干旱脅迫對(duì)蠟質(zhì)含量不同小麥近等基因系光合特性的影響

楊彥會(huì)，馬曉,，張子山，郭軍，李月楠，梁英，宋健民，趙世杰

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干旱脅迫對(duì)蠟質(zhì)含量不同小麥近等基因系光合特性的影響

楊彥會(huì)1，馬曉1,2，張子山1，郭軍2，李月楠1，梁英1，宋健民2，趙世杰1

（1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；2山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，濟(jì)南 250100）

【目的】探討葉片蠟質(zhì)含量對(duì)干旱脅迫下小麥光合特性的影響?！痉椒ā勘狙芯恳砸粚?duì)小麥近等基因系多蠟質(zhì)品系JM205和少蠟質(zhì)品系JM204為試驗(yàn)材料，將二者種植在同一盆中，在人工氣候室采用逐漸干旱的方式模擬田間干旱過(guò)程中的土壤水分變化。隨著干旱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤相對(duì)含水量逐漸降低，同步測(cè)定了不同土壤相對(duì)含水量下小麥旗葉的水勢(shì)、光合氣體交換參數(shù)及熒光參數(shù)。【結(jié)果】輕度干旱脅迫（土壤相對(duì)含水量在60%—49%）下，多蠟質(zhì)品系JM205與少蠟質(zhì)品系JM204旗葉的光合速率（n）無(wú)顯著差異，隨著干旱程度的加重，多蠟和少蠟質(zhì)品系的光合速率都逐漸降低，但少蠟質(zhì)品系JM204下降幅度更大。在中度干旱脅迫（土壤相對(duì)含水量在49%—32%）下，多蠟質(zhì)品系比少蠟質(zhì)品系具有較高的水勢(shì)和較大的氣孔開(kāi)度，因此CO2供應(yīng)充足，光合速率更高；少蠟質(zhì)品系的PSII實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）和最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）較多蠟質(zhì)品系下降更快，說(shuō)明少蠟質(zhì)品系PSII電子傳遞受阻情況和光抑制比多蠟質(zhì)品系更嚴(yán)重；快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線參數(shù)分析（JIP-test）發(fā)現(xiàn)PSII電子傳遞受阻主要是因?yàn)槭荏w側(cè)QA到QB電子傳遞限制。在重度干旱脅迫（土壤相對(duì)含水量下降到32%以下）時(shí)，多蠟質(zhì)與少蠟質(zhì)品系的水勢(shì)和光合能力都大幅下降且二者間沒(méi)有明顯差異?！窘Y(jié)論】本研究表明，多蠟質(zhì)品系JM205在中度干旱脅迫（土壤相對(duì)含水量49%—32%范圍）下具有較高的光合優(yōu)勢(shì)；本研究為小麥抗旱性選育與利用提供了理論依據(jù)，并對(duì)進(jìn)一步的研究提供了建議。

小麥；近等基因系；干旱脅迫；蠟質(zhì)；光合特性

0 引言

【研究意義】小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植最廣泛的作物之一，占谷物面積的30%，全球35%—40%的人口以小麥為主食[1-2]。在我國(guó)，冬小麥生長(zhǎng)季節(jié)正值降水稀少的時(shí)期，干旱災(zāi)害頻發(fā)，干旱脅迫對(duì)小麥的產(chǎn)量影響巨大[3]。研究小麥應(yīng)對(duì)干旱脅迫的機(jī)制，對(duì)小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】光合作用是作物產(chǎn)量的重要決定因素之一，也是綠色植物對(duì)環(huán)境最敏感的代謝途徑之一。植物光合作用受到干旱脅迫的影響，主要表現(xiàn)在凈光合速率（n）、蒸騰速率（）、細(xì)胞間CO2濃度（i）、氣孔導(dǎo)度（s）、水分利用效率（WUE）等方面[4]。不同的植物在受到干旱脅迫時(shí)光合速率都會(huì)有不同程度的降低，隨著干旱脅迫程度的加重或者干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，植物光合速率下降的幅度越來(lái)越大。史玉煒等[5]認(rèn)為植物生長(zhǎng)及代謝的變化也會(huì)對(duì)其光合速率產(chǎn)生影響，在相同的干旱脅迫條件下，不同的植物或者同一植物的不同品種對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)也是不同的。研究表明，嚴(yán)重干旱可以導(dǎo)致植物葉綠體光合機(jī)構(gòu)的破壞，PSII放氧復(fù)合體（OEC）的損傷[6]，產(chǎn)生光抑制，直接影響光合作用的電子傳遞和CO2的同化過(guò)程[7]。葉片表皮的角質(zhì)層具有減少水分散失的生理作用，它能夠延遲干旱期間的細(xì)胞脫水，被認(rèn)為是抵御干旱的重要組織[8-10]。植物角質(zhì)層是表皮最外層的部分，由角質(zhì)和蠟質(zhì)組成。表皮蠟質(zhì)可以分成最外層的蠟質(zhì)晶體層和鑲嵌于角質(zhì)層中的內(nèi)層蠟質(zhì)。不同植物或同種植物不同器官的表皮蠟質(zhì)常存在不同類(lèi)型的晶體結(jié)構(gòu)，如面包屑狀、片狀、柱狀、管狀等。這些不同的蠟質(zhì)晶體形態(tài)是由不同的蠟質(zhì)化學(xué)組分形成的。片狀蠟層主要含有較多的伯醇或大量的三萜類(lèi)成分，管狀蠟質(zhì)主要含有多種β-二酮、仲醇和二醇[11]。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中，蠟質(zhì)晶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)隨成分的變化而轉(zhuǎn)變，而表皮蠟質(zhì)的成分和含量又與生長(zhǎng)發(fā)育和環(huán)境條件密切相關(guān)[12-13]。已有研究表明蠟質(zhì)對(duì)于植物抗旱具有重要作用[14-15]，Yang等[16]發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中葉片蠟質(zhì)含量與抗旱能力呈正相關(guān)。Vogg等[17]研究發(fā)現(xiàn)，番茄表面蠟質(zhì)具有蒸騰屏障的作用。過(guò)去關(guān)于蠟質(zhì)的研究大多集中在模式植物上，針對(duì)蠟質(zhì)對(duì)小麥抗旱性影響的研究較少，而且研究主要采用蠟質(zhì)含量存在明顯差異的不同品種[18-19]，無(wú)法避免遺傳背景對(duì)研究結(jié)果的影響。前期試驗(yàn)中我們獲得了蠟質(zhì)含量不同的小麥近等基因系，近等基因系是指除了某一兩個(gè)基因外其他基因都相同的兩個(gè)遺傳材料，通常是經(jīng)過(guò)飽和回交形成的除了目標(biāo)性狀有差異，其他遺傳背景完全相同的兩個(gè)遺傳材料（品系）[20]，這為我們研究蠟質(zhì)對(duì)小麥干旱抗性的影響提供了材料基礎(chǔ)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前期研究表明，多蠟質(zhì)小麥品系對(duì)干旱脅迫的抗性明顯高于少蠟質(zhì)品系[21]。但前期研究?jī)H采用單一干旱脅迫條件，不能探究多蠟質(zhì)小麥品系抵御干旱脅迫的能力范圍，且其抗旱機(jī)理尚不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以蠟質(zhì)含量不同的2個(gè)小麥近等基因系多蠟質(zhì)品系JM205和少蠟質(zhì)品系JM204為材料，在人工氣候室通過(guò)逐漸干旱的方法模擬田間干旱脅迫的過(guò)程，研究不同干旱脅迫程度對(duì)蠟質(zhì)含量不同小麥葉片水勢(shì)及光合性能的影響，為生產(chǎn)中抗旱小麥品種的選擇，以及抗旱小麥品種育種提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2016年10月至2017年3月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工氣候室進(jìn)行。

1.1 材料種植

試驗(yàn)材料為藁城9411（母本）和ATHLET（父本）雜交選育出的F6代姊妹株系中蠟質(zhì)含量不同的一對(duì)小麥近等基因系：多蠟品系JM205和少蠟品系JM204（圖1-A），通過(guò)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)JM205葉片表面有較多的蠟質(zhì)（圖1-B），而JM204表面蠟質(zhì)較少（圖1-C）。前期試驗(yàn)結(jié)果表明，多蠟質(zhì)小麥品系旗葉蠟質(zhì)含量（平均7.05 mg·g-1）顯著高于少蠟質(zhì)品系（平均為3.38mg·g-1）[21]。2016年10月取飽滿的種子育苗后，移栽到直徑為32 cm的盆中，土壤為田間土壤與蛭石的混合物，3﹕2的體積比例混合。每盆種植多蠟質(zhì)品系JM205和少蠟質(zhì)品系JM204各2株，共12盆，在室外自然環(huán)境下，經(jīng)過(guò)低溫春化后于2016年12月轉(zhuǎn)移到人工氣候室進(jìn)行培養(yǎng)。人工氣候室日間（12 h）溫度26℃，光照強(qiáng)度約800 μmol·m-2·s-1，夜間（12 h）溫度17℃。水肥充足培養(yǎng)至開(kāi)花期。

圖1 兩個(gè)小麥品系的照片（A）以及掃描電鏡圖片（B，C）

1.2 干旱處理及土壤相對(duì)含水量的測(cè)定

開(kāi)花4 d后選取小麥植株長(zhǎng)勢(shì)良好的6盆，其中3盆正常澆水，作為對(duì)照，每天傍晚稱(chēng)重并澆水，使其重量維持不變；其余3盆在傍晚充分澆水至水從盆底流出，第二天上午8：30稱(chēng)盆重，此時(shí)重量為土壤飽和重量。從此不再澆水，使其逐漸干旱直至試驗(yàn)結(jié)束，在此過(guò)程中每天上午8：30稱(chēng)盆重，此時(shí)重量為土壤重量，試驗(yàn)結(jié)束后將植株和土壤烘干并稱(chēng)重，即為土壤干重。土壤相對(duì)濕度=（土壤重量-土壤干重）/（土壤飽和重量-土壤干重）[22]。根據(jù)土壤相對(duì)濕度（R）的干旱等級(jí)[23]指標(biāo)，可以分為60%＜R為無(wú)旱，50%＜R≤60%為輕度干旱，40%＜R≤50%為中度干旱，30%＜R≤40%為重度干旱，R≤30%為嚴(yán)重干旱。

1.3 旗葉水勢(shì)的測(cè)定

葉片水勢(shì)的測(cè)定采用露點(diǎn)水勢(shì)儀（PSYPRO，美國(guó)WESCOR公司）測(cè)定，操作方法參照露點(diǎn)水勢(shì)儀使用說(shuō)明書(shū)，于每天上午9：00測(cè)定旗葉水勢(shì)。用直徑0.6 cm的打孔器打取葉圓片，將葉圓片放入C-52樣品室密封，平衡30 min以上，干旱處理的植株葉片平衡1—2 h，然后將樣品室連接到露點(diǎn)水勢(shì)儀主機(jī)上測(cè)定葉片水勢(shì)。

1.4 旗葉氣體交換參數(shù)的測(cè)定

利用CIRAS-3光合作用測(cè)定系統(tǒng)（PP Systems，美國(guó)），在每天上午9：30至下午14：00分別測(cè)定旗葉的光合氣體交換參數(shù)。用內(nèi)置LED光源照光，光強(qiáng)為1 200 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1，采用大氣濕度和溫度，儀器自動(dòng)記錄葉片凈光合速率（n）、氣孔導(dǎo)度（s）、胞間CO2濃度（i）、蒸騰速率（E）等參數(shù)。處理和對(duì)照植株各測(cè)定10次重復(fù)。

1.5 旗葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

利用FMS-2脈沖調(diào)制式熒光儀（Hansatech，英國(guó)）測(cè)定Fo、Fm、Fm′、Fs等熒光參數(shù)。葉片在生長(zhǎng)光（約800 μmol·m-2·s-1）下進(jìn)行光適應(yīng)后，再用熒光儀內(nèi)置光源（1 200 μmol·m-2·s-1）對(duì)葉片照射300 s，測(cè)定光適應(yīng)條件下的穩(wěn)態(tài)熒光Fs，再打飽和脈沖光（6 000 μmol·m-2·s-1），測(cè)定光適應(yīng)下最大熒光Fm′，然后對(duì)葉片進(jìn)行暗適應(yīng)30 min，測(cè)定葉片的暗適應(yīng)下的最小熒光Fo和暗適應(yīng)下的最大熒光Fm。按照如下公式計(jì)算熒光參數(shù)：

PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSⅡ=（Fm′-Fs）/Fm′

PSⅡ的最大光化學(xué)效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm

用Handy-PEA植物效率儀（Hansatech，英國(guó)）測(cè)定小麥旗葉的快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線（OJIP曲線），測(cè)定前將葉片暗適應(yīng)30 min。OJIP曲線由3 000 μmol·m-2·s-1的紅光誘導(dǎo)，測(cè)定時(shí)間為2 s，記錄的初始速率為每秒鐘105個(gè)數(shù)據(jù)。按照Z(yǔ)hang[24]和Strasser[25]方法，將OJIP曲線進(jìn)行O-P點(diǎn)和O-J點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化。O點(diǎn)是10 μs，K點(diǎn)是30 μs，J點(diǎn)是2 ms，P點(diǎn)是熒光最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

O-P點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化VO-P=（Ft-Fo）/（Fm-Fo）

O-J點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化VO-J=（Ft-Fo）/（FJ-Fo）

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

利用Sigmaplot 12.0軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，并利用PhotoShop CS 6.0軟件對(duì)相關(guān)圖片進(jìn)行處理。

2 結(jié)果

2.1 不同程度干旱脅迫下土壤含水量和小麥葉片水勢(shì)的變化

在充分灌溉情況下，土壤相對(duì)含水量保持穩(wěn)定，一直維持在72%左右。干旱處理后，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤相對(duì)含水量逐漸降低，第3天降到49%，為中度干旱程度，第6天降到26%左右，達(dá)到嚴(yán)重干旱程度（圖2-A）。

植物葉片水勢(shì)是植物水分狀況最直接的表現(xiàn)。在正常澆水的條件下，多蠟質(zhì)品系JM205和少蠟質(zhì)品系JM204旗葉水勢(shì)差異不顯著（圖2-B）。隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，多蠟質(zhì)品系和少蠟質(zhì)品系的旗葉水勢(shì)逐漸下降，但是少蠟品系下降更明顯。特別是在處理第3天到第5天，土壤相對(duì)含水量在49%—32%時(shí)，多蠟品系JM205和少蠟質(zhì)品系JM204旗葉水勢(shì)差異顯著，如第5天，當(dāng)土壤相對(duì)含水量降至32%時(shí)，多蠟品系JM205旗葉水勢(shì)為-1.42 MPa，而少蠟品系旗JM204葉水勢(shì)降至-1.845 MPa。當(dāng)土壤相對(duì)含水量進(jìn)一步下降到26%時(shí)，2個(gè)品系旗葉水勢(shì)均大幅度下降，葉片失水嚴(yán)重，出現(xiàn)萎焉，葉片功能受損。

圖2 干旱過(guò)程中土壤相對(duì)含水量的變化（A），不同干旱程度對(duì)小麥葉片水勢(shì)（B）的影響

2.2 不同干旱脅迫程度對(duì)光合氣體交換參數(shù)的影響

從圖3可見(jiàn)，當(dāng)土壤相對(duì)含水量高于49%時(shí)，多蠟質(zhì)品系JM205與少蠟質(zhì)品系JM204旗葉的光合速率（n）無(wú)顯著差異，隨著干旱程度的加重，多蠟質(zhì)和少蠟質(zhì)品系的光合速率都逐漸降低，但少蠟質(zhì)品系JM204下降幅度更大，如土壤相對(duì)含水量下降到32%時(shí)，少蠟品系n下降了37%，而多蠟品系僅下降了15%，少蠟質(zhì)品系下降的幅度顯著大于多蠟質(zhì)品系。蒸騰速率（）和胞間CO2濃度（i）變化趨勢(shì)與光合速率類(lèi)似；氣孔導(dǎo)度（s）的變化趨勢(shì)略有差異，當(dāng)土壤含水量高于50%時(shí)，少蠟質(zhì)品系JM204的氣孔導(dǎo)度高于多蠟質(zhì)品系，隨著干旱程度加重，少蠟質(zhì)品系和多蠟質(zhì)品系都逐漸降低，但少蠟質(zhì)品系下降的更快并逐漸低于多蠟質(zhì)品系JM205。當(dāng)土壤含水量為32%時(shí)，各氣體交換參數(shù)差異最顯著。隨著干旱程度繼續(xù)加重，各參數(shù)急劇下降，當(dāng)土壤相對(duì)含水量下降至28%左右時(shí)，所有氣體參數(shù)都降低得很小，不同品系之間無(wú)顯著性差異。在整個(gè)試驗(yàn)期間，始終保持充足澆水的對(duì)照組植株，無(wú)論是多蠟質(zhì)品系JM205還是少蠟質(zhì)品系JM204，其光合氣體交換參數(shù)都基本保持穩(wěn)定。

2.3 不同程度干旱脅迫對(duì)Fv/Fm和ФPSII的影響

在干旱條件下，隨著干旱程度的增加，多蠟質(zhì)品系JM205與少蠟質(zhì)品系JM204的Fv/Fm的變化趨勢(shì)基本相同（圖4）。在土壤相對(duì)含水量下降初期，無(wú)明顯變化，隨著土壤相對(duì)含水量繼續(xù)下降，最大光化學(xué)效率快速降低，少蠟質(zhì)品系下降出現(xiàn)早、下降速度更快，在土壤含水量約為49%時(shí)，少蠟質(zhì)品系開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而多蠟質(zhì)品系在土壤相對(duì)含水量約32%時(shí)才開(kāi)始下降。這表明，在相同干旱脅迫條件下多蠟質(zhì)品系葉片的PSII光抑制較輕。

圖3 充足澆水（CK）與不同程度干旱脅迫（D）對(duì)蠟質(zhì)含量不同小麥近等基因系（JM204，JM205）氣體交換參數(shù)的影響

圖4 充足澆水（CK）與不同程度干旱脅迫（D）對(duì)蠟質(zhì)含量不同小麥近等基因系（JM204，JM205）旗葉Fv/Fm和ΦPSII 的影響

隨著土壤相對(duì)含水量的減少，多蠟質(zhì)品系JM205和少蠟質(zhì)品系JM204的PSII實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSII）都逐漸降低，但是少蠟質(zhì)品系JM204降低的幅度更大，當(dāng)土壤相對(duì)含水量低于49%的時(shí)候，少蠟質(zhì)品系JM204與多蠟質(zhì)品系JM205相比差異顯著，隨著土壤相對(duì)含水量繼續(xù)下降，二者大幅度下降，表明不同程度干旱條件下多蠟質(zhì)品系葉片的PSII電子傳遞更通暢。

在整個(gè)試驗(yàn)期間，始終保持充足澆水的對(duì)照組植株，無(wú)論是多蠟質(zhì)品系JM205還是少蠟質(zhì)品系JM204，其Fv/Fm和ΦPSII都基本保持穩(wěn)定。

2.4 不同程度干旱脅迫對(duì)快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的影響

為了進(jìn)一步研究葉片蠟質(zhì)是如何緩解PSII光抑制發(fā)生的，試驗(yàn)測(cè)定了不同干旱程度下旗葉的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線（圖5—6）。

快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線中蘊(yùn)含著PSII原初光化學(xué)反應(yīng)的豐富信息，被廣泛應(yīng)用于PSII活性研究[26-28]。2 ms的J點(diǎn)被認(rèn)為反映了PSII受體側(cè)QA向QB的電子傳遞，J點(diǎn)增加反映了QA向QB的電子傳遞受阻。在進(jìn)行O-P點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的VO-P曲線中，多蠟質(zhì)品系JM205與少蠟質(zhì)品系JM204的OJIP曲線在輕度干旱時(shí)均無(wú)明顯差異（圖5），但隨著干旱程度的加重，少蠟質(zhì)品系J點(diǎn)熒光比多蠟質(zhì)品系上升更快，當(dāng)土壤相對(duì)含水量降至39%時(shí)，少蠟質(zhì)品系JM204的J點(diǎn)開(kāi)始逐漸上升，但多蠟質(zhì)品系JM205無(wú)明顯變化；當(dāng)土壤相對(duì)含水量低于32%時(shí)，2個(gè)品系旗葉的J點(diǎn)熒光均大幅增加，且二者無(wú)顯著差異（圖5）。

B、D由圖A、C中不同干旱程度時(shí)的曲線減去干旱處理前曲線得出。下同

OJIP 曲線300 μs處被稱(chēng)為K點(diǎn)，K點(diǎn)的上升被作為PSII受體測(cè)光抑制的特異性標(biāo)志[29]。為了更好的觀察K點(diǎn)，對(duì)OJIP曲線進(jìn)行了O-J點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化（圖6）。在不同程度干旱脅迫條件下，土壤相對(duì)含水量從72%下降到32%過(guò)程中，多蠟質(zhì)品系JM205和少蠟質(zhì)品系JM204的K點(diǎn)熒光幾乎無(wú)變化（圖6），表明此時(shí)PSII受體測(cè)沒(méi)有發(fā)生明顯傷害，當(dāng)土壤相對(duì)含水量低于32%時(shí)，繼續(xù)干旱，K點(diǎn)熒光均上升，但多蠟質(zhì)品系K點(diǎn)熒光始終低于少蠟質(zhì)品系。

2.5 不同程度干旱脅迫對(duì)植株干重的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，在充足澆水情況下，蠟質(zhì)含量不同的小麥品系的生物量無(wú)明顯差異（圖7）。在6 d干旱脅迫處理后，多蠟質(zhì)小麥品系JM205的干重與充足澆水的對(duì)照組相比沒(méi)有明顯變化，而少蠟質(zhì)小麥品系JM204的干重則明顯低于充足澆水的對(duì)照組（圖7）。這表明少蠟品系在干旱下較低光合機(jī)構(gòu)的活性限制了其干物質(zhì)的積累。

圖6 不同程度干旱脅迫對(duì)多蠟質(zhì)小麥JM205（A，B）與少蠟質(zhì)小麥JM204（C，D）旗葉的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線O-J段標(biāo)準(zhǔn)化曲線的影響

3 討論

表皮蠟質(zhì)層在植物抗旱過(guò)程中起著重要的作用，大量研究發(fā)現(xiàn)，表皮蠟質(zhì)可以作為植物表皮細(xì)胞內(nèi)水分或溶解物向外擴(kuò)散的屏障，其含量和厚度會(huì)影響植物的水分蒸騰[30-32]。但是，這些研究所用的材料來(lái)自不同的國(guó)家和地區(qū)，遺傳背景差異較大。而本試驗(yàn)所用的研究材料為兩個(gè)蠟質(zhì)含量不同的小麥近等基因系，其遺傳背景相同。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多蠟質(zhì)小麥品系旗葉保水能力強(qiáng)，蠟質(zhì)能夠減輕干旱脅迫造成的光抑制，使旗葉維持較高的光合速率[21]。本研究進(jìn)行不同程度的干旱脅迫，探討多蠟質(zhì)小麥的抗旱范圍和抗旱機(jī)理。為了減少天氣變化對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)在人工氣候室控制溫度、濕度和光照條件下進(jìn)行，采用逐漸干旱的方式，從開(kāi)始干旱至完全干旱期間測(cè)定了6個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的干旱梯度，在一定程度上模擬田間干旱的過(guò)程。前人對(duì)于蠟質(zhì)抗旱性的研究往往只設(shè)置1個(gè)或者2個(gè)干旱梯度，很難得出蠟質(zhì)對(duì)抗旱的有效范圍，而本研究包含了從開(kāi)始干旱至嚴(yán)重干旱的所有過(guò)程，較詳細(xì)的描述了蠟質(zhì)在不同干旱程度下對(duì)小麥光合性能的影響，明確了多蠟質(zhì)品系和少蠟質(zhì)品系各自的抗旱能力范圍，對(duì)于抗旱小麥品種的選育和田間栽培均有借鑒意義，并對(duì)進(jìn)一步的研究提供了建議。

?*表示P＜0.05水平差異顯著

葉片水勢(shì)是表示植物水分虧缺或水分狀況的一個(gè)直接指標(biāo)[33]，通過(guò)研究不同土壤供水條件下的植物水勢(shì)的變化特征，可以了解植物的抗旱特性以及植物對(duì)環(huán)境變化的生理適應(yīng)特點(diǎn)。筆者之前的研究發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下，小麥葉片蠟質(zhì)含量與旗葉水勢(shì)、光合速率、蒸騰速率呈顯著正相關(guān)[21]，表明蠟質(zhì)具有一定的抗旱功能，本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤相對(duì)含水量為49%—32%時(shí)抗旱效果最明顯。根據(jù)Farquhar等[34]提出的光合速率氣孔限制的判斷標(biāo)準(zhǔn)，光合速率與氣孔導(dǎo)度同時(shí)下降時(shí)，如果i也下降，則說(shuō)明光合速率的下降是氣孔限制。筆者的研究表明，隨著干旱程度加重，n和s下降，同時(shí)i也下降，這表明光合速率下降的原因是氣孔限制而不是葉肉因素的限制。多蠟質(zhì)品系旗葉光合作用在干旱脅迫處理后下降的幅度小，氣孔限制輕。這可能是由于蠟質(zhì)含量多的品系，旗葉細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，干旱脅迫后，失水較慢，葉片水勢(shì)相對(duì)較高，氣孔導(dǎo)度下降慢，因此保持了較高的光合速率、蒸騰速率及水分利用效率。本研究結(jié)果與黃玲等[3]的研究結(jié)果部分一致，但與郭彥軍等[35]研究結(jié)果不同，這可能與不同試驗(yàn)的脅迫程度和其他環(huán)境因素不同有關(guān)，也可能與品種間氣孔調(diào)節(jié)的遺傳差異有關(guān)，這也說(shuō)明蠟質(zhì)和抗旱節(jié)水性狀的關(guān)系非常復(fù)雜，還有待深入研究。

植物本身的生理變化如衰老以及逆境的干旱[36]、高溫[37]、低溫[38]和鹽脅迫[39]等都能夠直接或間接地影響植物PSⅡ的功能。前人的研究表明，干旱脅迫主要傷害PSII反應(yīng)中心，通過(guò)調(diào)節(jié)電子傳遞速率和光化學(xué)速率，降低光合同化力。本研究結(jié)果表明，隨著干旱程度加重，多蠟質(zhì)及少蠟質(zhì)品系Fv/Fm和ФPSⅡ均下降，說(shuō)明天線色素吸收的光能被反應(yīng)中心捕獲的概率降低，葉片吸收的光能不能有效轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，但多蠟質(zhì)品系JM205下降幅度小，少蠟質(zhì)品系JM204下降幅度大，說(shuō)明干旱脅迫下，多蠟質(zhì)品系對(duì)光能的捕獲和轉(zhuǎn)化能力受干旱脅迫影響較小，可維持相對(duì)較高的光合能力。PSII是光抑制的主要場(chǎng)所，JIP-test可以解析PSII光能吸收、轉(zhuǎn)換、電子傳遞、PSII作用中心以及受體側(cè)和供體側(cè)的活性、電子傳遞體氧化還原狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化，是目前常用的非破壞性技術(shù)手段。本研究結(jié)果表明，隨著干旱程度的加重，OJIP曲線J點(diǎn)和K點(diǎn)的熒光均上升，但J點(diǎn)熒光上升更明顯，而且多蠟質(zhì)品系比少蠟質(zhì)品系上升速度慢，說(shuō)明干旱脅迫后受體側(cè)受傷害程度重于供體側(cè)，QA到QB的電子傳遞受阻，使電子傳遞活性降低。PSII的破壞常伴隨著Mn2+的喪失，脂肪酸的增加及ATP和蛋白質(zhì)的降解[40]，因此PSII受到損害，必然影響到光合作用的正常進(jìn)行。但多蠟質(zhì)品系可以在干旱脅迫條件下維持相對(duì)較高的光能轉(zhuǎn)換效率和實(shí)際光化學(xué)效率，電子傳遞更通暢，更多的能量被反應(yīng)中心捕獲并進(jìn)入電子傳遞鏈，過(guò)剩光能少，減少了活性氧的產(chǎn)生，具有相對(duì)較高的光合能力。因此，有利于光合產(chǎn)物的積累，從而維持較高的產(chǎn)量[21]。

關(guān)于蠟質(zhì)與植物抗旱性關(guān)系方面，近年來(lái)已有較多研究，大多數(shù)研究者認(rèn)為蠟質(zhì)與植物的抗旱節(jié)水性密切相關(guān)[41-43]，但也有一些研究者認(rèn)為，蠟質(zhì)含量與植株蒸騰速率及抗旱性沒(méi)有必然的聯(lián)系[44]。本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下，多蠟質(zhì)品系較少蠟質(zhì)品系旗葉水勢(shì)更高，PSII電子傳遞更通暢，光合能力更強(qiáng)，蠟質(zhì)含量對(duì)提高小麥的抗旱性有積極影響。通過(guò)模擬田間充分灌水后土壤逐漸干旱的過(guò)程，筆者發(fā)現(xiàn)在輕度干旱脅迫條件下，蠟質(zhì)的抗旱效果并不明顯，但在中度和重度干旱脅迫條件下，即土壤相對(duì)含水量約為49%—32%時(shí)，蠟質(zhì)的抗旱節(jié)水性更加顯著。所以前人關(guān)于蠟質(zhì)在抗旱方面的爭(zhēng)議也有可能是由于干旱程度的差異引起的。

4 結(jié)論

輕度干旱脅迫條件下，多蠟質(zhì)品系JM205抗旱優(yōu)勢(shì)不明顯，但是隨著干旱程度逐漸加重，多蠟質(zhì)品系旗葉的水勢(shì)和光合速率都高于少蠟質(zhì)品系，n和s下降的同時(shí)，i下降，可見(jiàn)光合速率的下降主要是由氣孔因素導(dǎo)致的。中度干旱脅迫條件下，多蠟質(zhì)品系比少蠟質(zhì)品系具有更高的ΦPSII和Fv/Fm，表明多蠟質(zhì)品系電子傳遞更通暢，葉片光抑制較輕，抗旱功能較強(qiáng)。JIP-test分析發(fā)現(xiàn)OEC受傷害程度小于QA到QB電子傳遞受阻程度，表明PSⅡ電子傳遞主要是受體側(cè)受到抑制。經(jīng)不同程度干旱脅迫處理分析，當(dāng)土壤相對(duì)含水量在49%—32%時(shí)，多蠟和少蠟品系各項(xiàng)指標(biāo)差異最大，抗旱效果最明顯，這對(duì)于抗旱小麥品種的選育和田間栽培均有借鑒意義。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Effects of Drought Stress on Photosynthetic Characteristics of Wheat Near-isogenic Lines with Different Wax Contents

YANG YanHui1, MA Xiao1,2, ZHANG ZiShan1, GUO Jun2, LI YueNan1, LIANG Ying1, SONG JianMin2, ZHAO ShiJie1

(1College of Life Sciences, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong;2Crop Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100)

【Objective】The objective of this paper was to investigate the effects of different drought levels on the photosynthetic characteristics of wheat with different wax contents. 【Method】A pair of wheat near-isogenic lines (NILs), including high-wax line JM205 and low-wax line JM204, were used as experimental materials to simulate the process of soil moisture change in the field by means of gradual drought stress in the artificial climate chamber. The two wheat near-isogenic lines with different waxy contents were planted in the same pot to ensure the same drought degree. With the prolongation of drought treatment, the relative soil water content decreased gradually. Water potential, photosynthetic gas exchange parameters and fluorescence parameters of wheat flag leaf under different soil water contents were measured. 【Result】Under low water stress (60%-49% of relative soil water content), there was no significant difference in photosynthetic rate (n) between flag leaf of JM205 and JM204, however, the photosynthetic rate of both wax and waxy lines decreased gradually, but the less waxy line JM204 showed a greater decline. Under moderate drought stress (Relative soil water content between 49% and 32%), the high-wax plant had higher water potential and larger stomatal opening than that of the low-wax one, so the CO2supply was sufficient and the photosynthetic rate was higher. Under moderate drought stress, the PSII actual photochemical efficiency (ΦPSⅡ) and maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) decreased more rapidly in the low-wax line, which indicated that PSII electron transfer inhibition and light inhibition were more serious. The JIP-test analysis found that blocked PSII electron transport was mainly due to QAto QBreceptor-side electron transfer restrictions. In contrast, the high-wax line maintained relatively higher photosynthetic capacity under drought conditions, with a smoother electron transfer and less excess light energy, resulting in less light suppression. When relative soil water content dropped below 32%, the water potential and photosynthetic capacity of both NILs decreased significantly and there was no significant difference between them. 【Conclusion】This study preliminarily improved understanding of the physiological mechanism of leaf wax improving drought tolerance of plants, and the high-wax line JM205 has significant drought resistance in the soil moisture range of 49%-32%, providing theoretical basis for selection and cultivation of drought-resistant wheat varieties.

common wheat (L); nearly isogenetic lines; drought stress; wax; photosynthetic characteristics

2018-06-04；

2018-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（31871544）、國(guó)家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專(zhuān)項(xiàng)（CARS-03-1-8）、山東省自主創(chuàng)新重大關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃（2014GJJS0201-1）

楊彥會(huì)，E-mail：yyh20160113@163.com。

趙世杰，E-mail：sjzhao@sdau.edu.cn。通信作者宋健民，E-mail：song_jianmin@163.com