干旱胁迫对何首乌生长和叶绿素荧光参数的影响

刘 筱，王锐洁，杨淑君，姬拉拉，王健健

(贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025)

由于温室效应不断积累，全球变暖已成事实，其导致的降水强度和频率也发生了巨大改变。近几十年来，我国极端干旱天气频发，干旱胁迫已成为威胁我国农林业生产的最大危险因素。干旱影响植物形态及生理特征，严重时危及植物生存[1-2]。前人研究发现，干旱胁迫对植物的形态和生物量均有明显抑制作用[3-6]，而叶绿素荧光参数作为研究植物光合生理与环境因子关系的探针，通过调节光合系统对光能的吸收和利用情况来表征植物在干旱胁迫下的响应[7-8]。孙景宽等[9]通过观察沙枣(ElaeagnusangustifoliaLinn.)和孩儿拳头(Grewiabilobavar.parvifloraHand.Mazz)光系统Ⅱ(PSⅡ)的光反应速率变化，得出2个物种最大光化学量子产量(Fv/Fm)随着干旱胁迫的加剧呈下降趋势。AHMED等[10]研究发现，绿豆叶片的光合效率在干旱胁迫下也受到抑制。

何首乌(PolygonummultiflorumThunb．)为蓼科(Polygonaceae)蓼属(PolygonumL．)多年生缠绕藤本植物，以块根入药，可治头晕目眩、贫血、须发早白、遗精、白带、便秘、痔疮等症，具有安神、养血、活络、解毒等功能[11]。何首乌喜湿润、阳光充足的环境，耐旱性强，对于环境和气候的改变有较强的适应能力[12]。目前，关于干旱胁迫下何首乌的适应性研究前人已有报道，但主要是不同水肥搭配对何首乌生理指标的影响研究[13-15]，而模拟何首乌生长期不同程度降水情景对其幼苗叶绿素荧光特性的影响研究尚未见报道。鉴于此，对何首乌幼苗进行不同干旱胁迫处理，通过测定和比较何首乌幼苗的各项生长指标和叶绿素荧光参数，探究其在干旱胁迫下的灌水阈值，为制定何首乌相应的栽培管理措施提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试何首乌幼苗购自吉林长春何首乌栽培基地，2017年6月1日选择生长健壮、植株整齐的个体，移植于塑料花盆(内口径×高度为22 cm×22 cm)中，每盆1株，盆栽试验所用土壤取自贵州贵阳花溪农田的熟土，充分混匀以后装盆，在贵州大学生命科学学院实验基地中进行缓苗。

1.2 试验设计

于2017年6月7日，选取何首乌幼苗32盆进行试验。试验采用单因素完全随机设计，根据贵州省贵阳市30 a年6、7、8月平均降水量，设置4个干旱处理，分别为对照(CK)：总灌水量为当月平均降水量，按每月的日平均降水量灌水，灌水频率为1 d 1次；处理1(W1)：总灌水量为当月平均降水量的1/3，即灌水频率为3 d 1次，每次灌水量同CK；处理2(W2)：总灌水量为当月平均降水量的1/5，即灌水频率为5 d 1次，每次灌水量同CK；处理3(W3)：总灌水量为当月平均降水量的1/7，即灌水频率为7 d 1次，每次灌水量同CK。每个梯度设置8个重复，试验从2017年6月7日持续到2017年8月7日。4个干旱胁迫处理的灌水量具体见表1。

表1 干旱胁迫处理的灌水量换算Tab.1 Irrigation amount conversion for 4 drought treatments

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长和形态指标 在试验结束时使用SPAD-502叶绿素仪测定何首乌叶片的叶绿素含量，之后收获所有植株，用直尺测量叶长、叶宽、株高、根长；统计分枝数、叶片数；用游标卡尺测量叶厚。并将块根、须根、茎、叶分开，用便携式激光叶面积仪测定每株的总叶面积，并称量各个部分的鲜质量，之后用烘箱将块根、须根、茎、叶于70 ℃烘干至恒质量，计算总生物量、叶干质量、茎干质量、块根干质量、须根干质量，并计算叶生物量比(叶干质量/总生物量)、根生物量比(根干质量/总生物量)、茎生物量比(茎干质量/总生物量)、根冠比(根干质量/茎+叶干质量)。

1.3.2 叶绿素荧光参数 干旱处理期间，在各处理中随机选择5株植株，采用调谐式荧光仪(MINI-PAM 2.0)测定第3片完全伸展叶片的叶绿素荧光参数。测定前叶片暗适应0.5 h，测定指标包括Fv/Fm(PSⅡ 最大光化学量子产量)、qP(光化学淬灭系数)、NPQ(非光化学淬灭系数)和ETR(电子传递速率)。

1.3.3 植株组织含水量 根据1.3.1中何首乌植株各个部分的鲜质量和烘干后的叶干质量、茎干质量、总根干质量，计算植株的组织含水量。

植株组织含水量=(鲜质量-干质量)/鲜质量×100%。

1.4 统计分析

使用SPSS 22软件对各指标进行一元方差分析(ANOVA)，平均数间的多重比较采用Duncan’s检验(P<0.05)，使用Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 干旱处理对何首乌生长指标的影响

由表2可见，干旱胁迫影响何首乌幼苗叶的生长。总体来看，何首乌的叶长、叶宽、叶厚、总叶面积、叶片数随干旱胁迫加剧呈下降趋势，干旱胁迫程度越高，对何首乌幼苗生长的抑制作用越明显。与CK相比，W1处理仅叶厚和叶片数显著降低，二者分别降低35.72%和34.15%，此处理下何首乌各生长指标降幅最小；W2和W3处理何首乌的叶长、叶宽、叶厚、总叶面积、叶片数均显著下降，其中，W3处理降幅最大，分别为40.37%、40.96%、64.29%、97.54%、87.20%。说明W3处理对何首乌叶生长指标抑制作用最大，其次为W2处理，最后是W1处理。

表2 干旱处理下何首乌幼苗叶片的生长指标Tab.2 The leaf growth index of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

注:同列不同字母表示在0.05水平上显著差异，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate the significant differences at 0.05 levels between Different treatments.The same as below.

由表3可见，干旱胁迫影响何首乌幼苗的形态生长。总体来看，何首乌幼苗的株高、根长、分枝数随干旱胁迫加剧呈下降趋势，根冠比随干旱胁迫加剧呈上升趋势。与CK相比，W1处理何首乌幼苗的根长和根冠比稍有上升，株高下降，但均无显著差异。W2、W3处理何首乌幼苗的株高、根长较CK显著降低，但W2、W3处理间差异不显著，其中，W2处理下株高和根长较CK降幅最大，分别显著降低82.82%和52.15%，W3处理分枝数降幅最大，显著降低33.25%，W3处理何首乌根冠比上升幅度最大，显著增加4.03倍。说明W3处理对何首乌幼苗的形态指标影响最显著，其次为W2处理。

表3 干旱处理下何首乌幼苗的形态指标Tab.3 Morphological index of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.2 干旱处理对何首乌生物量积累的影响

由表4可见，干旱胁迫影响植株的生物量积累。总体来看，何首乌幼苗的叶干质量、茎干质量、总生物量随干旱胁迫程度的加剧呈下降趋势，块根干质量和须根干质量先上升后下降。与CK相比，W1处理下何首乌茎、叶干质量下降，块根和须根干质量上升，但差异不显著，W2、W3处理下何首乌幼苗的叶干质量、茎干质量、块根干质量和总生物量显著降低，但W2、W3处理间差异不显著，其中，W3处理各指标降幅最大，分别为95.78%、89.71%、67.20%和84.73%。须块根干质量仅在W3处理显著降低73.08%。说明W3处理下对何首乌生物量积累的抑制作用最大，其次为W2，最后是W1处理。

表4 干旱处理下何首乌幼苗的生物量积累Tab.4 Biomass accumulation of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.3 干旱处理对何首乌生物量分配的影响

由表5可见，干旱胁迫影响植株的生物量分配。总体来看，何首乌幼苗的根生物量比随着干旱胁迫程度加剧呈上升趋势，茎生物量比和叶生物量比则呈下降趋势。与CK相比，W1处理何首乌各部位生物量比差异不显著；W2、W3处理何首乌根生物量比显著增加，叶干质量比显著降低，茎生物量比差异不显著。其中，W3处理根生物量比增幅最大，较CK显著增加97.14%，叶生物量比降幅最大，较CK显著降低72.22%。说明W3处理下，何首乌生物量分配在根部的较多。

表5 干旱处理下何首乌幼苗的生物量分配Tab.5 Biomass allocation of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.4 干旱处理对何首乌组织含水量的影响

由表6可见，干旱胁迫影响何首乌幼苗各部分的含水量。总体来看，何首乌幼苗的根、茎、叶含水量随干旱胁迫加剧均呈先下降后上升趋势。与CK相比，W1处理下何首乌幼苗根、茎含水量显著降低；W2和W3处理下何首乌根、茎、叶含水量均显著降低，其中，W2处理降幅最大，分别降低18.81%、20.13%、10.31%。可见，W2处理下何首乌幼苗的组织含水量最低，其次为W3处理，最后为W1处理。

表6 干旱处理下何首乌幼苗的含水量Tab.6 Water content of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.5 干旱处理对何首乌叶绿素含量的影响

如图1所示，干旱胁迫影响何首乌叶片的叶绿素含量。总体来看，叶绿素含量随着干旱胁迫加剧呈先上升后下降的趋势。与CK相比，W2处理何首乌幼苗的叶绿素含量升幅最大，显著增加25.49%，W1处理变化不大。说明W2处理何首乌叶片叶绿素积累量最多，其次为W3处理，最后为W1处理。

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同。 Different lowercase letters indicate the significant differences at 0.05 levels.The same as below图1 干旱处理下何首乌幼苗的叶绿素含量Fig.1 Chlorophyll content of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

2.6 干旱处理对何首乌叶绿素荧光参数的影响

如图2所示，干旱胁迫影响植株的叶绿素荧光参数。总体来看，何首乌幼苗的Fv/Fm、ETR和qP随干旱胁迫程度加剧表现为先上升后下降的趋势，NPQ呈下降趋势。与CK相比，W1处理何首乌幼苗的Fv/Fm和ETR升幅最大，显著升高6.75%和59.22%，但qP和NPQ变化不显著；W2处理何首乌幼苗qP升幅最大，显著升高32.65%，ETR显著升高，NPQ显著降低，Fv/Fm变化不显著；W3处理何首乌幼苗的Fv/Fm、ETR、qP和NPQ均显著降低，并且降幅在各处理中最大，分别较CK显著降低78.95%、98.14%、91.24%和76.61%。说明W3处理对何首乌幼苗叶绿素荧光参数的抑制程度最大，W1、W2处理对何首乌叶绿素荧光参数有一定程度的促进作用，且W1处理的促进作用高于W2处理。

图2 干旱处理下何首乌幼苗的叶绿素荧光参数Fig.2 Chlorophyll fluorescence parameters of Polygonum multiflorum seedlings under drought treatments

3 结论与讨论

3.1 干旱处理对何首乌形态生长指标的影响

水分调节植物各器官的生长发育，对植物形态生长方面有着不同影响。研究发现，植物在干旱胁迫不断加剧的情况下，株高、叶片数、茎粗、根系数量等生长指标会受到抑制，且干旱胁迫强度越高抑制作用越明显[16-18]。本研究发现，随干旱胁迫程度加剧，何首乌幼苗的株高、根长、分枝数总体呈下降趋势，并且W2和W3处理与CK差异显著，这与上述研究结果一致，表明干旱胁迫加剧抑制何首乌幼苗的生长。W3处理下何首乌幼苗的根冠比达最大值，较CK显著增加4.03倍，表明干旱胁迫程度越高，何首乌幼苗地上生长量降幅越大，从而增加地下生长量比例。多数研究表明，水分亏缺情况下，植株会根据受旱程度减小叶面积[19]。本研究结果表明，随着干旱胁迫的加剧，何首乌植株通过显著降低叶长、叶宽和叶片数，从而降低总叶面积，且在W3处理下达最小值，较CK显著降低97.54%，与上述研究结果一致。此外，研究还发现，叶厚随干旱胁迫程度加剧呈先降低后增加再降低的趋势，可能是因为植物通过调节叶肉细胞水分来抵抗干旱胁迫造成的损伤，这与NOBEL[20]对叶片解剖结构的观察结果一致。表明干旱胁迫程度越高对何首乌形态生长抑制作用越强。

3.2 干旱处理对何首乌干物质积累及其分配的影响

干旱胁迫对植物各器官生长的影响必然会涉及植物地上及地下部干质量的变化。刘建华[21]在干旱处理的早期阶段对杨树干物质量分配进行研究，发现更多的干物质优先向根分配，将更多的碳水化合物分配到地下部分以降低干旱胁迫造成的损伤，维持植物生长。本研究结果发现，与CK相比，何首乌块根干质量和须根干质量在W1处理下增加，而随干旱胁迫程度加剧，叶干质量、茎干质量、块根干质量、须根干质量和总生物量显著降低，均在W3处理下达最小值，此外，研究还发现，根生物量比随着干旱胁迫程度加剧显著增加，且在W3处理下达最大值，较CK显著增加97.14%，与上述研究结果一致。表明何首乌幼苗可以通过增加块根干质量和须根干质量缓解一定程度的干旱胁迫，但随干旱胁迫程度加剧，各部分生物量比显著降低并维持较大的根生物量比，这与王云龙等[22]和刘长利等[23]的研究结果一致。

3.3 干旱处理对何首乌组织含水量的影响

植物各器官含水量表征植株对水分的利用效率。多数研究表明，干旱胁迫下植物组织含水量降低[24]。本研究结果发现，随着干旱胁迫加剧，何首乌各器官组织含水量虽呈先下降后升高趋势，且各器官组织含水量均低于对照，这与前人研究一致，说明干旱胁迫会使植物器官组织失水，W3处理较W2处理略升高，可能是由于在W3处理下，何首乌通过显著降低生长，增加地下生物量，防止大部分组织含水量流失过快导致的。

3.4 干旱处理对何首乌叶绿素含量及叶绿素荧光参数的影响

在光合作用中，光合色素含量是植株利用光能的重要指标。季杨等[25]研究发现，随着干旱胁迫增加，鸭茅叶绿素含量降低。本研究中，随着干旱胁迫增加，何首乌叶绿素含量先增加后降低且在W2处理达到最大值，较CK显著升高25.49%，这与前人研究结果不一致，可能是因为不同物种在干旱胁迫下的叶绿素积累程度不同。叶绿素荧光参数表示植株光合作用的真实行为，可用来评价光合器官的功能和环境胁迫的影响，通过分析叶绿素荧光参数的变化可以探明光合器官受影响的部位[26]。宫丽丹等[27]研究发现，随着土壤干旱胁迫时间的延长，4个油棕品种Fv/Fm均显著降低。本研究中，何首乌幼苗的Fv/Fm随干旱胁迫加剧呈先上升后下降的趋势，W3处理下达最小值，这与上述结果不一致，可能是因为一定程度的干旱胁迫才会对何首乌光合作用造成抑制，这与褚建民等[28]对欧李的研究结果一致。叶绿素荧光参数指标NPQ和qP反映植物的热耗散和光耗散程度。刘昭伟等[29]研究发现，随着干旱胁迫加剧，棉铃对位叶的NPQ先增加后降低。本研究结果发现，何首乌植株的NPQ随着干旱胁迫的加剧表现为下降趋势，说明光合器官热耗散随干旱胁迫加剧而减少，传递给光化学反应中心的激发能增强，在干旱胁迫下维持光合作用，这与李芳兰[30]对3种灌木的研究结果一致；何首乌植株qP随干旱胁迫加剧表现为先增加后降低，且在W3处理降到最小值，较CK显著降低91.24%，表明此时PSⅡ活性受重度干旱胁迫的影响比较明显，从而出现叶绿体代谢减弱。ETR反映实际光强下的表观电子传递速率，同时也是表示植物光合能力大小的有效参数。前人研究发现，老鸭嘴、山毛豆、假连翘和葛藤4种幼苗ETR随着干旱胁迫程度增加而显著下降[31]。本研究结果表明，何首乌植株的ETR随着干旱胁迫加剧表现为先上升后下降的趋势，在W3处理达最低值，较CK显著降低98.14%，说明干旱胁迫下何首乌通过捕光蛋白复合体进行光能转化，但在长时间干旱下，捕光蛋白复合体受到抑制，电子传递严重受阻，无法修复何首乌受损的机能。

综上，随着干旱胁迫程度加剧，何首乌幼苗通过降低株高、根长、分枝数、叶长、叶片数、叶宽、叶厚、总叶面积、根茎叶干物质量积累量，增加根冠比以及根生物量比等来降低干旱胁迫的伤害，表现出一定的耐旱性。但W3处理下何首乌幼苗叶绿素荧光参数受到严重抑制，损害了何首乌植株的自我修复能力，超出了何首乌幼苗的耐性阈值。