1. 引言
干旱是造成作物减产的主要环境因子，全球干旱、半干旱地区约占土地总面积的36%，占耕地面积的43% [1]。据统计，我国每年平均干旱受灾面积达2 × 107 hm2，损失粮食占因灾减产量的50% [2]。深入探究农作物对干旱的生理响应规律以及内在抗旱原理，科学选育适合半干旱地区种植的优良农作物品种，对于水资源的合理利用和农业的可持续发展有着重要的意义。
谷子(Setaria italica L.)是起源于中国的传统粮食作物，具有营养丰富、耐旱，耐贫瘠的特质和潜力 [3]。我国谷子栽培面积最大，产量最高，约占世界谷子90%以上。谷子因具有适应干旱、半干旱地区气候和生态环境的机制，被认为是一种极具研究价值的抗旱种质 [4]。近年来，研究干旱对谷子影响的报道主要集中在农艺形状、生理生化指标、光合生理、抗旱性鉴定指标的筛选等方面 [5] - [10]，在光合生理的研究领域也主要集中在光合速率、气孔导度、蒸腾速率等方面的研究，而缺少叶绿素荧光参数与谷子抗旱之间关系的报道，因此，本研究通过分析不同谷子品种在缺水状态下叶绿素诱导荧光动力学主要参数的变化，旨在探讨水分胁迫对谷子光合作用光反应阶段的影响，为干旱半干旱地区谷子育种和抗旱机理研究提供依据。
2. 材料与方法
2.1. 实验材料
供试品种为“衡谷13号”、“衡谷18号”、“豫谷18”、“冀谷19”，均为粮用常规品种，适宜在河北、山东、河南两作区夏播及丘陵山地春播种植。其中“衡谷13号”、“衡谷18号”为河北省农林科学院旱作所育成品种，“豫谷18”为安阳市农科院培育品种，“冀谷19”为河北省农林科学院谷子研究所育成品种。
2.2. 实验方法
将种子均匀种植在装满湿润蛭石的塑料盆内(高30厘米，直径25厘米)，待幼苗长至1叶1心时间苗，每盆保留20株，均匀分布，苗距3~5 cm，1/4 Hoagland营养液定量浇灌。5叶1心时开始控水处理，对照浇灌1/2 Hoagland营养液，为保证水分的供应，每5天每盆浇灌1/2 Hoagland营养液500 ml，干旱处理水分减半，每5天浇灌完全Hoagland营养液250 ml，以保证营养成分的一致。每个处理3次重复。培养条件为温度20℃~25℃，自然光照。30天后，干旱处理与对照生长出现明显差异，进行指标测定。
2.3. 指标测定方法
用SPAD-502 (日本)叶绿素测定仪测定谷子倒2叶片的叶绿素含量，每个叶片取上、中、下3个不同部位(避开叶脉)，取平均值，每个处理测定10个叶片。
用FP100 (捷克)手持式叶绿素荧光仪测量倒2叶片快速叶绿素荧光诱导动力学相关参数，测定前暗处理叶片中间部位15分钟(避开叶脉)，每个处理测定10株。
将20棵谷子苗用电子天平称量鲜重，计算干旱敏感系数。
干旱敏感系数 = (对照鲜重 − 干旱处理鲜重)/对照鲜重。
利用Excel 2013处理数据并绘制相应图表，用SPSS19.0软件进行差异显著性分析。
3. 结果与分析
3.1. 干旱胁迫对不同品种谷子叶绿素含量、鲜重和干旱敏感系数的影响
干旱缺水首先造成植物叶绿素合成受阻、生长减缓。表1表明，干旱处理30天后谷子叶绿素含量降低，衡谷13号降低幅度最小，为6.2%，衡谷18号最高，降低幅度达18.2%。分亏缺导致4个品种谷子鲜重降低均达到了显著水平，衡谷13号降低幅度最小。根据鲜重计算出的干旱敏感系数表明，衡谷13号对干旱最不敏感，衡谷18号最敏感，干旱敏感系数最高，冀谷19和豫谷18处于中间水平。
Table 1. Comparison of chlorophyll content, fresh weight and drought sensitivity coefficient of different varieties of millet under drought stress
表1. 干旱胁迫下不同品种谷子叶绿素含量、鲜重、干旱敏感系数的比较
注：同一行数据后的不同小写字母表示品种内处理间差异在0.05水平上显著，下同。
3.2. 干旱胁迫对不同品种谷子基础荧光参数的影响
Fo为叶片暗适应后的初始荧光，是PSII反应中心处于完全开放时的荧光产量，代表不参与PSII光化学反应的光能辐射部分。Fm为最大荧光，是PSII反应中心完全关闭时的荧光产量，它能反映PSII电子传递链的状态 [11]。Fv为可变荧光，与PSII原初电子受体的氧化还原状态有关 [12]。干旱处理下谷子荧光参数Fo、Fm和Fv的变化如表2所示。4个品种的谷子初始荧光Fo均表现为增大，衡谷18号增加最多，比对照增加了15.45%，衡谷13号增加了4.98%，冀谷19和豫谷18分别增加了6.23%、10.07%。最大荧光Fm均表现为下降，衡谷18号下降了6.11%，其它3个品种下降幅度没有达到显著水平。可变荧光Fv均表现为降低，4个品种降低幅度分别为：衡谷13号4.80%、衡谷18号11.54%、冀谷19 6.55%、豫谷18 7.15%。
Table 2. Effects of drought stress on basic fluorescence parameters of different millet varieties
表2. 干旱胁迫对不同品种谷子基础荧光参数的影响
3.3. 干旱胁迫下不同品种谷子光化学性能指标的变化
从表3可以看出，PSII反应中心最大光能转换率Fv/Fm、PSII反应中心潜在活性指标Fv/Fo、以及以吸收光能为基础的光合性能指数PIABS均表现为降低，其中Fv/Fm除衡谷18号外变化均不显著，降低最多的衡谷18号也只有5.76%。Fv/Fo降低较为明显，降低幅度从大到小依次为衡谷18号(23.37%)、衡谷13号降低最少(9.32%)，PIABS的降低也达到了显著水平，降低幅度分别为：衡谷18号(20.56%)、豫谷18 (16.16%)、冀谷19 (12.77%)、衡谷13号(7.47%)。
Table 3. Effects of drought stress on the photochemical performance indexes of different millet varieties
表3. 干旱胁迫对不同品种谷子光化学性能指标的影响
3.4. 干旱胁迫下不同品种谷子非光化学淬灭(NPQ)的变化
非光化学淬灭(NPQ)反映了PSII反应中心天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分，其热耗散能力可用非光化学淬灭系数(NPQlss)表示 [13]。干旱胁迫下，4个品种谷子NPQlss均显著增大(见图1)，说明在干旱胁迫下，谷子可通过增加热耗散避免过剩光能引起的光合器官损伤。4个品种中衡谷13号NPQlss增加幅度最大，比对照提高了34.15%，衡谷18号增加最少，只有2.65%。
Figure 1. The effect of drought stress on non-photochemical quenching of different millet varieties
图1. 干旱胁迫对不同品种谷子非光化学淬灭的影响
4. 讨论
水分亏缺对植物光合作用的影响是多方面的，首先是原初反应阶段PSII的电子传递，严重时会引发光合机构的损伤。利用叶绿素荧光动力学方法可以快速、灵敏、无损伤探测水分胁迫对植物光合作用的影响 [14]。
本实验通过30天控水处理使谷子受到干旱胁迫，4个品种的谷子叶绿素含量下降、鲜重降低，从干旱敏感系数分析，4个品种抗旱性有明显差异，其中衡谷13号敏感系数最低，为抗旱品种。
叶绿素含量的降低导致光能的吸收和传递效率降低，荧光强度也随之发生变化。叶绿素荧光主要是由PSII中的色素分子在原初反应阶段产生。4个品种谷子叶绿素荧光参数的变化中，Fo表现为升高，Fm表现为降低但变化不显著，因此造成Fv的下降。这一变化规律与前人对糜子 [15]、玉米 [16] 的研究一致，Fo的增加可能是植物叶片PSII反应中心出现可逆的失活或出现不易逆转的破坏，也可能是植物叶片类囊体膜受到损伤 [11]。
反映光化学性能指标的Fv/Fm、Fv/Fo、PIABS 3个参数中，Fv/Fm虽然有所下降，但变化不如Fv/Fo和PIABS显著，虽然Fv/Fm是目前使用频率最高的一个叶绿素荧光参数，但本实验表明，在干旱缺水试验中Fv/Fm并不是一个理想的评价指标。本实验中Fv/Fo和PIABS在干旱胁迫后变化显著，尤其是PIABS对干旱胁迫更敏感，不仅反映PSll反应中心对吸收光能的捕获效率，还反映了PSll有活性反应中心的数目以及电子在PSll和PSI之间传递的能力 [12]。前人对小麦 [17]、桑树 [18] 的研究也证明了这一观点。
非光化学碎灭(NPQ)是一种自我保护机制，PSII反应中心通过提高非辐射性热耗散消耗PSII吸收的不能利用的过剩光能，从而保护PSII反应中心免受破坏或损伤 [19]。关于非光化学淬灭与抗旱性强弱之间的关系有不同的观点，韩瑞宏对苜蓿的研究 [20] 和杨小青对小麦的研究 [21] 认为抗旱性强的品种非光化学淬灭升高幅度大，PSII反应中心的开放程度高，电子传递与热耗散能力比抗旱性弱的品种强，避免了过剩光能对光合机构造成的损伤。而有些研究者 [15] [16] [22] 则持相反观点。这可能和物种有关，也可能是因为干旱胁迫强度与时间不同造成的。我们的实验表明抗旱性越强的谷子品种NPQ增加越多。
综上所述，抗旱性不同的谷子在受到水分胁迫后PSII的活性降低，叶绿素荧光参数Fo、Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、PIABS均受到影响，抗旱性强的品种变化幅度小，而非光化学淬灭(NPQ)则表现为抗旱性强的品种变化幅度最大。其中Fo、Fm、Fv、Fv/Fo、PIABS、NPQ的变化规律与谷子的抗旱性存在着密切的关系，为谷子抗旱节水机制研究提供了依据。
基金项目
国家谷子高粱产业技术体系(CARS-06-13.5-B3)；河北省种植业农艺节水关键技术研发与技术包集成(18227004D)。
NOTES
*通讯作者。