干旱脅迫對夾竹桃光合特性的影響*

張 飛 陳慧英 陳 珊,3,4,5 孫元敏 李和陽 馬 勇 丁偉倫 湯坤賢**

（1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.福建省海洋生態保護與修復重點實驗室，福建 廈門 361005；3.自然資源部海洋生態保護與修復重點實驗室，福建 廈門 361005；4.漳州海島海岸帶福建省野外科學觀測與研究站，福建 廈門 361005；5.自然資源部海峽西岸海島海岸帶生態系統野外科學觀測與研究站，福建 廈門 361005）

在植物生長過程中，干旱是其經常面臨的脅迫之一[1]，尤其在淡水資源缺乏的海島環境中，植被的修復很大程度上取決于水分的獲取[2]。在干旱脅迫下，植物一般會通過降低氣孔開度或關閉氣孔來減少蒸騰作用帶來的水分流失[3]。進一步的干旱會導致植物葉肉細胞損傷、光合酶的活性下降[4]，同時還會損害葉綠體的結構，導致葉綠素含量降低[5]，進而影響植物對光能的吸收和利用。夾竹桃（Nerium indicum）又名筆桃、柳葉桃，屬夾竹桃屬，為常綠灌木或小喬木，常被用作園林綠化和觀賞[6]。夾竹桃適應性強，具有良好的抗旱及護坡能力，可作為海島植被修復的備選植物[7,8]。干旱脅迫可造成夾竹桃葉片卷曲、枝葉干枯，生理指標上則表現為細胞通透性增加、丙二醛和脯氨酸含量升高[9]。目前干旱脅迫對于夾竹桃光合作用的影響尚未見報道，研究干旱脅迫對夾竹桃光合特性的影響，對于揭示該植物對于干旱環境的響應規律及適應機制具有重要意義，并可為海島、海岸等區域的植被修復及后續管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

夾竹桃采用長勢良好的2年生苗，來自于福建塘嶼附近園林苗圃。

1.2 實驗方法

1.2.1 干旱實驗處理

參考湯坤賢等的方法[9]，于2015年11月至2016年4月，在自然資源部第三海洋研究所漳州古雷基地可通風透明的塑料大棚實驗區內開展干旱實驗。相比外部環境，大棚內光照強度約為2/3，溫度略高，濕度差異不大；夾竹桃種植于直徑為30 cm，高35 cm的塑料花盆中；盆栽基質采用沙土比例約為1∶1的土壤，花盆內基質填裝高度約為30 cm高。選取長勢良好且較一致的夾竹桃植株20株，平均分為對照組和干旱組，每7天為1周期，共持續17周期。在實驗期間，對照組每周期澆1次水，每次1 L；干旱組前11個周期保持不澆水操作，后6個周期每次復水1次（充分澆水使土壤水分達到飽和）。

1.2.2 植物葉片光和參數的測定

在晴朗天氣的同一時間段，選取對照組和干旱組中各3株植株的中段葉片，使用Li-6400XT便攜式光合系統測定儀進行光和參數的測定。每組測定3個葉片，每片3個重復。在設定光強500 μmol/m2·s下測定所取葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、水分利用率（WUE）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）。

1.3 數據收集及分析

各指標使用Excel和SPSS13.0對數據處理，并對所獲數據進行單因素方差分析以及pearson相關性分析，用Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對夾竹桃凈光合速率（Pn）的影響

由圖1所示，對照組夾竹桃的凈光合速率為(1.39±1.58)μmol CO2/m2·s，干旱脅迫下，夾竹桃的凈光合速率為(-1.57±0.57)μmol CO2/m2·s。水分虧缺條件下的植株凈光合速率下降，與對照組的變化差異極顯著(P＜0.01)。當凈光合速率降為負值，這表明植株的光合作用強度小于呼吸作用強度；進行復水操作給予植株充足水分之后，對照組夾竹桃的凈光合速率為(13.25±0.87)μmol CO2/m2·s，干旱脅迫下夾竹桃的凈光合速率為(11.02±3.11)μmol CO2/m2·s，此時對照組與干旱組植株的凈光合速率都得到了提升，組間差異不顯著(P＞0.05)，說明復水后夾竹桃的光合系統得到了較好的恢復。

圖1 復水前后夾竹桃葉片凈光合速率

2.2 干旱脅迫對夾竹桃蒸騰速率（Tr）的影響

在干旱脅迫條件下，植株水分嚴重虧缺，為防止水分進一步流失，植株通常會通過降低蒸騰強度來實現（圖2）。對照組夾竹桃的蒸騰速率為（0.89±0.37）mmol H2O/m2·s，干旱組夾竹桃的蒸騰速率降為(0.35±0.08)mmol H2O/m2·s，但是與對照組的蒸騰速率變化差異極顯著(P＜0.01)。復水后，對照組夾竹桃的蒸騰速率為(1.29±0.25)mmol H2O/m2·s，干旱脅迫下夾竹桃的蒸騰速率為(1.31±0.39)mmol H2O/m2·s，兩組植株的蒸騰速率都有升高，且組間差異不顯著(P＞0.05)，這表明干旱組夾竹桃在復水得到充足水分后，其蒸騰速率恢復到正常水平。

圖2 復水前后夾竹桃葉片蒸騰速率

2.3 干旱脅迫對夾竹桃水分利用率（WUE）的影響

隨著干旱情況的不同，植物對水分的利用率也會發生變化（圖3）。干旱組的夾竹桃植株在經歷11個周期的干旱脅迫后，植株葉片干卷，對水分的利用率出現負值，為(-11.42±4.81)g/kg，而同一時間對照組夾竹桃對水分的利用率為(3.05±0.54)g/kg，兩組植株的水分利用率差異極大，達到了極顯著水平(P＜0.01)；復水后，兩組植株的水分利用率都得以提高，但是組間差異仍然顯著(P＜0.05)，這表明在獲取充足水分后干旱組植株的水分利用率還不能夠達到對照組水平。

圖3 復水前后夾竹桃葉片水分利用率

2.4 干旱脅迫對夾竹桃氣孔導度（Gs）的影響

由圖4可見，夾竹桃干旱組植株在11個周期的干旱脅迫后，葉片氣孔導度為(0.02±0.01)mol/m2·s，而同一時間對照組夾竹桃葉片氣孔導度為(0.13±0.06)mol/m2·s，相比對照組，干旱組植株的氣孔導度有所降低，且變化差異極顯著(P＜0.01)。干旱組與對照組植株的氣孔導度復水后，兩組植株的氣孔導度都有所提高，分別是干旱組為(0.10±0.04)mol/m2·s，對照組為(0.12±0.02)mol/m2·s，但組間差異不顯著(P＞0.05)，這表明有充足水分供應后干旱組植株的氣孔導度恢復的正常水平。

圖4 復水前后夾竹桃葉片氣孔導度

2.5 干旱脅迫對夾竹桃胞間CO2濃度（Ci）的影響

通常用胞間CO2濃度來分析植株光合速率變化是否由氣孔因素導致。如圖5所示，夾竹桃干旱組植株在11個周期的干旱脅迫后，葉片胞間CO2濃度為(331.44±74.44)μmol/mol，而同一時間點對照組夾竹桃葉片胞間CO2濃度為(240.22±57.44)μmol/mol。相比對照組，干旱組植株的胞間CO2濃度有所增加，但變化不顯著(P＞0.05)。復水后，對照組與干旱組夾竹桃植株的胞間CO2濃度都有所降低，分別是干旱組為(187.00±18.24)μmol/mol，對照組為(179.50±46.14)μmol/mol，變化不顯著(P＞0.05)。這表明獲得充足水分后，干旱組植株的胞間CO2濃度可以達到對照組水平。

圖5 復水前后夾竹桃葉片胞間CO2濃度

通過pearson相關分析發現，所檢測的夾竹桃光合特性指標中，凈光合速率、蒸騰速率、水分利用率、氣孔導度等均與干旱脅迫呈極顯著負相關（表1）。夾竹桃植株的水分利用率和凈光合速率、蒸騰速率呈極顯著相關。

表1 復水前干旱脅迫下夾竹桃光合指標間相關性分析

3 討論

在本實驗中，干旱脅迫開始時栽培有夾竹桃植株的土壤，其表層含水率為21.21%，第1周期對照組就降到10.83%，干旱組降為10.24%。剩余實驗期間，對照組由于周期性澆水，其表層土壤含水率在7.24%～21.37%之間呈現規律性變化；干旱組的表層土壤含水率第2周期降為5.16%，此后除了第3周期的4.73%外，均保持在1.10%～2.61%。最后一個干旱周期結束時，干旱組表層土壤含水率為1.30%，處于極度缺水的狀態[9]。

3.1 干旱脅迫對凈光合速率的影響

經歷了11個周期干旱脅迫的夾竹桃，其凈光合速率為(-1.57±0.57)μmol CO2/m2·s，這與劉建偉等研究干旱脅迫下楊樹（Pterocarya stenoptera）凈光合作用的變化趨勢相類似[11]。表明隨著干旱脅迫的持續，干旱組中的夾竹桃植株呼吸作用已超過光合作用的產能，進入凈呼吸消耗代謝。復水后，隨著干旱脅迫的消除，夾竹桃葉片的凈光合速率迅速增加轉為正值，且與對照植株相差不大（約2.23 μmol CO2/m2·s）。說明在干旱脅迫消除后，夾竹桃植株的光合系統得以較快恢復。

3.2 干旱脅迫對蒸騰速率的影響

在植株經歷輕度及中度干旱脅迫時，氣孔因素是影響其光合作用的主要原因。在重度干旱脅迫下，主要影響植株光合作用的是非氣孔因素[12]，伴隨著氣孔關閉，植株的蒸騰作用也會降低，而下降程度會因植物種類及受干旱脅迫程度存在一定差異[13,14]。研究發現，在干旱脅迫下，植物會很快通過降低蒸騰作用以減少對于水分的消耗，但是其光合作用水平則不會立即改變[15]。

3.3 干旱脅迫對水分利用率的影響

凈光合速率和蒸騰速率的比值即為水分利用率[16]，因為氣孔的開閉程度影響著葉片的蒸騰速率和光合速率，從而也必將影響葉片的水分利用效率。通常情況會在植株遭受水分脅迫后有不同程度的提高[17]，以高效利用水資源。但是在本研究中，相對于復水前夾竹桃的水分利用率，干旱組在經歷11個干旱周期后，其水分利用率顯著降低，甚至降為負值，可能原因為植株遭受極端干旱的情況下，植株呼吸作用消耗有機質的量超過光合作用合成的量，導致凈光合速率為負值，因此水分利用率也為負值。這與趙瑜琦等[18]在群眾楊面臨干旱脅迫時的反應趨勢相類似。

3.4 干旱脅迫對氣孔導度的影響

在經歷干旱脅迫時，植物可以通過降低氣孔導度來減少自身水分散失，以增強對干旱脅迫的耐受[19]。復水前干旱組夾竹桃植株的氣孔導度顯著低于對照組，復水后干旱組夾竹桃的氣孔導度大幅提升，達到與對照組接近的水平，這說明雖然經歷長時間的嚴重干旱，夾竹桃通過降低氣孔導度以緩解水分的快速流失，一旦水分得到補充，夾竹桃氣孔導度會迅速恢復到接近正常水平，體現了其耐旱性強，適應性好的特征。

3.5 干旱脅迫對胞間CO2濃度的影響

目前認為干旱脅迫導致植物光合作用降低的主要原因包括氣孔限制和非氣孔限制：前者是指由于氣孔關閉，切斷了CO2向葉綠體的運輸通道，進而使葉肉細胞光合活性下降，同時蒸騰速率降低；后者是指在水分脅迫下，植株葉綠體的結構和功能遭受破壞，葉肉同化CO2的能力從而減弱[12]。胞間CO2濃度的變化趨勢可以作為氣孔因素影響光合速率變化的主要依據[20]。實驗中，復水前干旱組夾竹桃植株的胞間CO2濃度高于對照組，復水后干旱組夾竹桃胞間CO2濃度大幅下降，這說明在干旱脅迫下夾竹桃光合速率降低的原因除了氣孔因素外，還有植株體內光合色素和光合酶的參與。干旱脅迫對植物的影響是多方面的，不但會降低植株的凈光合速率，還會影響植株的形態和生理指標[9]。夾竹桃具有較強的耐旱性，可能與其葉片的特殊結構有關：該植物的葉片具有發達的角質層，表皮由多層細胞組成；氣孔下陷，柵欄組織層數較多，海綿組織和胞間間隙不發達[21]。當前對于夾竹桃抗旱特性的研究還大多局限在細胞內溶物、光合特性等生理生化指標上，對于其背后的分子機制涉及的較少。為了更加深入了解該植物的抗逆機制和適應嚴苛環境的機理，需要我們從基因組層面進一步挖掘夾竹桃的特殊基因，豐富抗逆相關基因資源，推進我國植物生物工程建設。

4 結論

干旱脅迫導致夾竹桃植株凈光合速率、蒸騰速率、水分利用率、氣孔導度等極顯著降低，胞間CO2濃度有所增高。復水后，植株的前4個光合特性指標都有較大的提升，胞間CO2濃度降低。復水后以上指標與對照無顯著差異，這表明該種植物具有較強的耐旱性，在遭受嚴重干旱脅迫下，其光合系統未受到嚴重損傷，仍可在復水后及時恢復。此研究從光合特征角度揭示了夾竹桃對于重度干旱脅迫的響應，進一步說明該種植物優秀的耐旱特質，可為海島等干旱環境植被修復過程中植物的選用提供參考。