高溫脅迫對不同耐熱型馬鈴薯塊莖形成期生長和光合特性的影響*

周進華 ,李有涵 ,張興 ,胡榮海 ,郭華春**

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院薯類研究所 昆明 650201;2. 云南泵龍馬鈴薯種植有限公司 昆明 655200)

全球變暖日益加劇,在過去的50 年中,氣溫升高的速度是20 世紀(jì)的2 倍,到21 世紀(jì)末,全球平均氣溫預(yù)計將上升1.5～4.5 ℃,部分地區(qū)已出現(xiàn)極端高溫氣候[1-2]。目前,馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)已成為谷類作物外,最重要的糧食作物。其喜性冷涼,對高溫敏感。高溫對馬鈴薯植株形態(tài)、光合作用、塊莖形成和產(chǎn)量品質(zhì)等均有顯著影響。與莖葉相比,馬鈴薯的塊莖發(fā)育過程對高溫更為敏感,當(dāng)環(huán)境溫度超過25 ℃時,塊莖則停止生長,溫度超過39 ℃時,莖葉停止生長[3]。Kooman等[4]發(fā)現(xiàn),高溫會限制馬鈴薯葉片的擴展,導(dǎo)致葉面積縮小,同時影響莖的伸長。

光合作用是作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)形成的前提,也是響應(yīng)高溫脅迫最為敏感的生理過程之一,因此光合作用相關(guān)生理參數(shù)可作為評價作物高溫抗性的重要指標(biāo)[5-6]。高溫脅迫對植物的光反應(yīng)和暗反應(yīng)均有明顯影響,不同植物或同種植物的不同耐熱型種質(zhì)資源在受到高溫脅迫時,葉片光合特征參數(shù)的變化規(guī)律也不一致[7]。馬鈴薯光合作用的最低溫度為0～7 ℃,最適溫度為16～25 ℃,最高溫度為40 ℃[8]。馬鈴薯凈光合速率與暗呼吸速率比例最適的環(huán)境溫度為16～20 ℃,當(dāng)溫度每升高10 ℃,暗呼吸速率增加1倍[9]。歐洲大部分馬鈴薯栽培種光合作用的最適溫度為20 ℃,當(dāng)溫度降至10 ℃時,凈光合速率降低25%;當(dāng)溫度在20 ℃的基礎(chǔ)上每增加5 ℃時,凈光合速率降低大約25%,當(dāng)溫度高于30 ℃時,馬鈴薯植株的凈光合速率降低至0[10]。高溫會抑制馬鈴薯的光合作用,與耐熱型馬鈴薯相比,熱敏感型馬鈴薯在40 ℃下處理9 d 后,葉片的CO2固定受到更嚴(yán)重的抑制,并且光合色素?fù)p失更為明顯[11]。Wang等[12]以‘隴薯3 號’為研究對象,分別在馬鈴薯苗期和分枝期進行6 h 的高溫處理,發(fā)現(xiàn)高溫脅迫對分枝期馬鈴薯光合作用的影響大于苗期。

目前,高溫脅迫對馬鈴薯幾個關(guān)鍵生長時期葉片光合作用的影響已有報道,但針對塊莖發(fā)育時期的相關(guān)研究鮮有報道。塊莖形成期作為馬鈴薯經(jīng)濟產(chǎn)量形成最基礎(chǔ)的時期,在生產(chǎn)中具有決定性作用,同時耐熱型和熱敏感型馬鈴薯種質(zhì)資源在高溫脅迫下的光合特性差異還不明確。本研究在馬鈴薯塊莖形成期,比較分析高溫脅迫下熱敏感型品種‘青薯9 號’和耐熱型品系‘滇187’的植株形態(tài)、結(jié)薯性狀和葉片光合特性的差異,從形態(tài)和光合特性方面綜合解析馬鈴薯耐熱性存在差異的生理機理,為馬鈴薯高溫抗性的機制研究提供參考依據(jù),為耐熱品種選育奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試馬鈴薯材料由云南農(nóng)業(yè)大學(xué)薯類研究所提供,分別為熱敏感型品種‘青薯9 號’和耐熱型品系 ‘滇187’[13]。

1.2 植物材料培養(yǎng)環(huán)境

試驗材料采用盆栽種植于人工氣候箱(賽福實驗儀器公司)內(nèi),培養(yǎng)箱長、寬、高分別為160 cm、60 cm、120 cm,采用LED 植物生長燈垂直光照,控光范圍:0～200 μmol·m-2·s-1,控溫范圍:10～50 ℃,控濕范圍:40%～95%。營養(yǎng)缽高15 cm,直徑12 cm,容積為1 L。單個培養(yǎng)箱可放置65 盆。

1.3 植物材料高溫脅迫處理方法

將生長一致的馬鈴薯組培苗頂芽轉(zhuǎn)接于MS 培養(yǎng)基中培養(yǎng)20 d [16 h 光照/8 h 黑暗、光強度100 μmol·m-2·s-1、溫度(20±1) ℃],隨后將組培苗移栽至經(jīng)高溫滅菌的基質(zhì)土中,置于人工氣候箱中煉苗20 d[16 h 光照/8 h 黑暗、光強度為100 μmol·m-2·s-1、溫度(20±0.5) ℃、相對濕度為75%]。選擇生長一致的植株進行試驗處理,將人工氣候箱培養(yǎng)條件調(diào)整為12 h 光照/12 h 黑暗,光強200 μmol·m-2·s-1,相對濕度45%,溫度(20±0.5) ℃,在此條件下培養(yǎng)至植株匍匐莖形成期。再選取20 株生長勢一致的植株進行高溫處理[(30±0.5) ℃],20 株繼續(xù)在(20±0.5) ℃下培養(yǎng)。2 個處理除溫度不同外,其余環(huán)境因子均相同。試驗處理期間每天澆水,保證土壤相對含水量在田間持水量的80%。

1.4 植株形態(tài)及光合作用參數(shù)測定方法

1.4.1 植株形態(tài)指標(biāo)測定

植株高溫處理2 周后(塊莖形成期),每個處理選取10 株進行形態(tài)指標(biāo)測量。株高采用直尺測量植株基部到頂端生長點的長度(cm);莖粗采用游標(biāo)卡尺測量植株倒4 葉與倒5 葉間主莖的直徑(mm);葉面積采用長寬系數(shù)法,用直尺測定植株倒4 葉頂小葉的最長和最寬,并采用公式計算:葉長×葉寬×0.76(cm2);葉寬長比=葉寬/葉長;葉全長采用直尺測定植株倒4 葉的葉柄基部到葉尖的長度(cm);葉夾角用量角器測定植株倒4 葉的葉柄與主莖之間的角度(°);葉垂角用量角器測定植株倒4 葉的葉尖到葉柄基部的直線與主莖之間的角度(°);披垂角=葉垂角-葉夾角(°);節(jié)間長用直尺測定每兩個節(jié)之間的間距,并計算平均值(cm);小葉數(shù)統(tǒng)計植株倒4 葉頂小葉和側(cè)小葉數(shù)量;葉片數(shù)為馬鈴薯植株綠色復(fù)葉的數(shù)量。

1.4.2 光合作用參數(shù)測定

在開展植株形態(tài)指標(biāo)測定的同時,使用Li-6400XT 光合-熒光記錄儀(Li-Cor,USA)對葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)進行測定,所有參數(shù)均選擇植株倒4 葉的頂小葉進行測定。凈光合速率、光響應(yīng)曲線、CO2響應(yīng)曲線、光誘導(dǎo)曲線和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定均參照Li-6400XT 光合-熒光記錄儀的操作說明,測定完成后,參照雙升普等[14]的方法進行相關(guān)光合特征參數(shù)計算。

1.4.3 產(chǎn)量測定

當(dāng)對照組處于塊莖成熟期時,收獲各處理組植株薯塊,用分析天平稱量馬鈴薯的單株產(chǎn)量(g)、統(tǒng)計單株結(jié)薯數(shù),計算平均單個薯重=單株產(chǎn)量/單株結(jié)薯數(shù)(g),每個處理組選取9 個植株進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

1.4.4 可塑性分析

在高溫和適溫處理測定指標(biāo)的所有生物學(xué)重復(fù)中找出最大值和最小值,并用公式計算:可塑性指數(shù)=(最大值-最小值)/最大值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理,SPSS 26.0 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,用Origin 2020b 進行主成分分析,用Sigmaplot 14.0 和GraphPad Prism 8 擬合曲線及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 ‘青薯9 號’和‘滇薯187’在高溫脅迫下的結(jié)薯特征

‘青薯9 號’(QS9)在20 ℃正常結(jié)薯,單株結(jié)薯重量為13.05 g、單株結(jié)薯數(shù)目為1.89 個、單個薯平均重量為8.65 g;而QS9 在30 ℃僅形成少量匍匐莖,不能結(jié)薯(圖1,圖2)。‘滇187’(D187)在20 ℃下,單株結(jié)薯重量為22.89 g、單株結(jié)薯數(shù)目為2.89 個、單個薯平均重量8.6 g;與QS9 不同,D187 在30 ℃下,依然可以結(jié)薯,但結(jié)薯性狀各項指標(biāo)均顯著(P＜0.01)下降(圖2)。根據(jù)上述結(jié)果,將QS9 歸為熱敏感型種質(zhì),而將D187 歸為耐熱型種質(zhì),本研究將利用這2個品種(系)開展后續(xù)研究。

圖1 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下的結(jié)薯表現(xiàn)Fig.1 Tuberization of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃) temperatures

圖2 ‘青薯9 號’和‘滇187’馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下的產(chǎn)量性狀Fig.2 Yield characters of potato materials QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃) temperatures

2.2 耐熱型和熱敏感型馬鈴薯在高溫脅迫下的植株形態(tài)變化

與20 ℃相比,在30 ℃下生長的QS9 和D187植株株高顯著(P＜0.01)增加,增長比例分別為49.05%和49.33% (圖3,圖4a),但節(jié)數(shù)沒有顯著變化(圖4b),但節(jié)間顯著伸長(圖4c)。與20 ℃相比,在30 ℃下QS9 和D187 的莖粗沒有顯著改變(圖4d),QS9 的葉片數(shù)目顯著(P＜0.05)減少,而D187 沒有顯著改變(圖4e)。馬鈴薯的葉面積在高溫下顯著(P＜0.01)縮小,QS9 和D187 的葉面積分別顯著減小48.59%和54.36%,葉全長分別顯著減小8.39%和11.41%,而葉片寬長比和小葉數(shù)并無顯著變化(圖4i-l)。高溫下,馬鈴薯植株葉片更為直立,展現(xiàn)出向上性生長(圖3),QS9 和D187 葉片夾角分別顯著(P＜0.01)減少39.29%和45.72% (圖4f),葉垂角分別顯著(P＜0.01)減少43.67%和31.47% (圖4g),QS9 的披垂角顯著(P＜0.01)減少54.45%,但D187 無顯著變化(圖4h)。由以上分析可知,高溫脅迫對不同耐熱型馬鈴薯的植株形態(tài)影響是相似的,但在高溫環(huán)境下耐熱型的D187 的葉片數(shù)目和披垂角性狀更為穩(wěn)定。

圖3 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下植株株型和葉片性狀Fig.3 Plant architecture and leaf morphology of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃) temperatures

圖4 ‘青薯9 號’和‘滇187’馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下植株株型和葉片形態(tài)指標(biāo)Fig.4 Morphological indexes of plant architecture and leaf of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃)temperatures

2.3 耐熱型和熱敏感型馬鈴薯在高溫下的光合特征

在高溫脅迫下,D187 的凈光合速率(Pn)和氣孔導(dǎo)度(Gs)均呈上升趨勢(未達顯著水平);而QS9的Pn和Gs均呈下降趨勢,其中Pn顯著下降26.90%(P＜0.01)。QS9 和D187 的胞間CO2濃度(Ci)、水分利用效率(WUE)均表現(xiàn)出下降趨勢,且WUE 下降水平顯著(P＜0.01),蒸騰速率(Tr)均表現(xiàn)為顯著上升(P＜0.05)。與QS9 相比,高溫脅迫下D187 有較高的Pn和WUE,說明高溫脅迫下耐熱型馬鈴薯的光合能力更強(表1)。

表1 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下的凈光合速率及相關(guān)參數(shù)Table 1 Net photosynthetic rate and related parameters of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃)temperatures

2.4 耐熱型和熱敏感型馬鈴薯在高溫下凈光合速率響應(yīng)光照強度、CO2 濃度及相關(guān)參數(shù)的變化特征

2.4.1 光響應(yīng)特征及相關(guān)參數(shù)

光響應(yīng)相關(guān)參數(shù)能有效反映植物對光強度的利用范圍,高溫處理下2 個不同耐熱型馬鈴薯的最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)和暗呼吸速率(Rd)均升高,其中D187的Pnmax顯著升高60.18% (P＜0.01),QS9 的LSP、LCP 分別顯著升高41.37% (P＜0.01)、40.54% (P＜0.05)。D187 的表觀量子效率(AQY)在高溫處理下無顯著變化,而QS9 的AQY 則顯著降低25.00% (P＜0.01) (表2)。由此說明,高溫下馬鈴薯對強光的利用能力增強,對弱光的利用能力減弱,呼吸消耗增加。高溫脅迫下,D187 比QS9 具有更高的Pnmax和AQY,更低的LCP和Rd,這說明耐熱型馬鈴薯在高溫脅迫下具有更強的光能利用能力和更低的呼吸消耗。

表2 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下的光響應(yīng)特征參數(shù)Table 2 Parameters of light response of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃) temperatures

2.4.2 CO2 響應(yīng)特征及相關(guān)參數(shù)的影響

與20 ℃相比,在30 ℃下QS9 和D187 的光呼吸速率(RL)降低,CO2補償點(CCP)升高,最大電子傳遞速率(Jmax)及Jmax/Vcmax均降低,其中QS9的RL顯著降低26.21% (P＜0.05),CCP 顯著升高24.77%(P＜0.01),Jmax/Vcmax顯著降低了11.22% (P＜0.05),但羧化效率(CE)無變化(表3)。此外,高溫處理對QS9和D187的Vcmax影響均不顯著。由此可知,伴隨著溫度的升高,馬鈴薯對高濃度CO2的利用能力增強,對低濃度CO2的利用能力減弱,光下的呼吸消耗增強。D187 在高溫下比QS9 具有更高的CE、Vcmax、Jmax和Jmax/Vcmax,說明在面對高溫脅迫時耐熱型馬鈴薯具有更高的碳同化能力和RuBP 的再生潛力。

表3 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下的CO2 響應(yīng)特征參數(shù)Table 3 Parameters of CO2 response of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃) temperatures

2.5 高溫脅迫對不同耐熱型馬鈴薯光合誘導(dǎo)特征及相關(guān)參數(shù)的影響

由表4 可知,高溫對QS9 和D187 光合誘導(dǎo)相關(guān)參數(shù)的影響一致。30 ℃處理下,2 個不同耐熱型馬鈴薯暗適應(yīng)后達到最大凈光合速率30%所需的時間(T30%P)、暗適應(yīng)后達到最大凈光合速率60%所需的時間(T60%P)、暗適應(yīng)后達到最大凈光合速率90%所需的時間(T90%P)顯著減少32.92%～52.24% (QS9P＜0.01;D187P＜0.05),暗適應(yīng)后60 s 所達到的最大凈光合速率百分比(IS60s) (P＜0.01)、暗適應(yīng)后300 s所達到的最大凈光合速率百分比(IS300s) (QS9P＜0.01;D187P＜0.05)、暗適應(yīng)后600 s 所達到的最大凈光合速率百分比(IS600s)顯著(QS9P＜0.01;D187P＜0.05)升高28.69%～234.86%。說明馬鈴薯的Pn在高溫脅迫下能更快達到最大值。

表4 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下的光合誘導(dǎo)特征參數(shù)Table 4 Parameters of photosynthetic induction of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃)temperatures

2.6 不同耐熱型馬鈴薯在高溫下葉綠素?zé)晒鈪?shù)及其在光響應(yīng)和光誘導(dǎo)過程中的變化

2.6.1 對黑暗下葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

對葉片進行葉綠素?zé)晒鈾z測可評價高溫脅迫對葉綠體的損傷程度。對表5 分析發(fā)現(xiàn),高溫脅迫下,2 個不同耐熱型馬鈴薯的葉綠素?zé)晒鈪?shù)均降低,其中黑暗下最大熒光強度(Fm)、光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)潛在光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)和PSⅡ潛在光化學(xué)活性(Fv/F0)顯著降低(P＜0.05,P＜0.01)。當(dāng)Fv/Fm＜0.75 時,表明植物受到不可逆的嚴(yán)重脅迫損傷[15]。在30 ℃高溫脅迫下,QS9 和D187的Fv/Fm均高于0.75,說明30 ℃的高溫脅迫沒有造成馬鈴薯葉片中葉綠體的不可逆損傷。

表5 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Table 5 Chlorophyll fluorescence parameters of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃) temperatures

2.6.2 對光下葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖5 可知,不同溫度處理下,2 個耐熱型馬鈴薯的熒光特征參數(shù)在光響應(yīng)過程中的變化一致,并且在大于300 μmol·m-2·s-1的光照強度下,高溫處理與對照才表現(xiàn)出明顯差異。隨著光照強度增強,電子傳遞速率(ETR)先快速增加后達到穩(wěn)定(圖5a);最大光化學(xué)量子效率(Fv′/Fm')、實際光化學(xué)量子效率(ΔF/Fm')和光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)均降低(圖5c,e,g);非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)升高(圖5i)。高溫處理使QS9 和D187 的ETR、Fv'/Fm'、ΔF/Fm'和qP升高,但兩者間并無顯著差異。在1000 μmol·m-2·s-1的光照強度下,不同溫度處理下Fv'/Fm'趨于一致,但ΔF/Fm'在300 μmol·m-2·s-1的光照強度后始終保持著顯著(P＜0.05)差異。高溫下,兩個馬鈴薯品種的NPQ 均降低,但QS9 下降趨勢更明顯。在1000 μmol·m-2·s-1的光照強度后,2 個品種的NPQ 又趨于一致。

光誘導(dǎo)過程中,不同溫度處理的QS9 和D187 的熒光特征參數(shù)變化一致。隨著誘導(dǎo)時間延長,ETR、ΔF/Fm'、qP和NPQ 快速升高后逐漸趨于平穩(wěn)(圖5b,f,h,j),Fv'/Fm'迅速下降后逐漸趨于平穩(wěn)(圖5d)。高溫處理使2 個不同耐熱型馬鈴薯的ETR、ΔF/Fm'、qP和NPQ 升高,但處理間和材料間的差異均不顯著。NPQ 在光照下誘導(dǎo)180 s 后又緩慢降低,且在高溫處理下的QS9 降低到與對照相同。Fv'/Fm'在高溫處理下降低,但2 種基因型馬鈴薯的變化差異均不顯著。

圖5 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下光響應(yīng)和光誘導(dǎo)過程中熒光特征參數(shù)的變化Fig.5 Changes of fluorescence characteristic parameters of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃)temperatures during light response and photosynthetic induction

2.7 耐熱型和熱敏感型馬鈴薯光能分配在光響應(yīng)和光誘導(dǎo)過程中的變化

馬鈴薯葉片捕獲的光能分配到不同耗散途徑的比例在光響應(yīng)和光誘導(dǎo)過程中表現(xiàn)出不同變化趨勢(圖6)。隨著光照增強,QS9 和D187 在不同溫度下的光化學(xué)耗散比例(ΦPSⅡ)逐漸減小,而非光化學(xué)猝滅耗散比例(ΦNPQ)和熒光耗散比例(Φf,d)逐漸增加。高溫處理下,2 個不同耐熱型馬鈴薯的ΦNPQ較對照顯著減少(P＜0.05),ΦPSⅡ顯著增加(P＜0.05),Φf,d無顯著變化,且試驗材料間光能分配到不同耗散途徑的比例無顯著差異。隨著光誘導(dǎo)時間的延長,2 個不同耐熱型馬鈴薯的ΦNPQ和Φf,d快速升高后緩慢降低,而ΦPSⅡ迅速降低后緩慢增加。高溫處理下,QS9 和D187的ΦNPQ和Φf,d較對照均顯著減少(P＜0.05),ΦPSⅡ顯著增加(P＜0.05),且QS9的ΦPSⅡ比D187 顯著增加(P＜0.05),ΦPSⅡ顯著減少(P＜0.05),Φf,d無顯著變化。由此表明,高溫改變了馬鈴薯的光能分配,且熱敏感型馬鈴薯比耐熱型的分配比例變化更大。

圖6 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯在正常溫度(20 ℃)和高溫(30 ℃)下光響應(yīng)和光誘導(dǎo)過程中的光能分配特征Fig.6 Characteristics of light energy distribution of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃) temperatures during light response and photosynthetic induction

2.8 高溫下不同耐熱型馬鈴薯植株形態(tài)、光合特征和產(chǎn)量性狀的可塑性

由圖7 可知,在形態(tài)指標(biāo)中,可塑性指數(shù)大于0.5 的參數(shù),QS9 有4 個,占比為33.33%;D187 有6 個,占比為50%。在光合特征中,QS9 可塑性指數(shù)大于0.5 的指標(biāo)有6 個,占比為23.08%;而D187 有10 個,占比為38.46%。總體上,QS9 的平均可塑性指數(shù)為0.418,D187 的平均可塑性指數(shù)為0.448,在高溫脅迫下D187 在形態(tài)和光合作用方面可塑性高于QS9。這說明D187 能夠更好地通過調(diào)節(jié)植株形態(tài)和光合作用來適應(yīng)高溫環(huán)境。

圖7 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)馬鈴薯高溫(30 ℃)下形態(tài)、光合和產(chǎn)量特征等各參數(shù)的表型可塑性指數(shù)Fig.7 Phenotypic plasticity indexes of parameters of morphology,photosynthesis,and yield of potato materials of QS9 and D187 at high (30 ℃) temperatures

2.9 耐熱型和熱敏感型馬鈴薯響應(yīng)高溫的主成分分析

對QS9 和D187 的41 個形態(tài)特征、光合特征和產(chǎn)量特征參數(shù)進行主成分分析,得到各主成分對馬鈴薯響應(yīng)高溫的特征值和貢獻率(表6)。從表中可以看出,QS9 在PC1 和PC2 的累計貢獻度為83.58%,D187 為80.90%,且特征值都大于1,因此這兩個主成分都能有效反映參數(shù)特征,并能夠充分解釋馬鈴薯對高溫的響應(yīng)特征。QS9 和D187 的點在PC1/PC2平面上完全聚集為2 簇,同時PC1 明顯將高溫處理和對照分開,表明本研究所設(shè)置的高溫脅迫對2 個馬鈴薯品種(系)的生長和抗性生理指標(biāo)均有影響(圖8)。

圖8 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)在正常溫度和高溫下的形態(tài)、光合及產(chǎn)量指標(biāo)的主成分分析Fig.8 Principal component analysis of morphology,photosynthesis,and yield indexes of potato materials of QS9 and D187 at normal (20 ℃) and high (30 ℃) temperatures

表6 ‘青薯9 號’(QS9)和‘滇187’(D187)形態(tài)特征、光合特征和產(chǎn)量特征參數(shù)初始特征值及累積貢獻率Table 6 Initial eigenvalues and accumulated variance contribution of each component of morphology,photosynthesis,and yield of potato materials of QS9 and D187

QS9 的6 個形態(tài)指標(biāo)參數(shù)(株高、節(jié)間長、葉面積、葉夾角、葉垂角和披垂角)、20 個光合特征參數(shù)(Pn、Tr、LSP、CCP、LCP、WUE、AQY、RL、Jmax/Vcmax、IS60s、IS300s、IS600s、T30%P、T60%P、T90%P、F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0)和3 個產(chǎn)量特征參數(shù)(單株產(chǎn)量、單株結(jié)薯數(shù)和平均單個薯重)在PC1 中的權(quán)重系數(shù)和載荷系數(shù)較大,對PC1 有較大貢獻,其中株高、節(jié)間長、Tr、LSP、CCP、LCP、IS60s、IS300s和IS600s與PC1 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其他特征參數(shù)呈正相關(guān)。D187的7 個形態(tài)特征參數(shù)(株高、節(jié)間長、節(jié)數(shù)、葉全長、葉面積、葉夾角和葉垂角)、13 個光合特征參數(shù)(Pnmax、Tr、LSP、WUE、IS60s、IS300s、IS600s、T30%P、T60%P、T90%P、Fm、Fv/Fm和Fv/F0)和2 個產(chǎn)量特征參數(shù)(單株產(chǎn)量和單株結(jié)薯數(shù))在PC1 中的權(quán)重系數(shù)和載荷系數(shù)較大,對PC1 有較大貢獻,其中株高、節(jié)間長、節(jié)數(shù)、Tr、LSP、Pnmax、IS60s、IS300s和IS600s與PC1 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其他特征各參數(shù)呈正相關(guān)。

總體而言,高溫脅迫下QS9 光合作用和產(chǎn)量性狀相關(guān)參數(shù)對PC1 的貢獻率高于D187,這說明,由高溫引起的光合作用參數(shù)變化在D187 和QS9 兩個品種(系)之間存在明顯差異,更多的光合作用相關(guān)參數(shù)被用于解釋QS9 在高溫與適宜生長環(huán)境下的區(qū)別,高溫對耐熱型馬鈴薯D187 光合作用和產(chǎn)量性狀相關(guān)參數(shù)的影響小于熱敏感型。

3 討論

3.1 高溫脅迫下不同耐熱型馬鈴薯的結(jié)薯特征和株型差異

馬鈴薯喜性冷涼,其塊莖發(fā)育對高溫尤為敏感,夜間溫度超過28 ℃表現(xiàn)為不結(jié)薯,且塊莖作為馬鈴薯最主要的經(jīng)濟器官,因此常用在28 ℃的條件下是否結(jié)薯來評價馬鈴薯的耐熱性[16]。試驗中,耐熱型馬鈴薯在30 ℃下雖然產(chǎn)量降低,但還能結(jié)薯,而熱敏感型則不結(jié)薯(圖1)。

較多研究都已證明高溫會使馬鈴薯的株高顯著(P＜0.01)增加[17-19],本研究表明高溫顯著(P＜0.01)增加了馬鈴薯的株高和節(jié)間長,但未顯著改變節(jié)數(shù)(圖4a-c)。由此證明,馬鈴薯株高增加是由于高溫引起節(jié)間增長、而不是增加節(jié)的數(shù)量。葉片角度決定了植株的株型[20],高溫脅迫顯著(P＜0.01)減小了QS9 和D187 的葉夾角(圖4f)和葉垂角(圖4g),使馬鈴薯株型由平展型變?yōu)榫o湊型[21],并縮短了葉片長度(圖4i),使馬鈴薯植株橫向生長減弱。較大的葉面積和較多的葉片能夠保證植株具有更大的光合面積。試驗中,高溫使馬鈴薯的葉面積顯著(P＜0.01)減小(圖4j),削弱馬鈴薯光合能力。此外,QS9 的葉片數(shù)顯著(P＜0.05)減少,但D187 卻增加(圖4e),且結(jié)合圖3 發(fā)現(xiàn),QS9 植株下部葉衰老脫落,而D187 則沒有明顯的葉片脫落跡象。由此推斷,高溫下熱敏感型馬鈴薯葉片數(shù)減少主要是因為高溫加速老葉衰老脫落,而耐熱型則是加速新葉長出并減緩老葉衰老來抵御高溫傷害。

3.2 高溫脅迫對馬鈴薯植株碳同化能力的影響

馬鈴薯處于高溫環(huán)境中時,植株會通過加強水分散失來降低體溫[22],因此Tr會顯著(P＜0.05)升高。本研究發(fā)現(xiàn) 2 個不同耐熱型馬鈴薯在高溫脅迫下的Tr均顯著(P＜0.05)升高,且D187 比QS9 具有更高的Tr,但因D187 具有更高的Pn,所以其WUE 也更高,進而保證光合機構(gòu)合成更多的同化產(chǎn)物。試驗中,2個不同耐熱型馬鈴薯的Ci在高溫脅迫下均降低,說明高溫減弱了馬鈴薯對CO2的吸收能力[23]。高溫脅迫下,QS9因Gs和Ci降低導(dǎo)致Pn降低,而D187 通過增大Gs,加強與外界的氣體交換,進而提高Pn,但其Ci卻降低,說明耐熱型馬鈴薯在高溫脅迫下的凈光合速率升高是由氣孔因素和非氣孔因素共同作用導(dǎo)致,而熱敏感型則是由于氣孔因素導(dǎo)致凈光合速率下降[24]。

AQY 越高、LCP 越低,表示其利用弱光的能力越強;Pnmax和LSP 越高,說明其具有較高的強光利用能力[25]。本試驗發(fā)現(xiàn)(表2),高溫脅迫使2 個不同耐熱型馬鈴薯的Pnmax和LSP 均提高,說明高溫脅迫提高了馬鈴薯對強光的利用能力。高溫脅迫下,QS9的LCP 提高,同時AQY 降低;但D187 僅LCP 升高,AQY 不變,說明相較于耐熱型,高溫脅迫減弱了熱敏感型馬鈴薯對弱光的利用能力,而且LSP 的提高比例遠大于LCP,由此表明高溫脅迫使馬鈴薯的光能利用范圍擴大。植物為抵御逆境帶來的傷害,其Rd會顯著(P＜0.05)提升[26]。本研究中,2 個不同耐熱型馬鈴薯的Rd均升高,說明馬鈴薯需要消耗更多的光合產(chǎn)物來減輕高溫的傷害。

CE和Vcmax的大小與核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)豐度和活性呈正比關(guān)系[27]。本研究表明,高溫脅迫對2 個不同耐熱型馬鈴薯的CE 無影響,Vcmax的變化也未達到顯著水平。說明抑制塊莖形成的高溫對馬鈴薯的Rubisco 活性(或蛋白豐度)及碳同化能力無顯著影響。試驗中,QS9 和D187 的CCP在高溫脅迫下都升高,說明高溫脅迫減弱了馬鈴薯葉片對低濃度CO2的利用能力。RL是植物生命活動能順利進行的重要保證[28],試驗中2 個不同耐熱型馬鈴薯的RL在高溫脅迫下都升高,且QS9 升高顯著(P＜0.05),說明高溫增強了馬鈴薯在光下的呼吸消耗,且熱敏感型消耗更多。Jmax體現(xiàn)了RuBP 的再生潛力[29],高溫脅迫使QS9 和D187的Jmax降低,表明在高溫脅迫下,馬鈴薯的RuBP 的再生能力受到抑制。前人研究表明,在適宜條件下,植物的Jmax/Vcmax大于4 時,光合電子傳遞與Rubiso 催化能力間達到動態(tài)平衡[30]。本試驗中,發(fā)現(xiàn)高溫脅迫使2 個不同耐熱型馬鈴薯的Jmax/Vcmax值降低,且QS9 下降(4 以下)顯著(P＜0.01),而D187 則保持在4 以上。表明在高溫脅迫下,耐熱型馬鈴薯的電子傳遞能夠滿足羧化的需求,但熱敏感型不能滿足。

3.3 高溫脅迫提高了馬鈴薯對短暫強光的利用能力但打破了光能耗散平衡

光合誘導(dǎo)可用于檢驗植物對有限光能的利用能力[31-32]。在本研究中(表4),高溫脅迫下2 個不同耐熱型馬鈴薯達到最大凈光合速率所用的時間均顯著(P＜0.05)縮短,并且QS9 比D187 所用時間更短。這說明高溫提高了馬鈴薯短暫強光的利用能力,并且熱敏感型馬鈴薯對短暫強光利用率更高。植物接收的光能主要通過3 個途徑耗散:光化學(xué)反應(yīng)耗散、非光化學(xué)熱耗散和熒光耗散,三者為競爭關(guān)系,此消彼長[33]。在光響應(yīng)和光誘導(dǎo)過程中,高溫處理使2 個不同耐熱型馬鈴薯的Φf,d較對照無顯著變化,但ΦNPQ顯著(P＜0.05)減少,ΦPSⅡ顯著(P＜0.05)增加(圖6)。說明在高溫脅迫下,馬鈴薯光能耗散失衡,捕獲的光能更多用于光化學(xué)反應(yīng)還原力的形成,抵御高溫傷害。

3.4 抑制馬鈴薯塊莖形成的高溫未造成PSⅡ反應(yīng)中心受到嚴(yán)重破壞

有研究表明,高溫脅迫會造成植物的F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0下降,進而降低凈光合速率[34-36]。當(dāng)PSⅡ的電子傳遞受到抑制時,Fm會顯著(P＜0.05)降低,本試驗中QS9 和D187的Fm和Fv/Fm在高溫脅迫下均顯著(P＜0.05)下降,說明高溫脅迫抑制了馬鈴薯PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞和光能轉(zhuǎn)換效率[37]。植物PSⅡ反應(yīng)中心受到逆境破壞時,會引起F0升高,同時Fv/F0顯著(P＜0.05)降低[38]。試驗中,高溫脅迫使2 個不同耐熱型馬鈴薯的Fv/F0顯著(P＜0.01)降低,但F0并未升高,表明馬鈴薯的PSⅡ反應(yīng)中心受到影響,但未被抑制塊莖形成的高溫破壞[39]。

Fv'/Fm'和ΔF/Fm'分別反映了開放的PSⅡ反應(yīng)中心對激發(fā)能捕獲效率和實際電子傳遞效率[40],但ΔF/Fm'比Fv'/Fm'能更準(zhǔn)確地反映PSⅡ反應(yīng)中心的實際情況[41]。本試驗中,QS9 和D187 在高溫下的Fv'/Fm'在光響應(yīng)中有部分降低,在光誘導(dǎo)中完全降低(圖5c-d),但ΔF/Fm'表現(xiàn)為升高(圖5e-f),由此說明馬鈴薯植株通過提高PSⅡ反應(yīng)中心的光化學(xué)反應(yīng)效率來適應(yīng)高溫環(huán)境。qP表示PSⅡ中開放的反應(yīng)中心占比及光合電子流動強弱[42],高溫處理使馬鈴薯的qP(圖5g-h)和ETR (圖5a-b)升高,表明高溫提高了馬鈴薯PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度和電子傳遞,保證有充足的能量和還原力供給碳同化反應(yīng)。NPQ 反映熱耗散的大小[43],其值變小(圖5i-j),表明高溫抑制了馬鈴薯對過剩光能的熱耗散。

3.5 高溫脅迫下耐熱型馬鈴薯有更高的可塑性

生命體通過某些特征的可塑性響應(yīng)以改變表型,從而適應(yīng)新環(huán)境。研究表明,可塑性指數(shù)越大,植物對環(huán)境變化的適應(yīng)能力越強[44]。試驗中,2 個不同耐熱型馬鈴薯的產(chǎn)量特征參數(shù)相較于形態(tài)特征參數(shù)和光合特征參數(shù)具有較高可塑性指數(shù)和主成分貢獻率(圖7-圖8),這是因為塊莖形成對溫度變化最敏感,而形態(tài)及光合敏感度較弱。對于耐熱性不同的馬鈴薯而言,熱敏感型比耐熱型在高溫下的產(chǎn)量、形態(tài)及光合方面受到的影響更大,以避免不適應(yīng)高溫環(huán)境而死亡。

4 結(jié)論

高溫脅迫顯著增加了馬鈴薯植株節(jié)間長和株高,但并未顯著改變節(jié)數(shù)和莖粗;此外高溫脅迫還顯著減小葉片面積、長度和角度,但葉寬長比和小葉數(shù)并未顯著改變,而且耐熱型馬鈴薯在高溫下具有更穩(wěn)定的葉片數(shù)和披垂角。高溫脅迫會使馬鈴薯的Tr加強,WUE 降低,Ci降低和CCP 提高,Rd和RL升高,Jmax降低,黑暗下的葉綠素?zé)晒鈪?shù)(F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0)降低,而光下的葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fv'/Fm'、ΔF/Fm'、qP和ETR)升高,達到最大凈光合速率所用的時間均顯著縮短,ΦPSⅡ增加。此外,熱敏感型馬鈴薯在高溫下的Pn和Gs下降,LCP 升高,Vcmax降低,Jmax/Vcmax小于4,而耐熱型則表現(xiàn)相反?？伤苄院椭鞒煞址治霰砻?高溫顯著影響馬鈴薯的形態(tài)、光合及產(chǎn)量,且耐熱型馬鈴薯比熱敏感型受到的影響較小。