高溫脅迫對黑穗醋栗幼苗光合特性的影響

霍俊偉，張壯飛，秦 棟，張利軍，范 臨，李曙雷，王雪嬌

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，哈爾濱 150030）

黑穗醋栗（Ribes nigrum L.）屬于虎耳草科（Saxifragaceae）茶藨子屬（Ribes）多年生落葉叢生灌木果樹，是黑龍江省優(yōu)勢果樹樹種之一。黑穗醋栗果實含有較高的營養(yǎng)物質(zhì)并具有醫(yī)療保健價值，適于冷藏、冷凍和加工，已成為世界上主要的經(jīng)濟作物之一[1]。

溫度是影響植物分布和生長發(fā)育最主要的環(huán)境因子[2]，近幾年隨著“溫室效應(yīng)”的逐年加劇，全球氣溫不斷升高，哈爾濱地區(qū)高溫天氣時有出現(xiàn)，影響黑穗醋栗生產(chǎn)。尤其是在果實成熟期（7月份），高溫致使葉片灼傷，萎蔫，隨后焦枯，早衰、落葉，極易造成二次萌發(fā)，嚴重影響下一年的生長、萌發(fā)及產(chǎn)量，這使原本起源于寒帶的黑穗醋栗面臨極大的生存考驗，因此研究高溫脅迫對黑穗醋栗生長發(fā)育的影響具有重要意義。

高溫脅迫對植物的光合作用參數(shù)及葉綠素熒光參數(shù)都有明顯的影響，對馬鈴薯[3]、葡萄[4]、黃瓜[5]等作物的研究表明，光合作用是植物對高溫最敏感的生理過程之一[6]。高等植物高溫脅迫使植物葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm、q P、ETR明顯下降，而NPQ明顯上升，表明高溫脅迫使植物通過降低光能的捕獲及通過PSⅡ的電子傳遞效率來保護中心系統(tǒng)。因此研究高溫下植物光合作用及葉綠素熒光的變化有助于更好了解其高溫適應(yīng)性，目前高溫脅迫對黑穗醋栗葉片光合參數(shù)的影響方面研究未見報道。本試驗以不耐熱品種94-4-13（Ribes nigrum L.94-4-13）和耐熱品種黑豐（Ribes nigrum L.heifeng）為試材，探討不同溫度高溫對其光合作用和葉綠素熒光參數(shù)的影響，以期了解黑穗醋栗在高溫脅迫下的光合作用變化規(guī)律，為選育耐高溫黑穗醋栗新品種提供科學(xué)依據(jù)，并為黑穗醋栗優(yōu)質(zhì)安全生產(chǎn)及栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗于2011年6～10月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實驗站進行，將黑豐和94-4-13兩品種半木質(zhì)化枝條扦插于15 c m×15 c m的營養(yǎng)缽，基質(zhì)為草炭土、河沙、黑土、糞土（4∶4∶3∶1）的混合土。正常管理2個月，待長出5～6片功能葉時，選取整齊一致、生長健壯幼苗轉(zhuǎn)入光照40μm o l·m-2·s-1濕度為65%的光照培養(yǎng)箱。做如下處理：三批長勢一致的小苗，分別放入25℃/22℃（正常溫度）、35℃/25℃（輕度高溫脅迫）、42℃/28℃（重度高溫脅迫）的光照培養(yǎng)箱中，晝/夜（12h/12h），處理當天為第1天，以后每隔2d測定光合作用和葉綠素熒光相關(guān)參數(shù)。為防止高溫引發(fā)水分脅迫，盆底設(shè)置托盤（水深1～1.5c m）補充基質(zhì)水分保濕。每處理設(shè)3次重復(fù)，每重復(fù)3株。

采用LI-6400(美國LI-COR公司)便攜式光合作用測量儀和LI-6400-09熒光葉室測定黑穗醋栗葉片的凈光合速率（Pn）、細胞間隙CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（G s）、蒸騰速率（Tr）、初始熒光（F0）、最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、PSⅡ的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）及光適應(yīng)樣品的最小熒光（F0'）和最大熒光（Fm'）等光合指標和葉綠素熒光參數(shù)。每個處理重復(fù)3次，每次重復(fù)測定3株，計算平均值及標準誤。測定時設(shè)定葉室溫度25℃、光照強度1000μm o l·m-2·s-1、CO2濃度 38 0μL·L-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫對黑穗醋栗幼苗葉片氣體交換參數(shù)的影響

2.1.1 對凈光合速率（Pn）和胞間二氧化碳濃度（Ci）的影響

黑穗醋栗幼苗葉片Pn在25℃處理下隨時間的增加變化不顯著，但在相同的處理時間下兩品種之間存在差異（見表1）。在35℃下處理3d時，品種黑豐和94-4-13分別下降13.6%和26.7%；處理5 d時黑豐和94-4-13分別回升1.7%和7.9%；處理7d時，94-4-13又下降19.2%而黑豐繼續(xù)上升1.1%。在35℃下黑豐、94-4-13處理1 d和處理7d存在顯著性差異（見表2）。在42℃高溫下處理Pn均隨時間的增加而持續(xù)下降，在處理7d時，兩品種Pn值均降低到最低點，分別為4.7和3.6μm o l·m-2·s-1，比對照（1d）下降78.3%和78.9%（見表3）。

黑穗醋栗葉片Ci在高溫處理下呈先下降后上升趨勢，在25℃處理下，黑豐和94-4-13都呈現(xiàn)出先降低后升高的總體趨勢，但是兩品種間存在顯著性差異（見表1）。在35℃處理時，黑豐表現(xiàn)出先下降而后升高后又繼續(xù)下降然后升高的總體趨勢；而94-4-13則表現(xiàn)出先下降而后持續(xù)升高的趨勢。在處理7d時兩品種存在顯著性差異（見表2）。在42℃下，黑豐在1～5 d內(nèi)持續(xù)上升，而5 d后有所下降。94-4-13則正相反，1～5d內(nèi)迅速下降，5d后有所上升。第1天時兩品種間差異不顯著，而處理第5天時兩個品種存在顯著差異（見表3）。

表1 25℃處理對黑穗醋栗葉片Pn、Ci、Gs、Tr的影響Table1 Effects of 25℃temperature on Pn,Ci,Gs and Tr of black current leaf

表2 35℃處理對黑穗醋栗葉片Pn、Ci、Gs、Tr的影響Table2 Effects of 35℃temperature on Pn,Ci,Gs and Tr of black current leaf

表3 42℃處理對黑穗醋栗葉片Pn、Ci、Gs、Tr的影響Table3 Effects of 42℃temperature on Pn,Ci,Gs and Tr of black current leaf

2.1.2 對氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）的影響

黑豐和94-4-13的G s在25℃下均表現(xiàn)出“降-升-降”的總體趨勢，且兩品種間差異不顯著（見表1）。黑豐和94-4-13的G s在高溫35℃處理3 d時均顯著下降，分別下降40.9%和57.6%，35℃在處理5 d時均有所回升，分別由0.13和0.11 m o l·m-2·s-1回升至0.22和 0.23m o l·m-2·s-1。處理7d時又繼續(xù)下降（見表2）。而42℃處理則使黑豐和94-4-13的G s持續(xù)下降，脅迫至7d時，G s降至最低值0.07和0.09m o l·m-2·s-1，分別為對照（1 d）的30.4%和39.1%（見表3）。

黑穗醋栗幼苗的Tr在25℃下變化不顯著，且兩品種間無差異（見表1）。黑穗醋栗幼苗黑豐在35℃高溫脅迫下Tr呈現(xiàn)出先迅速下降后稍微上升又繼續(xù)下降的趨勢；而94-4-13表現(xiàn)出先下降而后持續(xù)上升的趨勢，處理7d時94-4-13的Tr顯著高于黑豐（見表2）。而42℃下呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。與對照（1 d）相比，高溫35℃處理3d的黑豐和94-4-13的Tr值分別下降46.6%、49.17%；至7d時黑豐又下降10.3%，而94-4-13則回升54.2%。42℃高溫處理3d黑豐和94-4-13的Tr值分別下降20.4%、13.1%，42℃處理下Tr值持續(xù)下降至7d時達到最低點，分別是2.18和1.66m o l·m-2·s-1，分別比對照（1d）下降62.7%和44.9%（見表3）。

2.2 高溫脅迫對黑穗醋栗幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.2.1 對最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）的影響

可變熒光與最大熒光的比值（Fv/Fm）反映PSⅡ的最大光能轉(zhuǎn)化效率以及環(huán)境因素對PSⅡ電子傳遞系統(tǒng)的影響效應(yīng)。在25℃處理下1～7d內(nèi)，兩個品種的葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm變化不顯著且兩品種間存在差異，但是不顯著（見表4）。而35與42℃處理則導(dǎo)致兩品種的Fv/Fm均下降，但在不同高溫處理下變化趨勢有所差異。在35℃處理第3天，F(xiàn)v/Fm分別和對照（第1天）相比下降3.53%（94-4-13）、4.54%（黑豐）；35℃處理第5天時，F(xiàn)v/Fm均有所上升，黑豐、94-4-13分別為0.8 5、0.8 2，分別是對照（第1天）的96.5%和97.6%（見表5）。兩個品種的Fv/Fm在42℃處理下均持續(xù)下降，在7d時達最低值，分別為0.70、0.72，是對照的79.5%和8 3.7%（見表6）。

2.2.2 對光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）的影響

25℃處理下1～7d內(nèi)黑豐和94-4-13葉片的NPQ、q P變化不顯著，品種間無顯著差異（見表4）。在35℃高溫處理下，黑豐和94-4-13葉片的光化學(xué)猝滅系數(shù)q P呈先下降而后升高再下降的總體趨勢（見表5）；42℃處理下則表現(xiàn)出持續(xù)下降的總體趨勢（見表6）。35℃下處理3d時，黑豐和94-4-13分別下降25.0%和11.3%；5 d后分別回升4.08%和15.2%；7d時降至最低值分別是0.39和0.20。42℃處理時，至第7天下降至最低值分別是0.26和0.15，為對照（1 d）的46.4%和28.3%。黑豐葉片的非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ在35℃處理下呈持續(xù)增加的趨勢，在7d時達到最大值1.93，為對照（1 d）的135.7%。94-4-13則表現(xiàn)出先增加而后降低在增加的總體趨勢，在處理3d時94-4-13葉片的NPQ與對照相比上升21.7%，而5 d后又下降5.43%，7d后上升1.8 3，為對照的126.2%（見表5）。黑豐和94-4-13葉片的NPQ在42℃處理下均呈隨處理時間的增加而顯著持續(xù)上升，在處理第7天時，黑豐和94-4-13葉片的NPQ分別為2.29和2.57，94-4-13顯著高于黑豐。分別為對照的44.0%和27.2%。

表4 25℃處理對黑穗醋栗葉片F(xiàn)v/Fm、qP、NPQ、ETR的影響Table4 Effects of 25℃temperature on Fv/Fm,qP,ETR and NPQ in leaf of black current

2.2.3 對電子傳遞速率（ETR）的影響

不同品種在高溫脅迫后，其電子傳遞速率ETR均呈下降趨勢（見表5、6），在25℃下處理1～7d內(nèi)，兩品種變化都不顯著，但品種間存在顯著差異，黑豐顯著高于94-4-13（見表4）。在35、42℃處理下，兩品種都是隨處理時間延長而持續(xù)下降。黑豐和94-4-13在35℃處理下7d分別下降28.5%和31.2%；黑豐和94-4-13在42℃處理下7d分別下降73.4%和78.4%，35℃處理下黑豐和94-4-13 1 d的ETR顯著高于處理7d時的ETR；而42℃處理下黑豐和94-4-131 d的ETR極顯著高于處理7d時的ETR。

表5 35℃處理對黑穗醋栗葉片F(xiàn)v/Fm、qP、NPQ、ETR的影響Table5 Effects of 35℃temperature on Fv/Fm,qP,ETR and NPQ in leaf of black current

表6 42℃處理對黑穗醋栗葉片F(xiàn)v/Fm、qP、NPQ、ETR的影響Table6 Effects of 42℃temperature on Fv/Fm,qP,ETR and NPQ in leaf of black current

3 討論

3.1 高溫脅迫對氣體交換參數(shù)的影響

本試驗中，黑穗醋栗品種黑豐和94-4-13在25℃下處理1～7d內(nèi)，葉片Pn、Tr變化不顯著，在35、42℃高溫下處理7d后，Pn、Tr均顯著下降，表明黑穗醋栗在35和42℃下均受到傷害。而35℃下處理5d時有所回升，42℃則表現(xiàn)出持續(xù)迅速下降，這表明黑穗醋栗兩個品種對高溫具有一定抗性，35℃能通過自身調(diào)節(jié)適應(yīng)高溫脅迫，而42℃對黑穗醋栗產(chǎn)生嚴重影響，導(dǎo)致光合作用和蒸騰作用不可逆下降。差異顯著性分析表明兩個品種中黑豐和94-4-13的耐熱性存在差異，35℃下黑豐表現(xiàn)出平穩(wěn)下降，而94-4-13表現(xiàn)出大幅下降并大幅回升，42℃處理下黑豐Pn、Tr均顯著高于94-4-13，這是由于黑豐比94-4-13更耐熱造成的。

高溫對光合作用的抑制機理有兩種觀點，一種氣孔限制，一種是非氣孔限制。氣孔限制是降低G s，使葉綠體內(nèi)CO2供應(yīng)受阻[6]，非氣孔限制是葉肉細胞氣體擴散阻抗增加、CO2溶解度下降、Ru b i s c o對CO2的親和力降低或光合機構(gòu)關(guān)鍵成分的熱穩(wěn)定性降低等原因所致[7]。本研究表明，42℃處理下1～5 d黑豐Pn、G s的下降伴隨著Ci的上升，因此非氣孔因素的抑制作用可能占主導(dǎo)地位，5 d后Ci下降表明氣孔因素占主導(dǎo)地位。而94-4-13則正好相反，1～5 d可能是氣孔因素的抑制作用占主導(dǎo)，5d后非氣孔因素占主導(dǎo)。

3.2 高溫脅迫對葉綠素熒光參數(shù)的影響

本研究表明，高溫脅迫明顯降低的光合電子傳遞量子效率ETR和光化學(xué)淬滅系數(shù)q P，而提高非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ，這與前人在椰花菜[8]、菊花[9]、韭菜[10]、菜豆[11]上的試驗結(jié)果相一致（見表2）。但是PSⅡ最大的量子效率Fv/Fm雖然有所下降但是不顯著，這與在菊花和韭菜上研究結(jié)果存在一定的差異，這可能與試驗試材有關(guān)。葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm常被用作表明環(huán)境脅迫程度的指標和探針[12]。本試驗中35℃/25℃處理沒有引起Fv/Fm的明顯變化，42℃/28℃處理則使黑穗醋栗Fv/Fm有所下降，但是下降幅度不是很大。黑穗醋栗葉片的Fv/Fm對高溫脅迫反映可能并不敏感。

已有結(jié)果表明，高溫脅迫抑制電子傳遞，增強分子態(tài)氧為受體的支路反應(yīng)，導(dǎo)致并增強活性氧積累量，為避免傷害，形成自保護適應(yīng)機制，酶促防御系統(tǒng)形成，非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ增加，散失剩余能量。光化學(xué)猝滅系數(shù)q P反映PSⅡ天線色素吸收的光能用于化學(xué)電子傳遞的份額，是由于QA等再氧化所造成，因而它與電子傳遞、光合氧化等過程直接相關(guān)。q P越大，QA-重新氧化形成QA的量愈大，即PSⅡ的電子傳遞活性越大[13]。本試驗結(jié)果表明，在42℃高溫下，黑穗醋栗幼苗葉片q P下降。

本研究表明，高溫脅迫對黑穗醋栗光合機構(gòu)的傷害程度與傷害部位均存在明顯的劑量效應(yīng)，35℃/25℃高溫下q P呈先下降后上升的趨勢，而42℃/28℃下q P一直呈下降趨勢，說明中度高溫處理35℃/25℃首先抑制QA到QB的電子傳遞，然后電子供體端或天線系統(tǒng)才受到破壞；而短期極端高溫42℃/28℃處理就造成供體端放氧復(fù)合體的失活。

黑穗醋栗品種黑豐和94-4-13耐熱性存在差異，黑豐比94-4-13更耐高溫。不同溫度和不同品種的黑穗醋栗對高溫的反映有所不同，35℃高溫對其有一定的影響，但是兩品種可以通過自身的調(diào)整而適應(yīng)35℃高溫，但42℃的高溫時，無論是黑豐還是94-4-13均會造成其光合作用和蒸騰作用的不可逆下降，并對黑穗醋栗PSⅡ造成嚴重傷害。因此在夏季高溫時，對黑穗醋栗要及時采取相應(yīng)降溫措施。

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