干旱胁迫对泡桐幼苗生长和叶绿素荧光参数的影响

2021-07-06张雅梅茹广欣肖梦雨王帅龙朱秀红

中南林业科技大学学报 2021年6期

张雅梅，茹广欣，肖梦雨，李娟，徐静，王帅龙，朱秀红

（河南农业大学林学院，河南郑州 450002）

水是生命之源，水的匮乏是制约植物生长的主要因素。据统计，我国受干旱制约的土地占国土面积的50%，干旱成为我国面临的重要生态问题[1]，研究干旱胁迫对植物的生理和形态等各方面的影响，探索其响应规律，这对于揭示植物对干旱的适应能力和抗旱机理具有重要意义。光合作用是植物最基本的生命活动，是绿色植物通过叶绿体进行的，因此，叶绿素含量能够反映植物光合同化能力与生长状况，是干旱胁迫响应的重要指标。叶绿素测定的传统方法具有破坏性和延迟性，而叶绿素仪SPAD（Soil plant analysis development）可以实时、快速获取叶片中叶绿素的相对值，因此逐渐成为了通用方法。叶绿素荧光参数能够内在地反映光系统对光能的吸收、传递、耗散等，也能反映干旱胁迫对植物光合作用的影响，是揭示植物光合作用与干旱胁迫下植物抗逆性的重要指标。泡桐，玄参科Scrophulariaceae，泡桐属Paulownia，具有生长迅速、干形通直、材质优良和抗逆性强等特点，是常见的喜光落叶乔木，也是我国广泛分布的速生用材树种之一。国内外对泡桐抗逆性的研究广泛且深入，包括个体、细胞、分子等各个水平，分布于病害[2]、干旱[3]、盐[4]、光[5]、寒[6]、重金属[7]等多个方面，干旱胁迫集中于毛泡桐[8]、秋叶泡桐[9]和白花泡桐[10]等品种，以及毛白33[11]、白兰杂种F1[12]等人工选育出来的优良无性系。但是，泡桐幼苗叶片不同部位间SPAD 值的分布规律和最佳测定位置，以及干旱胁迫时间序列的幼苗生长和叶绿素荧光参数响应尚未见报道。据此，本文以泡桐实生苗为研究对象，选择泡桐径粗和高双生长高峰期，采用盆栽控水模拟不同程度的土壤水分状况，探讨干旱胁迫对泡桐幼苗生长和荧光参数的变化规律，以期初步明确泡桐幼苗在不同干旱强度、不同干旱时间下的生长响应，了解其对干旱的适应能力，为泡桐苗期培育中的水分管理提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用毛白33（P.tomentosa（Thunb.）Steud×P.fortunei（Seem.）Hemsl 33）作为试验材料，是以“毛泡桐×白花泡桐”杂交获得的优良无性系。

1.2 试验设计

试验于2019年在河南省郑州市河南农业大学科教园区温室大棚完成。3月份播种，5月底挑选长势一致的健康苗（第4 对新叶刚完全展开），移栽到规格为24 cm×20 cm×24 cm（上径×下径×高）的塑料盆中，每盆1 株，盛放5 kg 风干土（自然条件下晾晒风干并过10 mm 筛）和1.5 kg 石英砂的混合土，期间正常浇水、除草。7月底，挑选长势一致的泡桐幼苗（着叶数10 个、落叶数8 个，第9 对叶刚完全展开）进行干旱胁迫，对幼苗顶端第二对幼叶（从上往下排列）分别挂牌，并在整个盆口覆盖白色地膜尽量防止盆口裸露土壤的水分蒸发。试验借鉴李泽等[13]的方法和环刀法，土壤最大持水量=（浇透水盆质量-土壤盆干质量）/盆内干土质量（浇透水盆重为浇透盆内土壤后放置12 h 的盆和盆内土壤的总质量，土壤盆干重为盆和盆中土壤烘干后的总质量，盆内干土质量为盆内土烘干后的质量）。设置4 个土壤水分含量：正常供水（Normal water supply，NS），土壤含水量为最大持水量的75%～80%；轻度干旱（Light drought stress，LS），土壤含水量为最大持水量的55%～60%；中度干旱（Moderate drought stress，MS），土壤含水量为最大持水量的40%～45%；重度干旱（Severe drought stress，SS），土壤含水量为最大持水量的20%～25%。每个处理设置6 个重复。每天8:00 和18:00 采用称重法补水控水，使各处理的土壤含水量达到设定水平的上限。干旱胁迫第12 天时，重度干旱幼苗的挂牌叶片脱落，试验终止，于胁迫处理的第0、3、6、9 和12 天进行指标测定。

1.3 指标测定

1.3.1 生长指标的测定

采用直尺测定各处理泡桐幼苗的株高，以及挂牌叶片的叶长和叶宽。采用游标卡尺测定各处理泡桐幼苗的地径和叶厚。采用目视数数的方法数出着叶数和落叶数。

1.3.2 叶绿素含量的测定

采用便携式叶绿素含量测定仪（SPAD-502 Plus，日本）测定各处理泡桐幼苗挂牌叶片SPAD值。将挂牌叶片划分为叶基、叶中部、叶尖3 个部位，每个部位重复测定3 次，求平均值作为该部位的最终SPAD 值，3 个部位求平均值作为叶片的SPAD 值。

1.3.3 叶绿素荧光参数的测定

采用调制叶绿素荧光仪（Mini-PAM，德国）测定各处理泡桐幼苗挂牌叶片的叶绿素荧光参数，测定前叶片暗适应30 min。

1.4 数据分析

采用SPSS 24.0 软件进行多因素方差分析，当某一因素主效应达显著水平时（P＜0.05），对该因素进行Duncan 多重比较。采用Excel 2007 软件进行数据处理及绘图。结果表示为“平均值±标准误差”。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对泡桐幼苗生长的影响

重度干旱幼苗的挂牌叶片脱落时，不同干旱胁迫程度的泡桐幼苗表型差异较大。正常供水处理的幼苗生长旺盛，长势最好。轻度干旱处理的幼苗，顶端第一对叶长势良好，其余叶柄和叶片下垂、萎蔫。中度干旱处理，顶端第一对叶长势良好，第二对叶的叶柄和叶片下垂、萎蔫，挂牌叶片以下全部下垂萎蔫、叶缘翻卷，部分叶片已经脱落。重度干旱处理，幼苗顶芽萎蔫，出现轻微弯曲现象，顶端第一对叶萎蔫、翻卷成一团，挂牌叶片脱落。重度干旱幼苗的挂牌叶片脱落，而其他处理的挂牌叶片未见脱落，说明干旱胁迫加速了叶片生长发育的进程。

由表1可知，随干旱胁迫程度的增加，泡桐幼苗生长指标的增量均表现为下降的趋势（除新叶数指标），相邻等级下降的幅度越来越大。不同处理株高和地径的增长量，LS 与NS 相比，分别下降了1.6%和0.8%；MS 与LS 相比，分别下降了2.1%和1.3%；SS 与MS 相比，分别下降了2.3%和8.1%。整个胁迫期，生长指标的增量有正有负。NS、LS 和MS 处理的生长指标均表现为正增长，SS 处理的株高、地径为正增长，新叶数无增长，叶厚、叶长和叶宽为负增长。株高和地径一直保持正增长，NS、LS 和MS 处理幼苗顶端第一对幼叶长势良好，SS 处理第一对幼叶萎蔫，说明短暂胁迫期泡桐幼苗一直保持生长状态。

表1 干旱胁迫期生长指标的增量Table 1 Increment of growth indexes during drought stress

2.2 干旱胁迫对泡桐幼苗叶片SPAD 值的影响

2.2.1 泡桐幼苗叶片部位间SPAD 值的差异性分析

泡桐幼苗叶片不同部位间的SPAD 值存在差异性。叶中部SPAD 值的均值最大，叶尖的最小，叶基的居中，即叶中部＞叶基＞叶尖，叶中部与叶尖差异极显著（P＜0.01），叶基与叶中部、叶尖的差异性均不显著（表2）。叶片的3 个部位中，叶基SPAD 值居中，均值为32.30，叶片SPAD 的均值为32.38，两者极为接近。说明叶基部位的数值适宜代表叶片的均值，所以在测定叶片的SPAD值时，叶基部位为最佳位置。

2.2.2 干旱胁迫对泡桐幼苗叶片SPAD 值的影响

随着干旱胁迫程度的增加，泡桐幼苗叶片SPAD 值表现为显著性降低的趋势（表2）。与对照NS 组相比，各处理组间差异极显著（P＜0.01），LS、MS、SS 处理组分别降低了3.74%、7.28%、13.28%，LS处理组轻微降低，SS处理组降低最显著。随干旱胁迫时间的延长，泡桐幼苗叶片SPAD 值整体呈现逐步显著性下降的趋势。以干旱胁迫0 d作为对照，胁迫3 和6 d 时没有显著差异，9 和12 d出现极显著差异（P＜0.01），3、6、9、12 d 时分别下降了0.66%、2.13%、5.47%、6.85%。表明干旱胁迫程度、胁迫时间因素对泡桐幼苗叶片叶绿素的含量影响较大。

表2 干旱胁迫对泡桐幼苗叶片SPAD 值的影响†Table 2 Effects of drought stress on SPAD value of Paulownia seedling leaves

2.2.3 不同胁迫期泡桐幼苗叶片SPAD 值的变化

不同胁迫期内，不同干旱胁迫程度下的泡桐幼苗叶片SPAD 值增量有正有负（图1）。NS、LS 和MS处理的SPAD值增量表现为先正增长后负增长，在0～3 d 胁迫期的SPAD 值增量为正值，其余均为负值，则0～3 d 泡桐幼苗叶片的SPAD 值增加了，3～12 d 叶片的SPAD 值降低了，表明SPAD值随胁迫时间的延长呈现先增加后降低的趋势，其中0～3 d 叶片以生长为主，第3 天出现最大值，此时叶片发育为成熟叶。SS 处理SPAD 值增量一直保持负增长，则SS 处理SPAD 值一直保持降低的趋势，其中0～3 d 降幅最大，表现为迅速下降。

不同胁迫期内，不同干旱胁迫程度下的泡桐幼苗叶片SPAD 值增量变化幅度各异（图1）。整个胁迫期，LS 处理相对于NS 处理来说，正增量时绝对值略大，负增量时绝对值略小，总趋势一致。MS 处理于6～9 d 出现最小值，表明此时叶绿素含量变化最大，对干旱胁迫最为敏感。0～3 d，SS 处理的SPAD 值增量变化幅度最大，表明第3天对干旱胁迫最敏感。

图1 不同胁迫期不同干旱处理SPAD 值的增量Fig.1 The increment of SPAD value of different drought treatments in different stress periods

2.3 干旱胁迫对泡桐幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

2.3.1 干旱胁迫对泡桐幼苗叶片叶绿素初始荧光（F0）的影响

随着干旱胁迫程度的增加，F0表现为先降低后增加的趋势（表3）。SS 处理最高，均值为202.389，LS 处理最低，均值为171.818，存在极显著差异（P＜0.01）。随着干旱胁迫时间的延长，F0呈现先增加后降低的趋势。第9 天时出现最大均值199.333，与对照0 d 相比，各处理时间的差异性不同，第9 天时差异显著（P＜0.05）。说明干旱胁迫下，F0存在显著差异。

表3 干旱胁迫对泡桐幼苗叶片荧光参数的影响Table 3 Effects of drought stress on fluorescence parameters of Paulownia seedlings leaves

2.3.2 干旱胁迫对泡桐幼苗叶片叶绿素最大荧光（Fm）的影响

随着干旱胁迫程度的增加，Fm表现为先降低后增加的趋势。NS 处理最高，均值为979.833，LS 处理最低，均值为858.955，各处理存在极显著差异（P＜0.01）。与对照NS 相比，各处理组均表现为降低的趋势。随干旱胁迫时间的延长，Fm呈现显著降低的趋势。与对照0 d 相比，各时间点的差异性越来越显著，第6 天开始差异极显著（P＜0.01）。

2.3.3 干旱胁迫对泡桐幼苗叶片PS Ⅱ最大光化学量子产量（Fv/Fm）的影响

随干旱胁迫程度的增加，Fv/Fm表现为逐渐降低的趋势。NS 处理组最高，均值达0.813，SS 处理组最低，均值为0.788，各处理组之间不存在差异性。随干旱胁迫时间的延长，Fv/Fm呈现显著降低的趋势。与对照0 d 相比，各时间点的差异性越来越显著，从第6 天开始，差异极显著（P＜0.01）。

2.3.4 不同胁迫期泡桐幼苗叶片荧光参数的变化

由图2可知，不同胁迫期，F0、Fm、Fv/Fm的增量不同，Fm的变化幅度最大，Fv/Fm的变化幅度最小。F0在0～3 d、3～6 d 和6～9 d 期间均为正增长，变化幅度较小；9～12 d 期间为负增长，变化幅度最大，表明干旱胁迫的影响最大。Fm在0～3 d、3～6 d 和6～9 d 期间均为负增长，9～12 d 期间为正增长，3～6 d 期间的变化幅度最大，表明干旱胁迫的影响最大。Fv/Fm在整个胁迫期均为负增长，在3～6 d 期间的增量最小，表明干旱胁迫的影响最大。

图2 不同胁迫期F0、Fm、Fv/Fm 的增量Fig.2 Increment of F0,Fm and Fv/Fm in different stress periods

3 讨论

3.1 泡桐幼苗叶片不同部位SPAD 值的规律

本研究认为，当年生泡桐幼苗叶片不同部位间的SPAD 值表现为叶中部＞叶基＞叶尖，叶中部与叶尖的差异极显著（P＜0.01），叶基部位为最佳位置；张日清等[14]在研究1年生油茶成熟叶片SPAD 值差异时，认为叶不同部位的SPAD 值表现为叶基＞叶中＞叶尖，三部位间均无显著差异；钟全林等[15]研究3年生刨花楠和华东润楠叶片的SPAD 值差异时，认为叶不同部位间叶基＞叶中＞叶尖，三部位间存在差异但不明显；李文杨等[16]研究葡萄叶片SPAD 值与测定位置时，认为叶片SPAD 值从顶部到基部呈下降趋势，叶片中部SPAD 值最有代表性；杨涛等[17]研究棉花功能叶不同位点SPAD 值的特征时，认为靠近叶柄的位置较低，中间靠近叶缘位置相对较高，且远离叶柄而靠近叶缘的位点适宜作为测定区域。由此可见，泡桐与油茶、楠木、葡萄、棉花4 种植物的研究都存在差异，油茶与楠木的研究结果一致，葡萄和棉花的研究结果存在相似性。泡桐：乔木，叶大，对生，叶纸质，卵形、长卵形，先端尖，基部心形，叶柄长；油茶：叶小，互生，革质，椭圆形、长圆形或倒卵形，先端尖，基部楔形，叶柄短；楠木：叶小，互生，革质，椭圆形，先端渐尖，基部楔形，叶柄细、短；葡萄：藤本，叶大，互生，近革质，卵圆形，掌状分裂，基部深心形，叶柄长；棉花：草本，叶大，互生，近革质，阔卵形，掌状分裂，先端突渐尖，基部心形，叶柄长。由此可见，泡桐与油茶、楠木、葡萄、棉花4 种植物的叶片形态特征都存在差异，油茶和楠木的叶片形态特征比较一致，葡萄和棉花的形态特征比较相似。综上所述，泡桐叶片与油茶、楠木叶片的形态特征差异相对较大，研究结果的差异也相对较大；与葡萄、棉花差异相对小，研究结果的差异也相对小（叶中部SPAD 值相似）。由此可推断出，叶的表型指标是影响叶片部位间叶绿素浓度分布的重要因素。这与邱长玉等[18]认为叶片叶绿素的测量结果可能与植物种类、株型、叶型及种植模式等有关存在一致性。

3.2 干旱胁迫对泡桐幼苗生长的影响

干旱胁迫程度不同，泡桐幼苗地上部分表型差异较大，叶片的变化尤为突出，表现出对干旱胁迫敏感的特性，说明叶片是干旱胁迫最敏感的部位之一[19]。轻度干旱，叶片萎蔫，重度干旱，叶片萎缩、卷曲、脱落；生长指标的增量下降幅度越来越大，轻度和中度干旱的生长指标均为正增长，重度干旱出现负增长；叶片SPAD 值存在极显著性差异（P＜0.01），说明轻度胁迫对植株的影响较小，重度干旱严重影响泡桐幼苗的正常生长，油桐[13]和杨树[20]等也存在同样的现象。

随着干旱胁迫程度的增加，泡桐幼苗叶片的SPAD 值表现为显著性下降的趋势，这与张晓申等[8]和秦晓东等[10]的研究完全一致，表明毛白33种子实生苗与毛泡桐组培苗和白花泡桐埋根苗的叶绿素含量对干旱胁迫的响应存在一致性。

随干旱胁迫时间的延长，重度干旱的泡桐叶片萎缩、卷曲、脱落，脱落时柔软、无光泽、蜷成一团，呈暗绿色，表现为叶片失水严重和叶绿素浓度较高；叶片SPAD 值呈现逐步显著性下降的趋势，这都表现出对持续干旱的不耐受性，同时也表明毛白33 可能属于持绿性植物，即干旱胁迫下，叶片仍能保持绿色并进行活跃的光合作用[21]，但是否为持绿性植物需要进一步的验证。冯延芝[9]等在研究秋叶泡桐时，发现干旱条件下幼苗叶片是干枯脱落的，这与本研究的毛白33 不同，这种不同也在某种程度上证明了毛白33 的抗旱能力相对较强。

随着干旱胁迫程度的增加和干旱胁迫时间的延长，NS、LS 和MS 泡桐幼苗叶片的SPAD 值随着胁迫时间呈现先增加后降低的变化趋势，这种现象在樟树幼苗[22]上也同样存在；SS 处理则呈现迅速下降的趋势，这与油桐幼苗[13]的研究一致。

干旱胁迫下泡桐幼苗叶片SPAD 值的变化，可以指示植物叶绿素对水分胁迫的敏感性。叶片SPAD 值增量差异较大，表现出不同干旱胁迫程度的敏感期不同。整个胁迫期间，LS 处理和NS处理同增同减，总变化趋势一致，说明轻度干旱胁迫对叶片的叶绿素含量影响较小；MS 处理于6～9 d 增量最小，表现为6～9 d 对干旱胁迫最为敏感，第9 天为灌溉的关键期；SS 处理于0～3 d 增量最小，表现为第0～3 d 对干旱胁迫最敏感，第3 天是灌溉的关键期。表明随干旱胁迫程度的增加，灌溉的关键期出现越早。同时也说明轻度胁迫对泡桐幼苗叶片的影响较小，重度干旱的影响较大。

3.3 干旱胁迫对泡桐幼苗叶片荧光参数的影响

叶绿素荧光作为植物光合作用的探针，能够灵敏准确地检测植物光合机构在环境胁迫下的响应[23]。F0是暗适应后PS Ⅱ反应中心完全开放时的荧光产量，可以反映PS Ⅱ天线色素内的最初激子密度、天线色素之间以及天线色素到PS Ⅱ反应中心的激发能传递机率的结构状态[23-26]。干旱胁迫下，泡桐幼苗叶片F0有降有升，变化复杂。随干旱胁迫时间的延长，F0呈现先增加后降低的趋势，这可能是泡桐幼苗在胁迫初期启动了相应的抵御机制，但是随着胁迫时间的延长，这种机制被逐渐破坏。抵御机制的出现说明泡桐具有一定的抗旱性。这一现象也出现在鼓节竹[24]、杉木[25]上。F0在0～9 d 期间为正增长，表现出PS Ⅱ反应中心结构受到损害或失活；9～12 d 期间为负增长，表现出以PS Ⅱ天线色素的热耗散为主，此间变化幅度最大，表明干旱胁迫的影响最大。

Fm是PS Ⅱ反应中心处于完全关闭时的荧光产量，反应PS Ⅱ反应中心的活性及电子传递情况；Fv/Fm反应PS Ⅱ反应中心光能转化效率[23-28]。随胁迫程度的增加和时间的延长，Fm、Fv/Fm均表现为降低。Fm降低，说明泡桐幼苗PS Ⅱ反应中心的活性及电子传递受到抑制，这一现象与鼓节竹[24]、杉木[25]相同。Fv/Fm降低，说明泡桐幼苗PS Ⅱ反应中心光能转化效率下降，表明干旱胁迫抑制了光合作用原初反应过程[23-26]。

随着干旱胁迫程度的增加和时间的延长，F0出现极显著差异（P＜0.01）和显著差异（P＜0.05），Fm均为极显著差异（P＜0.01），Fv/Fm出现无差异性和极显著差异（P＜0.01），表明Fm属于相对敏感的指标。这一结论，在整个胁迫期，Fm为F0、Fm和Fv/Fm三者中变化幅度最大的指标，也得到验证。孙敏等[25]研究杉木时，认为干旱胁迫下，Fv/F0比Fv/Fm敏感很多。这一结论证明了Fm比F0敏感。Fm于3～6 d 胁迫期间出现变化幅度的最大值，表明干旱胁迫的影响最大，植株PS Ⅱ反应中心的活性最低。

综上所述，干旱胁迫下，研究了泡桐幼苗叶片不同部位SPAD 值的分布规律，确定叶基是最佳测量部位，但还需要进一步增加叶片不同发育阶段来加以验证；研究了泡桐幼苗生长指标和荧光参数的变化，获取了初步研究结果，但还需要进一步结合光合作用、水分生理、抗氧化系统等生理生化指标，才能全面分析得出系统性的结论，验证泡桐幼苗的干旱响应及其抗旱性能，为泡桐苗期培育中的水分管理提供准确可靠的全方位理论支持。