近年来, 随着全球气候的改变, 干旱频率、持续时间及严重程度不断增加[1-2], 加之我国降水季节和地域性降水分布极不均匀, 水资源短缺日趋明显。目前, 在中国的南方大部分地区在盛夏会出现高温干旱天气, 对植物的生长产生严重影响[3]。干旱是限制树木生长、分布和生存的主要环境因素之一[4], 干旱或渍水逆境都会影响植物对土壤中矿质元素的吸收和运转, 进而影响光合作用[5]。Lawlor和Cornic[6]研究表明, 干旱胁迫会导致植物气孔关闭, 严重干旱会使植物叶肉细胞损伤、光合酶的活性降低, 从而使植物的光合速率下降。Ahmed等[7]研究表明, 干旱胁迫使绿豆叶片最大光化学量子效率 (Fv/Fm)、电子传递速率 (ETR) 降低。以上研究表明, 干旱胁迫对植物光合作用过程中的气体交换、酶活性及叶绿素荧光参数等产生一定影响, 因此, 研究不同土壤干旱条件下两种油桐叶片光合生理的变化及对干旱的响应, 能够深入了解干旱对油桐伤害的内在规律和本质。

油桐是大戟科 (Euphorbiaceae) 油桐属植物的统称, 与油茶、核桃和乌桕并称我国四大木本油料树种, 已有千年的栽培历史[8-9]。近年来, 随着人口增加和经济的快速增长, 能源危机与生态环境建设得到了人们的高度重视, 油桐有可能成为缓解我国能源短缺问题最有发展前途的生物质能源树种之一[10]。目前, 关于油桐不同物种对干旱胁迫的生理响应及抗旱性还不清楚, 且干旱胁迫对油桐光合气体交换的变化及叶绿素荧光参数的影响还未见报道。本文以三年桐和千年桐两个油桐物种幼苗为试材, 通过盆栽试验研究了干旱胁迫对油桐幼苗生长及光合特性的影响, 阐明引起光合作用变化的主要因素及关系, 以期了解两个油桐物种对水分胁迫的适应性及其抗旱机理, 为油桐的栽培管理及抗旱品种的选育提供理论依据。

试验材料三年桐 (Vernicia fordii Hemsley) 及千年桐 (Vernicia montana Wils.) 均采自湖南湘西永顺县青坪镇国家油桐种质资源保存库, 位于110°29′E, 28°32′N, 海拔530—600 m左右, 属中亚热带季风气候, 年平均降水量1400 mm, 年日照1306 h, 年均气温16.0 ℃, 无霜期276 d, 成土母岩为石灰岩, 土层厚薄不均, 土壤肥力良好, 适宜油桐生长。2013年11月采集4年生三年桐和千年桐成熟种子, 室内阴干于次年1月上旬沙藏备用。

试验于2014年在中南林业科技大学生命科学楼楼顶 (28.10° N, 113.23° E) 进行, 用单层4 mm玻璃覆盖的透光防雨棚遮雨。干旱胁迫设4个水分处理, 正常供水 (对照, CK)、轻度干旱 (LS)、中度干旱 (MS)、重度干旱 (SS), 其土壤含水量分别为土壤田间最大持水量的85%—90%、75%—70%、55%—50%、35%—30%[11]。土壤含水量用称重法控制, 取油桐林地表层土壤, 自然条件下风干后过筛装盆, 每盆装风干土和石英砂总共8 kg, 选取1盆在85℃的干燥箱中烘24 h, 和盆一起称重记为土壤盆干重, 其余的在下午浇透水过夜使多余的水流干, 第2天上午称重为浇透水盆重, 根据公式：土壤田间最大持水量=(当天盆重-土壤盆干重)/(浇透水盆重-土壤盆干重)[12], 根据设定的田间最大持水量可以推算出当天盆重。2014年5月上旬选取长势一致的实生苗, 移栽到内径30 cm、深为40 cm的塑料盆中, 正常水分管理1个月后称重控水进行胁迫试验, 试验期间每天于18:00称重, 补充蒸发的水分, 使各处理保持设定的土壤含水量。为了减少蒸发, 在盆口套塑料袋防止水分蒸发。每个处理9盆, 2个物种总共72盆。水分胁迫1个月后测定油桐幼苗的光合作用日变化、叶绿素SPAD值及叶绿素荧光参数等各项指标。

苗高和地径分别用卷尺和游标卡尺测定。相对叶绿素含量 (SPAD值) 测定采用SPAD-502叶绿素测定仪 (日本Konica公司), 在上午光合作用测定的同时在每个叶片主脉两侧中部测3个点取平均值, 以上每个处理每次测定3株, 3次重复, 总共9株。

用LI-6400xt便携式光合仪 (LI-COR, USA) 对油桐幼苗光合作用日变化进行测定。测定时选取叶位及长势基本一致且无病虫害的叶片, 并保持叶片自然生长角度。为了保证测定时间的一致性, 每个处理测定6株, 每株测定1枚叶片, 重复3次 (连续测定3 d)。从7:00到19:00, 每2 h测定1次。测定的光合指标包括：净光合速率 (Pn)、气孔导度 (Gs)、蒸腾速率 (Tr)、胞间CO2浓度 (Ci) 等参数。水分利用效率 (WUE)=净光合速率 (Pn) /蒸腾速率 (Tr), 气孔限制值Ls=(Ca-Ci)×100%/Ca[13]。

光响应曲线测定在2014年7月上旬8:00—11:30, 选取长势一致的成熟叶片, 用LI-6400xt便携式光合仪红蓝光源 (LI-COR, USA) 测定光合-光响应曲线；光合有效辐射梯度设定为2400, 2100, 1800, 1500, 1200, 900, 600, 300, 200, 150, 100, 75, 50, 25 μmol m-2 s-1和0 μmol m-2 s-1, CO2浓度由小钢瓶提供, 浓度设定为400 μmol m-2 s-1。光饱和点 (LSP)、光补偿点 (LCP) 等光合指标根据叶子飘的直角双曲线修正模型进行拟合计算[14]。

叶绿素荧光参数的测定用LI-6400xt光合仪测定, 参考LI-6400xt操作手册, 经过充分暗适应的叶片在凌晨破晓前照射检测光测定Fo, 然后施加饱和脉冲为7200 μmol m-2 s-1的光强下0.8 s, 测得暗适应下最大荧光Fm, 荧光参数的计算参照Rohácˇek的方法[15], 光系统Ⅱ中的最大光化学效率 (Fv/Fm) 的计算公式：Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm。天亮后用叶室内活化光活化30 min以上, 直接测定电子传递速率ETR、实际光化学量子效率ΦPSⅡ、光化学猝灭系数qP及非光化学猝灭系数NPQ等参数。

用Excel 2007软件对数据进行处理及作图, 采用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析及其差异显著性分析。

由图 1可知, 在4组水分处理下, 千年桐的SPAD值较三年桐的高, 干旱胁迫使两个油桐物种的SPAD值均降低, 且在中度干旱及重度干旱胁迫下迅速下降。在轻度干旱下, 两个油桐物种的SPAD值稍有降低, 但差异不显著 (P>0.05)；在中度干旱胁迫下, 三年桐和千年桐的叶绿素含量SPAD值分别比CK降低了30.55%、20.64% (P < 0.05), 差异显著；在重度干旱胁迫下, 三年桐和千年桐的SPAD值分别比CK降低了36.9%、30.75% (P < 0.05), 差异极显著。说明干旱胁迫抑制了油桐叶片叶绿素的合成, 还可以加剧叶绿素的降解。

表 1显示, 4种水分处理下千年桐的株高、地径、叶片总数、地上干重和根系干重均高于三年桐, 说明千年桐幼苗较三年桐幼苗生长快。随着干旱胁迫的加重, 两个油桐物种的株高、地径、叶片总数、地上干重和根系干重均逐渐降低。轻度干旱胁迫对油桐幼苗的苗高、地径、叶片总数、地上干重、根系干重等影响不显著 (P>0.05)；中度干旱使三年桐苗高、地径、叶片总数、地上干重、根系干重分别比CK降低了18.29%、14.98%、18.02%、17.05%、22.67% (P < 0.05), 差异显著, 千年桐分别比CK降低了10.75%、20.19%、13.99%、17.24%、24.72% (P < 0.05), 差异显著；重度干旱使三年桐苗高、地径、叶片总数、地上干重、根系干重分别比CK降低了35.65%、38.06%、38.74%、51.94%、38.67% (P < 0.05), 差异显著, 千年桐分别比CK增加31.57%、43.40%、43.34%、42.76%、43.82% (P < 0.05), 差异显著；说明重度干旱严重影响油桐幼苗的正常生长。

由图 2可知, 在CK和轻度干旱胁迫下, 两个油桐物种的净光合速率 (Pn)、蒸腾速率 (Tr) 及气孔导度 (Gs) 的日变化均呈单峰曲线, 三年桐和千年桐的Pn、Tr及Gs的峰值分别出现在上午11:00、13:00、9:00和9:00、13:00、11:00;在中度干旱胁迫下, 两个油桐物种的Pn及Gs均呈双峰曲线, 出现光合午休现象；在重度干旱胁迫下, 两个油桐物种的Pn、Tr及Gs的变化幅度较小, 其值的大小在上午较下午高, 且Pn在中午13:00以后一直处于较低水平。在轻度干旱胁迫下, 两个油桐物种Pn、Tr及Gs日变化的平均值与CK间无显著差异 (P>0.05)；在中度干旱胁迫和重度干旱胁迫下, 两个油桐物种Pn、Tr及Gs日变化的平均值与CK均有显著差异 (P < 0.05), 且干旱胁迫对Tr的影响要高于Pn和Gs, 主要是植物通过降低Tr从而增加了水分利用效率。

4种水分处理下, 两个油桐物种胞间CO2浓度 (Ci) 的日变化整体呈先降低后升高的趋势, 不同处理下Ci最低值的出现时间段不一致。由图 2可知, 整体来说, 在重度干旱胁迫下Ci最高, 而在CK和轻度干旱胁迫下Ci较低, 且轻度干旱胁迫下Ci较CK低, 主要原因是在重度干旱胁迫下, 虽然Gs较小, 大气中CO2很难进入叶肉细胞, 但主要是由于叶片内光合酶活性破坏及代谢降低, 从而使叶肉细胞中的CO2没有同化而保持较高浓度。而在轻度干旱及CK下, 叶片内的酶活性及代谢未曾受到影响, Gs稍低于CK, CO2正常同化固定, 以至于Ci较低。水分利用效率 (WUE) 变化不规则, 整体上午高, 下午逐渐降低；在4种水分处理下, 中度干旱及重度干旱胁迫下, 两个油桐物种的WUE高于轻度干旱胁迫及CK, 两个油桐物种的气孔限制值 (Ls) 在轻度干旱及CK下的值高于中度干旱及重度干旱 (P < 0.05), 达到显著差异。

由图 3可知, 当光合有效辐射PAR≤200 μmol m-2 s-1时, 随着PAR的增加两个油桐物种叶片的Pn随光强呈线性增加。随着PAR的继续增加 (200 μmol m-2 s-1 < PAR≤600 μmol m-2 s-1), 两个油桐物种的Pn在CK及轻度干旱处理下的增加幅度大于中度干旱及重度干旱。当PAR> 600 μmol m-2 s-1时, 两个油桐物种的Pn增加程度逐渐降低, 之后保持平缓趋势。从表 2可知, 在不同处理下, 三年桐的最大净光合速率 (Pnmax)、光饱和点 (LSP) 及暗呼吸速率 (Rd) 均高于千年桐, 而光补偿点 (LCP) 均低于千年桐。随着干旱胁迫的加重, 两个油桐物种的表观量子效率 (AQY)、Pnmax、LSP及Rd逐渐降低, 而LCP逐渐升高。轻度干旱胁迫对两个油桐物种的AQY, Pnmax, LSP, Rd及LCP影响不显著 (P>0.05)；在中度干旱胁迫下, 三年桐的Pnmax, LSP, AQY及Rd分别比CK降低了46.64%、25.96%、33.75%、16.56% (P < 0.05), 差异显著, 千年桐的Pnmax, LSP, AQY及Rd分别比CK降低了45.45%、31.19%、22.67%、19.70% (P < 0.05), 差异显著；在重度干旱胁迫下, 三年桐的Pnmax, LSP, AQY及Rd分别比CK降低了71.53%、38.36%、57.50%、34.44% (P < 0.05), 差异显著, 千年桐的Pnmax, LSP, AQY及Rd分别比CK降低了71.60%、43.03%、37.33%、33.33% (P < 0.05), 差异显著。

轻度干旱对两个油桐物种的Fo, Fv/Fm, ΦPSⅡ, ETR, qP及NPQ无明显影响 (P>0.05)；在中度干旱胁迫下, 三年桐和千年桐的Fv/Fm, ΦPSⅡ, ETR, qP的值分别比CK降低了3.70%、13.04%、21.30%、19.15%和6.17%、27.27%、19.79%、31.11% (P < 0.05), 差异显著。三年桐和千年桐的Fo和NPQ的值分别比CK升高了20.75%、18.24%和10.14%、26.92% (P < 0.05), 差异显著；在重度干旱胁迫下, 三年桐和千年桐的Fv/Fm, ΦPSⅡ, ETR, qP的值分别比CK降低了7.41%、30.43%、62.04%、59.57%和8.64%、45.45%、63.54%、68.89% (P < 0.05), 差异显著, 三年桐和千年桐的Fo和NPQ的值分别比CK升高了35.24%、23.08%和18.30%、48.08% (P < 0.05), 差异显著。通过以上数据分析表明, 中度干旱和重度干旱胁迫均影响了油桐内部生理功能的正常代谢, 且重度干旱胁迫远高于中度干旱胁迫的影响。

光是植物赖以生存和生长的重要环境因子之一。光合作用光响应曲线反映了植物光合速率随光照强度增减的变化规律, 是判断植物光合效率受其环境变化的影响程度, 因此光响应曲线的测定是研究植物在逆境条件下的重要手段之一[16-17]。由表 2可知, 两个油桐物种的Pnmax在中度干旱及重度干旱条件下显著低于CK, 但在正常供水CK及轻度干旱胁迫下无明显差异, 说明中度干旱和重度干旱影响了油桐Rusbico活性及电子传递速率, 这与陆燕元等[18]在甘薯光合曲线响应中的研究结果一致。两个油桐物种的AQY随着干旱胁迫的加重逐渐降低, 在轻度干旱胁迫下降低不显著 (P < 0.05), 在中度干旱和重度干旱胁迫下显著降低 (P < 0.05), 这与王荣荣等[19]在杠柳光响应曲线中的研究结果相一致, 说明在中度干旱及重度干旱胁迫下油桐叶片在弱光利用方面受到较大抑制, 把太阳光转化为净能量的能力降低。

研究表明, 植物在干旱胁迫下LCP增高, LSP降低, 叶片利用弱光和强光的能力均降低[20]。本研究也表明, 随着干旱胁迫的加重, 两个油桐物种的LCP均增加, LSP均降低, 在重度干旱胁迫下利用强光和弱光的能力均最弱。油桐叶片Rd在重度干旱胁迫下较低, 主要是通过降低呼吸作用对光合产物的过多消耗, 以适应干旱的土壤条件。夏江宝等研究表明[21], 山杏的Rd在0.67—1.92 μmol m-2 s-1之间, 王荣荣等测定了杠柳的Rd在1.37—2.08 μmol m-2 s-1之间。在不同干旱胁迫下, 三年桐的Rd在0.99—1.51 μmol m-2 s-1之间, 而千年桐的Rd在0.88—1.32 μmol m-2 s-1之间, 由此可知, 在不同水分条件下, 不同树种对弱光环境的光合生理适应性存在较大差异, 这可能是不同植物在不同生境下长期适应环境的一种自我保护机制。

研究表明, Pn与Gs呈显著正相关关系, Pn随着Gs的减小而降低[22], 气孔主要受土壤环境水分及根信号控制, 根系信号主要通过根系水势的高低调节木质部汁液中ABA的含量[23-24], 由此可知, 土壤水分含量对植物光合作用的影响非常明显。气孔是外界CO2进入叶肉细胞中的主要通道, 它的大小直接决定了植物光合速率的高低。光合作用的限制因子可分为气孔限制和非气孔限制, 在叶片气体交换动态变化过程中, 当Ci与Gs同时下降时, Pn下降主要是由气孔限制引起的, 如果Pn的降低伴随着胞间CO2浓度升高, 光合作用的主要限制因素则是光合机构活性降低的非气孔因素引起的[25]。在轻度干旱和CK处理下, 两个油桐物种的Pn与Gs均呈单峰曲线且变化趋势基本一致, 没有出现光合午休现象, 说明轻度干旱胁迫对油桐幼苗的生长无明显的影响。在中度干旱胁迫下, 两个油桐物种的Pn呈双峰曲线, 出现光合午休现象, 中午Gs降低的同时, 三年桐的Ci先升高后稍有降低的趋势, 但千年桐的Ci一直处于较高状态, 说明在中度干旱胁迫下, 三年桐Pn的降低是由气孔因素和非气孔因素共同影响的, 而千年桐Pn的降低主要是由于叶片光合酶活性的非气孔因素引起的。在重度干旱胁迫下, 两个油桐物种的Pn及Tr一直处于较低水平, 在中午前后Ci一直处于较高水平, 说明在重度干旱胁迫下, Pn降低主要是由于光合机构活性破坏的非气孔因素引起的。WUE客观地反映了植物对水分的利用状况, 它的高低直接反应了植物对环境的适应能力[26]。本研究发现, 随着干旱胁迫的加重, 两个油桐物种的WUE逐渐升高, 在重度干旱胁迫下WUE提高的主要原因是由于油桐通过降低叶片的Tr, 从而使WUE提高, 这也是植物在逆境环境下长期进化的一种自我保护机制。本研究发现, 在重度干旱胁迫下, 7:00 Ls高于CK, 但之后Ls低于CK, 且在中午显著低于CK, 主要是由于Ls与Ci的浓度有很大关系, 一般认为, 在重度干旱胁迫下Gs较小, 由于通过气孔进入叶肉细胞中的CO2较少以至于Ls较高, 但实际上在重度干旱胁迫下, 虽然Gs较低, 进入叶肉细胞中的CO2较少, 但是由于光合机构活性破坏降低使叶肉细胞中的Ci未能及时同化固定, 从而使叶肉细胞中的CO2浓度积累增加, 因此, Ls逐渐降低。

在干旱胁迫下, Fo值的升高主要是PSⅡ部分反应中心失活而引起的, Fv/Fm的降低主要是用来反映PSⅡ复合物的光抑制伤害[27]。Björkman和Demming[28]表明植物在没有光呼吸下, Fv/Fm一般在0.80—0.83之间, 其值会随着光呼吸及外界环境胁迫的增加而降低[29], 本研究表明, 在轻度干旱胁迫下, 两个油桐物种的Fv/Fm无显著影响。在中度干旱胁迫下, 三年桐和千年桐的Fv/Fm分别降低到0.78和0.76, 在重度干旱胁迫下分别降低到0.75和0.74 (P < 0.05), 差异显著, 说明在中度干旱及重度干旱胁迫下两个油桐物种均受到光抑制从而使光合机构活性降低[30]。研究表明光合机构活性的降低主要是PSⅡ受到伤害, PSⅡ主动通过降低电子传递和减小光化学效率来响应CO2同化能力的降低, 植物主要通过热耗散的形式把过剩的光能释放以避免强光对光系统的破坏和损伤[31]。由图 4可知, 在重度干旱胁迫下, 两个油桐物种的ETR显著降低, Fo及NPQ显著升高, Fo显著升高, 这也说明了在重度干旱胁迫下反应中心进入关闭装态, 使电子传递受阻, 热耗散增加, 从而降低了油桐的光合效率, 这与李娟等[32]在黄条金刚竹中的研究具有一致性。

在木本植物中, 油桐属植物具有较高的光合速率, 这与它生长快密切相关。三年桐的光合效率高于千年桐, 且对干旱胁迫的适应性较千年桐强, 但叶绿素SPAD值及生长量低于千年桐。轻度干旱胁迫对两个油桐物种的正常生长及生理指标无明显影响；中度干旱及重度干旱使两个油桐物种的叶绿素SPAD值、生长量、净光合速率Pn、Gs、Tr、Ls、Pnmax、LSP、AQY、Rd、Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR及qP降低, Ci、WUE、LCP、Fo及NPQ显著升高；中度干旱胁迫下两个油桐物种Pn的降低是由气孔因素及光合机构活性降低的非气孔因素共同引起的, 而重度干旱胁迫下光合作用的下降主要是由光合机构活性降低的非气孔因素引起的。总之, 油桐具有一定的抗旱性, 当土壤含水量高于土壤田间最大持水量的70%时不会对油桐正常生长产生影响, 当土壤含水量低于土壤田间最大持水量的35%时对油桐正常生理代谢产生严重影响。