土壤水分胁迫对多花黄精光合作用及叶绿素荧光参数的影响

唐婧文，梁文斌，邹 辉，陈雪妮

（1.深圳市中国科学院仙湖植物园，广东 深圳 518004；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；3.新化县颐朴源黄精科技有限公司，湖南 娄底 417600）

多花黄精Polygonatum cyrtonema为百合科Liliaceae 多年生药用草本，其块状茎具有降血糖血脂、保护心血管系统、增强免疫力、抗衰老、抗病原微生物、抗病毒、抗肿瘤等功效[1]。近年来，随着人们对多花黄精应用研究的不断深入，其药用价值和保健价值越来越被重视，除药用外，多花黄精还可加工成蜜饯、保健酒、饮片、饲料添加剂等，市场需求量与日俱增，但资源量少，尤其是目前多花黄精野生资源锐减，导致市场上多花黄精原材料严重短缺，影响了多花黄精产品的开发与生产。目前人工种植不成规模，资源匮乏问题已经成为多花黄精产业发展的瓶颈。因此，大力开展多花黄精的规范化种植及栽培技术研究是解决多花黄精资源匮乏问题的有效途径。

水分是植物生长过程中的关键因子，适宜的水分是植物生长良好的必备条件。光合作用是植物维持生命活动的重要过程，其强弱与植物生长及抗逆性密切相关，水分胁迫对植物光合作用的影响可以通过分析叶绿素荧光动力学参数进行研究，植物叶片叶绿素荧光参数的变化可以准确地衡量植物光合潜能的高低和受伤害程度[2]。目前，国内外关于运用叶绿素荧光参数以及光合参数的变化来研究土壤水分胁迫对植物影响的报道较多[3-6]，但有关多花黄精对水分胁迫的响应研究尚未发现有报道。多花黄精的研究主要涉及林下栽培技术[7-8]，何鹏程[9]研究发现，多花黄精忌旱忌涝，适宜的土壤含水量对其良好生长具有重要意义。在实际生产中发现，春季多雨水，种植地常因积水而导致多花黄精根状茎腐烂，但土壤过度干旱也会导致多花黄精生长受阻，即土壤含水量会影响多花黄精根状茎的产量。因此，研究适合多花黄精生长和物质积累的土壤含水量对提高多花黄精产量具有重要意义。本研究通过盆栽控水试验研究了多花黄精在不同土壤水分胁迫下叶绿素含量、叶绿素荧光参数的变化以及光合参数的变化，以期探索多花黄精生长所需的合适土壤含水量，为多花黄精规模化人工栽培提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料是来自湖南省娄底市新化县槎溪镇油坪村多花黄精种植基地的多花黄精种子繁育的3年生苗。

1.2 试验设计

2017年5月进行土壤干旱胁迫，选择生长健壮、长势较一致的盆栽试验苗进行控水处理，充分灌溉盆土，使其含水量相同，停止灌溉后等其自然落干，通过土壤水分测定仪（恒美HM-S）测定盆土含水量，待土壤水分降至试验所需的干旱胁迫程度后，每天傍晚用电子计价秤（神特 ASC，正常载量50 kg，感知重量0.001 kg）称质量，控制土壤含水量于相应的干旱胁迫程度范围内，处理见表1，每个处理15 盆苗，连续控水45 d。

1.3 叶绿素含量的测定

分别于控水0（控水前）、9、18、27、36、45 d 后采叶样，重度水淹植株在胁迫14 d 后死亡，中度水淹植株在胁迫33 d 后死亡。参照王学奎[10]的方法，取0.5 g 样品，用95%乙醇提取，使用紫外分光光度计（UV5100B）测定665 nm、649 nm波长下的A 值（吸光度）。

1.4 荧光参数的测定

水淹胁迫组控水10 d、干旱胁迫组控水30 d 后，采用德国WALZ 公司MINI-PAM（超便携式调制叶绿素荧光仪）于8:00—12:00 测定荧光参数，暗反应20 min 后进行饱和光强处理，测定F0（初始荧光）、Fm（最大荧光）、Yield（PS Ⅱ总的光化学量子产量）、Fv/Fm（PS Ⅱ的原初转换效率）以及 qP （光化学淬灭系数）和qN（非光化学淬灭系数）。每个处理测定3 株，每株选择3 片生长完好的中部叶片。

表1 控水处理试验Table1 Water control experiments

1.5 光合参数的测定

水淹胁迫组控水10 d、干旱胁迫组控水30 d 后，采用Li-6400XT（Li-Cor，美国），测定不同水分胁迫下多花黄精叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）等光合参数对光合有效辐射PAR（0～600 µmol·m-2s-1）的响应曲线，每个处理测定3 株，每株选择3 片生长完好的中部叶片。

1.6 数据统计与分析

采用Excel 2016 处理数据和制作图表，运用SPSS18.0 做方差分析、Duncan 多重比较和相关性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对叶绿素含量的影响

2.1.1 水淹胁迫对叶绿素含量的影响

叶绿素是植物叶片进行光合作用的物质基础，其含量的高低反映出叶片的光合能力和植物的生长状况。水淹胁迫对多花黄精叶绿素含量的影响结果见图1。如图1-A、1-B 所示，随着胁迫时间的延长，多花黄精的叶绿素a 和叶绿素b 的含量均呈下降的趋势，而叶绿素a 与叶绿素b 的比值呈现升高的趋势，说明叶绿素b 的降解速率快于叶绿素a。水淹胁迫45 d 后，CK、W1、W2、W3植株叶绿素a 含量减少百分比分别为16.85%、38.80%、48.83%、52.78%，叶绿素b 含量减少百分比分别为23.12%、43.48%、56.13%、62.67%。CK 叶绿素a 和叶绿素b 的含量下降较缓慢，在受到重度水淹（W3）胁迫后，多花黄精的叶绿素a和叶绿素b 的含量均显著下降。

叶绿素a/b 值随胁迫程度的加强而升高。CK叶绿素a/b 值变化不显著，W3 叶绿素a/b 值随胁迫时间的增长而显著升高，W1 和W2 的叶绿素a/b 值变化均呈先降低后上升的趋势（图1-C）。

2.1.2 干旱胁迫对叶绿素含量的影响

干旱胁迫对多花黄精叶绿素含量的影响结果见图2。如图2-A 所示，随着干旱胁迫时间的延长和胁迫程度的加强，多花黄精的叶绿素a 和叶绿素b的含量均呈下降的趋势。CK 与D1 植株的叶绿素a含量下降幅度较小，D3 叶绿素a 在胁迫18 d 后下降幅度较大。干旱胁迫45 d 后，D1、D2、D3 叶绿素a 含量下降百分比分别为20.86%、38.93%、47.09%，CK 叶绿素a 含量下降了16.85%。

CK 与D1 的叶绿素b 含量下降较缓慢，D2 在27 d 前下降缓慢，27 d 后下降幅度增大，D3 叶绿素b 含量一直在较大幅度地下降。D1、D2、D3 叶绿素b 含量下降百分比依次为27.10%、47.07%、55.70%，CK 叶绿素b 含量下降了23.12%。这表明水分胁迫会导致多花黄精叶绿素的降解，且降解程度随着胁迫时间的延长或胁迫程度的加强而增大（图2-B）。

图1 水淹胁迫下叶绿素含量的变化Fig.1 Changes of chlorophyll contents under waterlogging stress with different time

叶绿素a/b 值随胁迫时间的延长而增大。CK的叶绿素a/b 值略微上升，变化不明显，胁迫45 d后，两组a/b 值分别仅增加了6.6%、2.2%；胁迫9 d 前，D2 和D3 叶绿素a/b 值大幅度增加，9 d 后上升较缓慢，18 d 后D2 仍保持缓慢增长的趋势，D3 的上升幅度却明显增大（图2-C）。

2.2 水分胁迫对多花黄精F0、Fm、Fv/ Fm、Yield等荧光参数的影响

图2 干旱胁迫下叶绿素含量的变化Fig.2 Changes of chlorophyll contents under drought stress with different days

初始荧光F0又称最小荧光，是指PS Ⅱ反应中心处于完全开放时的荧光产量，PS Ⅱ天线色素的热耗散常导致F0降低，而PS Ⅱ反应中心的破坏或可逆失活则能引起F0的增加[11]。水分胁迫下多花黄精叶绿素荧光参数的方差分析和多重比较结果见表2。由表2可知，与CK 相比，各处理组的F0值均有所上升，W3 上升幅度最大，上升了79.6%，W1、W2 分别上升了13.8%、25.0%，D3、D2 上升了32.9%、15.8%，D1 与CK 近似相等，说明水分胁迫会使PS Ⅱ反应中心受损。在试验中，胁迫程度相同时，水淹胁迫对多花黄精F0的影响较大，轻度干旱对多花黄精F0无明显影响。

最大荧光Fm是指PS Ⅱ反应中心完全关闭时荧光的产量，反映了PS Ⅱ电子传递情况，其值的降低是光抑制的特征。与CK 相比，各处理的Fm值均略微下降，D3 下降幅度最大，为11.2%，W1 下降幅度最小，仅为0.8%，其他组降低幅度在4 ～11%之间（表2），说明水分胁迫抑制了多花黄精PS Ⅱ原初光化学活性。

Fv/Fm反映了PS Ⅱ的光能转换效率，被认为是植物是否发生光抑制最明显的特征，当植物受到胁迫时，该指标会明显下降[12]。与CK 相比，干旱和水淹处理均导致了Fv/Fm值降低，其中W3下降最多，为20.5%，D1 下降最少，为1.2%，各处理组下降程度表现为W3 ＞D3 ＞W2 ＞D2 ＞W1 ＞D1。Fv/Fm值的降低说明水分胁迫使PS Ⅱ原初光化学活性受到抑制，降低得越多，抑制程度越大，表明植物受到的伤害越大。

Yield 为PS Ⅱ的有效量子产量，能够反映PS Ⅱ反应中心在部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率，用来衡量植物光合电子传递的量子产量，可以作为植物叶片光合电子传递速率快慢的相对指标[13]。由表2可知，Yield 的下降幅度随着干旱胁迫程度的加强而增大，D1、D2、D3 降幅分别为7.2%、19.9%、44.7%，对Yield 值的影响不明显，重度干旱导致Yield 值大幅下降；水淹胁迫各处理组的Yield 值下降明显，W1、W2、W3 降幅分别为15.7%、46.1%、53.0%。Yield 的下降说明PS Ⅱ反应中心开放比例的降低，叶片PS Ⅱ电子传递的能力受到了抑制，表示水分胁迫对多花黄精的光合作用影响显著。

表2 水分胁迫下多花黄精叶绿素荧光动力学参数的方差分析和多重比较结果†Table2 Variance analyses and multiple comparisons of kinetic parameters of chlorophyll fluorescence under different water stress

2.3 水分胁迫对多花黄精荧光淬灭的影响

荧光淬灭包括光化学淬灭qP 和非光化学淬灭qN。光化学淬灭表示PS Ⅱ天线色素吸收的光能用于暗反应固定能量的部分，其值越高表示PSII 的电子传递活性越大，光能中转变为活泼化学能的能量越多，植物对光能的利用效率也越高[14]。如图3-A 所示，qP 随着胁迫程度的加强而降低，W3、W2、W1 分别下降了43.0%、35.6%、9.6%，D3、D2 分别下降了28.4%、7.3%，W3、W2、D3 与CK 的qP 值差异显著。qP 值降低表明水分胁迫对多花黄精光反应中心造成了伤害，胁迫程度越大对植株的伤害越大。

非光化学淬灭是PS Ⅱ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递，以热形式耗散掉的光能部分，其值大小表示光合机构的损伤程度[15]。图3表明，水分胁迫使qN 值增大，CK 与各处理均存在显著差异，但水淹胁迫组间差异、干旱胁迫组间差异均不明显，qN 升幅在11.5%～15.4%之间（图3-B）。

图3 水分胁迫对多花黄精荧光淬灭的影响Fig.3 Effects of water stress on fluorescence quenching of P.cyrtonema

2.4 水分胁迫下多花黄精Pn、Gs、Ci、Tr 对光合有效辐射PAR 的响应

2.4.1 净光合速率

水分胁迫下多花黄精Pn对PAR 的响应见图4。如图4所示，多花黄精净光合速率（Pn）随着PAR的加强所表现的变化趋势为先增大再逐渐趋于稳定状态最后下降。当PAR 在0 ～200 µmol·m-2s-1之间时，Pn随PAR 的加强而迅速上升，当PAR 在200 ～400 µmol·m-2s-1之 间 时Pn上 升 缓 慢，当PAR 超 过400 µmol·m-2s-1时Pn下 降，这 说 明 适宜范围的PAR 能促进植株进行光合作用，而过高的PAR 会导致植株产生光抑制现象。水淹胁迫下，多花黄精的净光合速率受到明显抑制，抑制程度随着胁迫程度的加强而增大，W3 的最大净光合速率比CK 低70.04%，光合抑制程度最强。干旱胁迫对多花黄精的净光合速率有一定影响，D1 受到影响最小，其最大净光合速率比CK 低2.50%；D3 受到影响最大，其最大净光合速率比CK 低34.47%。

2.4.2 气孔导度

图4 不同水分条件下多花黄精Pn 对PAR 的响应Fig.4 Responses of Pn to PAR in P.cyrtonema under different water conditions

在水分胁迫下，气孔导度（Gs）的下降会导致植株Pn和Tr（蒸腾速率）的下降，Gs能准确地指示出植物受到水分胁迫的程度。水分胁迫下多花黄精Gs对PAR 的响应见图5。如图5所示，水淹胁迫下，CK、W2、W3 的Gs随PAR 的增强呈上升趋势，W2 一直维持在较高水平，W1 在PAR低于350 µmol·m-2s-1时高于CK，W3s一直处于较低水平；干旱胁迫下，CK、D2、D3 的Gs随PAR的增强呈显著上升趋势，D1 先升后降且变化趋势较平缓，CK、D1 的Gs一直维持在较高水平，D3一直处于较低水平（图5）。

图5 不同水分条件下多花黄精Gs 对PAR 的响应Fig.5 Responses of Gs to PAR in P.cyrtonema under different water conditions

2.4.3 胞间CO2浓度

胞间CO2浓度（Ci）的变化可以作为植物光合作用强弱的指标之一。水分胁迫下多花黄精Ci对PAR 的响应见图6。由图6可知，水分胁迫会导致多花黄精Ci下降，胁迫程度越大Ci下降越明显；Ci随着光合有效辐射的增加呈先下降后上升的趋势。当PAR 在0 ～100 µmol·m-2s-1之间时，各处理Ci下降幅度较大，其中CK 下降最少，下降了12.72%。水淹胁迫下，W1、W2、W3 分别下降了24.9%、29.5%、26.25%；干旱胁迫下，D1、D2、D3 分别下降了15.92%、17.66%、32.76%。当PAR 在100 ～500 µmol·m-2s-1之间时，各处理Ci变化较平稳；当PAR 大于500 µmol·m-2s-1时，各处理Ci有一定幅度的上升，其中CK 和D1 上升幅度较为明显。

图6 不同水分条件下多花黄精Ci 对PAR 的响应Fig.6 Responses of Ci to PAR in P.cyrtonema under different water conditions

2.4.4 蒸腾速率

蒸腾作用在植物水分关系中起主导作用，是植物连接土壤与大气的重要环节，蒸腾速率（Tr）不仅能反映植物调节自身水分耗散能力及适应干旱环境的能力[16]，也能反映植物的生命活动状况。植物水分状况是影响植物蒸腾作用的重要因素。由图7可知，多花黄精的Pn随着PAR 的增加呈上升趋势，且与Gs的变化趋势较一致。水淹胁迫下，W2 的Pn最大，W1 先升后降且变化较平缓，W3缓慢上升但一直处于较低水平（图7）；干旱胁迫下，CK、D2 的Pn随PAR 的增强呈显著上升趋势，D1 先升后降且变化趋势较平缓，CK、D1 一直维持在较高水平，D3 一直处于较低水平（图7）。D3 的蒸腾速率最小，这有助于多花黄精在极度干旱条件下减少水分丧失；而W2 的蒸腾速率最大，则是植株为了散失组织中多余的水分，这些可能是多花黄精对土壤水分胁迫的生理适应。

3 讨 论

3.1 水分胁迫对多花黄精叶绿素含量的影响

图7 不同水分条件下多花黄精Tr 对PAR 的响应Fig.7 Responses of Tr to PAR in P.cyrtonema under different water conditions

叶绿素是与光合作用有关的最重要的色素，其含量标志着该生命体光合能力的强弱。一般情况下，干旱胁迫会导致植物叶片失水，进而抑制叶绿素的生物合成，并促进已合成的叶绿素分解，使叶片叶绿素含量下降，从而影响植株的光合作用[17-19]。但也有研究发现，干旱胁迫会使植物叶绿素含量增加，可能是因为干旱胁迫使叶片含水量降低，叶片扩展生长受阻，叶片单位面积的叶绿素含量升高[20]。这两种不同的研究结果表明植物处于逆境时的叶绿素含量变化趋势可能与植物本身的耐旱性有关。本研究发现，多花黄精叶绿素a、叶绿素b 含量均随着胁迫强度的增加和胁迫时间的延长而逐渐下降，叶绿素a/b 比值随着胁迫时间的延长而升高，且三项指标均与土壤含水量呈极显著的线性关系，这与张金政等[17]、梁文斌等[18]的研究结果一致。水淹胁迫时，多花黄精的叶绿素含量显著下降，说明水淹胁迫对多花黄精的伤害明显。当土壤含水量为20%时，多花黄精叶绿素含量显著下降，而当土壤含水量分别为80%和60%时，叶绿素含量随着处理时间的延长变化均不明显，说明当土壤含水量在60%～80%之间时，较适合多花黄精生长。

3.2 水分胁迫对多花黄精叶绿素荧光参数的影响

本研究发现，水分胁迫下多花黄精叶绿素荧光参数F0随着胁迫程度的加强而上升，Fv/Fm则下降。F0上升说明多花黄精叶片PS Ⅱ天线色素吸收的能量流向光化学的部分减少，以热耗散和荧光形式散失的能量增加；Fv/Fm反映了PS Ⅱ反应中心光能转换效率的高低，Fv/Fm下降说明多花黄精PS Ⅱ原初光能转化效率降低，表明水分胁迫使多花黄精PS Ⅱ潜在活性受损，光合作用原初反应过程受抑制，这与张锋等[21]、黄艳萍等人[12]的研究结果一致。在本研究中，各胁迫植株与CK 植株相比，轻度干旱的F0、Fm、Fv/Fm均无明显变化，中度水淹、重度水淹、重度干旱植株的Fv/Fm下降明显，说明当土壤含水量在60%～80%之间时适合多花黄精生长，而水淹不利于多花黄精生长，这可能是因为土壤水分过多会影响多花黄精根的呼吸作用甚至导致根状茎和根的腐烂。

正常情况下叶绿素吸收的光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光发射和热耗散3 种途径来消耗。qP 表示吸收的光能用于光合作用的部分，qN 表示热耗散的能力及光合机构的损伤程度，当PS Ⅱ反应中心天线色素吸收了过量的光能，若不能及时耗散将使光合机构失活或破坏，故qN 是植物的一种自我保护机制，对光合机构起一定的保护作用[22]。Yield 表示植物的光能转化效率，Yield越小则表明植物形成的光合产物越少。本研究表明，水分胁迫下多花黄精的Yield、qP 值下降，qN 值明显上升，即植物吸收的光能所用来转化为化学能的部分减少，这说明水分胁迫对多花黄精的光反应系统造成了伤害，但多花黄精能通过自身保护机制，将过量的光能通过非光化学过程以热量的形式散失，从而缓解逆境伤害。这与齐华等[23]的研究结果相一致。

3.3 水分胁迫对多花黄精光合参数的影响

许多研究表明，植物在受到胁迫时光合作用受阻，净光合速率降低[24-25]；但褚建民等人[4]的研究发现，轻度的水分胁迫能使欧李幼苗的光合生理指标达到最佳水平。本研究结果表明，不同水分胁迫处理下，多花黄精的光合速率对光有效辐射的响应不同。就总体变化趋势而言，水分胁迫会抑制多花黄精的光合作用，胁迫程度越大，多花黄精的光合作用越弱，但轻度的干旱胁迫对植株的光合作用无明显影响，中度干旱对植株净光合速率的影响也较小，说明多花黄精有一定的耐旱性，这可能是因为植株的根状茎能储存较多的水分，能在一定程度上抵御干旱。

水淹胁迫下多花黄精能通过提高蒸腾速率来耗散多余的水分，干旱胁迫下多花黄精则会通过降低蒸腾速率来防止水分散失，说明多花黄精可以通过控制蒸腾速率来抵抗逆境的伤害，这反映了植物对逆境有一定的生理适应能力[26-27]。

许多学者的研究指出气孔对水分胁迫较敏感，当植物受到干旱胁迫时它会迅速作出反应（部分关闭），以减少水分的耗散，与此同时也限制了CO2的供应，进而影响光合速率[28-29]。何炎红等人[30]的研究表明，当水分胁迫程度加剧时，植物叶片气孔将会关闭，使光合作用受到明显抑制。一般情况下，植物光合速率降低的因素可分为气孔因素和非气孔因素[31-32]，根据气孔导度和胞间CO2浓度的变化趋势是否一致可以判断净光合速率下降的原因[33]，若气孔导度和胞间CO2浓度均降低则为气孔因素，若气孔导度降低而胞间CO2浓度升高或不变则为非气孔因素。本研究发现，在干旱胁迫下，随着胁迫程度的增加，多花黄精的气孔导度和胞间CO2浓度均呈下降趋势，说明此时是气孔因素占主导；在水淹胁迫下，轻度水淹、重度水淹气孔导度和胞间CO2浓度均下降，说明此时限制多花黄精光合速率的主导因素是气孔因素；而中度水淹的气孔导度、胞间CO2浓度变化趋势不一致，且气孔张开度、蒸腾速率均显著高于其他处理，说明此时限制多花黄精光合速率是多方面因素综合的结果。

4 结 论

本研究发现当土壤含水量在60%～80%之间时，多花黄精能够正常生长。多花黄精在水分胁迫下有一定的自我保护机制，能在长时间的中度干旱胁迫和轻度水淹胁迫下保持生命活性，但光合作用会受到一定程度的抑制，这可能会影响多花黄精营养生长。在土壤重度干旱情况下，多花黄精叶绿素含量显著下降，光合能力受到抑制；多花黄精对水淹敏感，不适宜在水淹条件下生长，长时间处在水分过多的土壤中会导致植株叶绿素含量下降，严重影响植株的光合作用能力，进而阻碍多花黄精的生长，因此在种植多花黄精时既要注意施水，保持土壤较充足的水分，防止土壤干旱，也要考虑土壤的排水能力，避免土壤水分过多，或在多雨季节形成涝害。