干旱脅迫對夏玉米光合作用和葉綠素熒光特性的影響

夏 璐，趙 蕊，王怡針，金海燕，吳錫冬，葛均筑，臧鳳艷，李子芳，王金龍

(天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384)

農(nóng)作物生長過程中會受到不同類型的環(huán)境干擾或者脅迫，其中，干旱是限制我國北方主要作物產(chǎn)量的重要因素，如玉米(ZeamaysL.)、小麥(TriticumaestivumL.)[1]。干旱條件會降低植物的凈光合效率(Pn)，這不僅與植物葉片水勢降低導(dǎo)致氣孔關(guān)閉有關(guān)(氣孔因素限制)，還可能與干旱導(dǎo)致植物內(nèi)部生化反應(yīng)減慢(如Rubisco的活性降低)以及葉肉細胞光合能力下降(如植物耗散過多光能和保持較高電子傳遞效率的能力)有關(guān)(非氣孔因素限制)[2]。隨著測定方法的不斷進步，通過便攜式光合測定儀對不同環(huán)境條件下的植物進行葉片凈光合速率-光照強度響應(yīng)(Pn-PAR)和凈光合速率-細胞間隙二氧化碳濃度響應(yīng)(A-Ci)的測定，可估算植物光合生理特性和生化特性的多種參數(shù)，如最大凈光合速率(Pmax)、光飽和點(PARLSP)、Rubisco的初始羧化效率(CE)等；利用便攜調(diào)制葉綠素熒光儀對不同環(huán)境條件下植物葉片快速光曲線(Rapid light curve，RLC)進行測定，可得到相對電子傳遞效率(rETR)和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)等參數(shù)，這些參數(shù)均可在植物無損傷條件下來幫助我們準確判斷植物對逆境的響應(yīng)狀況和可能的機制[3-5]。因此，這些方法已逐漸被研究植物光合生理的研究者重視，可為植物耐受性的合理評估，篩選適用于干旱早期診斷的指標，及作物抗旱性育種提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)參考[6-8]。

作為世界上的第二大玉米生產(chǎn)國，我國玉米的種植面積和產(chǎn)量不斷增加，目前已超過水稻(OryzasativeL.)成為中國的第一大糧食作物，約2/3的面積分布于依靠自然降雨的丘陵或平原上。干旱，特別是玉米發(fā)育早期干旱，會造成該作物不同程度的減產(chǎn)，嚴重時甚至絕產(chǎn)，因此，玉米品種對干旱的耐受性成為決定玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[9-12]，而通過氣體交換和熒光參數(shù)的測定來比較全面地了解干旱脅迫下玉米的光合特征在近幾年陸續(xù)受到研究者的關(guān)注[13-15]，對相關(guān)問題的深入研究亟需展開。因此，本研究選取在中國北方半干旱區(qū)有應(yīng)用潛力的3個品種，在人工控制條件下構(gòu)建干旱脅迫處理，通過Li-6400儀測定光合氣體交換特征，通過葉綠素熒光儀MINI-PAM測定電子傳遞相關(guān)的生理特性，并通過模型模擬深入分析其內(nèi)在的幾種生理功能表現(xiàn)，旨在為玉米的早期診斷及抗旱育種提供參考，為玉米節(jié)水高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)，也為其他作物的耐受性評估提供切實可行的方法參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選擇在中國北方農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量表現(xiàn)較好的3個夏玉米品種浚單20、津北288、迪卡667作為試驗材料。其中，浚單20系河南省?？h農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育(2003年)，為9058(母本)×浚92-8(父本)雜交后代；津北288系遼寧省北票市興業(yè)玉米高新技術(shù)研究所選育(2013年)，為BX144(母本)×BX143(父本)雜交后代；迪卡667是孟山都科技有限責任公司、中種迪卡種子有限公司選育(2013年)，為G3545Z(母本)×G4808Z(父本)雜交后代。

1.2 試驗方法

2017年8月25日，挑選3個玉米品種飽滿的種子，于25 ℃光照培養(yǎng)箱中進行萌發(fā)。2017年9月5日，玉米長到三葉期時進行移栽，在直徑30 cm的塑料盆中，放入5 kg砂質(zhì)壤土(土壤有機質(zhì)、全N、速效磷和有效鉀含量分別為9.28 g/kg、1.01 g/kg、3.3 mg/kg、115 mg/kg，每盆3株玉米。2017年9月8日，幼苗長勢良好，進行干旱處理，共3種處理，包括對照處理(CK)，土壤含水量為13%～15%；輕度干旱處理(LD)，土壤含水量為7%～9%；重度干旱處理(SD)，土壤含水量為3%～5%。土壤含水量由土壤含水量監(jiān)測系統(tǒng)(ECH2O，Decagon)測定。每個處理6盆作為6個重復(fù)，3個玉米品種，共54盆。4 d后，分別選取心葉下第1葉完全展開的葉片進行光合指標和熒光指標的測定。

1.3 指標測定

1.3.1 葉片光合速率-光響應(yīng)曲線的測定 2017年9月12-14日，每天8：00-12：00，利用便攜式光合作用系統(tǒng)(Li-6400 USA)測定不同光合有效輻射強度(PAR)條件下，不同處理玉米葉片的凈光合速率(Pn)，PAR梯度為1 900，1 500，1 100，700，400，200，100，60，30，0 μmol/(m2·s)，并設(shè)置葉片和葉室的溫度為25 ℃，進氣口CO2濃度為390 mmol/L，所得結(jié)果用于光合速率-光響應(yīng)(Pn-PAR)曲線的模擬；同時測定氣孔導(dǎo)度(Gs)和細胞間隙CO2濃度(Ci)。每個處理測定3個重復(fù)，分3 d完成。

1.3.2 葉片光合速率-CO2響應(yīng)曲線的測定 2017年9月12-14日每天14：00-18：00，在植物光合作用達到穩(wěn)定狀態(tài)后，利用便攜式光合作用系統(tǒng)(Li-6400 USA)測定不同CO2濃度條件下不同處理玉米葉片的凈光合速率(A)，CO2濃度依次為350，250，200，150，100，50，350，500，700，900，1 200，1 500，1 800 μmol/L，并設(shè)置葉片和葉室的溫度為25 ℃，PAR為1 500 μmol/(m2·s)，所得結(jié)果用于光合-細胞間隙CO2濃度(A-Ci)響應(yīng)曲線的模擬。每個處理測定3個重復(fù)，分3 d完成。

1.3.3 快速光曲線的測定 2017年9月13日4：00-6：00，利用便攜調(diào)制葉綠素熒光儀(MINI-PAM，Walz，Germany)測定不同處理玉米葉片的快速光曲線。設(shè)置PAR 梯度為0，30，60，100，200，400，700，1 100，1 500，1 900，2 400 μmol/(m2·s)，每個梯度持續(xù) 20 s，測定rETR、qP、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)、非調(diào)節(jié)性能量耗散的電子產(chǎn)量(Y(NO))和調(diào)節(jié)性能量耗散的電子產(chǎn)量(Y(NPQ))。rETR隨PAR的變化趨勢圖即為快速光曲線。每種處理測定6個重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

采用直角雙曲線方程來估算Pn-PAR響應(yīng)曲線方程[16]，其表達式如下：

Pn=α×PAR×Pmax/(α×PAR+Pmax)-Rd

式中，Pn為凈光合速率(μmol/(m2·s))；Pmax為最大光合速率(μmol/(m2·s))；α為Pn-PAR響應(yīng)曲線的初始斜率，能反映葉片光合表觀量子效率(AQY)(μmol/μmol)；Rd為暗呼吸速率(μmol/(m2·s))。

根據(jù)以下公式計算光補償點(LCP)和光飽和點(LSP)所對應(yīng)的光強：

PARLCP=Pmax×Rd/α/(Pmax-Rd)和PARLSP=Pmax×(0.78×Pmax+Rd)/α/(0.22×Pmax-Rd)。

采用非直角雙曲線方程來估算A-Ci響應(yīng)曲線方程[17]，其表達式如下：

A=(CE×Ci+Amax-((CE×Ci+Amax)2-4×CE×Ci×Amax×θ)0.5)/2θ-Resp

式中，A為Pn(μmol/(m2·s))；Amax為一定光強下最大光合速率(μmol/(m2·s)，反映了植物葉片的光合電子傳遞和磷酸化的活性；CE為光合速率的CO2響應(yīng)曲線的初始斜率，反映了Rubisco的初始羧化效率(mol/(m2·s))；Ci為胞間CO2濃度(μmol/mol)；θ為A-Ci響應(yīng)曲線的曲角；Resp為光呼吸速率(μmol/(m2·s))。

采用下式進行快速光曲線擬合[18]：

rETR=rETRmax×(1-e-a×PAR/rETRmax)×e-b×PAR/rETRmax

式中，rETR為相對電子傳遞速率；rETRmax為一定環(huán)境下最大相對電子傳遞速率；a為初始斜率，反映了光能的利用效率；b為光抑制參數(shù)。

利用Nonlinear regression方法來進行曲線模型，并對曲線的擬合程度進行檢驗(SPSS 21.0，IBM，USA)；利用EXCEL軟件進行常規(guī)圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米葉片氣體交換參數(shù)對PAR的響應(yīng)

Pn隨著PAR的增加逐漸增大，但不同品種對脅迫處理的響應(yīng)并不一致，其中，浚單20對脅迫處理比較敏感，3種處理之間存在顯著差異，即對照處理CK > 輕度脅迫處理LD > 重度脅迫處理HD(P<0.05)(圖1-A1)，而其他2個品種，僅HD顯著降低葉片的Pn(P<0.05)(圖1-A2，A3)。氣孔導(dǎo)度(Gs)隨PAR的變化規(guī)律與Pn相似(圖1-B1-B3)，進一步分析Pn與Gs之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Pn隨著Gs的增加而增加，僅在迪卡667品種HD條件下，當Gs>0.03 mol/(m2·s)后，Pn增長變緩(圖2)。胞間CO2濃度(Ci)隨著PAR的增加先降低后緩慢上升，同一品種不同處理間無顯著差異(圖1-C1-C3)；進一步分析Pn與Ci之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，除迪卡667 HD處理，在Ci <160 μmol/mol，Pn有一個相對穩(wěn)定值外，其他處理Pn隨著Ci的增加而下降(圖3)。

通過Pn-PAR直角雙曲線模型估測得到的參數(shù)可以看出，估測模型與實際測定值之間有很好的擬合度(P< 0.01)，且隨著脅迫的加重，擬合度(R2)降低，即脅迫使得光合作用對光的響應(yīng)發(fā)生了偏離(表1)。就所得結(jié)果可以看出，初始量子效率(AQY)，浚單20表現(xiàn)為CK > LD >HD，津北288和迪卡667最高值出現(xiàn)在LD處理組，而津北288 AQY高達0.060 μmol/μmol，為所有處理組的最高值，且該品種LD處理組的Pmax與3個品種的對照組接近(均接近2，9 μmol/(m2·s))，高于其他品種；飽和光強(PARLSP)在同一品種的不同處理間也表現(xiàn)出CK > LD >HD，就品種間相比，浚單20的PARLSP低于其他2個品種(表1)。

2.2 玉米葉片光合作用-Ci的響應(yīng)

通過A-Ci非直角雙曲線模型估測可以看出，估測模型與實際測定值之間有很好的擬合度(P<0.01)，但HD處理下，津北288和迪卡667的擬合度(R2)僅為0.654，0.574 (表2)。就所得結(jié)果可以看出，初始羧化效率(CE)，3個品種均表現(xiàn)為LD>CK>HD；浚單20和迪卡667 2個品種的光合能力(Amax)均表現(xiàn)為對照組CK處理顯著高于脅迫處理；而津北288品種的Amax在CK和LD處理組非常接近，分別為17.85，17.87 μmol/(m2·s)，而HD處理下僅為5.30 μmol/ (m2·s)，顯著低于前兩者(表2)。

圖1 不同處理條件下3個玉米品種Pn、Gs和Ci隨PAR的變化Fig.1 The changes of net photosynthetic rate(Pn)，stomatal conductance(Gs)and intercellular CO2 concentration(Ci)of three maize cultivars along PAR under different treatments

圖2 不同處理條件下3個玉米品種Pn與Cs的關(guān)系Fig.2 Relationships between net photosynthetic rate(Pn)and stomatal conductance(Gs) of three maize cultivars under different treatments

2.3 玉米葉片葉綠素熒光參數(shù)對PAR的響應(yīng)

相對電子傳遞效率(rETR)隨PAR的增加呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢，其中迪卡667的3種處理間rETR隨PAR的變化無顯著差異(P>0.05)，而HD處理顯著降低了其他2個品種的rETR(P<0.05)(圖4-A1-A3)；浚單20和迪卡677的光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)隨著PAR的增加而下降，津北288在低PAR時，隨著PAR的增加而上升，超過100 μmol/(m2·s)后，隨著PAR的增加而下降，但各品種不同處理間均無顯著差異(P>0.05)(圖4-B1-B3)；非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)隨著PAR的增加而增加，津北288品種的3個處理間無顯著差異(P>0.05)，浚單20和迪卡667的脅迫處理組顯著低于CK(P< 0.05)(圖4-C1-C3)；非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量(Y(NO))隨PAR增加的變化趨勢，在3個品種間完全不一致，其中，浚單20，Y(NO)表現(xiàn)為隨著PAR的增加，先上升后下降，且對照組與干旱處理組間差異顯著(P<0.05)；津北288，Y(NO)隨著PAR的增加，先下降后上升，再緩慢下降，3個處理組間無顯著差異(P>0.05)；而迪卡667，對照組隨著PAR的增加，Y(NO)緩慢下降，且顯著低于干旱處理組(P<0.05)，干旱處理組隨著PAR的增加先升高后緩慢降低，且2個處理組間無顯著差異(P>0.05)(圖4-D1-D3)。調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量(Y(NPQ))隨著PAR的增加而增加，其中，浚單20和迪卡667表現(xiàn)為CK顯著高于干旱處理組(P<0.05)，而津北288的3種處理間無顯著差異(P>0.05)(圖4-E1-E3)。

圖3 不同處理條件下3個玉米品種Pn與Ci的關(guān)系Fig.3 Relationships between net photosynthetic rate(Pn)and intercellular CO2 concentration(Ci)of three maize cultivars under different treatments

品種Variety浚單20 Xundan20津北288 Jinbei 288迪卡667 Dika 667對照CK輕度干旱LD重度干旱HD對照CK輕度干旱LD重度干旱HD對照CK輕度干旱LD重度干旱HD初始量子效率(AQY)/(μmol/μmol)0.0550.0270.0180.0420.0600.0250.0350.0370.023Initial quantum efficiency最大凈光合速率(Pmax)/(μmol/(m2·s))28.7710.953.2929.6029.158.0329.7817.807.71Maximum net photosynthetic rate暗呼吸速率(Rd)/(μmol/(m2·s))1.0100.5060.3500.9230.9620.6621.0260.6670.538Dark respiration rate決定系數(shù)(R2)0.9680.8960.7580.9640.9680.9330.9710.8770.821Coefficient of determinationP值 < 0.001< 0.0010.001< 0.001< 0.001< 0.001< 0.001< 0.001< 0.001P value光補償點(PARLCP)/(μmol/(m2·s))19.0319.6521.7622.6716.5828.8630.3618.7325.15Light compensation point飽和光強(PARLSP)/(μmol/(m2·s))2 305.761 928.241 425.873 027.132 112.242 013.453 735.202 154.291 896.62Light saturation point

表2 不同處理條件下3個玉米品種光合作用-胞間CO2(A-Ci)響應(yīng)曲線擬合參數(shù)Tab.2 Estimates of parameters from photosynthetic-the intercellular CO2(A-Ci) response curves of three maize cultivars under different treatments

圖4 不同處理條件下3個玉米品種熒光參數(shù)隨PAR的變化Fig.4 The changes of ETR，qP，qN，Y(NO)and Y(NPQ)of three maize cultivars along PAR under different treatments

通過快速光曲線模型估測可以看出，估測模型與實際測定值之間有很好的擬合度(P<0.001)。初始光能利用效率在各品種不同處理間比較接近(圖4-A1-A3、表3)；最大相對電子傳遞效率(rETRmax)，浚單20表現(xiàn)為CK>LD>HD，津北288和迪卡667則表現(xiàn)為LD>CK>HD，即表現(xiàn)為LD可提高rETRmax(表3)。

表3 不同處理條件下3個玉米品種快速光曲線擬合參數(shù)Tab.3 Estimates of parameters from rapid light curve of three maize cultivars under different treatments

3 結(jié)論與討論

干旱是影響作物生長和產(chǎn)量的最重要因素[19]，而且隨著全球變化的影響加劇，干旱對農(nóng)業(yè)的影響會越來越嚴重[20]。本研究結(jié)果表明，本試驗所用3個玉米品種均具有一定的干旱適應(yīng)性。首先，氣孔限制因素是輕度干旱脅迫條件下植物Pn下降的主導(dǎo)因素，而非氣孔限制因素在重度干旱脅迫條件下對植物Pn下降的貢獻逐步增加，會超越氣孔限制因素而成為主導(dǎo)因素[14，21-23]。根據(jù)Farquhar和Sharkey的觀點，可通過Pn與Ci之間是否存在正相關(guān)關(guān)系，來判斷Pn下降是否由氣孔限制所主導(dǎo)[24]。本研究結(jié)果表明，在干旱處理下，氣孔限制均不是3個玉米品種Pn下降的主要原因。3個夏玉米品種的Gs與Pn對水分脅迫的響應(yīng)具有相似的模式，這種平行關(guān)系常使人們誤認為兩者之間具有因果關(guān)系，氣孔導(dǎo)度的降低是光合速率下降的原因。其實是由于Pn對Gs具有反饋調(diào)節(jié)的作用，即在有利于葉肉細胞光合時，Gs增大；不利于光合時，Gs減小，從而使Pn與Gs之間遵循直線關(guān)系[25]。另一方面，干旱脅迫導(dǎo)致3個玉米品種Pn-Gs的平行關(guān)系左移，即維持相等的Pn，Gs數(shù)值小從而蒸騰失水少，表明氣孔調(diào)節(jié)機能對環(huán)境的適應(yīng)性反映，同時支持3個玉米品種對干旱脅迫具有一定的適應(yīng)性[25]。

本研究結(jié)果支持氣孔限制因素是導(dǎo)致3個夏玉米品種Pn下降的主要因素。許多研究結(jié)果表明，干旱脅迫對Pn的抑制往往不是氣孔因素所致，植物代謝過程及葉肉細胞光合能力的變化對Pn的影響比氣孔限制對Pn的影響要復(fù)雜得多。Rubisco作為光合同化的關(guān)鍵酶，其活性的降低常被認作是Pn下降的非氣孔因素之一[26-27]，而A-Ci響應(yīng)曲線中初始斜率與Rubisco活性呈正相關(guān)[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，HD環(huán)境條件下的3個玉米品種，它們的初始羧化效率CE都顯著低于其他2種處理，由此可以得出，Rubisco的活性降低是導(dǎo)致3個玉米品種Pn下降的主要原因之一。另外，核酮糖-1，5-二磷酸(RuBP)再生與光合電子傳遞速率直接關(guān)聯(lián)[27]，Amax能反映植物葉片的光合電子傳遞和磷酸化活性的高低[29]，本研究發(fā)現(xiàn)，在HD環(huán)境條件下，Amax數(shù)值降低，支持光合電子傳遞和磷酸化活性降低是導(dǎo)致Pn下降的主要原因之二。葉綠素熒光參數(shù)與葉肉細胞光合作用中各種反應(yīng)過程密切相關(guān)，是評估PSⅡ狀態(tài)良好與否的指標。HD環(huán)境條件下，津北288的qP顯著低于對照，即由光合作用引起的熒光淬滅降低或者光合活性降低，這可能是導(dǎo)致津北288品種rETRmax和Pn下降的主要原因之三。干旱脅迫(包括LD和HD)降低了浚單20和迪卡667 2個品種的qN和Y(NPQ)2個指標的響應(yīng)，這2個指標表示植物耗散過量光能的能力，是反映植物光保護能力的重要指標，即高光強將會導(dǎo)致植物的受損[30]，另外，高的Y(NO)也表明隨著PAR的增加，即干旱脅迫條件下這2個品種植物的非調(diào)節(jié)性能量耗散增加，受損增加，而干旱脅迫對津北288的光合活性及光保護能力均無顯著影響(P>0.05)且飽和光強也相對較高，即植物耗散過剩光能能力下降從而引起植物受損是干旱脅迫(包括LD和HD 2種環(huán)境條件)導(dǎo)致浚單20和迪卡667 2個品種Pn下降的另外一個主要原因。

通過上述分析，干旱脅迫條件下，浚單20和迪卡667受到非氣孔限制主要表現(xiàn)在Rubisco活性的降低、光合電子傳遞和磷酸化活性降低、植物耗散過剩光能能力下降從而引起植物受損，且后者在輕度脅迫處理下(LD)即影響到了這2個品種的光合能力；津北288受到的非氣孔限制主要表現(xiàn)在Rubisco活性的降低、光合電子傳遞和磷酸化活性降低、光合作用引起的熒光淬滅降低或者光合活性降低，且這些限制對輕度脅迫處理下的植株沒有顯著影響，甚至還有少許促進作用，即津北288具有較高的耗散過多光能的能力，以抵御不良環(huán)境，具有較強的干旱脅迫耐受性，為津北288在脅迫條件下AQY和Pmax在3個品種中都最高提供合理解釋。