干旱脅迫對馬纓杜鵑生長和光合生理特征的影響

曾 松,歐 靜,田 奧,李葦潔,林世成,王洪飛,周玉梅

(1.貴州大學林學院,貴陽 550025;2.貴州省山地資源研究所,貴陽 550001)

【研究意義】杜鵑屬(Rhododendron)植物是重要的觀賞花卉,特別是常綠杜鵑亞屬杜鵑,其花大色艷,具備廣闊的開發前景[1]。常綠杜鵑亞屬杜鵑主要集中分布于我國西南地區光線較強、水分較少的林緣和小山丘等環境[2],大多為大灌木或小喬木,且其根系淺薄,易受環境因子影響[3]。近年來,西南地區持續增溫,降水逐年減少,干旱已逐漸威脅杜鵑健康生長及分布[4]。通常植物處于干旱環境時,光合作用(氣孔導度、光合速率和葉綠素含量等)率先受到影響,其指標發生改變進而影響物質和能源供給。在光合作用影響下,植物開始通過降低株高、地徑、葉面積和增大根冠比等改變形態的方式來減少水分散失,提高植株對土壤水分的吸收[5]。無論是生長還是生理指標均有可能因對土壤水分的適應性不同而表現出不同的數量關系和閾值。百里杜鵑是我國重要的杜鵑種質資源庫,常綠杜鵑亞屬物種超過70%,馬纓杜鵑(Rhododendrondelavayi)是其重要的優勢種和建群種[6]。近20年來,貴州省發生極端高溫、干旱事件的概率達70%[7],馬纓杜鵑出現不同程度的退化甚至死亡[8]。因此,研究干旱脅迫對馬纓杜鵑生長和光合生理特征的影響,對保護馬纓杜鵑資源具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】目前,大量學者關于干旱脅迫對杜鵑影響的研究已涵蓋個體、細胞和分子水平[2,9-10],其從個體生長、細胞器結構和細胞水分方面闡述了杜鵑花在不同干旱程度下的適應策略。一些植物生長的水分臨界值研究以植物葉片光合生理參數(光合速率、蒸騰速率水分利用效率等)為衡量標準,通過光合生理參數響應水分梯度的曲線計算積分平均值,作為劃分植物水分利用情況的依據[11-12]。盡管光合作用可通過一系列復雜過程為植物體提供能源物質[13],綜合體現植物應對干旱脅迫的適應機制。但瞬時光合生理參數往往易受氣候條件影響[14],不能完全真實地反應植物的實際生長狀況。因此,應建立不同指標的數量關系,將生長及生理指標的水分適應范圍加以區分,并尋找關鍵閾值,更好地探究杜鵑在干旱條件下的生長和生理適應機制?！颈狙芯壳腥朦c】關于干旱脅迫對杜鵑影響的研究目前尚未能體現各類指標隨定量土壤含水量變化而變化的趨勢,不利于關鍵閾值的確定?！緮M解決的關鍵問題】以2年生馬纓杜鵑實生苗為研究對象,采用盆栽控水法結合單因素方差分析和回歸分析研究不同干旱脅迫對馬纓杜鵑幼苗生長和光合生理指標的影響,建立不同指標響應水分梯度的數量關系,探明適宜馬纓杜鵑生長的土壤含水量閾值,揭示其抗旱能力和適應機制,為馬纓杜鵑資源的開發利用和抗旱新品種的選育提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 杜鵑 杜鵑苗,2年生馬纓杜鵑實生幼苗,無病蟲害,長勢一致,購于貴州省畢節市百里杜鵑萬綠源種苗公司。

1.1.2 土壤基質 由黃壤土與腐殖土按質量比1∶4配成,自制。

1.1.3 儀器設備 TR-8D土壤水分儀,順科達科技有限公司;UV1901紫外分光光度計,上海奧析科學儀器有限公司;Li-6400系列便攜式光合作用測量系統, 美國LI-COR公司生產。

1.1.4 其他 塑料盆,上口徑17 cm,下口徑15 cm,高17 cm。

1.2 試驗設計

1.2.1 材料預處理 2021年12月15日,將馬纓杜鵑幼苗移栽于裝有2 kg土壤基質的塑料盆中,緩苗2個月備用,其間進行正常水分管理。

1.2.2 試驗設計 試驗共設6個處理。對照(CK):土壤含水量為田間持水量80%～100%;FC60:土壤含水量為田間持水量60%～80%;FC40:土壤含水量為田間持水量40%～60%;FC30:土壤含水量為田間持水量30%～40%;FC20,土壤含水量為田間持水量20%～30%;FC10:土壤含水量為田間持水量10%～20%。每個處理栽20盆,每盆栽1株。2022年2月15日,充分澆水使馬纓杜鵑盆栽土壤含水量飽和,并使其自然落干,隨后每天用土壤水分儀檢測盆栽土壤含水量,當達到各預設土壤干旱程度時記錄盆栽重量,并按處理進行分組。至2022年3月1—5日,試驗設定的各處理和重復均已達到要求,自此開始干旱脅迫試驗,此后每天18:00稱重控水,及時補足盆土散失的水分。為減少馬纓杜鵑自身生長重量的影響,每隔5 d用土壤水分儀檢測土壤含水量,及時調整澆水量。連續控水3個月后,于6月15日測定不同干旱處理下馬纓杜鵑的形態指標和光合生理指標。

1.2.3 指標測定 (1)形態指標。采用卷尺測定各處理馬纓杜鵑的株高(栽培基質表面至馬纓杜鵑幼苗主莖頂端的距離),采用游標卡尺測定地徑,每株地徑為水平面垂直方向測2次取平均值;使用卷尺測定芽長(芽痕至芽先端長度),每個處理測定20株主干頂芽長取平均值;通過計算株高和地徑的相對生長量HO(%)及DO(%)進行比較。葉面積采用網格法測定,每個處理隨機選擇5株馬纓杜鵑幼苗,分別取當年生第3輪新葉和上一年生第3輪老葉緊貼于0.5 cm×0.5 cm的網格紙上,用鉛筆描出輪廓,數出新葉和老葉覆蓋的方格數,分別計算新葉和老葉的面積(不足半格的舍去,超過半格的計1格)。采用目數法測定干旱脅迫開始時每盆植株的老葉數及脅迫試驗之后每盆植株的新葉數和落葉數,并比較干旱脅迫處理后植株的新葉率(RN,%)、落葉率(RO,%)及留在植株上的總葉面積(AT,cm2)。葉片相對含水量(RWC,%)采用烘干法測定,從每個處理隨機選擇5株馬纓杜鵑幼苗,取第3輪當年生成熟葉片帶回實驗室測定相對含水量。

(1)

(2)

(3)

(4)

AT=N×AN+O×AO-F×AO

(5)

(6)

式中,HO(%)及DO(%)分別為株高和地徑的相對生長量,H1(cm)、D1(mm)及H2(cm)、D2(mm)分別為初始和干旱脅迫3個月后的株高、地徑,RN(%)及RO(%)分別為新葉率和落葉率,N、O及F分別為新葉數、老葉數及落葉數,AT(cm2)、AN(cm2)和AO(cm2)分別為總葉面積、新葉面積和老葉面積,M1、M2和M3分別為葉片鮮重、干重和吸水飽和重。

(2)光合生理指標。葉綠素采用乙醇浸提法測定[15],即從每個處理隨機選擇5株馬纓杜鵑幼苗,每株取1張第3輪葉片用蒸餾水洗凈葉子表面雜質并擦干水分,去掉中脈剪碎混勻后,準確稱取0.1 g馬纓杜鵑葉子剪碎放入離心管中,加入8 mL 95%乙醇,浸提24 h充分提取光合色素。提取完畢后,吸取1 mL浸提液加入比色皿,再加入2 mL 95%乙醇稀釋,在波長分別為470和645 nm的紫外分光光度計下測定吸光值,再計算葉綠素a和葉綠素b的含量。光合參數:采用Li-6400便攜式光合作用測定系統進行測定,即選取6月中旬晴朗無風天氣,在9:30—12:00進行葉片各項光合參數的測定。開始測定前,利用光合儀自帶紅藍光葉室,將光源有效輻射強度設置為1000 μmol/(m2·s),選取第3輪成熟葉片活化30 min,待各項指標穩定后開始測定。

(3)土壤水分緩沖區的確定。隨著土壤含水量的逐漸降低,生長和生理指標表現為2種響應形式:一種為單調遞增或遞減變化,一種為單峰曲線變化。對于呈單調變化的指標,土壤水分梯度直接反映指標變化水平,沒有在輕微干旱的時候產生適應性而升高。對于呈單峰曲線變化的指標,當土壤含水量由CK逐漸降低,相應指標表現為先緩慢增加至最大值后逐漸下降至CK對應的初始值水平,認為在該區間內的指標對輕微的干旱產生一定的適應性而適當增加,之后隨土壤含水量的降低繼續下降,將CK對應的指標初始值水平之間的土壤含水量范圍定義為土壤水分緩沖區。

1.3 數據統計與分析

采用Excel 2010對不同干旱程度下馬纓杜鵑的生長和光合生理指標進行記錄,使用SPSS 19.0進行單因素方差分析和Duncan多重比較(P<0.05)。采用OriginPro 2016進行回歸分析并繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫處理馬纓杜鵑的株高和地徑

從圖1看出,不同處理馬纓杜鵑在3月15日的初始株高基本一致,均保持在20 cm左右,而初始地徑除FC60為6.08 mm外,其他處理初始地徑均在5.50 mm左右。干旱脅迫3個月后,馬纓杜鵑株高為26.18～39.11 cm,隨干旱脅迫加劇呈先降后升再降趨勢,雖FC30大于FC40,但各處理均低于CK,整體還是呈隨干旱加劇逐漸減小趨勢;地徑為5.84～6.81 cm,隨干旱加劇呈先升后降趨勢,FC60具有最大值。株高相對生長量為25.68%～49.86%,隨干旱脅迫加劇呈先升后降再升再降趨勢,FC60顯著高于FC40、FC20和FC10,與其余處理差異不顯著;FC40顯著低于FC60和FC30,FC10顯著低于其余處理。地徑相對生長量為8.92%～13.03%,各處理間差異不顯著。說明,重度干旱顯著限制馬纓杜鵑株高生長。通過回歸分析可知,馬纓杜鵑株高和地徑相對生長量隨土壤含水量增加均呈先增后減的響應趨勢。其中,株高相對生長量與土壤含水量擬合精度(R2=0.67,P=0.19)高于地徑相對生長量(R2=0.37,P=0.48),但二者均未達顯著水平。

2.2 干旱脅迫處理馬纓杜鵑葉片的生長

由表1可知,不同干旱脅迫馬纓杜鵑葉片的生長存在明顯差異。芽長為0.63～4.60 cm,隨干旱脅迫加劇呈先升后降趨勢,其中,FC60顯著高于FC10、FC20和FC30,FC10顯著低于除FC20外的其余處理,其余處理差異顯著或不顯著。新葉數為8.82～21.86片,隨干旱脅迫加劇呈先升后降趨勢,其中,FC60顯著高于FC30、FC20和FC10,其余處理差異不顯著。落葉數為2.00～4.36片,隨干旱脅迫加劇呈先升后降再升趨勢,其中,FC20、FC10顯著大于CK,其余處理間差異不顯著?？側~數為21.36～34.36片,隨干旱脅迫加劇呈先升后降趨勢,其中,FC60顯著高于FC10,其余處理間差異不顯著。單葉面積為25.33～70.42 cm2,隨干旱脅迫加劇呈下降趨勢,其中,CK顯著高于其余處理,FC60顯著高于除FC40外的其余處理,FC40顯著高于FC20和FC10,FC30與FC20之間差異不顯著但均顯著高于FC10。葉片相對含水量為0.74%～0.99%,僅FC10顯著低于其他處理。綜合看,不同處理葉片的生長指標對干旱脅迫的響應不盡一致,總體上過低的土壤水分含量會顯著抑制葉片的生長。

柱狀圖上不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significance of difference among different treatments at P<0.05 level.

表1 不同干旱脅迫馬纓杜鵑葉片的生長

由圖2可知,除葉片相對含水量與土壤含水量的回歸效果未達顯著水平(R2=0.77,P=0.11)外,其余葉片生長指標均與土壤含水量存在顯著回歸關系。其中,落葉率隨土壤含水量增加呈逐漸降低趨勢,總葉面積和單葉面積隨土壤含水量增加均呈逐漸增加趨勢,表明,馬纓杜鵑通過減少葉面積,促進老葉掉落的方式適應干旱脅迫。芽長、新葉率及葉片相對含水量隨土壤含水量增加呈先升后降的單峰曲線變化,其中,芽長在土壤含水量為32.78%(CK)時為3.7 cm,隨著土壤含水量逐漸降低至25.97%,芽長緩慢增加到最大值4.61 cm,此后土壤含水量繼續降低至16.30%時,芽長開始逐漸減少至初始CK處理下的3.7 cm,此后隨干旱脅迫的持續加劇,芽長開始迅速下降。由此可知,土壤含水量為25.97%時是馬纓杜鵑芽長的最適土壤含水量,而土壤含水量介于16.30%～32.78%時,芽長生長并未在干旱脅迫下減少,反而產生了一定的適應性,因此土壤含水量為16.3%～32.78%是芽長在干旱脅迫時的緩沖區。同樣,馬纓杜鵑新葉率達最大值53.63%的最適土壤含水量為25.18%,土壤干旱脅迫緩沖區閾值為15.08%～32.78%。

圖2 葉片生長指標與土壤含水量的回歸曲線模擬Fig.2 Regression curve simulation of leaf growth index and soil moisture content

2.3 干旱脅迫處理馬纓杜鵑的光合特性

由表2可知,不同干旱脅迫馬纓杜鵑葉片的光合特性存在明顯差異。

表2 不同干旱脅迫馬纓杜鵑的光合特性

葉綠素a為0.99～2.15 mg/g,隨干旱脅迫加劇呈先升后降趨勢,其中,CK葉綠素a顯著低于其他處理,而FC30顯著高于其他處理。表明,干旱脅迫對馬纓杜鵑葉綠素a含量具有顯著影響。葉綠素b為0.12～0.14 mg/g,隨干旱脅迫加劇呈先降后升再降趨勢,其中,FC30、FC20和FC10差異不顯著但均顯著低于CK和FC60、FC40,后三者差異不顯著。凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度分別為0.59～3.15 μmol/mol,0.01～0.03 mmol/mol,242.54～300.85 μmol/mol,依次呈先升后降、下降和先降后升趨勢,但各處理間差異不顯著。蒸騰速率為0.46～1.51 mmol/(m2·s),呈先升后降趨勢,其中,FC60顯著高于FC20和FC10,其余處理間差異不顯著。說明,馬纓杜鵑葉綠素對干旱脅迫的響應較敏感,而光合參數中僅蒸騰速率受干旱影響顯著。

由圖3可知,葉綠素a(P=0.29)及凈光合速率(P=0.06)隨土壤含水量增加呈先升后降的單峰曲線變化,葉綠素b(P=0.10)隨土壤含水量增加呈逐漸增加趨勢,胞間CO2濃度(P=0.24)則隨土壤含水量的增加呈先降后升趨勢,然而這些回歸關系均未達顯著性水平。氣孔導度(P=0.03)及蒸騰速率(P=0.02)隨土壤含水量的變化回歸效果達顯著水平。其中,氣孔導度隨土壤含水量增加逐漸增加,且增大幅度逐漸平緩;蒸騰速率隨土壤含水量增加呈先增后減趨勢,在土壤含水量閾值為30.09%時具有最大值1.46 mmol/(m2·s),土壤干旱脅迫緩沖區閾值為27.40%～32.78%。

圖3 光合特性與土壤含水量的回歸曲線模擬Fig.3 Regression curve simulation of photosynthetic characteristics and soil moisture content

3 討 論

在應對干旱脅迫時,通過改變形態特征適應土壤水分變化是植物的主要生存策略[16]。有研究表明,黑果腺肋花楸幼苗地徑在干旱脅迫下顯著降低,而株高變化不顯著[17]。本研究結果表明,不同干旱脅迫馬纓杜鵑的株高增長量存在明顯差異,且隨著干旱脅迫程度降低,株高相對生長量逐漸增加,當土壤含水量為26.00%時達最大值,之后開始緩慢降低,盡管回歸關系并未達顯著水平,但擬合精度仍然在可接受范圍內。表明,馬纓杜鵑對土壤水分有一定的適應范圍,土壤水分過高或過低均會限制株高的增長,與蘇春莉等[18]的研究結論一致。地徑相對生長量在不同干旱脅迫下差異不顯著,且其回歸關系也不顯著,擬合精度較低,表明,地徑生長受干旱影響較小,與張蕓香等[19]研究杜仲地徑對干旱脅迫響應的結論一致。這是因為植物主干是水分運輸通道,受土壤水勢的影響明顯,即干旱條件下土壤水勢明顯降低,水分運輸距離縮短,株高生長明顯受到影響,因此株高對土壤干旱的響應更為敏感,馬纓杜鵑主要通過降低株高來減少土壤水分的消耗,以適應干旱[20]。

相較于株高和地徑,葉片是植物直接與外界環境進行物質和能量交換的重要器官,對環境變化的響應更加敏感[21]。通過多重比較可知,不同干旱脅迫葉片的生長指標均差異顯著。單葉面積和總葉面積隨干旱脅迫減弱逐漸增加,落葉率隨干旱脅迫增強逐漸增大,與丁雪丹等[22]的研究結論一致。然而,芽長、新葉率和葉片相對含水量并未表現出隨干旱脅迫增強而單調遞減的變化趨勢,而是先緩慢增加后逐漸降低,反映出葉片生長在抵御輕微干旱時,產生了一定的適應性;其相應土壤含水量的緩沖區域分別為16.30%～32.78%、15.08%～32.78%和12.32%～32.78%。相似的變化結果在王園園等[23]對苜蓿干旱脅迫的研究中也得到印證。一般情況下,較低的土壤水分環境可促使植物通過自我調整葉片數量和面積從而使體內資源利用最大化,以適應脅迫環境[24]。本研究結果表明,在干旱脅迫水平較低時,馬纓杜鵑可通過降低葉片面積、增加老葉凋落數量的策略來適當提高芽長及新葉增長數量;當干旱脅迫持續加重,超過土壤含水量緩沖區的閾值后,葉片的各生長指標均迅速降低。

葉綠素a和葉綠素b在植物光合作用過程中參與光能的吸收、耗散和分配[8]。研究結果表明,干旱脅迫下葉綠素a的含量顯著高于CK,葉綠素b的含量也在干旱脅迫程度小于FC30時顯著降低。葉綠素a和葉綠素b的含量分別反映植物對長波和短波光的吸收能力[24],馬纓杜鵑對長波光和短波光的吸收能力分別與青岡櫟及茄子一致。盡管凈光合速率、氣孔導度及胞間CO2濃度在不同干旱脅迫下差異均不顯著,但氣孔導度對干旱梯度的響應仍然達顯著水平。氣孔導度反映植物細胞與外界交換氣體的能力[25],干旱加劇可使氣孔皺縮、通道變窄[26],限制植物蒸騰速率及氣體交換能力。然而本研究中氣孔導度與蒸騰速率、植物生長指標(株高、芽長、新葉率、葉片相對含水量等)對干旱脅迫的響應并不一致,表明,在輕度干旱條件下,植物光合速率下降并非受氣孔的限制[17,25],而是由于葉肉細胞光合活性下降或根系吸水能力降低所致。

4 結 論

不同干旱脅迫對馬纓杜鵑幼苗生長及光合特征的影響存在明顯差異。其中,馬纓杜鵑幼苗株高增量在最高和最低土壤含水量下差異顯著;葉片生長指標中,FC60和FC10的葉長、新葉數、總葉數和單葉面積相對含水量具有顯著差異,芽長、新葉率、落葉率、總葉面積及單葉面積與土壤含水量的回歸關系顯著。其中,芽長和新葉率在土壤含水量分別為25.97%和25.18%時達最大值;土壤含水量分別為16.30%～32.78%和15.08%～32.78%是馬纓杜鵑幼苗適應干旱脅迫的緩沖區。光合特征指標中僅葉綠素a、葉綠素b和蒸騰速率在不同干旱脅迫下差異顯著,僅氣孔導度及蒸騰作用與土壤含水量的回歸關系達顯著水平。其中,蒸騰作用在土壤含水量為30.09%時達最大值,土壤含水量為27.40%～32.78%時為馬纓杜鵑幼苗適應干旱脅迫的緩沖區。