干旱脅迫與復(fù)水對苗期玉米光合特性的影響

劉喬斐，周自云，杜妮妮

(1.安康學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科技學(xué)院，陜西 安康725000； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌712100)

0 引言

我國降水時空分布不均，土壤干旱與濕潤交替變化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物經(jīng)常面臨的實(shí)際田間環(huán)境。土壤缺水和干濕交替的現(xiàn)象不僅在干旱半干旱地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)，在南方等非干旱地區(qū)也經(jīng)常出現(xiàn)季節(jié)性干旱[1]。隨著全球氣候干暖化的加劇，玉米季節(jié)性干旱和間歇性干旱時常發(fā)生，使得玉米經(jīng)常處于干旱和復(fù)水交替的生境中[2]。因此，干旱后恢復(fù)能力也是評價玉米抗旱性強(qiáng)弱的重要方面。植物經(jīng)歷一定強(qiáng)度的干旱脅迫后復(fù)水在農(nóng)藝和生理功能上會產(chǎn)生顯著的補(bǔ)償效應(yīng)，但其恢復(fù)程度仍低于正常灌水的水平[3]。因此，研究干旱脅迫與復(fù)水處理后植物體內(nèi)的生理變化，可以了解植物在長期進(jìn)化過程中的耐旱策略。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，水分虧缺將極大地抑制植物的光合作用。玉米受旱后的第一響應(yīng)是氣孔開度減小甚至關(guān)閉，CO2進(jìn)入葉片受阻，羧化中心對CO2的利用受到影響，光合速率降低，光合電子傳遞受到抑制，導(dǎo)致光系統(tǒng)Ⅱ光能過剩，最終降低光合作用而減產(chǎn)[4]。前人關(guān)于干旱脅迫下玉米光合作用的相關(guān)報(bào)道在光合色素、光合參數(shù)、光響應(yīng)曲線和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等方面都有所涉及，然而只是報(bào)道其中的1～2個方面，而關(guān)于上述光合生理指標(biāo)的系統(tǒng)報(bào)道比較少見[5-6]。因此，有必要進(jìn)一步通過測定光合生理指標(biāo)，系統(tǒng)地分析玉米的抗旱生理策略。本文研究不同干旱脅迫與復(fù)水周期對玉米幼苗光合色素、光合參數(shù)、光響應(yīng)曲線，以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，分析光合生理指標(biāo)與干旱脅迫和復(fù)水之間的關(guān)系，掌握玉米幼苗對干旱脅迫的響應(yīng)策略，為進(jìn)一步科學(xué)合理地優(yōu)化玉米生產(chǎn)苗期管理措施提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用抗旱玉米品種鄭單958，于2018年在西北農(nóng)林科技大學(xué)進(jìn)行。選取飽滿玉米籽粒200粒，配置1/8MS營養(yǎng)液，采用水培法培養(yǎng)，每個培養(yǎng)箱面積30 cm×15 cm。待幼苗長到3葉1心時挑選長勢一致的植株120株，配置20% PEG-6000溶液進(jìn)行干旱脅迫處理。

試驗(yàn)設(shè)置4個處理，每處理3次重復(fù)，每組幼苗10株。各處理分別如下。①不脅迫處理(CK)：一直使用1/8MS營養(yǎng)液培養(yǎng)。②1次干旱脅迫與復(fù)水周期(Ⅰ)：用20% PEG-6000溶液干旱處理2 d，之后恢復(fù)1/8MS營養(yǎng)液培養(yǎng)1 d。③2次干旱脅迫與復(fù)水周期(Ⅱ)：用20% PEG-6000溶液干旱處理2 d，之后恢復(fù)1/8MS營養(yǎng)液培養(yǎng)1 d，重復(fù)2個周期。④3次干旱脅迫與復(fù)水周期(Ⅲ)：用20% PEG-6000溶液干旱處理2 d，之后恢復(fù)1/8MS營養(yǎng)液培養(yǎng)1 d，重復(fù)3個周期。首先進(jìn)行處理Ⅲ組玉米幼苗的干旱脅迫，待處理Ⅲ組第一個干旱脅迫和復(fù)水周期進(jìn)行完后，同步進(jìn)行處理Ⅱ組玉米幼苗的干旱脅迫與復(fù)水，最后進(jìn)行處理Ⅰ組玉米幼苗的干旱脅迫與復(fù)水。各處理采樣時間統(tǒng)一為最后1次干旱脅迫的復(fù)水前和復(fù)水后。

1.2測試項(xiàng)目與方法

1.2.1光合色素

隨機(jī)采集玉米幼苗的自上而下第2～3片完全展開葉用于光合色素的測定。參考高俊鳳[7]的方法：葉綠素a、b及類胡蘿卜素含量的測定采用丙酮提取，紫外-可見分光光度計(jì)比色法。

1.2.2光合參數(shù)

選距生長點(diǎn)第2片完全展開葉，使用Li-6400便攜式光合測定儀(Li-COR Inc.，USA)于上午9∶00—11∶00測定葉片光合特征參數(shù)。測定前先用1 400 μmol/(m2·s)光強(qiáng)光誘導(dǎo)15 min，然后測定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)，并計(jì)算水分利用率(Water Use Efficiency)WUE=Pn/Tr[7]。每組測定5個單植株，每次測量6次重復(fù)。干旱脅迫結(jié)束后立即測量，并于復(fù)水后連續(xù)測量3 d，測量時間分別標(biāo)記為復(fù)水前和復(fù)水后1、2、3 d。

1.2.3光響應(yīng)曲線

采用Li-6400便攜式光合測定儀于晴天8∶00—11∶00對玉米幼苗進(jìn)行光響應(yīng)曲線(Pn-PAR)的測定。找出生長狀況良好的植株，每處理測定3株植株，每處理選取長勢相同的葉片重復(fù)測定3次，取平均值進(jìn)行分析。測定時葉片溫度控制在25 ℃左右，相對濕度70%左右，光合儀中CO2濃度設(shè)置為400 μmol/mol，測定時采用紅藍(lán)光源，設(shè)置2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、20和0 μmol/(m2·s)共14個遞減光合有效輻射(Photosynthetically active radiation，PAR)梯度，每個光強(qiáng)梯度下測定2 min。干旱處理結(jié)束后測定1次，復(fù)水后1 d再測定1次。根據(jù)得到的不同光合有效輻射的凈光合速率繪制光合速率的光響應(yīng)(Pn-PAR)曲線，參考李英浩等[8]的方法采用非直角雙曲線模型對光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合分析。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)的走勢，參考劉明等[9]的方法計(jì)算最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等參數(shù)。

1.2.4葉綠素?zé)晒鈪?shù)

選取生長狀況良好的葉片，暗適應(yīng)30 min后用Li-6400便攜式光合測定儀上的熒光探頭測定暗適應(yīng)下最小初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)。測定完后用1 400 μmol/m2·s光強(qiáng)照射葉片進(jìn)行光適應(yīng)，等待讀數(shù)穩(wěn)定后測定光適應(yīng)下最小熒光(F0′)、最大熒光(Fm′)、PSⅡ反應(yīng)中心實(shí)際的光化學(xué)效率(Fv′/Fm′)、穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)。每組測定5個單植株，每次測6次以上重復(fù)。從干旱處理結(jié)束后測量1次，然后進(jìn)行復(fù)水，復(fù)水后1～2 d每天各測1次。參照BRUGNOLI E等[10]的方法，由以上測定的熒光參數(shù)計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)效率：Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm；PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率：ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′；光化學(xué)猝滅系數(shù)：qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-F0′)；非光化學(xué)猝滅系數(shù)：qN=(Fm-Fm′)/(Fm-F0′)。

1.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，并采用LSD和Duncan多重比較法進(jìn)行顯著差異性檢驗(yàn)；采用SigmaPlot 12.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1光合色素

由圖1可知，各處理下玉米幼苗的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量在復(fù)水前、后差異均顯著，類胡蘿卜素變化較小。復(fù)水前，與處理CK相比，不同干旱脅迫周期下葉綠素a均顯著降低，處理Ⅱ下降最多為68.57%，處理Ⅰ、Ⅲ分別下降31.43%和28.57%；處理Ⅰ、Ⅱ的葉綠素b較處理CK顯著降低23.68%和62.28%；處理Ⅰ、Ⅱ的葉綠素總量較處理CK顯著降低25.50%和63.76%；處理Ⅱ的類胡蘿卜素較處理CK顯著提高29.58%。復(fù)水后，處理Ⅰ、Ⅲ的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量均顯著恢復(fù)到處理CK水平。處理Ⅱ復(fù)水后各指標(biāo)與處理CK均有顯著差異，葉綠素a較處理CK低22.86%，葉綠素b低21.93%，葉綠素總量低49.66%。各處理的類胡蘿卜素復(fù)水后差異不顯著。與復(fù)水前相比，復(fù)水后處理Ⅰ、Ⅱ的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均有所升高，增幅分別占處理CK的40.00%和37.14%，31.58%和40.35%，33.56%和41.61%；處理Ⅲ在復(fù)水前后葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量的增幅均最小。以上說明，干旱脅迫處理中，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量均下降，類胡蘿卜素變化相對穩(wěn)定，其中處理Ⅱ的變化最大。

注：BRw為復(fù)水前，ARw為復(fù)水后；同列不同小寫字母表示0.05水平上差異顯著(P<0.05)，下(圖/表)同。圖1 不同處理對玉米幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量的影響Fig.1 Effects of different treatments on content of chlorophyll a，chlorophyll b， total chlorophyll and carotenoid of maize seedlings

2.2光合參數(shù)

由圖2可知，不同干旱脅迫與復(fù)水周期對復(fù)水前、復(fù)水1 d、復(fù)水2 d和復(fù)水3 d后玉米幼苗Pn、Gs、Ci和Tr的影響顯著。玉米幼苗Pn隨著干旱脅迫次數(shù)的增加逐漸降低，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的Pn分別較處理CK顯著降低52.58%、69.07%和78.56%；復(fù)水后，各處理的Pn呈現(xiàn)不同的變化趨勢，處理Ⅰ逐漸增加，處理Ⅱ先增加后降低，處理Ⅲ持續(xù)降低，在復(fù)水3 d后出現(xiàn)負(fù)值；復(fù)水1 d后，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的Pn仍然分別較處理CK顯著降低31.79%、27.18%和52.31%；復(fù)水2 d后，處理Ⅰ的Pn增加至處理CK水平，處理Ⅱ的Pn較處理CK顯著提高29.96%；復(fù)水3 d后，處理Ⅰ的Pn繼續(xù)增加，較處理CK顯著提高26.15%，處理Ⅱ的Pn反而大幅度降低，較處理CK顯著降低50.77%。

玉米幼苗Gs隨著干旱脅迫次數(shù)的增加逐漸降低，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的Gs分別較處理CK顯著降低17.39%、56.52%和56.52%；復(fù)水后，處理Ⅰ、Ⅱ的Gs在復(fù)水1 d后稍微降低，而在復(fù)水2 和3 d后持續(xù)增大，處理Ⅲ的Gs則隨著復(fù)水時間的延長不斷增大。處理CK的Gs在干旱脅迫時期和復(fù)水后均顯著高于其他處理組。

與Pn和Gs不同的是，處理Ⅲ的Ci在干旱脅迫時期和復(fù)水后均顯著大于其他處理組。干旱時期，玉米幼苗Ci隨著干旱脅迫次數(shù)的增加而增大，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的Ci分別較處理CK顯著提高154.53%、219.08%和305.69%；復(fù)水后，各處理的Ci呈現(xiàn)不同的變化趨勢，處理Ⅰ和Ⅱ先降低后增加，處理Ⅲ持續(xù)增加；復(fù)水3 d后，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的Ci分別較干旱時期增加72.08%、76.50%和123.55%。

注：ARw-1為復(fù)水1 d，ARw-2為復(fù)水2 d，ARw-3為復(fù)水3 d，下圖同。圖2 不同處理對玉米幼苗凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率的影響Fig.2 Effects of different treatments on content of net photosynthetic rate(Pn)，stomatal conductance(Gs)， intelcellular CO2 concentration(Ci)and transpiration rate(Tr)of maize seedlings

Tr隨著干旱脅迫次數(shù)的增加而降低，復(fù)水后，處理Ⅰ、Ⅱ的Tr隨著復(fù)水時間的延長逐漸增加，處理Ⅲ的Tr在復(fù)水1 d后恢復(fù)到處理CK水平，之后隨著復(fù)水時間的延長呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。處理CK的Tr在干旱脅迫時期和復(fù)水后均顯著高于其他處理組。

2.3水分利用率

由圖3可知，不同干旱脅迫與復(fù)水周期對復(fù)水前、復(fù)水1 d、復(fù)水2 d和復(fù)水3 d后玉米幼苗葉片水分利用效率WUE的影響均顯著。干旱時期，各處理下玉米幼苗WUE均顯著降低，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的WUE分別較處理CK顯著降低48.17%、30.79%和54.73%；復(fù)水后，各處理下的WUE均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。復(fù)水1 d后，處理Ⅱ、Ⅰ的WUE較處理CK顯著提高15.26%和20.21%，處理Ⅲ的WUE較處理CK降低54.23%；復(fù)水2 d后，處理Ⅱ、Ⅰ的WUE較處理CK顯著提高53.79%和43.94%，處理Ⅲ的WUE較CK降低46.59%；復(fù)水3 d后，處理Ⅰ的WUE較處理CK顯著提高70.65%，處理Ⅱ的WUE與處理CK無顯著差異，處理Ⅲ的WUE出現(xiàn)負(fù)值，較處理CK降低242.29%?？傮w上，處理Ⅱ的WUE在干旱時期和復(fù)水后顯著高于其他處理組。

圖3 不同處理對玉米幼苗水分利用率的影響Fig.3 Effects of different treatments on water use efficiency of maize seedlings

2.4光響應(yīng)曲線

由圖4可知，干旱脅迫下各處理玉米幼苗的Pn值降低，復(fù)水后Pn值總體升高。干旱脅迫下，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的光響應(yīng)曲線均位于上控制線之下，其Pn值顯著小于處理CK，處理CK的光響應(yīng)曲線總體上位于上控制線之上；處理Ⅰ的光響應(yīng)曲線全部位于平均線之下，可以看出處理Ⅰ各PAR下玉米幼苗的Pn值均最??；當(dāng)PAR>800時，Pn隨著PAR的增強(qiáng)基本保持平穩(wěn)，這與處理CK的趨勢基本相同；處理Ⅱ的Pn隨著PAR的增強(qiáng)基本保持穩(wěn)定，其光響應(yīng)曲線在平均線上下波動，但是幅度不大，表明玉米幼苗光能利用能力對輕度、中度干旱脅迫有一定的耐受性。復(fù)水后，各處理的光響應(yīng)曲線均上移，表現(xiàn)出一定的光補(bǔ)償效應(yīng)?？傮w上，處理Ⅱ的光響應(yīng)曲線位于上控制線之上，處理CK的光響應(yīng)曲線位于上控制線和平均線之間，處理Ⅲ的光響應(yīng)曲線在平均線上下小幅度波動，處理Ⅰ的光響應(yīng)曲線總體上位于平均線以下，各處理Pn隨著PAR的增強(qiáng)基本符合處理Ⅱ>處理CK>處理Ⅲ>處理Ⅰ的規(guī)律。

表1為通過對光強(qiáng)響應(yīng)曲線進(jìn)行回歸分析求得的干旱-復(fù)水條件下玉米幼苗的光合參數(shù)。隨著干旱脅迫程度的增強(qiáng)，Pnmax、AQE和Rd呈降低趨勢，LCP和LSP呈升高趨勢。干旱脅迫下，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的Pnmax分別較處理CK顯著降低95.07%、66.69%和75.66%；AQE分別較處理CK顯著降低81.55%、63.74%和96.73%；Rd分別較處理CK顯著降低11.92%、37.69%和112.31%；處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的復(fù)水后各處理玉米幼苗的Pnmax顯著提高，處理Ⅱ、Ⅲ的Pnmax分別較處理CK顯著增大39.05%、22.70%，處理Ⅰ較處理CK顯著低26.83%；各處理下玉米幼苗的AQE、LCP、LSP和Rd在復(fù)水后則表現(xiàn)出不同的變化趨勢，處理Ⅰ、Ⅲ的AQE分別較處理CK顯著提高493.84%和191.0%，處理Ⅱ則降低到處理CK水平；處理Ⅰ、Ⅱ的LCP在復(fù)水后下降，分別較處理CK顯著降低69.47%、40.21%，處理Ⅲ的LCP則較處理CK顯著增加280.43%；處理Ⅰ、Ⅱ的LSP在復(fù)水后顯著提高，分別較處理CK提高81.83%、33.17%，處理Ⅲ顯著降低51.97%；處理Ⅰ、Ⅱ的Rd在復(fù)水后顯著降低，分別較處理CK降低253.57%、10.71%，處理Ⅲ顯著提高1246.43%。

注：上控制線和平均線為SigmaPlot 12.0作圖軟件自帶的基準(zhǔn)線，協(xié)助用于比較各組數(shù)據(jù)之間的差異。圖4 不同處理對玉米幼苗光響應(yīng)曲線的影響Fig.4 Effects of different treatments on light response curves of maize seedlings

表1 干旱-復(fù)水條件下各處理玉米幼苗的光響應(yīng)特征參數(shù)值

LCP分別較處理CK顯著提高265.55%、303.58%和298.43%；LSP分別較處理CK顯著提高94.09%、152.46%和391.79%。

2.5光合熒光參數(shù)

圖5為不同干旱脅迫與復(fù)水周期對玉米幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響。Fv/Fm是PSⅡ反應(yīng)中內(nèi)稟光能的轉(zhuǎn)化效率，能反映PSⅡ利用光能的能力。干旱脅迫時期，處理Ⅰ的Fv/Fm比處理CK顯著降低38.15%，復(fù)水后恢復(fù)到處理CK水平；處理Ⅱ、Ⅲ的Fv/Fm在復(fù)水前后與處理CK無顯著差異。

ΦPSⅡ能反映植物對吸收的太陽光能的轉(zhuǎn)換能力。qP表示PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，反映PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度。圖5顯示不同干旱復(fù)水周期對ΦPSⅡ和qP的影響趨勢一致。干旱時期，處理Ⅰ、Ⅱ的ΦPSⅡ和qP分別比處理CK顯著降低84.42%、45.66%和46.80%、23.81%，處理Ⅲ的ΦPSⅡ和qP比處理CK顯著增加36.11%和27.91%；復(fù)水后ΦPSⅡ和qP逐漸回升，處理Ⅰ的ΦPSⅡ和qP在復(fù)水后隨著時間的延長而逐漸升高，處理Ⅱ、Ⅲ的ΦPSⅡ和qP在復(fù)水后均呈現(xiàn)“先升后降”的趨勢，處理Ⅱ的ΦPSⅡ和qP在復(fù)水后1 d提高到處理CK水平，而復(fù)水后2 d的ΦPSⅡ卻比處理CK顯著降低23.90%，qP與處理CK無顯著差異；處理Ⅲ的ΦPSⅡ和qP在復(fù)水后1 d分別較處理CK顯著提高42.03%和36.28%，復(fù)水后2 d的ΦPSⅡ降低到處理CK水平，qP有所降低，但仍比處理CK顯著高26.93%。

qN表示天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的部分，是一種保護(hù)機(jī)制，對植物光合機(jī)構(gòu)免受破壞起到積極的推動作用。玉米幼苗的qN在復(fù)水前后均顯著提高。復(fù)水前，各處理的qN呈現(xiàn)處理Ⅰ>處理Ⅱ>處理Ⅲ>處理CK的規(guī)律；復(fù)水后qN繼續(xù)升高，于復(fù)水后1 d升高到最高水平，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的qN分別比處理CK顯著提高34.96%、18.41%和12.15%；各處理qN于復(fù)水后2 d有所降低，但仍顯著高于處理CK水平。

3 討論與結(jié)論

光合作用是玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量形成最重要的生理代謝過程，分析干旱脅迫和復(fù)水條件下光合作用的可塑性是確定作物對水分敏感性的有效方法[11]。光合色素具有吸收和傳遞光能的作用，其含量的變化在一定程度上反映出植物的光合特性[12]。水分利用效率(WUE)能夠反映出植物光合和蒸騰之間的關(guān)系。干旱脅迫下植物體內(nèi)水分虧缺會降低WUE，引起植物體內(nèi)光合色素減少，光合速率和蒸騰速率降低，導(dǎo)致光系統(tǒng)Ⅱ受損，抑制光合作用[13]。

本試驗(yàn)中，隨著干旱脅迫周期的增加，玉米幼苗葉綠素和類胡蘿卜素含量分別呈現(xiàn)先減少后增加和先增加后減少的趨勢；Pn、Gs和Tr顯著下降，Ci顯著升高，說明干旱脅迫下Pn降低主要是由葉肉細(xì)胞光合能力降低引起的非氣孔因素導(dǎo)致的，這與楊建偉等[14]對麻葉繡線菊的研究結(jié)果一致。Pn和Tr的顯著下降導(dǎo)致WUE顯著降低，說明干旱脅迫抑制了葉綠素的合成，進(jìn)而抑制了玉米幼苗的光合作用，導(dǎo)致同化物減少，抑制了玉米幼苗的生長[15]。復(fù)水后，處理Ⅰ的1次干旱后恢復(fù)供水對植物的損傷可在2～3 d內(nèi)得到恢復(fù)，葉綠體色素含量與對照沒有顯著差異。處理Ⅱ的2次持續(xù)的干旱周期在恢復(fù)供水后造成的損傷體現(xiàn)在葉綠素含量的顯著降低和氣孔在恢復(fù)供水后的控制，其恢復(fù)供水后的補(bǔ)償性吸水更顯著。此時，植物不得不通過保護(hù)性物質(zhì)，如胡蘿卜素含量的提升來抵御干旱脅迫，這種適應(yīng)使得植物在復(fù)水后有更快的恢復(fù)光合的能力，但這種損傷程度較重，因此恢復(fù)光合的能力也不具備持續(xù)性[16]。而處理Ⅲ的3次連續(xù)的干旱周期下，玉米幼苗在完成了保護(hù)性物質(zhì)積累后依然無法抵御干旱逆境而表現(xiàn)出：葉綠素含量彌補(bǔ)性恢復(fù)，保護(hù)性物質(zhì)胡蘿卜素含量降低，復(fù)水3 d后各處理Gs和Ci呈現(xiàn)出顯著差異，說明植物對嚴(yán)重干旱脅迫的記憶持續(xù)時間較長，且反復(fù)的干旱脅迫會加重對葉片氣孔的控制，植物不得不以降低Tr的方式來控制Gs，進(jìn)而造成光合的損失[17]。細(xì)胞間CO2積累，表明即使有足夠的CO2植物也無法提升光合速率，因此Pn依然非常低，WUE也不斷降低，甚至出現(xiàn)負(fù)值。說明，輕度和適度干旱脅迫后恢復(fù)供水對植物具有一定的補(bǔ)償效應(yīng)，而重度干旱脅迫可能對植物造成不可逆的傷害，導(dǎo)致植物體內(nèi)代謝紊亂，即使恢復(fù)供水也難以補(bǔ)救[18-19]。

圖5 不同處理對玉米幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.5 Effects of different treatments on chlorophyll fluorescence parameters of maize seedlings

通過Pn-PAR曲線回歸分析計(jì)算的Pnmax、AQE、LCP、LSP和Rd等光合參數(shù)也可以用來反映植物對光能的利用能力[20]。表觀量子效率AQE越大，植物對光能的利用能力越高；LCP越小，植物對弱光的利用能力越強(qiáng)；LSP越大，植物對強(qiáng)光的利用能力越強(qiáng)[21]。鄧沛怡等[13]研究表明，干旱脅迫下6種藤本植物的Pnmax、AQE、LCP、LSP和Rd的值隨著干旱脅迫的加重整體降低。本試驗(yàn)中，干旱脅迫導(dǎo)致玉米幼苗Pnmax、AQE和Rd顯著降低，LCP明顯增加，表明干旱脅迫下玉米幼苗的光合生態(tài)幅會收窄，對光能的利用效率會降低，這與王彬等[22]的研究結(jié)果一致。此外，玉米通過減弱呼吸作用，可以在一定程度上減少對光合產(chǎn)物的消耗，從而積累有機(jī)物去抵御干旱脅迫，這些可能是玉米幼苗適應(yīng)干旱逆境的光合生理策略[23]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為光合作用內(nèi)在的有效探針，可以直接反映干旱脅迫下植物的葉綠體功能和光合特性，是研究植物抗旱性的良好指標(biāo)[24]。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)所檢測到的葉綠素?zé)晒庑畔⒅饕莵碜杂谥参锶~綠體PSⅡ反應(yīng)中心天線色素蛋白復(fù)合體中的葉綠素a分子[25]。植物在干旱脅迫下，光系統(tǒng)Ⅱ被破壞后，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)體醌數(shù)量減少，降低了相對電子傳遞速率和植物葉片細(xì)胞產(chǎn)生電子的能力，導(dǎo)致最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)降低，進(jìn)而限制了葉片的CO2同化作用，降低光能利用率，產(chǎn)生過剩光能，為避免過量的光能帶來的傷害，植物體通過增加qN以熱的形式來猝滅多余的能量，從而起到保護(hù)的作用，增強(qiáng)光系統(tǒng)Ⅱ?qū)Νh(huán)境的適應(yīng)性[26]。本試驗(yàn)中，處理Ⅰ下玉米幼苗的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP在干旱脅迫下均顯著降低，qN顯著增加；復(fù)水后，F(xiàn)v/Fm在復(fù)水后1 d就恢復(fù)到對照水平，ΦPSⅡ和qP逐漸增加，說明1次干旱復(fù)水周期下玉米幼苗出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象是可逆的，此時玉米幼苗能夠通過快速增加qN來啟動光保護(hù)系統(tǒng)，減輕過量光能對光系統(tǒng)的傷害，這與張玉玉等[27]對側(cè)柏幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究結(jié)果一致。處理Ⅱ下玉米幼苗的ΦPSⅡ和qP在干旱脅迫下顯著降低，復(fù)水后2 d呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，與處理Ⅰ相比，處理Ⅱ的qN在復(fù)水前后的變化幅度也較小，說明2次干旱脅迫周期下玉米幼苗光保護(hù)機(jī)制可能出現(xiàn)一定破壞，復(fù)水后沒有及時恢復(fù)，進(jìn)一步說明2次干旱脅迫周期可能將要超過植株對逆境脅迫的耐受生態(tài)幅[28]。經(jīng)過前面連續(xù)2次的干旱脅迫與復(fù)水周期，玉米幼苗體內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)一定的“脅迫記憶”，在面對第3次干旱脅迫時，植株調(diào)動所有能量來面對干旱脅迫，因此，處理Ⅲ的實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSⅡ和qP顯著升高，但Fv/Fm和qN變化都不顯著[17]。連續(xù)3次的干旱脅迫導(dǎo)致玉米幼苗PSⅡ活性中心受損更加嚴(yán)重，葉片光合活性進(jìn)一步降低，植物體內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的生理紊亂，導(dǎo)致PSⅡ光合中心光抑制嚴(yán)重。這一結(jié)論剛好與葉綠素含量的變化相呼應(yīng)，進(jìn)一步說明重度干旱脅迫對植物造成了不可逆的傷害，即使恢復(fù)供水也難以補(bǔ)救。

綜上表明，復(fù)水對少量干旱脅迫次數(shù)下玉米幼苗干旱鍛煉具有正向補(bǔ)償效應(yīng)；玉米在蹲苗時應(yīng)嚴(yán)格控制干旱脅迫的次數(shù)，避免因干旱次數(shù)太過對玉米造成損傷，影響幼苗生長。