棕榈幼苗光合和叶绿素荧光对干旱胁迫及复水的响应

孙娅楠，赵 杨，赵渊祥，曹 海，龙建磊

（贵州大学 a.林学院；b.贵州省森林资源与环境研究中心，贵州 贵阳 550025）

随着干旱程度、频度的增加，植物从外部形态、生长发育、生理生化到分子水平的变化均是植物对不良环境作出的响应[1]，后期甚至死亡。当植物经过干旱胁迫后，对其进行复水处理，普遍认为植物体内有可能会出现一定的恢复效应[2]，而恢复程度视干旱胁迫程度及复水时间而定。张显强等[3]研究了干旱和复水对喀斯特石生穗枝赤齿藓水分及光合生理的影响，阐明了石生穗枝赤齿藓干旱胁迫后复水处理的各水分生理指标均有不同程度的恢复，且各荧光参数在轻中度胁迫下均能恢复到正常水平，而重度胁迫则较难恢复到正常水平。刘佳[4]研究了不同抗旱性玉米品种响应干旱及复水的光合生理机制，指出不同抗旱性玉米的光合生理对干旱及复水处理的适应性及恢复能力不同。目前针对植物对水分的响应多集中在植物受干旱胁迫后的耐旱性、抗旱性及经受干旱时不同阶段的表现方面，但对植物干旱胁迫后再进行复水处理，植物的恢复过程及植物自身的修复能力研究较少，恢复机理不清楚。

棕榈Trachycarpus fortunei属棕榈科棕榈属常绿乔木，在中国境内广泛种植，具有良好的水土保持功能，是贵州石漠化区优良的经济树种[5]。目前有关棕榈的研究多集中在棕榈的经济价值、不同种源棕榈生长及生理等方面，虽有学者对不同种源棕榈干旱胁迫进行了研究，但对棕榈抗旱生理机制还缺乏定量的系统研究，且对干旱胁迫后复水处理棕榈恢复情况缺乏研究。故本研究应用盆栽渐进式干旱胁迫模拟自然干旱环境，在棕榈幼苗的致死临界值时进行复水试验，分析干旱胁迫及复水条件下棕榈幼苗水分生理、光合色素含量、光合作用及叶绿素荧光的响应，进一步揭示棕榈的抗旱机制，探索棕榈幼苗在不同干旱胁迫及复水条件下的响应和适应能力，为我国干旱、半干旱地区良种选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试验设计

试验地位于贵州省贵阳市的贵州大学林学院大棚中（106°39′27″E，26°27′13″N），海拔1 082 m，试验材料选用2年生生长较一致的棕榈实生苗，平均苗高为30.6±2.14 cm，平均地径为7.06±0.49 cm，苗木健康状况良好，以混合土（V黄壤∶V营养土∶V蛭石=6∶2∶1）作为栽培基质，花盆规格为20 cm×20 cm，每盆定植一株苗，盆栽完成后统一进行浇水、除草的苗期管理，缓苗一个月，使苗木恢复正常生长。

于2019年9月开始进行渐进式干旱胁迫，当棕榈叶片极度卷曲、呈不正常的黄色、下垂且光合作用为零时，判定此时的棕榈幼苗已死亡。在棕榈幼苗的致死率大于50%时，即棕榈幼苗的致死临界值，进行复水试验。先对棕榈苗木充分浇水3 d 后停止供水，使其自然干旱，之后在土壤含水量为（74.97±0.77）%、（59.70±0.75）%、（46.80±1.50）%、（30.46±1.43）%、（24.30±0.23）%、（21.12±0.54）%、（51.60±1.26）%、（68.68±0.62）%、（74.08±0.66）%、（76.29±0.34）%时随机取苗木相同位置的功能叶片，即持续干旱胁迫当天、第7 天、第12 天、第16 天、第20 天、第23 天及复水后1、2、4、7 d，以干旱处理当天为对照（CK），测定水分生理、光合色素、光合作用、叶绿素荧光等指标，各指标设置6 个重复。

1.2 指标的测定

1.2.1 土壤含水量

土壤含水量（SWC）采用铝盒取土燃烧法测定，公式为：

SWC=（W鲜-W干）/W干×100%。式中：W鲜为土壤鲜质量；W干为土壤干质量。

1.2.2 水分生理

叶片组织含水量采用烘干称重法，相对含水量及自然饱和亏采用水分饱和法。各处理选取3 株棕榈幼苗，每株棕榈幼苗选取由内往外数第3～5 片生长正常的功能叶，单片叶片称质量测定。

组织含水量（LWC）：

LWC=(Wf-Wd)/Wf×100%。

相对含水量（LRWC）：

LRWC=(Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%。

自然饱和亏（NWSD）：

NWSD=1-LWC。

式中：Wf为叶片鲜质量；Wd为叶片干质量；Wt为叶片饱和质量。

1.2.3 光合色素

光合色素采用丙酮浸提法测定[6]。各处理选取6 株棕榈幼苗，取样方式同上，将叶片的中间部位剪碎作为测定材料，用分光光度计在470、645、662 nm 波长下测定浸提液的吸光值，计算组织中叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）、类胡萝卜素（Car）以及总叶绿素质量分数（ChlT）。

1.2.4 光合作用参数

于9:00—11:00，用Li-6400 光合测定仪测定棕榈幼苗叶片的光合指标，固定测定6 株幼苗，每株测定功能叶的中部，每片叶片记录3 个瞬时光合值，包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr），并计算其水分利用率（WUE），公式为：

WUE=Pn/Tr。

1.2.5 叶绿素荧光参数

于21:00—23:00，用便携式荧光仪（Junior-PAM）对棕榈幼苗叶片进行叶绿素荧光参数测定，同样固定测定6 株幼苗，测定部位与上同。棕榈幼苗叶片暗适应40 min 后，测定各处理的叶绿素荧光参数，包括最小荧光（F0）、最大荧光（Fm）、PS Ⅱ最大光化学效率（Fv/Fm）、PS Ⅱ实际光化学量子效率（YⅡ）、相对电子传递速率（ETR）、光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（qN）。

1.3 数据分析

运用SPSS 18.0 软件进行单因素方差分析、多重比较（P＜0.05），使用Microsoft Excel 2010软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫及复水对棕榈幼苗叶片水分生理的影响

由图1可知，在持续干旱胁迫下，棕榈幼苗叶片LWC 与LRWC 呈下降趋势，而NWSD 则呈上升趋势，差异均达到显著差异水平（P＜0.05）。干旱胁迫7 d，LWC 有微量减少，但其差异尚未达到显著差异水平；干旱胁迫20 d，LWC 与LRWC下降速度最快；干旱胁迫23 d，LWC 和LRWC 达到最小值，分别低至23.30%和25.71%，与CK 相比降低了58.17%、73.08%，此时为棕榈幼苗干旱胁迫的临界点，已有大于50%的棕榈幼苗死亡。而叶片NWSD 在干旱胁迫前12 d 上升速率较小，干旱胁迫20 d 上升速率最快，到23 d 达到最大值，是CK 的16.53 倍。复水后棕榈幼苗LWC、LRWC和NWSD 均有适度的恢复，且其各水分处理间差异显著（P＜0.05），复水前2 d 恢复速率较快，复水7 d 虽均未能达到CK 水平，但与CK 相比LWC、LRWC 只下降了10.52%、11.68%，LWC与干旱胁迫12 d 差异不显著。

图1 干旱胁迫和复水对棕榈幼苗叶片水分生理的影响Fig.1 Effects of drought stress and rewatering on water physiology in leaves from Trachycarpus fortunei

2.2 干旱胁迫及复水对棕榈幼苗叶片光合色素的影响

如表1所示，棕榈幼苗叶片的光合色素整体随着干旱胁迫程度的加剧呈现下降趋势，复水后呈上升趋势，且在不同水分处理下的差异达到显著水平（P＜0.05）。干旱胁迫前期各光合色素均迅速降低，其中叶绿素a（Chl a）质量分数降幅最大，达到31.84%，而类胡萝卜素（Car）质量分数则呈先下降后上升的趋势。持续干旱12 d 后叶绿素b（Chl b）质量分数降幅不大，与持续干旱23 d 相比未存在差异显著；干旱胁迫20 d，Chl a、ChlT质量分数数值上虽有降低，但差异并不显著；持续干旱23 d，与CK 相比，棕榈幼苗叶片Chl a、Chl b、ChlT质量分数分别下降了31.84%、29.63%、31.15%。复水后，棕榈幼苗叶片的Chl a、Chl b、Car、ChlT质量分数均在复水1 d 达到最大值，后呈下降趋势。复水7 d 各光合色素均未达到CK 水平，分别降低了31.28%、34.57%、20.73%、32.31%。

表1 干旱胁迫和复水对棕榈幼苗叶片光合色素的影响†Table 1 Effects of drought stress and rewatering on photosynthetic pigments in leaves from Trachycarpus fortunei

2.3 干旱胁迫及复水对棕榈幼苗叶片光合作用的影响

如表2所示，随着持续干旱时间的延长，棕榈幼苗叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）均呈降低趋势，而胞间CO2浓度（Ci）呈先上升后降至最低再上升的趋势，水分利用率（WUE）则呈先上升后下降的趋势，且各持续干旱时间存在显著差异（P＜0.05）。持续干旱16 d，棕榈幼苗叶片Pn、Gs、Tr下降速度最大，且Gs趋近于0，Ci降至最低，WUE 达到最大值，与CK相比降低了74.99%、86.05%、82.21%、54.29%和提高了36.97%。持续干旱23 d，棕榈幼苗叶片的Pn、Gs、Tr和WUE 达到最小值，与CK 相比降低了97.82%、95.35%、95.96%、64.59%，而Ci达到最大值，与CK 相比增加了22.58%。复水7 d 后，棕榈幼苗叶片的Pn、Gs、Tr和WUE 呈上升趋势，均有一定程度的恢复，但均未恢复至CK 水平，与CK 相比降低了34.46%、51.16%、50.49%和上升了30.21%，而Ci降低，与CK 相比降低了15.74%。

表2 干旱胁迫和复水对棕榈幼苗叶片光合作用的影响Table 2 Effects of drought stress and rewatering on photosynthetic characteristics in leaves from Trachycarpus fortunei

2.4 干旱胁迫及复水对棕榈幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

如表3所示，随着干旱胁迫程度的增加，棕榈幼苗叶片的最小荧光（F0）呈逐渐上升趋势，而棕榈幼苗叶片的最大荧光（Fm）、PS Ⅱ最大光化学效率（Fv/Fm）、PS Ⅱ实际光化学量子效率（YⅡ）及相对电子传递速率（ETR）均呈逐渐下降的趋势，且各处理间存在显著差异（P＜0.05）。持续干旱7 d，棕榈幼苗叶片F0增长速度最快，而Fm和Fv/Fm变化不大，差异不显著，另YⅡ和ETR 则与CK 相比分别下降了15.79%、14.43%。持续干旱23 d，棕榈幼苗叶片F0达到最大值，与CK 相比增加了24.40%，而Fm、Fv/Fm、YⅡ及ETR 达到最小值，与CK 相比分别下降了56.65%、53.85%、81.58%、82.28%。复水后，棕榈幼苗叶片的F0呈逐渐下降的趋势，而棕榈幼苗叶片的Fm、Fv/Fm、YⅡ及ETR 均呈逐渐上升的趋势，其中复水7 d 棕榈幼苗叶片的Fm、Fv/Fm恢复至CK 水平，而与CK 相比棕榈幼苗叶片的F0增长了17.60%，YⅡ及ETR 分别降低了21.05%、19.34%。

表3 干旱胁迫和复水对棕榈幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响Table 3 Effects of drought stress and rewatering on chlorophyll fluorescence parameters in leaves from Trachycarpus fortunei

由图2可知，棕榈幼苗叶片的光化学淬灭系数（qP）随着干旱胁迫程度的增加而下降，而非光化学淬灭系数（qN）则随着干旱胁迫程度的增加而增加，且各干旱胁迫处理间存在显著差异（P＜0.05）。持续干旱7 d，棕榈幼苗叶片的qP 和qN与CK 相比，差异不显著。持续干旱23 d，棕榈幼苗叶片的qP 达到最小值，而qN 达到最大值，与CK 相比分别下降了68.33%、增加了44.23%。复水后棕榈幼苗叶片的qP 呈上升趋势，在复水7 d 恢复至CK 水平，而qN 则呈下降趋势，且在复水7 d 未恢复至CK 水平，与CK 相比上升了30.77%。

图2 干旱胁迫和复水对棕榈幼苗叶片光化学淬灭系数和非光化学淬灭系数的影响Fig.2 Effects of drought stress and rewatering on photochemical quenching coefficient and non-photochemical quenching coefficient in leaves from Trachycarpus fortunei

3 讨 论

3.1 棕榈幼苗叶片水分生理对干旱胁迫和复水的响应

干旱胁迫被认为是植物面临的最具破坏性的非生物胁迫之一[7]，水分则是植物进行一切生命活动不可缺失的因素之一，而相对含水量被认为是一个可靠的水状况指标[8]，可反映植物在缺水后恢复水分平衡的能力以及它们对干旱胁迫程度适应的能力。大量研究表明干旱胁迫降低了植物的相对含水量和组织含水量，其随干旱程度的增加呈线性下降，自然饱和亏则随干旱程度的增加呈线性上升[9]。本研究中，随着干旱胁迫时间的延长，棕榈幼苗叶片组织含水量和相对含水量呈下降趋势，而叶片自然饱和亏则呈上升趋势，这与相关学者的研究结果一致，这是因为随着干旱胁迫时间的延长，土壤环境中的水分含量减少，植物可吸收的水分减少。干旱胁迫20 d，叶片组织含水量和相对含水量下降速度最快，而叶片自然饱和亏上升速率最快，表明棕榈幼苗在干旱胁迫20 d反映出重度胁迫的现象，此时棕榈幼苗体内的水分亏缺严重。而棕榈幼苗在干旱胁迫23 d 出现最值，此时已有大于50%的棕榈幼苗死亡，表明自然胁迫下土壤含水量为21.12%时是棕榈幼苗干旱胁迫致死的临界点。棕榈幼苗的蒸腾速率随干旱胁迫时间的延长显著减小，水分利用率显著增加后降低，这与气孔关闭导致减少了棕榈叶片表面的水分蒸发有关，进而提高了棕榈幼苗对水分的利用率，这与郭书嫄[10]的研究结果相似，表明干旱胁迫抑制了棕榈幼苗体内的水分含量，通过关闭气孔、减少蒸腾作用来提高棕榈幼苗对水分的利用效率以维持自身的生命活动，而干旱胁迫20 d 水分利用率降低，这是因为干旱胁迫程度已达到棕榈幼苗耐旱性的阈值。

当植物经过干旱的环境后，对其进行复水处理，植物体内有可能会出现一定的恢复效应，而恢复程度视干旱胁迫程度及复水时间而定。有的植物能恢复至干旱胁迫前的水平，表明干旱胁迫程度较轻或此植物具有很强的耐旱性[11]；而有的植物则不能，表明干旱胁迫程度较重或植物的耐旱性较差[12]。本研究中发现，随着土壤含水量的增加，棕榈幼苗叶片组织含水量、相对含水量、自然饱和亏、气孔导度、蒸腾速率均有适度的恢复，但在复水7 d 未达到正常生理代谢水平，而水分利用率与CK 相比升高了，表明干旱胁迫对棕榈幼苗造成的损伤得到一定程度的恢复，生命活动加强，由于棕榈幼苗遭受到的干旱胁迫程度较重，所以棕榈幼苗的水分生理活动在短期内无法恢复至胁迫前的水平。

3.2 棕榈幼苗叶片光合色素和光合作用对干旱胁迫和复水的响应

光合色素是类囊体膜的重要组成成分，是光能的受体，直接参与光合作用过程。大量研究发现植物在遭遇干旱胁迫后，叶片中光合色素的含量下降[13]。本研究中持续干旱下棕榈幼苗叶片中光合色素质量分数均有显著下降，其中叶绿素a 质量分数降幅最大，与前人研究一致[14]，表明棕榈幼苗对光能的吸收和利用能力因干旱而受到较大影响，其中叶绿素a 较叶绿素b 对不良的干旱环境反应更为敏感。干旱胁迫20 d 与干旱胁迫23 d相比，棕榈幼苗叶片的光合色素差异不显著，表明干旱胁迫20 d 棕榈幼苗叶片的光合色素遭到了严重的损伤。复水后，棕榈幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素质量分数均在复水1 d 达到最大值，后呈下降趋势，表明干旱胁迫可能破坏了棕榈幼苗的叶绿体结构，抑制了植物叶片中叶绿素的合成[15]。

干旱胁迫下，植物光合速率会降低，通常认为植物光合速率下降分别受“气孔限制”和“非气孔限制”[16]，其中Farquhar 等[17]认为，气孔导度、胞间CO2浓度降低，导致净光合速率降低，这时主要受“气孔限制”的影响；而当气孔导度降低，胞间CO2浓度升高，导致净光合速率降低，则主要受“非气孔限制”的影响。本研究中，持续干旱16 d 前棕榈幼苗净光合速率随气孔导度降低和胞间CO2浓度升高而降低，可见棕榈幼苗净光合速率的下降受到了“非气孔限制”的影响，因为叶肉细胞光合活性下降，降低了植株进行光合作用的能力；而在持续干旱16 d 气孔导度趋近于0，胞间CO2浓度降至最低，棕榈幼苗净光合速率下降，可见这时光合速率受到了“气孔限制”，导致叶片吸收外界环境中的CO2受到阻碍，减少了植株进行光合作用时所需原料的供应。这与曹晶[18]的研究一致，认为不同的干旱时期，光合速率受抑的主要限制因子不同。复水后棕榈幼苗的气孔导度、蒸腾速率得到一定程度的恢复，进而使净光合速率升高，表明棕榈幼苗通过张开气孔、增大蒸腾速率、提高净光合速率来恢复苗木的生命活动。

3.3 棕榈幼苗叶片叶绿素荧光对干旱胁迫和复水的响应

叶绿素荧光参数作为反映植物光合作用的重要指标之一，可以从能量吸收、传递与转换等角度快速且无损伤地对植物的光合作用进行监测，常被用于标明环境胁迫程度的探针[19]。大量的研究发现植物在遭受轻度干旱胁迫时，植物的叶绿素荧光参数变化不显著，而当植物遭受中、重度干旱胁迫时，最大荧光、PS Ⅱ最大光化学效率、PS Ⅱ实际光化学量子效率、相对电子传递速率、光化学淬灭系数均迅速下降，而非光化学淬灭系数则显著升高，光合作用反应中心PS Ⅱ会出现可逆性的损伤或不可逆的伤害，导致光合原初反应过程受阻，进而降低植物的光合作用[20-21]。本研究中发现，持续干旱7 d，棕榈幼苗叶片的叶绿素荧光参数变化不大，表明此时棕榈幼苗遭受到轻度的干旱胁迫，幼苗的光合作用受到了轻微的抑制。而此后最小荧光迅速上升，最大荧光、PS Ⅱ最大光化学效率、PS Ⅱ实际光化学量子效率、相对电子传递速率迅速下降，在持续干旱23 d 达到最小值，表明持续干旱胁迫导致棕榈幼苗PS Ⅱ反应中心的开放程度降低，降低了PS Ⅱ反应中心原初电子受体QA 的还原能力、原初光能转换效率、相对电子传递速率，从而使棕榈幼苗光合作用的原初反应受到抑制，进而降低植物的光合作用。复水后棕榈幼苗叶片的各叶绿素荧光参数指标均迅速恢复，复水7 d，其中最大荧光和PS Ⅱ最大光化学效率恢复至CK 水平，而最小荧光、PS Ⅱ实际光化学量子效率和相对电子传递速率未恢复至CK 水平，表明棕榈幼苗叶片在干旱胁迫解除后，遭受损伤的光合作用反应中心PS Ⅱ虽得到了一定程度的修复，但尚未恢复至干旱胁迫前的水平，则是棕榈幼苗光合作用反应中心PS Ⅱ出现了可逆性的损伤。

本研究中发现棕榈幼苗的光化学淬灭系数、非光化学淬灭系数在持续干旱的前7 d 差异不显著，表明棕榈幼苗遭受到轻度的干旱胁迫，对其光能用于光化学反应的部分影响不大，则轻度干旱胁迫未影响棕榈幼苗光合作用反应中心PS Ⅱ的光化学活性。而之后随着干旱胁迫程度的增加，棕榈幼苗的光化学淬灭系数逐渐下降，表明中、重度干旱胁迫导致棕榈幼苗吸收的光能用于光化学反应的部分减少，从而使光合作用反应中心PS Ⅱ的光化学活性降低，造成积累的光能过剩。而棕榈幼苗非光化学淬灭系数逐渐上升，表明棕榈幼苗通过及时消耗掉过剩的光能，让其以热能的形式散失，从而缓解干旱胁迫对棕榈幼苗的伤害。复水后棕榈幼苗叶片的光化学淬灭系数迅速上升，在复水7 d 恢复至CK 水平，而非光化学淬灭系数则迅速下降，但未恢复至CK 水平，表明棕榈幼苗光合作用反应中心PS Ⅱ光化学活性得到恢复，但由于之前的损伤，仍有残余的光能过剩，还需以热能的形式消耗掉过剩的光能，从而缓解干旱胁迫对棕榈幼苗的伤害。

本次研究由于试验材料及条件的限制，主要对棕榈幼苗进行渐进式干旱及复水处理后的叶片光合和叶绿素荧光部分进行了探讨，下一步将开展持续性干旱及复水处理下棕榈幼苗叶-茎-根的耐旱性及恢复能力研究，揭示其内在联系，为干旱地区的生态恢复和水土保持的良种选择提供更好的理论支持。

4 结 论

棕榈幼苗是通过关闭气孔，降低蒸腾速率、净光合速率、光化学利用效率，提高水分利用率、热能消耗等来抵御不良的干旱环境，及时补充水分后，棕榈幼苗通过提高自身叶片含水量，张开气孔，提高叶绿素含量、净光合速率、光化学利用效率等方式来恢复苗木的生长，苗木虽短期内恢复不了干旱胁迫前的状态，但具有很强的生命活力，表明棕榈是具有一定抗旱性的树种，可为后期我国干旱、半干旱地区良种选择提供理论和实际依据。