缺鉀油菜葉片光合速率下降的主導(dǎo)因子及其機(jī)理

陸志峰, 任 濤, 魯劍巍, 李小坤, 叢日環(huán), 潘勇輝, 李凱旭

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070)

?

缺鉀油菜葉片光合速率下降的主導(dǎo)因子及其機(jī)理

陸志峰, 任 濤, 魯劍巍*, 李小坤, 叢日環(huán), 潘勇輝, 李凱旭

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070)

【目的】鉀是油菜(Brassica napusL.)生長(zhǎng)發(fā)育所必需的礦質(zhì)元素，缺鉀脅迫可導(dǎo)致油菜葉片光合功能的衰退，最終影響籽粒產(chǎn)量。本文通過(guò)比較田間條件下蕾薹期油菜葉片(長(zhǎng)柄葉、 短柄葉和無(wú)柄葉)對(duì)缺鉀脅迫的反應(yīng)，探討缺鉀導(dǎo)致葉片光合速率下降的主導(dǎo)因子及其作用機(jī)理，為合理施用鉀肥提高油菜產(chǎn)量提供理論依據(jù)?！痉椒ā坎捎么筇镌囼?yàn)，研究不施鉀(-K)和施鉀(+K)條件下華油雜9號(hào)和中雙9號(hào)單株重，蕾薹期不同類型葉片單葉重、 葉面積、K含量和葉綠素含量。利用Li-6400XT便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定各類葉片的光合速率(Pn)和氣孔導(dǎo)度(gs)等氣體交換參數(shù)，以及PSⅡ最大光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)和實(shí)際光化學(xué)量子效率(ΦPSⅡ)等葉綠素?zé)晒鈪?shù)。并利用胞間CO2濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)的變化，分析葉片光合作用的限制因子?！窘Y(jié)果】1) 缺鉀脅迫使成熟期華油雜9號(hào)和中雙9號(hào)籽粒產(chǎn)量分別下降13.9%和27.2%。2)缺鉀顯著抑制了蕾薹期中雙9號(hào)的生長(zhǎng)，單株重下降了12.4%; 長(zhǎng)柄葉的干重比正常供鉀處理降低了19.2%，而對(duì)華油雜9號(hào)無(wú)影響。3) 缺鉀主要影響蕾薹期長(zhǎng)柄葉的光合生理特性，對(duì)短柄葉和無(wú)柄葉無(wú)影響。缺鉀條件下，油菜長(zhǎng)柄葉鉀含量和葉綠素含量明顯降低，其Pn也顯著低于正常供鉀處理。但缺鉀對(duì)不同品種Pn的限制原因并不同，缺鉀脅迫導(dǎo)致華油雜9號(hào)Ci顯著降低，Ls增加了16.6%，即氣孔因素是華油雜9號(hào)Pn下降的主要原因; 而中雙9號(hào)Ci顯著增加，Ls卻下降了14.0%，Pn的下降是由非氣孔因素引起的。4) 缺鉀脅迫下中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉的Fv/Fm、ΦPSⅡ、 qP和ETR均顯著降低，說(shuō)明PSⅡ反應(yīng)中心受損，NPQ顯著上升，間接表明缺鉀條件下中雙9號(hào)Pn下降的原因與非氣孔因素有關(guān); 而華油雜9號(hào)各熒光參數(shù)均未受缺鉀脅迫的影響。油菜收獲期籽粒產(chǎn)量與各葉片鉀素含量以及長(zhǎng)柄葉氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)關(guān)系密切。【結(jié)論】缺鉀脅迫導(dǎo)致蕾薹期油菜長(zhǎng)柄葉光合功能加速衰退，影響收獲期籽粒產(chǎn)量。中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉光合性能受缺鉀脅迫的影響大于華油雜9號(hào)，這與品種自身對(duì)缺鉀脅迫的耐受能力有關(guān)。

油菜; 葉片; 蕾薹期; 缺鉀脅迫; 光合氣體交換; 葉綠素?zé)晒?/p>

鉀素作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必須的礦質(zhì)元素，在維持細(xì)胞滲透壓[4]，調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)[5]，保障酶活性、 增加光合作用[6]，促進(jìn)體內(nèi)糖分的運(yùn)輸、 提高產(chǎn)量上發(fā)揮著重要作用[7]; 其中光合器官光合速率的降低是缺鉀導(dǎo)致作物減產(chǎn)的重要原因[8]。蕾薹期油菜同時(shí)具備長(zhǎng)柄葉、 短柄葉和無(wú)柄葉三類葉片光合器官，當(dāng)根系吸收的鉀素?zé)o法滿足植株需求時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)鉀素從長(zhǎng)柄葉向無(wú)柄葉和短柄葉快速轉(zhuǎn)移，繼而伴隨著葉片失綠黃化焦枯，光合功能衰退，甚至萎縮死亡的現(xiàn)象。各類葉片生長(zhǎng)發(fā)育特性的不同直接決定了其對(duì)缺鉀脅迫的響應(yīng)差異，弄清各葉片對(duì)缺鉀脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)，尤其是氣體交換和葉綠素?zé)晒馓匦陨系漠愅?，有助于系統(tǒng)性分析缺鉀脅迫對(duì)蕾薹期油菜光合性能的影響。

鉀對(duì)植物光合作用的影響主要包括氣孔因素和非氣孔因素。彭海歡等研究發(fā)現(xiàn)缺鉀條件下，水稻葉片凈光合速率隨著氣孔導(dǎo)度的降低而下降，認(rèn)為氣孔因素是限制光合速率的主要原因[9]; 孫駿威等的研究結(jié)果表明，缺鉀脅迫加劇了光合速率的下降，但對(duì)氣孔導(dǎo)度沒(méi)有影響，而胞間CO2濃度顯著升高，暗示光合速率下降是由非氣孔因素引起的[10]。同樣，棉花[11]、 玉米[12]和小麥[13]等作物在缺鉀條件下，光合速率和氣孔導(dǎo)度均下降，但是缺鉀導(dǎo)致光合速率下降的原因卻不盡相同。此外，缺鉀使水稻葉片光合機(jī)構(gòu)受損，光合電子傳遞能力降低，發(fā)生光抑制[9,14]。因此，本研究立足于田間試驗(yàn)，以華油雜9號(hào)和中雙9號(hào)為材料，通過(guò)測(cè)定三類葉片的氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，探討缺鉀導(dǎo)致油菜葉片光合速率下降的主導(dǎo)因子及其作用機(jī)理，以期為改善油菜光合作用、 提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2013年9月至2014年5月在湖北省武穴市梅川鎮(zhèn)(30°06′N，115°36′E)進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤為花崗片麻巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤性水稻土，其理化性狀為:pH5.3，有機(jī)質(zhì)30.5g/kg，全氮1.7g/kg，全鉀18.6g/kg，速效氮(堿解氮)123.4mg/kg，速效鉀32.5mg/kg，速效磷5.7mg/kg。試驗(yàn)點(diǎn)前茬作物為水稻。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用品種和鉀肥兩因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，品種包括華油雜9號(hào)和中雙9號(hào)，鉀肥處理包括不施鉀(-K)和施鉀(+K)兩個(gè)處理，施鉀處理鉀肥用量為120kgK2O/hm2。每個(gè)處理3次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為20m2。

各處理氮磷硼肥用量均為N180kg/hm2、P2O590kg/hm2、 硼砂15kg/hm2。供試肥料品種分別為尿素(含N46%)、 過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)、 氯化鉀(含K2O60%)和硼砂(含B11%)。氮肥分3次施用，分別是基肥60%、 越冬肥和薹肥各占20%，其他肥料均一次性施用。油菜于2013年9月27日育苗，11月1日移栽，密度為11.25×104plants/hm2。

1.3測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集與分析土壤基礎(chǔ)樣品均為前茬水稻收獲后、 油菜基肥施用前采集。以整個(gè)試驗(yàn)田塊為采樣單元，在試驗(yàn)田塊內(nèi)以“S”形均勻布點(diǎn)15個(gè)，取0—20cm耕作層土壤，實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干磨細(xì)過(guò) 20 目和100目篩，供理化分析用。土壤基本理化性質(zhì)按常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)定[15]。土壤pH按水土比2.5 ∶1，pH計(jì)測(cè)定; 有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法; 全氮采用半微量開(kāi)氏法; 全鉀采用NaOH熔融—火焰光度計(jì)法; 速效氮采用堿解擴(kuò)散法; 速效鉀采用1mol/LNH4OAc浸提—火焰光度計(jì)法; 速效磷采用0.5mol/LNaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.3.3 氣孔限制值氣孔限制值(Ls)參照Berry和Downton[16]的方法計(jì)算:

(1)

式中，Ca為設(shè)定CO2濃度。

另外，許大全[17]介紹了辨別葉片Pn降低的主要原因的兩個(gè)可靠判據(jù)，即Ci和Ls的變化方向。Ci降低和Ls升高表明氣孔導(dǎo)度降低是主要原因; 而Ci增加和Ls降低則表明主要原因是非氣孔因素。

1.3.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)利用配備好熒光葉室的Li-6400XT測(cè)定標(biāo)記葉片的熒光參數(shù)。測(cè)定前用暗適應(yīng)夾子處理葉片30min后測(cè)定初始熒光(F0)和最大熒光(Fm)，再將樣品置于活化光 [1200μmol/(m2·s)]下照射0.5h，在數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，得到穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)，接著用飽和光照射，得到光適應(yīng)下的最大熒光(Fm′)，然后關(guān)閉活化光，再照射遠(yuǎn)紅光測(cè)量光適應(yīng)下的F0′。PSII最大光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)、PSII實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSII)、 天線色素轉(zhuǎn)換效率(Fv′/Fm′)和PSII的電子傳遞速率(ETR)均由儀器計(jì)算給出。光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)按照Kramer等[18]的公式計(jì)算:

(2)

(3)

實(shí)產(chǎn)統(tǒng)計(jì)在收獲期每個(gè)小區(qū)選取8株有代表性的植株進(jìn)行籽粒產(chǎn)量的測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用MicrosoftExcel2013軟件進(jìn)行計(jì)算處理，利用SPSS18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用OriginPro8.5軟件作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1缺鉀對(duì)油菜籽粒產(chǎn)量和蕾薹期干物質(zhì)積累的影響

不同品種油菜對(duì)鉀肥的反應(yīng)不同(圖1)，華油雜9號(hào)籽粒產(chǎn)量高于中雙9號(hào)，缺鉀顯著降低了兩個(gè)品種油菜的籽粒產(chǎn)量，尤其是中雙9號(hào)，與施鉀處理相比下降了27.2%。缺鉀脅迫導(dǎo)致蕾薹期中雙9號(hào)的單株干重比施鉀處理降低了12.4%，而華油雜9號(hào)則對(duì)鉀肥的反應(yīng)不敏感，施鉀和不施鉀處理兩者干重并無(wú)顯著性差異。

圖1　不同鉀肥處理油菜籽粒產(chǎn)量和蕾薹期單株干重Fig.1　Seed yield and dry matter content in different K treatments at stem elongation stage

[注(Note):K—鉀肥處理Ktreatment;C—品種Cultivar. 方柱上不同小寫字母表示同一品種不同鉀處理間差異達(dá)5%顯著水平Differentsmalllettersabovethebarsmeansignificantdifferenceat5%levelbetweentwoKtreatmentswithinsamecultivar; *和**分別表示鉀肥處理、品種和兩者交互作用對(duì)籽粒產(chǎn)量和單株干重的影響達(dá)5%和1%顯著水平，ns表示影響不顯著IndicatethatseedyieldanddrymattercontentaresignificantlyinfluencedbyKtreatment,cultivarandtheirinteractionat5%and1%levels,respectively,andnsmeansnotsignificant.]

2.2缺鉀對(duì)油菜葉片形態(tài)生理的影響

對(duì)不同品種和鉀肥處理油菜蕾薹期葉片形態(tài)生理指標(biāo)的分析(表1)可以看出，中雙9號(hào)單個(gè)葉片干重、 葉面積以及葉綠素a/b明顯高于華油雜9號(hào)，葉綠素含量卻差別不大。缺鉀對(duì)華油雜9號(hào)葉片干重、 葉面積均無(wú)影響，但顯著降低了無(wú)柄葉和長(zhǎng)柄葉的葉綠素含量和葉綠素a/b; 缺鉀顯著降低了中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉的葉片干重、 葉綠素含量和葉綠素a/b，但對(duì)葉面積的影響不顯著。

兩個(gè)品種不同葉片K含量對(duì)缺鉀脅迫的反應(yīng)存在明顯差異(圖2)。華油雜9號(hào)各葉片的鉀含量均高于中雙9號(hào)，缺鉀使中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉和短柄葉的K含量分別下降了59.6%和39.6%，對(duì)無(wú)柄葉的影響較小。缺鉀也同樣降低了華油雜9號(hào)長(zhǎng)柄葉和短柄葉的K含量，但降幅小于中雙9號(hào)。在施鉀和不施鉀條件下，華油雜9號(hào)三種葉片K含量差異顯著; 在施鉀條件下，中雙9號(hào)短柄葉和長(zhǎng)柄葉K含量顯著大于無(wú)柄葉，而在不施鉀時(shí)，無(wú)柄葉和短柄葉的鉀含量卻顯著大于長(zhǎng)柄葉。

2.3缺鉀對(duì)油菜葉片氣體交換參數(shù)的影響

從蕾薹期不同品種和鉀肥處理下油菜葉片氣體交換參數(shù)可以看出，兩個(gè)品種間Pn、 Ci和Tr明顯不同，而Gs并無(wú)顯著性差異，華油雜9號(hào)的Pn和Tr高于中雙9號(hào)，而Ci則較低(表2)。缺鉀條件下，華油雜9號(hào)長(zhǎng)柄葉的Pn、 Gs、 Ci和Tr分別下降了13.0%、 20.9%、 7.7%和14.1%; 中雙9號(hào)的Pn、 Gs和Tr在缺鉀時(shí)的下降幅度大于華油雜9號(hào)，而Ci卻顯著增加; 缺鉀脅迫對(duì)短柄葉和無(wú)柄葉的氣體交換參數(shù)無(wú)顯著影響。

2.4缺鉀對(duì)油菜葉片氣孔限制值的影響

兩個(gè)品種油菜各類葉片的氣孔限制值如圖3所示，缺鉀不影響無(wú)柄葉和短柄葉的Ls，但使華油雜9號(hào)長(zhǎng)柄葉的Ls增加了16.6%; 相反，使中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉的Ls降低了14.0%。因此，華油雜9號(hào)長(zhǎng)柄葉Ci降低(表3)，而Ls顯著升高，說(shuō)明氣孔因素是其Pn下降的主要原因; 中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉Ci顯著降低，而Ls升高，說(shuō)明非氣孔因素是引起Pn下降的主導(dǎo)因素。

2.5缺鉀對(duì)油菜葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

從不同品種和鉀肥處理油菜蕾薹期葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘姆治隹梢钥闯?，缺鉀脅迫對(duì)華油雜9號(hào)各類型葉片以及中雙9號(hào)無(wú)柄葉和短柄葉的PSⅡ最大光化學(xué)量子效率(Fv/Fm，反應(yīng)PSⅡ利用光能的能力，也作為光抑制的重要指標(biāo)[20])無(wú)影響，但顯著降低了中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉的Fv/Fm(表3)。實(shí)際光化學(xué)量子效率(ΦPSⅡ，反映PSⅡ反應(yīng)中心在部分關(guān)閉情況下的實(shí)際原初光能捕獲效率[20])在各品種不同鉀處理間的反映和Fv/Fm一致，中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉的ΦPSⅡ在缺鉀時(shí)下降了23.0%。缺鉀條件下，PSⅡ電子傳遞速率(ETR，其值越低，表明光抑制程度越重[21])的變化也與上述兩個(gè)參數(shù)一致，中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉的ETR比施鉀處理下降了26.1%。以上結(jié)果說(shuō)明蕾薹期油菜長(zhǎng)柄葉利用光能的能力下降，光抑制程度增加，缺鉀進(jìn)一步加劇了光的抑制，且不同品種對(duì)缺鉀的耐性有差異。

表1　蕾薹期鉀肥處理油菜葉片形態(tài)生理特征Table 1　Leaf morphological and physiological characteristics in different K treatments at stem elongation stage

注(Note): 數(shù)據(jù)后不同字母表示同種葉片不同鉀處理間差異達(dá)5%顯著水平Valuesfollowedbydifferentlettersaresignificantdifferenceat5%levelbetweenKtreatmentswithinsameleaftype, *、 **和ns分別表示差異達(dá)5%、 1%顯著水平和差異不顯著Meansignificantdifferencesat5%, 1%levelandnosignificantdifference,respectively.

圖2　蕾薹期不同鉀肥處理油菜葉片鉀含量Fig.2　Leaf K content in different K treatments at stem elongation stage

[注(Note)：K—鉀肥處理Ktreatment;L—葉片Leaf. 方柱上不同小寫字母表示同種葉片不同鉀處理間差異達(dá)5%顯著水平Differentsmalllettersabovethebarsmeansignificantdifferenceat5%levelbetweentwoKtreatmentswithinsameleaftype; *和**分別表示鉀肥處理、葉片和兩者交互作用對(duì)氣孔限制值的影響達(dá)5%和1%顯著水平，ns表示影響不顯著IndicatethatleafstomatallimitationvalueissignificantlyinfluencedbyKapplicationrate,leafandtheirinteractionat5%and1%levels,respectively,andnsmeansnotsignificant.]

表2　蕾薹期不同鉀肥處理油菜葉片氣體交換參數(shù)Table 2　Leaf gas exchange parameters in different K treatments at stem elongation stage

注(Note):K—鉀肥用量Kapplicationrate;C—品種Cultivar;L—葉片Leaf. 不同字母表示同種葉片不同鉀處理間差異達(dá)5%顯著水平Differentlettersmeansignificantdifferenceat5%levelbetweenKtreatmentswithinsameleaftype. *和**分別表示鉀肥用量、 葉片和兩者交互作用對(duì)葉片鉀含量的影響達(dá)5%和1%顯著水平，ns表示影響不顯著IndicatethatleafKcontentissignificantlyinfluencedbyKapplicationrate,leafandtheirinteractionat5%and1%levels,respectively,andnsmeansnotsignificant.

圖3　蕾薹期不同鉀肥處理油菜葉片氣孔限制值Fig.3　Limitations due to stomatal resistance in different K treatments at stem elongation stage

[注(Note)：K—鉀肥處理Ktreatment;L—葉片Leaf. 方柱上不同小寫字母表示同種葉片不同鉀處理間差異達(dá)5%顯著水平Differentsmalllettersabovethebarsmeansignificantdifferenceat5%levelbetweentwoKtreatmentswithinsameleaftype; *和**分別表示鉀肥處理、葉片和兩者交互作用對(duì)氣孔限制值的影響達(dá)5%和1%顯著水平，ns表示影響不顯著IndicatethatleafstomatallimitationvalueissignificantlyinfluencedbyKapplicationrate,leafandtheirinteractionat5%and1%levels,respectively,andnsmeansnotsignificant.]

缺鉀顯著影響了中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉的光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP，反映了PSⅡ原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)[21])，但并未影響其他類型葉片。華油雜9號(hào)施鉀和不施鉀處理間各葉片的qP也未受到影響。缺鉀脅迫使中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉的非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ，指PSⅡ天線色素吸收但不能用于光合電子傳遞而以熱能的形式耗散掉的光能部分[22])增加了18.3%，而未對(duì)華油雜9號(hào)造成影響。以上結(jié)果說(shuō)明蕾薹期油菜長(zhǎng)柄葉PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度較低，QA的還原狀態(tài)增加，電子傳遞活性較低，缺鉀脅迫進(jìn)一步加劇了反應(yīng)中心的關(guān)閉，降低了電子的傳遞，卻通過(guò)增加熱耗散來(lái)減輕光抑制的損傷。

表3　蕾薹期不同鉀肥處理油菜葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Table 3　Leaf chlorophyll fluorescence parameters in different K treatments at stem elongation stage

注(Note): Fv/Fm—PSⅡ最大光化學(xué)量子效率MaximumquantumefficiencyofPSⅡphotochemistry;ΦPSⅡ—PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率ActualphotochemicalefficiencyofPSⅡ;ETR—電子傳遞速率Electrontransportrate; qP—光化學(xué)淬滅系數(shù)Photochemicalquenchingcoefficient;NPQ—非光化學(xué)淬滅系數(shù)Non-photochemicalquenchingcoefficient. 數(shù)值后不同字母表示同種葉片不同鉀處理間差異達(dá)5%顯著水平Valuesfollowedbydifferentlettersmeansignificantdifferenceat5%levelbetweenKtreatmentswithinsameleaftype. *和**分別表示鉀肥用量、 葉片和兩者交互作用對(duì)葉片鉀含量的影響達(dá)5%和1%顯著水平，ns表示影響不顯著IndicatethatleafKcontentissignificantlyinfluencedbyKapplicationrate,leafandtheirinteractionat5%and1%levels,respectively,andnsmeansnotsignificant.

2.6籽粒產(chǎn)量及蕾薹期干物質(zhì)積累與葉片光合生理參數(shù)的相關(guān)性

對(duì)比分析收獲期單株籽粒產(chǎn)量與蕾薹期葉片光合生理參數(shù)的相關(guān)性(表4)，可以發(fā)現(xiàn)收獲期籽粒產(chǎn)量與蕾薹期各葉片的鉀素含量顯著相關(guān)。籽粒產(chǎn)量與長(zhǎng)柄葉的葉綠素含量、 凈光合速率以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)(除Fv/Fm外)顯著相關(guān)，而與無(wú)柄葉和短柄葉的葉綠素含量和光合氣體交換以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)(除qP外)無(wú)顯著相關(guān)性。

表4　籽粒產(chǎn)量與不同類型葉片光合生理參數(shù)的相關(guān)性(r)Table 4　Correlations between seed yield and photosynthetic physiological characteristics of different leaves

注(Note):K—葉片鉀含量LeafKcontent;Chl. —葉綠素含量Leafchlorophyllconcentration; Pn—凈光合速率Netphotosyntheticrate; Gs—?dú)饪讓?dǎo)度Stomatalconductance; Ci—胞間CO2濃度IntercellularCO2concentration; Fv/Fm—PSⅡ最大光化學(xué)量子效率MaximumquantumefficiencyofPSⅡphotochemistry;ΦPSⅡ—PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率ActualphotochemicalefficiencyofPSⅡ;ETR—電子傳遞速率Electrontransportrate; qP—光化學(xué)淬滅系數(shù)Photochemicalquenchingcoefficient;NPQ—非光化學(xué)淬滅系數(shù)Non-photochemicalquenchingcoefficient. *和**分別表示鉀肥用量、 葉片和兩者交互作用對(duì)葉片鉀含量的影響達(dá)5%和1%顯著水平，ns表示影響不顯著IndicatethatleafKcontentissignificantlyinfluencedbyKapplicationrate,leafandtheirinteractionat5%and1%levels,respectively,andnsmeansnotsignificant.

3　討論

3.1缺鉀對(duì)蕾薹期油菜葉片光合性能的影響

本研究結(jié)果表明，缺鉀主要影響蕾薹期油菜長(zhǎng)柄葉的光合功能和葉綠素?zé)晒馓匦裕磳?duì)短柄葉和無(wú)柄葉產(chǎn)生限制，這與油菜植株生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律和葉片鉀素含量有關(guān)。3類葉片中無(wú)柄葉的發(fā)生時(shí)間較晚，其光合速率和葉綠素含量處于上升期[23-24]，短柄葉的發(fā)生早于無(wú)柄葉，處于光合功能的穩(wěn)定期，葉片中鉀素含量較高，光合功能相對(duì)較強(qiáng)。而長(zhǎng)柄葉的發(fā)生發(fā)育時(shí)間最早，蕾薹期時(shí)處于植株最下部，當(dāng)出現(xiàn)鉀素虧缺時(shí)，長(zhǎng)柄葉

的鉀素快速向短柄葉和無(wú)柄葉轉(zhuǎn)移[25]，含量顯著下降，加快了葉綠素的分解。而葉片葉綠素含量是反映作物衰老狀況和光合能力的一個(gè)重要指標(biāo)[26]，可見(jiàn)進(jìn)入蕾薹期后長(zhǎng)柄葉開(kāi)始衰老，光合能力下降，缺鉀加速了長(zhǎng)柄葉的衰退。長(zhǎng)柄葉衰退過(guò)程中約有90%的鉀素輸向其他器官[25]，對(duì)保證缺鉀條件下上部葉片的光合功能有一定益處。

此外，長(zhǎng)柄葉葉綠素含量和光合參數(shù)(Ci除外)與葉片鉀含量顯著相關(guān)，缺鉀是導(dǎo)致光合能力下降的原因。缺鉀條件下，Gs和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化與葉片葉綠素含量無(wú)關(guān)(表5)，這與Lu等[27]的研究結(jié)果相一致，即在小麥旗葉衰老的過(guò)程中，葉綠素含量的適當(dāng)下降并不會(huì)導(dǎo)致葉綠素?zé)晒鈪?shù)的劇烈變化。

表5　長(zhǎng)柄葉鉀含量和葉綠素含量與光合參數(shù)的相關(guān)性(r)Table 5　Correlations between K, chlorophyll content and photosynthetic parameters of Long-stalk leaf (r value)

注(Note): Pn—凈光合速率Netphotosyntheticrate;K—葉片鉀含量LeafKcontent; Gs—?dú)饪讓?dǎo)度Stomotalconductance; Ci—胞間CO2濃度IntercellularCO2concentration; Tr—蒸騰速率Transpirationrate; *和**分別表示鉀肥用量、 葉片和兩者交互作用對(duì)葉片鉀含量的影響達(dá)5%和1%顯著水平，ns表示影響不顯著IndicatethatleafKcontentissignificantlyinfluencedbyKapplicationrate,leafandtheirinteractionat5%and1%levels,respectively,andnsmeansnotsignificant.

3.2缺鉀引起油菜長(zhǎng)柄葉光合速率下降的主導(dǎo)因素及其作用機(jī)制

本研究中，華油雜9號(hào)長(zhǎng)柄葉Pn下降的主導(dǎo)因素來(lái)自氣孔，氣孔導(dǎo)度的下降導(dǎo)致光合作用能夠利用的CO2減少，光合速率下降; 同時(shí)測(cè)定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)差別不大，說(shuō)明光能的吸收和電子傳遞等都正常。而非氣孔限制是中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉Pn下降的主導(dǎo)因素，其中CO2從細(xì)胞間隙向葉綠體傳遞阻力的增加以及碳同化過(guò)程CO2的利用減少(包括碳同化酶活性和能力合成等過(guò)程)可能是胞間CO2升高，光合速率下降的原因[23]。缺鉀脅迫使中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉Fv/Fm和ΦPSⅡ下降，表明缺鉀對(duì)PSⅡ造成了傷害，光能的利用能力下降。與此同時(shí)ETR顯著降低，說(shuō)明源于光合磷酸化和電子傳遞過(guò)程相偶聯(lián)所生成的ATP和NADPH減少，碳同化過(guò)程也正因此而受到限制，這與孫駿威等[14]在水稻上的研究結(jié)果一致。缺鉀顯著降低了葉片的qP，說(shuō)明較大部分反應(yīng)中心處于關(guān)閉狀態(tài)，QA處于較高的還原態(tài)，無(wú)法快速有效的傳遞H2O光解產(chǎn)生的電子，這也是ETR降低的原因。PSⅡ反應(yīng)中心功能的下降，往往會(huì)導(dǎo)致光合機(jī)構(gòu)吸收的光能進(jìn)入光化學(xué)過(guò)程的量顯著減小，使植物產(chǎn)生光抑制[10,14]。在缺鉀條件下，中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉通過(guò)增加熱耗散(NPQ)，在一定程度上減輕了光合機(jī)構(gòu)所遭受的光破壞。

缺鉀引起兩個(gè)品種長(zhǎng)柄葉光合速率下降主導(dǎo)因素的不同，和品種自身對(duì)缺鉀脅迫耐受能力的差異有關(guān)。華油雜9號(hào)比中雙9號(hào)具有更強(qiáng)的吸鉀能力，在缺鉀時(shí)體內(nèi)還能夠保持較高的鉀含量，使各光合參數(shù)所受的影響小。當(dāng)鉀素虧缺時(shí)，中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉鉀素快速轉(zhuǎn)移，面臨著嚴(yán)重缺鉀威脅的長(zhǎng)柄葉加快進(jìn)入早衰階段[25]。相反，由于華油雜9號(hào)吸收了更多的鉀，長(zhǎng)柄葉面臨的缺鉀威脅較輕，其光合功能較中雙9號(hào)更加穩(wěn)定。Bednarz等[28]研究認(rèn)為，氣孔限制是輕度缺鉀條件下棉花葉片光合速率下降的主要原因，但隨著缺鉀脅迫的加重，非氣孔限制開(kāi)始占主導(dǎo)地位。因此，此種差異的出現(xiàn)可能與葉片K含量有關(guān)。李向東等[29]的研究指出，花生葉片衰老過(guò)程中，氣孔限制不斷降低，而非氣孔限制逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明光合作用的限制因素還可能與葉片的衰老程度相關(guān)。此外，葉片在缺鉀及衰老過(guò)程伴隨著Rubisco酶活性的降低[30]，氣孔導(dǎo)度和葉肉導(dǎo)度的下降[23]，葉綠體結(jié)構(gòu)的破壞[29]，光系統(tǒng)活性衰退，活性氧清楚系統(tǒng)功能的減弱[10]等，都可能導(dǎo)致光合作用限制因素的轉(zhuǎn)變。本研究中，長(zhǎng)柄葉鉀含量和衰老程度對(duì)光合作用的影響表現(xiàn)趨同，均和油菜對(duì)缺鉀的耐受能力有關(guān)。

4　結(jié)論

1)缺鉀主要抑制蕾薹期油菜下部長(zhǎng)柄葉的光合能力，對(duì)中部短柄葉和上部無(wú)柄葉影響不顯著。缺鉀導(dǎo)致長(zhǎng)柄葉光合性能的加速衰退與油菜產(chǎn)量的降低關(guān)系密切。

2)缺鉀條件下，華油雜9號(hào)和中雙9號(hào)長(zhǎng)柄葉光合速率下降分別受氣孔因素和非氣孔因素的主導(dǎo)。此種差異的出現(xiàn)可能和葉片鉀含量以及衰老程度有關(guān)，而這又都取決于品種自身對(duì)缺鉀脅迫耐受能力的不同，華油雜9號(hào)對(duì)缺鉀脅迫的耐受能力大于中雙9號(hào)。

[1]RenT,LuJW,LiH, et al.Potassium-fertilizermanagementinwinteroilseed-rapeproductioninChina[J].JournalofPlantNutritionandSoilScience, 2013, 176(3): 429-440.

[2]李銀水, 魯劍巍, 廖星, 等．鉀肥用量對(duì)油菜產(chǎn)量及鉀素利用效率的影響[J]．中國(guó)油料作物學(xué)報(bào), 2011, 33(2): 152-156．

LiYS,LuJW,LiaoX, et al.Effectofpotassiumapplicationrateonyieldandfertilizer-potassiumutilizationefficiencyinrapeseed[J].ChineseJournalofOilCropSciences, 2011, 33(2): 152-156.

[3]劉曉偉．冬油菜養(yǎng)分吸收規(guī)律及不同養(yǎng)分效率品種特征比較研究[D]．武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2011．

LiuXW.Studyonnutrientabsorptionofoilseedrape(Brassica napusL.)andcharacteristicscompareindifferentnutrientefficiencytypes[D].Wuhan:MSThesis,HuazhongAgriculturalUniversity, 2011.

[4]PervezH,AshrafM,MakhdumMI.Influenceofpotassiumnutr-

itionongasexchangecharacteristicsandwaterrelationsincotton(Gossypium hirsutumL.) [J].Photosynthetica, 2001, 42: 251-255.

[5]LebaudyA,VavasseurA,HosyE, et al.Plantadaptationtofluc-

tuatingenvironmentandbiomassproductionarestronglydependentonguardcellpotassiumchannels[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences, 2008, 105(13): 5271-5276.

[6]HanQ.Height-relateddecreasesinmesophyllconductance,leafphotosynthesisandcompensatingadjustmentsassociatedwithleafnitrogenconcentrationsinPinus densiflora [J].TreePhysiology, 2011, 31: 976-984.

[7]PettigrewWT.Potassiuminfluencesonyieldandqualityproduct-

ionformaize,wheat,soybeanandcotton[J].Physiologiaplantarum, 2008, 133(4): 670-681.

[8]劉高潔, 逄煥成, 李玉義．長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育和光合特性的影響[J]．植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16(5): 1094-1099．

LiuGJ,PangHC,LiYY.Effectsoflong-termfertilizationongrowthandphotosynthesisofsummermaizeinfluvo-aquicsoil[J].PlantNutritionandFertilizerScience, 2010, 16(5): 1094-1099.

[9]彭海歡, 翁曉燕, 徐紅霞, 等．缺鉀脅迫對(duì)水稻光合特性及光合防御機(jī)制的影響[J]．中國(guó)水稻科學(xué), 2006, 20(6): 621-625．

PengHH,WengXY,XuHX, et al.Effectsofpotassiumdeficiencyonphotosynthesisandphoto-protectionmechanismsinriceplants[J].ChineseJournalofRiceScience, 2006, 20(6): 621-625.

[10]孫駿威, 李素芳, 付賢樹(shù), 等．低鉀對(duì)水稻不同葉位葉片光合特性及抗氧化系統(tǒng)的影響[J]．核農(nóng)學(xué)報(bào), 2006, 21(4): 404-408．

SunJW,LiSF,FuXS, et al.Effectsoflowpotassiumstressonphotosyntheticcharacteristicsandantioxidantsystemsindifferentpositionleavesofriceplants[J].JournalofNuclearAgriculturalSciences, 2006, 21(4): 404-408.

[11]WangN,HuaH,EgrinyaEnejiA, et al.Genotypicvariationsinphotosyntheticandphysiologicaladjustmenttopotassiumdeficiencyincotton(Gossypium hirsutum) [J].JournalofPhotochemistryandPhotobiologyB:Biology,B, 2012, 110: 1-8.

[12]陳愛(ài)珠, 楊杰文．鉀素對(duì)甜玉米苗期光合特性的影響[J]．中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26(9): 230-233．

ChenAZ,YangJW.Effectsofpotassiumonphotosyntheticcharactersofsweetcorninseedlingphasing[J].ChineseAgriculturalScienceBulletin, 2010, 26(9): 230-233.

[13]于振文, 張煒, 岳壽松, 等．鉀營(yíng)養(yǎng)對(duì)冬小麥光合作用和衰老的影響[J]．作物學(xué)報(bào), 1996, 22(3): 305-312．

YuZW,ZhangW,QiuSS, et al.Effectofpotassiumonphotosynthesisandsenescenceinwinterwheat[J].ActaAgronmicaSinica, 1996, 22(3): 305-312.

[14]孫駿威, 翁曉燕, 李嶠, 等．缺鉀對(duì)水稻不同品種光合和能量耗散的影響[J]．植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2007, 13(4): 577-584．

SunJW,WenXY,LiQ, et al.Effectsofpotassium-deficiencyonphotosynthesisandenergydissipationindifferentricecultivars[J].PlantNutritionandFertilizerScience, 2007, 13(4): 577-584.

[15]鮑士旦．土壤農(nóng)化分析(第3版)[M]．北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2000. 263-271．

BaoSD.Soilandagrochemistryanalysis(3rdEd) [M].Beijing:ChinaAgriculturalPress, 2000: 30-107, 270.

[16]BerryJA,DowntonWJS.Environmentalregulationofphotosy-

nthesis[J].Photosynthesis, 1982, 2: 263-343.

[17]許大全．光合作用氣孔限制分析中的一些問(wèn)題[J]．植物生理學(xué)通訊, 1997, 33 (4): 241-244．

XuDQ.Someproblemsinstomatallimitationanalysisofphotosynthesis[J].PlantPhysiologyCommunications, 1997, 33(4): 241-244.

[18]KramerDM,JohnsonG,KⅡratsO, et al.NewfluorescenceparametersforthedeterminationofQAredoxstateandexcitationenergyfluxes[J].PhotosynthesisResearch, 2004, 79(2): 209-218.

[19]舒展, 張曉素, 陳娟, 等．葉綠素含量測(cè)定的簡(jiǎn)化[J]．植物生理學(xué)通訊, 2010, 46(4): 399-402．

ShuZ,ZhangXS,ChenJ, et al.Thesimplificationofchlorophyllcontentmeasurement[J].PlantPhysiologyCommunications, 2010, 46(4): 399-402.

[20]張守仁．葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的意義及討論[J]．植物學(xué)通報(bào), 1999, 16(4): 444-448．

ZhangSR.Adiscussiononchlorophyllfluorescencekineticsparametersandtheirsignificance[J].ChineseBulletionofBotany, 1999, 16(4): 444-448.

[21]王菲, 曹翠玲．磷水平對(duì)不同磷效率小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響[J]．植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16(3): 758-762．

WangF,CaoCL.Effectsofphosphoruslevelsonchlorophyllfluorescenceparametersofwheat(Triticum aestivumL.)withdifferentphosphorusefficiencies[J].PlantNutritionandFertilizerScience, 2010, 16(3): 758-762.

[22]BilgerW,Bj?rkmanO.Roleofthexanthophyllcycleinphotop-

rotectionelucidatedbymeasurementsoflight-inducedabsorbancechanges,fluorescenceandphotosynthesisinleavesofHederacanariensis[J].PhotosynthesisResearch, 1990, 25(3): 173-185.

[23]Battie-LaclauP,LaclauJP,BeriC, et al.PhotosyntheticandanatomicalresponsesofEucalyptus grandisleavestopotassiumandsodiumsupplyinafieldexperiment[J].Plant,CellandEnvironment, 2014, 37(1): 70-81.

[24]趙懿．油菜光合功能衰退研究[D]．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2006．

ZhaoY.Studyonphotosyntheticfunctionaldeclineforoilseedrape(Brassica napusL.) [D].Chineseacademyofagriculturalsciences, 2006.

[25]冷鎖虎, 單玉華, 李德權(quán)．油菜葉片衰老與NPK含量變化[J]．中國(guó)油料作物學(xué)報(bào), 2001, 23(1): 38-40．

LengSH,ShanYH,LiDQ.ChangesofNPKcontentsindecrepitleavesofrapeseed[J].ChineseJournalofOilCropSciences, 2001, 23(1): 28-40.

[26]OhSA,ParkJH,LeeGI, et al.IdentificationofthreegeneticlocicontrollingleafsenescenceinArabidopsisthaliana[J].ThePlantJournal, 1997, 12(3): 527-535.

[27]LuQT,LuCM,ZhangJH,KuangTY.Photosynthesisandchlorophyllafluorescenceduringflagleafsenescenceoffield-grownwheatplants[J].JournalofPlantPhysiology, 2002, 159(11): 1173-1178.

[28]BednarzCW,OosterhuisDM,EvansRD.Leafphotosynthesisandcarbonisotopediscriminationofcottoninresponsetopotassiumdeficiency[J].EnvironmentalandExperimentalBotany, 1998, 39(2): 131-139.

[29]李向東, 王曉云, 余松烈, 等．花生葉片衰老過(guò)程中光合性能及細(xì)胞微結(jié)構(gòu)變化[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2002, 35(4): 384-389．

LiXD,WangXY,YuSL, et al.Thechangesofphotosyntheticpropertiesandcellmicrostructureinpeanutleavesduringleafsenescence[J].ScientiaAgriculturaSinica, 2002, 35(4): 384-389.

[30]鄭炳松, 程曉建, 蔣德安, 翁曉燕．鉀元素對(duì)光合速率、Rub-

isco和RCA的影響[J]．浙江林學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 19(1): 104-108．

ZhengBS,ChenXJ,JiangDA,WengXY.EffectsofpotassiumonRubisco,RCAandphotosyntheticrateofplant[J].JournalZhejiangForestryCollege, 2002, 19(1): 104-108.

Mainfactorsandmechanismleadingtothedecreaseofphotosyntheticefficiencyofoilseedrapeexposuretopotassiumdeficiency

LUZhi-feng,RENTao,LUJian-wei*,LIXiao-kun,CONGRi-huan,PANYong-hui,LIKai-xu

[College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtse River), Ministry of Agriculture, Wuhan 430070, China]

【Objectives】Potassium(K)isessentialforoilseedrape(Brassica napusL.),insufficientsupplywilldeclinetheleafphotosyntheticcapacity,aswellasseedyield.Thepresentstudywasconductedtocomparetheresponseofdifferentleaves(namelylong-stalkleaf,short-stalkleafandno-stalkleaf)toKdeficiencyatstemelongationstageunderfieldconditions.Additionally,weattemptedtofindoutthedominantlimitationsandrevealtheunderlyingmechanismsduetoKdeficiencywhichrestrainedtheleafphotosynthesis,andtoprovidetheoreticalbasisforthereasonableapplicationofpotashfertilizeronthepurposeofimprovingseedyield. 【Methods】AfieldexperimentwithnoKsupply(-K)andnormalKsupply(+K)wasconductedusingtworapeseedcultivars(HuayouzaNo.9andZhongshuangNo.9).Theplantdrymatterbiomass,leafdrymattercontent,leafarea,leafKconcentrationandchlorophyllcontentwereconcurrentlydetermined.Theleafgasexchangeparameters,includingnetphotosynthesis(Pn)andstomatalconductance(gs),andleafchlorophyllfluorescenceparameters,includingmaximumquantumyieldofPSⅡ(Fv/Fm)andeffectivequantumefficiencyofPSⅡ (ΦPSⅡ),thechangesofCiandstomatallimitations(Ls)weredetected.【Results】1)Potassiumdeficiencyleadedtoasignificantreductionofseedyield,inHuayouzaNo.9thedecreasewas13.9%andinZhongshuangNo.9was27.2%. 2)ThegrowthofZhongshuangNo.9wassignificantlysuppressedunderinsufficientpotassiumsupply,with12.4%and19.2%decreasesofplantdrymattercontentandleafdrymattercontentinlong-stalkleaf,respectively,whilethoseinHuayouzaNo.9wereunaffected. 3)Potassiumdeficiencymainlyaffectedthephotosyntheticphysiologicalcharacteristicsoflong-stalkleaf,butnotonthoseofshortandno-stalkleaves.UnderKdeficient,theKcontent,chlorophyllcontentandPnoflong-stalkleafweresharplydeclined.ThedominantfactorsinvolvedinPndeclineweredifferentbetweenthetwocultivars.PotassiumdeficiencyledtosharplydeclineofCibut16.6%increaseinLsinHuayouzaNo.9,indicatingthatPnwasprimarilyaffectedbystomatallimitations.Conversely,KdeficiencyledtothedramaticincreaseinCiand14.0%ofdecreaseinLsinZhongshuangNo.9,whichsuggestedthatPnwasprimarilylimitedbynon-stomatallimitations. 4)Moreover,KdeficiencycausedsharpdeclineintheleafFv/Fm,ΦPSⅡ, qPandETRofZhongshuangNo.9,butnotinthoseofHuayouzaNo.9,indicatingthatthePSⅡreactioncenterwassufferedofdamage.Meanwhile,theobviousincrementofNPQhintedthatnon-stomatallimitationsinducedthedeclineofPn. 【Conclusions】Thedeclineofphotosyntheticefficiencyinthelong-stalkleafofrapseedisexacerbatedunderKdeficiency,whichresultesinthedecreaseofseedyield.TheZhongshuangNo.9wasmoresensitivetoK-starvationthanHuayouzaNo.9,whichisassociatedwithitstolerancetoKdeficiency.

rapeseed;leaf;stemelongationstage;potassiumdefficiency;gasexchange;chlorophyllfluorescence

2014-08-28接受日期: 2015-02-04網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-02

國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-13); 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203013); 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生創(chuàng)新研究工程項(xiàng)目(2014bs17)資助。

陸志峰(1989—)，男，浙江衢州人，博士研究生，主要從事現(xiàn)代施肥技術(shù)研究。E-mail:luzhifeng@webmail.hzau.edu.cn

E-mail:lunm@mail.hzau.edu.cn

S565.4;Q945.11

A

1008-505X(2016)01-0122-10