鉀素水平對CO2加富條件下黃瓜光合適應發(fā)生的影響

達布希拉圖，李珊珊，何麗瓊，海梅榮

(1.云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學與生物技術(shù)學院，云南 昆明 650201)

CO2作為植物光合作用原料，多數(shù)C3植物的CO2飽和點為1 000 μmol·mol-1左右。當其它環(huán)境條件適宜時,現(xiàn)有大氣CO2濃度可能是C3植物光合作用的主要限制因子。在封閉的設(shè)施環(huán)境中，光照充足時，CO2濃度會降至100 μmol·mol-1以下，作物處于嚴重的CO2缺乏狀態(tài)[1]，因而，CO2施肥在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增產(chǎn)效果明顯。但植物長期處于高濃度CO2下時，一些葉片的光合速率會逐漸下降，最終會低于自然大氣CO2濃度下生長的對照植物水平[2]，這種現(xiàn)象被稱為光合適應。光合適應的發(fā)生機制可以歸納為：光合產(chǎn)物超長累積引起的反饋抑制[3]；核酮糖-1，5-二磷酸(RUBP)羧化限制和再生限制[4]；氣孔狀態(tài)限制[5]；以及呼吸作用限制[6]。植物葉片熒光反應對CO2加富的響應為：CO2濃度倍增使鼓粒期綠豆葉片初始葉綠素熒光值(Fo)增加，降低了最大葉綠素熒光值(Fm)、PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)和潛在光化學效率(Fv/Fo)，但對蕾期影響不顯著[7]；也有研究稱CO2濃度倍增使PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)和潛在活性(Fv/Fo)提高，提高了葉綠體捕獲光能的效率，提高植物的光合速率[8]；而Pospisilova等[9]對高CO2濃度下生長4周的煙草的研究顯示，葉綠素含量及PSII活性均無明顯變化，似乎與光合適應無關(guān)。

以上研究都是在自由CO2加富條件下(FACE)開展的。關(guān)于設(shè)施CO2施肥條件下(階段性CO2加富，且濃度更高)植物光合適應是否發(fā)生，其光合特性變化規(guī)律是否會與FACE條件下相同，卻少有報導。K素能促進光合產(chǎn)物的運輸、調(diào)節(jié)氣孔開放，增強植物體內(nèi)、外CO2的交換，因此，K素水平的提高可能會對CO2加富后期的光合特性的變化有所影響，進而緩解光合適應。短期內(nèi)CO2濃度和K肥對棉花的葉面積、光合作用、干物質(zhì)累積及分布均存在交互作用[10]，但缺乏長期處理對植物光合作用影響的研究。并且在CO2加富條件下K素對光合熒光反應及CO2響應曲線、光響應曲線由來的光合特性沒有深入的報導。黃瓜是主要的設(shè)施栽培作物，關(guān)于設(shè)施黃瓜CO2加富的研究報道也較多，且遺傳穩(wěn)定性好。因此，本文研究設(shè)施條件下長期CO2階段性加富與K素互作對黃瓜光合特征的影響，不僅能揭示黃瓜光合作用的變化規(guī)律，也為不同CO2加富條件下植物生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與栽培條件

供試黃瓜品種“中農(nóng)20號”。盆栽試驗于2015年3月至6月，在云南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)場大棚內(nèi)，搭建長5 m、寬1.5 m、高1.5 m的開頂式塑料薄膜培養(yǎng)室完成。供試土壤為高原紅壤，土壤化學性質(zhì)為堿解氮(N)27.53 mg·kg-1，有效磷(P2O5)4.57 mg·kg-1，速效鉀(K2O)80 mg·kg-1，有機質(zhì)16.24 g·kg-1，pH值4.94。施肥以N 200 mg·kg-1、P2O5120 mg·kg-1、K素水平(K2O 200、400 mg·kg-1)為標準，用尿素(N 46%)、重過磷酸鈣(P2O546%)、硫酸鉀(K2O 51%)隨水沖施，氮、磷肥分3次(15 d一次)施完，鉀肥隨試驗設(shè)計施用。

黃瓜種子置于裝有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，在25℃培養(yǎng)箱中恒溫催芽，48 h催芽至2～3 cm，播種于50穴的育苗盤(單孔大小4.8 cm)中育苗，育苗基質(zhì)配方為泥炭土∶珍珠巖∶蛭石=3∶1∶1，每天澆1次水。長出1片真葉后選取長勢一致的黃瓜苗，移栽至盆內(nèi)(盆高30 cm,直徑20 cm)；移栽15 d長至3片真葉后，每個K素水平下隨機選取6盆置于氣候室，采用純度99.9%的液態(tài)CO2鋼瓶，經(jīng)減壓緩沖后向室內(nèi)供應CO2，用Telaire7001紅外二氧化碳檢測儀定時監(jiān)測棚內(nèi)CO2濃度，調(diào)節(jié)氣候室內(nèi)CO2濃度為(1 000±200)μmol·mol-1。每天9:00～12:00施用CO2氣體，即階段性CO2施肥，共處理35 d。溫室內(nèi)環(huán)境條件：午間最大陽光輻照強度為(1 000±600)μmol·m-2·s-1，溫度為白天(31±6)℃、夜晚(22±3)℃。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)2個CO2濃度：自然大氣CO2濃度(380 μmol·mol-1)與高CO2濃度(1 000 μmol·mol-1)；每個CO2濃度下設(shè)2個K素水平處理(K2O 200、400 mg·kg-1)，共4個處理，每個處理6個重復，每盆裝土7 kg。K素200 mg·kg-1處理施肥時間與方法同氮、磷肥，400 mg·kg-1處理中其余的200 mg·kg-1與CO2處理開始時間相同。

試驗處理：CF表示CO2濃度380 μmol·mol-1，K素水平200 mg·kg-1，為對照；T表示CO2濃度1 000 μmol·mol-1，K素水平200 mg·kg-1；TK表示CO2濃度1 000 μmol·mol-1，K素水平400 mg·kg-1；K表示CO2濃度380 μmol·mol-1，K素水平400 mg·kg-1。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 光合參數(shù)測定

采用便攜式LI-6400光合作用分析儀(Li-Cor,Lincoln,NE)，張強等[11]的方法測定，于9:00～11:30測定自然條件下和高濃度CO2條件下黃瓜2、14、24、30、35 d時的葉片凈光合速率(Pn)。測定條件：光強為800 μmol·m-2·s-1；溫度為25℃；CO2濃度為各處理濃度(380、1 000 μmol·mol-1)，測定部位按照每次都為第3片新功能葉的原則開展。

采用6400-40熒光葉室，測定初始葉綠素熒光參數(shù)。將待測葉片用夾子夾住暗適應1 h，然后測定并記錄葉片F(xiàn)m、Fo和Fv′/Fm′，測定部位按照每次都為第3片新功能葉的原則開展。

測定光響應曲線時，葉室溫度控制在25℃，通過CO2注入系統(tǒng)控制參比室的相對濃度為380 μmol·mol-1，預熱20 min后夾住葉片，并在光照強度600 μmol·m-2·s-1下誘導3～5 min；待穩(wěn)定后啟動光響應曲線自動測量程序。利用內(nèi)置的紅藍光源設(shè)定光照強度梯度(即光合有效輻射，PAR)為：1 500、1 200、800、600、400、300、200、150、100、80、60、40、20、0 μmol·m-2·s-1，每個光強平衡5 min，光源由儀器自帶的LED提供。測定部位按照每次都為第3片新功能葉的原則開展。計算最大光合速率(Amax)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、表觀量子產(chǎn)額(AQY)等光合響應指標。

測定CO2響應曲線時，葉室溫度設(shè)置為25℃；光強設(shè)置為800 μmol·m-2·s-1；CO2濃度梯度通過CO2注入系統(tǒng)控制參比室的相對濃度為：1 500、1 200、1 000、800、600、400、360、300、250、200、150、100、50 μmol·mol-1。測定部位按照每次都為第3片新功能葉的原則開展。采用CO2響應曲線自動測量程序進行測定；在每個相對CO2濃度下均平衡5 min，并在穩(wěn)定后同時記錄葉片凈光合速率，計算CO2羧化效率(CE)。

1.3.2 植株生物量的測定

CO2處理第35 d，摘取黃瓜果實，測量鮮重。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用SigmaPlot 10.0計算光響應曲線和CO2響應曲線相關(guān)參數(shù)值。根據(jù)方程y=a-c·e-bx擬合光響應曲線和CO2響應曲線并計算相關(guān)參數(shù)[12]，根據(jù)光響應曲線的擬合結(jié)果計算出最大光合速率(Amax為參數(shù)a)、光補償點[LCP，為ln(a/c)·(-1/b)]、光飽和點[LSP，為ln(0.1 a/c)·(-1/b)]、暗呼吸速率(Rd，為a-c)以及表觀量子產(chǎn)額[AQY，為b·c·eb·(-cp)]，并根據(jù)CO2響應曲線的擬合結(jié)果計算出RUBP羧化效率[CE，為b·c·eb·(-cp)]。

所有數(shù)據(jù)3次重復，采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計分析。采用獨立樣本t檢驗進行顯著性分析，P≤0.05時，處理間差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 K對CO2加富條件下黃瓜鮮果重的影響

由圖1可知，CO2加富第35 d，CO2加富處理(T)顯著提高了黃瓜鮮果重(較CF)，在CO2加富的同時提高K素水平(TK)，能夠更顯著地增加黃瓜鮮果重，且高于T處理。在自然CO2濃度(380 μmol·mol-1)的基礎(chǔ)上增加K素水平(K)，也能顯著提高黃瓜鮮果重，且增重顯著高于單CO2加富處理。CO2加富與K素水平對黃瓜鮮果重具有顯著交互作用(表1)。

圖1 CO2加富與K素水平對黃瓜鮮果重的影響注：圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

表1 CO2加富與K素水平對黃瓜鮮果重交互作用

2.2 K對CO2加富條件下黃瓜葉片光合速率的影響

在CO2加富的第2、14、24、30、35 d進行了黃瓜葉片光合作用的測定(圖2)。結(jié)果顯示：在CO2加富前期(14、24 d)黃瓜光合作用隨CO2加富(T)而增加，在第24 d CO2加富并增加K素水平(TK)黃瓜光合作用較單獨CO2加富(T)更高。CO2加富30 d發(fā)現(xiàn)，4個處理均處于同一光合速率水平，處理間無顯著差異；第35 d的光合速率數(shù)據(jù)顯示，CO2加富處理(T)顯著低于環(huán)境CO2濃度(CF)下，CO2加富并增加K素水平(TK)高于單獨CO2加富(T)，其中環(huán)境CO2濃度下增加K素水平(K)光合速率最高。

圖2 CO2加富與K素水平對黃瓜光合速率的影響

2.3 K對CO2加富條件下黃瓜葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

針對CO2加富后光合作用升高(14 d)和降低(35 d)時的黃瓜葉片葉綠素熒光參數(shù)進行了分析(圖3、4，表2)。在CO2加富后光合作用升高的第14 d，兩個CO2加富處理(T、TK)與單獨增加K素水平處理(K)的Fo均顯著高于環(huán)境CO2濃度處理(CF)。其中，單獨CO2加富處理(T)Fo最高。在CO2加富后光合作用降低的第35 d，環(huán)境CO2濃度處理(CF)較第14 d Fo有增高的趨勢，但在35 d兩個CO2加富處理(T、TK)較環(huán)境CO2濃度處理(CF)Fo有降低的趨勢(圖3)。

圖3 CO2加富與K素水平對黃瓜初始葉綠素熒光值的影響

在CO2加富后光合作用升高的第14 d，兩個CO2加富處理(T、TK)與單獨增加K素水平處理(K)的Fm均顯著高于環(huán)境CO2濃度處理(CF)。其中，單獨CO2加富處理(T)與單獨增加K素水平處理(K)的Fm最高。在CO2加富后光合作用降低的第35 d，環(huán)境CO2濃度處理較第14 d Fm有增高的趨勢，但在35 d的處理間無顯著差異(圖4)。

圖4 CO2加富與K素水平對黃瓜最大葉綠素熒光值的影響

CO2加富第14 d，在相同CO2濃度的兩個K素水平間實際光化學效率(Fv′/Fm′)無顯著差異；在相同K素水平時CO2加富可顯著提高Fv′/Fm′值。CO2加富第35 d，在相同CO2濃度的兩個K素水平間Fv′/Fm′也無顯著差異；但與第14 d相反，在相同K素水平時CO2加富顯著降低Fv′/Fm′值(表2)。另外，F(xiàn)v/Fm值均在0.81～0.82之間，且處理間及處理天數(shù)間無差異。

表2 CO2加富與K素水平對PSⅡ?qū)嶋H光化學效率的影響

注：不同小寫字母表示在同一天相同CO2濃度下不同K素水平間的差異顯著，*表示同一天相同K素水平下不同CO2濃度間的差異顯著，n=3，P<0.05。下同。

2.4 K對CO2加富條件下黃瓜光響應、CO2響應曲線相關(guān)光合參數(shù)的影響

針對CO2加富后光合作用升高(14 d)和降低(35 d)時的黃瓜葉片光響應曲線擬合方程計算獲得的相關(guān)光合參數(shù)進行了分析(表3)。CO2加富第14 d在自然CO2濃度下，增加鉀素水平可增高Amax，在此基礎(chǔ)上分別增加CO2濃度也能顯著增高Amax、LSP、LCP；在第35 d發(fā)現(xiàn)與第14 d相反的結(jié)果，即在自然CO2濃度下，增加鉀素水平可降低Amax，在此基礎(chǔ)上分別增加CO2濃度也能顯著降低Amax、LSP，在第35 d LCP表現(xiàn)為在低K素水平隨CO2濃度升高而顯著增高，但此時增加K水平?jīng)]有增高LCP。AQY在本試驗各處理中無顯著差異。CO2加富第14 d在自然CO2濃度下，增加鉀素水平,CO2加富,CO2加富的同時增加鉀素水平均顯著增加了CE，在第35 d各處理間無顯著差異。

3 討論與結(jié)論

CO2加富在一段時間內(nèi)能加快許多植物的生長，隨后出現(xiàn)生長緩慢甚至停滯現(xiàn)象，導致生產(chǎn)力的降低[13]。CO2加富的方法有開頂式氣室、自由CO2加富系統(tǒng)、溫室等，不同方法得到的試驗結(jié)果往往有較大的差異，F(xiàn)ACE條件下的研究主要用來模擬未來的大氣CO2濃度升高對植物的影響，其加富時間是連續(xù)的，得到的結(jié)果能夠預測未來環(huán)境條件變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，而OTC與FACE系統(tǒng)相比，能實現(xiàn)較高濃度的CO2加富，可能更有利于研究植物對CO2的響應及其機理，被廣泛應用于環(huán)境CO2加富對植物影響的研究中。關(guān)于在OTC內(nèi)進行CO2加富，使作物增產(chǎn)的研究報告很多，其中何麗瓊等[14]研究發(fā)現(xiàn)CO2加富顯著增加了黃瓜植株干重，高CO2濃度條件下增加K素水平可繼續(xù)增加黃瓜生物量，在自然CO2濃度下增加K素水平黃瓜生物量則無顯著變化。本試驗對這一研究發(fā)現(xiàn)，CO2加富與K素水平增高均可以顯著提高黃瓜鮮果重，且CO2加富與K素水平增高有交互作用，即在試驗各處理中CO2加富條件下增高K素水平，黃瓜鮮果重最高。

表3 CO2加富與K素水平對光響應、CO2響應曲線相關(guān)光合參數(shù)的影響

FACE條件下，短期CO2加富(幾分鐘到幾天)內(nèi)可使植物光合速率顯著提高，長期CO2加富條件下(數(shù)周到數(shù)月)，光合速率則逐漸降低，最終與自然大氣CO2濃度下的無差異或低于自然條件下生長的，出現(xiàn)光合適應現(xiàn)象[15-16]。本試驗根據(jù)前期研究經(jīng)驗，在CO2加富第2、14、24、30、35 d分別測定了黃瓜第3功能葉片光合速率。加富14～24 d時光合速率升高，加富14 d時升高幅度為23.8%，加富24 d時升高14.1%，35 d時則與自然CO2濃度相比顯著降低，出現(xiàn)光合適應，發(fā)生的時間在24～30 d之間。這與孫玉文等[17]、單國雷等[18]在甜瓜、西瓜的研究中得到的結(jié)論相符，即CO2加富時間以25 d為最優(yōu)。因此可以推斷，瓜果類蔬菜在OTC內(nèi)高濃度的、階段性的CO2加富也會產(chǎn)生光合適應。如果要持續(xù)地在采摘期提高產(chǎn)量，可能需要優(yōu)化其他生長因子，如其他礦質(zhì)養(yǎng)分供應。本研究中CO2加富第35 d，即黃瓜光合適應發(fā)生時期，在兩個CO2濃度下增加K素水平，均提高了黃瓜光合速率，尤其在CO2加富處理也表現(xiàn)出顯著差異，Reddy等[10]對玉米的研究也發(fā)現(xiàn),CO2加富與K素水平在光合速率上存在交互作用，因此可以推斷增加K素水平有緩解光合適應的潛力。

熒光參數(shù)反映了植物葉片PSII功能、活性的變化，本試驗中Fv/Fm值在整個生長期變化幅度<1%。張其德等[19]與劉家堯等[20]的研究表明,在FACE條件下CO2加富使得Fv/Fm顯著增加;郝興宇等[7]的研究則表明長期CO2加富使綠豆Fv/Fm降低6%，即相同的CO2加富在不同作物及處理條件下結(jié)果不盡相同。本試驗Fv/Fm較穩(wěn)定，只有彭長連等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度倍增對整個生育期水稻Fv/Fm無顯著影響，與本試驗結(jié)果相近。因此本研究認為無論CO2加富時間長短，黃瓜葉片PSII沒有感知CO2加富為環(huán)境脅迫，并且K素水平也沒有被感知為脅迫。郝興宇等[7]對綠豆的研究顯示，CO2濃度倍增使鼓粒期綠豆葉片F(xiàn)o増加；張其德等[22]認為，CO2濃度倍增提高了光合色素含量，提高了PSII活性、光能轉(zhuǎn)化效率，促進了PSII反應中心的開放；而Pospisilova等[9]對高CO2濃度下生長4周的煙草的研究顯示，葉綠素含量及PSII活性均無明顯變化；Hogan等[23]也指出CO2加富能促使植物捕獲更多光能，減少高光強對PSII反應中心的破壞。本試驗發(fā)現(xiàn)，在短期(14 d)CO2加富時隨著Pn的增加，F(xiàn)o、Fm與Fv′/Fm′值均顯著增加，在長期(35 d)CO2加富時Fo、Fm無顯著變化，F(xiàn)v′/Fm′值降低，且K素水平的增加沒有改變CO2加富帶來的變化，說明黃瓜光合適應的起因不是發(fā)生在PSII這個過程中。

在FACE條件下，長期CO2加富使植物凈光合速率的降低伴隨著RUBP羧化酶含量和活性的降低，Rubisco基因的轉(zhuǎn)錄及表達受到抑制，RUBP羧化限制可能是引起光合適應現(xiàn)象的原因[4]。Koch等[24]的研究說明短時間CO2濃度上升可以使RUBP羧化酶活性提高30%左右。本研究中，CO2加富14 d時，高CO2濃度條件下黃瓜CE升高，RUBP羧化酶含量和活性可能提高，CO2加富35 d時，CE無顯著變化，RUBP羧化酶可能與光合下調(diào)無關(guān)。本試驗中，其他光響應參數(shù)和CO2響應參數(shù)的變化亦顯示出相同的趨勢，CO2加富14 d時，Amax、LSP、LCP高于自然條件下，而加富35 d時，高CO2濃度條件下黃瓜Amax、LSP均低于自然條件下，這些指標的變化與后期光合適應現(xiàn)象的出現(xiàn)相符；AQY無顯著變化。鄭炳松等[25]的研究表明鉀離子可提高光合關(guān)鍵酶RUBP羧化酶含量和活性，低鉀會導致RUBP羧化酶含量降低。本試驗中，CO2加富14 d時，自然條件下增加K素水平,Amax、LSP、LCP、CE顯著增加，CO2加富35 d時，卻均降低；并且在高CO2濃度下增加K素水平也為降低，即在光合適應發(fā)生的第35 d沒有發(fā)現(xiàn)K素水平能夠緩解這些光合參數(shù)降低的跡象，因此推斷RUBP羧化限制不是引起光合適應的直接原因，而是光合適應發(fā)生后的結(jié)果。

在本研究條件下，CO2加富可使黃瓜鮮果重顯著增加，并與鉀素有顯著交互作用。黃瓜在OTC條件下也會產(chǎn)生光合適應，發(fā)生在CO2加富第24～30 d間，增加K素水平有緩解光和適應的潛力。關(guān)于光合適應發(fā)生的原因，本文通過對熒光參數(shù)及光、CO2響應曲線相關(guān)參數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜光合適應的發(fā)生可能不是直接作用在PSII及CO2羧化階段，可能將研究重點放在光合產(chǎn)物反饋抑制方面更有意義。