0与199.3 μmol·mol-1，比对照分别上升33% 和39%。沙尘胁迫30 d 时，轻度胁迫处理的Ci值为154.3 μmol·mol-1，比对照高27.9%；重度胁迫处理的Ci值为122.3 μmol·mol-1，比对照高20.0%。沙尘胁迫40 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的Ci值分别为108.6 和85.6 μmol·mol-1，比对照分别上升16.7%和11%。总之，长时间覆沙处理的Ci值均高于对照，并呈现出一个倒U 字形的变化曲线。这一结果说明，叶片Pn值的降低，沙尘胁迫前期是由叶片叶肉细胞光合能力的降低和叶绿素含量的减少等非气孔因素造成的，沙尘胁迫后期主要受气孔因素的制约。

2.3 沙尘胁迫对欧洲李叶片荧光参数的影响

不同程度不同时间的沙尘胁迫处理对欧洲李叶片荧光参数的影响情况如图3所示。从图3中可以看出，轻度和重度胁迫处理的初始荧光（F0）都显著低于对照，但随着胁迫时间的延长叶片F0值有所增加，其增幅随着胁迫时间的延长而增大。沙尘胁迫10 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的F0值分别为223.8 与225.8，比对照分别低10.4%和9.6%；沙尘胁迫30 d 时，轻度和重度胁迫处理的F0值分别为239.7 与227.5；处理40 d 时，轻度和重度沙尘胁迫处理的F0值分别为254.4 与228.4，各处理与对照间的差异均达到显著性水平。

图3 不同程度不同时间的沙尘胁迫处理对欧洲李叶片叶绿素荧光参数的影响Fig.3 Effects of different dust stress durations at different stress degrees on chlorophyll fluorescence parameters in P.domestica leaves

PSII 最大光化学效率（Fv/Fm），两种沙尘胁迫处理的Fv/Fm之值均随着胁迫时间的延长而逐渐降低，且胁迫时间越长，降幅越大（如图3所示）。沙尘胁迫10 d 时，轻度和重度胁迫处理的Fv/Fm之值均为0.83，比对照均降低1.2%。沙尘胁迫20 d 时，轻度胁迫下欧洲李叶片的Fv/Fm之值为0.817，比对照降低2.8%；重度胁迫下欧洲李叶片的Fv/Fm之值为0.820，比对照降低2.38%。沙尘胁迫40 d 时，轻度和重度处理的Fv/Fm之值分别为0.803 与0.804，较对照分别降低4.4%和4.3%，两种沙尘胁迫处理与对照间的差异在不同胁迫时长下均达到显著性水平。

非光化学淬灭系数（NPQ）能反映光系统对过剩光能的耗散能力。除了经过10 d 的重度沙尘胁迫处理外，其他各胁迫处理的NPQ 值均随着胁迫时间的延长而增加。沙尘胁迫40 d 时，轻度和重度胁迫处理的NPQ 值分别为3.52 与3.66，较对照分别升高了0.47%和3.58%，重度胁迫处理的增幅大于轻度胁迫处理的，说明重度胁迫下欧洲李叶片具有较强的热耗散能力。

光化学淬灭系数（qP）能大致反映光系统II的电子传递活性的强弱。两种沙尘胁迫处理的qP值在沙尘胁迫10 d 时均高于对照的qP 值，但从沙尘胁迫20 d 开始，各处理的qP 值随着处理时间的延长均逐渐降低，直至低于对照的qP 值；沙尘胁迫30 d 时，轻度和重度胁迫处理的qP 值分别为0.21 与0.23；沙尘胁迫40 d 时，轻度和重度胁迫处理的qP 值分别为0.19 与0.22，比对照分别降低20%和7.14%。轻度沙尘胁迫下qP 的减幅更显著。

3 讨论

叶绿素是植物在光合作用过程中吸收光化学能的物质[22]。环境胁迫可以导致植物体内叶绿素酶活性的增强，进而加快叶绿素的降解。黄承建等人[23]研究发现，干旱胁迫可以导致苎麻的叶绿素含量显著降低。本研究结果表明，沙尘胁迫导致了欧洲李叶片Chl、Chl-a、Chl-b 含量均降低，从而降低了欧洲李叶片对光强的利用率，这与孙璐[24]的研究结果一致。

干旱胁迫[25]、低温胁迫[26]、水胁迫[27]、遮阴胁迫[28]等逆境条件都可导致植物叶片Pn值的降低。通常认为，导致植物叶片Pn值降低的因素有两个：气孔因素和非气孔因素[29-31]。Reddy 等[32]认为，水分胁迫致使叶片气孔关闭，这是光合作用强度降低的首要原因。Farquhar 和Sharkey[29]研究发现，如果在Pn值降低的同时Ci值不变或者升高，则说明Pn值降低是由叶片叶肉细胞的光合能力的降低而导致的；反之，如果在Pn值降低的同时Ci值也跟着降低，则说明净光合速率下降是由气孔因素引起的。本研究结果得出，沙尘胁迫后欧洲李叶片的Pn、Tr值随处理时间的延长均降低，Gs和Ci值则随处理时间的延长而均呈现出先升高后降低的变化趋势，说明欧洲李叶片在沙尘胁迫前期非气孔因素是影响其光合作用的主导因素，胁迫后期主要受气孔因素的影响。这与帕提古力·麦麦提[20]的研究结果一致。

叶绿素荧光技术被称为研究植物光合功能的快捷、无损的探针，更能反映光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面的特点[33-34]。光合作用速率的降低会影响植物对光能的吸收、传递和转化，主要表现为光化学活性的下降[35]。Krause GH研究发现，沙尘胁迫导致叶绿素光合机构的破坏，降低PSII 原初光能转换效率，抑制PSII 潜在活性[36]。本研究结果表明，在沙尘胁迫下，欧洲李叶片的Fv/Fm之值降低，同时F0先降后升，说明欧洲李叶片发生了光抑制现象且PSII 受到破坏[37]。沙尘胁迫下，欧洲李叶片的qP 值先升后降，而NPQ 值呈现出先下降后上升的变化趋势，说明沙尘胁迫改变了欧洲李叶片的PSII 的分配方式，通过提高热耗散，消耗过剩光能来适应沙尘胁迫环境，这与黄清荣等[38]，刘全勇等[39]的研究结果一致。