干旱胁迫对藜麦幼苗生长和叶绿素荧光特性的影响

刘文瑜,杨发荣,黄 杰,魏玉明,李健荣

(1.甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所，甘肃 兰州 730070；2.宁夏农业技术推广总站，宁夏 银川 750001)

干旱是当前制约全球农业生产发展的一个严峻问题，特别是随着全球气候变化和水资源匮乏而引起的干旱强度和频率增加已成为限制农业生产高效发展的重要因素之一[1]。干旱胁迫下植物光合作用和光合能力下降[2]。此种情况下，由于植物不能将过量的光能用于光合作用，因此增加了植物对光抑制的敏感度[3]。干旱胁迫可通过影响作物农艺性状、形态特征、生理生化指标及代谢物含量等，最终使得产量降低[4-5]。叶绿素荧光动力学参数被视为揭示植物光合作用与环境关系的内在探针[6-7]，是研究植物光合生理与干旱胁迫关系的有力证据[7-8]。前人对水稻[9]、棉花[10]、玉米[11]、马铃薯[12]等作物研究发现，干旱胁迫下水稻超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性升高，丙二醛(MDA)含量有一定程度的降低；叶绿素荧光参数(如最小荧光(Fo)、非光化学猝灭系数(NPQ)等)随干旱胁迫的持续加剧而升高，最大光化学效率(Fv/Fm)随干旱胁迫持续加剧而下降。但有关干旱胁迫对藜麦叶绿素荧光特性的影响尚未见报道。

藜麦是原产于南美洲安第斯山区的苋科藜亚科藜属一年生双子叶草本植物[13]。藜麦的原产国主要有秘鲁、玻利维亚、厄瓜多尔、智利、巴西等[14]，目前，在甘肃、青海、山西、浙江等省均有种植[15]。藜麦籽粒富含多种营养物质，其蛋白质含量高达16%～22%，另外含有9种人体必需氨基酸及矿物质、维生素、膳食纤维等，且低脂、低糖、不含胆固醇和麸质[16]。近年来，有关藜麦的研究主要集中于其耐盐生理[17]、功能成分提取[18]及遗传多样性[19]等方面，而鲜见有关干旱胁迫对其影响的报道。

甘肃省地处黄土高原，水资源匮乏，山旱地占耕地面积的70%，且省内缺乏可种植的耐旱作物品种。藜麦具有耐寒、耐旱、耐盐碱及耐瘠薄的生物学特性，适宜在甘肃省种植，但不同品种的耐旱性不同。本试验以甘肃省栽培的5个藜麦品种为材料，采用盆栽控水法，设置轻度干旱胁迫(土壤含水量为田间持水量的50%～60%)、中度干旱胁迫(土壤含水量为田间持水量的30%～40%)、重度干旱胁迫(土壤含水量为田间持水量的10%～20%)，以正常浇水为对照(CK，土壤含水量为田间持水量的70%～80%)，处理15 d后，通过测定幼苗株高、根长、地上部分鲜重、干重、地下部分鲜重、干重等生长指标及初始荧光、最大荧光、可变荧光等叶片叶绿素荧光参数，探究干旱胁迫对不同品种藜麦幼苗生长和叶绿素荧光特性的影响，以期初步明确藜麦幼苗叶片响应干旱胁迫的光合生理机制，筛选出耐旱性好的藜麦品种。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料5份，均来自甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所，其中陇藜1号(L-1)、陇藜2号(L-2)、陇藜3号(L-3)和陇藜4号(L-4)为该所自育品种，白藜(BL)为外引品种，千粒重分别为2.49、2.72、2.97、2.85 g和2.78 g。

1.2 试验设计

试验于2017年3月在甘肃省农业科学院温室及畜草与绿色农业研究所实验室进行。供试土壤为营养土，土壤基础养分为全氮0.95 g·kg-1、全磷0.93 g·kg-1、碱解氮87.5 mg·kg-1，速效磷10.9 mg·kg-1，速效钾107.5 mg·kg-1，有机质40.5 g·kg-1，播种前不施肥，试验期内不追肥。挑选饱满、大小一致且无病虫害的L-1、L-2、L-3、L-4及BL藜麦种子播种于装有2 kg营养土的花盆中，每盆播种50粒，播种后覆蛭石，放置于温室中，正常浇水。待幼苗长至6～8叶期时进行定苗，每盆留苗10株，并进行干旱胁迫处理，试验共设3个干旱胁迫梯度，分别为轻度干旱胁迫(LD，土壤含水量为田间持水量的50%～60%)、中度干旱胁迫(MD，土壤含水量为田间持水量的30%～40%)、重度干旱胁迫(SD，土壤含水量为田间持水量的10%～20%)，以正常浇水为对照(CK，土壤含水量为田间持水量的70%～80%)。每个处理重复3次，每24 h采用称重法补充各盆栽的水分。于处理后的15 d分别取全株及叶片进行生长指标及叶绿素含量的测定。

1.3 测定指标

1.3.1 生物量 干旱胁迫处理15 d后，将植株连根取出，洗净根部泥土，后用滤纸吸干根部及叶面水分，将其分成地上和地下两部分，分别用直尺测定其株高、根长、地上部分及地下部分鲜重。然后将植株鲜样放入105℃烘箱中杀青15 min后，在70℃下烘至恒重，取出分别测定其地上部分和地下部分干重。每个指标重复测定5次。

1.3.2 叶绿素含量 取植株从上向下数第2片新展开叶片，用乙醇丙酮法[20]测定叶绿素含量。

1.3.3 叶绿素荧光参数 使用FluorPen 1.0.5.1荧光仪测定叶绿素荧光参数，选取幼苗植株顶部新展开叶片3片，暗适应30 min后，测定初始荧光(Fo)，最大荧光(Fm)，PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和非光化学猝灭系数(NPQ)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010整理数据并作图，结果以“平均值 ± 标准误”表示，采用SPSS 17.0对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对藜麦幼苗生长的影响

随干旱胁迫程度的加剧，5个藜麦品种幼苗的株高和地上部分生物量均呈逐渐降低的趋势，因品种不同，降低幅度不同(表1)。与对照CK 相比，LD处理对藜麦地上部分生长影响较小，5个藜麦品种幼苗的株高仅分别下降了0.73%、2.94%、3.41%、10.38%和3.27%，地上部分鲜重分别下降了23.55%、5.94%、19.48%、5.92%和11.41%，地上部分干重分别下降了22.22%、10.53%、5.88%、14.29%和24.00%；SD处理下，藜麦幼苗萎蔫，叶片卷曲，地上部分生长受到抑制，5个藜麦品种幼苗的株高分别下降了30.64%、28.36%、32.67%、37.88%和38.09%，地上部分鲜重分别下降了63.60%、6073%、59.74%、55.92%和61.74%，地上部分干重分别下降了62.96%、52.63%、29.41%、35.71%和60.00%。

另外，随干旱胁迫程度的加剧，5个藜麦品种幼苗的根长逐渐增加，而地下部分生物量呈先升高后下降的趋势，因品种不同，变化程度不同(表1)。LD处理促进藜麦幼根的生长及地下部分生物量的积累，与CK相比，5个藜麦品种幼苗的根长分别升高了7.47%、17.33%、14.17%、27.29%和3.53%，地下部分鲜重分别升高了7.14%、12.50%、40.86%、42.86%和5.00%，地下部分干重分别升高了14.29%、14.29%、44.44%、100.00%和100.00%。SD处理下虽促进藜麦根部的生长，但是生物量的积累受到抑制，与CK相比，5个藜麦品种幼苗的地下部分鲜重分别下降了71.83%、71.43%、57.14%、42.86%和50.00%，地下部分干重分别下降了42.86%、41.67%、44.44%、12.50%和85.71%。

2.2 干旱胁迫对藜麦幼苗叶片叶绿素含量的影响

如图1所示，随着干旱胁迫程度的加剧，5个藜麦品种幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均呈现先升高后下降的变化趋势。LD和MD处理下，均能促进叶绿素的积累，且在MD处理下5个藜麦品种的幼苗叶片上述各指标均达到最大值，其中叶绿素a分别比CK升高了38.93%、41.26%、8.56%、13.89%和70.77%，叶绿素b分别比CK升高了30.49%、2.69%、34.88%、23.19%和100.50%，总叶绿素含量分别比CK升高了84.36%、31.81%、7.43%、17.07%和26.91%；SD处理下，5个藜麦品种中L-2、L-3和L-4材料的幼苗叶片叶色变黄，叶绿素含量下降，其中叶绿素a分别比CK降低了28.48%、33.66%和17.99%，叶绿素b分别比CK降低了47.80%、45.08%和13.90%，总叶绿素含量分别比CK降低了33.22%、36.20%和15.99%，而L-1和BL藜麦幼苗叶片叶绿素含量升高，分别比CK升高了29.4%和14.29%。

表1 干旱胁迫对藜麦幼苗生长的影响

注：CK、LD、MD、SD分别为土壤含水量为田间持水量的70%～80%、50%～60%、30%～40%和10%～20%;L-1、L-2、L-3、L-4、BL分别为陇藜1号、2号、3号、4号和白藜。同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note: CK,LD,MD,SD indicate that the soil moisture content is 70%～80%,50%～60%,30%～40% and 10%～20% of the field water holding capacity, respectively; L-1,L-2,L-3,L-4,BL indicate that Longli No.1, No.2, No.3, No.4 and white quinoa, separately. Different letters in the same column show significant differences (P<0.05). The same below.

注：不同字母表示相同处理不同品种间差异显著(P<0.05)，下同。 Note: Different letters indicate that there are significant differences among different quinoa varieties under the same treatment (P<0.05), the same below.图1 干旱胁迫下藜麦幼苗叶片叶绿素含量的变化Fig.1 Effects of drought stress on the contents of chlorophyll of quinoa seedlings

综上所述，轻度干旱胁迫和中度干旱胁迫促进了不同藜麦品种幼苗叶片叶绿素的积累，重度干旱胁迫下部分藜麦品种的幼苗叶片失水，细胞受损，叶绿素合成受到抑制，但品种L-1和BL叶片叶绿素含量升高，且L-1的升高幅度大于BL，说明L-1的耐旱性强于其它4个品种。

2.3 干旱胁迫对藜麦幼苗叶片叶绿素初始荧光和最大荧光产量的影响

如图2A所示，与对照CK相比，随着干旱胁迫程度的加剧，5个藜麦品种幼苗叶片叶绿素初始荧光Fo逐渐降低。LD处理下，除藜麦品种L-2外，其余4个藜麦品种叶片叶绿素初始荧光Fo较CK分别降低了10.92%、12.50%、6.66%和13.70%，各品种间差异不显著(P>0.05)。MD处理下，5个藜麦品种叶片叶绿素Fo较CK降幅较大，分别降低了15.16%、6.85%、16.47%、13.94%和21.10%。SD处理下，5个藜麦品种叶片叶绿素Fo值最小，较CK分别降低了30.61%、14.56%、31.28%、24.39%和24.16%，且L-2、BL与其它3个品种间差异显著。

如图2B所示，随干旱胁迫程度的加剧，供试藜麦品种叶片叶绿素最大荧光Fm逐渐降低。LD处理下，供试藜麦品种叶片叶绿素Fm较CK降幅较小，分别降低了6.03%、5.1%、5.46%、3.52%和5.59%。MD处理下，供试藜麦品种叶片叶绿素Fm降低，L-1、L-3与其他3个品种间差异显著(P<0.05)，而L-2、L-4和BL间差异不显著(P>0.05)，其中BL降幅较大，较CK降低了20.34%。SD处理下，供试藜麦品种叶片叶绿素Fm最低，较CK 分别下降了19.11%、16.56%、16.76%、17.67%和22.19%，品种L-1和L-2间差异显著(P<0.05),而L-1与L-3及L-4与BL间差异不显著(P>0.05)。

2.4 干旱胁迫对藜麦叶片PSⅡ最大光化学效率的影响

如图3所示，随干旱胁迫程度的加剧，藜麦各供试品种叶片PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)较CK均逐渐降低。LD处理下，L-1、L-2、L-3、L-4和BL品种叶片Fv/Fm较CK分别下降了2.64%、1.01%、4.47%、3.19%和2.68%。MD处理下，上述5个供试品种叶片Fv/Fm较CK分别降低了3.54%、1.59%、4.79%、3.93%和3.43%，L-1与其他4个品种间差异显著(P<0.05)，而L-2与BL及L-3与L-4间差异不显著(P>0.05)。SD处理下，上述5个供试品种叶片Fv/Fm最低，较CK分别降低了5.73%、4.29%、7.81%、4.58%和3.85%，L-1与其他品种间差异显著(P<0.05)。

图2 干旱胁迫对藜麦幼苗叶片叶绿素初始荧光(Fo)和最大荧光(Fm)的影响Fig.2 Effects of drought stress on Fo and Fm of quinoa leaves

图3 干旱胁迫对藜麦幼苗叶片PSⅡ最大光化学效率的影响Fig.3 Effects of drought stress on Fv/Fm of quinoa leaves

2.5 干旱胁迫对藜麦叶片PSⅡ潜在活性的影响

如图4所示，随着干旱胁迫程度的加剧，5个供试藜麦品种叶片PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)较CK均降低。LD处理下，藜麦品种L-1、L-2、L-3、L-4和BL叶片Fv/Fo较CK降低了9.83%、6.13%、14.90%、7.12%和8.76%，L-1与其他品种间差异显著(P<0.05)。MD处理下，5个供试藜麦品种叶片Fv/Fo呈降低趋势，较CK降低了11.93%、7.72%、15.59%、9.38%和10.85%，品种L-1与L-3和BL间差异显著(P<0.05)，而L-2与BL及L-3与L-4间差异不显著(P>0.05)。SD处理下，藜麦品种L-1、L-2、L-3、L-4和BL叶片Fv/Fo最低，较CK分别降低了19.40%、14.93%、24.02%、11.34%和12.11%。

2.6 干旱胁迫对藜麦叶片PSⅡ非光化学猝灭系数的影响

由图5可知，随着干旱胁迫程度的加剧，供试藜麦品种叶片PSⅡ非光化学猝灭系数(NPQ)呈逐渐升高的变化趋势。LD处理下，各供试品种叶片NPQ较CK升高，其中藜麦品种L-4和BL增幅明显，分别较CK升高了87.95%和154.67%。MD处理下，各供试藜麦品种叶片NPQ较CK增幅明显，分别升高了61.34%、57.69%、65.91%、162.65%和173.33%。SD处理下，各供试藜麦品种叶片NPQ达到最大，分别较CK升高了74.79%、161.54%、104.55%、200.00%和196.00%。

图4 干旱胁迫对藜麦幼苗叶片PSⅡ 潜在活性的影响Fig.4 Effects of drought stress on Fv/Fo of quinoa leaves

图5 干旱胁迫对藜麦幼苗叶片PSⅡ 非光化学猝灭系数的影响Fig.5 Effects of drought stress on NPQ of quinoa leaves

3 讨 论

3.1 藜麦幼苗生长和叶绿素含量对干旱胁迫的响应

水是植物生命之源，是物质合成、转化和运输的载体[21]。光合作用是绿色植物体内有机物质和能量的最终来源，是植物生物产量形成和生理代谢的基础，而水分是影响光合作用的重要因素[22-23]。高等植物生长进程中，对干旱胁迫最敏感的过程是光合作用[24]。植物叶片叶绿素含量的变化能够反映植物对水分胁迫的敏感性，并直接影响光合产量[25-26]。张彦妮等[27]研究表明当黄连花幼苗受到干旱胁迫影响时，幼苗株高降低，叶绿素含量减少。刘建新等[28]研究表明干旱胁迫处理下燕麦幼苗生物量降低。罗杰等[26]研究表明随着干旱胁迫时间的延长和胁迫程度的加剧，润楠幼苗叶片叶绿素a，叶绿素b及叶绿素a/b呈先增加后降低的趋势。本试验结果发现随着干旱胁迫程度的加剧，供试各品种藜麦幼苗株高和地上部分生物量降低，而根长和地下部分生物量先增加后降低，LD处理促进幼苗根的生长及生物量的积累。5个品种藜麦幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b，总叶绿素及叶绿素a/b随着干旱胁迫程度的加剧而呈现先升高后降低的趋势。分析其原因主要是中度和重度干旱胁迫下，植物细胞失水，叶绿体遭到破坏，光合作用降低，叶绿素合成受到抑制，光合产物减少，从而抑制幼苗生长，地上部分生物量下降。

3.2 藜麦幼苗叶绿素荧光特性对干旱胁迫的响应

叶绿素荧光作为光合作用的探针，不仅能够反映光能吸收、激发能传递和光化学反应等光合作用过程，而且与ATP合成和CO2固定等过程密切相关，几乎所有光合作用过程的变化均可通过叶绿素荧光表现出来。当环境变化时，叶绿素荧光的变化可在一定程度上反映环境因子对植物的影响[29]。在叶绿素荧光参数中，Fo是测量光下荧光强度，它可以反映PSⅡ天线色素内的最初激发子密度、天线色素之间以及天线色素到PSⅡ反应中心的激发能传递几率的结构状态[30-31]；Fv/Fm可代表PSⅡ原始光能转化效率，其下降表明PSⅡ反应中心受到损伤，植物受到光抑制[23,32]；非光化学猝灭系数NPQ反映了天线色素吸收的光能能否用于光化学电子传递，而用于热耗散的部分[23,33]。杨霞等[34]研究表明，干旱胁迫下，供试品种的非顺序衰老小麦旗叶PSⅡ实际光化学效率、Fv/Fm、Fv/Fo均呈下降趋势。路之娟等[35]采用盆栽控水法研究表明，随干旱胁迫的加剧，参试苦荞品种叶片Fv/Fm和Fv/Fo均下降，不同品种下降幅度不同。Guo等[36]研究表明随干旱胁迫程度的加剧，黑果枸杞叶片Fo和Fv/Fm呈下降趋势，NPQ呈升高趋势。本试验研究发现，随干旱胁迫程度的加剧，各供试藜麦品种Fo、Fm、Fv/Fm和Fv/Fo均呈下降趋势，其中藜麦品种L-2下降幅度较小，而L-3下降幅度较大；另外，5个供试品种叶片NPQ随干旱胁迫程度的加剧呈升高趋势，L-2升高幅度较小，BL升高幅度较大。说明L-2叶片PSⅡ反应中心受干旱胁迫影响较小，而L-3和BL受干旱胁迫影响较大，初步推断品种L-2耐旱性强于其余4个供试品种，5个供试品种中L-3和BL耐旱性较差。