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    干旱及復(fù)水對(duì)玉米葉片光合特性的影響

    2012-05-07 11:07:26姚春霞張歲岐燕曉娟
    水土保持研究 2012年3期
    關(guān)鍵詞:復(fù)水拔節(jié)期氣孔

    姚春霞,張歲岐,2,燕曉娟

    (1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌712100)

    玉米(Zea mays L.)是極為重要的糧食、飼料、經(jīng)濟(jì)兼用作物。隨著全球性的干旱日趨明顯,水資源短缺也將會(huì)持續(xù)加?。?]。而干旱作為限制作物產(chǎn)量提高的重要非生物脅迫因素,在各種環(huán)境脅迫因子中造成的損失最大[2]。干旱可以使作物從內(nèi)到外發(fā)生一系列生理生態(tài)、生化及形態(tài)上的響應(yīng),其對(duì)植物地上部的影響主要是由于氣孔關(guān)閉及二氧化碳供應(yīng)的減少而引起葉片蒸騰作用的下降和光合作用的降低[3]。干旱脅迫還顯著抑制了玉米根系的生長(zhǎng),減少了根系的吸收面積和活躍吸收面積[4]。白莉萍等[5]的研究表明,玉米各生育階段受干旱脅迫將導(dǎo)致植株矮化,生長(zhǎng)發(fā)育受阻,果穗性狀惡化,以致于生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均大幅下降。但脅迫解除后作物生長(zhǎng)會(huì)如何變化,脅迫時(shí)對(duì)作物造成的不利影響能否隨脅迫的解除而消除尚不清楚。水分變動(dòng)條件下,植物的生長(zhǎng)存活和產(chǎn)量不僅僅取決于其對(duì)階段干旱的忍耐能力,還決定于其對(duì)旱后復(fù)水的適應(yīng)和對(duì)水分的利用能力[6]。蘇佩等[7]發(fā)現(xiàn)玉米在多變低水條件下產(chǎn)量會(huì)減少,對(duì)葉片水分狀況參數(shù)進(jìn)行測(cè)定表明苗期干旱而拔節(jié)期復(fù)水增強(qiáng)了玉米對(duì)水分利用和其他生理過(guò)程的調(diào)節(jié)能力而表現(xiàn)出補(bǔ)償效應(yīng)。玉米苗期經(jīng)干旱鍛煉后復(fù)水,葉片和根部的水分狀況得到改善,葉片可以較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力,這不僅有利于葉片的延伸生長(zhǎng),還使光合、氣孔導(dǎo)度等生理代謝方面表現(xiàn)出有利植物生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)[8]。有研究表明,光合速率隨水分脅迫加強(qiáng)而不斷下降,是作物后期受旱減產(chǎn)的主要原因[9]。

    水分脅迫導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心易產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象,PSII的Fv/Fm降低是光合作用受抑制的顯著特征。張林春等[8]發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下,不同抗旱性玉米PSII的Fv/Fm、qP降低,復(fù)水后鄭單958的光合、熒光迅速恢復(fù),陜單902恢復(fù)緩慢。玉米葉片光合速率和葉水勢(shì)在復(fù)水后也有不同程度的恢復(fù)[9]。以上研究多著重于苗期干旱后復(fù)水玉米補(bǔ)償效應(yīng)的變化,但對(duì)不同生育期干旱后復(fù)水,其補(bǔ)償效應(yīng)是否存在同樣的變化有待于進(jìn)一步研究。

    干旱脅迫限制光合主要是通過(guò)氣孔關(guān)閉還是通過(guò)代謝損耗,還存在比較大的爭(zhēng)議[10]。以往對(duì)玉米的研究多側(cè)重于苗期干旱及復(fù)水條件對(duì)葉片光合特性以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響[8]和干旱及復(fù)水對(duì)不同抗旱性玉米光合特性的影響 ,但對(duì)不同生育期干旱及復(fù)水對(duì)葉片光合特性的影響及其差異比較研究鮮有報(bào)道,尤其是對(duì)孕穗期光合特性的變化研究較少。因此,本實(shí)驗(yàn)選用玉米品種戶單4號(hào)為試驗(yàn)材料,研究拔節(jié)期和孕穗期干旱及復(fù)水條件下玉米葉片光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化特征,為玉米的補(bǔ)償效應(yīng)機(jī)制研究提供理論依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 試驗(yàn)材料與方法

    供試玉米品種采用戶單4號(hào),于2011年4—8月在中科院水土保持研究所防雨棚內(nèi)完成。供試土壤為楊凌田間耕層土,毛管最大持水量為29%,土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀含量分別為8.25g/kg,30.27mg/kg,6.39mg/kg,137.03 mg/kg,0.53mg/kg,0.92mg/kg,13.52mg/kg。盆栽所用塑料桶直徑為29.6cm,深度為28.5cm,每桶裝風(fēng)干土12kg。每桶施尿素3.50g,過(guò)磷酸鈣3.28 g,硫酸鉀1.37g,與土壤混勻后裝桶。挑選大小一致的飽滿種子在4月13日催芽并于4月15日進(jìn)行播種,五葉一心定苗,每盆一株。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    試驗(yàn)設(shè)三個(gè)水分處理,即正常供水(CK)、中度水分脅迫(MS)和重度水分脅迫(SS),其土壤相對(duì)含水量分別為盆土田間持水量的75%±5%,55%±5%,35%±5%。于八葉一心時(shí)開(kāi)始控水,采用稱重法控制土壤含水量。對(duì)照組土壤含水量始終保持在75%±5%,待干旱處理水分降至脅迫標(biāo)準(zhǔn)后,測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo),隨后復(fù)水至對(duì)照水平,連續(xù)測(cè)定5d。分別在拔節(jié)期和孕穗期進(jìn)行復(fù)水處理。共10個(gè)處理,每處理設(shè)5次重復(fù)。

    1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

    1.3.1 葉片光合參數(shù)的測(cè)定 選擇植株上部第五片完全展開(kāi)葉,于上午9:30—10:00采用Li—6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)(Li—Cor,USA)在1 300μmol/(m2·s)光強(qiáng)下,測(cè)定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、并計(jì)算氣孔限制值(Ls)(Ls=1-Ci/Ca,Ca為大氣CO2濃度)和單葉水分利用效率(WUE)(WUE=Pn/Tr,Tr為蒸騰速率)等氣體交換參數(shù)。每處理重復(fù)5次。

    1.3.2 葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 測(cè)定完葉片氣體交換參數(shù)后,葉片暗適應(yīng)30min,采用Imaging-PAM(WALZ,德國(guó))測(cè)定光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP),每個(gè)處理重復(fù)5次。

    1.3.3 葉水勢(shì)的測(cè)定 于早上6:00取各處理上數(shù)第5片完全展開(kāi)葉,用壓力室法測(cè)定葉中部水勢(shì)。

    1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

    用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,用SigmaPlot 10.0作圖,用SAS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 干旱及復(fù)水條件下玉米葉水勢(shì)的變化

    葉水勢(shì)是反映植物水分狀況的一個(gè)生理指標(biāo)。水分脅迫下,圖1a和1b的正常供水處理(CK)的葉水勢(shì)最高,中度脅迫(MS)的次之,重度脅迫(SS)的最小。復(fù)水后,拔節(jié)期MS和SS處理的葉水勢(shì)迅速升高,并超過(guò)對(duì)照;孕穗期不同水分處理的葉水勢(shì)都相應(yīng)升高,MS和SS處理的變化幅度比較平緩,復(fù)水第4天SS與對(duì)照間無(wú)顯著差異。

    2.2 干旱及復(fù)水過(guò)程中玉米葉片光合參數(shù)的變化

    2.2.1 拔節(jié)期干旱及復(fù)水過(guò)程中玉米葉片光合參數(shù)的變化 由圖2a和2b可以看出,干旱脅迫降低了葉片凈光合速率(Pn)及氣孔導(dǎo)度(Gs)。中度脅迫下葉片的Pn與對(duì)照間無(wú)顯著差異,重度脅迫下Pn極顯著低于對(duì)照。復(fù)水后,Pn和Gs有不同程度的升高,在第3天降低。復(fù)水第1天中度脅迫下Pn與Gs超過(guò)對(duì)照和重度脅迫處理,隨后逐漸降低;在第2天時(shí)重度脅迫的Pn與Gs達(dá)最高值;復(fù)水第4天,中度和重度處理恢復(fù)至對(duì)照,甚至超過(guò)對(duì)照。各處理下,光合速率的恢復(fù)均以中度水分脅迫處理較快,重度脅迫處理較慢。

    圖2b和表1中可看出,重度水分脅迫的胞間CO2濃度(Ci)最低,中度水分脅迫的Ci最高,重度水分脅迫的Ci最低,氣孔限制值(Ls)最大,Pn降低的主要原因是氣孔限制;中度脅迫的Ci最高,Ls最小,說(shuō)明Pn降低的主要原因是非氣孔限制。復(fù)水后,Ci升高,Gs增加,Pn也逐漸升高,在第5天恢復(fù)至對(duì)照。

    葉片水分利用效率反映了葉片瞬間CO2固定與水分散失之間的關(guān)系,也是評(píng)價(jià)植物抗旱能力的綜合指標(biāo)之一。由圖2d可以看出,重度脅迫葉片的WUE高于對(duì)照,中度脅迫的 WUE最低,各處理間差異不顯著。復(fù)水第4天,中度脅迫和重度脅迫處理的WUE均高于對(duì)照,表現(xiàn)出補(bǔ)償作用。

    圖1 拔節(jié)期和孕穗期干旱脅迫及復(fù)水條件下玉米葉水勢(shì)的變化

    圖2 拔節(jié)期干旱及復(fù)水過(guò)程中玉米葉片光合參數(shù)的變化

    2.2.2 孕穗期干旱及復(fù)水過(guò)程中玉米葉片光合參數(shù)的變化 不同水分條件下,葉片的凈光合速率(Pn)表現(xiàn)為:MS>CK>SS。與拔節(jié)期不同的是,復(fù)水第1天,CK和SS處理的Pn降低,其后SS處理的Pn迅速升高并在第3天達(dá)到最大值。Gs與Pn變化一致,MS與CK無(wú)顯著差異,且顯著高于SS,各處理在復(fù)水后第4天恢復(fù)到最大。圖3c和表1中,重度脅迫的Ci、Gs較低,Ls最高,說(shuō)明Pn的降低是由氣孔限制造成的。圖3d表明,干旱脅迫下MS處理葉片的WUE較高,SS處理葉片的WUE最低;WUE在復(fù)水第1天達(dá)到最大值,隨后逐漸降低。

    表1 玉米拔節(jié)期和孕穗期不同干旱脅迫下葉片氣孔限制值(Ls)的比較

    圖3 孕穗期干旱及復(fù)水過(guò)程中玉米葉片光合參數(shù)的變化

    2.3 干旱及復(fù)水條件下玉米葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

    2.3.1 拔節(jié)期干旱及復(fù)水條件下玉米葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化 Fv/Fm反映的是PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率及PSII潛在活性,該參數(shù)一般為0.75~0.85,但在逆境或受傷害時(shí)會(huì)明顯降低。圖4a中,重度脅迫葉片的Fv/Fm值顯著低于正常供水(CK)和中度脅迫處理(MS),復(fù)水后逐漸升高。MS處理葉片的Fv/Fm值與CK間差異不顯著,復(fù)水第3天各處理間無(wú)顯著差異。

    由圖4b可看出,干旱脅迫下,光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)值降低,順序?yàn)椋篊K>MS>SS。復(fù)水后三個(gè)處理逐漸升高,隨后降低;復(fù)水第4天,SS處理的qP與CK和MS處理形成極顯著差異。光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)值越大,說(shuō)明PSII的電子傳遞活性越高。SS處理的qP值顯著降低,表明重度脅迫條件下PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放程度降低,光化學(xué)活性降低。復(fù)水第4天時(shí)干旱處理qP又繼續(xù)升高,表現(xiàn)出滯后效應(yīng)。

    圖4 拔節(jié)期干旱脅迫及復(fù)水條件下玉米葉片熒光特性的變化

    2.3.2 孕穗期干旱及復(fù)水條件下玉米葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化 圖5所示是孕穗期玉米葉片F(xiàn)v/Fm、qP的變化。與拔節(jié)期相比,重度脅迫(SS)和中度脅迫(MS)葉片的Fv/Fm值較低,復(fù)水后逐漸升高。復(fù)水第4天SS與CK、MS差異極顯著。SS處理葉片的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)與其凈光合速率(Pn)的變化趨勢(shì)一致。光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)一定程度上反映了PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放程度。干旱脅迫時(shí),qP值降低(圖5b),光合電子傳遞活性降低。復(fù)水后,逐漸升高。

    圖5 孕穗期干旱脅迫及復(fù)水條件下玉米葉片熒光特性的變化

    3 討論

    3.1 干旱及復(fù)水對(duì)玉米光合、熒光的影響

    植物的光合作用可以將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物,是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng),也是綠色植物對(duì)各種內(nèi)外因子的最敏感的生理過(guò)程之一。研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下植物光合速率降低的主要原因是受氣孔的限制[11],而有些研究結(jié)果認(rèn)為,水分虧缺條件下植物的光合速率降低的主要原因是受非氣孔的限制。本實(shí)驗(yàn)中拔節(jié)期和孕穗期受水分脅迫后,中度水分脅迫(MS)和重度水分脅迫(SS)的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)降低,復(fù)水后,Ci和Pn升高,Gs增大,說(shuō)明葉片在脅迫解除后有迅速恢復(fù)的能力。這與羅宏海[2]、張林春[8]等的研究一致。SS處理的Gs及Ci較低,氣孔限制值(Ls)最高,說(shuō)明Pn降低是氣孔限制造成。這與其他研究結(jié)論有所不同[12],可能是由于試驗(yàn)條件和品種不同。

    楊曉青等[13]研究發(fā)現(xiàn),水分脅迫下小麥Fv/Fm、qP顯著降低,NPQ升高。本研究中,拔節(jié)期和孕穗期干旱脅迫下最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)值降低,說(shuō)明葉片PSII反應(yīng)中心的光化學(xué)活性降低,同時(shí)導(dǎo)致過(guò)剩的激發(fā)能的增大。拔節(jié)期重度脅迫的Ls與對(duì)照相比增加了6.85%,F(xiàn)v/Fm值降低了1.72%,孕穗期重度脅迫的Ls增加了9.52%,F(xiàn)v/Fm值降低了0.61%,表明兩個(gè)時(shí)期葉片Pn降低主要都是氣孔限制造成的。光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)表示PSII天線色素吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額,一定程度上反映了PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放程度[14]。干旱處理下的光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)低于對(duì)照,表明干旱脅迫導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放度降低,光合電子傳遞活性下降,導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心的光能過(guò)剩,對(duì)光合機(jī)構(gòu)起到了一定的保護(hù)作用。復(fù)水后,F(xiàn)v/Fm、qP這兩個(gè)參數(shù)值基本恢復(fù)到對(duì)照水平。表明在干旱脅迫得到解除后,受到傷害的PSII反應(yīng)中心可以在一定程度上得以恢復(fù)。

    單葉水分利用效率(WUE)表征植物對(duì)自身蒸騰耗水量的利用能力,是提高大田水分利用效率的生理基礎(chǔ)[15]。研究表明,前期干旱鍛煉能提高玉米的水分利用效率,有利于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和節(jié)水[16]。本研究中,重度脅迫葉的WUE在脅迫及復(fù)水過(guò)程中均高于對(duì)照,表明干旱脅迫提高了水分利用效率;中度脅迫葉的WUE在復(fù)水第4天時(shí)超過(guò)對(duì)照,與徐國(guó)山[12]等的研究結(jié)果一致。孕穗期三個(gè)處理葉片的WUE在復(fù)水第1天達(dá)到最大值,隨后趨于降低。可能是因?yàn)閺?fù)水初期,補(bǔ)充的水分主要用于恢復(fù)自身生長(zhǎng),消耗掉的水分相對(duì)減少。

    3.2 外界環(huán)境因素對(duì)復(fù)水后光合恢復(fù)的影響

    復(fù)水后植物水分狀況及生理活性的恢復(fù)與干旱脅迫程度及復(fù)水后的外界條件有關(guān)。范雯雯等[17]在小麥實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),高肥力土壤有利于復(fù)水后光合速率的恢復(fù);Boyer[18]比較了玉米、向日葵葉片光合速率和水勢(shì)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)低光強(qiáng)下,即使干旱時(shí)葉水勢(shì)低于-1.7MPa,光合也可在復(fù)水后15h內(nèi)恢復(fù);但在高光強(qiáng)下,葉水勢(shì)即使低于-1.2MPa,復(fù)水三天后光合也不可能完全恢復(fù)。本實(shí)驗(yàn)中拔節(jié)期光合速率在復(fù)水后逐漸增加,在第3天驟降,主要原因應(yīng)為陰雨天氣影響光照弱,溫度低,空氣相對(duì)濕度增大,氣孔導(dǎo)度明顯減小,進(jìn)入葉片內(nèi)二氧化碳濃度降低,以致光合速率顯著減小。

    4 結(jié)論

    玉米受旱后生理代謝發(fā)生一系列適應(yīng)性變化,一旦解除干旱并恢復(fù)供水,同樣發(fā)生一系列生理代謝等方面恢復(fù)和修復(fù)作用。復(fù)水后,葉片水分狀況得到改善,氣孔完全張開(kāi),氣孔導(dǎo)度增大,光合速率也增大。拔節(jié)期Pn、Gs在復(fù)水后第2天達(dá)到最大值,由于外界環(huán)境影響,Pn下降;而孕穗期Pn、Gs復(fù)水后第4天達(dá)最大值。干旱脅迫傷害光合機(jī)構(gòu)PSII,PSII主動(dòng)調(diào)節(jié)電子傳遞速率和光化學(xué)效率,減輕過(guò)剩光能對(duì)其系統(tǒng)的損傷。孕穗期葉片的Fv/Fm值低于拔節(jié)期,且兩時(shí)期的Fv/Fm值在復(fù)水第1天不能立即恢復(fù),這是由于脅迫程度加劇復(fù)水后葉片的潛在光合能力未被激發(fā)出來(lái),在復(fù)水第2天逐漸恢復(fù)。兩時(shí)期干旱處理在復(fù)水條件下,qP變化趨勢(shì)一致,基本恢復(fù)至對(duì)照。這是由于Gs增加了葉內(nèi)部二氧化碳的量,提高了葉片內(nèi)碳同化的效率,從而使光合電子傳遞活性增強(qiáng)。本研究證明了拔節(jié)期和孕穗期光合特性變化存在差異,但全生育期干旱及復(fù)水過(guò)程中玉米光合特性和葉水勢(shì)具體變化過(guò)程以及各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系還有待于更深入的研究。

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