水分胁迫条件下葡萄生理生化反应研究进展

532008.05收稿日期：2008-06-07作者简介：侍朋宝（1979-），男，硕士，讲师，研究方向为葡萄与葡萄酒。

E-mail:shipengbao@水分胁迫常常对植物的生长发育、生理过程和产量造成极大的影响。

我国北部干旱、半干旱地区总面积约占全国土地面积的一半，并且有1/3以上的葡萄种植区位于干旱和半干旱地区，所以北方大多数葡萄都会遭受干旱的威胁。

干旱会破坏植物的水分代谢，使细胞脱水造成水分亏缺，使葡萄生长发育产生生理障碍，降低葡萄产量，影响果实品质及酒质，因此是制约葡萄与葡萄酒产业发展的重要环境因子[1]。

1 葡萄的形态指标1.1 叶片在水分胁迫条件下，随胁迫程度的加剧，叶片变厚，上下表皮细胞变扁，细胞纵/横径比值变小，栅栏细胞在干旱时变细长，海绵细胞变小，细胞刚性增大。

叶片CTR（栅栏组织厚/叶厚）值越大，SR（海绵组织厚/叶厚）值越小，抗旱性越强 [2-4]。

李予霞等研究得出，胁迫后葡萄的新生叶片明显变小，叶脉多而皱缩，有些甚至出现畸形，不对称、无正水分胁迫条件下葡萄生理生化反应研究进展侍朋宝1，陈海菊2 ，柴菊华1（1.河北科技师范学院食品工程系；2.河北科技师范学院园艺园林系 河北昌黎 066600）摘 要：从水分胁迫对葡萄叶、根的形态及气孔行为、光合作用、呼吸作用、质膜透性、氮代谢、碳水化合物代谢、活性氧代谢、内源激素变化等生理生化方面的研究进行了综述，为全面研究葡萄抗旱机理及进一步制定抗旱措施奠定理论基础。

关键词：葡萄；水分胁迫；形态指标；生理生化指标常叶缘锯齿，大量叶肉组织纤维化，细胞伸长逐步分化为导管，叶表面粗糙、叶片皱缩[5]。

抗旱性强的葡萄种类的表皮细胞小于抗旱性弱的种类，且排列致密[2]；同时抗旱性强的品种叶片大、小气孔较小，抗旱性弱的品种则相反，且葡萄的抗性越强气孔密度越大。

另外，目前已在葡萄上发现气孔群，气孔群的存在可能有利于水分的保存[6]。

1.2 根土壤在适度干旱胁迫条件下有利于促进葡萄植株根系生长，增加新根数量和活性，显著增加有效根表面积，同时可适当减少地上部营养器官的生长，提高葡萄的根冠比，更有利于养分和水分的吸收[7-8]；但在严重干旱胁迫下会显著抑制葡萄新梢和根系生长，使根冠比重新变小[7]。

另据研究得出，葡萄根系具有提水作用，在实施分根处理的条件下，水分会从湿根一侧进入干根一侧[9]。

因此，根据这些特点可以对葡萄实施交替灌溉，在节约水分的同时适当限制新梢营养生长，既减少了葡萄园夏剪工作量又有利于果实品质的提高。

2 生理生化指标2.1 气孔反应气孔是植物体与外界进行H 2O 和C O 2交换的重要门户，既能使光合作用所需的CO 2通过，又能防止过多的水分散失，从而保持一定的气孔导度。

叶片气孔导度为零时的水势越低，表示气孔对水分胁迫的忍耐力越大。

气孔对水分胁迫的反应有前馈式反应和反馈式反应，前馈式反应是指气孔对空气湿度的变化所表现的一种直接反应，是由水气压亏缺直接作用而引起的气孔关闭，可以阻止叶水势进一步下降[10]，构成防止水分散失的“第一线防御”，此现象最早是Schulze等在以色列Negev沙漠气候下生长的杏树上发现的。

以后相继在葡萄、苹果、草莓、桃、李、樱桃、巴旦杏、咖啡、荔枝等植物上有发现，说明葡萄的气孔具有前馈式反应。

反馈式反应是指土壤干旱时果树叶水势下降，气孔对脱落酸水平提高的响应而引起气孔关闭，构成“第二线防御”。

反馈式调节提供了另一个稳定水势的机制，当叶水势下降，气孔阻力增大就可阻止叶水势的进一步下降，在葡萄上已发现这种气孔反应[1,11]。

在水分胁迫处理下，当土壤相对含水量在48%时，叶片气孔开张度已明显减小，并且随着土壤相对含水量的降低，开张程度在1天中相对均匀的减小，在土壤相对含水量很低的情况下，叶片气孔在整个白天几乎都处于完全关闭的状况[12]。

另外，在实施控制的实验条件下，已观察到许多植物的气孔开度、蒸腾速率和光合速率以20～100min的周期振动。

目前，对这种周期性变化的生理意义还不清楚，但有人认为这种周期性振动可能具有调整CO2吸收和控制水分耗失之间的矛盾以及使水分利用最佳化的作用。

Imed Dami等研究得出，在有胁迫与无胁迫处理的葡萄幼苗间，气孔指数没有发生变化[13]。

而李予霞等近年研究得出，在水分胁迫条件下，葡萄试管苗叶片气孔减少，气孔指数下降， 随着水分状况的恶化，葡萄叶片倾向于向减少气孔数量的方向发育[14]。

2.2 光合作用光合作用是植物的一种重要生理功能。

水分胁迫对果树光合作用的影响已获得大量的实验证实。

在短期快速水分胁迫下，净光合速率并不随叶水势下降而立即下降，而是维持着与原来差不多的水平，直到出现叶水势阈值时净光合速率才发生陡降，直至净光合速率为负值，葡萄的叶水势阈值为-1.3～ -1.5MP[10]。

中高度胁迫时，叶绿体分解速度加快，含量降低，从而导致光合下降[15]，净光合速率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显[16]。

进一步研究表明，水分胁迫降低了形态上未表现任何胁迫症状的中部节位叶片的净光合强度，降低了叶绿素含量，且具有不可逆性[1]。

另外，光合速率和蒸腾速率是导致葡萄砧木、植株等水分利用效率改变的主要因素[17]，适度干旱可以降低光合速率、蒸腾速率和气孔导度[18-20]，从而提高葡萄的水分利用效率，提高抗旱性[18]。

叶绿体在正常情况下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种途径来消耗，可以通过对荧光的观测来研究光合作用和热耗散的情况。

Downton测定了葡萄叶片对水分不同胁迫速度的反应，发现在快速胁迫时，可变荧光（F v）很快消失，而在缓慢胁迫过程中，叶片水势在-1.1～-1.5MP之间，Fv基本不变，水势超过-1.5MP则Fv下降；Schultz研究表明，不同生态型的葡萄在相同水分胁迫条件下的荧光参数变化较大[21]。

可变荧光和初始荧光（Fo）比值（Fv/Fo）可以反映光系统Ⅱ的活性。

在适度和严重水分胁迫下葡萄的荧光参数Fv/Fo、Fv/Fm均降低，说明水分胁迫抑制光系统Ⅱ的光化学活性，使光系统Ⅱ的原初光能转化效率、实际光能转化效率及潜在光合活力受到抑制，表现为植株净光合速率降低[18,22-23]。

抗旱性越弱的品种其叶绿素荧光受干旱胁迫影响的程度也越大[16]。

干旱胁迫使植株光能利用能力下降，光能不能及时有效的被植物利用或耗散时，植物就会遭受强光胁迫，引起光合能力下降，发生光抑制。

光抑制是指过剩光能导致的光能转化效率的降低和光合器官的损伤。

光抑制理论包括耗散过剩光能的光保护机制运转和过剩光能对光合机构的破坏2个方面[24-25]。

Flexa的研究表明，葡萄在夜间低温和水分胁迫条件下无明显的光抑制现象，而出现明显的非光化学猝灭[26]。

During认为非光化学猝灭在相对较低的光合有效辐射水平下开始增加，在光合有效辐射为1600μmol/（m2•s）时达到饱和，并且水分胁迫条件下该值高于适当灌水的葡萄。

另外，在高水平的光合有效辐射条件下米勒葡萄表现出光合作用的光抑制，并且干旱会增加光抑制作用[27]。

管雪强等研究也得出，在干旱处理并喷光呼吸抑制剂异烟肼（INH）的条件下，光抑制程度明显加重[28]。

2.3 呼吸作用呼吸作用直接影响果树的同化产物代谢。

植物的绿色细胞中除存在暗呼吸外还存在光呼吸作用。

暗呼吸指不论有无光条件都不停地进行呼吸，把植物体的有机物质氧化，并释放出能量供542008.05552008.05细胞生命活动利用的呼吸作用。

而光呼吸是指植物绿色部分在有光条件下吸收O 2、释放CO 2的过程。

水分胁迫可显著降低葡萄中部节位叶片的暗呼吸[1]。

在干旱处理并喷光呼吸抑制剂异烟肼的条件下可严重抑制赤霞珠葡萄的光呼吸，这主要是因为用于加氧反应的电子传递明显降低，并同时导致光抑制程度明显增加，因而可以认为，在干旱条件下的赤霞珠葡萄上光呼吸具有重要的光保护作用[28]。

2.4 质膜透性干旱胁迫下细胞质膜透性的变化是判断品种耐旱性的重要生理标准之一。

在水分胁迫下，随着干旱程度的加剧，葡萄的质膜透性增加[29]，且主要表现在葡萄下部节位叶片的细胞质膜透性增加，而对中部和上部节位叶片无显著影响[1]。

所以，就成熟叶片而言，水分胁迫的最初形态症状表现在下部节位的叶片上。

2.5 氮代谢水分胁迫下游离氨基酸增多是氮代谢过程受干扰的主要表现。

游离氨基酸随着胁迫程度的增加而增加，抗旱性较强的葡萄比抗旱性较弱的葡萄增加的幅度更大，这表明游离氨基酸可能作为渗透调节物质在葡萄抵御干旱中起着一定的作用[30]。

果树氮代谢最引人注意的转变是脯氨酸的累积。

在水分胁迫下，葡萄叶片内脯氨酸含量增加[31]，而且抗旱性强的种类（品种）比抗旱性弱的种类（品种）上升幅度大。

脯氨酸大量积累的作用除保持原生质与环境渗透平衡，防止水分散失外，还可能直接影响蛋白质的稳定性。

脯氨酸积累的持续能力可能与植物所遭受的渗透胁迫强度有关，超出其忍耐力时，脯氨酸积累不能持续，反而下降[14]。

夏阳研究得出，脯氨酸虽然在干旱处理后几天内增加，但在干旱未解除的情况下又很快下降到与对照接近，因此认为脯氨酸含量的变化是树体处于逆境下的一种受害反应特征，并且不同树种反应各异，机理尚需进一步研究[15]。

2.6 碳水化合物代谢水分胁迫可引起葡萄可溶性糖增加[32]，某些特殊糖类也发生累积，其主要生理作用是参加渗透调节。

水分胁迫对葡萄叶片中可溶性糖的影响主要是增加了肌醇、果糖和葡山甘(葡萄糖+山梨醇+甘露醇)的含量[30]。

刘崇怀报道在水分胁迫下，葡萄叶片中还原糖含量增加，蔗糖在轻度胁迫下增加，严重胁迫下下降。

可能的原因是在较轻胁迫下，葡萄叶片内的多糖被水解成单糖、还原糖和寡聚糖；在严重胁迫下，寡聚糖进一步水解成单糖[33]。

李予霞等的研究结果表明，水分胁迫使葡萄幼龄叶片可溶性总糖含量增加，而在成熟叶片中减少。

说明水分胁迫导致渗透调节物质由老组织向幼嫩组织运输并积累，从而提高了幼嫩组织的干旱适应能力[34-35]。

由此说明，可溶性糖的测定结果与取样叶龄有很大关系。

2.7 活性氧代谢正常情况下，植物通过多条途径，如分子氧单电子还原过程、某些酶催化过程和某些低分子化合物的自动氧化，不断的产生O 2-（超氧阴离子自由基）、-O H （羟自由基）和1O 2（单线态氧）等活性氧类（A O S ）物质。

但同时，植物体内也存在清除这些自由基的多种途径，如超氧化物歧化酶（S O D ）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）及抗坏血酸（ASA）、类胡萝卜素（C A R ）、V E 等。

由于植物体AOS的产生与清除处于平衡状态，不会导致植物伤害。

但在水分胁迫条件下，这种平衡状态遭到破坏而有利于AOS的产生和积累，从而引发或加剧细胞膜脂过氧化，造成膜系统的损伤，严重时导致细胞死亡。