PEG模拟干旱胁迫对五唇兰光合系统的影响

张瀚 李晗 陈奇 杨福孙

摘  要：以3年生紅背型五唇兰组培苗为试验材料，分别用5%、10%、20%的PEG 6000溶液处理模拟干旱胁迫，研究不同程度的干旱对五唇兰光合系统的影响，结果表明：（1）干旱导致叶片的气孔密度、开度、长度逐渐降低，且随PEG胁迫时间的延长下降趋势越明显，处理15 d后PEG 10%以上处理与CK差异达显著水平。（2）干旱导致叶片中苹果酸含量逐渐降低，随着PEG处理时间的延长，五唇兰叶片的苹果酸含量下降趋势减缓，凌晨叶片的苹果酸含量显著高于傍晚，处理15 d后PEG 20%处理下傍晚的苹果酸含量差异达显著水平，与CK相比降低了27.16%。（3）干旱导致叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度逐渐降低，随PEG胁迫时间的延长下降越显著，胞间CO2浓度的变化趋势则相反，水分利用效率呈先升高后降低的趋势，处理后第15天PEG 5%以上处理与CK差异均达显著水平。（4）干旱导致五唇兰叶片叶绿素的初始荧光值（Fo）逐渐升高，可变荧光值（Fv）、最大荧光值（Fm）、PSⅡ实际光化学效率（Fv/Fm）、PS Ⅱ潜在光化学效率（Fv/Fo）则逐渐降低，表观电子传递速率（ETR）、光化学淬灭系数（qP）、PSⅡ实际光量子效率（Yield）随着PEG胁迫程度的增加而逐渐降低。非光化学淬灭系数（NPQ）随PEG胁迫浓度的增加显著提高，处理15 d后PEG 5%以上处理与CK差异达显著水平。结果表明，10%、20% PEG处理能够在较短时间内通过影响叶片的气孔关闭、降低气孔密度进而降低光合作用和阻碍光合代谢产物苹果酸的合成，同时影响五唇兰叶片对光能的吸收传递以及光化学转换，5% PEG处理在处理10 d后才表现出光合生理受到抑制的现象，说明中度、重度干旱能够在较短时间内影响五唇兰叶片的气孔性状，进而降低叶片的光合能力，导致光合产物的合成受阻，最终导致光合系统受到抑制。

关键词：五唇兰;PEG胁迫;光合特性;苹果酸

中图分类号：S682.31      文献标识码：A

Effects of PEG Drought Stress on Photosynthetic System of Phalaenopsis pulcherrima

ZHANG Han， LI Han， CHEN Qi， YANG Fusun*

College of Tropical Crops， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract： Three year old tissue culture seedlings of Phalaenopsis pulcherrima were treated with 5%， 10% and 20% PEG 6000 solution respectively to study the effects of drought on photosynthetic system. Drought led to the decrease of stomatal density， opening and length， and the decreasing trend became more obvious with the prolongation of PEG stress time. More than 10% treatments were significantly different from CK. With the extension of PEG treatment time， the decline trend of malic acid content was slowed down. The content of malic acid in leaves measured in the early morning was significantly higher than that in the evening. After 15 days of treatment， the difference of malic acid content between PEG 20% treatment and CK was significant， which was 27.16% lower than that of CK. The net photosynthetic rate， transpiration rate and stomatal conductance of leaves decreased gradually with the prolongation of PEG stress time. The change of intercellular CO2 concentration showed an opposite trend， and water use efficiency increased first and then decreased. After 15 days of treatment， the difference between the treatment of PEG 5% and CK was significant. Drought caused the initial fluorescence value （Fo） to increase gradually， but the variable fluorescence value （Fv）， maximum fluorescence value （Fm）， PSⅡ actual photochemical efficiency （Fv/Fm）， PSⅡ potential photochemical efficiency （Fv/Fo） decreased gradually. The apparent electron transfer rate （ETR）， photochemical quenching coefficient （qP）， and PSⅡ actual quantum efficiency （Yield） decreased with the increase of PEG stress. The non photochemical quenching coefficient （NPQ） increased significantly with the increase of PEG stress concentration. After 15 days of treatment， the difference between the treatment of PEG 5% and CK was significant. Conclusion： 10%， 20% PEG treatment could reduce photosynthesis and inhibit the synthesis of malic acid by affecting stomatal closure and stomatal density of leaves in a short period of time. At the same time， it affected the absorption and transmission of light energy and photochemical conversion in leaves of P. pulcherrima. 5% PEG treatment did not show the phenomenon of inhibition of photosynthetic physiology until 10 days after treatment， indicating that moderate and severe drought could be achieved in a short time. The stomatal characters of leaves were affected， and the photosynthetic capacity of leaves was reduced. Finally， the synthesis of photosynthetic products was blocked， and the photosynthetic system was inhibited under drought stress.

Keywords： Phalaenopsis pulcherrima; PEG stress; photosynthetic characteristics; malic acid

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.09.028

在植物的生命周期中，经常受到环境胁迫，其中干旱胁迫对作物生产力的影响尤为重要[1]。干旱在一定程度上会影响植物各器官的形态结构及生物量分配，进而对植物生长发育以及植物群落构成产生深远影响[2]。光合作用是干旱胁迫影响植物生长的首要环节[3]。研究表明干旱所导致的气孔关闭，是植物应对干旱的第一反应。在光合系统对干旱响应过程中，气孔调节也是植物抵御干旱胁迫和适应环境的机制之一，植物通过控制气孔数目和开闭程度调节叶片的蒸腾速率，从而影响植物的光合作用[4]。多数植物受到干旱胁迫时会导致光合系统受到光抑制现象从而通过各种方式降低光合酶活性和光合速率，胁迫严重时甚至会破坏植物光合结构，造成不可逆的损伤[5]。叶绿素荧光参数具有反映光合作用内在性的特点，是研究植物光合生理与逆境胁迫的重要指标，研究干旱胁迫对植株叶绿素荧光参数的影响，能够有助于分析植物体内光合系统内在情况以及鉴别植物的抵御干旱能力[6]。由于聚乙二醇（PEG）分子量大，不能进入细胞，加入水中可降低溶液水势，影响根系吸水，造成干旱胁迫，且由于五唇兰为气生根系，只能附生于落叶或岩石表面，不能采用土培，所以本研究采用水苔为基质，以不同浓度的PEG 6000溶液浸润来模拟干旱环境。

五唇兰（Phalaenopsis pulcherrima）属兰科（Orchidaceae）蝴蝶兰属（Phalaenopsis）的多年生常绿草本植物，为东亚特有种[7]。印度东北部、缅甸、老挝、柬埔寨等地为五唇兰的原产地，在我国仅海南岛的部分地区有分布[8]。由于海南岛有明显的干湿两季气候，且五唇兰大多利用气生根附生于海南季雨林下落叶层或花岗岩上，导致五唇兰在野外自然生长的过程中常常会受到干旱胁迫[9]，并对其生存造成威胁。五唇兰在夜间吸收CO2，白天几乎没有CO2的吸收，没有光的补偿点，因此五唇兰是景天酸代谢（CAM）途径植物[10]，以苹果酸等酸性物质为光合代谢产物。目前，国内对五唇兰的相关研究主要集中在分株繁殖和菌根研究方面，而关于干旱对五唇兰光合生理的影响研究鲜有报道。因此本试验通过研究五唇兰在PEG胁迫下叶片的气孔参数、代谢产物苹果酸含量、光合生理及叶绿素荧光动力学参数的变化规律，探究五唇兰的抗旱机理以及光合响应变化趋势，为五唇兰的引种栽培和保护提供理论基础。

1  材料與方法

1.1  材料

供试材料为生长状况良好、长势整齐一致的3年生红背型五唇兰组培苗。

1.2  方法

1.2.1  试验设计  本试验于2018年6—7月在海南大学农学基地进行，按照卜贤盼等[11]的试验设计，将五唇兰植株移栽至定植篮中，定植篮置于量杯中（定植篮底部放置纱布，可吸取量杯中的水分），以水苔为基质，置于光照培养箱中培养，光周期为每天12 h光照（光强为3500 lx），12 h黑暗，温度为白天25 ℃，夜晚24 ℃。

以PEG 6000溶液模拟干旱胁迫，设置5%、10%、20%共3个处理，以蒸馏水为对照组，置于量杯中，每个处理3次重复，每5 d定时为量杯补充水分并维持其相对浓度，分别于处理后的第0、5、10、15天选取五唇兰的倒3叶进行取样测定。

1.2.2  测定指标  （1）气孔密度及开度观测。于夜晚8点，用无色指甲油均匀涂抹在叶片的上下表皮，取印痕于DM2000显微镜下观察，并记录不同单位视野内气孔器的数量，每个样品取3个视野，观测气孔开闭状态和密度。

（2）苹果酸含量测定。分别于凌晨6点和傍晚6点取样测定，采用南京先欧仪器制造有限公司TS-48型高通量多样品组织研磨仪进行样品破碎，采用美国Waters公司Waters e2695型高效液相色谱仪，采用外标法以保留时间及双波长定性，峰面积定量，每个样品重复3次，取其平均值。

（3）光合指标测定。采用Li-6400便携式光合测定仪于夜晚测定其净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、水分利用率（WUE）、胞间CO2浓度（Ci）等光合指标。

（4）荧光参数测定。采用MINI-PAM便携式调制叶绿素荧光仪于晴天进行叶绿素荧光动力学参数和光响应曲线的测定，包括初始荧光值（Fo）、可变荧光值（Fv）、最大荧光值（Fm）、PSⅡ实际光化学效率（Fv/Fm）、PSⅡ潜在光化学效率（Fv/Fo）、表观电子传递速率（ETR）、光化学淬灭系数（qP）、PSⅡ实际光量子效率（Yield）以及非光化学淬灭系数（NPQ）等指标。

1.3  数据处理

采用Excel 2019软件进行数据处理和图表制作，采用SPSS 20.0软件进行数据统计和分析，不同处理之间相同指标采用Duncan法进行比较，显著性水平为0.05，不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

2  结果与分析

2.1  PEG胁迫对五唇兰叶片气孔的影响

PEG胁迫对五唇兰的气孔密度、开度和气孔大小等指标产生显著影响（图1）。由图1可以看出，与CK相比，10%、20% PEG处理导致五唇兰叶片气孔的开度、密度、长度持续降低，且浓度越高下降趋势越显著。处理后第15天，10%、20% PEG处理与CK相比差异显著，气孔密度比CK降低了57.20%、61.43%。5% PEG处理在第5天气孔开度、长度呈现出下降趋势，处理后10～ 15 d下降幅度最大，第15天5% PEG处理与CK相比差异显著，气孔密度、开度分别降低了61.43%、61.07%。

2.2  PEG胁迫对五唇兰叶片苹果酸含量的影响

由图2可以看出，PEG处理导致五唇兰叶片凌晨和傍晚的苹果酸含量均显著降低，处理0～15 d，CK的苹果酸含量始终保持在5.44～5.62 mg/g范围内，5%、10% PEG处理叶片凌晨的苹果酸含量均在处理10 d后出现较明显下降，而20% PEG处理5 d后呈下降趋势，处理后第15天PEG处理与CK均呈显著性差异，与CK相比，20%PEG处理组凌晨的苹果酸含量降低了30.07%，傍晚的苹果酸含量降低了27.16%。同时可以看出，五唇兰叶片凌晨的苹果酸含量始终高于傍晚的苹果酸含量，昼夜差值总体呈先升后降的趋势。

2.3  PEG胁迫对五唇兰叶片光合特性的影响

由图3可以看出，与CK相比，10%、20% PEG

处理的五唇兰叶片的净光合速率、蒸腾速率均随PEG胁迫时间的延长而逐渐降低，且PEG浓度越高，下降的趋势越显著。5% PEG处理的净光合速率在第10天后下降趋势更显著，处理第15天，5%、10%、20% PEG处理组的净光合速率与CK相比均呈显著性差异，分别降低了25.29%、33.91%、38.51%。气孔导度随胁迫时间延长呈逐渐降低的趋势，而胞间CO2浓度则呈逐渐增加的趋势。10%、20% PEG处理的水分利用效率在0～10 d随胁迫时间延长而逐渐升高，第10～15天缓慢降低。5% PEG处理的水分利用效率则随胁迫时间的延长而逐渐增加，到第15天显著高于其余各组，与CK相比，水分利用效率提高了18.99%。处理后第15天，CK的净光合速率显著高于其余各组，其次是5% PEG处理组，20% PEG处理的最低，与CK相比降低了38.51%。CK的蒸腾速率也显著高于其余各组，而5%、10%、20% PEG组的蒸腾速率差异不显著。处理第15天5% PEG处理组的水分利用效率显著高于其余各组，CK组的水分利用效率最低，与CK相比提高了7.1%。

2.4  PEG胁迫对五唇兰叶片荧光特性的影响

2.4.1  随时间变化PEG胁迫对五唇兰叶片荧光特性的影响  由图4可以看出，与CK相比，PEG处理组的实际光化学效率（Fv/Fm）、潜在光化学效率（Fv/Fo）均随胁迫时间的延长逐渐降低，第15天达到最低值。20% PEG处理组均显著低于其余各组，分别比CK组降低了24.32%、40.49%。最大荧光值（Fm）、可变荧光值（Fv）随PEG胁迫时间的延长呈逐渐降低的趋势，CK的Fm和Fv均显著高于其余各组。

2.4.2  第15天五唇兰叶片荧光特性随光合有效辐射的变化  由图5可以看出，PSⅡ实际光量子效率（Yield）随光合有效辐射的增加呈逐渐降低的趋势，CK显著高于其余各组，20% PEG处理的下降趋势最显著且低于其余各组处理。表观电子传递效率（ETR）随光合有效辐射的增强呈先升高后降低的趋势，CK显著高于各处理，其次是5% PEG处理。光化学淬灭系数（qP）随光合有效辐射的增强逐渐降低，非光化学淬灭系数（NPQ）随光合有效辐射的增强逐渐升高，CK的光化学淬灭系数显著高于其余各组，20% PEG处理显著低于CK。

3  讨论

在植物受到的非生物胁迫中，干旱胁迫越来越成为影响植物生长发育以及地理分布的重要因素[12]。植物主要通过叶片的气孔与外界环境交换气体和水分，植物对气孔的调节能力在一定程度上也能够反映植物抵抗干旱胁迫的能力[13]。夏振华等[14]探究了不同程度干旱胁迫对胡杨叶片气孔的影响，结果表明，胡杨叶片的气孔密度会随干旱胁迫程度的增加呈上升趋势，而叶片的气孔长度随干旱胁迫程度的加大呈减小趋势。田鑫等[15]通过研究干旱胁迫对水稻叶片气孔密度的影响，表明轻度干旱胁迫处理的叶片各个部位气孔密度分布差异不大，而干旱胁迫达到一定程度后，气孔密度在整个叶片的分布严重紊乱。Makbul等[16]通过研究干旱胁迫对大豆植株叶片气孔的影响，结果表明轻度干旱胁迫会导致大豆植株叶片缩小，而气孔数量没有减少，从而使气孔的相对密度增加;发生严重干旱胁迫时，叶片的生理功能受影响，气孔密度下降。与上述研究相同的是，本研究中干旱胁迫会导致五唇兰叶片气孔开度降低以及气孔变小，但PEG 5%处理即本试验中的低浓度干旱胁迫在前期气孔的变化较小，而到中后期气孔开度和大小才会显著降低。与上述研究不同的是，本研究中干旱胁迫会导致五唇兰叶片气孔密度的减小，这可能是因为燕麦、水稻等植物的叶片含水量较小，而五唇兰叶片肉质呈多浆化，含水量较高，未造成五唇兰叶片的萎蔫或萎蔫程度较小，且五唇兰属景天酸代谢植物，与C3植物的光合生理途径有较大差异，因而导致气孔密度的观测方面有差异。

有机酸作为植物体内广泛存在的一类生物小分子，在植物逆境生理方面具有重要意义。柠檬酸和苹果酸是植物体内关键的代谢物，参与多种代谢途径，可以显著提高植物体对逆境的抗性[17]。周来良等[18]通过探究干旱对根际土壤酶、氮磷钾及有机酸的影响，结果表明大叶相思树植株的7种有机酸的含量较正常条件都有所升高，刺槐根系中草酸、柠檬酸的含量随干旱程度的加深而提高，苹果酸则呈相反的变化趋势。与上述研究相同的是，本研究中干旱导致五唇兰叶片中苹果酸含量出现较明显下降，随着胁迫时间的延长，下降的趋势减缓，其中PEG 20%处理与CK相比差异达显著水平。

水分是植物進行光合作用过程中重要的参与者，光合作用也是监测植物抗旱性能的重要指标[19]。相关研究表明干旱胁迫会导致植物叶绿体结构和功能的破坏，阻碍植物光合碳同化进程，降低光合产物的合成，对植物生长产生不利影响[20]。韩阳瑞等[21]通过研究沙地柠条的光合特性对干旱胁迫的响应，结果表明，随着干旱程度加深，柠条的光合作用明显被抑制，净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度等指标显著降低，而随着干旱程度的加深，水分利用效率逐渐升高。何天友等[22]通过探究花吊丝竹对干旱胁迫的光合和生理响应，研究表明，干旱胁迫下，花吊丝竹叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均有不同程度下降，胞间CO2浓度呈先降后升的趋势。与上述研究相同的是，本研究中10%、20%等中、高浓度PEG胁迫会导致五唇兰叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）显著降低，说明干旱导致五唇兰叶片的光合机构受到抑制。与上述研究不同的是，本研究中干旱导致胞间CO2浓度（Ci）逐渐升高，说明气孔关闭导致胞间CO2浓度升高是导致光合受限的直接因素。而水分利用效率（WUE）则呈先升高后降低的趋势，处理15 d后PEG 5%处理的五唇兰叶片的水分利用效率显著高于其余各组，说明相对低浓度的干旱胁迫以及较短时间的中度、重度胁迫可能会暂时提高植株叶片的水分利用效率。

植物光合作用是重要的化學反应过程，在此过程中，如果叶片缺乏水分，则植物对光能的捕获能力降低，此外，叶片的碳同化能力和光合系统Ⅱ（PSⅡ）中的光化学活性也将随之降低[23-24]。李英浩等[25]对干旱胁迫下燕麦叶绿素荧光特性的调控效应进行研究，结果表明，水分胁迫导致Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo和qP显著降低，而Fo和NPQ显著升高，从而对燕麦PSⅡ光反应系统产生明显伤害。马雪梅等[26]通过探究干旱胁迫对金银花叶片叶绿素含量及荧光特性的影响，结果表明，干旱胁迫下金银花叶片叶绿素含量下降，基础荧光（Fo）显著升高，最大荧光（Fm）、PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）、PSⅡ潜在光化学效率（Fv/Fo）显著下降，干旱胁迫使金银花叶片PSⅡ反应中心受到伤害;抑制PSⅡ反应中心电子传递（ETR）降低，导致非光化学猝灭系数（qN）升高、光化学猝灭系数（qP）显著下降。与上述研究结果相同的是，本研究中干旱胁迫会导致五唇兰叶片的基础荧光（Fo）显著升高，最大荧光（Fm）、最大光化学效率（Fv/Fm）、潜在光化学效率（Fv/Fo）显著降低，CK的表观电子传递效率（ETR）、PSⅡ实际光量子效率（Yield）、光化学猝灭系数（qP）显著高于干旱胁迫组，说明本研究中干旱通过五唇兰叶片的PSⅡ开放反应中心比例下降，电子受体QA重新氧化能力减弱，电子传递链受到破坏导致光合系统受到破坏[27]。干旱胁迫促使五唇兰叶片的NPQ逐渐升高，表明干旱胁迫下五唇兰叶片中的PSⅡ以热能形式耗散的能量增加，光合反应中心受到抑制。

本研究得出，五唇兰受到较强的干旱胁迫时，为防止水分散失，叶片的气孔关闭，气孔密度下降进而导致净光合作用速率、蒸腾速率下降，光合代谢产物苹果酸含量降低，光合反应中心活跃程度降低，光能的吸收、传递，光化学转换以及光合电子传递均由于干旱胁迫受到抑制，光合系统遭到破坏。随着干旱胁迫程度加剧，五唇兰的光合生理水平显著下降，植株的生理代谢能力下降，甚至会对五唇兰的叶片光合系统产生不可逆转的损伤。由此可得出，五唇兰的适宜区是在气候湿润且栽培环境较阴暗的环境中，海南的山区和热带季雨林区有树木遮挡，阴暗潮湿的环境有利于五唇兰的生长，但12—4月为海南的旱季，在此阶段五唇兰极易由于降水较少导致干旱胁迫，所以必要的条件下可以进行人工移植栽培或者由护林员人工浇水和无人机定点浇水。朱教君等[28]通过研究不同水分胁迫方式对沙地樟子松幼苗光合特性的影响，得出3种PEG浓度（10%、20%、30%）干旱胁迫相当于40%、30%、20% 3种田间持水量胁迫处理。因此，当进行人工栽培时，应对五唇兰的栽培区进行适当遮阴以减少阳光直射和土壤水分蒸发。当土壤水分含量达到田间持水量的50%时，应及时浇水，3～5 d浇1次水。五唇兰不适合种植在土壤水分含量达到田间持水量的40%以下地区，因为长时间干旱失水或干旱胁迫程度较大时会对五唇兰的光合系统产生不可逆转的损伤。

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责任编辑：谢龙莲