段 娜，贾玉奎，郝玉光，徐 军，高君亮，陈海玲

(1.国家林业局 内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站/中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古 磴口 015200;2.内蒙古农业大学 沙漠治理学院,内蒙古 呼和浩特 010010)

叶绿素荧光特性的测定是以光合作用理论为基础，以植物体内叶绿素a的荧光作为天然探针来测定叶片光合作用，其目的是为了更好地研究植物光合生理状况及各种外界因子对其影响[1]。随着叶绿素荧光理论和测定技术的进步，叶绿素荧光动力学在测定叶片光合功能上被称为分析植物光合生理与逆境胁迫关系的理想技术[2]。近些年来国际上对植物体内叶绿素荧光动力学的研究已形成热点的情况下，叶绿素荧光动力学在强光、高温、低温、干旱等逆境生理研究中得到越来越广泛的应用，尤其是在抗逆性生理、高产量培育、植物育种与栽培、植物生态、甚至植物遥感遥测方面的各个不同植物学方面和农业生产中应用的更加广泛[3-6]。已有研究表明，干旱胁迫能够导致PSⅡ反应中心活性减弱，Pn由气孔限制为主转为非气孔限制为主，实际光合效率(ΦPSⅡ)和最大光化学效率(Fv/Fm)降低，使PSⅡ潜在热耗散能力(qN)下降，最终造成光合速率降低、蒸腾速率减弱以及气孔关闭[7-10]。正是因为叶绿素荧光特性的测定具有快速、便携、无损伤、精确、简便等诸多优势，才使其能够被广泛应用于植物学研究的各个方面。

欧李(Cerasushumilis)属蔷薇科樱属灌木，我国特有的沙生药用植物，也是林草两用的经济植物，具有“雨季集水，旱时避旱”的强抗旱机制，是改良土壤，防止水土流失的优良树种，也是我国西北干旱地区退耕还林的先锋树种，生态功能显著[11-13]。欧李果实是第3代功能小水果，鲜果钙含量位居水果榜首，故又称“钙果”[14-15]。作为生态与经济效益相结合的典范，近年来欧李的研究被逐渐重视，向着更广泛、更深层次、更高水平的方向稳步前进，如抗旱机理、繁殖育种、果实营养、药用价值、以及分子生物学等方面的研究[16-20]均取得了显著成果。但是，有关欧李在干旱胁迫下结合影像分析的叶绿素荧光特性等方面的研究未见报道。因此，本研究在设置不同土壤水分含量条件下，研究干旱胁迫对欧李叶绿素荧光特性的影响，为今后欧李在干旱半干旱地区经济林建设中提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为京欧1号实生苗，由北京中医药大学提供。沙藏于中国林业科学研究院沙漠林业实验中心第一试验场。

1.2 试验设计

试验于2016年在中国林业科学研究院沙漠林业实验中心院内试验地进行，选用乌兰布和沙漠地区农田土壤为基质，混合后等量装入宽口直径×高×底部直径(40 cm×40 cm×30 cm)的无孔塑料桶，并插入PVC细管用来通气。4月下旬选取长势、大小一致的欧李苗移入桶中，实施正常田间管理。采用称重法控制各处理土壤含水量，田间持水量为20.29%。试验共设5个处理，每个处理30桶，正常供水处理(CK)的土壤含水量(SRWC)控制在16%～20%，约占最大田间持水量的80%～100%，胁迫处理分别为田间持水量的60%～80%(T1)，40%～60%(T2)，20%～40%(T3)。隔天8:00称重补水，搭建雨棚防止自然降水对试验的影响。在7-9月每月测定1次叶绿素荧光参数。

1.3 试验方法

运用Fluor Cam便携式叶绿素荧光成像系统测定不同水分处理下欧李叶片荧光参数和活体荧光成像。荧光参数中主要选择表示植物潜在光合活性的参数初始荧光Fo、可变荧光Fv、最大PSⅡ量子产率Fv/Fm、稳态下PSⅡ反应中心光化学淬灭系数qP、非光化学淬灭系数qN 4个对植物光合作用能力进行分析。

1.4 数据处理

本试验的数据在Excel2003软件进行整理、作图；方差分析通过SAS9.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对欧李叶片Fo的影响

不同水分处理对欧李叶片的叶绿素荧光特性有显著影响。图1显示，4个水分处理下Fo分别为274.41、283.77、378.43和452.5，随着水分处理的降低，Fo呈逐渐增加趋势。T3、T2处理比对照分别增加39.36%、27.49%，方差分析达到显著水平(α=0.05)，T1比CK增加3.3%，但二者没有明显差异。说明不同程度的干旱对欧李叶片的PSⅡ反应中心均造成了破坏，且这种破坏随干旱程度的增加而加剧。T1处理受到的影响最小，让叶绿体得到的能量向光化学部分流动，转变为其他形式的能量变少，使能量充分使用在欧李叶片的光合作用上。

图1 干旱胁迫对欧李叶片Fo的影响

2.2 干旱胁迫对欧李叶片Fv的影响

当植物逐渐受到水分胁迫，光合作用受到抑制，因此引起光反应底物的增加，导致电子传递链受阻，一系列叶绿素荧光参数发生变化。欧李叶片的可变荧光(Fv)在不同水分处理下呈逐渐降低的变化趋势(图2)，3个水分胁迫处理降低量表现为T1低于T2和T3，分别降低了4.26%、6.56%、8.7%，方差分析达到显著水平(α=0.05)。因此，通过合理的水分供应可以使欧李叶片有着较高的光合利用率。

图2 干旱胁迫对欧李叶片Fv的影响

2.3 干旱胁迫对欧李叶片Fv/Fm的影响

原初光化学量子效率Fv/Fm随着水分处理的降低呈逐渐递减趋势(图3)。一般认为当Fv/Fm处至0.8～0.85时，植物处于健康状态，当<0.8时，植物受到了胁迫。从图4的Fv/Fm影像可以看出，4个水分处理的叶片最大量子产量均具有较高的匀质性，处理CK、T1的Fv/Fm值>0.8，表明土壤含水量占田间持水量的60%以上的欧李叶片潜在最大光合能力基本相同，说明其叶片均处于正常生理状态，而处理T2和T3的Fv/Fm值<0.8，且分别下降了7.3%和12.2%，表明植物受到胁迫，光合电子传递受到影响，从而光合能力受到影响，方差分析达到显著水平(α=0.05)。因此，通过合理的水分供应可以使欧李叶片有着较高的光合利用率。

图3 干旱胁迫对欧李叶片Fv/Fm的影响

图4 干旱胁迫下欧李叶片Fv/Fm影像

图5 干旱胁迫下欧李叶片qP影像

2.4 干旱胁迫对欧李叶片qP的影响

光化学淬灭系数qP用来表达PSⅡ反应中心能量被色素吸收后的转化率，对QA氧化态的一种度量，也可以表示PSⅡ的开放部分的比例。从图6中可以看出，随着土壤含水量的下降，qP逐渐降低，CK和T1之间变化不明显，分别为0.57和0.55，降低了3.5%，但是从T1到T2的过程中，qP下降明显，下降了45.5%，差异达到显著水平(α=0.05)，从干旱胁迫下欧李叶片qP影像(图5)可以直观的反应出色素分布不同，光合作用能力不同。以上说明干旱胁迫降低光系统反应中心QA的比例，也降低了PSⅡ反应中心能量被色素吸收后的转化率，同时增加了PSⅡ反应中心的关闭部分的比例。

图6 干旱胁迫对欧李叶片qP的影响

2.5 干旱胁迫对欧李叶片qN的影响

非光化学淬灭系数qN反映了植物消耗剩余光能为热的能力，也说明了植物的光保护能力，是一种保护机制。由图7可知，不同水分胁迫条件下欧李叶片的qN不同。当植株处于水分胁迫条件时，qN值呈逐渐增大趋势。本试验表明，在轻度干旱胁迫下(土壤含水量为田间持水量的60%～80%)，欧李叶片的qN值高于对照，但差异不显著，分别为0.34和0.35，而在土壤含水量为田间持水量的60%以下时，欧李叶片的qN值显著高于对照和轻度胁迫，例如当土壤水分供应为T2处理时，比CK高61.76%，T3处理比CK高76.47%，方差分析达到显著水平(α=0.05)。

图7 干旱胁迫对欧李叶片qN的影响

3 讨论

叶绿素荧光动力学能够从微观角度阐明植物在光合作用过程中对光能的吸收、利用和转换[21]。叶绿素荧光技术可快速地检测植株在水分胁迫下的光合作用机理，评价光合机构的功能和水分胁迫的影响，对叶绿素荧光参数分析后可以明确叶片光合作用受影响的部位。干旱胁迫下，欧李叶片的Fo升高，尤其是低于60%供水处理时升高的幅度明显高于正常和T1处理，说明当土壤含水量低于60%的干旱胁迫破坏了叶片光系统Ⅱ反应中心的稳定性，使叶片光合速率降低。在众多叶绿素荧光参数中，可变荧光与最大荧光的比值Fv/Fm用来表示光系统反应中心最大光能转换效率，反映植物在逆境胁迫下光合机构的受损伤程度，也是逆境生理研究的重要参数之一，在任何逆境下影响到PSⅡ的效能，Fv/Fm均会降低[22]。正常环境下当Fv/Fm处于0.8～0.85时，植物处于健康状态，当<0.8时，植物受到了胁迫。本研究结果显示，处理CK、T1的Fv/Fm值>0.8，表明土壤含水量占田间持水量的60%以上的欧李叶片潜在最大光合能力基本相同，说明其叶片均处于正常生理状态，而处理T2和T3的Fv/Fm值<0.8，表明植物受到胁迫，光合电子传递受到影响，从而光合能力受到影响。

叶绿素分子吸收的光能主要通过叶绿素荧光发射、光化学电子传递和热耗散这3条途径消耗，这3条途径之间此消彼长，相互制约。光合作用和热耗散的改变能够引起荧光发射的相应变化，因而，通过叶绿素荧光效率的变化情况可以判断光能热耗散的效率和光化学过程，因此通过观测荧光可以研究植物叶片光反应中心结构和功能以及热耗散的变化，作为光合作用的探针，可以通过叶绿素荧光动力学来反映环境对光合作用的影响。光化学淬灭系数qP用来表达PSⅡ反应中心能量被色素吸收后的转化率，对QA氧化态的一种度量，也可以表示PSⅡ的开放部分的比例。qP值越大，表明电子传递越快，qP值越小，表明反应中心开放比例降低，为光合作用提供的能量降低。热耗散程度常常用叶绿素荧光的非光化学淬灭系数来检测，qN上升表示热耗散增加[23]。本研究表明，随着土壤含水量的下降，qP逐渐降低，CK和T1之间变化不明显，到T2的过程中，qP下降明显，说明干旱胁迫降低光系统反应中心QA的比例，也降低了PSⅡ反应中心能量被色素吸收后的转化率，同时增加了PSⅡ反应中心的关闭部分的比例。在土壤含水量为田间持水量的60%～80%时，欧李叶片的qN值高于对照，但差异不显著，而在土壤含水量为田间持水量的60%以下时，欧李叶片的qN值显著高于对照和轻度胁迫，说明欧李在通过热耗散这一途径，实现不同程度的自我保护。

4 结论

干旱胁迫条件下，欧李叶绿素荧光特性受到显著影响。随着水分处理的降低，欧李叶片的初始荧光呈逐渐增加趋势，T1处理受到的影响最小。可变荧光、最大光量子效率、光化学淬灭系数均随水分的减少而降低(α=0.05)，非光化学淬灭系数随水分的减少而升高(α=0.05)，但是T1处理与对照相比差异不显著，说明水分供应在60%以上时不影响欧李叶片 PSⅡ反应中心的开放程度，进而不影响叶片捕获的光能转化为生物化学能，在此过程中反应中心较为稳定。