低溫脅迫對(duì)玉米幼苗光合特性的影響

楊 猛，魏 玲，胡 萌，顧萬(wàn)榮，莊文鋒，張道園，孫 繼，魏

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150070；3.重慶市南川區(qū)農(nóng)業(yè)委員會(huì)，重慶 408400）

溫度作為重要的環(huán)境因子之一，時(shí)刻影響玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。玉米生育期間的低溫脅迫，是中國(guó)北方玉米產(chǎn)區(qū)的主要?dú)庀鬄?zāi)害，是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素之一。建國(guó)以來(lái)，黑龍江、吉林、遼寧三省 1969、1972、1976、1983、1987、1989、1992、2002、2009年因低溫冷害損失糧食百億斤，導(dǎo)致糧食大幅度減產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低溫脅迫從葉綠素、蛋白質(zhì)、活性氧代謝、內(nèi)源激素平衡、顯微超微結(jié)構(gòu)、分子反應(yīng)機(jī)制等諸多方面進(jìn)行了廣泛研究[3-4]，低溫脅迫下過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶活性以及丙二醛和蛋白質(zhì)含量均有增加[5]，弱光脅迫、低磷脅迫、水分脅迫等脅迫條件下的光合特性也有很多報(bào)道[6-8]，弱光、鹽脅迫均導(dǎo)致辣椒葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）下降，各逆境導(dǎo)致凈光合速率下降的限制因子不同[9]。但關(guān)于玉米低溫脅迫下光合特性的變化，尤其是葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究選用3個(gè)玉米品種，在苗期進(jìn)行低溫處理，測(cè)定光合參數(shù)的變化，探討這些變化與不同品種耐低溫特性的關(guān)系，揭示低溫傷害機(jī)理，為玉米耐低溫育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選用3個(gè)玉米品種：金玉5、興墾3、吉單198。分別來(lái)源于黑龍江省久龍種業(yè)、德農(nóng)種業(yè)、吉農(nóng)高新北方農(nóng)作物優(yōu)良品種開(kāi)發(fā)中心。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

播種育苗：采用室外盆栽播種，盆直徑21 cm，高20 cm，每盆保苗8株，每個(gè)品種5次重復(fù)。苗期正常管理。

低溫脅迫處理：玉米長(zhǎng)到三葉一心時(shí)，在人工智能培養(yǎng)箱（HPG-280HX）中進(jìn)行低溫處理，設(shè)3個(gè)溫度梯度，分別為18℃/9℃、16℃/7℃、14℃/5℃（晝/夜）。以室外正常生長(zhǎng)幼苗為對(duì)照（CK），對(duì)照在處理期間的日平均溫度為25℃。每個(gè)溫度水平分別處理2、4、6、8、10 d。

1.3 方法

1.3.1 光合指標(biāo)的測(cè)定

選距生長(zhǎng)點(diǎn)第2片完全展開(kāi)葉，應(yīng)用LI-6400便攜式光合儀測(cè)定葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）、水分利用率（Water use efficiency，WUE）。

1.3.2 葉綠素?zé)晒獾臏y(cè)定

用德國(guó)產(chǎn)PAM-210便攜式測(cè)定。葉片暗適應(yīng)20 min后設(shè)置原初的熒光參數(shù)，關(guān)閉光化學(xué)光和遠(yuǎn)紅光，打開(kāi)測(cè)量光測(cè)定初始熒光（Fo），再打開(kāi)一個(gè)飽和脈沖光測(cè)定最大熒光（Fm），然后打開(kāi)光化學(xué)光（光強(qiáng)600 μmol·m-2·s-1）照射葉片，當(dāng)穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）出現(xiàn)后，再打開(kāi)一個(gè)飽和脈沖光測(cè)定光下最大熒光（Fm），最后關(guān)閉光化學(xué)光，打開(kāi)一次遠(yuǎn)紅外光測(cè)定光下最小熒光（Fo），計(jì)算出可變熒光（Fv）、PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm）和光系統(tǒng)PSⅡ的潛在活性（Fv/Fo）。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗葉片Pn的影響

由圖1可知，與對(duì)照相比，低溫脅迫降低了玉米幼苗葉片的Pn。3個(gè)品種隨著低溫脅迫程度和脅迫時(shí)間的加長(zhǎng)，Pn一直在下降，隨著低溫脅迫的加強(qiáng)，Pn下降的越快。各個(gè)品種降低的幅度不同，吉單198在第4天有一個(gè)迅速下降的過(guò)程，興墾3在第6天有一個(gè)迅速下降的過(guò)程，金玉5一直都是在緩慢的下降，14℃/5℃低溫脅迫的第10天時(shí)，吉單198、興墾3、金玉5分別下降了41%、35%、32%。

圖1 低溫脅迫下玉米幼苗光合速率的變化Fig.1 Change of maize seedlings Pn under low temperature stress

2.2 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗Fv/Fm的影響

Fv/Fm表示PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率，常用于度量植物葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率。如圖2所示，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，不同品種玉米葉片的Fv/Fm整體上均呈下降趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為2～6 d時(shí)Fv/Fm先緩慢下降，6 d后迅速下降。不同溫度處理下，溫度越低，F(xiàn)v/Fm越低，各溫度下Fv/Fm高低順序?yàn)椋篊K＞18℃/9℃＞16℃/7℃＞14℃/5℃。Fv/Fm降低，表示其光能轉(zhuǎn)換效率降低，說(shuō)明低溫脅迫時(shí)間延長(zhǎng)加劇了玉米幼苗葉片的光抑制，從而影響了光合作用。對(duì)照溫度下，3個(gè)品種Fv/Fm隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)變化幅度不明顯。不同低溫處理下，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，3個(gè)品種Fv/Fm均呈下降趨勢(shì)。溫度越低，下降幅度越大。

圖2 低溫脅迫下玉米幼苗Fv/Fm的變化Fig.2 Change of maize seedlings Fv/Fm under low temperature stress

2.3 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗葉片F(xiàn)v/Fo的影響

Fv/Fo用來(lái)表示光系統(tǒng)PSⅡ的潛在活性。如圖3所示，低溫脅迫下，對(duì)照的Fv/Fo沒(méi)有明顯變化。隨著低溫脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，各處理玉米葉片的Fv/Fo整體上均呈下降趨勢(shì)，表明低溫脅迫破壞了光合系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低了PSⅡ的潛在活性。但各溫度處理下幼苗的變化程度存在差異。14℃/5℃下降程度最大，18℃/9℃下降程度最小。對(duì)照溫度下，3個(gè)品種Fv/Fo最高，并且隨時(shí)間的延長(zhǎng)變化幅度不明顯。同一低溫處理下，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，3個(gè)品種Fv/Fo變化不同，但整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降幅度表現(xiàn)為吉單198＞興墾3＞金玉5，下降幅度越大說(shuō)明耐低溫能力越弱。

2.4 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗葉片氣孔導(dǎo)度的影響

由圖4可知，與對(duì)照相比，3個(gè)玉米品種Gs均隨低溫脅迫時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)。吉單198、興墾3、金玉5在第10天18℃/9℃處理氣孔導(dǎo)度分別下降了20.7%、16.3%、14.4%，16℃/7℃處理下降25.9%、21.8%、20.7%，14℃/5℃處理下降33.8%、27.4%、25.9%。吉單198與其余2個(gè)品種相比，在各個(gè)低溫脅迫下的下降幅度最大，這說(shuō)明低溫脅迫對(duì)吉單198氣孔導(dǎo)度的影響最大。3個(gè)品種隨低溫脅迫強(qiáng)度的增加，氣孔導(dǎo)度下降幅度也隨之增大，溫度越低對(duì)玉米幼苗氣孔導(dǎo)度影響越大。

圖3 低溫脅迫下玉米幼苗Fv/Fo的變化Fig.3 Change of maize seedlings Fv/Fo under low temperature stress

2.5 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗葉片蒸騰速率的影響

3個(gè)玉米品種在低溫脅迫下Tr的變化呈下降趨勢(shì)，且與光合速率和氣孔導(dǎo)度的變化規(guī)律一致（見(jiàn)圖5）。與對(duì)照相比，3個(gè)玉米品種Gs均隨低溫脅迫時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，并且低溫強(qiáng)度越大下降的幅度越大。在低溫脅迫下，吉單198前6 d的下降幅度大，之后緩慢下降；興墾3前8 d下降幅度大，隨后緩慢下降；而金玉5在8 d后Tr迅速下降。

圖4 低溫脅迫下玉米幼苗氣孔導(dǎo)度的變化Fig.4 Change of maize seedlings Gs under low temperature stress

圖5 低溫脅迫下玉米幼苗蒸騰速率的變化Fig.5 Change of maize seedlings Tr under low temperature stress

2.6 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗胞間CO2濃度（Ci）的影響

如圖6所示，對(duì)照處理中，3個(gè)品種的胞間CO2濃度對(duì)照處理相差不大，都在270～300 μg·mL-1之間。18℃/9℃、16℃/7℃低溫處理下3個(gè)品種都有逐漸降低的趨勢(shì)，14℃/5℃低溫處理下呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。14℃/5℃低溫處理下3個(gè)品種在第4天開(kāi)始上升，在處理后第10天金玉5達(dá)到最高值330 μg·mL-1。低溫強(qiáng)度不同，Ci的變化規(guī)律也不同，隨著低溫強(qiáng)度的加大，Ci有增加的趨勢(shì)。

圖6 低溫脅迫下玉米幼苗胞間CO2濃度的變化Fig.6 Change of maize seedlings Ci under low temperature stress

2.7 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗葉片水分利用率的影響

如表1所示，在低溫脅迫條件下，3個(gè)品種的WUE都高于對(duì)照，說(shuō)明在低溫脅迫下，植株可以通過(guò)提高WUE這個(gè)途徑緩解逆境造成的部分損失。各個(gè)品種隨著脅迫時(shí)間的增加，WUE呈現(xiàn)出先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)，18℃/9℃、16℃/7℃、14℃/5℃低溫處理的WUE差異不大。脅迫10 d各個(gè)低溫處理吉單198增加26%～36%，興墾3增加15%～21%，金玉5增加15%～19%。18℃/9℃、16℃/7℃、14℃/5℃處理和對(duì)照都達(dá)到顯著差異。

表1 低溫脅迫下玉米幼苗水分利用率的變化Table 1 Change of maize seedlings WUE under low temperature stress

3 討論

人工智能培養(yǎng)箱在人工模擬鑒定中對(duì)光照強(qiáng)度與時(shí)間長(zhǎng)短、溫度強(qiáng)度和時(shí)間長(zhǎng)度和空氣濕度都能進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)控，已經(jīng)成為人工模擬法研究作物溫度脅迫的首選。同時(shí)也存在著局限性，首先人工智能培養(yǎng)箱溫度范圍設(shè)置存在局限性，最低溫度只能設(shè)置5℃，限制了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最低溫度，再次，人工氣候室的空間容量有限，生理指標(biāo)的測(cè)定需要大量的材料，多個(gè)箱體同時(shí)使用造成被測(cè)材料存在時(shí)間和空間的差異。本試驗(yàn)低溫處理采用人工智能培養(yǎng)箱來(lái)處理，雖然會(huì)存在一定的誤差，但能夠模擬自然狀態(tài)，不會(huì)影響到試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，是植物合成有機(jī)物質(zhì)和獲得能量的根本源泉，可以反映植株生長(zhǎng)勢(shì)和抗性強(qiáng)弱[10-11]。低溫幾乎影響作物光合作用的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括光能吸收、氣體交換、碳同化過(guò)程等，一般情況下，低溫脅迫處理的植株葉片Pn、Gs、Tr明顯小于對(duì)照[12]，導(dǎo)致Pn降低既有氣孔因素也有非氣孔因素。低溫處理導(dǎo)致玉米幼苗Pn下降的同時(shí)，Ci下降，說(shuō)明Pn的下降由氣孔因素引起。低溫處理導(dǎo)致玉米Pn下降的同時(shí)，Ci先降低后升高，表明Pn下降由氣孔因素逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩卣贾鲗?dǎo)地位[9,13]。從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3個(gè)玉米品種Pn在低溫脅迫下的變化趨勢(shì)與前人研究結(jié)果一致，說(shuō)明低溫處理明顯降低了玉米的光合速率，在18℃/9℃、16℃/7℃低溫處理下為氣孔因素引起，14℃/5℃低溫處理下為非氣孔因素引起。

葉綠素?zé)晒饪梢岳弥参矬w內(nèi)葉綠素作為天然探針，快速、靈敏、無(wú)損傷地研究和測(cè)定光合生理狀況以及多種因子對(duì)植物光合作用的影響，已成為人們研究光合代謝的最新手段，極大地推動(dòng)了光合過(guò)程中光能利用、逆境條件下光合作用的光抑制、光損傷及其防御機(jī)制的研究[6]。Fv為可變熒光，F(xiàn)m為最大熒光，它們的比值Fv/Fm代表PSⅡ光化學(xué)的最大效率或PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率[14]，低溫脅迫可導(dǎo)致Fv/Fm下降，與前人研究結(jié)果一致。Fv/Fo是Fv/Fm的另一種表達(dá)形式，也可以作為反映低溫脅迫程度的理想指標(biāo)[15]，本研究中Fv/Fo的變化趨勢(shì)與Fv/Fm相同（見(jiàn)圖2、3），耐低溫能力強(qiáng)的品種能夠減輕低溫脅迫對(duì)玉米葉片PSⅡ反應(yīng)中心的傷害，提高光能轉(zhuǎn)化效率，從而提高玉米的光合能力。Fv/Fm和Fv/Fo在低溫脅迫下下降，說(shuō)明PSⅡ活性中心受損，Pn快速下降，本試驗(yàn)中吉單198在第4天有一個(gè)迅速下降的過(guò)程，興墾3在第6天有一個(gè)迅速下降的過(guò)程，金玉5一直都是在緩慢的下降，說(shuō)明在低溫前期植株通過(guò)降低氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和增大水分利用率（WUE）的自我保護(hù)機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)，吉單198在第4天、興墾3在第6天自我保護(hù)機(jī)制失效，導(dǎo)致光合速率迅速下降。本試驗(yàn)是在受控條件下對(duì)玉米幼苗進(jìn)行的研究，低溫脅迫下不同玉米品種全生育期的光合代謝調(diào)控還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

隨著低溫脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)和程度的加強(qiáng)，3個(gè)品種表現(xiàn)出一致的規(guī)律，光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm）和光系統(tǒng)PSⅡ的潛在活性（Fv/Fo）呈下降趨勢(shì)，胞間CO2濃度（Ci）18℃/9℃、16℃/7℃低溫處理下3個(gè)品種都有逐漸降低的趨勢(shì)，14℃/5℃低溫處理下呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，水分利用率（WUE）先增高之后趨于穩(wěn)定。

低溫脅迫使光合作用降低，葉光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）活性中心受損，植株通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）和增大水分利用率（WUE）的自我保護(hù)機(jī)制進(jìn)行調(diào)控。本研究結(jié)果說(shuō)明，參試的3個(gè)玉米品種在低溫脅迫條件下光合指標(biāo)的變化均有一定規(guī)律性，其品種間具有顯著的差異。這些研究結(jié)果對(duì)玉米新品種培育和利用都具有重要意義。

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