干旱对沟叶结缕草光合作用的影响

韩莹莹，马一粼，吕 歆，张 珊，胡化广，张振铭

（盐城师范学院海洋与生物工程学院，江苏盐城224051）

光合作用被认为是地球上最重要的生化反应，为包括人类在内的几乎所有生物提供了能量来源和物质来源，其强弱受水分、光照度、CO2浓度和温度等环境因子的影响［1］。水分是影响植物生长的环境因子之一，特别是我国水资源匮乏的华北、西北等地区，水资源已成为制约当地生态建设的限制因子。因此研究干旱胁迫对植物光合作用的影响对于揭示植物适应干旱胁迫机理具有重要意义。

光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）是植物光合作用最重要的4个特征参数。在轻度胁迫时，光合速率降低主要是气孔导度下降引起的。研究发现，玉米在遭受干旱胁迫时，其叶片Pn和Gs显著下降，Ci先下降后上升［2］；山葡萄叶片Pn随着干旱胁迫的加重而下降，Ci浓度升高［3］。在严重干旱胁迫时叶绿素解体，光系统Ⅱ（PSⅡ）活性下降，光合关键酶PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）和RuBP（1，5－二磷酸核酮糖）羧化酶活性受到抑制而导致光合速率下降［4］，这些被称为光合作用的非气孔限制因素。研究表明，随着干旱胁迫的增加，大麦叶片最大荧光（Fm）、实际光化学效率降低，初始荧光（Fo）、光化学淬灭系数（qP）增加［5］；冬小麦在干旱胁迫时可变荧光与最大荧光比（Fv／Fm）、可变荧光与最小荧光比（Fv／Fo）、稳态荧光（Ft）均明显降低［6］。向日葵在遭受干旱胁迫时叶片光合速率和RuBP之间存在明显的“S”形曲线，说明光合速率的降低在某种程度上受到RuBP含量的制约［7］；Gunasekera等也发现，RuBP合成在水分胁迫下受到限制［8］。PEP羧化酶活性在干旱胁迫下与RuBP羧化酶活性一样受到限制，轻度胁迫时略有上升，重度胁迫时显著下降［9］。

结缕草（Zoysia spp.）是优良的暖季型草坪草，被广泛应用于各种草坪的建植上［10］。早在20世纪80年代，国外就开始草坪草的光合和蒸散研究［11－13］；尽管我国开展草坪草节水起步较晚，但是在草坪草的光合特征、日变化特点以及光合响应曲线研究方面取得了一定的成果［14－19］，这些研究对于指导草坪灌溉、进一步揭示光合作用机理具有重要的作用。本研究以我国园林绿化中广泛使用的沟叶结缕草为材料，对其干旱胁迫过程中光合特征、叶绿素荧光参数和光合作用关键酶活性进行研究，其结果对于揭示沟叶结缕草光合作用的机理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料种植与干旱处理

从盐城师范学院绿化草坪取沟叶结缕草草皮块种植于内径10 cm、高40 cm的PVC管中，共种植6管，其中3管用作干旱处理，3管用作对照。材料培养结束后，进行正常的培养，待盖度达到100%时移入温室进行模拟干旱处理。在充分浇水后，3管用于干旱处理，一直不浇水，另外3管作对照，隔天浇水，在干旱胁迫 3、6、9、12、15 d时测定以下指标。

1.2 光合特征测定

用光合测定仪（Li－6400XT型，Li－cor公司，美国）于晴天10：00在光照1 000μmol／（m2·s）下测定沟叶结缕草叶片中部的 Pn［μmol／（m2·s）］、Tr［mmol／（m2·s）］、Gs［mol／（m2·s）］和 Ci［μmol／mol］，每个重复测 3张叶片。

1.3 叶绿素荧光参数测定

用荧光仪（PAM－2100型，WALZ公司，德国）进行测定，叶片初始荧光产量Fo经暗适应20 min后测定，最大荧光产量Fm在强光下测定，荧光恢复到 Fo附近时打开606μmol／（m2·s）的光化光进行荧光诱导，待荧光达到稳态测量，打开饱和脉冲测量Fs与Fm′，随后关闭光化光，打开远红光，测量Fo′，由此计算出荧光参数。PSⅡ实际量子产量＝（Fm′－Fs）／Fm′，光化学猝灭系数 qP＝1－（Fs－Fo′）／（Fm′－Fo′），测量并记录数据。

1.4 关键酶活性测定

叶片光合特征和叶绿素荧光特征测定结束后，剪下叶片置于液氮中，带回实验室。称取0.1 g叶片中段放入研钵中，加1.9 mL预冷的提取缓冲液，在0～4℃低温下研磨，匀浆液经7 400 r／min冷冻离心10 min，上清液用于酶活性的测定。RuBP羧化酶活性测定参照王维光等的方法［20］，PEP羧化酶活性测定参照施教耐等的方法［21］。

1.5 数据分析与处理

采用Microsoft Excel软件进行绘图，用SPSS软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 干旱对沟叶结缕草光合特征的影响

从图1－A可以看出，正常浇水的沟叶结缕草净光合速率变化不大，其光合速率大小为 28.28～30.04μmol／（m2·s）。干旱处理的沟叶结缕草净光合速率出现了较大的变化，呈现先增加后降低趋势。在干旱处理的3～6 d，沟叶结缕草的净光合速率逐渐增加，到处理6 d时达到峰值，比对照增加了1564%，且显著高于对照（P＜0.05）；然后开始逐渐下降，从处理9 d开始，干旱处理的沟叶结缕草的净光合速率显著低于正常浇水的沟叶结缕草的净光合速率（P＜0.05）。

从图1－B可以看出，经过干旱处理后，沟叶结缕草的气孔导度呈逐渐下降趋势，处理3～9 d沟叶结缕草的气孔导度与对照差异不显著，在处理12、15 d，干旱处理的沟叶结缕草气孔导度显著低于对照（P＜0.05），与对照相比分别下降了29.44%、29.05%。

从图1－C中可以看出，干旱处理后沟叶结缕草的胞间CO2浓度在3～6 d高于正常浇水的沟叶结缕草胞间CO2浓度，在处理6 d，比对照增加了6.55%，但是差异不显著（P＞0.05），随后，干旱处理沟叶结缕草的胞间CO2浓度逐渐下降，从处理9 d开始，干旱处理的沟叶结缕草胞间CO2浓度显著低于正常浇水的沟叶结缕草胞间CO2浓度（P＜0.05）。

从图1－D中可以看出，与对照相比，干旱处理的沟叶结缕草蒸腾速率逐渐下降，从处理6 d开始干旱处理的沟叶结缕草蒸腾速率显著低于正常浇水的沟叶结缕草蒸腾速率（P＜0.05）。

2.2 干旱胁迫对沟叶结缕草叶绿素荧光参数的影响

试验结果显示，干旱胁迫处理的结缕草叶绿素初始荧光呈逐渐上升趋势，从胁迫12 d开始，干旱处理的沟叶结缕草初始荧光显著高于对照沟叶结缕草初始荧光（P＜0.05），在干旱处理12、15 d的沟叶结缕草初始荧光比对照分别增加了1521%、20.14%（图2－A）。

正常浇水的结缕草叶绿素最大荧光产量变化不大，而经过干旱处理的沟叶结缕草最大叶绿素荧光逐渐下降，从胁迫9 d开始，干旱处理沟叶结缕草的叶绿素荧光显著小于正常浇水的沟叶结缕草最大荧光产量（P＜0.05）（图2－B）。

实际光化学效率是反映光合电子传递速率快慢的指标，实际光化学效率越高，光合电子传递速率越快，沟叶结缕草所形成的光合产物越多。正常浇水的沟叶结缕草实际光化学效率变化不大，干旱处理的沟叶结缕草在处理3 d实际光化学效率高于正常浇水的沟叶结缕草实际光化学效率，但差异不显著（P＞0.05）；在干旱处理的6～15 d，干旱处理的沟叶结缕草实际光化学效率一直下降，从处理9 d开始，干旱处理的沟叶结缕草实际光化学效率显著小于正常浇水的沟叶结缕草实际光化学效率（P＜0.05）（图2－C）。

光化学猝灭系数反映了PSⅡ反应中心的开放程度，表示PSⅡ聚光色素所吸收的光能用于电子传递的部分。在正常浇水条件下，沟叶结缕草的光化学猝灭系数变化不大；而干旱处理的沟叶结缕草光化学猝灭系数呈现逐渐降低的趋势，在干旱处理3～6 d的结缕草光化学猝灭系数高于对照，但是差异不显著（P＞0.05），从处理9 d开始，干旱处理的沟叶结缕草光化学猝灭系数显著小于对照的沟叶结缕草光化学猝灭系数（图2－D）。

2.3 干旱胁迫对沟叶结缕草光合关键酶活性的影响

从图3－A可以看出，经干旱处理的沟叶结缕草PEP羧化酶活性呈逐渐下降趋势，从干旱胁迫9 d起，干旱处理的沟叶结缕草PEP羧化酶活性显著低于正常浇水的沟叶结缕草PEP羧化酶活性（P＜0.05）。

从图3－B可以看出，干旱处理的沟叶结缕草RuBP羧化酶活性也呈逐渐下降的趋势，从胁迫12 d起，干旱处理的沟叶结缕草RuBP羧化酶活性显著低于正常浇水的沟叶结缕草RuBP羧化酶活性（P＜0.05）。

3 结论与讨论

光合作用是指绿色植物通过叶绿体利用光能把CO2和水转化成有机物并释放O2的过程。光合作用包括光反映和暗反应2个阶段，光反应阶段必须有光能才能进行，是在叶绿体内的类囊体上进行的；暗反应阶段没有光能也可以进行，是在叶绿体基质中进行的。土壤水分状况影响光合作用的全过程［22］，已有研究发现，土壤水分对光合作用的影响是通过影响气孔导度进行的，气孔导度的变化直接影响光合作用和蒸腾作用［17］。本研究发现，干旱处理的沟叶结缕草的气孔导度逐渐下降，这可能是沟叶结缕草主动适应干旱胁迫的一种策略，通过减少气孔的开度，减少体内水分过度的蒸腾，但是这也影响沟叶结缕草摄取CO2，导致胞间CO2浓度降低。净光合速率是光合作用整个过程的反映，研究发现干旱胁迫的初期，沟叶结缕草净光合速率先上升，这可能是植物适应干旱胁迫的一种方式，结缕草通过提高光合速率，积累较多的光合产物以度过不良环境。

植物叶绿素吸收的光能一部分用于光合作用，一部分用于热耗散，还有一部分用于叶绿素荧光，通过测定叶绿素荧光可以间接反映光合作用的情况。在干旱处理过程中，沟叶结缕草的Fo逐渐增加，说明干旱导致沟叶结缕草叶片PSⅡ反应中心失活；沟叶结缕草的Fm随着干旱胁迫程度的增加而逐渐下降，电子传递更易受到胁迫影响。实际光化学效率表征植物对原初光能的捕获效率，在干旱胁迫过程中沟叶结缕草实际光化学效率逐渐降低，说明沟叶结缕草对原初光能捕捉效率下降，这与孙景宽等的研究结果［23］相似。qP的大小反映了PSⅡ开放中心的数目，其值越大，表明 PSⅡ的电子传递活性越高。随着干旱程度的增加，沟叶结缕草qP持续降低，说明PSⅡ电子传递活性逐渐下降。

沟叶结缕草是C4植物，PEP羧化酶和RuBP羧化酶是光合暗反应中的2种关键酶。PEP羧化酶在叶肉细胞中，通过C4途径固定CO2；RuBP羧化酶在维管束鞘细胞中，通过C3途径同化CO2。研究表明，随着干旱胁迫的延长，沟叶结缕草PEP羧化酶和RuBP羧化酶均逐渐下降，说明干旱胁迫抑制了沟叶结缕草的光合碳同化。

在干旱胁迫过程中，沟叶结缕草的净光合速率和胞间CO2浓度先增加后降低，气孔导度和蒸腾速率逐渐降低；干旱处理的沟叶结缕草初始荧光逐渐上升，但最大荧光、实际光化学效率和光化学猝灭系数逐渐降低，PEP羧化酶和RuBP羧化酶活性逐渐降低。说明干旱不仅影响光合作用的光反应，而且还影响了光合作用的暗反应。

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