干旱脅迫對翅莖白粉藤光合作用及葉綠體超微結構的影響

李進華，麥生威，李 冰，趙 偉，吳國文，張廣照，唐 慶

（1.廣西壯族自治區林業科學研究院，廣西南寧 530002；2.廣西新祥高速公路有限公司，廣西崇左 532200；3.廣西交通投資集團崇左高速公路運營有限公司，廣西崇左 532200）

翅莖白粉藤（Cissushexangularis）為葡萄科（Vitaceae）白藤屬木質藤本，為熱帶及亞熱帶地區特色藥用植物，分布于廣東、海南和廣西等地，生于山地疏林中；其能祛風活絡、散瘀活血，可用于緩解風濕痹痛、腰肌勞損、跌打損傷等[1-2]。其根系發達，固土能力強，是邊坡綠化中優選的植物；其還可以涵養水源，在一定程度上預防和減少水土流失、山體滑坡等現象。

近年來，全球氣候變暖，導致季節性降水分布不平衡，全國各地出現異常氣候現象，干旱現象頻繁發生[3]。干旱對植物的生長、光合作用等產生不良影響，影響植物的生長發育[4]。光合作用是植物生長和發育的關鍵過程，受光照、溫度、水分和熱量等多種因素影響。植物光合速率日變化與植物的生長和環境適應密切相關[5-6]。植物光合色素包括葉綠素和類胡蘿卜素，其中葉綠素主要負責吸收、傳遞和轉化光能，類胡蘿卜素負責光能捕獲和光破壞防御，兩者在很大程度上決定植物光合能力的強弱[7-8]。葉綠體對干旱脅迫較敏感，表現為形態結構、大小和數目均會隨植物所處環境的變化而變化[9]。目前，關于翅莖白粉藤的研究主要集中在有效成分與藥理學[10-15]、苗木繁殖[16]等方面，在干旱脅迫方面的研究鮮見報道。本研究以翅莖白粉藤為試驗材料，采用盆栽控水法，探討干旱脅迫對翅莖白粉藤光合作用和葉綠體超微結構的影響，為其栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西壯族自治區林業科學研究院園林花卉研究所（108°21′E，22°56′N），屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫20～21 ℃，≥10 ℃年均積溫7 206 ℃，年均降水量1 350 mm，一般年份有2～4天輕霜；5—9月為雨季，月均降水量為100 mm 以上；10月—翌年4月雨量較少，月均降水量為80 mm以下[17]。

1.2 試驗材料

供試材料為2年生翅莖白粉藤，選擇長勢一致、具有9～10張葉片、根系發達、無病蟲害且株高145.0～148.0 cm的優良植株。

1.3 試驗方法

2022年6月10日—8月10日，在廣西林科院園林花卉研究所基地的高透光遮雨棚下，采用盆栽法進行試驗。每處理選擇30盆翅莖白粉藤，在脅迫前充分澆透水肥，使土壤含水量及營養基本保持一致，待土壤自然晾干后，進行干旱脅迫。參照Hsiao[18]的方法，設正常供水（CK）、中度干旱（MD）和重度干旱（SD）3 個水分處理，即土壤含水量分別控制在田間持水量的（70 ± 5）%、（50 ± 5）%和（35 ±5）%。每天早上8:00、中午12:00 和下午18:00，采用WET-2 土壤水分溫度電導率速測儀（Delta-T，北京博倫經緯科技發展有限公司）測量土壤含水量，水分不足時用有刻度的燒杯進行補水，并記錄加水量。處理60天后，分別測定形態指標、光合指標，觀察葉片葉綠體超微結構。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 形態指標

2022年6月10日和8月10日分別測定株高、地徑、葉片數、葉長和葉寬及根系生物量（鮮重）和地上部分生物量（鮮重）等指標。

1.4.2 光合參數測定

2022年8月10日，在天氣晴朗的條件下進行測定。測定時間為8:30～18:30，每隔2 h 測定1 次，每處理測定3 盆，每盆按東、南、西和北方向隨機選取3～5 片成熟葉測定，采用Li-6400XT 便攜式光合儀（LI-COR）測定葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）等生理指標，計算水分利用效率（WUE），計算公式為：

1.4.3 葉綠素和類胡蘿卜素含量測定

2022年8月10日，取0.3 g 新鮮樣品，放入研缽中，加入少量石英砂和碳酸鈣粉及95%乙醇2～3 mL，研磨成勻漿，再加95%乙醇5 mL 繼續研磨至組織變白，靜置3～5 min 后，上清轉移定容至25 mL，備用。將提取液稀釋至合適濃度后，倒入1 cm 光徑比色皿中，以95%乙醇為空白，在波長665、649 和470 nm 下測定吸光度。計算葉綠素a（Ca，mg/L）、葉綠素b（Cb，mg/L）和類胡蘿卜素（Cx.c，mg/L）濃度；計算公式[19]為：

式中，Vt為提取液總體積（mL）；FW 為鮮重（g）；n為稀釋倍數。

1.4.4 葉綠體超微結構觀察

2022年8月10日，以測定光合特性的葉片為材料，按要求截取2 mm×2 mm 葉片樣品，置于2.5%戊二醛中固定過夜，采用0.1 mol/L 磷酸漂洗液漂洗3 次，每次15 min，將樣品放入1%鋨酸溶液，在4 ℃冰箱中固定2 h。在0～4 ℃環境下，采用50%、70%和90%乙醇逐級脫水，每次脫水時間為15 min；采用100%乙醇和100%環氧丙烷分別脫水5 min，3 次重復；采用環氧丙烷+包埋液（V∶V=2∶1）包埋2 h，再采用環氧丙烷+ 包埋液（V∶V=2∶1）包埋3 h，純包埋液浸泡過夜，最后采用純包埋液在室溫下浸泡3～4 h。將樣品塊置于包埋模板內，加入純包埋劑后放入恒溫烘箱內聚合，第1 次烘烤溫度和時間為37 ℃和12 h，第2次烘烤溫度和時間為45 ℃和12 h，第3 次烘烤溫度和時間為60 ℃和48 h，半?。? μm）定位，采用超薄切片（70 nm）機切片，采用3%醋酸鈾-枸櫞酸鉛雙染色，采用透射電鏡觀察，拍片。

1.5 數據處理

采用Excel 軟件進行數據整理和圖表繪制；采用SPSS 7.05 軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA）和多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對翅莖白粉藤生物量的影響

MD 和SD 處理下，脅迫后，株高增加，SD 處理株高最高（187.20 cm），比脅迫前增加38.40 cm；地上部分鮮重、地下部分鮮重均增加，MD 處理的地上部分鮮重和地下部分鮮重均最重（262.00 和43.70 g），比脅迫前分別增加191.70 和25.00 g；葉片數增加，MD處理的葉片數最多（64張），比脅迫前增加18張；地徑、葉長、葉寬和根冠比均降低（表1）。隨干旱脅迫程度增加，株高增量顯著增加（P<0.05）；地上部分鮮重和地下部分鮮重增量均呈先增后降的趨勢，

表1 翅莖白粉藤干旱脅迫前后的相關生物量變化Tab.1 Biomass changes of C.hexangularis before and after drought stress

MD 處理均顯著高于其他處理（P<0.05）；地徑、葉長、葉寬和葉片數增量均呈降低趨勢；根冠比增量呈增加趨勢。

2.2 干旱脅迫對翅莖白粉藤光合參數日變化和日均值的影響

CK、MD 和SD 處理的凈光合速率和氣孔導度日變化曲線均為雙峰形，均出現光合“午休”現象；CK的凈光合速率和氣孔導度日變化曲線峰值均出現在10:30和16:30，MD和SD處理的峰值均出現在12:30和16:30（圖1a～b）。MD和SD處理的胞間CO2濃度日變化曲線均為雙峰形，峰值均出現在10:30和16:30；CK日變化曲線為單峰形，峰值出現在16:30（圖1c）。CK 的蒸騰速率日變化曲線為單峰形，峰值出現在10:30；MD 處理為單峰形，峰值出現在14:30；SD 處理沒有明顯的變化（圖1d）；CK 和SD 處理的水分利用效率日變化曲線均為單峰形，峰值出現在16:30；MD 處理為雙峰形，峰值出現在12:30 和16:30（圖1e）。

圖1 干旱脅迫對翅莖白粉藤葉片光合參數日變化的影響Fig.1 Effects of drought stress on diurnal variations of photosynthetic parameters of C.hexangularis leaves

凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和水分利用效率日均值均差異顯著（P<0.05）（表2）。隨干旱脅迫程度增加，凈光合速率和水分利用率日均值均呈先升后降的趨勢，均表現為MD處理>CK>SD 處理；氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率日均值均減小，均表現為CK>MD 處理>SD處理。

表2 干旱脅迫對翅莖白粉藤葉片光合作用參數日均值的影響Tab.2 Effects of drought stress on daily mean values of photosynthetic parameters of C.hexangularis leaves

2.3 干旱脅迫對翅莖白粉藤葉片光合色素的影響

葉綠素a 含量、葉綠素b 含量、類胡蘿卜素含量和葉綠素總量均差異顯著（P<0.05）（表3）。隨干旱脅迫程度增加，葉綠素a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量和葉綠素總量均呈先增后降的趨勢，均在MD 處理下最高，分別為0.722、0.344、0.140 和1.066 mg/g。

表3 干旱脅迫對翅莖白粉藤葉片光合色素的影響Tab.3 Effects of drought stress on photosynthetic pigments of C.hexangularis leaves (mg/g)

2.4 干旱脅迫對翅莖白粉藤葉片葉綠體超微結構的影響

CK 的葉綠體呈長橢圓形，球體比較飽滿，類囊體片層整齊、層數多、排列緊密、淀粉粒飽滿及葉綠體被膜清晰；MD 處理的葉綠體質壁分離，類囊體結構模糊，排列不整齊，線粒體腫脹；SD處理的葉綠體外膜部分破裂，基粒扭曲變形，基質排列紊亂（圖2a～c）。不同干旱脅迫程度均對葉綠體的結構造成一定程度損壞，受損程度隨干旱脅迫增加而增加。

圖2 干旱脅迫對翅莖白粉藤葉綠體超微結構的影響Fig.2 Effects of drought stress on chloroplast ultrastructures of C.hexangularis

3 討論與結論

受干旱脅迫時，植物會產生抗旱性，生長發育特征會發生變化，表現為根系發達而深扎，根冠比變大，葉片細胞變小，葉脈致密，單位面積氣孔數目增多[20]。本研究中，中度和重度干旱脅迫下，脅迫后株高增加，地徑、葉長和葉寬降低，可能是植物通過調節葉肉細胞水分來抵抗干旱脅迫造成的損傷[21]。脅迫后，地上部分鮮重、地下部分鮮重和葉片數均增加；隨干旱脅迫程度增加，地上部分鮮重和地下部分鮮重增量呈先增后降的趨勢，葉片數增量呈減少趨勢，根冠比增量呈增加趨勢。表明中度干旱脅迫時，翅莖白粉藤通過擴大水分吸收范圍，增加地上部分鮮重、地下部分鮮重和葉片數；重度干旱脅迫時，植物利用有限的水分維持生命活動，降低生物量，使葉片水分含量與土壤可利用水分平衡。

本研究中，CK、中度和重度干旱脅迫下，翅莖白粉藤葉片凈光合速率、氣孔導度日變化曲線均為雙峰形，出現光合“午休”現象。植物光合作用的抑制因素包括氣孔限制和非氣孔限制，分別由氣孔關閉和光合器官自身活性下降引起。干旱脅迫下，凈光合速率上升，氣孔導度降低，胞間CO2濃度降低，說明氣孔和非氣孔因素共同限制凈光合速率；凈光合速率降低，氣孔導度降低，胞間CO2濃度降低，說明氣孔因素限制凈光合速率；凈光合速率降低，氣孔導度降低，胞間CO2濃度升高，說明非氣孔因素限制凈光合速率[22]。本研究中，中度干旱脅迫時，凈光合速率和水分利用率均上升，氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率均降低，說明氣孔和非氣孔因素共同限制凈光合速率；重度干旱脅迫時，凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和水分利用率均降低，說明氣孔因素限制凈光合速率。

光合色素含量直接影響葉片的光合能力[23]。本研究中，翅莖白粉藤的葉綠素和類胡蘿卜素含量均呈先升后降的趨勢；中度干旱脅迫下，葉綠素和類胡蘿卜素含量均達到最大值，且顯著高于對照和重度干旱脅迫。說明中度干旱脅迫有利于翅莖白粉藤的光合作用。

植物細胞的超微結構變化規律是判斷其抗逆能力的重要指標之一[24]。受干旱脅迫時，植物的葉綠體會遭受不同程度的損傷[23]。本研究中，中度和重度干旱脅迫下，葉綠體的結構遭到一定程度破壞，導致光合作用減弱，原因可能是干旱脅迫導致內膜不飽和脂肪酸減少，引起膜蛋白的不穩定和膜結構功能的喪失。

綜上所述，翅莖白粉藤在中度干旱脅迫下，凈光合速率和水分利用率較高，雖然對葉綠體的結構造成一定程度的損壞，但未見植物死亡，可見翅莖白粉藤具有一定的抗旱特征，這一研究結果可為礦山修復、高速公路石質邊坡綠化及屋頂綠化等惡劣的環境選擇植物提供科學依據。本研究中，翅莖白粉藤的種植基質只采用了1 種混合基質，為了使翅莖白粉藤能在不同地區生長，下一步將開展不同基質、不同光照條件下的脅迫研究。

利益沖突：所有作者聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：李進華負責試驗設計和論文撰寫；麥生威、李冰和趙偉負責野外種源收集；吳國文負責數據測定與整理；張光照負責數據測定；唐慶負責文獻檢索和論文校對。