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干旱胁迫下菊芋叶片光合变化规律研究

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  • 更新时间2015-09-22
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李 屹,王丽慧,赵孟良,孙雪梅,李 莉

(青海省农林科学院菊芋研发中心/青海省蔬菜遗传与生理重点实验室,西宁 810016)

摘要:试验以菊芋(Helianthus tuberosus L.)品种青芋1号(H. tuberosus cv. Qingyu No.1)和青芋2号(H. tuberosus cv. Qingyu No.2)为材料,采用聚乙二醇模拟干旱胁迫方法,对菊芋叶片光合作用相关参数的响应特征进行了研究。结果表明,干旱胁迫对菊芋的净光合速率、蒸腾速率及气孔导度的影响一致;胁迫强度越大,植株的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度就越低,且对青芋2号的影响更大;干旱胁迫对菊芋叶片胞间CO2浓度的影响则相反,胁迫时间越长,菊芋的胞间CO2浓度越高,品种间也无差异;干旱胁迫下2个品种的水分利用效率变化趋势基本一致,但青芋2号的水分利用效率波动较青芋1号的要剧烈;随着干旱胁迫时间的延长,菊芋叶片的叶绿素含量会有小幅下降,但不同的胁迫强度对叶绿素含量影响不大。在干旱胁迫下,青芋1号的光合作用强于青芋2号,蒸腾速率低于青芋2号,反映出青芋1号比青芋2号更适合在较干旱的地区种植。

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关键词 :菊芋(Helianthus tuberosus L.);干旱胁迫;光和作用;规律研究

中图分类号:S632.9;Q945.78;Q945.11 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2015)04-0886-07

DOI:10.14088/j.cnki.issn 0439-8114.2015.04.029

收稿日期:2014-06-05

基金项目:青海省科学研究计划项目(2012-H-809)

作者简介:李 屹(1973-),女,河南巩县人,研究员,主要从事蔬菜生理生化研究,(电话)13519777685(电子信箱)ly525414@sina.com;

通信作者,李 莉,女,研究员,主要从事蔬菜栽培生理与育种研究,(电子信箱)yyslili@163.com。

菊芋(Helianthus tuberosus L.)俗名洋姜、鬼子姜,是菊科(Compositae)向日葵属(Helianthus L.)多年生草本植物,其用途广泛,在食品保健、生物发酵、环境保护、生物燃料等发面均有应用[1]。菊芋抗旱、抗寒、耐贫瘠,是一种抗逆性极好的植物;受耕地面积的限制,在干旱地区大规模种植菊芋将是菊芋发展的必然趋势[2],青海省是国内菊芋种植、加工规模最大的省份,菊芋累计推广面积达到8 000 hm2以上[3],现在菊芋种植已成为当地增加农民收入、促进地方经济发展的特色产业;随着加工业的发展,菊芋年种植面积将达到3.34万hm2。目前,菊芋主要集中在水浇地种植;为实现其发展“不与人争粮争油、不与粮争水争地”的目标,势必要利用菊芋抗逆性强的优势拓展种植区域,并为抗旱品种的选育及抗旱性评价创造条件,进而对产业发展布局作出合理规划。为此,试验开展了模拟干旱胁迫条件下不同品种菊芋叶片光合参数响应特征的研究,以期为菊芋抗旱品种选育、抗旱栽培措施的选择以及拓展区域奠定科学基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试菊芋植物材料为青海省农林科学院菊芋研发中心自主选育的青芋1号(H. tuberosus cv. Qingyu No.1)、青芋2号(H. tuberosus cv. Qingyu No.2)2个菊芋品种;模拟干旱胁迫剂聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)为市售,杀真菌剂为青海省蔬菜遗传与生理重点实验室自配;仪器主要有ECA-pB0402型光合测定仪(北京益康农科技有限公司)、CCM-200型便携式叶绿素测定仪(北京澳作生态仪器有限公司)。

1.2 方法

试验于2013年3~8月进行,地点在青海省农林科学院实验场,利用聚乙二醇高渗溶液模拟干旱胁迫环境,研究了聚乙二醇溶液处理菊芋后叶片光合参数的变化。采用双因素试验设计,在2013年3月,选择无腐烂、无病虫、生长充实、重量在30~50 g的菊芋块茎,先用自来水、再用去离子水冲洗干净,然后放入0.05%的杀真菌剂里进行表面灭菌;取灭菌后的顶芽,装入盛有石英砂的花盆中栽植,表面覆盖石英砂1.5~2.0 cm。隔日浇1次Hoagland营养液,充分淋洗,自然光照。待第三片叶长出后,选取长势均匀、大小一致的种植盆(株),编上序号;在出苗30 d后,将2个菊芋品种分别分成7个组,每组30盆,取6个组每盆浇入聚乙二醇溶液200 mL;聚乙二醇溶液浓度(质量分数)有3种,分别是10%、20%、30%,每个品种都进行聚乙二醇溶液浓度处理,也就是10%、20%和30%聚乙二醇溶液处理各2个组,空白对照1个组,只浇1/2 Hoagland营养液。

1.3 光合参数测定

2013年7月14日和15日,分别在全天的7个时间点(6∶00、8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00)测定2个菊芋品种叶片的光合参数,其中净光合速率[Net photosynthetic rate,Pn;μmol/(m2·s)]、蒸腾速率[Transpiration rate,Tr;mmol/(m2·s)]、气孔导度[Stomatal conductance,Gs;mmol/(m2·s)]、胞间CO2浓度(Intercellular CO2 concentration,Ci;μmol/mol)、水分利用效率(Water use efficiency,WUE;%)采用光合测定仪测定,每个指标6次重复,取均值;叶绿素(Chlorophyll)含量[mg/g(FW)]采用便携式叶绿素测定仪测定,每处理重复9 次,取均值。

2 结果与分析

2.1 PEG模拟干旱胁迫对菊芋叶片净光合速率的影响

2.1.1 对照的叶片净光合速率变化 试验条件下对照的菊芋叶片净光合速率测定情况见图1。由图1可知,对照处理的青芋1号、青芋2号在7月14日上午均随着光照的加强其净光合速率呈现逐渐升高的趋势,其中青芋1号在14:00的净光合速率达到最大,青芋2号在16∶00的净光合速率达到最大,之后2个菊芋品种均逐渐降低;而在7月15日2个品种的净光合速率呈现波动状态。

2.1.2 10%PEG胁迫下的叶片净光合速率变化 在10%PEG胁迫下菊芋叶片净光合速率测定情况见图2。由图2可知,在7月14日上午6:00~8:00,青芋1号、青芋2号的净光合速率均呈上升趋势,但随后开始下降;到16:00,青芋1号的净光合速率出现一个较大的回升,而青芋2号从8:00开始净光合速率一直呈下降趋势;在7月15日,青芋1号、青芋2号的净光合速率变化相对较平稳,不过青芋2号的净光合速率低于青芋1号。

2.1.3 20%PEG胁迫下的叶片净光合速率变化 在20%PEG胁迫下菊芋叶片净光合速率测定情况见图3。由图3可知,在7月14日测定时间内,青芋1号及青芋2号的净光合速率波动幅度较大,净光合速率的变化似乎未受到日间光照变化的影响,其中青芋1号的净光合速率较青芋2号高;在7月15日,2个品种的净光合速率均降低,以青芋1号的波动幅度更剧烈,而青芋2号的变化趋势较平稳。

2.1.4 30%PEG胁迫下的叶片净光合速率变化 在30%PEG胁迫下菊芋叶片净光合速率测定情况见图4。由图4可知,在7月14日测定时间内,青芋1号、青芋2号的净光合速率都在8:00出现最大值,而后开始下降;在7月15日,青芋1号、青芋2号的净光合速率最低值已出现了低于5 μmol/(m2·s)的情况,说明此时已严重抑制了菊芋的光合速率。

2.2 PEG模拟干旱胁迫对菊芋叶片蒸腾速率的影响

2.2.1 对照的叶片蒸腾速率变化 试验条件下对照的菊芋叶片蒸腾速率测定情况见图5。由图5可知,在7月14日,对照处理的青芋1号、青芋2号其蒸腾速率的变化趋势一致,均在上、下午各出现1个高峰,16:00之后均下降;在7月15日的 6:00,叶片蒸腾速率同时开始升高,到12:00左右均达到高峰,随后持续下降。

2.2.2 10%PEG胁迫下的叶片蒸腾速率变化 在10%PEG胁迫下菊芋叶片蒸腾速率测定情况见图6。由图6可知,在7月14日6:00~10:00,青芋1号、青芋2号的蒸腾速率均呈上升趋势,随后青芋1号的蒸腾速率在12:00~14:00出现小幅下降,但随后上升,并在16:00达到峰值;青芋2号蒸腾速率在12:00出现峰值,而后开始下降;在7月15日,青芋1号与青芋2号蒸腾速率的变化均呈现出先升后降的变化趋势,到12:00均出现了蒸腾速率的峰值,不过青芋1号的蒸腾速率峰值要高于青芋2号。由此可见,在10%PEG胁迫下,青芋2号蒸腾速率受到的影响要大于青芋1号受到的影响。

2.2.3 20%PEG胁迫下的叶片蒸腾速率变化 在20%PEG胁迫下菊芋叶片蒸腾速率测定情况见图7。由图7可知,在7月14日上午,青芋1号、青芋2号的蒸腾速率变化一致,均呈上升趋势;青芋1号蒸腾速率的最大值出现在16:00,青芋2号蒸腾速率的最大值出现在14:00;随后2个品种的蒸腾速率均迅速降低。在7月15日,青芋1号、青芋2号的蒸腾速率均较低;且变化幅度不大,最大值也大大回落。可以看出20% PEG的胁迫对2个品种的蒸腾作用均造成了较大影响,同时青芋2号菊芋的蒸腾速率低于青芋1号。

2.2.4 30%PEG胁迫下的叶片蒸腾速率变化 在30% PEG胁迫下菊芋叶片蒸腾速率测定情况见图8。由图8可知,在7月14日,青芋1号、青芋2号的蒸腾速率均呈“M”型波动,且幅度较大;在7月15日,青芋1号蒸腾速率在12:00出现了一个小高峰,但随后又下降;青芋2号的蒸腾速率始终在2.3~6.1 mmol/(m2·s)较低的范围内波动。

2.3 PEG模拟干旱胁迫对菊芋叶片气孔导度的影响

2.3.1 对照的叶片气孔导度变化 试验条件下对照的菊芋叶片气孔导度测定情况见图9。由图9可知,在7月14日,青芋1号、青芋2号2个品种的气孔导度变化趋势基本一致,在6:00至10:00均呈现上升趋势,青芋1号在16:00达到峰值,青芋2号在10:00达到峰值;7月15日表现为同时升高,并均在12:00出现最大值,随后下降。其中青芋1号的气孔导度略高于青芋2号。

2.3.2 10%PEG胁迫下的叶片气孔导度变化 在10%PEG胁迫下菊芋叶片气孔导度测定情况见图10。由图10可知,在测定时间内,青芋1号、青芋2号气孔导度的变化趋势与对照的变化趋势相似,气孔导度数值也较接近,并且也是青芋1号的气孔导度略高于青芋2号。

2.3.3 20%PEG胁迫下的叶片气孔导度变化 在20%PEG胁迫下菊芋叶片气孔导度测定情况见图11。由图11可知,在7月14日,2个菊芋品种的气孔导度表现为升高-下降-再升高-再下降的变化趋势,在16:00青芋1号到达最高值253.4 mmol/(m2·s),此时青芋2号的气孔导度处在下降通道;在7月15日,青芋1号与青芋2号的气孔导度均低于100 mmol/(m2·s),变化趋势相对平稳,并且青芋2号的气孔导度低于青芋1号。

2.3.4 30%PEG胁迫下的叶片气孔导度变化 在30%PEG胁迫下菊芋叶片气孔导度测定情况见图12。由图12可知,在7月14日,青芋1号气孔导度呈现升高-降低-再升高-再降低的变化趋势,在16:00出现最大值,青芋2号气孔导度也呈现升-降-升-降的变化趋势,不过在8:00出现最大值;在7月15日,青芋1号与青芋2号在16:00之前的气孔导度变化趋势相反,两者的气孔导度均小于100 mmol/(m2·s),说明此时两者的光合利用率已经较低了。

2.4 PEG模拟干旱胁迫对菊芋叶片胞间CO2浓度的影响

2.4.1 对照的叶片胞间CO2浓度变化 试验条件下对照的菊芋叶片胞间CO2浓度测定情况见图13。由图13可知,在7月14日,青芋1号及青芋2号的胞间CO2浓度变化趋势一致,均为上升后在整个白天变化平稳,而接近晚上下降;在7月15日,青芋1号、青芋2号的胞间CO2浓度均呈现递增的趋势。

2.4.2 10%PEG胁迫下的叶片胞间CO2浓度变化 在10%PEG胁迫下菊芋叶片胞间CO2浓度测定情况见图14。由图14可知,在7月14日,2个菊芋品种的胞间CO2浓度均呈现缓慢增加的趋势,期间青芋2号胞间CO2浓度在12:00时有一个小幅度的降低;在7月15日,青芋1号的胞间CO2浓度呈现上升的趋势,而青芋2号的胞间CO2浓度在6:00~8:00迅速上升,随后又快速下降,在12:00之后,胞间CO2浓度呈现节节上升的趋势。

2.4.3 20%PEG胁迫下的叶片胞间CO2浓度变化

在20%PEG胁迫下菊芋叶片胞间CO2浓度测定情况见图15。由图15可知,在7月14日,青芋1号和青芋2号的胞间CO2浓度变化趋势相同,均为总体上升,尤其是在整个白天变化平稳;在7月15日,2个品种的胞间CO2浓度均呈现递增的趋势。

2.4.4 30%PEG胁迫下的叶片胞间CO2浓度变化 在30%PEG胁迫下菊芋叶片胞间CO2浓度测定情况见图16。由图16可知,在7月14日和15日,青芋1号、青芋2号的胞间CO2浓度变化趋势均与20% PEG胁迫下的变化类似。

2.5 PEG模拟干旱胁迫对菊芋叶片水分利用效率的影响

2.5.1 对照的叶片水分利用效率变化 试验条件下对照的菊芋叶片水分利用效率测定情况见图17。由图17可知,在7月14日,青芋1号的水分利用效率一直呈现下降的趋势,而青芋2号的水分利用效率则出现先迅速上升、后较慢下降的变化趋势;在7月15日,2个品种的水分利用效率均呈现不规律的波动。

2.5.2 10%PEG胁迫下的叶片水分利用效率变化

在10%PEG胁迫下菊芋叶片水分利用效率测定情况见图18。由图18可知,在7月14日,青芋1号的水分利用效率变化幅度较小,而青芋2号的水分利用效率相对波动较大,出现了“M”型变化趋势;在7月15日,2个品种的水分利用效率变化趋势相似,在6:00~8:00先上升、后下降,在12:00出现谷值,而后再上升,到16:00~18:00,青芋2号的水分利用效率快速上升到5.54%。

2.5.3 20%PEG胁迫下的叶片水分利用效率变化 在20% PEG胁迫下菊芋叶片水分利用效率测定情况见图19。由图19可知,在7月14日,2个菊芋品种的水分利用效率均呈现下降趋势,到16:00达到最低,随后上升,到18:00达高值。在7月15日,青芋1号的水分利用效率变化幅度较青芋2号的小,较为平稳,而青芋2号的水分利用效率从6:00到14:00其变化呈现“M”型,并且之后又上升,至18:00青芋2号的水分利用效率比青芋1号的高1.96个百分点。

2.5.4 30%PEG胁迫下的叶片水分利用效率变化

在30%PEG胁迫下菊芋叶片水分利用效率测定情况见图20。由图20可知,在7月14日,2个品种的水分利用效率都在一定范围内上下波动;在7月15日,青芋2号的水分利用效率在16:00~18:00迅速升高至5.82%,其变化趋势与10%PEG胁迫的变化趋势相似,水分利用效率的变化范围也接近。

2.6 PEG模拟干旱胁迫对菊芋叶片叶绿素含量的影响

2.6.1 对照的叶片叶绿素含量变化 试验条件下对照的菊芋叶片叶绿素含量测定情况见图21。由图21可知,青芋1号的叶绿素含量在一定范围内上下波动,总体升降不大;而青芋2号的叶绿素含量变化较为平稳;但是青芋2号的叶绿素含量低于青芋1号。

2.6.2 10%PEG胁迫下的叶片叶绿素含量变化 在10% PEG胁迫下菊芋叶片叶绿素含量测定情况见图22。由图22可知,青芋1号、青芋2号的叶绿素含量变化也是在一定范围内小幅波动,而且青芋2号的叶绿素含量低于青芋1号。

2.6.3 20%PEG胁迫下的叶片叶绿素含量变化 在20% PEG胁迫下菊芋叶片叶绿素含量测定情况见图23。由图23可知,在20%PEG胁迫下,菊芋叶片的叶绿素含量变化趋势与10%PEG胁迫下的变化趋势大致相同,均为小幅波动,数值变化也不大。

2.6.4 30%PEG胁迫下的叶片叶绿素含量变化 在30%PEG胁迫下菊芋叶片叶绿素含量测定情况见图24。由图24可知,2个品种叶绿素含量的变化趋势与10%、20%PEG胁迫的变化趋势均一致,同样为小幅波动,略有下降。

3 小结与讨论

随着近年来全球气候的变化,人类正面临着各种各样的气候灾难,其中干旱对农业的破坏尤为严重;研究表明,干旱提高了植物的光呼吸,而光呼吸速率的提高降低了叶片CO2和光能的利用效率[4-6]。在干旱胁迫条件下,气孔的关闭以及气孔导度的降低是光合速率降低的最主要原因[7];在干旱胁迫初期,限制光合作用的因素主要为气孔限制,随着胁迫时间的延长和胁迫程度的加重,这种限制因素逐渐变为非气孔限制[8,9]。

干旱胁迫对光合作用的影响是多方面的,其中气孔是植物对干旱胁迫产生响应的一个重要“窗口”。当土壤水分不足时,气孔往往通过部分或全部关闭来降低蒸腾速率,以减少水分散失;同时也减少了CO2的进入,从而导致光合速率的下降[10,11],在干旱条件下,气孔对蒸腾散失水分的影响大于对CO2吸收和扩散限制的影响[10];蒸腾失水与光合同化对水分亏缺敏感性的差异直接导致持绿型高粱[Sorghum bicolor(L.)Moench]水分利用效率的提高[12],这就构成了作物抗旱节水生物学的生理基础[11]。

光合作用是植物体内极为重要的代谢过程,可以作为判断植物生长和抗逆性强弱的指标之一[13],在这种背景下,研究干旱胁迫下菊芋光合作用的响应特征,可进一步探讨干旱对菊芋生理生态特征的影响,可为了解菊芋抗旱机制以及菊芋在不同地区的规模化生产布局提供理论依据。

目前我国约2.67亿hm2以荒漠地、盐碱地和滩涂为主的非耕地有待开发利用[14],而在这类非耕地上种植适生能源作物,是我国生物能源产业发展面临的机遇和挑战。菊芋具有耐旱、耐寒、耐盐及抗病虫害等特点[15],适宜在我国现有的非耕地上种植,且产量高。试验结果表明,在PEG模拟干旱胁迫下,青芋1号的光合作用强于青芋2号,蒸腾速率总体上低于青芋2号,反映出青芋1号比青芋2号更适合在较干旱的土地上种植。

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