高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米光合生理的影響

王雅坤，李鴻萍，徐真真，劉天學(xué)

（1.河南省鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/省部共建小麥玉米作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/作物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046）

近年來，受氣候變化影響，非生物災(zāi)害脅迫增加，作物產(chǎn)量持續(xù)提高面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。世界上農(nóng)作物生產(chǎn)中50%的產(chǎn)量損失是由高溫（20%）、干旱（9%）、低溫（7%）、鹽漬（10%）及其他非生物脅迫（4%）造成的[1]，且干旱、高溫疊加使全球谷類作物產(chǎn)量降低9%～10%[2]。干旱是世界農(nóng)業(yè)面臨的較嚴(yán)重的問題之一，對(duì)農(nóng)作物造成的損失較嚴(yán)重[3]。玉米是世界上產(chǎn)量較高的三大谷類作物之一，在我國糧食安全中起著極其重要的作用。限制玉米產(chǎn)量提高的主要因素是水分缺乏和高溫?zé)岷?。干旱使玉米減產(chǎn)20%～30%，嚴(yán)重時(shí)達(dá)50%以上[4]。光合作用是作物最重要的生理活動(dòng)，是作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)，在作物研究中占有重要位置。光合作用對(duì)環(huán)境因子中的溫度、光照、水分等較敏感[5]。馬旭鳳等[6]認(rèn)為，苗期干旱抑制玉米植株生長(zhǎng)，使葉面積減少、干物質(zhì)積累量下降。目前，高溫對(duì)作物影響的研究也有很多報(bào)道[7‐9]。而玉米苗期受高溫影響的研究較少，玉米上的高溫研究多集中于生育后期[7]?；ㄆ诟邷孛{迫使玉米抽雄、散粉時(shí)期提前，吐絲散粉間隔期拉長(zhǎng)，花粉數(shù)量減少、活力降低[10]。玉米花期和籽粒灌漿早期高溫脅迫引起產(chǎn)量降低，主要是由于穗粒數(shù)減少[11]。玉米不同生育時(shí)期最適生長(zhǎng)溫度存在差異，穗器官形成期對(duì)溫度變化最敏感。玉米花期的最適溫為（30.5±2.5）℃，耐受最高溫為（37.3±1.3）℃，低于營養(yǎng)生長(zhǎng)耐受的最高溫（42.0±3.3）℃[12]。苗期是影響玉米第6 葉以上葉片生長(zhǎng)的一個(gè)重要時(shí)期[13]，是玉米生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。全球氣候變暖導(dǎo)致高溫和干旱同時(shí)發(fā)生的概率逐年增加，研究高溫、干旱及高溫干旱復(fù)合脅迫下玉米苗期光合生理的響應(yīng)對(duì)玉米早期脅迫抗性鑒定有重要意義。目前，已有的玉米高溫干旱復(fù)合脅迫研究主要集中于單一品種的光合、產(chǎn)量和莖稈結(jié)構(gòu)等響應(yīng)變化方面[14‐16]，關(guān)于耐高溫特性不同品種對(duì)高溫干旱復(fù)合脅迫的光合生理響應(yīng)差異研究尚未見報(bào)道。為此，初步探討了高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)苗期耐高溫特性不同玉米品種光合生理的影響，為培育耐高溫干旱的優(yōu)良玉米品種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2015 年在河南省氣象科學(xué)研究所鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（34°43′N、113°39′E）進(jìn)行。土壤類型為砂壤潮土，土壤基礎(chǔ)肥力為速效鉀188.23 mg/kg、有效磷36.38 mg/kg、堿解氮101.25 mg/kg、有機(jī)質(zhì)23.98 g/kg，pH值為6.49。

供試材料為生產(chǎn)上推廣面積比較大的耐高溫玉米品種鄭單958（ZD958）和高溫敏感玉米品種先玉335（XY335）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為脅迫，分別為高溫（H）、干旱（D）、高溫干旱（HD）復(fù)合脅迫和對(duì)照（CK）4個(gè)處理，以自然環(huán)境生長(zhǎng)為CK；副區(qū)為品種，每處理每品種播種30 盆，按密度6 7 500 株/hm2種植，行距0.6 m，其他管理同一般大田。三葉展開期開始脅迫，六葉展開期脅迫結(jié)束。高溫脅迫處理在人工高溫棚中進(jìn)行，脅迫處理時(shí)間為9：00—17：00，脅迫處理期間每隔20 min 自動(dòng)采集記錄一次溫度（圖1）。干旱脅迫處理采用自然干旱法，干旱脅迫前5 d 停止?jié)菜?，使三葉展開期土壤含水量為田間持水量的45%～50%。高溫干旱復(fù)合脅迫處理的高溫脅迫同高溫脅迫處理、干旱脅迫同干旱脅迫處理。高溫脅迫處理參考蔡豐樂等[17]的方法并適當(dāng)改進(jìn)，使用透光率為95%的樹脂塑料薄膜覆蓋高溫棚架的80%，底部和頂部均勻留出20%的空隙用于氣體交換，于每天脅迫處理時(shí)間開始前30 min 進(jìn)行增溫處理。

圖1 脅迫處理期間日最高溫的變化Fig.1 Change of daily maximum temperature during stress treatment period

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 葉綠素含量 脅迫結(jié)束后（當(dāng)天），每處理選取均勻一致的玉米植株8 株，取第5 片葉，擦凈表面污物，用錫箔紙包裹編號(hào)后迅速放入液氮中。于實(shí)驗(yàn)室去除中脈、剪碎，稱取0.2 g放入研缽中，加少量石英砂和3 mL 80%丙酮，研成勻漿，直至組織變白。轉(zhuǎn)移至100 mL 容量瓶中，用80%丙酮定容后混勻，室溫黑暗提取48 h，用紫外分光光度計(jì)UV-1800 于645 nm、663 nm 和652 nm 下比色，測(cè)定葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量[18‐19]。

1.3.2 光合酶活性 脅迫結(jié)束后（當(dāng)天），每處理選取均勻一致的玉米植株15 株，取第5 片葉放液氮中保存。采用酶聯(lián)免疫分析法測(cè)定磷酸烯醇式丙酮酸 羧 化 酶（Phosphoenol‐pyruvate carboxylase，PEPCase）和核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulose‐1，5‐bisphosphate carboxylase/oxygenase，Rubisco）活性[20]。

1.3.3 光合參數(shù) 脅迫結(jié)束后（當(dāng)天），每處理取代表性且均勻一致的玉米植株5 株，用LI-6400XT 型（LI-COR Inc.，美國）便攜式測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定玉米第5片葉的凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、氣孔 導(dǎo) 度（Stomatal conductance，Gs）、蒸 騰 速 率（Transpiration rate，Tr）和電子傳遞速率（Electron transport rate，ETR）[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016軟件進(jìn)行初步處理和分析，用SPSS 22.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，用Sigmaplot 14.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片葉綠素含量及組成的影響

2.1.1 葉綠素含量 由圖2 可知，鄭單958 和先玉335 在脅迫處理下葉片葉綠素含量均較CK 顯著降低，均表現(xiàn)為CK>D>H>HD。鄭單958 葉綠素含量在高溫、干旱及高溫干旱復(fù)合脅迫下分別較CK 降低9.8%、5.7%、16.9%；先玉335 葉綠素含量在高溫、干旱及高溫干旱復(fù)合脅迫下分別較CK 降低17.0%、4.9%、24.5%。除干旱脅迫外，高溫和高溫干旱復(fù)合脅迫下均表現(xiàn)為先玉335葉綠素含量降低幅度高于鄭單958。

圖2 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片葉綠素含量的影響Fig.2 Effect of the combination of drought and heat stress on the content of chlorophyll of maize leaves

2.1.2 葉綠素a/b 由圖3 可知，鄭單958 和先玉335 葉片葉綠素a/b 在高溫干旱復(fù)合脅迫下最高；與CK 相比，葉綠素a/b 在高溫、干旱脅迫下差異不顯著，表明2 個(gè)品種葉綠素a、b 對(duì)高溫和干旱脅迫的敏感性相似；先玉335在高溫脅迫下的葉綠素a/b顯著低于CK，而鄭單958與CK 無顯著差異，說明先玉335葉綠素a對(duì)高溫脅迫的敏感性更強(qiáng)。

圖3 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片葉綠素a/b的影響Fig.3 Effect of the combination of drought and heat stress on chlorophyll a/b of maize leaves

2.2 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片光合參數(shù)的影響

2.2.1 Pn 由圖4 可知，鄭單958 葉片Pn 表現(xiàn)為CK>H>HD>D，各處理間差異達(dá)到顯著水平，表明玉米Pn 受干旱脅迫的影響較高溫脅迫大；先玉335 葉片Pn 表現(xiàn)為CK>HD>H>D，高溫、干旱脅迫對(duì)其影響顯著，而高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)其影響不顯著?？偟膩砜?，干旱脅迫對(duì)鄭單958 和先玉335 Pn 的影響大于高溫脅迫，說明與高溫脅迫相比，干旱脅迫對(duì)玉米光合作用的抑制作用更強(qiáng)。

圖4 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片Pn的影響Fig.4 Effect of the combination of drought and heat stress on Pn of maize leaves

2.2.2 ETR 由圖5可知，2個(gè)玉米品種經(jīng)脅迫處理后，葉片ETR均顯著小于CK。鄭單958葉片ETR表現(xiàn)為CK>H>HD>D，各處理間差異均達(dá)到顯著水平，先玉335 葉片ETR 表現(xiàn)為CK>H>D>HD，先玉335各脅迫處理ETR 下降幅度均低于鄭單958，尤其是受干旱脅迫時(shí)兩者下降幅度差異較大。上述結(jié)果說明干旱脅迫對(duì)鄭單958 和先玉335 葉片ETR 的影響大于高溫脅迫。

圖5 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片ETR的影響Fig.5 Effect of the combination of drought and heat stress on ETR of maize leaves

2.2.3 Gs 由圖6 可知，鄭單958 在各脅迫處理下葉片Gs 均顯著小于CK，且各處理間差異達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為CK>H>HD>D，表明干旱對(duì)鄭單958 葉片Gs 的影響最大，高溫對(duì)其影響最小；對(duì)于先玉335，各脅迫處理下葉片Gs 均小于CK，但各脅迫處理之間差異不顯著。上述結(jié)果表明，3 種脅迫處理對(duì)先玉335 葉片Gs 的影響程度相似，而對(duì)鄭單958葉片Gs的影響差異顯著，干旱脅迫對(duì)其影響最大。

圖6 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片Gs的影響Fig.6 Effect of the combination of drought and heat stress on Gs of maize leaves

2.2.4 Tr 由圖7 可知，鄭單958 在高溫、干旱及高溫干旱復(fù)合脅迫下葉片Tr 均顯著小于CK，各處理間差異達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為CK>H>HD>D，表明干旱對(duì)鄭單958 葉片Tr 的影響最大，高溫對(duì)其影響最?。幌扔?35 葉片Tr 表現(xiàn)為CK>HD>H>D，但高溫、干旱脅迫處理之間差異不顯著。上述結(jié)果表明，干旱對(duì)2 個(gè)品種葉片Tr 的影響最大，鄭單958 對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)更強(qiáng)烈，表現(xiàn)為Tr 大幅度降低，以減少水分的散失；先玉335 對(duì)高溫和干旱這2 種脅迫的響應(yīng)程度相當(dāng)。

圖7 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片Tr的影響Fig.7 Effect of the combination of drought and heat stress on Tr of maize leaves

2.3 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片光合酶活性的影響

2.3.1 PEPCase 活性 由圖8 可知，鄭單958 葉片PEPCase 活性在高溫脅迫下最高，在CK、干旱及高溫干旱復(fù)合脅迫下差異不顯著，表明高溫脅迫有利于鄭單958對(duì)CO2的固定，且PEPCase對(duì)干旱及其復(fù)合脅迫的敏感性一致。先玉335 葉片PEPCase 活性對(duì)高溫、干旱及其復(fù)合脅迫的響應(yīng)與鄭單958 有所不同，復(fù)合脅迫下活性最低，顯著低于其他處理，表明先玉335 葉片PEPCase 對(duì)復(fù)合脅迫較單一脅迫更敏感；PEPCase 活性在高溫脅迫下與CK 差異不顯著，干旱脅迫下與CK 差異顯著，表明PEPCase 對(duì)高溫、干旱脅迫的敏感性不同，干旱對(duì)其影響較大。

圖8 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米PEPCase活性的影響Fig.8 Effect of the combination of drought and heat stress on the activity of PEPCase of maize leaves

2.3.2 Rubisco 活性 由圖9 可知，鄭單958 葉片Rubisco 活性在各脅迫處理下均小于CK，表現(xiàn)為CK>H>HD>D，高溫脅迫下Rubisco 活性與CK 差異不顯著，而在干旱、高溫干旱復(fù)合脅迫下與CK 差異達(dá)顯著水平，表明Rubisco 活性對(duì)干旱脅迫較高溫脅迫敏感。先玉335 葉片Rubisco 活性在各處理下表現(xiàn)為CK>HD>H>D，與CK 相比，差異均達(dá)到顯著水平；高溫、干旱脅迫下Rubisco 活性差異不顯著，表明各脅迫均抑制CO2的固定，高溫、干旱對(duì)其抑制程度相當(dāng)。

圖9 高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)玉米葉片Rubisco活性的影響Fig.9 Effect of the combination of drought and heat stress on the activity of Rubisco of maize leaves

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，2 個(gè)玉米品種在3 種脅迫處理后，Pn、Gs、Tr、ETR 均呈下降趨勢(shì)，其中Gs 與Tr 下降趨勢(shì)大致相同，這與王連喜等[22]研究的馬鈴薯受高溫脅迫后Gs 和Tr 升高的結(jié)果不同，可能是由于其高溫脅迫程度不同或者不同植物對(duì)高溫的響應(yīng)不同。干旱脅迫處理中，2個(gè)品種Pn、Gs、Tr、ETR 均顯著降低，且高溫耐受性品種鄭單958 降低幅度更大，Gs和Tr的下降更有利于葉片降低蒸騰，保持水分。研究認(rèn)為，高溫對(duì)光合作用的抑制機(jī)制主要是降低了Gs，使葉綠體中CO2的供應(yīng)受阻，Pn 的降低是由氣孔限制的[23]，本研究得出與之相一致的結(jié)論，但與BERRY 等[24]、吳韓英等[25]認(rèn)為的高溫下光合作用的抑制是由非氣孔因素引起的結(jié)果不一致。

對(duì)于鄭單958 而言，高溫使PEPCase 活性顯著升高，Rubisco 活性雖略有降低但不顯著，可見較高溫度下鄭單958 的羧化酶活性仍較高，對(duì)CO2的固定作用仍較強(qiáng)，然而其Pn 下降顯著，可能與葉綠素含量下降有關(guān)。干旱脅迫下，鄭單958 除PEPCase活性下降不顯著外，其余6個(gè)指標(biāo)均顯著下降，表明PEPCase 活性受干旱脅迫影響較??；高溫干旱復(fù)合脅迫結(jié)果與干旱脅迫結(jié)果大致相同，但葉綠素含量下降幅度更大，其余均較干旱脅迫造成的影響略輕；復(fù)合脅迫造成的影響對(duì)高溫耐受性品種來說處于2 個(gè)單因子脅迫之間，表明復(fù)合脅迫的危害程度因品種而異。對(duì)于先玉335 而言，高溫使葉綠素含量降低幅度較鄭單958 大，PEPCase 活性雖有下降但不顯著，其余指標(biāo)均顯著下降，表明高溫嚴(yán)重影響了先玉335 葉綠素的合成，這與葉綠素形成的最高溫度為40 ℃左右相一致[26]；干旱使鄭單958 和先玉335 葉綠素含量均顯著下降，表明干旱也會(huì)抑制葉綠素的合成，這與植物缺水會(huì)抑制葉綠素的生物合成結(jié)果一致[26]。

綜上，高溫、干旱及高溫干旱復(fù)合脅迫均抑制鄭單958 和先玉335 的Pn、Gs、Tr、ETR。干旱對(duì)鄭單958 上述4 個(gè)指標(biāo)的抑制作用最大，高溫最小；總體上干旱對(duì)先玉335 上述4 個(gè)指標(biāo)的抑制作用最大，復(fù)合脅迫對(duì)先玉335Pn、Gs、Tr 的抑制作用略小于單一脅迫。高溫顯著提高鄭單958 葉片PEPCase活性，抑制先玉335 葉片Rubisco 活性；干旱顯著抑制先玉335以及鄭單958葉綠素合成、Rubisco活性；高溫干旱復(fù)合脅迫對(duì)鄭單958葉綠素合成的抑制作用大于單一脅迫，對(duì)先玉335 葉片PEPCase 活性的影響大于單一脅迫。