干旱胁迫对不同葡萄砧木光合特性和荧光参数的影响_綦伟

干旱胁迫对不同葡萄砧木光合特性和荧光参数的影响*綦　伟　谭　浩　翟　衡**(山东农业大学园艺科学与工程学院,泰安271018)【摘要】　干旱胁迫导致葡萄砧木实生苗叶片光合能力下降.在正常供水和轻度干旱下,砧木的P n 以3309C 最高,其次是1103P ,420A 较低,各砧木的G s 和T r 差异不显著;中度干旱下,则以1103P 的P n 最高,3309C 最低;而严重干旱胁迫下,1103P 的P n 比3309C 高出124%,水分利用效率是3309C 的1.95倍.干旱胁迫下,3种砧木的共同趋势是可变荧光(F o )升高,最大荧光(F m )、实际光能转化效率(ФPS Ⅱ)和可变荧光与最大荧光比(F v /F m )降低,但品种变幅不同.中度干旱使3309C 的F o 升高17.1%,F v /F m 降低了8.5%,而1103P 的F o 升高6.8%,F v /F m 降低了5.8%;严重干旱则使3309C 的F o 升高36.2%,F v /F m 降低了20.1%,而1103P 的F o 升高9.9%,F v /F m 降低了10.2%.干旱胁迫对不同葡萄砧木光合和荧光参数的影响与其抗旱性密切相关,其中F v /F m 和P n 的相关系数最大(r =0.9883).关键词　葡萄砧木　干旱胁迫　净光合速率　叶绿素荧光文章编号　1001-9332(2006)05-0835-04　中图分类号　S663.1　文献标识码　APhotosyn the tic characters and fluorescence para me ters of d ifferen t grap e stocks und er w ater stress .Q I W ei ,TAN H ao ,ZHA I Heng (Coll ege of Horticultur e Science and Engineeri ng ,Shandong Agri cultural Un i versity ,Tai ’an 271018,China ).-Chin .J.Appl .E col .,2006,17(5):835～838.The study sho w ed t ha t w ater stre ss dec reased t he ne t pho t o s yn t hetic ra te (P n ),st oma tal conductance (G s ),T r transpirati on rate (T r ),m axi mu m fl uorescence (F m ),ra tio of variable to m axi mu m fluo rescence (F v /F m ),and actual acti v ities o f PS Ⅱ(ФPS Ⅱ),bu t increased t he m i ni m al fluo rescence (F o ).The a ltera tions o f t e st para m e -t e rs d iffe red w it h g rape stocks .Unde r adequate w a t e r suppl y and m ild w ater stress ,t he P n of 3309C w as highe r t han tha t of 1103P and 420A ,whil e t he ch l o rophy ll fl uore scence para m e t e rs o f the se three st o cks changed a littl e .U nde r m ode rate wa ter stress ,the P n o f 1103P w as h i gher than that of 420A and 3309C ,t he F o of 3309C i ncrea sed by 17.1%whil e F v /F m decreased by 8.5%,and t he F o of 1103P increa sed by 6.8%w hil e F v /F m dec reased by5.8%.U nde r seve re wa t e r stress ,t he P n o f 1103P wa s the highest (5.6μm o l m -2 s -1),wh ich w as 24%higher t han t ha t o f 3309C ,and t he w ater use efficiency o f 1103P w as about 1.95ti m es as high as t hat o f 3309C .The F o o f 3309C increased by 36.2%wh ile F v /F m decreased by 20.1%,and t he F o o f 1103P i ncreased by 9.9%whil e F v /F m decreased by 10.2%.It was i m plied t ha t t here w as a c l o se co rre l a tion be t w een d rought -resistance and t he alt e ra tion o f photosynthe tic cha rac t e rs and ch l o rophy ll fl uorescence pa rame ters ,of wh ich ,the co rre lati on i ndex of F v /F m and P n w as t he highest (r =0.9883).K ey w ords G rape st ock ,W ate r stress ,N e t pho t o s yn t hetic rate ,Ch l o rophy ll fl uo rescence .*国家自然科学基金资助项目(30471197).**通讯联系人.E -m ail :hengz @sdau .edu .cn2005-10-12收稿,2006-02-28接受.1　引 言葡萄(Vitis vinifera )是世界上重要的鲜食果品和加工原料,在我国的栽培面积稳步增长.我国葡萄主产区以干旱、半干旱气候为主,冬季寒冷干旱经常导致植株受冻抽干,而春季干旱则严重地影响葡萄的前期生长发育.100多年前,美洲葡萄根瘤蚜传入欧洲,导致了欧亚种葡萄的毁灭,为此,西欧培育了适应其生态条件的各种抗蚜砧木并迅速推广.这些砧木在抗蚜的同时,也不同程度地具有对根结线虫、石灰质、寒、旱、酸、盐渍等不良因素的抗性,其使用已经扩展到除中国、印度、巴基斯坦等少数几个国家之外的大部分葡萄生产国[1].长期以来,我国应用栽培品种自根扦插繁殖,20世纪80年代以后才引进砧木,有关砧木抗性的研究较少[1,16].笔者所在实验室自1995年起开展了引进砧木对根结线虫和生态逆境(旱、寒、盐渍和缺铁)抗性的研究和筛选[16,18,19].本试验选择高、中、低3种不同抗旱类型的葡萄砧木,研究干旱胁迫对砧木光合和荧光参数的影响,以探索葡萄砧木抗旱的生理机制,为葡萄抗性砧木的推广使用提供理论依据.应用生态学报　2006年5月　第17卷　第5期 C H I NESE J OURNA L O F A PPLIED ECOLOGY ,M ay 2006,17(5):835～838DOI :牨牥 牨牫牪牳牱牤j 牨牥牥牨牠牴牫牫牪 牪牥牥牰 牥牨牰牱2　材料与方法2.1　试验设计试验于2004年3～10月在山东农业大学小果园进行.选用上年度培育好的1年生砧木实生苗1103P (抗旱性强)、420A (抗旱性中等)和3309C (抗旱性较弱)[1].春季装盆,瓦盆盆口直径30c m ,盆高30c m ,每盆装土8.5kg ,土壤为沙壤土,由耕地表土掺混有机肥组成,土壤最大持水量为22%.每盆1株,留2个新梢,待葡萄苗长出7～8片叶时选取生长正常、一致的植株进行干旱处理,设轻度干旱胁迫T 1(相对含水量55%～60%)、中度干旱胁迫T 2(相对含水量40%～45%)、重度干旱胁迫T 3(相对含水量(30%～35%)和充分灌水处理CK (相对含水量75%～80%)4个处理,6次重复,盆栽苗上方设遮雨棚,降雨前用塑料薄膜覆盖.每天称重并插孔灌水补充当天损失水分.干旱处理20d 后开始测定叶片的光合和荧光参数.2.2　测定方法选取枝条中部5片成熟连体叶片,用(CIRA S -1)便携式光合仪(PP -Syste m s 公司生产)于晴天上午9:00～10:00测定光合参数,包括净光合速率(P n )、气孔导度(G s )和蒸腾速率(T r ),光合有效辐射(PAR )约为800μmo l m-2s -1.将叶片充分暗适应30m in 后,在同一叶片上用F m S2脉冲调制式荧光仪(英国Hansa t ech 公司生产)测定荧光参数[3],包括F o 、F m 、F v /F m 和ФPS Ⅱ.2.3　数据处理采用M icrosoft Excel 和SPSS 进行数据处理,并对差异显著指标进行Duncan 多重比较.3　结果与分析3.1　干旱胁迫对不同葡萄砧木光合参数的影响3.1.1净光合速率　从图1可以看出,同一砧木在不同干旱胁迫下叶片净光合速率(P n )随干旱胁迫程度的增加而降低,尤其在重度干旱胁迫下更加明图1　干旱胁迫对不同葡萄砧木叶片净光合速率的影响F i g .1E ff ect ofw ater stress on net photosynt hesis rat e of differen t rootst oc k s .T 1:轻度干旱胁迫M il d w at er s tress ;T 2:中度干旱胁迫M oderate w ater stress ;T 3:重度干旱胁迫S evere w ater stress .不同小写字母表示在0.05水平上差异显著,不同大写字母表示在0.01水平差异显著Sm all l etters m eant sign ifican t d iff eren ce at 0.05l evel and cap it a l l etters mean t si gnifi cant difference at 0.01l eve.l 下同Th e sa m e bel o w.显.其中,3309C 的P n 下降幅度大,在中度和重度干旱胁迫下分别比对照降低58%和75%;抗旱性中等的420A 分别降低了32.2%和56.3%;而抗旱性较强的1103P 分别降低15.6%和41.7%,但1103P 的P n 仍然相对较高,为5.6μm o l m -2 s -1.从不同砧木对干旱胁迫的响应可以看出,在正常供水和轻度干旱情况下,各砧木P n 以3309C 最高,其次为1103P ,而420A 较低;中度干旱条件下不同砧木则表现出不同的抗旱能力,以1103P 的P n 最高,420A 次之,3309C 最低,三者间差异显著;重度干旱条件下1103P 的P n 比3309C 高出124%.3.1.2气孔导度　随干旱胁迫程度的增加各砧木叶片气孔导度(G s )逐渐降低,与P n 的变化趋势基本一致(图2).正常供水和轻度干旱胁迫下,各砧木气孔导度相差不大,以1103P 最高,3309C 次之,420A 最低;中度干旱胁迫下3种砧木G s 与对照相比均有大幅度下降,3309C 降幅达59.9%,420A 为52.9%,1103P 为37.6%;在重度干旱胁迫下,三者的G s 分别比对照降低77.9%、74.4%和69.9%.1103P 较高的G s 保证了外部CO 2的供应,从而可以维持其相对较高的P n 值.图2　干旱胁迫对不同葡萄砧木叶片气孔导度的影响F ig .2E ff ect of w ater stress on sto m at al conductance of d ifferent root -stock s .3.1.3蒸腾速率　从图3可以看出,各砧木在遭受干旱胁迫时,其蒸腾速率(T r )均有不同程度的下降.在轻度干旱胁迫下,3309C 的T r 下降了10.8%,420A 下降了11.5%,1103P 下降了8.2%,下降幅度高于净光合速率;中度干旱胁迫时,各砧木蒸腾作用进一步下降,T r 值相差不大,以3309C 稍高,1103P 较低;随着干旱胁迫强度的进一步增加,各砧木的T r 下降幅度明显增加,分别比对照下降78.4%、76.6%和75.4%,以1103P 的T r 值稍高.3.2　干旱胁迫对不同葡萄砧木F o 、F m 、F v /F m 和ФPS Ⅱ影响叶绿素荧光是光合作用的探针,任何环境因子对光合作用的影响都可以通过叶绿素荧光动力学反836 应　用　生　态　学　报 17卷图3　干旱胁迫对不同葡萄砧木蒸腾速率的影响F i g.3E ffect of w at er stress on tran s p irati on rate of d ifferent root s t ocks.映出来[8].初始荧光F o的大小主要与PSⅡ天线色素内的最初激子密度、天线色素到PSⅡ反应中心的激发能传递速率的结构状态及叶绿素含量有关,而与光合作用光化学无关[7].随干旱胁迫程度加剧,不同葡萄砧木PSⅡ反应中心受到破坏或可逆失活,导致F o增加(图4),砧木抗旱性越强对其反应中心的破坏程度越小,F o增加幅度越小.抗旱性较强的1103P到中度干旱胁迫时F o才开始增加且增幅较小,在重度干旱胁迫时为9.9%;而抗旱性较弱的3309C在严重干旱胁迫下显著增加,增幅31.6%;抗旱性中等的420A增幅介于两者之间,为28.4%.最大荧光F m是PSⅡ反应中心完全关闭时的荧光产量,反映了PSⅡ的电子传递情况[6].干旱胁迫下各砧木F m均降低,但下降幅度不同(图4). 1103P在中度和重度干旱胁迫下分别下降了11.3%和18.8%,420A分别下降了9.9%和29.8%,而3309C分别降低了23%和27%,说明干旱胁迫下抗旱性越强的品种PSⅡ光化学活性越强.F v/F m为PSⅡ最大光化学效率,反映PSⅡ反应中心原初光能转化效率.ФPSⅡ为光系统Ⅱ的实际光能转化效率[20].干旱胁迫下各砧木的F v/F m与ФPSⅡ比值均显著降低,但各品种降幅不同(图4).随着干旱胁迫的加重,3309C的F v/F m降幅依次为6.3%、12.1%和20.6%,ФPSⅡ降幅依次为11.5%、13.2%和26.9%,3309C在轻度和中度干旱胁迫下ФPSⅡ差异不显著,而在严重干旱胁迫下显著降低,表明3309C只能忍受中度干旱胁迫;420A 的F v/F m的降幅依次为4.9%、13.8%和20.7%,而ФPSⅡ降幅比3309C稍小,依次为3.2%、7.2%和24%;1103P的降幅最小,F v/F m依次为2.5%、5.8%和10.2%,ФPSⅡ依次为1.3%、7.5%和10.2%.对不同荧光参数与P n进行回归分析发现,各参数均与P n紧密相关,其中F v/F m与P n的相关系数最大(r=0.9883).图4　干旱胁迫对不同葡萄砧木叶绿素荧光动力学的影响F ig.4Infl uences of w at er stress on ch l orophyll fluorescence k i neti of d if-feren t rootst ocks.4　讨 论 光合作用强弱可作为判断植物长势和抗逆性强弱的指标[5].水分状况是影响光合作用的重要因素,干旱胁迫导致光合作用下降是干旱条件下作物减产的重要原因[13].因此,在严重干旱胁迫下保持较高的P n对维持葡萄的正常生长具有重要意义.研究认为,水分亏缺时光合速率的降低并不是由于水原料供应不足直接引起的,而是由水分亏缺造成的气孔或非气孔因素限制[17].有人认为轻度和中度干旱胁迫对葡萄光合的影响主要与气孔关闭有关[2],但越来越多的研究表明,干旱胁迫影响光合磷酸化[11]、核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)再生[4]和核酮糖-1,5二磷酸加氧酶和羧化酶(Rubisco)活性[10],即非气孔限制.本试验3种抗旱性不同的砧木在轻度干旱胁迫时G s、P n和T r的降幅均不显著,除3309C外,其余两种砧木的F v/F m、F o和ΥPSⅡ变化也不显著,说明此时3种砧木的光合限制主要为气孔限制,而3309C在轻度干旱胁迫下ΥPSⅡ降幅显著,说明其开始出现非气孔限制,抗旱性较差.中度干旱胁迫时,3309C的G s和P n显著降低,而ΥPSⅡ和F v/F m与轻度干旱胁迫相比降幅不明显, F o则显著升高,说明此时3309C的PSⅡ反应中心8375期 綦　伟等:干旱胁迫对不同葡萄砧木光合特性和荧光参数的影响 受到破坏或可逆失活,气孔限制和非气孔限制协同作用;而1103P与对照相比尽管G s降幅较大,但P n 降幅较小,ΥPSⅡ和F v/F m仍维持在较高水平上,说明1103P的PSⅡ反应中心没有受到明显破坏,仍以气孔限制为主,非气孔限制占次要地位.严重干旱胁迫时,3309C的G s和P n降幅更加明显,ΥPSⅡ和F v/F m也显著降低,F o显著升高,说明3309C只能抵御中度干旱胁迫,此时的光合作用主要为非气孔限制;1103P的G s和P n降幅较大,ΥPSⅡ和F v/F m 也显著降低,说明此时非气孔限制上升为主要限制因素.这与前人的试验结果一致[9,17].干旱胁迫时植株气孔开度减少或部分关闭,导致气孔阻力加大,蒸腾速率减少,从而减少了植株体内的水分蒸发[17].1103P在严重干旱胁迫下G s和T r的降低幅度比3309C和420A小,较高的G s使其能够较多地利用环境中的C O2,这也可能是其P n较高的原因之一.尽管其T r较高,却又有较高的光合速率,使其单叶水分利用效率(P n/T r)达到7.8μm o lCO2mm ol-1H2O,而3309C和420A分别只有4和5.6μm ol CO2mm o l-1H2O.这也是1103P 抗旱性较强而3309C抗旱性较弱的重要原因之一.正常情况下,叶绿素吸收的光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散3种途径消耗[15].这3种途径间存在着此消彼长的关系,光合作用和热耗散的变化会引起荧光发射的相应变化,可以通过对荧光的观测来研究光合作用和热耗散的情况[12,14].干旱胁迫下,不同葡萄砧木品种的F m、F v/ F m和ΥPSⅡ均降低,说明干旱胁迫抑制了PSⅡ的光化学活性,使不同葡萄砧木PSⅡ的原初光能转化效率、PSⅡ实际光能转化效率及PSⅡ潜在光合作用活力受到抑制,表现为不同葡萄砧木P n显著降低.ΥPSⅡ是原初光能转化效率的度量指标,同时也是光合作用光抑制的度量指标[21].干旱胁迫降低了光合作用中心PSⅡ原初光能转化效率,且随着干旱胁迫加剧,PSⅡ原初光能转化效率迅速降低.这不仅与土壤的干旱胁迫状态有关,还与随光照强度增加而引发的光合作用“光抑制”加剧有关.对照处理砧木叶片的稳态ΥPSⅡ基本不变,轻度干旱胁迫下呈小幅度下降,而中度和重度干旱胁迫时明显下降,说明严重干旱胁迫限制了PSⅡ反应中心的电子传递,降低了PSⅡ电子传递量子产量,严重限制了叶片光合作用的正常进行.可以认为,ΥPSⅡ下降是干旱胁迫下葡萄砧木叶片P n降低的内在原因之一,抗旱性越弱的品种下降幅度越大,其叶绿素荧光受干旱胁迫影响的程度也越大.参考文献1　Chen J-F(陈继峰).2000.P res en t situati ons and pros p ects on root-stock s of grap e.J F r uitS ci(果树科学),17(2):138～146(i n Ch i-nese)2Corn i c G,M ass acci A.1996.Leaf phot os yn t hesis under drough t stress.In:Bak er NR ed.Photos yn t hesis and t he Environm en.t The Net herl and s:K l uw er Acade m ic Pub li 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