全 文 ：林业科学研究　2006, 19 (5) : 638～642
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2006) 0520638205
高温干旱胁迫下香根草光合特性等生理指标的变化
刘　艳 1 , 黄乔乔 1 , 马博英 2 , 徐礼根 1
(1. 浙江大学生命科学学院 ,植物生理学与生物化学国家重点实验室 ,浙江 杭州　310058;
2. 浙江教育学院生物系 ,浙江 杭州　310012)
收稿日期 : 2006201219
基金项目 : 浙江省科技厅重大攻关项目 (2004C 13001)“生态高速公路关键技术研究 ”、( 2003C30017)“公路边坡植被重建技术研究 ”、
浙江省交通厅科技计划项目 (2005H025)“高速公路生态边坡工程应用研究”、温州市科技局重点科技计划项目 (N2003B025)“无土节水环保
型草坪板的研制和产业化示范”及“山体岩面植被重建和生态综合治理技术研究及工程示范”资助
作者简介 : 刘艳 (1981—) ,女 ,山东莱阳人 ,植物学专业硕士研究生 ,主要从事植物生理生态研究.
通迅作者 : 徐礼根 ,副教授 ,硕士生导师 , E2mail: xuligeng@hzcnc. com
摘要 :研究了持续高温干旱胁迫条件下禾本科 C4植物香根草的光合特性和几种生理指标的变化。结果表明 :在整个高温
干旱胁迫过程中土壤相对含水量、香根草叶片相对含水量及叶绿素含量均呈下降趋势 ,而丙二醛 (MDA )含量和游离
脯氨酸 ( Pro)含量持续增加 ,抗氧化物酶类 ( SOD、POD)活性先升高后降低。胁迫初期香根草叶片的净光合速率 ( Pn)、
细胞间 CO2浓度 (Ci)显著下降。随着胁迫程度加剧 , PSII最大光化学量子产量 ( Fv/Fm )、PSII有效光化学量子产量
( Fv’/Fm’)、光化学猝灭 ( qP)、非光化学猝灭 ( qN)、电子传递速率 ( ETR)下降。表明高温干旱胁迫初期光合速率的下
降是由于气孔关闭引起 ,胁迫后期指标变化是由于叶片 PSII光合系统受损引起。
关键词 :香根草 ;高温干旱胁迫 ;光合特性 ;生理指标
中图分类号 : Q945. 1　　　　　文献标识码 : A
Changes of Photosyn thesis and Physiolog ica l Index in V etiveria zizan io ides
under Hea t and D rought Stress
L IU Yan1 , HUANG Q iao2qiao1 , MA B o2ying2 , XU L i2gen1
(1. State Key Laboratory of Plant Physiology and B iochem istry, College of L ife Sciences, Zhejiang University, Hangzhou　310058,
Zhejiang, China; 2. Department of B iology, Zhejiang Education Institute, Hangzhou　310012, Zhejiang, China)
Abstract: This experiment used gram ineous C4 p lant vetiver, V etiveria zizan ioides as material to study the changes of
photosynthetic characters and physiological indices under constant heat and drought stress. The results suggested
that under the whole stress period, all the relative soil water content、the relative leaf water content and the chloro2
phyll content showed decreasing tendencies, MDA content and dissociated p roline content showed increasing tend2
encies, and the enzyme activity of SOD , POD in peroxide enzyme system increased at first and then decreased. Net
photosynthetic rate ( Pn) of vetiver’s leaf and intercellular CO2 concentration (Ci) decreased notably in the early
period of heat and drought stress. Then notable decreases of PSIImax photochem istry quanta output ( Fv/Fm) , PSII
effective photochem istry quanta output ( Fv’/Fm ’) , photo2chem ical quenching ( qP ) , electron transport rate
( ETR) and non photo2chem ical quenching ( qN ) were observed as the extent of stress increased. This suggested that
the decrease of photosynthetic rate in the early period of heat and drought stresswas caused by the closure of stoma,
and the changes of indices in the later period of heat and drought stresswas caused by the damage of PSII in leaves.
Key words:V etiveria zizan ioides; heat and drought stress; photosynthesis; physiology index
第 5期 刘 　艳等 :高温干旱胁迫下香根草光合特性等生理指标的变化
香根草 (Vetiveria zizan ioides (L. ) Nash) ,又名岩
兰草 ,是一种禾本科 ( Gram ineae)多年生草本植物 [ 1 ] ,
根系发达 ,抗逆性强 ,具有耐旱、耐热、耐寒、耐瘠、耐
涝、耐酸、耐碱等特性 ,在温度范围为 - 15. 9℃～
55℃、年降水量为 300 mm的干旱地区和年降水量 6
000 mm的潮湿地区均可生长 [ 2, 3 ]。20世纪 50年代早
期 ,香根草在斐济群岛首次被应用到土地恢复和水土
保持 [ 4 ] ,近十几年来香根草在世界范围内生态恢复上
的应用非常广泛 :如固土护坡 ,改善废弃地、荒漠地、
污染地的土壤、水体及植被环境等 ,因而国内外公认
其是一种理想的水土保持和植被恢复植物 [ 1 ]。我国
50年代就开始了对本国野生香根草的应用和研究 ,曾
尝试香精提取和造纸 ,进入 80年代 ,世界银行官员
Grim shaw R. G.从印度引进香根草进行大规模的水
土保持和土地恢复方面的推广应用 [ 3, 5 ]。国际香根草
网络、太平洋周边地区、欧洲—地中海、南非、西非、拉
丁美洲等近 30个地区或国家级香根草网络相继成立
并在水土保持 ,抗酸、碱、盐、重金属及垃圾污染 ,荒地
复垦等方面进行了大量研究工作 [ 6 ]。
关于高温胁迫对香根草生理的影响 ,刘金祥
等 [ 7 ]采用 25～55 ℃的温度梯度短期 ( 24 h)处理香
根草并测定了膜透性、脯氨酸含量、相对含水量、叶
绿素含量等生理指标的变化。Maffei M 等 [ 8 ]通过常
温下香根草光合酶活性的测定 ,揭示了香根草具有
C4植物的光合机制。关于干旱胁迫对香根草光合生
理生态的影响 ,国内外研究极少 ,仅见刘金祥等 [ 6 ]所
做的净光合速率 ( Pn)、蒸腾速率 ( Tr)和水分利用率
(WUE)的测定。高温胁迫对香根草光合生理的影
响未见报道。
本文研究了香根草在较长时间的高温干旱胁迫
过程中其光合和其它生理指标的变化反应 ,并对此
过程中香根草的抗性机理进行了探讨 ,以期为香根
草的合理利用提供理论参考。
1 材料与方法
1. 1　试验材料
将杭州固绿交通工程有限公司香根草苗圃基地
赵肇庆先生提供的 1年生香根草种苗栽植在下口直
径 20 cm ,上口直径 23 cm,高度为 25 cm的盛土花盆
中 ,常规培养 2个月后 ,于 2005年 7月 10—30日期
间放在学校温室 (顶部为玻璃、四周为网的网室 )自
然光照下 ,不作任何浇水 ,进行为期 20 d的夏季持
续高温干旱处理 ,期间温室内昼夜最高温为 45 ℃,
最低温 25 ℃。试验设置 3个重复。
1. 2　试验方法
分别在高温干旱胁迫处理第 0、4、8、12、16、20
d,选用香根草倒二叶 (心叶除外的完全展开叶 )中
上部叶片 (距叶尖端 10～15 cm )进行光合等生理指
标的测定 ,光合指标的测定时间和其它生理指标的
采样时间都统一在上午 9: 00左右 ,实验重复 3次 ,
数据取平均值 ±SD。
1. 2. 1　叶片相对含水量的测定 　剪下上述部位叶
片称鲜质量、饱和质量、烘干质量。叶片相对含水量
(RWC) = [ (鲜质量 - 烘干质量 ) / (饱和质量 - 烘
干质量 ) ] ×100% [ 9 ]。
1. 2. 2 　土壤相对含水量的测定 　用整盆称质
量法 [ 10 ]。
1. 2. 3　叶片叶绿素含量的测定 　参照文献 [ 11 ]。
1. 2. 4　叶片光合特性的测定 　采用 L i26400便携式
光合系统测定仪和荧光叶室 6400240 (美国 , L I2Cor
公司 )。测定叶片净光合速率 ( Pn)、细胞间 CO2浓
度 (Ci)等气体交换参数时采用红蓝光源叶室 ,测定
光通量密度 ( PFD )时设置为 1 000 μmol·m - 2 ·
s
- 1。荧光测定采用荧光叶室 ,暗适应 30 m in,光化
学活性光为 1 400 μmol·m - 2 · s- 1 ,饱和闪光为
7 200μmol·m - 2 ·s- 1。PSII最大光化学量子效率
( Fv /Fm )按 Fv / Fm = ( Fm - F0 ) / Fm计算 ,开放的 PSII
反应中心捕获激发能效率 ( Fv’/Fm’)按 Fv’/ Fm ’
= ( Fm ’- F0 ’) / Fm ’计算 ,光化学淬灭 ( qP)按 qP =
( Fm ’- Fs ) / ( Fm ’- F0 ’)计算 ,非光化学淬灭 ( qN )
按 qN = 1 - Fv’/ Fv计算 [ 12 ]。
1. 2. 5　抗氧化物酶类的测定
1. 2. 5. 1　酶液的提取 :研钵中液氮研磨 ,加 2 mL酶
提取液 ,研毕后在 4 ℃下 15 000 G离心 20 m in。
1. 2. 5. 2　超氧化物岐化酶 ( SOD )活性测定 :氮蓝四
唑 (NBT)法 [ 11 ]。
1. 2. 5. 3　愈创木酚过氧化物酶 ( POD )活性的测定 :
根据 470 nm波长下吸光度的增加来计算 [ 13 ]。
1. 2. 6 　丙二醛 (MDA )的测定 　硫代巴比妥酸
( TBA)法 [ 11 ]。
1. 2. 7　游离脯氨酸 (Pro)的测定　酸性茚三酮法 [13 ]。
2　结果与分析
2. 1　高温干旱胁迫下土壤相对含水量和香根草叶
片相对含水量的变化
如图 1所示 ,高温干旱胁迫条件下土壤的相对
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
含水量、香根草叶片的相对含水量变化趋势相似 ,都
随着胁迫天数增加而下降 ,并且胁迫后期 ( 12—20
d)的下降幅度明显高于前期 (0—12 d) ,随着胁迫天
数增加胁迫程度也随之加剧。胁迫后期 (12—20 d)
香根草叶片的相对含水量降到 60% ～15% ,说明后
期水分亏缺严重。
图 1　高温干旱胁迫下土壤和香根草叶片相对含水量的变化
2. 2　高温干旱胁迫下香根草叶片叶绿素含量和光
合指标的变化
2. 2. 1　高温干旱胁迫下香根草叶片叶绿素含量和
净光合速率的变化 　如图 2所示 ,随着胁迫天数的
增加 ,叶片叶绿素含量 (Chl)和净光合速率 ( Pn)下
降幅度显著。胁迫后期叶绿素含量已下降到很低
值 ,并渐趋平缓。
图 2　高温干旱胁迫下香根草叶片叶绿素
含量、Pn的变化
2. 2. 2　高温干旱胁迫下香根草叶片电子传递速
率和 CO2同化速率 　如图 3所示 ,细胞间 CO2浓
度 ( C i)和电子传递速率 ( ETR )总体上都呈下降
趋势 ,且 C i下降趋势比 ETR显著。 ETR胁迫 12
d后的下降更为显著。因为高温干旱胁迫降低了
反应中心的开放程度 ,进而影响了反应中心稳定
的电荷分离 ,从而抑制了光合电子传递能力 ,致
使 ETR显著下降。
图 3　高温干旱胁迫下香根草叶片 Ci、ETR的变化
2. 2. 3　高温干旱胁迫下香根草叶片 Fv/Fm、Fv’/
Fm’的变化 　Fv/Fm是 PSII最大光化学效率 ,反映
的是 PSII反应中心内的光能转化效率 [ 14 ]。 Fv’/
Fm’表示有效光化学量子产量 ,它反映光下开放的
PSⅡ反应中心捕获激发能效率 [ 15 ]。如图 4所示 ,与
PSII光合活性相关的荧光系数 Fv/Fm 的下降不显
著 , Fv’/Fm’在高温干旱胁迫 12 d后下降幅度变
大。表明反应中心光能利用效率降低 ,这样 ,积累的
过量光能易使光系统 II受到损伤。
图 4　高温干旱胁迫下香根草叶片 Fv/Fm、Fv’/Fm’的变化
2. 2. 4　高温干旱胁迫下香根草叶片 qN、qP的变化
　光化学猝灭 qP反映的是 PSII原初电子受体的还
原状态和 PSII开放中心数目。要保持高的光化学
猝灭就要使 PSII反应中心处于“开放 ”状态 [ 15 ]。 qN
非光化学猝灭反映的是 PSII天线色素吸收的光能
不能用于光合电子传递而以热形式耗散的部分。这
是 PSII系统的一种自我保护机制 ,避免由于光能过
量积累对光合系统造成破坏 [ 16 ]。如图 5所示 , qP呈
下降趋势 ,表明胁迫降低了 PSII反应中心的开放程
度。非光化学猝灭 qN 没有升高 ,反而下降但不显
著 ,表明胁迫程度超出了保护机制的能力范围 ,热耗
散这条途径受阻。
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第 5期 刘 　艳等 :高温干旱胁迫下香根草光合特性等生理指标的变化
图 5　高温干旱胁迫下香根草叶片 qP、qN的变化
2. 3　高温干旱胁迫下香根草抗氧化物酶类变化
SOD与 POD一起被认为是植物体内自由基清
除剂 ,其活性的变化在一定程度上反映机体内自由
基的代谢情况 [ 17 ]。如图 6所示 , SOD、POD 的活性
先升高后下降 ,在高温干旱第 8天达到最大 ,随后呈
现下降趋势。
图 6　高温干旱胁迫下香根草叶片抗氧化物酶活
力变化率 (相对于对照 )
2. 4　高温干旱胁迫下香根草叶片丙二醛和脯氨酸
含量的变化
图 7中 ,随高温干旱胁迫天数增加 ,香根草叶片
内丙二醛 (MDA )含量变化率持续增加但变化不甚
显著 ;脯氨酸 ( Pro)含量持续上升 ,胁迫后期的上升
程度明显高于前期。MDA是一种高活性的脂过氧
化物 ,影响细胞质膜的流动性及其与酶的结合力 ,使
电解质渗漏量增加 [ 18 ]。脯氨酸 ( Pro)含量的变化是
评价植物抗旱逆境生理的一个重要指标 ,一般而言 ,
抗逆性强的植物 Pro维持积累时间长 ,维持积累量
也较大 [ 19 ]。
图 7　高温干旱胁迫下香根草叶片 MDA, Pro
含量变化率 (相对于对照 )
3　结论与讨论
试验结果表明 ,高温干旱胁迫前期 ( 0—12 d) ,
外界 CO2进入受阻 ,直接影响香根草叶片 CO2同化
速率 ,导致 Ci浓度显著降低 ,光合速率 Pn下降。同
时 , ETR降低但不显著 ,反映 PSII光合中心光能转
换和捕获效率的 Fv/Fm和 Fv’/Fm’变化不大 ,说明
最初香根草光合速率的下降是由于气孔因素引起
的 ,这时 PSII光合系统没有受到破坏 ; qN变化不显
著 ,过剩的光能通过热耗散途径耗散掉 ,表明香根草
的光合系统对高温干旱具有一定的耐受性。
高温干旱胁迫后期 (12—20 d) ,积累的过量光
合能不能用于 CO2固定 ,造成香根草叶肉细胞叶绿
体的片层结构受损 ,叶绿素含量降低 ,集光色素捕获
的光能减少 ,香根草叶片净光合速率下降显著 , PSII
光反应中心有效光能转化效率下降 ,光合系统受到
一定程度的损害。qN的下降表明热耗散途径受阻 ,
过剩的能量通过热量以外的方式消耗掉 ,其中一个
途径就是经光呼吸和 Mehler—抗坏血酸途径的光合
O2还原 ,导致了超氧自由基和 H2 O2的形成 [ 20 ]。
随着高温干旱胁迫程度的加重 ,香根草体内的
保护酶清除速率小于氧自由基积累速率使酶活力下
降甚至失活 ,导致膜脂过氧化作用加强。由 MDA含
量增高、游离脯氨酸的积累情况和 POD、SOD的活性
变化状况表明 ,香根草具有强大的渗透调节能力和
活性氧自由基清除能力 ,具有较强的抗高温干旱
能力。
高温胁迫下的土壤干旱主要通过两个限制因素
抑制香根草叶片光合作用 :一是气孔因素 , 二是非
气孔因素 ———叶绿体活性。前者是指高温造成的水
分胁迫使气孔导度下降 , CO2进入叶片受阻而使光
合下降 ;后者是指光合器官光合活性的下降。近年
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来研究表明 ,植物体内活性氧自由基代谢失调而引
发的生物膜结构与功能的破坏 ,是导致光合非气孔
限制的主要原因 [ 21, 22 ]。
参考文献 :
[ 1 ] 徐礼煜. 香根草研究与展望 [M ]. 北京 : 中国农业科技出版社 ,
1998: 118～130
[ 2 ] 徐礼煜 , 方长久 , 万明 ,等. 香根草系统及其在中国的研究与应
用 [M ]. 香港 : 亚太国际出版有限公司 , 2003: 1～2
[ 3 ] 夏汉平 , 敖惠修 , 刘世忠. 香根草生态工程———实现可持续发
展的生物技术 [ J ]. 生态学杂志 , 1998, 17 (6) : 44～50
[ 4 ] Chen Y, Shen Z, L i X. The use of vetiver grass ( V etiveria zi2
zanioides) in the phytoremediation of soils contam inated with heavy
metals [ J ]. App lied Geochem istry, 2004, 19 (10) : 1553～1565
[ 5 ] 程洪. 香根草在我国的应用及研究综述 [ J ]. 水土保持通报 ,
1998, 18 (3) : 77～81
[ 6 ] 刘金祥 ,王铭铭 ,肖生鸿 ,等. 干旱胁迫对香根草生长及光合生理
主要特征的影响 [ J ]. 四川草原 , 2005 (3) : 28～30
[ 7 ] 刘金祥 ,谭杏婵 ,刘家琼. 高温胁迫对香根草含水量、膜透性、脯
氨酸和叶绿素含量的影响 [ J ]. 草原与草坪 , 2005 (6) : 59～61
[ 8 ] MaffeiM, Scannerini S, Berta G, et al. Photosynthetic enzyme ac2
tivities in Vetiveria zizanioides cultivated in temperate climates [ J ].
B iochem ical Systematics and Ecology, 1995, 23 (6) : 27～32
[ 9 ] 邹琦. 植物生理学实验指导 [M ]. 北京 : 中国农业出版社 ,
2000: 11～12, 110～113
[ 10 ] 徐建民 ,黄昌勇 , 安曼 , 等. 磺酰脲类除草剂对土壤质量生物
学指标的影响 [ J ]. 中国环境科学 , 2000, 20 (6) : 491～494
[ 11 ] 蒋德安 , 朱 诚. 植物生理学实验指导 [M ]. 成都 : 成都科技大
学出版社 , 1999: 83～87
[ 12 ] Genty B, B riantais J M, Baker N R. The relationship between
quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of
chlorophyll fluorescence [ J ]. B iochem B iophys Acta, 1989, 900:
87～92
[ 13 ] 上海植物生理学会. 植物生理学实验手册 [M ]. 上海 : 上海科
技出版社 , 1985: 303, 305, 314
[ 14 ] Demm ig2Adam sB, Adam sW W , Barker D H, et a l. U sing chloro2
phyll fluorescence to assess the fraction of absorbed light allocated to
thermal dissipation to of excess excitation [ J ]. Physiol, Plant,
1996, 98: 253～264
[ 15 ] B ilger W , B jorkman O. Role of the xanthophylls cycle, fluores2
cence and photosynthesis in Hedera canariensis [ J ]. Photosynth
Res, 1990, 25: 173～185
[ 16 ] Ogren E. Prediction of photoinhibition of photosynthesis from meas2
urements of fluorescence quenching components [ J ]. Planta, 1991,
184: 538～544
[ 17 ] 周瑞莲 , 王海鸥 , 赵哈林. 不同类型沙地植物保护酶系统对干
旱、高温胁迫的响应 [ J ]. 中国沙漠 , 1999, 19 (专刊 ) : 49～54
[ 18 ] 许振柱 ,于振文 ,董庆裕 , 等. 水分胁迫对冬小麦旗叶细胞质膜
及叶肉细胞超微结构的影响 [ J ]. 作物学报 , 1997, 23 ( 3) : 370
～375
[ 19 ] 倪郁 ,郭彦军 ,吕俊 ,等. 水分胁迫下豆科牧草的生理生化变化
[ J ]. 土壤通报 , 2004, 35 (3) : 276～278
[ 20 ] Cornic G, B riantais J M. Partitioning of photosynthetic electron flow
between CO2 and O2 reduction in a C3 leaf ( Phaseolus vulgaris L. )
at different CO2 concentrations and during drought stress [ J ]. Plan2
ta, 1991, 183: 178～184
[ 21 ] 关义新 ,戴俊英 ,林艳. 水分胁迫下植物叶片光合的气孔和非气
孔限制 [ J ]. 植物生理学通讯 , 1995, 31 (4) : 293～297
[ 22 ] 刘琴 ,孙辉 ,何道文. 干旱和高温对植物胁迫效应的研究进展
[ J ]. 西华师范大学学报 , 2005, 26 (4) : 364～368
246