干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种光合日变化特征的差异分析

王 爽，侯毅兴，褚佳瑶，卢倩倩，周 龙

（新疆农业大学 园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

全世界的耕地面积（1.4×109hm2）中有43%的土地位于干旱和半干旱地区。随着全球变暖，水资源短缺问题日益凸显，干旱已经成为制约农业生产的重要灾害[1]。新疆维吾尔自治区是中国葡萄栽培面积最大的省区，其葡萄栽培地主要集中在南疆的塔里木盆地，南疆的土地面积占新疆全区土地总面积的73%，而其水资源径流量却仅占新疆全区水资源径流总量的50%。因此，水资源的短缺已成为制约新疆葡萄产业发展的重要因子[2]。土壤水分缺失会导致葡萄的光合作用受到限制，而光合作用是葡萄积累干物质的重要途径之一[3]。因此，研究干旱条件下葡萄的光合特性尤为重要，诸多学者对此方面的研究报道较多。胡宏远等[4]研究发现，‘赤霞珠’在遭受干旱胁迫后其净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均明显下降；冯延芝等[5]在对干旱胁迫下楸叶泡桐幼苗光合生理响应情况的分析中发现，造成净光合速率下降的主要原因为气孔限制。姚春娟等[6]研究发现，干旱胁迫下决明属植物的光合速率日变化曲线类型表现为“双峰”型；周兴本等[7]的研究结果表明，‘无核白鸡心’的光合速率日变化曲线呈单峰曲线，且在土壤含水量较低时其光合速率明显低于土壤含水量较高组的。肯吉古丽等[8]的研究结果表明，干旱胁迫下，抗旱性弱的品种其叶片光合能力的降幅显著大于抗旱性强的品种的。目前，评价葡萄抗旱性的指标主要集中为相对含水量、细胞膜透性、渗透调节物质和抗氧化酶系统等生理生化方面的指标[9-10]，而从光合日变化的角度评价葡萄抗旱性的研究报道却较少。为给干旱地区鲜食葡萄品种的引种提供理论参考依据，分别以新疆主栽的鲜食葡萄品种‘火焰无核’‘夏黑’和近年来从日本和美国等国家引进的鲜食葡萄品种‘黑脆无核’‘阳光玫瑰’‘深红玫瑰’‘浪漫红颜’‘丝路红玫瑰’为研究对象，设置不同程度的干旱胁迫处理进行盆栽控制试验，研究7个鲜食葡萄品种的光合日变化情况，旨在评价其抗旱能力的强弱。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为北方园艺厂提供的苗龄为1 a的扦插苗，基部粗度为8.5～9.5 mm，带有4～6个芽眼，供试的7个品种的来源、亲本及选育单位等基本信息见表1。

表1 供试品种的基本信息Table 1 Basic information of the tested varieties

1.2 试验设计

试验于2020年8月8日在新疆农业大学园艺学院实验地进行。将葡萄幼苗种植于上口直径为25 cm、下口直径为20 cm、高为25 cm的塑料花盆中，栽植土壤为营养土，每盆营养土的质量为5 kg，每盆栽植葡萄幼苗1株，每个品种各栽12盆。定植后就开始控制土壤水分，直至2020年8月23日停止胁迫，持续处理时间共计15 d。采用称重补水法控制盆栽土壤水分含量，于每天9:00时进行称重补水，每个处理各重复处理3盆，共计84盆。搭建简易遮雨棚以防止雨水洗淋。试验共设置3个土壤水分梯度，即以土壤相对含水量分别达到20%、40%和60%依次代表重度干旱胁迫（H3）、中度干旱胁迫（H2）和轻度干旱胁迫（H1），以土壤相对含水量达到80%作为对照（CK）。

1.3 测定指标与测定方法

1.3.1 叶绿素的测定

采用日本Minolta公司生产的美能达牌SPAD-502叶绿素仪测定叶绿素的含量，每个处理各选取长势一致的葡萄植株3株，选取新梢中部的成熟叶片做好标记，于胁迫处理后第15天，在叶缘和叶脉中间部位进行测定，每片叶重复读数3次。

1.3.2 光合指标的测定

采用美国LI-COR公司生产的Li-6400便携式光合仪测定光合指标，于胁迫处理后第15天的9:00—21:00时，每隔2 h测定1次净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010软件整理数据和绘图，用SPSS 19.0软件对各胁迫处理的观测数据进行单因素方差分析和主成分分析，再以分析得出的数据进行隶属函数分析。当相关光合指标与抗旱性呈正相关时，隶属函数值的计算公式为式（1）；若相关光合指标与抗旱性呈负相关时，隶属函数值的计算公式为式（2）。综合评价值（D）的计算公式为式（3）。

上式中：U(Xij)为i品种j指标的隶属函数值；Xij为i品种j指标的测定值，Xjmin为该指标的最小值，Xjmax为该指标的最大值。Am为第m个主成分的权重系数，n为测定指标个数；D值表示综合评价值，D值越大表示该葡萄品种的抗旱性越强[11]。

2 结果与分析

2.1 不同程度的干旱胁迫对7个鲜食葡萄品种叶绿素相对含量的影响

叶绿素是重要的光合色素，在光能的吸收、传递与转化等方面起着重要的作用[12]。葡萄叶片的叶绿素含量可以用叶绿素相对含量间接反映[13]。不同程度的干旱胁迫下7个葡萄品种的叶绿素相对含量（SPAD）见表2。由表2可知，在不同程度的干旱胁迫下，7个鲜食葡萄品种的叶绿素相对含量均低于对照处理的，且其叶绿素相对含量随着干旱胁迫程度的加重而减小。对照处理下7个鲜食品种的叶绿素相对含量无显著性差异，其含量为37.14～39.66；而随着干旱胁迫的加剧，各个品种间开始出现显著性差异，尤其是在重度干旱胁迫下，与对照处理的相比，‘丝路红玫瑰’和‘浪漫红颜’的叶绿素相对含量降幅分别达到36.62%与34.60%；而其降幅较小的葡萄品种分别为‘黑脆无核’和‘阳光玫瑰’，其降幅分别仅为15.71%与17.47%。‘火焰无核’‘夏黑’和‘深红玫瑰’的叶绿素相对含量虽然也均呈下降趋势，但其降幅处于中间水平。

表2 不同程度的干旱胁迫对7个鲜食葡萄品种叶绿素相对含量的影响†Table 2 The effects of different drought stress levels on the chlorophyll SPAD value of 7 fresh varieties

2.2 不同程度的干旱胁迫对7个鲜食葡萄品种净光合速率日变化趋势的影响

净光合速率日变化特征反映了一天之中植物光合作用持续进行的能力。由于一天之中影响植物净光合速率的生理生态因子是不断变化的，这导致了植物的净光合速率也呈现出不同的变化规律[14]。不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种的净光合速率日变化趋势如图1所示。由图1可知，随着干旱胁迫程度的加重，7个品种各个处理的净光合速率皆出现相应减小的变化趋势，而在此期间，对照处理组的净光合速率均明显高于干旱胁迫处理组的。7个品种中，净光合速率最大的品种为对照处理下的‘黑脆无核’，其净光合速率达到16.92 μmol·m-2s-1；净光合速率最小的品种为重度干旱胁迫下的‘丝路红玫瑰’，其净光合速率只有0.57 μmol·m-2s-1。进一步比较分析各个品种在对照处理和不同程度干旱胁迫处理之间净光合速率的极差值后发现，极差值最大的品种是对照处理和重度干旱胁迫下的‘丝路红玫瑰’，其极差值为15.20；极差值最小的品种是对照处理和轻度干旱胁迫下的‘阳光玫瑰’，其极差值为1.52。

图1 不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种的净光合速率日变化趋势Fig.1 The diurnal variation trend of net photosynthetic rate of 7 fresh grape varieties under different degrees of drought stress

2.3 不同程度的干旱胁迫对7个鲜食葡萄品种蒸腾速率日变化趋势的影响

蒸腾是植物体内的水分以气体状态向外耗散的过程，是植物水分代谢极其重要的环节之一[15]，蒸腾速率反映了植物水分代谢能力。不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种的蒸腾速率日变化趋势如图2所示。从图2中可以看出，7个品种的蒸腾速率随着干旱胁迫程度的加重均呈下降趋势。在轻度和中度干旱胁迫下，7个品种的蒸腾速率变化趋势与对照处理的均相同，即7个鲜食葡萄品种的蒸腾速率在一天之中总体上均呈现出先上升后下降再上升最后又下降的变化趋势，其峰值分别出现在11:00和17:00时，19:00时其蒸腾速率降至最低值；在重度干旱胁迫下，7个品种的蒸腾速率在一天之中的变化趋势有所不同，其中变化较大的品种有‘黑脆无核’和‘阳光玫瑰’，这2个品种的蒸腾速率峰值均出现在11:00时，然后缓慢下降。7个品种中，蒸腾速率最大的品种是‘黑脆无核’，其蒸腾速率为5.12 mmol·m-2s-1；蒸腾速率最小的品种是‘丝路红玫瑰’，其蒸腾速率为0.57 mmol·m-2s-1。

图2 不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种的蒸腾速率日变化趋势Fig.2 The diurnal variation trend of transpiration rate of 7 fresh grape varieties under different degrees of drought stress

2.4 不同程度的干旱胁迫对7个鲜食葡萄品种气孔导度日变化趋势的影响

植物进行光合作用时，会通过气孔来调节CO2的吸收和蒸腾过程中水分的散失，气孔导度的变化与净光合速率及蒸腾速率紧密相关[16]。不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种的气孔导度日变化趋势如图3所示。由图3可知，各品种对照处理组的气孔导度日变化值明显高于干旱胁迫处理组的，并且随着干旱胁迫程度的加重，7个品种的气孔导度均相应减小。7个品种气孔导度的日变化趋势与其净光合速率的日变化趋势基本相似。在重度干旱胁迫下，其减小的趋势因品种的不同而有所不同。‘黑脆无核’和‘阳光玫瑰’的气孔导度在一天之中总体上均呈现出先上升后下降再上升最后又下降的变化趋势，其峰值均分别出现在11:00和17:00时；‘丝路红玫瑰’‘浪漫红颜’‘夏黑’‘火焰无核’和‘深红玫瑰’的气孔导度在一天之中总体上均呈现出先下降后上升然后持续下降的变化趋势，其最大值均出现于9:00时，而其最小值均出现在19:00时。7个品种中，气孔导度最大的品种为对照处理下的‘夏黑’，其气孔导度达到0.27 mmol·m-2s-1；气孔导度最小的品种为重度干旱胁迫下的‘浪漫红颜’，其气孔导度仅有0.06 mmol·m-2s-1。

图3 不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种的气孔导度日变化趋势Fig.3 The diurnal variation trend of stomatal conductivity of 7 fresh grape varieties under different degrees of drought stress

2.5 不同程度的干旱胁迫对7个鲜食葡萄品种胞间CO2浓度日变化趋势的影响

胞间CO2浓度是空气中的CO2气体在进入叶肉细胞过程中所受到的各种动力与阻力和叶片内部光合作用及呼吸作用的最终平衡的结果[17]。不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种的胞间CO2浓度日变化趋势如图4所示。在整个干旱胁迫期间，随着干旱胁迫程度的加重，7个品种的胞间CO2浓度均相应增加，其中重度干旱胁迫处理的增幅最大。7个鲜食葡萄品种的胞间CO2浓度，一天之中总体上均呈现出先下降后保持平稳状态最后又上升的变化趋势，均在19:00时达到最大值，而均在17:00时降至最小值。7个品种中，胞间CO2浓度最大的品种为重度干旱胁迫处理下的‘丝路红玫瑰’，其胞间CO2浓度达到272.16 μmol·mol-1；胞间CO2浓度最小的品种为对照处理下的‘黑脆无核’，其胞间CO2浓度仅有84.63 μmol·mol-1。进一步分析7个品种在对照处理和不同程度干旱胁迫下的胞间CO2浓度的增幅后发现，胞间CO2浓度增幅最大的品种是对照处理和重度干旱胁迫处理下的‘阳光玫瑰’，其增幅达到49%；胞间CO2浓度增幅最小的品种是轻度干旱胁迫和中度干旱胁迫处理下的‘丝路红玫瑰’，其增幅仅有1%。

图4 不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种的胞间CO2浓度日变化趋势Fig.4 The diurnal variation trend of intercellular CO2 concentration of 7 fresh grape varieties under different degrees of drought stress

2.6 不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种抗旱性的综合评价结果

在进行主成分分析之前，利用SPSS软件，将测定到的相关光合指标进行描述性数据标准化处理，结果见表3。

表3 不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种相关光合指标的测定结果Table 3 Measured values of photosynthesis-related indexes of 7 fresh grape varieties under different drought stress

2.6.1 不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种抗旱能力的主成分分析

在不损失或者较少损失原始信息的前提下，主成分分析可以将密切相关的多个指标转化成数量少且相互之间又独立的综合指标[18]。不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种表现出了不同的抗旱能力，分析各个相关光合指标的特征值、贡献率和累计贡献率（表4）可知，在5个光合指标的特征值中，前2个因子的特征值＞1，其累计贡献率达78.17%，表明这2个主成分可以代表原有5个光合指标的78.17%的信息，因此，可以提取这2个主成分对7个鲜食葡萄品种的抗旱能力进行综合评价。

表4 各个相关光合指标的特征值、贡献率和累计贡献率Table 4 The eigenvalues, contribution rate and cumulative contribution rate of the principal components of each photosynthetic-related index

然后，用提取出的2个主成分值分别除以2个主成分特征值的平方根，以此值为特征向量值，再将特征向量与标准化数据相乘得到下列的各主成分的表达式。

上式中：F1代表主成分1光合效率的得分，F2代表主成分2光合效率的得分；X1表示净光合速率，X2表示蒸腾速率，X3表示气孔导度，X4表示胞间CO2浓度；X5表示叶绿素相对含量（SPAD）。

2.6.2 不同程度的干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种抗旱能力的综合评价

将各个主成分相对应的特征值进行开方，再与其得分的平均值相乘。根据公式（1）和（2）计算出各项指标的隶属函数值，以2个主成分所对应的特征值占所提取主成分的总特征值之和的比值作为权重，得出各个品种的综合评价值（D值），D值越大说明该品种的抗旱能力越强。计算结果见表6。根据表6的排名可知，7个鲜食葡萄品种抗旱能力的强弱顺序为：‘黑脆无核’＞‘阳光玫瑰’＞‘深红玫瑰’＞‘火焰无核’＞‘夏黑’＞‘浪漫红颜’＞‘丝路红玫瑰’。在7个鲜食葡萄品种中，‘丝路红玫瑰’的综合得分最低，只有0.26，表明其抗旱能力最弱；而‘黑脆无核’的综合得分最高，达到了0.81，表明其抗旱能力最强。

表6 7个鲜食葡萄品种抗旱性的隶属函数值和综合评价值Table 6 Drought resistance membership function values and comprehensive evaluation values of 7 fresh g rape varieties

表5 各个主成分的载荷矩阵Table 5 Load matrix of each component

3 讨 论

植物进行光合作用的主要场所是叶绿体，叶绿体色素的变化规律可以反映植物的捕光能力，而水分、光照和温度等因素均会影响叶绿体色素的含量，其中水分是影响叶绿素含量的首要因素[19]。本试验结果表明，7个鲜食葡萄品种中，与对照处理的相比，重度干旱胁迫下‘黑脆无核’叶绿素相对含量的降幅最小；主成分分析结果也表明，该品种的抗旱性最强，表明其叶绿素降解程度最小而合成速度最快，可以为光合作用的正常进行提供有力保障。与对照处理的相比，重度干旱胁迫下‘丝路红玫瑰’叶绿素相对含量的降幅最大，而该品种的综合评价得分最低，说明在干旱胁迫程度较高时，该品种不能维持正常的光合代谢，其抗旱性最弱。这一结果与常永义等[20]的研究结果相似。常永义等[20]在研究中得出，在3个鲜食葡萄品种中，当其受到干旱胁迫时，叶绿素含量降低幅度小的品种其抗旱性却较强。

植物通过光合作用进行物质和能量的积累，以供给其生长代谢所需。植物的光合作用受到干旱胁迫的影响较大[21]。在水分供应充足的条件下，一天之中净光合速率的最大值出现在正午，此时的光合有效辐射和温度均达到最高，导致植物气孔关闭，因而出现“光合午休”现象，光合日变化曲线类型表现为“双峰”型。研究中发现，对照处理和轻度干旱胁迫下7个鲜食葡萄品种的净光合速率日变化曲线类型均为“双峰”型，说明其“光合午休”现象明显，这与池文泽等[22]、金莉等[23]的研究结果均一致，但与张大鹏等[24]对‘长相思’葡萄光合日变化的研究结果不同。分析认为，出现这种情况的原因主要如下：一是供试品种不同，在不同品种之间光合日变化特征存在着差异，植物的年龄、季节和环境条件对其变化曲线的峰型都会产生一定的影响；二是张大鹏等[24]所测试的材料品种为嫁接在砧木‘北醇’上的‘长相思’品种，所以不排除砧木对该品种的光合作用会产生影响，因此导致“光合午休”的现象不明显，其日变化曲线类型为“单峰”型；三是测定时间的不同，张大鹏等[24]分别在9:00—10:00、12:00—13:00和15:00—16:00时进行光合日变化的测定，而本试验的测定时间为9:00—19:00时，其中第2次峰值出现在17:00时，所以推测，‘长相思’的净光合速率在16:00—19:00时很有可能会出现第2个峰值。正常情况下，净光合速率与气孔导度的日变化曲线最为相似，当净光合速率下降时，气体交换速度减慢，气孔导度也表现出下降趋势[25]。但在重度干旱胁迫条件下，‘黑脆无核’和‘阳光玫瑰’的净光合速率日变化趋势与其气孔导度的日变化趋势均一致，而‘丝路红玫瑰’‘浪漫红颜’‘深红玫瑰’‘火焰无核’和‘夏黑’的气孔导度日变化曲线与其净光合速率日变化曲线却有所不同，在11:00—13:00时这5个品种的净光合速率均下降，而其气孔导度均上升，蒸腾速率均下降，而胞间CO2浓度却处于上升趋势，这一结果与马玉坤等[26]和张付春等[27]的研究结果都不同。在正常情况下，胞间CO2浓度的升高会导致净光合速率的增大，但是，这5个品种的净光合速率没有上升，其原因可能是，该时段光合有效辐射增大，大气中的温度升高，叶片在遭受重度干旱胁迫的同时还受到了强光的抑制作用，所以气孔导度的增大并不能使其净光合速率升高；而蒸腾速率下降，则可能因为干旱胁迫导致植物可利用的水分较少。

植物的抗旱性由多个基因控制，环境因素、发育阶段和营养状况的不同均会导致植物出现应答的差异[28]。本研究以葡萄扦插苗为试验材料，采用盆栽控水法进行干旱胁迫试验，以相关光合指标评价各个品种的抗旱能力，虽然能在一定程度上反映出葡萄的抗旱特性，但是若要综合考虑各品种抗旱能力的强弱，则需结合其表型指标、生理生化指标和叶片解剖结构等指标进行综合评判；此外，葡萄作为一种浆果植物，其抗旱能力最终应表现在其果实品质上，所以对成龄株盛果期的葡萄进行抗旱能力的评价研究，将更切合生产实际。而本研究只针对不同葡萄品种苗期的抗旱能力进行分析，开展对成龄株盛果期葡萄干旱胁迫下的多逆境生理指标的综合研究将会成为今后研究的方向，这样才能更加科学、全面地评价各个鲜食葡萄品种的抗旱性。

4 结 论

在轻重不同的干旱胁迫条件下，7个鲜食葡萄品种表现出了强弱不同的抗旱能力，通过测定和分析其叶片叶绿素相对含量和相关光合指标日变化趋势可以得出，除胞间CO2浓度外，7个鲜食葡萄品种的其他相关光合指标测定值均随着干旱胁迫程度的加重而降低；结合主成分分析得出，净光合速率是衡量鲜食葡萄品种抗旱性的首要评价指标，7个鲜食葡萄品种抗旱能力的强弱顺序为：‘黑脆无核’＞‘阳光玫瑰’＞‘深红玫瑰’＞‘火焰无核’＞‘夏黑’＞‘浪漫红颜’＞‘丝路红玫瑰’。