避雨栽培模式对葡萄叶绿素荧光及光合产物的影响

郭俊强，张晓月，王西平*

（1. 杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100；2. 西北农林科技大学园艺学院/农业部西北园艺作物生物学与种质创新重点开放实验室，陕西杨凌 712100）

葡萄适应性强，在全国各省市区均有栽培。根据国家统计局数据显示，截止2019年，我国葡萄栽培面积为72.62万 hm2，年产量为1419.54万 t。改革开放以来，我国葡萄产业的区域优势逐渐显现[1]，特别是栽培模式的更新及关键技术的研发推广，不仅使葡萄优质生产区域有了大幅度的扩张，而且使得栽培效益有了进一步的提升[2]；此外，随着以葡萄酒产业为代表的葡萄制品消费量的逐渐提升，为酿酒葡萄的发展增添了新动能[3]，葡萄及葡萄制品已成为很多地区经济发展的重要支柱。

葡萄叶片光合效能的强弱直接决定了光合产物的转化和积累[4]。研究表明，热带湿润地区，避雨栽培条件可明显改善葡萄叶片净光合速率（Pn）与蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）的比值，提升了叶片的光合性能，加速了植物的光合日积累，增加了光合有效时间，从而促进了葡萄的生长[5-6]。叶绿素荧光参数被视为研究植物光合效能与外界环境的内在探针，它可以反映逆境胁迫对植物叶片光合的影响；同时，也是研究PSⅡ光合效能的有力工具，在测定叶片光合系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用[7-8]，其表示了植物叶片PSⅡ的活性强弱，在不损伤植物的情况下，可快速、连续地提供与植物光合作用有关的信息，能够直接、具体地反映植物生长发育情况，通常用来研究逆境胁迫对植物光合作用全过程的影响[9]。在叶绿素荧光参数中，可变荧光与最大荧光比值（Fv/Fm）是植物响应光照变化的敏感指标，一般介于0.75～0.85，可反映植物光合效率的高低，数值越高，光合效率越高，反之亦然；Y(Ⅱ)反映了PSⅡ反应中心的实际光能转化效率[10-11]；表观光合电子传递速率（ETR）是植物光合机构吸收光能发生电荷分离产生电子并沿电子传递链向下传递的速率，反映了在实际光强条件下植物的表观电子传递效能[12]；非光化学猝灭（NPQ）是植物热耗散过剩光能为热的能力，反映了PSⅡ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，对植物光合机构免受破坏起到积极的作用[13]；qP则可以反映PSⅡ原初电子受体QA的氧化还原状态和PSⅡ开放中心的数目，其值与PSⅡ电子传递活性成正相关，即数值越大，PSⅡ的电子传递活性越大[14]。近年来，避雨栽培在葡萄种植过程中已广泛推广应用，该模式对葡萄光合作用参数的影响已有很多研究，总体表现为避雨栽培可减弱葡萄的净光合速率但并未影响植株正常的生长发育。

葡萄植株的生长发育主要是靠生长季内光合产物的积累来提供其所需的营养，然而，对不同栽培模式下葡萄叶绿素荧光参数变化和光合产物定量的研究鲜有报道。因此，需进一步探究避雨栽培模式对葡萄叶绿素荧光参数及生长季光合产物的影响，为葡萄种植过程中选择不同栽培模式提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

2020年，以西北农林科技大学葡萄种质资源与育种试验基地栽培的‘红地球’‘火焰无核’‘户太八号’和‘夏黑’4个葡萄品种为试材，树龄6年，采用常规方法进行田间土肥水管理及病虫害防治。

试验地位于陕西省杨凌农业示范区（34°14′～34°20′N，107°59′～108°08′E），该地区年平均气温14.1 ℃，日照时数2572.6 h，相对湿度1.9%，降雨量709.5 mm，无霜期292 d。2020年6月至9月，试验地白天平均温度为27.4 ℃，夜间平均温度为18.3 ℃。7月7日温度最高为37.0 ℃，9月21日温度最低为16 ℃。在葡萄转色期前后（7—8月），连阴雨天气增多，降雨量占全年的45%左右。

1.2 试验设计

避雨栽培模式（覆膜时间：‘火焰无核’和‘夏黑’为6月18日；‘户太八号’和‘红地球’为6月25日），“干”形架形，株行距1.0～1.5 m×3.0～3.5 m，东西走向，架面采用单向龙骨状“V”形小平棚管理。每行设为一个小区，3个重复，共3行。每行共有42株葡萄，以露地栽培为对照，搭配分布，即避雨共66株，露地共60株。

1.3 试验方法

1.3.1 叶绿素荧光参数的测定

7月13日，天气晴朗，选择上午9:00—11:00使用PAM-2500便携式调制叶绿素荧光仪（WALZ公司，德国）进行叶绿素荧光参数的测定。每行葡萄选择不同栽培模式下果穗附近生长状况良好且相近的功能叶5片，3个重复，共45片。暗适应处理30 min测定初始荧光（F0），使用饱和脉冲光（8000 μmol·m-2·s-1，0.8 s）测得最大荧光（Fm）。由Fm减去F0得到可变荧光（Fv），然后计算可得叶片在暗适应下的PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）。测量实时荧光值(Ft)、光下最小荧光值(F0')和光下最大荧光值(Fm')，通过公式计算出实际光化学量子产量[Y(II)]，表观光合电子传递速率（ETR），非光化学猝灭（NPQ），光化学猝灭（qP）。

1.3.2 叶片蔗糖含量的测定

7月至8月是葡萄转色成熟的关键时期，叶片光合产物的转化和积累有助于葡萄品质的提升。试验从7月6日开始，每隔10 d，共采样5次。即每次采取每行葡萄不同栽培模式下果穗附近生长状况良好且相近的功能叶5片，3个重复，共45片，将采好的鲜样放入冰盒内开始试验。采用蒽酮蔗糖法[15]测定叶片中蔗糖含量，具体方法：根据试验指导制作蔗糖标准曲线；再将鲜样110 ℃烘箱中烘15 min，然后70 ℃过夜，干叶片磨碎称取50 mg于15 mL的离心管中加入4 mL 80%乙醇，80 ℃水浴30 min（不断搅拌），冷却至室温后3500 r·min-1下离心10 min，收集上清液，在其沉淀中加2 mL 80%乙醇重复提取2 次，合并上清液。于上清液中加入10 mg活性炭，80 ℃脱色15 min，80 %乙醇定容至10 mL，过滤后取滤液用于测定。取待测样品0.4 mL，用蒽酮蔗糖法测定480 nm波长下的OD值，根据标准曲线计算蔗糖含量。公式为：

蔗糖含量（μg·g-1DW）=(C×V)/(W×DW1×1000)

式中，C：从标准曲线查得标准品的含量（μg）；V：样品提取液总体积（mL）；W：显色时取样品液量（mL）；DW1：样品干重（g）。

1.3.3 叶片淀粉含量的测定

鲜样为1.3.2所采叶片。采用蒽酮可溶性总糖法[15]测定叶片中淀粉含量，具体方法：根据试验指导制作可溶性总糖标准曲线；向上述过滤后的沉淀中加入2 mL蒸馏水，沸水糊化15 min，冷却至室温，加2 mL 9.2 mol·L-1HClO4（搅拌提取15 min），加入4 mL蒸馏水，混匀，在4000 r·min-1下离心10 min，上清液收集至25 mL离心管中，再向沉淀中加入2 mL 4.6 mol·L-1HClO4（搅拌提取15 min），加入5 mL蒸馏水，混匀，离心10 min，合并上清液，用蒸馏水洗沉淀2次，每次5～6 mL，合并上清液，将所收集的上清液转移至25 mL容量瓶中，并用蒸馏水定容至刻度用于测定。取待测样品2.0 mL，用蒽酮可溶性总糖法测定625 nm波长下的OD值，根据标准曲线计算可溶性总糖含量。公式为：

淀粉含量（μg·g-1DW）=(C×V×0.9)/(W×DW1×1000)，式中字母含义同上。

1.4 数据处理

试验数据使用Microsoft Excel 2010整理，采用SPSS 20进行相关数据显著性（Duncan）分析分析。

2 结果与分析

2.1 不同栽培模式对葡萄Fv/Fm及Y(II)参数的影响

如图1所示，在两种模式下4个品种的Fv/Fm值均在0.76～0.84，且‘红地球’的Fv/Fm最大，光合效率最强，‘户太八号’次之，‘夏黑’最低。在避雨栽培模式下，Fv/Fm值有所增加，且在‘户太八号’中表现为显著差异，说明避雨栽培模式能够增强葡萄的光合效率。在两种栽培模式下4个品种的Y(Ⅱ)值均介于0.20～0.40，避雨栽培模式Y(Ⅱ)值明显大于露地栽培，且在‘火焰无核’和‘户太八号’中表现为显著差异，而在‘红地球’和‘夏黑’中无明显差异。

图1 不同栽培模式对葡萄Fv/Fm及Y(II)参数的影响Figure 1 Effects of different cultivation modes on Fv/Fm and Y(II) parameters of grapevine

2.2 避雨栽培模式对葡萄ETR参数的影响

两种栽培模式下，不同品种的ETR参数见图2。在露地栽培模式下，4个品种的ETR值在40～80，其顺序为：火焰无核＞夏黑＞户太八号＞红地球；而在避雨栽培模式下，ETR值在30～60，顺序为：火焰无核＞红地球＞夏黑＞户太八号。‘红地球’葡萄的ETR值避雨栽培模式小于露地栽培，即避雨栽培模式可提升其表观电子传递效能，而其余3个品种的ETR值，表现为避雨栽培模式均比露地栽培有所降低，且在‘火焰无核’葡萄中表现出显著差异，即表观电子传递效能减弱。

图2 不同栽培模式对葡萄ETR参数的影响Figure 2 Effects of different cultivation modes on ETR parameters of grape

2.3 避雨栽培模式对葡萄NPQ及qP参数的影响

从表1可知，露地栽培模式下，葡萄叶片的NPQ值介于1.550～2.500，而在避雨栽培模式下为0.800～1.520，即避雨栽培模式降低了葡萄叶片的NPQ值，其中在‘红地球’和‘夏黑’葡萄中表现的尤为显著，‘火焰无核’和‘户太八号’葡萄中无显著性差异。从qP值来看，避雨栽培模式的qP值小于露地栽培，但均无显著性差异。

表1 葡萄叶片的NPQ及qP参数Table 1 NPQ and qP parameters of grape leaves

2.4 避雨栽培模式对葡萄叶片中蔗糖含量的影响

如图3所示，不同栽培模式对葡萄叶片中蔗糖含量的积累和转化存在差异性影响，且不同葡萄品种表现不同。总体而言，在欧亚种‘红地球’和‘火焰无核’葡萄中，叶片的蔗糖含量在0.20～1.40 mg·g-1；而在美洲种‘户太八号’和‘夏黑’葡萄中，则为0.30～1.80 mg·g-1。在8月5日之前，‘火焰无核’葡萄在7月26日避雨栽培下叶片中蔗糖含量显著高于露地栽培，而‘夏黑’避雨栽培高于露地栽培，但差异不显著；其余两品种均表现为露地栽培叶片的蔗糖含量高于避雨栽培，‘红地球’葡萄在7月16日表现为显著差异、在8月5日表现为极显著差异；‘户太八号’葡萄在7月26日和8月5日均表现为极显著差异。在8月22日，除‘户太八号’外，避雨栽培叶片中蔗糖含量高于露地栽培，且在‘红地球’和‘夏黑’葡萄中表现为极显著差异，而在‘火焰无核’葡萄中无显著性差异。

图3 避雨栽培对葡萄叶片中蔗糖含量的影响Figure 3 Effect of shelter-rain cultivation on sucrose content in grape leaves

2.5 避雨栽培模式对葡萄叶片中淀粉含量的影响

如图4所示，两种栽培模式下，4个品种葡萄叶片中淀粉含量的年变化趋势基本相同，但总体表现为露地栽培高于避雨栽培。‘户太八号’葡萄在7月16日之前叶片中淀粉含量有所升高，且在7月16日达到峰值，表现为显著差异，这可能是因为‘户太八号’葡萄生长势强，发芽较早，前期功能叶片较多所致；而在7月16日之后，露地栽培葡萄叶片中淀粉的相对积累效率较避雨栽培明显提升，且在7月26日和8月5日分别表现为显著差异和极显著差异。8月22日，4个品种叶片中的淀粉含量基本趋于本研究时段中最低峰值，在‘红地球’‘户太八号’葡萄中，避雨栽培模式的叶片中淀粉含量小于露地栽培，表现为极显著差异，而在‘火焰无核’葡萄中，避雨栽培叶片中淀粉含量大于露地栽培。

图4 避雨栽培对葡萄叶片中淀粉含量的影响Figure 4 Effect of shelter-rain cultivation on starch content in grape leaves

3 结论与讨论

本研究结果表明，与露地栽培模式相比，避雨栽培模式显著提升了葡萄的Fv/Fm和Y(II)，即使得葡萄的光合效率有显著提升。避雨栽培模式下‘红地球’葡萄的ETR值提升，而其余3种葡萄有所降低，其原因是避雨栽培可明显改变光照条件，即影响光质、减弱光强，从而影响了葡萄的表观电子传递效能。‘火焰无核’‘户太八号’‘夏黑’对光照条件的响应敏感，而‘红地球’对此过程可能有所迟缓。同时，避雨栽培模式使得葡萄的NPQ值和qP值减小，即传递活性有所降低，但影响差异性不大。综上所述，避雨栽培模式对葡萄叶片PSII活性的提升有明显的促进作用，但对其他叶绿素荧光参数无显著性影响，这与陈得文和王玲的研究结果一致[16-17]。此外，避雨栽培模式下葡萄叶片中蔗糖和淀粉的积累量较露地栽培模式有所增加，且在葡萄生长后期较为显著，这可能是因为避雨栽培虽然削弱了光照强度，但并不影响葡萄叶片正常的光合效能。一方面，避雨栽培可有效保护葡萄的叶片，提高葡萄功能叶的数量和质量；另一方面，避雨栽培下葡萄生长的微环境有所改善，使得葡萄叶片的光合速率和蒸腾速率达到最佳临界值，有利于促进光合产物的积累。

研究发现，干旱胁迫能显著降低葡萄叶片的Fv/Fm、Fv/F0、Y(II)、ETR和qP，显著增加NPQ，证明干旱胁迫可导致PSII活性中心受损，从而抑制光合作用的原初反应、光合电子传递效率和活性；当介入外界高光能补偿后，葡萄也可通过非光化学猝灭过程以热量的形式而散失，启动自身保护机制，从而使得Y(II)和ETR显著降低，即葡萄叶片的生长发育没有受到不可逆的影响[18]。此外，当葡萄在弱光条件下，Fv/Fm和qP显著降低，NPQ明显升高，导致实际光化学速率降低，使得PSⅡ中的光能利用率减弱，最终表现为葡萄叶片的Pn下降；当光照恢复正常后，叶片在10 d后仅有部分叶绿素荧光参数正常，即证明弱光胁迫对叶片生长发育在短期内产生不可逆的影响[19]。因此，葡萄叶绿素荧光参数受光抑制较为显著，且此过程不可逆；然而当葡萄叶绿素荧光参数受到高温胁迫后，可通过正常光照处理使葡萄启动自身保护机制，从而可保证葡萄叶片正常的生长。

植物光合作用是其生理过程中的一项重要的反应，即植物叶片同化二氧化碳和水制造有机物产生氧气，将太阳能转化为化学能储存在所形成的有机化合物中，以维持植物体正常的生长发育。植物光合作用不仅受自身遗传因素的影响，同时还会受到外界环境因子的制约。避雨栽培可改变葡萄生长的微环境，在两种栽培模式下光照强度在白天均呈单峰变化，但避雨栽培下的光照强度始终显著低于露地栽培，即避雨栽培减弱了光照强度[20-21]。同时避雨栽培也将改变棚下的温度和湿度，从而影响植物的光合效能。Rana等[22]研究发现，与露地栽培相比，避雨条件下温度低1 ℃左右，湿度高20%左右，这种环境条件的改变必然会引起植物光合速率的增减。研究表明，在所有环境因子中，光照条件与植物的光合速率、碳素固定量及生物量的积累密切相关，也是限制避雨栽培模式的最关键因素[23]。同时，从植物基因调控表达水平来看，光照对植株生长、干物质积累、果实品质及产量等方面均存在不同程度的影响[24-25]。

综上所述，在光照强度正常的范围之内，不同栽培模式对葡萄叶绿素荧光参数无显著性差异，但对葡萄叶片中光合产物积累影响较为显著。因此在有条件的情况下，采用避雨栽培模式，可为葡萄的生长提供稳定的生长环境，以保护叶片，提升光合作用的效能，从而促进了叶片中蔗糖和淀粉的转换与积累，有利于葡萄植株正常的生长发育。