马步东，黄海霞，陆 刚，周晓瑾，张君霞

(甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州 730070)

在干旱、半干旱地区，水分是植物生长的最重要限制因子，土壤水分条件变化时，植物会表现出不同的生理生态响应特征[1]。近年来，随着全球温室效应的加剧，我国干旱和半干旱区缺水问题日益严重，耐旱植物面临的干旱胁迫也日益突出[2]。目前对耐旱植物生理生态特性的研究多集中在不同干旱程度下种子萌发特性、幼苗生理响应等方面[3-4]，但这些研究均在土壤水分含量的静态控制条件下进行，由于在连续干旱过程中土壤水分含量处于动态递减过程中[5]，现有研究成果不能反映耐旱植物对土壤水分的瞬时、连续变化的动态响应，目前针对耐旱植物在土壤干旱过程中的动态响应机制研究还鲜见文献报道。

在干旱条件下，植物会通过积累渗透调节物质降低细胞渗透势，维持膨压和生理过程的正常进行[6]。已有研究发现，渗透调节物质的积累程度与植物抗旱性呈正相关，不同的植物种主要的渗透调节物质存在差异，但其都是通过积累渗透调节物质来抵御干旱胁迫[7]。叶绿素荧光动力学技术在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”特点[8]。且叶绿素荧光和光合作用中各个反应过程密切相关，土壤水分胁迫对光合作用各个过程产生的影响都可通过体内叶绿素荧光诱导动力学变化反映出来。因此，叶绿素荧光参数可作为逆境下植物抗逆反应的指标之一，也是监测植物干旱胁迫危害程度的敏感性手段之一[9]。

裸果木(Gymnocarposprzewalskii)隶属石竹科(Caryophyllaceae)裸果木属(Gymnocarpos)，被确定为国家重点保护野生植物名录中的Ⅰ级，耐干旱、寒冷和瘠薄，抗风能力强，是古地中海旱生植物区系成分，对研究我国西北和内蒙古荒漠的发生、发展、气候变化有着非常重要的科学价值[10]。由于生存环境条件恶劣，以及人为活动的影响，导致其数量日益减小，繁衍受限，现今已处于濒危状态。目前关于裸果木对干旱生理响应的研究报道主要是在PEG模拟干旱胁迫条件下进行[11]，研究内容也尚未涉及叶绿素荧光参数。本研究在土壤逐渐干旱过程中，测定分析裸果木幼苗的叶绿素荧光参数和渗透调节物质的变化，探明裸果木幼苗对水分变化的生理响应机制，以期为揭示裸果木的抗旱机理提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为2年生的裸果木幼苗，通过盆栽播种育苗获得，种子采自甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区南片的裸果木种群(40°03′34.9″-40°04′13.4″N，96°14′32.6″-96°24′17.6″E)。育苗基质配比为：泥炭土∶蛭石∶珍珠岩=2∶1∶1，田间持水量为：141.49%，容重为0.45 g·cm-3，每个花盆(直径24 cm，高35 cm)装土量为3.5 kg，每盆保留1株幼苗。

1.2 试验设计

2020年6月29日，选择长势比较一致的苗木，随机分为对照组和处理组，每组8个重复，试验前将盆内栽培土壤浇水至饱和，对照组通过称重法，将土壤含水量控制在田间持水量的80%～85%，处理组停止浇水使其处于逐渐干旱的状态。试验开始后每天使用WET-2土壤水分温度电导率速测仪测定土壤含水率(体积含水率)，并在试验处理的0、3、6、9、12 d及15 d时，测定对照组和处理组叶片的叶绿素荧光参数，并采集叶片测定渗透调节物质含量。采样时对应的土壤相对含水量见表1。

表1 不同处理条件下土壤相对含水量的变化

1.3 叶绿素荧光参数测定

采用FluorCam荧光成像系统和数据采集软件FluorCam7于8：00-10：00测定叶绿素荧光参数[12]。每一处理随机选择5株植株顶部伸展叶片测定叶绿素荧光参数值，取平均值。叶片测定部位使用叶夹遮光处理(暗适应)30 min后，打开叶夹，开启测量光得到初始荧光(Fo)，再开启饱和脉冲光测得到最大荧光(Fm)，得到原初光能潜在活性(Fv/Fo)、光化学最大量子产量(Fv/Fm)、非光化学猝灭(NPQ-Lss)、光化学猝灭(qL-Lss)、稳态光量子效率(QY-Lss)、荧光衰减率(Rfd-Lss)。

1.4 渗透调节物质含量的测定

参考高俊凤[13]的方法，采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量(SP)，蒽酮比色法测定可溶性糖含量(SS)，酸性茚三酮比色法测定脯氨酸含量(Pro)。

1.5 数据分析

采用IBM SPSS Statistics 23统计软件进行单因素方差分析，用Duncan法比较处理间的差异显著性，用Excel 2003绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤干旱过程对裸果木叶片Fo和Fm的影响

Fo是光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心完全开放时的荧光产量，其大小与叶绿素质量浓度有关，与光合作用的光化学反应无关[14]。随着土壤水分含量的逐渐降低，Fo呈现上升的趋势(图1)。干旱胁迫对裸果木幼苗的Fo产生了显著的影响，当干旱第9天(土壤相对含水量为31.38%)时，Fo显著高于CK(P<0.05)，是CK的1.18倍，第15天(土壤相对含水量为18.91%)时，Fo达到最大值，为CK的1.23倍。Fm表示当PSⅡ反应中心完全关闭时的荧光产量，可反映通过PSⅡ的电子传递情况[15]。土壤逐渐干旱对裸果木幼苗的Fm产生了显著的影响，随着土壤干旱程度的加强，Fm呈现下降的趋势(图1)。9 d时Fm显著低于CK(P<0.05)，是CK的0.9倍。

2.2 土壤干旱过程对裸果木叶片Fv/Fo和Fv/Fm的影响

Fv/Fo代表PSⅡ原初光能潜在活性。随着土壤干旱胁迫的加剧，裸果木幼苗Fv/Fo呈现下降的趋势(图2)。干旱胁迫在第6天(土壤相对含水量为44.76%)后，Fv/Fo均显著低于CK(P<0.05)。第9天(土壤相对含水量为31.38%)时降幅最大，为28.8%，9～15 d期间，Fv/Fo降幅较小，但也显著低于第6天时的Fv/Fo(P<0.05)。干旱胁迫第15天(土壤相对含水量为18.91%)时，Fv/Fo达到最低，较CK下降了42.5%。Fv/Fm反映了当所有的PSⅡ反应中心均处于开放态时的量子产量。随着土壤干旱程度的加剧，Fv/Fm呈下降的趋势(图2)，9 d时，Fv/Fm显著低于CK(P<0.05)，是CK的0.95倍。

2.3 土壤干旱过程对裸果木叶片NPQ-Lss和qL-Lss的影响

NPQ-Lss反映的是叶片光反应中心对天然色素吸收过量光能后的热耗散的量[16]。土壤干旱过程对裸果木幼苗叶片NPQ-Lss有显著影响。随着土壤水分含量的降低，裸果木幼苗的NPQ-Lss值呈现显著升高趋势(图3)，0～6 d处理差异性不显著(P>0.05)，9 d(土壤相对含水量为31.38%)时差异性达显著水平(P<0.05)，15 d(土壤相对含水量为18.91%)时达到最大，较CK增加了56.8%。qL-Lss反映了植物光合活性的高低[17]。随着土壤干旱胁迫的逐渐加剧，裸果木幼苗的qL-Lss值表现为先升高后下降的趋势(图3)。干旱胁迫3 d(土壤相对含水量为57.62%)时的裸果木幼苗qL-Lss值显著提高(P<0.05)，且达到最大值，是CK的1.15倍。干旱胁迫第3天后，裸果木幼苗的qL-Lss值呈现下降的趋势，第6天的qL-Lss值也高于CK。

2.4 土壤干旱过程对裸果木叶片QY-Lss和Rfd-Lss的影响

QY-Lss可以反映PSⅡ光化学反应的状态。CK的QY-Lss值基本稳定在0.26左右。随着土壤水分含量的降低，QY-Lss值整体呈逐渐下降的趋势(图4)。干旱处理第9天(土壤相对含水量为31.38%)时，QY-Lss值显著降低(P<0.05)，较CK降低了0.06。荧光衰减率(Rfd-Lss)用于评估植物活力。裸果木叶片的Rfd-Lss在土壤相对含水量大于31.38%，基本没变化，第12天(土壤相对含水量为23.23%)时荧光衰减率才迅速下降(图4)，显著低于CK(P<0.05)，与对照CK相比，降幅为27.2%。

2.5 土壤干旱过程对裸果木叶片生理渗透性调节物质的影响

由图5可知，土壤干旱过程对裸果木幼苗叶片Pro有显著影响。随着土壤水分含量的降低，裸果木幼苗的Pro值呈现升高趋势，0～6 d处理差异性不显著，9 d(土壤相对含水量为31.38%)时差异达到显著水平(P<0.05)。15 d(土壤相对含水量为18.91%)时Pro值达到最大，较CK增加了24.3%。裸果木在干旱胁迫1～6 d时，SP含量下降，在干旱胁迫6～15 d时又上升(图5)。干旱处理第3天(土壤相对含水量为57.62%)时，SP显著低于CK(P<0.05)，降幅为17.7%。0～9 d，SP显著低于CK(P<0.05)，第6天达到最低，较CK下降了41.1%。随着土壤水分含量的逐渐降低，SS呈现上升的趋势。干旱胁迫对裸果木幼苗的SS产生了显著的影响，15 d时Fo显著高于CK(P<0.05)，是CK的1.3倍。

3 结论与讨论

3.1 结论

随着干旱程度的增加，Fm、Fv/Fo、Fv/Fm和QY-Lss随土壤相对含水量的降低持续下降，Fo、NPQ-Lss和Rfd-Lss随土壤相对含水量的降低呈上升趋势，qL-Lss值表现为先升高后下降的趋势。

土壤相对含水量降低时，叶片PSⅡ反应中心的活性降低，光合作用的原初反应过程受抑制，但叶片通过显著提高NPQ-Lss，消耗过剩的光能来保护光合机构。

随着干旱程度的增加，Pro和SS含量显著积累，发挥了主要的渗透调节作用，提高了裸果木幼苗的抗旱性；土壤相对含水量降低时，SP含量呈先降后增的趋势，在干旱程度严重时，发挥渗透调节作用。

3.2 讨论

3.2.1 土壤干旱过程对叶片叶绿素荧光特性的影响 叶绿素荧光参数可以反映干旱条件下叶片对光能的吸收、传递和转换等，估测PSⅡ反应中心的受损程度[18]。Fo常以度量色素吸收的能量中以热和荧光形式散失的能量，较低的土壤水分胁迫易造成植物PSⅡ反应中心不易逆转的破坏[19-20]。本研究发现，在土壤相对含水量为31.38%时，裸果木幼苗叶片的Fo增加显著，说明该水分条件下，PSⅡ反应中心遭到明显的损伤。在土壤相对含水量大于31.38%时，Fo与CK差异不显著，可能由于PSⅡ反应中心中，色素吸收过剩光能，减少了反应中心伤害程度，以适应干旱胁迫，这与李得禄等[21]的研究结果类似。土壤水分含量越低，裸果木幼苗Fm就越小，说明幼苗遭受的干旱胁迫程度越深，其PSⅡ的电子传递能力越弱[22]。土壤相对含水量为31.38%时Fm显著下降，这可能是干旱胁迫使裸果木幼苗叶片PSⅡ反应中心活性降低，光合电子传递过程受到明显阻碍[18]。

Fv/Fo反映的是PSⅡ的潜在活性。在本研究中，随着干旱胁迫的增加Fv/Fo降低，说明干旱胁迫可使PSⅡ原初光化学活性受到抑制，PSⅡ活性中心受到损伤[23]。Fv/Fm直接反映的是植物叶绿体PSⅡ最大潜在的光化学量子效率和利用率，是研究光抑制或各种环境胁迫对光合作用影响的重要指标[24]。当Fv/Fm下降时，代表植物受到了胁迫，胁迫越重，Fv/Fm越小。结果表明，裸果木在胁迫第9天时，受到的胁迫显著增加，并且随着土壤相对含水量的降低，胁迫程度也越来越重。本研究发现，随着土壤干旱胁迫的加重，Fv/Fo、Fv/Fm都呈下降趋势，从胁迫程度上看，土壤相对含水量越低，裸果木幼苗的Fv/Fo、Fv/Fm值越小，表明叶片的潜在活力下降，其伤害部位可能位于PSⅡ氧化传递链或PSⅡ反应中心或PSⅡ原初电子受体[25]，这和柯裕州等[26]在桑树上的研究结果相似。

非光化学猝灭(NPQ-Lss)反映了植物光反应中心对天然色素吸收过量光能后的热耗散量，间接反映了光合电子流向热耗散方向的传递速率[27]。在干旱过程中，NPQ-Lss越来越高，说明植物能通过热耗散消耗掉过剩光能，避免光合机构受到破坏，是植物对水分环境适应的一种保护机制[28]。光化学猝灭(qL-Lss)反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，在一定程度上光化学猝灭又反映了PSⅡ反应中心的开放程度。qL-Lss愈大，PSⅡ的电子传递活性愈大[29]。本研究发现，随着土壤相对含水量的逐渐降低，NPQ-Lss显著增加，qL-Lss呈现先升后降的趋势，说明在干旱胁迫初期，裸果木幼苗叶片PSⅡ反应中心开放程度增大，有效利用光能进行光合作用的能力强；在裸果木幼苗叶片受到胁迫较强时，PSⅡ反应中心开放程度小，有效利用光合作用的能力减弱，这与杨玉珍等[30]的研究结果相似。

稳态光量子效率(QY-Lss)可以反映PSⅡ光化学反应的状态。随着土壤干旱胁迫的加剧，QY-Lss整体呈下降趋势。综合分析表明，裸果木叶片的光能转化效率在土壤干旱过程中逐渐降低，QY-Lss在胁迫前9 d响应较后期更为敏感，说明在土壤相对含水量小于31.38%时，对光能转化的抵制作用更明显，可能与qL-Lss的升高引起了用于光化学电子传递的光能份额的重新分配有关。

3.2.2 土壤干旱过程对叶片生理渗透性调节物质含量的影响 渗透调节是植物适应干旱胁迫的重要生理机制。脯氨酸作为植物在渗透胁迫下一种无毒的渗透调节剂，在细胞质内的大量积累，能够降低细胞的水势，避免细胞脱水，并在高渗环境中获取水分[31]。正常情况下，植物体内游离脯氨酸的含量很低，但当植物受胁迫时，其脯氨酸水平明显增加，表明植物可以通过细胞内积累的溶质降低渗透势，以抵抗外界造成的渗透胁迫[32]。本研究发现，当土壤相对含水量减少时，裸果木幼苗叶片中的脯氨酸含量显著积累，说明在水分亏缺条件下，叶片能够主动积累脯氨酸，增强抗旱性。

可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质，当植物受到干旱胁迫时，可通过积累可溶性蛋白来降低细胞渗透势，从而减小干旱对植物的伤害，可溶性蛋白积累量越大，植物抗旱性越强[33]。本研究发现，随着干旱程度的加剧，裸果木叶片可溶性蛋白含量在干旱胁迫0～6 d时表现为下降，可认为干旱胁迫导致裸果木可溶性蛋白合成速率下降，但在干旱胁迫6～15 d，可溶性蛋白含量显著上升，可能是由于此时脯氨酸含量显著积累，增加蛋白质可溶性，减少可溶性蛋白的沉淀[34]。或者干旱诱导了某些适应水分胁迫相关基因的表达，导致一些新蛋白的出现或某些蛋白量的增加[35]。裸果木叶片的可溶性蛋白含量总体呈升高趋势，表明其在干旱过程中起到了渗透调节作用。

可溶性糖是植物光合作用的初产物，又是一类较为有效的渗透调节物质。可溶性糖含量在干旱胁迫下缓慢积累以维持细胞膨压，从而提高植物抗旱能力[36]。本研究表明，可溶性糖含量随土壤相对含水量的降低而增加，干旱处理的可溶性糖的含量均高于对照，这可能与裸果木幼苗正常的生理代谢有关，说明干旱胁迫促进了可溶性糖的合成，通过发挥渗透调节作用，降低干旱胁迫的伤害。