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    短期高溫脅迫對大花四照花和日本四照花生長和光合的影響

    2019-01-19 06:17:39魯強(qiáng)徐杰洑香香
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年22期
    關(guān)鍵詞:高溫脅迫生長

    魯強(qiáng) 徐杰 洑香香

    摘要:以1年生盆栽大花四照花(Cornus florida)和日本四照花(C. kousa)實(shí)生苗為試驗(yàn)材料,人工氣候室內(nèi)采用晝/夜溫度分別為35/30、40/35 ℃持續(xù)處理27 d,以晝/夜溫度30/25 ℃處理為對照(CK),測定分析這2種四照花的幼苗生長情況及脅迫處理0、2、8、13、19、27 d時(shí)葉片光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)。結(jié)果表明,35/30、40/35 ℃高溫脅迫處理27 d時(shí),大花四照花和日本四照花的苗高相對增長率、地上部分生物量、總生物量、氣孔導(dǎo)度(Gs)、凈光合速率(Pn)、最大光量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)低于CK或處理前,非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)高于CK或處理前;35/30 ℃ 處理27 d時(shí)2種四照花幼苗各項(xiàng)測定指標(biāo)與CK或處理前相比相互間差異不顯著(P>0.05),而40/35 ℃處理27 d時(shí)2種四照花的幼苗苗高相對增長率、大花四照花總生物量較CK有顯著降低(P<0.05),大花四照花葉片Pn、Gs、Fv/Fm、PSⅡ潛在光化學(xué)活性(Fv/Fo)、qP及日本四照花葉片Pn較處理前有顯著降低。

    關(guān)鍵詞:大花四照花;日本四照花;高溫脅迫;生長;光合指標(biāo);葉綠素?zé)晒鈪?shù)

    中圖分類號: S718.43;S684.01 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號:1002-1302(2019)22-0159-05

    隨著全球氣候變暖,高溫脅迫已逐漸成為威脅植物生長發(fā)育的主要因素之一。高溫脅迫雖然可從生理、生化及分子等方面影響植物的生長,但光合作用才是影響植物生物量的本質(zhì)[1],同時(shí)也是植物應(yīng)對高溫脅迫極為敏感的生理過程[2]。高溫脅迫會引生起植物葉綠體類囊體膜結(jié)構(gòu)改變,導(dǎo)致膜脂過氧化,使光合電子傳遞鏈和放氧復(fù)合體(OEC)受到損傷,光合速率降低[3]。光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)是光合作用進(jìn)程中對高溫最敏感、最易受破壞的部位[4],高溫會抑制PSⅡ供體側(cè)水的光解和下游碳的同化反應(yīng)[5],目前,對高溫脅迫下植物PSⅡ功能的研究方法主要有葉綠素?zé)晒鈪?shù)檢測、快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)(OJIP)曲線和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)等[6-8]。

    四照花(Cornus)為山茱萸科常綠或落葉小喬木或灌木,被劃分為東亞四照花和北美四照花兩大類群[9],樹種樹姿優(yōu)美,是集彩花、彩果、彩葉于一身的園藝觀賞樹種[10],在森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著良好的生態(tài)效益[11],北美早在100多年前就對北美四照花類群進(jìn)行大量選育,目前有超過100多個(gè)栽培品種廣泛種植于北美各地的庭園和道路旁。近年來,日本、韓國等亞洲國家也開始對四照花進(jìn)行引種、推廣栽培,并取得良好的景觀效果[12]。中國作為東亞四照花類群的主要分布區(qū),也被認(rèn)為是北美四照花品種的適宜引種栽培區(qū),尤其是中國亞熱帶地區(qū)[10,13]。

    中國長江中下游亞熱帶地區(qū)夏季炎熱多雨,高溫引起的自然災(zāi)害事件頻發(fā),而極端高溫持續(xù)天數(shù)也呈上升趨勢[14]。為評估長江中下游亞熱帶地區(qū)夏季高溫對北美四照花品種的影響,本試驗(yàn)以鄉(xiāng)土樹種日本四照花(C. kousa)為對照材料,研究短期高溫脅迫下大花四照花(C. florida)的光合和生長情況,探討其對高溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制,以期為北美四照花在亞熱帶地區(qū)的引種栽培提供理論依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備

    2個(gè)類群的代表種大花四照花(北美類群)、日本四照花(東亞類群)種子,分別于2014年購自美國路易斯安那州和日本。將2個(gè)四照花種子進(jìn)行低溫層積處理,于南京林業(yè)大學(xué)溧水白馬基地塑料大棚內(nèi)培育成1年生容器苗,容器規(guī)格為上、下口徑分別20、15 cm,高20 cm,栽培基質(zhì)為草炭 土 ∶ 黃棕壤 ∶ 珍珠巖 ∶ 碳化稻殼=5 ∶ 3 ∶ 1 ∶ 1,并施用緩釋肥3 g/盆。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    試驗(yàn)于2015年8月在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行,選取長勢基本一致的健壯幼苗于人工氣候室中緩苗1周,緩苗期間保證良好的水分供應(yīng)和適宜的生長溫度;以晝/夜溫度分別為 35/30、40/35 ℃這2個(gè)高溫脅迫處理27 d,處理編號分別為T1、T2,以晝/夜溫度30/25 ℃處理為對照(CK)。每處理20株苗,重復(fù)3次,試驗(yàn)過程中保證水分的正常供應(yīng);測定2個(gè)四照花的生長和光合指標(biāo)。培養(yǎng)條件:光照度為 550 μmol/(m2·s),光照時(shí)間為12 h/d,相對濕度為60%~70%,保持通風(fēng)。

    1.3 生長與光合指標(biāo)測定方法

    1.3.1 生長指標(biāo) 高溫脅迫前,選定長勢較為一致的幼苗5株,測量苗高H0、地徑B0;脅迫處理結(jié)束,再次測量同一植株的苗高H1、地徑B1,計(jì)算苗高、地徑的相對增長率,同時(shí),各處理選取與苗高和地徑均值較為接近的幼苗5株,去除葉片和栽培基質(zhì),將植株分為地上主干、地下根2個(gè)部分,105 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量,稱質(zhì)量即為地上、地下部分生物量。苗高、地徑的相對增長率計(jì)算公式分別為:

    苗高相對增長率=(H1-H0)/H0×100%;

    地徑相對增長率=(B1-B0)/B0×100%。

    1.3.2 光合指標(biāo) 分別于處理0、2、8、13、19、27 d的中午,采用美國產(chǎn)LI-6400便攜式光合儀,避開主脈,測定幼苗中上部成熟功能葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)。每重復(fù)隨機(jī)測定1株,每株測葉片3張,取均值。測定時(shí),光合儀使用人工LED光源,飽和光強(qiáng)、氣體流速、CO2濃度分別為 1 000 μmol/(m2·s)、500 μmol/s、400 μmol/mol。同日下午,分別測定葉綠素?zé)晒庵笜?biāo),即將紅藍(lán)光源換成熒光葉室,將葉片用暗適應(yīng)夾夾住暗處理20 min,測定初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP),計(jì)算最大光量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、PSⅡ潛在光化學(xué)活性(Fv/F0)、可變熒光(Fv);活化 30 min,測定非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)??勺儫晒庥?jì)算公式為:

    Fv=Fm-F0。

    1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

    采用Excel 2013軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和Duncans新復(fù)極差法多重比較。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 高溫脅迫對幼苗生長的影響

    由表1可見,與CK相比,T1處理對2種四照花苗高、地徑相對增長率及生物量指標(biāo)的影響均不顯著(P>0.05),T2處理的2種四照花苗高相對增長率有顯著降低(P<0.05),而對地徑增長的影響不顯著;2種高溫脅迫處理對2種四照花幼苗地上、地下部分生物量的影響不顯著,T2處理的大花四照花總生物量較CK有顯著減少,而對日本四照花的總生物量影響不顯著。

    2.2 高溫脅迫對四照花幼苗葉片氣體交換參數(shù)的影響

    由圖1可見,T1處理的2種四照花幼苗葉片,其凈光合速率(Pn)在脅迫處理前8 d整體呈明顯的下降趨勢,并在脅迫處理8 d時(shí)達(dá)到最低值,后又逐漸恢復(fù)至脅迫處理前的水平,這說明35/30 ℃脅迫處理未對2種四照花產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的傷害;T2處理的大花四照花幼苗葉片,其Pn隨時(shí)間延長整體呈明顯的下降趨勢,處理27 d時(shí)的Pn值較CK降低 38.94%,下降幅度明顯高于日本四照花;T1、T2高溫脅迫處理27 d時(shí),大花四照花、日本四照花葉片Pn低于處理前。

    氣孔調(diào)節(jié)是植物應(yīng)對逆境脅迫的快速調(diào)節(jié)方式之一。由圖1可見,與處理前相比,T1脅迫處理27 d時(shí)大花四照花、日本四照花的氣孔導(dǎo)度(Gs)低于處理前,但相互間差異不顯著(P>0.05),說明35/30 ℃脅迫處理未對2種四照花造成實(shí)質(zhì)性傷害;T2處理的大花四照花Gs整體呈明顯下降趨勢,脅迫處理27 d時(shí)顯著低于處理前(P<0.05),而T2脅迫處理未對日本四照花Gs產(chǎn)生顯著影響,說明日本四照花具有較好的耐熱性。

    2.3 高溫脅迫對四照花幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

    由圖2可見,T1處理未對2種四照花幼苗葉片的最大光量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、PSⅡ潛在光化學(xué)活性(Fv/F0)產(chǎn)生顯著影響(P>0.05);T2處理的大花四照花幼苗,其葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/F0隨高溫持續(xù)時(shí)間的延長呈明顯的下降趨勢,脅迫處理 8 d 后顯著低于脅迫處理前(P<0.05),脅迫處理27 d時(shí),F(xiàn)v/Fm、Fv/F0分別降至最低,分別為對照的93.15%、79.18%,說明大花四照花的光合系統(tǒng)在晝/夜溫度40/35 ℃高溫脅迫下受到損傷;隨脅迫天數(shù)的延長,T2處理時(shí)的日本四照花幼苗葉片F(xiàn)v/Fm呈降—升—降—升波動態(tài)勢、Fv/F0呈先降后升趨勢,但與脅迫處理前相比,脅迫處理27 d時(shí)的日本四照花幼苗葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/F0差異不顯著,說明高溫脅迫對日本四照花光合系統(tǒng)的損傷是可逆的。

    由圖3可見,與脅迫處理前相比,T1處理對大花四照花、日本四照花幼苗葉片光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)未產(chǎn)生顯著影響(P>0.05);隨脅迫天數(shù)的增加,T2處理的大花四照花幼苗葉片qP呈明顯的下降趨勢、NPQ呈先升后降趨勢,處理27 d時(shí),大花四照花幼苗葉片qP較CK下降40.00%、NPQ較CK上升9.09%,說明大花四照花在高溫脅迫下會以熱耗散形式消耗過剩的激發(fā)能,以減輕高溫脅迫對光合系統(tǒng)造成的損傷;T2處理的日本四照花隨處理時(shí)間的延長,其葉片qP呈明顯先降后升趨勢、NPQ呈整體先升后降趨勢,并在脅迫處理19 d時(shí)達(dá)到極值,qP較CK下降 22.23%、NPQ較CK上升5.26%,而在脅迫處理27 d時(shí)恢復(fù)至與處理前相比差異不顯著,說明日本四照花可隨脅迫天數(shù)的增加而逐漸適應(yīng)高溫環(huán)境,并通過自身調(diào)節(jié)可以適當(dāng)恢復(fù)。

    3 結(jié)論與討論

    生長量是植物應(yīng)對逆境脅迫綜合響應(yīng)的體現(xiàn),也是確定植物耐逆性的常用指標(biāo)[4,15]。高溫脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞失水,細(xì)胞增長受到抑制,從而植物的生長量降低[16]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,晝/夜溫度分別為35/30、40/35 ℃持續(xù)處理27 d進(jìn)行高溫脅迫,未顯著影響大花四照花、日本四照花2種四照花的地徑相對增長率及地上、地下部分生物量(P>0.05),而 40/35 ℃ 高溫脅迫使2種四照花的苗高相對增長率及大花四照花總生物量有顯著降低(P<0.05),未對日本四照花總生物量產(chǎn)生顯著影響,可能是由于35~40 ℃為大花四照花適宜生長溫度的上限值,而日本四照花則更適應(yīng)于這種短期高溫環(huán)境,與其原生境較為一致。

    高溫會導(dǎo)致植物氣孔關(guān)閉、胞間CO2濃度降低、碳同化量減少,最終會導(dǎo)致植物凈光合速率(Pn)下降[17]。Allakhverdiev等的研究結(jié)果表明,輕度高溫便可抑制植物的光合作用[18-19]。本研究結(jié)果表明,晝/夜溫度35/30 ℃高溫脅迫0~8 d時(shí),2種四照花幼苗葉片Pn較處理前有明顯降低,最終均能恢復(fù)至處理前水平,說明這2種四照花均能夠耐受35 ℃高溫;晝/夜溫度40/35 ℃高溫脅迫下,2種四照花的Pn隨脅迫天數(shù)的延長有明顯下降,且不能恢復(fù)到處理前水平,這與孫憲芝等的研究結(jié)果[3]較為吻合。

    高溫脅迫抑制植物光合作用的機(jī)制至今仍存在爭議[20],有一種理論認(rèn)為,高溫脅迫降低了植物的氣孔導(dǎo)度,使葉綠體內(nèi)CO2供應(yīng)受阻,從而降低了葉片的最大羧化速率,抑制了光合作用[21];另一種理論認(rèn)為,光合電子傳遞和核酮糖-1,5- 二磷酸羧化酶(Rubisco酶)活性在高溫脅迫下受到抑制,從而降低了植物的光合作用[22]。本試驗(yàn)中,大花四照花在40/35 ℃高溫脅迫下葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)受到抑制,進(jìn)而導(dǎo)致Pn降低,與前者理論較為吻合;但是,高溫脅迫未明顯降低日本四照花的Gs,但其Pn卻受到抑制,這可能是因?yàn)槿毡舅恼栈ㄔ诟邷叵率艿焦庖种?,其光合電子傳遞和Rubisco酶活性降低,與后者理論較為相符。

    高溫脅迫會致使植物無法利用過量的光能,從而產(chǎn)生大量的活性氧損傷葉綠體,導(dǎo)致光抑制和過氧化脅迫[23]。同時(shí),光合電子傳遞能力的損壞也會導(dǎo)致對熱敏感的光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)產(chǎn)生過量的單線態(tài)氧,影響PSⅡ放氧復(fù)合體活性,損傷PSⅡ反應(yīng)中心D1蛋白[24]。一般情況下,PSⅡ的受損程度可用最大光量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、PSⅡ潛在光化學(xué)活性 (Fv/F0) 的變化來指示。周媛等研究表明,隨著高溫脅迫程度和持續(xù)天數(shù)的增加,F(xiàn)v/Fm、Fv/F0下降[6,24],這反映高溫脅迫下植物葉綠體類囊體膜構(gòu)象發(fā)生改變、PSⅡ反應(yīng)中心失活。一般認(rèn)為,高溫脅迫下葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)變化幅度較大的植物耐熱性較差[25]。本研究結(jié)果表明,2種四照花的Fv/Fm、Fv/F0在35/30 ℃高溫脅迫未受到顯著影響,這與劉春風(fēng)等的研究結(jié)果[26]一致,但40/35 ℃高溫脅迫27 d時(shí)大花四照花葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/F0較處理前有顯著降低,而日本四照花較處理前差異不顯著,說明日本四照花在40/35 ℃高溫下發(fā)生的光抑制是可逆的,日本四照花對原生境的適應(yīng)性明顯優(yōu)于大花四照花。

    植物對光能的利用主要包括光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化、非光化學(xué)熱耗散、葉綠素?zé)晒庑问胶纳⒌?個(gè)方面,其中,葉綠素?zé)晒忖绨ü饣瘜W(xué)猝滅(qP)和非光化學(xué)猝滅(NPQ)[21]。有研究證明,非光化學(xué)猝滅是植物體通過熱耗散形式消耗光合機(jī)構(gòu)內(nèi)過剩激發(fā)能、有效防止光抑制發(fā)生的自我保護(hù)機(jī)制[27]。本試驗(yàn)中,2種四照花葉片qP、NPQ在35/30 ℃高溫脅迫下未有顯著變化,而在40/35 ℃高溫脅迫下,大花四照花葉片qP、NPQ隨脅迫時(shí)間延長發(fā)生明顯變化,其光合機(jī)構(gòu)可能受到不可逆損傷,日本四照花葉片qP、NPQ雖發(fā)生明顯變化,但脅迫27 d時(shí)均能有所恢復(fù),說明日本四照花能夠逐漸適應(yīng)40/35 ℃ 的高溫環(huán)境,這與He等的研究結(jié)果[28]較為吻合。

    綜上所述,高溫脅迫降低了2種四照花幼苗葉片的氣孔導(dǎo)度、凈光合速率,減少了最大光量子產(chǎn)量、光化學(xué)猝滅系數(shù),而轉(zhuǎn)為熱耗散形式消耗過剩光能,提高了非光化學(xué)猝滅系數(shù),從而導(dǎo)致苗高相對增長率和生物量降低;四照花能較好地適應(yīng)晝/夜溫度35/30 ℃的高溫環(huán)境,日本四照花對晝/夜溫度40/35 ℃的高溫有更好的耐受性和適應(yīng)能力。因此,可采用嫁接方法,以耐熱性較好的日本四照花為砧木嫁接優(yōu)良的北美四照花栽培品種,以提高其在亞熱帶地區(qū)高溫環(huán)境下的存活率,并保證其優(yōu)良的觀賞價(jià)值。

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