干旱復(fù)水對楸葉泡桐幼苗光合和葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h1>
2020-04-26 10:04馮延芝王保平周海江楊超偉
中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報 2020年4期
馮延芝，趙 陽，王保平，段 偉，周海江，楊超偉，喬 杰
（1.國家林業(yè)和草原局泡桐研究開發(fā)中心，河南 鄭州 450003；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟林研究開發(fā)中心，河南 鄭州 450003；3.經(jīng)濟林種質(zhì)創(chuàng)新與利用國家林業(yè)局重點實驗室，河南 鄭州 450003）
近年來，氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化以及土壤鹽堿化不斷加重，導(dǎo)致環(huán)境干旱發(fā)生的頻率、持續(xù)時間和嚴(yán)重程度等不斷增加[1]；加之我國降水在時間、空間分布上極不均衡，水資源短缺現(xiàn)象日漸嚴(yán)重[2]。干旱已成為威脅森林健康、損壞其群落組成以及結(jié)構(gòu)、致使樹木死亡的重要環(huán)境因子[3]，且常引發(fā)重大的農(nóng)林經(jīng)濟損失[4]。泡桐是原產(chǎn)我國的重要速生用材樹種之一[5]，在生態(tài)環(huán)境建設(shè)、城鄉(xiāng)綠化、防風(fēng)固沙和土壤改良等方面發(fā)揮著重要的作用。目前，干旱缺水已嚴(yán)重影響了泡桐的生長，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了干旱導(dǎo)致泡桐人工林片狀死亡的現(xiàn)象。因此，開展泡桐干旱脅迫環(huán)境下的研究對解析其逆境生理生態(tài)響應(yīng)具有重要意義。
研究表明，遭受干旱脅迫時植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化指標(biāo)等均會受到不同程度的影響[6]。光合作用是植物界最基本、最重要的物質(zhì)和能量代謝[7]，它對干旱脅迫十分敏感。楊樹Populus pseudo-simonii[8]、桉樹Eucalyptus citriodora[9]、樟樹Cinnamomum camphora[10]和柑橘citrus[11]等多數(shù)植物受到干旱脅迫時會通過各種方式降低光合酶活性和光合速率，脅迫嚴(yán)重時甚至?xí)茐闹参锕夂辖Y(jié)構(gòu)，造成不可逆的損傷甚至死亡。干旱和復(fù)水是生產(chǎn)上常見的現(xiàn)象之一，不同植物或同一植物的不同品種在干旱復(fù)水過程中的抗旱和恢復(fù)能力差異較大[11]。因此植物對干旱脅迫的適應(yīng)性不僅表現(xiàn)在脅迫過程中，還取決于復(fù)水后能否快速彌補脅迫對其造成的損傷[12]。
楸葉泡桐Paulownia catalpifolia是典型的北方桐種，因其木材密度大、色度好且紋理美觀等備受關(guān)注[13]，且自然分布于山東、河北、河南等黃淮海平原和山西、陜西等西北干旱半干旱地區(qū)，但近年來北方的春旱嚴(yán)重影響了楸葉泡桐的造林成活率和后期生長。目前，有關(guān)泡桐干旱脅迫的研究主要集中在毛泡桐Paulownia tomentosa、白花泡桐Paulownia fortunei等干旱脅迫后的葉綠素和丙二醛含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、保護酶活性等[14-15]，但對楸葉泡桐苗期在干旱脅迫和復(fù)水過程中光合、熒光指標(biāo)的動態(tài)變化等尚未見報道。因此本研究以楸葉泡桐幼苗為試驗對象，研究其在干旱脅迫和復(fù)水過程中葉片相對含水量、細(xì)胞膜相對透性、光合和葉綠素?zé)晒獾壬碜兓云诹私飧珊祻?fù)水過程中楸葉泡桐幼苗的生理響應(yīng)機制，為泡桐苗期的水分管理和抗旱品種的選育提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
試驗選擇在國家林業(yè)和草原局泡桐研究開發(fā)中心的河南孟州試驗基地（112°33′E，34°50′N）的塑料大棚內(nèi)進行，大棚面積約667 m2，該基地屬于大陸性暖溫帶季風(fēng)型氣候，年均降水量 586.6 mm，年均日照2 160.4 h，年均氣溫14.2℃，無霜期209 d，屬黃河灘地沙土類型。沙土0～40 cm 處的pH 值為8.67，有機質(zhì)含量為4.07 g·kg-1，總氮為0.03 g·kg-1，有效氮為18.79 mg·kg-1，有效磷為4.80 mg·kg-1，有效鉀為156.62 mg·kg-1，田間持水量為26.50%。
1.2 供試材料
2018年2月上旬在孟州基地采集生長健壯、無病蟲害的楸葉泡桐種根，將其剪成上平下斜的根段（粗度為2.75±0.25 cm，長度為11±1 cm），30～50根扎成一捆，陰涼處風(fēng)干3～5 d，陽畦催芽后在大棚中利用上口徑40 cm，下口徑 30 cm，高度30 cm的塑料盆進行埋根育苗，每盆1株，共計150盆，每盆均裝原地沙土25 kg。育苗期間和試驗前均保持正常的水分管理。待5月上旬從中選出長勢一致、無病蟲害的幼苗36盆用于干旱脅迫和復(fù)水試驗，平均苗高（45.00±3.00）cm，平均地徑（1.25±0.15）cm。
1.3 試驗方法
1.3.1 試驗設(shè)計
5月上旬試驗前連續(xù)3 d 澆透水后讓其自然干旱，待土壤含水量達到田間持水量的85%時開始干旱脅迫試驗，其中以田間持水量的85%作為對照（CK）且記作干旱脅迫的第0天，試驗共設(shè)置干旱脅迫處理后的5個時間段和復(fù)水處理：即干旱脅迫第0、4、8、12、16天和復(fù)水后第4天，復(fù)水標(biāo)準(zhǔn)為田間持水量的85%。分別于測定日的上午測定光合、熒光參數(shù)后，采集同一葉片樣品進行葉片相對含水量和細(xì)胞膜相對透性的測定，每盆1株，2株為1個重復(fù)，每個處理3個重復(fù)，共6株。
1.3.2 土壤相對含水量、葉片相對含水量、細(xì)胞膜相對透性和葉片傷害程度的測定
土壤相對含水量用占田間持水量的比例來表示，測定方法為稱重法，計算公式為土壤相對含水量=（m1-m2）/（m3-m2），其中m1為測定日的土壤和盆總質(zhì)量，m2為85℃完全烘干后的土壤和盆總質(zhì)量，m3為澆透水次日上午的土壤和盆總質(zhì)量，根據(jù)m1即可推測出當(dāng)天的土壤相對含水量[16]；葉片相對含水量（RWC）的計算公式為RWC%=（m1-m2）/（m3-m2）×100，其中m1為葉片鮮質(zhì)量，m2為80℃烘干24 h后的質(zhì)量，m3為黑暗環(huán)境下去離子水中浸泡4 h后的質(zhì)量[17-18]；細(xì)胞膜相對透性采用電導(dǎo)率法測定[19-20]；葉片傷害程度用葉片傷害指數(shù)來表示，植物葉片傷害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)為：0級（無干旱脅迫癥狀）、1級（1/3 以下葉片萎蔫）、2級（1/3～1/2 葉片萎蔫）、3級（1/2 以上葉片萎蔫）、4級（整株萎蔫）。
1.3.3 光合參數(shù)的測定
于測定日的8:00—9:30，每株選取長勢、方位均一致且無病蟲害、從上向下數(shù)第4 輪功能葉1片，利用LI-6800 便攜式光合作用測量系統(tǒng)進行光合參數(shù)的測定，光強為1 200 μmol·m-2s-1，外加小鋼瓶控制大氣CO2濃度為400 μmol·mol-1，葉片溫度為30±1℃，空氣相對濕度為（65%±3%）。測量指標(biāo)包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）。其中水分利用效率WUE=Pn/Tr，氣孔限制值Ls=(Ca-Ci)×100%/其中Ca為大氣CO2濃度。
1.3.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定
光適應(yīng)下相關(guān)熒光指標(biāo)與光合參數(shù)的測定是同時進行的，測定指標(biāo)為實際光化學(xué)量子效率（ΦPSII）、電子傳遞速率（ETR）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qp）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）；于測定日的9:30—11:00，利用LI-6800 便攜式光合作用測量系統(tǒng)在同一葉片上暗適應(yīng)后測定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，利用暗適應(yīng)葉夾將待測葉片遮光處理 30 min后，測定其最小初始熒光（F0）和最大光化學(xué)效率Fv/Fm=（Fm-F0）/Fm，其中Fm為最大熒光。
1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析
采用軟件Excel 2013 對各生理指標(biāo)進行數(shù)據(jù)的處理、分析和作圖，利用軟件SPSS 20.0 進行方差分析和差異顯著性檢驗。
2 結(jié)果與分析
2.1 干旱脅迫和復(fù)水對土壤含水量和植株形態(tài)的影響
如圖1所示，隨著干旱脅迫時間的延長，土壤含水量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，且干旱脅迫處理后不同時間段之間差異顯著（P＜0.05）。在脅迫前期土壤含水量下降幅度較大，脅迫第8天時土壤含水量比對照下降了49.04%；脅迫后期持續(xù)緩慢下降，脅迫第12天時土壤含水量為田間持水量的23.78%，第16天時為田間持水量的11.01%，此時楸葉泡桐幼苗葉片開始干枯脫落，故停止干旱脅迫開始復(fù)水處理。復(fù)水4 d后土壤含水量為田間持水量的62.25%，與脅迫第4天相比差異不顯著。
圖1 干旱脅迫和復(fù)水過程中土壤含水量的變化Fig.1 The changes of soil water content during drought stress and rewatering
植株在干旱脅迫的第4天幼苗長勢良好，葉莖飽含水分，葉片鮮綠，葉片平均傷害指數(shù)為0級；脅迫第8天部分植株下部葉片下垂萎蔫，葉片平均傷害指數(shù)為1.2級；脅迫第12天下部葉片下垂萎蔫，上部部分葉片葉緣翻卷，部分植株輕微彎曲萎蔫，葉片平均傷害指數(shù)為2.7級；脅迫第16天上部葉片下垂萎蔫，下部葉片干枯脫落，絕大部分植株彎曲萎蔫，葉片平均傷害指數(shù)為3.8級；復(fù)水4天后植株恢復(fù)正常生長，葉片平均傷害指數(shù)為1級。
2.2 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐幼苗葉片相對含水量和細(xì)胞膜相對透性的影響
葉片相對含水量可反映出土壤缺水時植株體內(nèi)水分的虧缺程度，是衡量植物耐旱程度的重要指標(biāo)之一[22]。干旱脅迫和復(fù)水條件下楸葉泡桐幼苗葉片相對含水量（RWC）的變化如圖2A所示，隨著干旱脅迫程度的增加而逐漸降低，脅迫第16天時的RWC 比對照降低了11.94%；各脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05），復(fù)水4 d后升高至83.22%，與脅迫第4天相比差異不顯著。表明楸葉泡桐幼苗葉片的保水能力隨著干旱脅迫程度的增加而逐漸減弱。
干旱脅迫和復(fù)水條件下楸葉泡桐幼苗葉片細(xì)胞膜相對透性（RMP）的變化如圖2B所示，隨著干旱脅迫程度的增加而呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，脅迫第16天時的RMP 比對照升高了15.34%，各脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后降低至21.72%，與脅迫第4天相比差異不顯著。
圖2 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐葉片相對含水量和細(xì)胞膜相對透性的影響Fig.2 The effects of drought stress and rewatering on relative water content and relative membrane permeability in leaves from Paulownia catalpifolia
2.3 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐幼苗葉片光合參數(shù)的影響
如圖3A所示，隨著干旱脅迫程度的增加，幼苗葉片的蒸騰速率（Tr）呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，在脅迫第16天時的Tr達到0.885 8與對照相比降低了82.88%；除脅迫第4天外，其它脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后Tr顯著上升，與脅迫第4天相比差異不顯著。隨著干旱脅迫程度的增加，幼苗葉片的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導(dǎo)度（Gs）也均呈逐漸下降的趨勢（圖3B、C、D），脅迫第16天時的Pn、Ci和Gs，與對照相比分別降低了75.92%、42.20%和93.04%；除脅迫第4天的Pn和Ci外，其它脅迫時期的Pn、Ci、Gs與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后Pn、Ci、Gs均顯著上升，與脅迫第4天相比均差異不顯著。Pn與Gs的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.967 0，表明Pn與Gs在0.01 水平上呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。
如圖3E和3F所示，隨著干旱脅迫程度的增加，幼苗葉片的水分利用效率（WUE）和氣孔限制值（Ls）均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，脅迫第16天時的WUE、Ls與對照相比分別升高了28.53%和65.19%；除脅迫第4天的WUE和Ls外，其它脅迫時期WUE和Ls與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后WUE和Ls分別下降至 4.03和0.21，且與脅迫第4天相比均差異不顯著。
2.4 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
如圖4A所示，隨著干旱脅迫程度的增加，楸葉泡桐幼苗葉片的最小初始熒光（Fo）呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，脅迫第16天時的Fo與對照相比升高了33.35%，且各脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后Fo下降至536.23，與脅迫第4天相比差異不顯著。如圖4B、4C、4D和4E所示，隨著干旱脅迫程度的增加，幼苗葉片的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、實際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）、電子傳遞速率（ETR）和光化學(xué)猝滅系數(shù)（qp）均呈逐漸下降的趨勢，且在脅迫第16天時的Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp，與對照相比分別降低了15.71%、78.03%、78.03%和57.56%；除脅迫第4天的ΦPSⅡ和ETR 外，其它脅迫時期Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp與對照相比均差異顯著 （P＜0.05）；復(fù)水4 d后Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp均顯著上升，與脅迫第4天相比差異均不顯著。
如圖4F所示，隨著干旱脅迫程度的增加，楸葉泡桐幼苗葉片的非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，脅迫第16天時的NPQ與對照相比升高了27.74%；除脅迫第4天外，其它脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后NPQ 迅速下降，與對照和脅迫第4天相比差異均不顯著。
圖3 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐葉片光合參數(shù)的影響Fig.3 The effects of drought stress and rewatering on photosynthetic parameters in leaves from Paulownia catalpifolia
3 討 論
3.1 干旱脅迫和復(fù)水條件下楸葉泡桐幼苗葉片光合參數(shù)的響應(yīng)變化
影響植物光合作用的因素可分為兩類：氣孔因素和非氣孔因素[23]。在短暫干旱脅迫過程中造成植物光合速率下降的主要原因是氣孔因素。隨著PEG模擬干旱脅迫程度的增強，楊樹的Pn、Tr、Gs和Ci均逐漸下降[8]；檸檬桉的Pn和Tr也隨著干旱脅迫程度的增加而逐漸降低[9]。干旱脅迫后的復(fù)水可檢驗植物是否有適應(yīng)干旱脅迫的能力[24]。干旱脅迫導(dǎo)致三湖紅橘的Pn、Tr、Gs和Ci降低，復(fù)水后均有所回升[11]。本研究表明，隨著干旱脅迫程度的增加，楸葉泡桐葉片為了保持水分而降低Tr，且增大氣孔阻力甚至關(guān)閉，CO2進入葉片受阻從而使Gs、Ci和Pn相繼逐漸降低，Ls和WUE 逐漸升高，這與楊樹、三湖紅橘等結(jié)果相一致。在短期干旱脅迫過程中Ci逐漸降低，Ls逐漸升高，且復(fù)水后迅速恢復(fù)，說明Pn降低主要是氣孔限制引起的；復(fù)水后各參數(shù)均得以恢復(fù)，說明短期的干旱脅迫雖對楸葉泡桐葉片造成了一定的損傷，但在脅迫解除后均能迅速恢復(fù)，表明損傷是可逆的。
圖4 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐葉片葉綠體熒光參數(shù)的影響Fig.4 The effects of drought stress and rewatering on chlorophyll fluorescence parameters in leaves from Paulownia catalpifolia
3.2 干旱脅迫和復(fù)水條件下楸葉泡桐幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的響應(yīng)變化
葉綠素?zé)晒鈪?shù)對干旱脅迫比較敏感，可反映葉片對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換狀況，故常被用于標(biāo)明環(huán)境脅迫程度的探針[11,25]。輕度和中度干旱脅迫對胡楊Populus euphratica幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響不顯著，但隨著干旱脅迫程度的增加，其Fv/Fm、ΦPSⅡ迅速下降，NPQ 顯著升高，復(fù)水8天后仍能有效恢復(fù)，說明重度干旱脅迫致使胡楊葉片的PS Ⅱ發(fā)生了可逆的光抑制損傷[26-28]。干旱脅迫導(dǎo)致小冠花的Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp逐漸下降，F(xiàn)0和NPQ 逐漸上升，但復(fù)水3天后各熒光參數(shù)指標(biāo)與未脅迫前無顯著差異[12]。本研究表明，在干旱脅迫的第4天ΦPSⅡ、ETR和NPQ與對照相比均無顯著差異；隨著干旱脅迫程度的增加，楸葉泡桐葉片的F0顯著上升，說明干旱脅迫導(dǎo)致幼苗葉片PS Ⅱ天線色素吸收的能量，散失部分增多，流向光化學(xué)部分減少，幼苗葉片的光合機構(gòu)受到一定程度的破壞；Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp呈顯著下降趨勢，NPQ 顯著上升，說明干旱脅迫導(dǎo)致PS Ⅱ反應(yīng)中心的開放程度降低，光合電子傳遞速率下降，光化學(xué)活性變?nèi)?，致使光能過剩，但幼苗通過提高NPQ 及時耗散過剩的光能起到保護其光合機構(gòu)的作用。復(fù)水4 d后各熒光參數(shù)指標(biāo)均迅速恢復(fù)，表明幼苗葉片在干旱脅迫解除后，受損的PS Ⅱ反應(yīng)中心得到了修復(fù)，從而使各項指標(biāo)得以恢復(fù)。
盡管持續(xù)16 d的干旱脅迫處理導(dǎo)致楸葉泡桐幼苗葉片的光合和熒光參數(shù)等受抑嚴(yán)重，但復(fù)水 4 d后各生理指標(biāo)仍能得以恢復(fù)，說明幼苗并未受到不可逆的損傷。在干旱復(fù)水后的一年生豆科植物中也有類似的發(fā)現(xiàn)[26,29]。適度的干旱復(fù)水可鍛煉其適應(yīng)干旱脅迫的能力，且會產(chǎn)生補償效應(yīng)[30]，但過度的干旱脅迫則會對植物造成不可逆的損傷甚至死亡。干旱對楸葉泡桐幼苗的生長及其它生理過程是否存在滯后效應(yīng)，以及滯后效應(yīng)的大小、恢復(fù)的速度和程度等問題還有待于進一步的深入探究。
4 結(jié) 論
當(dāng)土壤含水量低于田間持水量的11.01%時，楸葉泡桐幼苗的葉片開始干枯脫落，嚴(yán)重影響其正常生長；在短期干旱脅迫條件下，楸葉泡桐幼苗 葉 片的RWC、Tr、Pn、Ci、Gs、Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp隨干旱脅迫程度的增加而逐漸降低，RMP、Ls、WUE、F0和NPQ 隨干旱脅迫程度的增加而逐漸升高，復(fù)水4 d后均能得以恢復(fù)，且與脅迫第4天的各參數(shù)相比均無顯著差異；在短期干旱脅迫過程中Ci逐漸降低，Ls逐漸升高，且復(fù)水后迅速恢復(fù)，說明Pn降低主要是氣孔限制引起的。持續(xù)的適度干旱脅迫對楸葉泡桐光合、熒光等生理過程具有顯著的抑制作用，且致使葉片受到一定程度的損傷，但復(fù)水后各項指標(biāo)都能得以恢復(fù)，說明楸葉泡桐具有一定的適應(yīng)干旱脅迫的能力，為后期楸葉泡桐苗期的水分管理、抗旱品種的評價和選育等提供重要理論參考。
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近年來，氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化以及土壤鹽堿化不斷加重，導(dǎo)致環(huán)境干旱發(fā)生的頻率、持續(xù)時間和嚴(yán)重程度等不斷增加[1]；加之我國降水在時間、空間分布上極不均衡，水資源短缺現(xiàn)象日漸嚴(yán)重[2]。干旱已成為威脅森林健康、損壞其群落組成以及結(jié)構(gòu)、致使樹木死亡的重要環(huán)境因子[3]，且常引發(fā)重大的農(nóng)林經(jīng)濟損失[4]。泡桐是原產(chǎn)我國的重要速生用材樹種之一[5]，在生態(tài)環(huán)境建設(shè)、城鄉(xiāng)綠化、防風(fēng)固沙和土壤改良等方面發(fā)揮著重要的作用。目前，干旱缺水已嚴(yán)重影響了泡桐的生長，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了干旱導(dǎo)致泡桐人工林片狀死亡的現(xiàn)象。因此，開展泡桐干旱脅迫環(huán)境下的研究對解析其逆境生理生態(tài)響應(yīng)具有重要意義。
研究表明，遭受干旱脅迫時植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化指標(biāo)等均會受到不同程度的影響[6]。光合作用是植物界最基本、最重要的物質(zhì)和能量代謝[7]，它對干旱脅迫十分敏感。楊樹Populus pseudo-simonii[8]、桉樹Eucalyptus citriodora[9]、樟樹Cinnamomum camphora[10]和柑橘citrus[11]等多數(shù)植物受到干旱脅迫時會通過各種方式降低光合酶活性和光合速率，脅迫嚴(yán)重時甚至?xí)茐闹参锕夂辖Y(jié)構(gòu)，造成不可逆的損傷甚至死亡。干旱和復(fù)水是生產(chǎn)上常見的現(xiàn)象之一，不同植物或同一植物的不同品種在干旱復(fù)水過程中的抗旱和恢復(fù)能力差異較大[11]。因此植物對干旱脅迫的適應(yīng)性不僅表現(xiàn)在脅迫過程中，還取決于復(fù)水后能否快速彌補脅迫對其造成的損傷[12]。
楸葉泡桐Paulownia catalpifolia是典型的北方桐種，因其木材密度大、色度好且紋理美觀等備受關(guān)注[13]，且自然分布于山東、河北、河南等黃淮海平原和山西、陜西等西北干旱半干旱地區(qū)，但近年來北方的春旱嚴(yán)重影響了楸葉泡桐的造林成活率和后期生長。目前，有關(guān)泡桐干旱脅迫的研究主要集中在毛泡桐Paulownia tomentosa、白花泡桐Paulownia fortunei等干旱脅迫后的葉綠素和丙二醛含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、保護酶活性等[14-15]，但對楸葉泡桐苗期在干旱脅迫和復(fù)水過程中光合、熒光指標(biāo)的動態(tài)變化等尚未見報道。因此本研究以楸葉泡桐幼苗為試驗對象，研究其在干旱脅迫和復(fù)水過程中葉片相對含水量、細(xì)胞膜相對透性、光合和葉綠素?zé)晒獾壬碜兓云诹私飧珊祻?fù)水過程中楸葉泡桐幼苗的生理響應(yīng)機制，為泡桐苗期的水分管理和抗旱品種的選育提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
試驗選擇在國家林業(yè)和草原局泡桐研究開發(fā)中心的河南孟州試驗基地（112°33′E，34°50′N）的塑料大棚內(nèi)進行，大棚面積約667 m2，該基地屬于大陸性暖溫帶季風(fēng)型氣候，年均降水量 586.6 mm，年均日照2 160.4 h，年均氣溫14.2℃，無霜期209 d，屬黃河灘地沙土類型。沙土0～40 cm 處的pH 值為8.67，有機質(zhì)含量為4.07 g·kg-1，總氮為0.03 g·kg-1，有效氮為18.79 mg·kg-1，有效磷為4.80 mg·kg-1，有效鉀為156.62 mg·kg-1，田間持水量為26.50%。
1.2 供試材料
2018年2月上旬在孟州基地采集生長健壯、無病蟲害的楸葉泡桐種根，將其剪成上平下斜的根段（粗度為2.75±0.25 cm，長度為11±1 cm），30～50根扎成一捆，陰涼處風(fēng)干3～5 d，陽畦催芽后在大棚中利用上口徑40 cm，下口徑 30 cm，高度30 cm的塑料盆進行埋根育苗，每盆1株，共計150盆，每盆均裝原地沙土25 kg。育苗期間和試驗前均保持正常的水分管理。待5月上旬從中選出長勢一致、無病蟲害的幼苗36盆用于干旱脅迫和復(fù)水試驗，平均苗高（45.00±3.00）cm，平均地徑（1.25±0.15）cm。
1.3 試驗方法
1.3.1 試驗設(shè)計
5月上旬試驗前連續(xù)3 d 澆透水后讓其自然干旱，待土壤含水量達到田間持水量的85%時開始干旱脅迫試驗，其中以田間持水量的85%作為對照（CK）且記作干旱脅迫的第0天，試驗共設(shè)置干旱脅迫處理后的5個時間段和復(fù)水處理：即干旱脅迫第0、4、8、12、16天和復(fù)水后第4天，復(fù)水標(biāo)準(zhǔn)為田間持水量的85%。分別于測定日的上午測定光合、熒光參數(shù)后，采集同一葉片樣品進行葉片相對含水量和細(xì)胞膜相對透性的測定，每盆1株，2株為1個重復(fù)，每個處理3個重復(fù)，共6株。
1.3.2 土壤相對含水量、葉片相對含水量、細(xì)胞膜相對透性和葉片傷害程度的測定
土壤相對含水量用占田間持水量的比例來表示，測定方法為稱重法，計算公式為土壤相對含水量=（m1-m2）/（m3-m2），其中m1為測定日的土壤和盆總質(zhì)量，m2為85℃完全烘干后的土壤和盆總質(zhì)量，m3為澆透水次日上午的土壤和盆總質(zhì)量，根據(jù)m1即可推測出當(dāng)天的土壤相對含水量[16]；葉片相對含水量（RWC）的計算公式為RWC%=（m1-m2）/（m3-m2）×100，其中m1為葉片鮮質(zhì)量，m2為80℃烘干24 h后的質(zhì)量，m3為黑暗環(huán)境下去離子水中浸泡4 h后的質(zhì)量[17-18]；細(xì)胞膜相對透性采用電導(dǎo)率法測定[19-20]；葉片傷害程度用葉片傷害指數(shù)來表示，植物葉片傷害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)為：0級（無干旱脅迫癥狀）、1級（1/3 以下葉片萎蔫）、2級（1/3～1/2 葉片萎蔫）、3級（1/2 以上葉片萎蔫）、4級（整株萎蔫）。
1.3.3 光合參數(shù)的測定
于測定日的8:00—9:30，每株選取長勢、方位均一致且無病蟲害、從上向下數(shù)第4 輪功能葉1片，利用LI-6800 便攜式光合作用測量系統(tǒng)進行光合參數(shù)的測定，光強為1 200 μmol·m-2s-1，外加小鋼瓶控制大氣CO2濃度為400 μmol·mol-1，葉片溫度為30±1℃，空氣相對濕度為（65%±3%）。測量指標(biāo)包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）。其中水分利用效率WUE=Pn/Tr，氣孔限制值Ls=(Ca-Ci)×100%/其中Ca為大氣CO2濃度。
1.3.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定
光適應(yīng)下相關(guān)熒光指標(biāo)與光合參數(shù)的測定是同時進行的，測定指標(biāo)為實際光化學(xué)量子效率（ΦPSII）、電子傳遞速率（ETR）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qp）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）；于測定日的9:30—11:00，利用LI-6800 便攜式光合作用測量系統(tǒng)在同一葉片上暗適應(yīng)后測定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，利用暗適應(yīng)葉夾將待測葉片遮光處理 30 min后，測定其最小初始熒光（F0）和最大光化學(xué)效率Fv/Fm=（Fm-F0）/Fm，其中Fm為最大熒光。
1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析
采用軟件Excel 2013 對各生理指標(biāo)進行數(shù)據(jù)的處理、分析和作圖，利用軟件SPSS 20.0 進行方差分析和差異顯著性檢驗。
2 結(jié)果與分析
2.1 干旱脅迫和復(fù)水對土壤含水量和植株形態(tài)的影響
如圖1所示，隨著干旱脅迫時間的延長，土壤含水量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，且干旱脅迫處理后不同時間段之間差異顯著（P＜0.05）。在脅迫前期土壤含水量下降幅度較大，脅迫第8天時土壤含水量比對照下降了49.04%；脅迫后期持續(xù)緩慢下降，脅迫第12天時土壤含水量為田間持水量的23.78%，第16天時為田間持水量的11.01%，此時楸葉泡桐幼苗葉片開始干枯脫落，故停止干旱脅迫開始復(fù)水處理。復(fù)水4 d后土壤含水量為田間持水量的62.25%，與脅迫第4天相比差異不顯著。
圖1 干旱脅迫和復(fù)水過程中土壤含水量的變化Fig.1 The changes of soil water content during drought stress and rewatering
植株在干旱脅迫的第4天幼苗長勢良好，葉莖飽含水分，葉片鮮綠，葉片平均傷害指數(shù)為0級；脅迫第8天部分植株下部葉片下垂萎蔫，葉片平均傷害指數(shù)為1.2級；脅迫第12天下部葉片下垂萎蔫，上部部分葉片葉緣翻卷，部分植株輕微彎曲萎蔫，葉片平均傷害指數(shù)為2.7級；脅迫第16天上部葉片下垂萎蔫，下部葉片干枯脫落，絕大部分植株彎曲萎蔫，葉片平均傷害指數(shù)為3.8級；復(fù)水4天后植株恢復(fù)正常生長，葉片平均傷害指數(shù)為1級。
2.2 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐幼苗葉片相對含水量和細(xì)胞膜相對透性的影響
葉片相對含水量可反映出土壤缺水時植株體內(nèi)水分的虧缺程度，是衡量植物耐旱程度的重要指標(biāo)之一[22]。干旱脅迫和復(fù)水條件下楸葉泡桐幼苗葉片相對含水量（RWC）的變化如圖2A所示，隨著干旱脅迫程度的增加而逐漸降低，脅迫第16天時的RWC 比對照降低了11.94%；各脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05），復(fù)水4 d后升高至83.22%，與脅迫第4天相比差異不顯著。表明楸葉泡桐幼苗葉片的保水能力隨著干旱脅迫程度的增加而逐漸減弱。
干旱脅迫和復(fù)水條件下楸葉泡桐幼苗葉片細(xì)胞膜相對透性（RMP）的變化如圖2B所示，隨著干旱脅迫程度的增加而呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，脅迫第16天時的RMP 比對照升高了15.34%，各脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后降低至21.72%，與脅迫第4天相比差異不顯著。
圖2 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐葉片相對含水量和細(xì)胞膜相對透性的影響Fig.2 The effects of drought stress and rewatering on relative water content and relative membrane permeability in leaves from Paulownia catalpifolia
2.3 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐幼苗葉片光合參數(shù)的影響
如圖3A所示，隨著干旱脅迫程度的增加，幼苗葉片的蒸騰速率（Tr）呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，在脅迫第16天時的Tr達到0.885 8與對照相比降低了82.88%；除脅迫第4天外，其它脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后Tr顯著上升，與脅迫第4天相比差異不顯著。隨著干旱脅迫程度的增加，幼苗葉片的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導(dǎo)度（Gs）也均呈逐漸下降的趨勢（圖3B、C、D），脅迫第16天時的Pn、Ci和Gs，與對照相比分別降低了75.92%、42.20%和93.04%；除脅迫第4天的Pn和Ci外，其它脅迫時期的Pn、Ci、Gs與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后Pn、Ci、Gs均顯著上升，與脅迫第4天相比均差異不顯著。Pn與Gs的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.967 0，表明Pn與Gs在0.01 水平上呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。
如圖3E和3F所示，隨著干旱脅迫程度的增加，幼苗葉片的水分利用效率（WUE）和氣孔限制值（Ls）均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，脅迫第16天時的WUE、Ls與對照相比分別升高了28.53%和65.19%；除脅迫第4天的WUE和Ls外，其它脅迫時期WUE和Ls與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后WUE和Ls分別下降至 4.03和0.21，且與脅迫第4天相比均差異不顯著。
2.4 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
如圖4A所示，隨著干旱脅迫程度的增加，楸葉泡桐幼苗葉片的最小初始熒光（Fo）呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，脅迫第16天時的Fo與對照相比升高了33.35%，且各脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后Fo下降至536.23，與脅迫第4天相比差異不顯著。如圖4B、4C、4D和4E所示，隨著干旱脅迫程度的增加，幼苗葉片的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、實際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）、電子傳遞速率（ETR）和光化學(xué)猝滅系數(shù)（qp）均呈逐漸下降的趨勢，且在脅迫第16天時的Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp，與對照相比分別降低了15.71%、78.03%、78.03%和57.56%；除脅迫第4天的ΦPSⅡ和ETR 外，其它脅迫時期Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp與對照相比均差異顯著 （P＜0.05）；復(fù)水4 d后Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp均顯著上升，與脅迫第4天相比差異均不顯著。
如圖4F所示，隨著干旱脅迫程度的增加，楸葉泡桐幼苗葉片的非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，脅迫第16天時的NPQ與對照相比升高了27.74%；除脅迫第4天外，其它脅迫時期與對照相比均差異顯著（P＜0.05）；復(fù)水4 d后NPQ 迅速下降，與對照和脅迫第4天相比差異均不顯著。
圖3 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐葉片光合參數(shù)的影響Fig.3 The effects of drought stress and rewatering on photosynthetic parameters in leaves from Paulownia catalpifolia
3 討 論
3.1 干旱脅迫和復(fù)水條件下楸葉泡桐幼苗葉片光合參數(shù)的響應(yīng)變化
影響植物光合作用的因素可分為兩類：氣孔因素和非氣孔因素[23]。在短暫干旱脅迫過程中造成植物光合速率下降的主要原因是氣孔因素。隨著PEG模擬干旱脅迫程度的增強，楊樹的Pn、Tr、Gs和Ci均逐漸下降[8]；檸檬桉的Pn和Tr也隨著干旱脅迫程度的增加而逐漸降低[9]。干旱脅迫后的復(fù)水可檢驗植物是否有適應(yīng)干旱脅迫的能力[24]。干旱脅迫導(dǎo)致三湖紅橘的Pn、Tr、Gs和Ci降低，復(fù)水后均有所回升[11]。本研究表明，隨著干旱脅迫程度的增加，楸葉泡桐葉片為了保持水分而降低Tr，且增大氣孔阻力甚至關(guān)閉，CO2進入葉片受阻從而使Gs、Ci和Pn相繼逐漸降低，Ls和WUE 逐漸升高，這與楊樹、三湖紅橘等結(jié)果相一致。在短期干旱脅迫過程中Ci逐漸降低，Ls逐漸升高，且復(fù)水后迅速恢復(fù)，說明Pn降低主要是氣孔限制引起的；復(fù)水后各參數(shù)均得以恢復(fù)，說明短期的干旱脅迫雖對楸葉泡桐葉片造成了一定的損傷，但在脅迫解除后均能迅速恢復(fù)，表明損傷是可逆的。
圖4 干旱脅迫和復(fù)水對楸葉泡桐葉片葉綠體熒光參數(shù)的影響Fig.4 The effects of drought stress and rewatering on chlorophyll fluorescence parameters in leaves from Paulownia catalpifolia
3.2 干旱脅迫和復(fù)水條件下楸葉泡桐幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的響應(yīng)變化
葉綠素?zé)晒鈪?shù)對干旱脅迫比較敏感，可反映葉片對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換狀況，故常被用于標(biāo)明環(huán)境脅迫程度的探針[11,25]。輕度和中度干旱脅迫對胡楊Populus euphratica幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響不顯著，但隨著干旱脅迫程度的增加，其Fv/Fm、ΦPSⅡ迅速下降，NPQ 顯著升高，復(fù)水8天后仍能有效恢復(fù)，說明重度干旱脅迫致使胡楊葉片的PS Ⅱ發(fā)生了可逆的光抑制損傷[26-28]。干旱脅迫導(dǎo)致小冠花的Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp逐漸下降，F(xiàn)0和NPQ 逐漸上升，但復(fù)水3天后各熒光參數(shù)指標(biāo)與未脅迫前無顯著差異[12]。本研究表明，在干旱脅迫的第4天ΦPSⅡ、ETR和NPQ與對照相比均無顯著差異；隨著干旱脅迫程度的增加，楸葉泡桐葉片的F0顯著上升，說明干旱脅迫導(dǎo)致幼苗葉片PS Ⅱ天線色素吸收的能量，散失部分增多，流向光化學(xué)部分減少，幼苗葉片的光合機構(gòu)受到一定程度的破壞；Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp呈顯著下降趨勢，NPQ 顯著上升，說明干旱脅迫導(dǎo)致PS Ⅱ反應(yīng)中心的開放程度降低，光合電子傳遞速率下降，光化學(xué)活性變?nèi)?，致使光能過剩，但幼苗通過提高NPQ 及時耗散過剩的光能起到保護其光合機構(gòu)的作用。復(fù)水4 d后各熒光參數(shù)指標(biāo)均迅速恢復(fù)，表明幼苗葉片在干旱脅迫解除后，受損的PS Ⅱ反應(yīng)中心得到了修復(fù)，從而使各項指標(biāo)得以恢復(fù)。
盡管持續(xù)16 d的干旱脅迫處理導(dǎo)致楸葉泡桐幼苗葉片的光合和熒光參數(shù)等受抑嚴(yán)重，但復(fù)水 4 d后各生理指標(biāo)仍能得以恢復(fù)，說明幼苗并未受到不可逆的損傷。在干旱復(fù)水后的一年生豆科植物中也有類似的發(fā)現(xiàn)[26,29]。適度的干旱復(fù)水可鍛煉其適應(yīng)干旱脅迫的能力，且會產(chǎn)生補償效應(yīng)[30]，但過度的干旱脅迫則會對植物造成不可逆的損傷甚至死亡。干旱對楸葉泡桐幼苗的生長及其它生理過程是否存在滯后效應(yīng)，以及滯后效應(yīng)的大小、恢復(fù)的速度和程度等問題還有待于進一步的深入探究。
4 結(jié) 論
當(dāng)土壤含水量低于田間持水量的11.01%時，楸葉泡桐幼苗的葉片開始干枯脫落，嚴(yán)重影響其正常生長；在短期干旱脅迫條件下，楸葉泡桐幼苗 葉 片的RWC、Tr、Pn、Ci、Gs、Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qp隨干旱脅迫程度的增加而逐漸降低，RMP、Ls、WUE、F0和NPQ 隨干旱脅迫程度的增加而逐漸升高，復(fù)水4 d后均能得以恢復(fù)，且與脅迫第4天的各參數(shù)相比均無顯著差異；在短期干旱脅迫過程中Ci逐漸降低，Ls逐漸升高，且復(fù)水后迅速恢復(fù)，說明Pn降低主要是氣孔限制引起的。持續(xù)的適度干旱脅迫對楸葉泡桐光合、熒光等生理過程具有顯著的抑制作用，且致使葉片受到一定程度的損傷，但復(fù)水后各項指標(biāo)都能得以恢復(fù)，說明楸葉泡桐具有一定的適應(yīng)干旱脅迫的能力，為后期楸葉泡桐苗期的水分管理、抗旱品種的評價和選育等提供重要理論參考。
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