整形和水分胁迫对紫香无核葡萄叶片光合特性的影响

2019-09-05王生海杨伟伟容新民常飞燕朱敬敬张晓云刘怀锋

石河子大学学报（自然科学版） 2019年4期

王生海，杨伟伟，容新民，常飞燕，朱敬敬，张晓云，刘怀锋*

(1石河子大学农学院园艺系/特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室，新疆石河子832003;2石河子农业科学研究院，新疆石河子，832000)

葡萄是葡萄科(Vitaeace)葡萄属(vitisL.)木质藤本植物，浆果类水果。20世纪90年代之前葡萄的栽培面积和产量一直位居世界水果之首，但从1989后退居第二，柑橘类占据第一[1]。在世界上中国的葡萄品种最为丰富，是鲜食葡萄最大的生产国和消费国，也是葡萄酒的主产国，从2010—2018年稳居世界第一。在国内新疆葡萄产业发展最为迅猛，产量和种植面积全国领先[2]；在新疆葡萄栽培和酿酒有着悠久的历史，得天独厚的气候，非常适宜葡萄生长[3]。葡萄已经成为提高农民收入的重要经济产业，葡萄产业在向现代化农业迈进的步伐中，产业模式和生产管理方式正发生深刻改变。因此，葡萄栽培的架式，树形管理也在发生相应的改变。

培养树形是对葡萄的一种物理操作，国外有资料表明最早它是在中东、希腊、罗马的古老葡萄园中进行的[4]。目前，国外对树形培养的研究分为bush、guyot、cordon[5]，即灌木型/杯型、居由型、高登型3种类型，在国内生产上常见的树形独龙干树形、多主蔓扇形树形、单干水平树形、H树形等。新疆地处内陆远离沿海，属于干旱区，自然降水量不足，加之城镇化迅速、经济快速发展，以及水资源综合利用率低等原因，导致新疆水资源承载压力过大[6]，而不同的整形方式会造成树体结构发生改变，对树体光截获、水分蒸腾利用、CO2的吸收等产生影响，进而影响其产量和品质。本文研究通过测定葡萄果实膨大期不同树形和水分胁迫条件下叶片光合作用与光照、CO2响应曲线，然后应用光合模型拟合出葡萄在光合关键生理过程特征参数，同时测定不同处理的叶绿素荧光特性和果实品质，综合探讨葡萄光合生理过程对主要环境因子的响应以及树形和水分胁迫在其中的调控作用，深入认识新疆产区葡萄对环境因子的响应机理，这对采取合理的园艺措施调控具有重要的理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 材料处理

试验于2018年在国家葡萄产业技术体系北疆试验站进行，葡萄品种为紫香无核，树龄10年，东西行向，株距1.5 m、行距3.5 m。试材按高“厂”形树形和传统树形整形，其中，高“厂”树形立架面两立柱之间有一道铁丝，距离地面2 m，在这根铁丝两侧分别有3道铁丝，立架面第1道铁丝下面所有的枝梢做绝后处理，主蔓向东延伸呈现“厂”字形。传统树形立架面和水平面的铁丝分布和高“厂”形一致，但是主蔓朝向南或向北延伸。类似独龙干，立架面也是全部做绝后处理；将葡萄生育期划分为萌芽期、抽蔓期、开花期、膨大期和着色成熟期；水分胁迫分为常规标准灌溉(2.25 m3/株)和中度水分胁迫处理(1.125 m3/株)，共设4个处理，即高“厂”+灌溉，高“厂”+水分胁迫、传统树形+灌溉、传统树形+水分胁迫，每个处理选择10植株重复，除水分和整形方式外，田间管理按葡萄园标准管理进行。

1.2 测定方法

1.2.1 光合指标的测定

(1)光响应曲线的测定。利用Li-6400/XT便捷式光合测定仪的6400—02BLED红蓝光源叶室进行光响应曲线的测定，设定光强梯度为2200、1800、1500、1200、800、400、200、100、50、0 μmol/(m2·s)，每次测定时控制样本室的CO2浓度为390 μmol/mol、温度为30 ℃，与此同时在仪器上设定好所有相关所需记录参数。所有测定选取果实膨大期、成熟期10：00—11：30晴朗无风时进行。

用直角双曲线模型[7]拟合光响应曲线，表达式如下：

(1)

式中：Pn为净光合速率，I为光照强度强，α为光响应曲线的初始斜率，Pnmax为最大净光合速率，Rd为暗呼吸速率。

(2)不同处理CO2响应曲线的测定。测定CO2响应曲线时，叶室内CO2由CO2注入系统供应，CO2浓度依次为400、300、200、100、50、400、600、800、1000、1200、1500 μmol/mol，每次测定时保持光照强度为1800 μmol/(m2·s)，温度为30 ℃。

用直角双曲线修正模型[8]来拟合CO2响应曲线，修正模型的表达式如下：

(2)

式(2)中:Pn为净光合速率,Ci为胞间CO2浓度，Rp为光呼吸速率,a是CO2响应曲线的初始羧化效率，b和c为系数,植物的饱和胞间CO2浓度Cisat为

(3)

植物光合能力Pmax为

(4)

1.2.2 叶绿素含量和叶绿素荧光的测定

(1)叶绿素含量测定。每次测完光合作用响应曲线后，将每个处理的叶片用冰盒带回，用纸巾擦干净叶片表面，称取0.2 g样品扫描叶面积并剪碎放入小试管中，加入80%的丙酮提取，用保鲜膜封好口置于黑暗下24 h,最后用分光光度计波长663 nm和645 nm比色，比色后用公式[9]计算叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量。

(2)叶绿素荧光测定。荧光参数采用配备IMAG-MINI/B探头的调制荧光成像系统IMAG-PAM测定，将每个处理的待测叶片蒙上黑布暗处理20 min，然后分别测定初始荧光(F0),最大荧光(Fm)，最大光量子产量(FV/FM)。

1.2.3 果实产量和品质的测定

每个处理各选5棵植株，用电子秤称量各处理所有果穗的质量且记录果穗数量。取植株同一部位果穗4穗，利用天平称取果实单穗重、单粒重；利用游标卡尺测量果实纵横径，利用酸碱中合法测定果实可滴定酸含量；利用便捷式数字显示折光计PAL-1测定可溶性固形物。

1.2.4 土壤含水量测定

土壤含水量测定方法如下：土壤体积含水量由PR2土壤剖面水分分析仪(Delta-T Devices，US)测定，每个处理植株下埋3根探管，共12根；在果实膨大期每隔1周测定1次，每次记录土深10、20、30、40、60、100 cm的土壤体积含水量。

1.2.5 数据分析处理

利用SPSS软件对数据进行方差显著性分析，采用软件光合4.0计算光合作用响应曲线参数、用Origin8.5作图以及拟合光响应曲线和CO2响应曲线、EPSON扫描仪和Leaf软件计算叶片面积。

2 结果与分析

2.1 不同处理下不同土壤深度体积含水量

结果(图1)显示：

(1)在果实膨大期通过对灌水量以及灌水时间的控制，水分胁迫后2种树形土壤体积含水量均下降，与正常灌溉相比均达到显著差异。其中，高“厂”树形水分胁迫后，在土壤30、40、60 cm处分别比正常灌溉的下降10.5%、10%、15.9%；传统树形经过水分胁迫后，其土壤30、40、60 cm处的土壤含水量分别下降了9%、9.8%、13.5%；而葡萄根系大概分布在土壤下30～60 cm处，所以不同处理土壤深度的体积含水量达到试验所设定的目标。

(2)正常灌溉和者水分胁迫条件下，土壤深度在60～100 cm之间的土壤含水量变化不大。

图1 不同处理下不同土壤深度体积含水量Fig.1 Different soil depth volume water content under different treatments

2.2 不同树形和水分胁迫对葡萄光合特性的影响

结果(表1)显示：

表1 不同树形和水分胁迫对葡萄光合特性的影响Tab.1 Effects of Different Tree Shapes and Water Stress on Photosynthetic Characteristics of Grape

注：同一行不同字母表示不同水平组合在P<0.05水平差异显著;*表示双因素方差分析在P<0.05水平影响显著，ns在P<0.05水平无显著影响。下同

(1)水分胁迫后2种树形Pn均显著降低，但是在同一灌溉或水分胁迫条件下，2种树形之间Pn大小的差异并不显著。正常灌溉条件下2种树形的Gs都要显著高于水分胁迫处理，并以高“厂”树形最高；各处理之间Ci都达到了显著差异，但总的来看2种树形结构正常灌溉条件下的Ci要比水分胁迫时的高，受水分胁迫后2种树形的Trm显著低于正常灌溉的树形，且水分胁迫后高“厂”树形的水分利用效率(WUE)都显著高于其他处理。从各处理来看，葡萄的光合速率越大，其Gs、Ci、Trm也越大。

(2)通过双因素分析发现，主效应整形方式或水分胁迫因素不同，对紫香无核葡萄的表观光合特性参数差异显著，且二者互作也对其有显著影响。

2.3 不同树形和水分胁迫对光强的响应

由结果(图2、表2)可知：

(1)水分胁迫后传统树形AQY显著低于其他3种处理。其中，正常灌溉条件下2种树形的Pnmax差异不显著，但是水分胁迫后高“厂”树形的Pnmax要显著高于传统树形；传统树形在2种水分条件下LCP都高于高“厂”树形，且在水分胁迫后显著高于其他处理；正常灌溉条件下传统树形的Rd和高“厂”差异不显著，但是和水分后的两种处理达到显著水平；水分后的2种树形Rd差异不显著。

(2)以上所有拟合参数的决定系数都达到了0.9以上。双因素分析后，主效应因素整形方式和水分胁迫均显著影响紫香无核葡萄的最大净光合速率，但是两者的交互作用对其没有显著影响。而水分条件的不同，对Rd有显著影响，两者的交互作用对其影响不显著。

图2 2种树形水分胁迫后光响应曲线的实测曲线与拟合曲线比较(果实膨大期)Fig.2 Comparison of measured curve and fitted curve of light response curves of two tree-shaped water stress(berry expanding period)

参数传统树形正常灌溉传统树形水分胁迫高“厂”正常灌溉高“厂”水分胁迫整形水分胁迫整形×水分胁迫表观量子效率AQY/μmol/(μmol)0.0528a0.0307b0.0554a0.0521a∗∗∗最大净光合速率Pnmax/μmol/(m2·s)18.92ab9.53c20.08a13.51bc∗∗ns光补偿点LCP/μmol/(m2·s)112.28b147.47a61.38c88.76bc∗ns∗暗呼吸速率Rd/μmol/(m2·s)4.61a3.36b3.9ab2.89bns∗ns决定系数R20.99530.99770.99520.9985---

2.4 不同树形和水分胁迫对CO2的光合响应

由结果(图3、表3)可知：

(1)不同处理在不同CO2浓度下拟合出来的参数差异各不相同。其中，水分胁迫后2种树形AQY和Cisat显著低于正常灌溉水平下的处理；高“厂”树形的Pnmax在正常灌溉条件下均显著高于其他处理，水分胁迫后2种树形的Pnmax差异不显著，而且水分胁迫后高“厂”树形的LCP显著高于其他3个处理；在正常灌溉条件下传统树形的Rp显著高于高“厂”树形，但是水分胁迫后2种树形之间就没有显著差异。所有拟合参数的决定系数都在0.9以上。

(2)经双因素分析显示，整形和水分胁迫的交互作用对叶片的AQY、Pnmax、Cisat、LCP没有显著影响，只有对Rp有显著影响。而主效应因素整形方式或水分胁迫不同时，各个参数差异显著。

图3 2种树形水分胁迫后CO2光合响应曲线的实测曲线与拟合曲线比较(果实膨大期)Fig.3 Comparison of measured curves and fitted curves of CO2 response curves after two tree-shaped drought stresses (berry expansion period)

参数传统树形正常灌溉传统树形水分胁迫高“厂”正常灌溉高“厂”水分胁迫整形水分胁迫整形×水分胁迫初始羧化效率AQY/μmol/μmol0.1832a0.0923b0.1744a0.1265bns∗ns饱和胞间CO2浓度Cisat/μmol/mol737a578b804a729b∗∗nsCO2补偿点LCP/μmol/mol33.33b39.27b38.83b51.34a∗∗ns光呼吸速率Rp/μmol/(m2·s)4.46a2.83c3.54b3.01c∗∗∗决定系数R20.99670.98510.98570.9974---

2.5 不同树形和水分胁迫对叶绿素含量和叶绿素荧光特性的影响

由结果(表4)可知：

(1)在受到水分胁迫时传统树形，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量显著降低，但是高“厂”平树形叶绿素含量降低不显著。从叶绿素荧光来看，在受到水分胁迫时2种树形它们的初始荧光显著高于正常灌溉水平的。遮光20 min后再给一个最大脉冲光，正常灌溉条件下2种树形最大荧光差异不显著；水分胁迫下高“厂”的最大荧光显著高于水分胁迫水平的,最终水分胁迫后高“厂”光化学效率要显著高于传统树形，但是在正常灌溉条件下两者差异不显著。

表4 不同树形和水分胁迫后的叶绿素含量及叶绿素荧光特性对比Tab.4 Comparison of chlorophyll content after different training system and water stress

(2)双因素方差分析表明，整形方式和水分胁迫的交互作用对叶绿素含量没有显著影响,主效应水分胁迫因素对各个叶绿素含量也没有显著影响，而整形方式的不同对叶绿素a和总叶绿素含量差异显著，水分条件的改变对叶片的F0、Fm、Fv/Fm造成了显著差异，整形和水分胁迫的交互作用对Fv/Fm有显著影响。

2.6 不同树形和水分胁迫对果实品质的影响

由结果(表5)可知：

(1)在正常灌溉时，高“厂”树形的单果穗重和单粒重要显著高于传统树形，并且可溶性固形物和可滴定酸也是显著高于传统树形，但是水分胁迫后2种树形在单果穗重和单粒重的差异不显著，可滴定酸和可溶性糖含量差异也不显著。所以，在最终形成的产量来看，高“厂”树形产量最高，品质也最佳。

(2)通过双因素方差分析结果得知，不同的整形方式对单果穗重和单粒重有显著影响，但对可溶性固形物和可滴定酸的影响不大，两者的交互作用对单粒重和可溶性固形物有显著影响。

表5 不同树形和水分胁迫下果实品质参数Tab.5 Fruit quality parameters under different training system and water stress

3 讨论

(1)葡萄根系一般分布于20～60 cm的土壤中，本文研究通过不同水分处理发现，各处理土壤不同深度的水分变化不同。从10～60 cm土壤含水量一直在增大，在60 cm以下更深处，土壤含水量基本保持不变。这是由于近土层环境高温、气流的原因，蒸发快，土壤含水量低，而深土层由于受外界环境因素影响较小，所以土壤含水量很高，变化不明显。水分胁迫下高“厂”树形的在各个土层土壤含水量低于传统树形，说明在灌溉条件一直的情况下，高“厂”树形的在整个季节里面耗水量要高于传统树形，对水的利用率更高。

(2)葡萄不同的树形结构会造成树体周围小环境的改变,并且还会引起植物树体和叶片的功能结构，进而引起葡萄果实品质和产量的变化[10-16]，对苹果树[17]、桃树[18-19]的研究结果亦是如此。本文研究在不同的树形基础上结合了水分胁迫的对树体的影响，而且利用便捷式光合仪自带的光源和CO2供应系统，提供了不同的光照强度和CO2浓度，这不仅节约时间，而且从光响应曲线和CO2响应曲线上面得到的光合参数更能说明叶片的光合能力。

本文研究结果表明：不同的树形在水分胁迫后，葡萄叶片的净光合速率均显著降低，且气孔导度、蒸腾速率也降低，这与房玉林、刘团结、胡宏远等[20-22]在赤霞珠葡萄上面的研究结果相同，但J M Escalona等[23]研究发现葡萄长期水分胁迫后其光合作用与气孔导度达到87%的相关性。本文研究还发现高“厂”树形在充足的水分条件下有着更高的气孔导度和胞间CO2浓度，这与王蛟龙[24]研究结果相似，而且水分胁迫后高“厂”树形的水分利用率要高于传统树形，这可为新疆干旱地区的葡萄栽培提供指导。

通过光合作用响应曲线可以得到更多的叶片光合信息，本研究通过数学模型拟合参数可知：2种树形对光和CO2的响应各不相同。表观量子效率AQY反映了植物对于弱光的利用，而Pnmax则反映了叶片的最大光合能力、Rday则反映黑暗条件下植物对同化物的消耗[25]。本文研究结果表明，水分胁迫后高“厂”树形的最大光合能力和对弱光的利用率要好于传统树形，这与成果等[26]在研究赤霞珠整形方式的结果一致，另外，与正常灌溉条件下相比，水分胁迫后2种树形的暗呼吸速率变低。Cisat反映了植物利用高浓度CO2的能力，Rp反映了光呼吸速率大小。通过CO2响应曲线可以看出，高“厂”树形在正常灌溉时的最大光合能力显著高于传统树形，且光呼吸速率也显著低于传统树形。高“厂”树形受到水分胁迫后，其适应能力要优于传统树形，主要归因于优化过的冠层结构使光照分布更均匀，叶片质量更好，叶绿素含量更高。水分胁迫后2种树形利用高浓度CO2的能力下降，但是树形之间的差异不显著。

(3)植物叶片叶绿素含量和叶绿素荧光也是反映植物光合能力的重要指标，本研究发现2种树形之间叶片的叶绿素含量差异不大，只是在水分胁迫后传统树形的叶绿素a、b含量和最大光量子产量Fv/Fm显著降低，但是水分胁迫后2种树形的初始荧光F0显著变大。大部分研究表明，缺水会造成叶绿素含量的降低，但也有研究[27]发现对花生水分胁迫后其各生理期的光合色素差异不大。

(4)从果实品质研究结果来看，水分胁迫显著降低了葡萄单果穗重、单粒重，并且降低了果实中的糖酸，也有研究[22，28]发现轻度的缺水可以增加可溶性固形物，降低酸度。本文研究表明高“厂”树形的单株产量和果实品质优于传统树形，这与容新民[29]研究结果相似。对于树形结构的研究，也有研究者从树体结构的实际光能截获量和光能利用范围入手，潘启民[30]研究发现顺沟“高厂”树形在实际光能截获面和对光能的利用范围优于独立龙干树形。