高溫脅迫下鎂對小麥旗葉光合特性及產(chǎn)量的影響

邵宇航，石祖梁，張 姍，賈 濤，王 飛，戴廷波

(1.南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，江蘇南京 210095；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站，北京 100125；3.農(nóng)業(yè)部資源循環(huán)利用技術與模式重點實驗室，北京 100024)

小麥是我國主要的糧食作物之一，其產(chǎn)量的高低直接關系到國民經(jīng)濟的發(fā)展。小麥籽粒灌漿的適宜溫度為20～24 ℃，最高溫度為30～32 ℃。在我國黃淮冬麥區(qū)和長江中下游麥區(qū)，小麥籽粒灌漿常被超過30℃短時高溫所中斷，導致小麥高溫逼熟[1]。研究表明，高溫會破壞小麥植株葉片葉綠體結構及原生蛋白質(zhì), 從而影響光合產(chǎn)物的積累與運輸[2-4]，特別是灌漿期高溫可導致小麥減產(chǎn)10%～20%[5-7]。灌漿期高溫脅迫能減少小麥籽粒中淀粉和蛋白質(zhì)的積累，降低千粒重和籽粒產(chǎn)量[8]。

葉片保持較高的葉綠素含量、光合速率、實際量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ)和最大光化學效率(Fv/Fm)是小麥獲得高產(chǎn)的重要保證，特別是生育后期功能葉片光合產(chǎn)物對籽粒產(chǎn)量的貢獻率可達80%以上[9]。因此，維持灌漿期旗葉光合作用對獲得作物高產(chǎn)具有重要價值。鎂是作物生長發(fā)育所必需的第四大必需營養(yǎng)元素，是葉綠素的重要組成部分，對植物體的光合作用、氮素吸收、碳水化合物的合成與轉(zhuǎn)運、蛋白質(zhì)合成、脂肪代謝、活性氧代謝、根系活力、抗逆性等方面均有重要影響[10-11]。鎂素施用能提高作物產(chǎn)量[12]，并且能夠有效減弱小麥、玉米等作物苗期的高溫傷害[13-14]。但關于鎂素供應對作物葉片光合功能和產(chǎn)量的調(diào)節(jié)作用以及對高溫脅迫的緩解效應卻鮮見報道。本研究擬分析小麥花后高溫脅迫下鎂素施用對小麥產(chǎn)量、旗葉光合色素含量、光合特性和熒光特性的影響，以期為小麥生產(chǎn)中緩解高溫逼熟及鎂素的施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗采用盆栽方法，于2014-2015年度在南京農(nóng)業(yè)大學牌樓試驗基地進行，小麥灌漿期利用人工氣候室進行不同階段的高溫處理。盆栽用土取自南京農(nóng)業(yè)大學實驗農(nóng)場0～20 cm 表層土，土壤類型為黃棕壤。土壤中含有機質(zhì)11.78 g·kg-1、全氮0.87 g·kg-1、速效磷(P2O5)19.25 mg·kg-1、速效鉀(K2O)81.37 mg·kg-1和速效鎂116.4 mg·kg-1。盆栽容器采用底部帶小孔的聚乙烯塑料桶，高30 cm，直徑25 cm。每盆裝過篩風干土7.5 kg，每桶施純N 1.65 g、P2O50.825 g、K2O 0.825 g，相當于大田每公頃施純N 300 kg、P2O5150 kg、K2O 150 kg?；蔬x用復合肥(N∶P∶K=15%∶15%∶15%)，每桶施5.5 g，按照氮素基追比5∶3∶2在拔節(jié)期和孕穗期追施尿素。供試品種為揚麥16，于2014年11月8日播種，每盆播18粒，在三葉一心時，間苗至每盆8株。

在孕穗期將MgSO4·7H2O施到土壤中，施用量設每公頃0 kg(Mg0)和20 kg(Mg20)兩個水平。通過人工氣候室進行花后14～20 d(T1)和花后21～27 d(T2)高溫脅迫，晝夜溫度分別為32和22 ℃；以自然條件為對照(T0)，晝夜溫度分別為26和16 ℃。氣候室相對濕度均為65%。試驗共6個處理，每個處理10個重復。高溫處理結束后將盆栽移入自然條件下生長至成熟。

1.2 田間取樣及測定指標與方法

葉片光合色素含量測定：開花期選擇同一天開花、大小均勻的穗子掛牌標記，從開花至花后28 d，每隔7 d取一次樣，每次取24片旗葉，液氮速凍2 h后放入-40 ℃冰箱保存, 鮮樣用丙酮∶乙醇=1∶1方法提取葉綠素，用分光光度法測定葉綠素含量。

光合參數(shù)測定：每次取樣期每處理選取生長一致的6個單莖，用Li-6400便攜式光合儀(美國LI-COR公司)測定旗葉的光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

葉綠素熒光動力學參數(shù)測定：葉綠素熒光動力學參數(shù)與光合作用測定同步進行，采用 FMS-2型便攜脈沖調(diào)制式熒光儀(英國Hansatech公司)，測定前暗處理 15～20 min，計算PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和實際光化學效率(ΦPSⅡ)。

籽粒產(chǎn)量測定：成熟期每個處理選取3盆用于測定產(chǎn)量及其構成因素。

1.3 統(tǒng)計分析與繪圖

用Microsoft Excel 2007 和SigmaPlot 10.0 處理數(shù)據(jù)和作圖，用SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉光合色素的影響

隨生育進程的推進，小麥旗葉葉綠素a、葉綠素b含量均呈先升后降的趨勢，花后7 d達到最高值(表1)。高溫脅迫顯著降低了葉綠素含量?；ê?7 d，在Mg20條件下，T1、T2處理的葉綠素a含量較T0處理分別降低了18.4%和36.4%，葉綠素b含量分別降低了29.7%和45.3%，葉綠素a+b含量分別降低了24.4%和41.1%；在Mg0條件下，T1、T2處理的葉綠素a含量則較T0處理分別降低了4.3%和38.8%，葉綠素b含量降低了8.7%和42.6%，葉綠素a+b含量分別降低了6.5%、40.7%。

相同溫度條件下，花后0～27 d，施鎂后葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量分別提高了8.1%～28.7%、14.9%～51.1%和14.5%～31.7%，表明增施鎂肥可以有效緩解高溫脅迫對小麥旗葉葉綠素含量的影響。

葉綠素a/b值隨生育進程的推進和鎂素施用量的增加而下降，高溫脅迫提高了葉綠素a/b值，且花后21～27 d高溫脅迫效應高于花后14～20 d 高溫脅迫，但差異不顯著，說明不同時段的高溫脅迫對捕光色素中葉綠素 a 的降低效應均大于葉綠素b。

2.2 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉光合參數(shù)的影響

隨生育進程的推進，不同處理小麥旗葉凈光合速率(Pn)呈逐漸下降的趨勢，花后21 d和27 d，相同施鎂量下旗葉Pn均表現(xiàn)為T0>T1>T2(表2)，表明花后21～27 d高溫脅迫對旗葉Pn影響較大；施鎂能提高小麥旗葉Pn，花后0～14 d，Mg20處理的旗葉Pn較Mg0處理提高了4.3%～4.6%，花后21 d和27 d則分別提高了28.7%和16.6%。

旗葉胞間CO2濃度(Ci)則與Pn呈相反的趨勢，隨生育進程的推進而逐漸升高。相同施鎂量下，花后21 d和27 d旗葉Ci均表現(xiàn)為T0

表1 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉光合色素的影響Table 1 Effect of magnesium application on photosynthetic pigments in flag leaf of winter wheat under heat stress

旗葉氣孔導度(Gs)與蒸騰速率(Tr)變化趨勢與Pn相似，高溫脅迫顯著降低旗葉的Gs和Tr，不同溫度處理表現(xiàn)為T0

表2 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉Pn、Ci、Gs和Tr的影響Table 2 Effects of magnesium application on Pn, Ci, Gs and Tr in flag leaf of winter wheat under heat stress

表3 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉熒光特性的影響Table 3 Effects of magnesium application on chlorophyll fluorescence parameters in flag leaf of winter wheat under heat stress

2.3 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉熒光特性的影響

由表3可以看出，隨生育進程的推進，小麥旗葉PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、實際光化學效率(ΦPSⅡ)均呈逐漸降低的趨勢，高溫脅迫和施鎂對旗葉Fv/Fm和ΦPSⅡ均有不同程度的影響。相同施鎂量下，高溫脅迫降低了旗葉Fv/Fm和ΦPSⅡ值，花后27 d處理間差異顯著，表現(xiàn)為T0>T1>T2，表明花后不同時段特別是21～27 d高溫脅迫使小麥葉片發(fā)生了光抑制或PSⅡ復合體受到損害。相同溫度處理下，鎂素施用均能提高旗葉的Fv/Fm和ΦPSⅡ值，花后0～27 d，Mg20處理下Fv/Fm和ΦPSⅡ值較Mg0處理分別提高了0.1%～5.4%和2.9～9.5%，表明高溫脅迫下鎂素施用能夠?qū)夂蠙C構起一定的保護作用。

2.4 高溫脅迫下鎂對小麥產(chǎn)量的影響

由表4可知，相同施鎂量下，小麥有效穗數(shù)和穗粒數(shù)在處理間差異不顯著，而千粒重和籽粒產(chǎn)量均表現(xiàn)為T0> T1> T2，表明花后21～27 d高溫脅迫會顯著降低千粒重，從而影響小麥產(chǎn)量的形成。Mg20條件下，T1、T2處理千粒重較T0處理分別下降9.3%和11.3%，產(chǎn)量分別下降11.6%和22.1%；Mg0條件下，T1、T2處理千粒重較T0處理分別下降12.5%和13.3%，產(chǎn)量分別下降20.8%和26.2%。施鎂能顯著增加小麥穗粒數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量，Mg20下T0、T1、T2處理產(chǎn)量較Mg0分別提高了6.4%、3.6%和8.7%。

表4 高溫脅迫下鎂對小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響Table 4 Effect of magnesium application on grain yield and yield components of winter wheat under heat stress

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different small letters in the same column meant significant difference among treatments at 0.05 level.

3 討 論

高溫是一種嚴重的非生物脅迫因素，影響植物生長發(fā)育中各種生理和生化變化[15]。Rane等[16]認為，在灌漿期間大于30 ℃的高溫是小麥生產(chǎn)力提高的主要限制因子?；ê?0～22 d，小麥籽粒胚乳細胞數(shù)已經(jīng)決定，正是灌漿高峰期，此時高溫對粒重影響最大[17]。敬海霞等[8]認為，花后20 d高溫脅迫對小麥產(chǎn)量的影響大于花后10 d；劉 萍等[18]研究發(fā)現(xiàn)，花后25～27 d高溫脅迫對小麥籽粒淀粉積累的影響最大；但楊 絢等[19]研究得出，灌漿期前期比后期對高溫更敏感。本研究結果表明，高溫脅迫下小麥籽粒產(chǎn)量明顯降低，花后21～27 d高溫處理較花后14～20 d 顯著降低小麥產(chǎn)量，這可能是由于花后21～27 d 正處于籽粒灌漿的關鍵時期，此時的高溫脅迫嚴重削弱了植株的光合能力，最終影響小麥產(chǎn)量。鎂是植物生長的必需營養(yǎng)元素。近年來，隨著N、P、K 化肥用量的增加和有機肥用量的減少，作物缺鎂現(xiàn)象逐漸成為限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的一個重要因素[20-21]。已有研究表明，充足的鎂素供應對于高溫逆境下作物生長具有顯著的緩解作用，鎂供應能有效提高高溫脅迫下小麥粒重[12-14]。本研究也表明，高溫脅迫下鎂素施用通過提高小麥穗粒數(shù)和千粒重來提高籽粒產(chǎn)量。

高溫顯著提高Chlase活性，加劇植物葉片葉綠素降解速率，加速植株衰老[22]。鎂是葉綠素的重要組成成分，充足的鎂供應可以延遲葉片葉綠素的降解，繼而延長葉片的功能期[23]，而鎂素不足則會導致葉綠素合成受阻[24]。本研究表明，高溫脅迫下小麥旗葉葉綠素含量顯著下降，施鎂能提高旗葉葉綠素含量，因此高溫脅迫下鎂素施用能夠有效延緩葉片衰老，延長葉片功能期。

大量研究顯示，高溫可直接損傷植物光合器官，使小麥后期旗葉光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)降低，胞間CO2濃度增大[25-27]。本研究與前人研究結果一致，花后21～27 d的高溫脅迫下小麥旗葉凈光合速率最低，這可能源于T2處理的光能轉(zhuǎn)化率低，也可能是T2處理過多的光能損害了旗葉的光合能力。通過相關性分析，花后27 d小麥旗葉的葉綠素、凈光合速率和熒光參數(shù)對成熟期小麥產(chǎn)量和千粒重表現(xiàn)出極顯著影響，對穗粒數(shù)影響不顯著(文中未列出結果)。所以花后21～27 d高溫脅迫下葉綠素含量、光合和熒光指標的降低是影響小麥產(chǎn)量的重要原因。鎂可對光合暗反應的關鍵酶起到活化作用，能促進CO2的固定，鎂參與光合產(chǎn)物長距離運輸，光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運反饋暗反應，促進碳同化，增強植株光合能力[28，33]。本試驗結果也表明，高溫脅迫下施鎂降低了旗葉胞間CO2濃度，提高小麥旗葉的Pn、Gs和Tr，這有助于植株快速降低體溫，進而緩解高溫脅迫的傷害。

Fv/Fm是反映植物PSII 光化學效率的指標，光化學效率的高低直接決定葉片的光合速率，代表光合機構把吸收的光能用于化學反應的最大效率，常被用來表示環(huán)境脅迫的程度[29]。國內(nèi)外研究表明，高溫脅迫會導致作物葉片F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ降低[27,30]，引起葉片光合速率下降[31]。本試驗結果與前人一致，說明高溫脅迫下光能過剩，會導致光抑制或PSⅡ復合體受到損害。鎂是植物光合作用中的重要元素，在光合作用的原初反應、電子傳遞和光合磷酸化中都起到重要作用，并可以促進類囊體堆疊，充足的鎂供應能保證光反應能量傳遞的高效性[32]。本試驗結果表明，高溫脅迫下鎂能提高小麥旗葉Fv/Fm和ΦPSⅡ，這與朱立保等[23]研究結果一致，說明高溫脅迫下施鎂能提高小麥光合電子傳遞速率，促進光能參與光化學反應并提高光能轉(zhuǎn)化率，從而使葉片保持較高光合速率，這可能是高溫脅迫下施鎂提高小麥籽粒產(chǎn)量的重要原因之一。