孟力力， 張 俊， 聞 婧

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，江蘇 南京210014;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，江蘇 南京210014)

彩葉草(Coleus blumei)原產(chǎn)于印度尼西亞，為唇形科鞘蕊花屬多年生草本植物，葉對生，卵圓形，葉色豐富，花期夏秋季，圓錐花序，淡藍或帶白色，觀賞價值高［1-2］。彩葉草具有消毒殺菌作用［2］，可改善環(huán)境，是城市園林綠化中常用的觀葉植物。

干旱是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子之一，其危害程度在諸多非生物脅迫中占首位［4-6］。干旱脅迫可引起葉片氣孔關(guān)閉、細胞失水［7-8］，破壞植物體內(nèi)的水分代謝［9］，使Rubisco 降解和Calvin 循環(huán)中酶活性下降［10］，導(dǎo)致光合器官損傷，從而抑制光合作用［11-12］。遭遇干旱脅迫后，華山新麥草［13］、黃櫨［14］、丹參［15］的凈光合速率下降;薄殼山核桃［16］和絹毛委陵菜［17］的細胞結(jié)構(gòu)被破壞，葉綠體破壞溶解;大麥［18］的線粒體外形及膜受到破壞，內(nèi)嵴部分消失。

彩葉草生長茂盛，需要較多水分，持續(xù)干旱下，彩葉草葉片萎蔫，基部葉片加速老化，嚴重影響其生長和觀賞價值。因此本研究擬采用盆栽種植方法，模擬不同程度的土壤水分狀況，研究干旱脅迫對彩葉草光合生理特性和細胞超微結(jié)構(gòu)的影響，探索其對干旱環(huán)境的適應(yīng)機理，為彩葉草的栽培應(yīng)用及抗性品種選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為彩葉草(C. blumei)品種紅色天鵝絨，產(chǎn)自美國。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2013 年4 ～7 月江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院觀光農(nóng)業(yè)研究中心智能溫室進行。4 月播種育苗，5 月中旬選取生長健壯、長勢一致的幼苗移栽到塑料花盆中，塑料盆下直徑18 cm，上直徑28 cm，高26 cm，每盆裝基質(zhì)(泥炭土∶ 黃土∶ 珍珠巖=2∶ 2∶ 1)5 kg。每盆栽種1 株，常規(guī)栽培管理。1 個月后開始進行干旱處理。2013 年6 月初進行干旱脅迫，每盆充分灌溉，土壤水分自然消耗。試驗共設(shè)4 個土壤水分處理:(1)對照，土壤水分含量為田間最大持水量的75% ～80%;(2)輕度脅迫，土壤水分含量為田間最大持水量的60% ～65%;(3)中度脅迫，土壤水分含量為田間最大持水量的45% ～50%;(4)重度脅迫，土壤水分含量為田間最大持水量的30% ～35%。每處理10 盆，每盆1 株。每天18∶ 00用稱重法補充消耗水分。脅迫持續(xù)20 d 后進行各項指標測定。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 彩葉草生長指標的測定 各處理隨機選取3 株，測量株高和莖的最大直徑，便攜式葉面積儀YMJ-A(浙江托普儀器有限公司)測量最大葉面積。每個指標測定3 次取其平均值。

1.3.2 光強-光合響應(yīng)曲線的測定 每個處理隨機選取3 株，每株取2 片健壯的成熟葉片，試驗當(dāng)天將要測定的彩葉草提前1 h 時放到光下進行充分光適應(yīng)。采用CIRAS-2 便攜式光合記錄儀(美國PP Systems 公司)測定。CO2由鋼瓶供氣，濃度設(shè)置為380 μmol/mol，大氣溫度為25 ～30 ℃，相對濕度為65% ±5%，采用人工LED 光源控制光合有效輻射強度(PAR)分別為1 600 μmol/(m2·s)、1 400 μmol/(m2·s)、1 200 μmol/(m2·s)、1 000 μmol/(m2·s)、 800 μmol/(m2·s)、 600 μmol/(m2·s)、 400 μmol/(m2·s)、 300 μmol/(m2·s)、 200 μmol/(m2·s)、 150 μmol/(m2·s)、 100 μmol/(m2·s)、 50 μmol/(m2·s)、0 μmol/(m2·s)13 個梯度下，每個光強梯度下測定2 min。利用光合儀自動記錄如下氣體交換參數(shù):凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等，并計算氣孔限制值Ls(Ls=1 -Ci/Cr，其中Cr為大氣CO2濃 度)［19］和 水 分 利 用 效 率WUE(WUE = Pn/Tr［20］)。繪制光強-光合響應(yīng)曲線，求得光飽和點(LSP)，并對曲線的初始部分進行線性回歸，求得光補償點(LCP)和表觀光量子效率(AQY)。采用Duncan 檢驗法對各處理間的差異顯著性在5%水平上進行檢驗。

1.3.3 葉片細胞透射電鏡觀察 取對照組和處理組相同部位葉齡一致的葉片，避開主脈，用雙面鋒利刀片切割成1 mm×2 mm 大小，迅速投入到4%戊二醛溶液中，利用針筒反復(fù)抽氣使葉片沉入底部，固定24 h 后，用0.1 mol/L的磷酸緩沖液沖洗3 次，每次15 min。再用1%鋨酸固定3 h，去離子水漂洗3 次，每次15 min。丙酮脫水20 min，再用環(huán)氧樹脂包埋、聚合、切片、染色，在HitachiH-7650 透射電子顯微鏡(日立高新技術(shù)公司)下觀察并照相。

2 結(jié)果

2.1 干旱脅迫對彩葉草生長指標的影響

由表1 可以看出，輕度脅迫對彩葉草的生長影響較小，與對照相比差異未達到顯著水平;彩葉草株高、莖粗和最大葉面積均隨著干旱脅迫程度的加深呈現(xiàn)顯著下降趨勢(P ＜0.05)，中度、重度脅迫后彩葉草的株高、莖粗和最大葉面積分別比對照下降26.25%、39.84%、30.77%和50.76%、39.04%、56.94%。

2.2 干旱脅迫對彩葉草氣體交換參數(shù)的影響

干旱影響植物的首要環(huán)節(jié)便是光合作用。干旱對彩葉草氣體交換參數(shù)的影響如表2 所示，隨著干旱脅迫程度的加深，Pn、Gs、Tr均呈下降趨勢，在中度、重度脅迫下達到顯著水平(P ＜0.05)。重度脅迫下的Pn為2. 67 μmol/(m2·s)，僅為對照的29.12%。輕度和中度脅迫下的彩葉草WUE 升高，重度脅迫下則降低。由于重度脅迫下的彩葉草Pn降低趨勢大于Tr，Ci呈現(xiàn)先降后升趨勢。在輕度和中度脅迫下，彩葉草Ci降低，Ls升高，推測Pn降低的主要原因是氣孔限制;而在重度脅迫下，Ci升高，Ls降低，推測Pn降低的主要原因是非氣孔限制。

表1 干旱脅迫下彩葉草生長指標的變化Table 1 Growth parameters of Coleus blumei under drought stress

表2 不同水分處理對彩葉草葉片氣體交換參數(shù)的影響Table 2 Effect of drought stress on gas-exchange parameters in C. blumei

2.3 干旱脅迫對彩葉草葉片光強-光合響應(yīng)曲線的影響

利用光強-光合響應(yīng)曲線可對干旱脅迫下彩葉草的光合作用狀態(tài)作進一步分析。由圖1 可見，在土壤水分輕度和中度脅迫下，彩葉草葉片光合速率的光響應(yīng)過程與對照基本相同，即在有效輻射強度PAR ＜800 時，Pn隨著PAR 的增強而明顯升高，尤其在PAR＜200 的范圍內(nèi)基本呈直線增加;當(dāng)PAR≥800 時，對照的Pn隨著PAR 的增強呈緩慢增加趨勢，干旱脅迫的Pn則呈下降趨勢。土壤干旱脅迫越嚴重，彩葉草葉片的Pn越低，PAR 為1 000 μmol/(m2·s)時，輕度、中度、重度脅迫3 個處理下的Pn分別比對照降低了15.16%、40.52%、74.71%，表明土壤干旱脅迫加劇導(dǎo)致彩葉草葉片光合生產(chǎn)力明顯下降。

表3 為通過對光強響應(yīng)曲線進行直線回歸求得的干旱脅迫下的光合參數(shù)。可以看出，隨著土壤干旱脅迫加劇，光補償點LCP 呈升高趨勢，在中度脅迫時與對照差異達到顯著水平(P ＜0.05);光飽和點LSP 隨著干旱脅迫加劇而逐漸降低，各處理之間及處理與對照間的差異均達到顯著水平(P ＜0.05);最大光合速率Pmax呈下降趨勢，各處理之間及處理與對照間達到顯著水平(P ＜0.05)。表觀光量子效率AQY 下降，各處理之間及處理與對照間達到顯著水平(P ＜0.05)。與對照相比，3 種干旱脅迫處理下的LCP 分別增加33.24%、70.74%和113.92%，LSP 分別降低17.50%、41.59%和65.26%，Pmax分別降低19.72%、46.34% 和78.02%，AQY 分別降低15.16%、40.52%和74.71%。

2.4 干旱脅迫對彩葉草葉片細胞超微結(jié)構(gòu)的影響

圖1 彩葉草葉片凈光合速率的光響應(yīng)過程Fig.1 Light response of net photosynthetic rate (Pn)for C. blumei leaves

表3 干旱脅迫下彩葉草葉片光強-光合響應(yīng)曲線參數(shù)值的變化Table 3 Changes of parameters of light response of C. blumei leaves under drought stress

正常水分供應(yīng)下，彩葉草葉片的葉肉細胞飽滿，細胞壁圓滑，葉綠體呈現(xiàn)橢圓形，結(jié)構(gòu)規(guī)則，緊貼細胞壁;基粒類囊體小，基質(zhì)片層整齊;淀粉粒大小均勻，呈現(xiàn)蠶蛹型，邊緣清晰;線粒體內(nèi)嵴小而少，細胞質(zhì)濃(圖2A、2B、2C)。輕度干旱脅迫下，葉肉細胞較飽滿，個別葉綠體部分脫離細胞壁，絕大多數(shù)仍靠細胞壁，細胞壁稍厚;基粒類囊體部分膨脹，基質(zhì)片層略扭曲，局部結(jié)構(gòu)變模糊，出現(xiàn)點狀嗜鋨顆粒;淀粉粒變化不大;部分線粒體內(nèi)嵴模糊、細胞質(zhì)變淺(圖2D、2E、2F)。中度干旱脅迫下，葉肉細胞出現(xiàn)質(zhì)壁分離，內(nèi)膜清楚但外膜變模糊，細胞壁增厚;基粒類囊體變少，大小不均勻，基質(zhì)片層明顯扭曲，分布不均勻，部分模糊;淀粉粒變形，部分邊緣模糊，嗜鋨顆粒增多;線粒體內(nèi)嵴和外膜模糊(圖2G、2H、2I)。重度干旱脅迫下，葉綠體膜部分斷裂，葉綠體結(jié)構(gòu)溶解;基粒類囊體減少，部分消失，基質(zhì)片層模糊消失;淀粉粒畸形，邊緣模糊，出現(xiàn)大量嗜鋨顆粒;線粒體膨大部分破裂，內(nèi)含物流出(圖2J、2K、2L)。

3 討論

植株的整體生長狀況是其對外界脅迫尤其是干旱脅迫的綜合反映，也是評價脅迫程度和植株抗旱能力的重要指標［21］。本研究發(fā)現(xiàn)彩葉草葉片的生長指標株高、莖粗、最大葉面積對土壤中度、重度干旱脅迫比較敏感，土壤輕度干旱脅迫下變化不顯著。

植物生長的關(guān)鍵生理活動為光合作用，其強弱可反映植物的生長勢和抗旱性。已有研究表明，植株對周圍環(huán)境因子的變化越敏感，植株細胞超微結(jié)構(gòu)的變化越明顯、越劇烈［22］。作為細胞內(nèi)承擔(dān)能量轉(zhuǎn)換代謝的細胞器，葉綠體和線粒體的狀態(tài)可表示新陳代謝的程度［23］。本研究中，隨著干旱脅迫程度的加深，彩葉草葉肉細胞中的葉綠體和線粒體的超微結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化，同時光合生理指標也相應(yīng)變化。輕度和中度脅迫下，葉綠體基粒片層和基質(zhì)片層部分扭曲、邊緣略模糊，基質(zhì)變稀，出現(xiàn)嗜鋨顆粒，此時葉片氣孔導(dǎo)度Ci、凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr顯著下降，證明氣孔關(guān)閉導(dǎo)致進入葉片的CO2減少，影響植株的光合作用。因此氣孔限制是造成光合下降的主要原因。重度脅迫下，葉綠體部分消失，出現(xiàn)大量嗜鋨顆粒，此時氣孔導(dǎo)度Ci上升，氣孔限制值Ls下降，光合速率降低原因由氣孔限制為主變?yōu)榉菤饪紫拗茷橹?葉綠體結(jié)構(gòu)受到破壞引起光抑制或光破壞［24-25］。這與前人對銀水牛果［26］、華山新麥草［13］和絹毛委陵菜［27］的研究結(jié)論一致。

圖2 干旱對彩葉草葉片細胞超微結(jié)構(gòu)的影響Fig.2 Effects of drought stress on cell ultra-structure of C. blumei leaves

光補償點LCP 作為反映植物需光特性的指標之一，可以表征光合作用對弱光利用程度的高低，即光補償點越高，意味著植物光合作用對弱光的利用程度越低［14］。隨著土壤干旱脅迫程度的加深，彩葉草光合作用的LCP 顯著增加，降低了光合作用對弱光的利用程度。光飽和點LSP 可反映植物對強光的適應(yīng)能力［28］，即光飽和點越高，植物對強光的適應(yīng)越好。隨著土壤干旱脅迫程度的加深，彩葉草光合作用的LSP 顯著下降，表明強光下產(chǎn)生了光抑制。光量子效率AQY 是反映植物光合作用對弱光的吸收和轉(zhuǎn)化利用效率的指標［29］。本研究中，彩葉草的AQY 隨著干旱脅迫程度的加深呈下降趨勢，表明彩葉草光合作用對弱光的光能吸收和轉(zhuǎn)換利用效率減弱，而且隨著干旱脅迫程度的加深而降低明顯。隨著干旱脅迫程度的加深，光補償點升高，光飽和點、最大凈光合速率和表觀量子效率下降，光抑制現(xiàn)象加重。

綜上所述，適度的干旱脅迫可以提高葉片水分利用效率，從效益最大化的角度來說，彩葉草適宜的土壤水分應(yīng)在輕度脅迫(土壤含水量為60% ～65%)范圍。彩葉草的正常光飽和點LSP 在1 100 μmol/(m2·s)左右，而在夏天晴天的光合有效輻射大多在1 600 μmol/(m2·s)以上，遠超過其飽和點，所以可適當(dāng)遮陰或?qū)⒉嗜~草栽培于稀疏的林下，以減輕光抑制，降低葉片溫度和蒸騰速率，從而提高光合速率和水分利用效率。

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