趙 澤，王鵬云，鄭有飛，吳榮軍，張金恩

1 云南省氣候中心，昆明 650034 2 云南省昆明農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，昆明 650228

O3脅迫對(duì)冬小麥籽粒果皮光合能力及灌漿的影響

趙 澤1,2，王鵬云2,*，鄭有飛2，吳榮軍2，張金恩2

1 云南省氣候中心，昆明 650034 2 云南省昆明農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，昆明 650228

為揭示高濃度O3對(duì)冬小麥籽粒發(fā)育和干物質(zhì)累積的影響，通過(guò)OTC設(shè)置了活性碳過(guò)濾空氣(CF，4—28 nL/L)、不通風(fēng)(5H，15—68 nL/L)、環(huán)境空氣(NF，7—78 nL/L)、100nL/L O3(CF100，96—108 nL/L)和150nL/L O3(CF150，145—160nL/L) 等5種O3熏蒸處理，測(cè)量了籽粒干物質(zhì)累積、光合色素含量及果皮的葉綠素?zé)晒馓匦?IMAGING-PAM)。結(jié)果顯示，CF100和CF150處理顯著降低了冬小麥籽粒的長(zhǎng)度、最大寬度、最大厚度、10粒體積、穗粒數(shù)、灌漿持續(xù)時(shí)間和灌漿高峰結(jié)束前的平均灌漿速率，其千粒重在整個(gè)灌漿過(guò)程中均顯著低于NF，收獲時(shí)分別下降了10.7%和17.8%；CF100和CF150的光合色素含量在揚(yáng)花后8—16d內(nèi)顯著高于其余3組(伴隨著較強(qiáng)的光合能力)，揚(yáng)花16d后迅速下降18d后差異達(dá)到顯著水平。穗粒重下降的主要原因是籽粒體積縮小、灌漿持續(xù)時(shí)間縮短和穗粒數(shù)下降；高濃度O3在灌漿前期延緩了冬小麥的生育進(jìn)度，在灌漿后期使得植株迅速衰老，灌漿持續(xù)時(shí)間大幅縮短；籽粒果皮的最大光合能力在灌漿初期受到一定抑制，在灌漿中期表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，在中后期由于籽粒衰老提前而迅速下降。高濃度O3條件下，果皮綠色層在籽粒干物質(zhì)累積和營(yíng)養(yǎng)物合成過(guò)程中發(fā)揮著更加重要的作用。

臭氧; 冬小麥; 籽粒; 光合作用; 葉綠素a熒光

自20世紀(jì)中葉以來(lái)，地面O3濃度不斷升高，已經(jīng)導(dǎo)致全球許多地區(qū)的冬小麥產(chǎn)量顯著下降[1- 4]。高濃度O3可導(dǎo)致冬小麥小麥穗長(zhǎng)、千粒重、粒重和穗粒數(shù)明顯降低[5- 6]。籽粒灌漿期縮短、灌漿物質(zhì)來(lái)源不足、庫(kù)容變小、充實(shí)度降低、粒重變小是高濃度O3條件下小麥籽粒產(chǎn)量下降的主要原因[6,7]。所有影響最終產(chǎn)量的因素，都是通過(guò)源/庫(kù)系統(tǒng)的變化來(lái)調(diào)節(jié)的。高濃度O3會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷冬小麥葉片，降低其對(duì)單莖產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，同時(shí)使得非葉綠色器官的貢獻(xiàn)率均呈上升趨勢(shì)[8]。

小麥籽粒果皮的綠色層具有較強(qiáng)的光合能力，對(duì)籽粒最終淀粉含量的貢獻(xiàn)約為2%[9- 11]。過(guò)去研究高濃度O3對(duì)冬小麥生長(zhǎng)和生產(chǎn)的影響時(shí)，較少考慮到籽粒自身的健康狀況和干物質(zhì)累積的具體過(guò)程[7,11- 13]。因此，本文通過(guò)開頂式熏氣室(OTC)對(duì)冬小麥進(jìn)行O3脅迫處理，用IMAGING-PAM調(diào)制熒光儀測(cè)量了籽粒發(fā)育過(guò)程中果皮的光合能力，結(jié)合單位質(zhì)量籽粒光合色素含量和籽粒干物質(zhì)累積情況，深入分析了高濃度O3對(duì)冬小麥籽粒發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，為全面評(píng)估高濃度O3對(duì)冬小麥生產(chǎn)的影響提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2008年10月至2009年7月在中國(guó)氣象局固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象綜合試驗(yàn)站(39°08′N，115°40′E，海拔高度15.2m)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)區(qū)位于華北平原北部高產(chǎn)農(nóng)業(yè)區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬小麥生育期內(nèi)降水量為150mm，地下水位低于20m。試驗(yàn)區(qū)主要作物為冬小麥和夏玉米，土壤以潮土和砂壤土為主，0—30cm平均全氮0.98g/kg、，全磷1.02 g/kg、，全鉀17.26 g/kg、。

試驗(yàn)所用冬小麥為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的豐抗13號(hào)(TriticumaestivumL.Feng Kang 13)。于2008年10月17日條播，行距25cm，播種量為285kg/hm2。氣室周圍也按照相同方式播種及施肥。水肥管理與當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣一致，冬小麥未受到病蟲害及雜草的影響。小麥生育期由實(shí)驗(yàn)站專業(yè)人員觀測(cè)。2009年5月5日全部進(jìn)入灌漿期，6月4—13日收獲完畢。

1.2 開頂式熏氣室(OTC)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用OTC由“中國(guó)氣象科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)氣象研究所”于2008年設(shè)計(jì)建造。氣室主體為八邊形柱體，由鍍鋅鋼管框架和高透光石英玻璃室壁組成，柱體高2.5 m，各邊長(zhǎng)1.5 m左右，頂部設(shè)有1個(gè)高0.50 m，與水平面成45°角的錐型臺(tái)體。氣室與氣室之間相距3.5 m，東西向布置。氣室底部設(shè)有緊貼室壁的八邊形布?xì)夤埽細(xì)夤芡鈴?60 mm，壁厚3.5 mm，管上交錯(cuò)分布著兩行孔徑13 mm、相距10cm(同行)的布?xì)饪祝渲?行沿水平方向布置，另一行斜向上與水平面成45°角；在氣室中線兩側(cè)增加兩根直徑75 mm、相距75 cm的東西向布?xì)夤埽苌涎厮胶痛怪狈较蚍植贾?行布?xì)饪?。氣室地下部分為混凝土澆鑄而成的八邊形基座，基座深入地下2m做防滲處理。

1.3 O3熏氣處理

試驗(yàn)設(shè)活性碳過(guò)濾空氣(CF，4—28 nL/L)、不通風(fēng)(5H，15—68 nL/L)、自然空氣(NF，7—78 nL/L)、100 nL/L O3(CF100，96—108 nL/L)和150nL/L O3(CF150，145—160nL/L) 等5種處理水平，每個(gè)處理水平3個(gè)重復(fù)，其AOT40分別為0、3264、3808、32096和60928nL L-1h-1。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，試驗(yàn)地O3濃度(9:00—17:00)為7—75 nL/L，8h平均O3濃度為45.60nL/L。濃度100nL/L和150nL/L具有特別的意義，大致為農(nóng)田本底濃度的2倍和3倍，也是一般所認(rèn)為的O3對(duì)作物傷害閾值(美國(guó)SUM06的60 nL/L和世界衛(wèi)生組織(WHO)AOT40的40 nL/L)的2—3倍[14- 15]。2009年3月17日(返青期)開始熏氣，雨雪天除外，至6月2日CF100和CF150黃熟為止，共熏氣67d，每天熏氣8h(9:00—17:00)。

O3發(fā)生器(CF-YG5,北京山美水美環(huán)保高科技有限公司)產(chǎn)生的O3與活性炭過(guò)濾后的清潔空氣混勻后通過(guò)布?xì)夤苈份斎霘馐?。采用流量?jì)對(duì)O3濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，用BF- 8810型O3分析儀(北京北分瑞利分析儀器有限責(zé)任公司)連續(xù)監(jiān)測(cè)氣室內(nèi)的O3濃度，并根據(jù)測(cè)定結(jié)果，毎3h對(duì)CF100和CF150的O3濃度進(jìn)行一次調(diào)節(jié)。

1.4 果皮光合能力的測(cè)量

圖1 自然空氣組揚(yáng)花后第16天籽粒果皮PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)效率(PAR為165μmol m-2 s-1)Fig.1 Quantum yield of photochemical energy conversion in PSⅡ in grain pericarp under 165μmol m-2 s-1 PAR in the 16th day after anthesis of ambiant air treatment

于5月13日18:00開始，在水下將冬小麥穗剪下帶回室內(nèi)[16]。將籽粒用雙面膠貼在硫酸紙上(3行×4列)，放到浸水后的黑色海綿下進(jìn)行30min的暗適應(yīng)。然后用IMAGING-PAM (H. Walz, Effeltrich, Germany)調(diào)制熒光儀(Mini探頭)測(cè)量暗適應(yīng)后的最小熒光產(chǎn)額Fo和最大熒光產(chǎn)額Fm，間隔1min后打開活化光(297μmol m-2s-1)誘導(dǎo)光合作用(誘導(dǎo)6min)，每隔30s測(cè)量1次實(shí)時(shí)熒光Ft和光下最大熒光Fm′。測(cè)量誘導(dǎo)曲線后2min后測(cè)量快速光曲線(rapid light curve, RLC)：在0—922μmol m-2s-1間設(shè)置18個(gè)梯度，相鄰梯度間隔10s(圖1)。

用P=Pm·α·PAR/sqrt(Pm2+(α·PAR)2)對(duì)光合電子傳遞速率(ETR)進(jìn)行擬合，式中Pm為最大光合電子傳遞速率，PAR為光合有效輻射，α是快速光曲線的初始斜率，Pm/α為半飽和光強(qiáng)[17]。Fo、Fm、PSⅡ的最大光量子產(chǎn)額Fv/Fm等參數(shù)由儀器輸出[18- 20]。

1.5 其他指標(biāo)的測(cè)量與計(jì)算

(1)干物質(zhì)累積

于每個(gè)處理組的揚(yáng)花期，標(biāo)記出有代表性的500穗，自開花后第4天(各處理組開花時(shí)間不一致，CF100、CF150和5H均晚于NF，分別于揚(yáng)花后第4天開始試驗(yàn))起，每次隨機(jī)選取15穗(分3組)，剝出籽粒后測(cè)量鮮重和干物重(105℃殺青40min，70℃烘干至恒重)，然后計(jì)算千粒干物重和籽粒含水率。以上測(cè)量毎2d進(jìn)行1次。

(2)灌漿速率

用Logistic方程y=K/(1+a·e-bt)對(duì)千粒干物重進(jìn)行擬合，以開花后天數(shù)(t)為自變量，千粒干物重(y)為因變量，式中K為理論最大千粒重，a、b為待定系數(shù)[21]。由Logistic方程的一階和二階導(dǎo)數(shù)可得出以下參數(shù)：最大灌漿速率Vmax，Vmax對(duì)應(yīng)的時(shí)間Tmax；灌漿高峰開始時(shí)間t1，灌漿高峰結(jié)束時(shí)間t2，灌漿高峰結(jié)束前的平均灌漿速率Vt2[21]。以y達(dá)到K的99%為灌漿終止時(shí)間，可得出灌漿持續(xù)時(shí)間t3，進(jìn)而得出整個(gè)灌漿期的平均灌漿速率Vmean[21]。

(3)光合色素

自開花后第6天開始，每組隨機(jī)選取已標(biāo)記好的、大小相近的5穗，剝出籽?；靹蚝?，稱取1g籽粒并用乙醇法測(cè)量葉綠素與類胡蘿卜素含量(3個(gè)重復(fù))[22]。

(4)籽粒形態(tài)

收獲后，每個(gè)處理水平隨機(jī)選取100粒，用游標(biāo)卡尺測(cè)量籽粒的長(zhǎng)度、最大寬度和最大厚度。然后隨機(jī)選取200粒，平均分為20組，用排水法(半微量滴定管)測(cè)量籽粒體積。擦干后稱量各組重量并計(jì)算籽粒密度[23]。

(5)穗粒數(shù)和穗粒重

收獲后，每個(gè)處理水平選取有代表性的100穗統(tǒng)計(jì)穗粒數(shù)并稱量穗粒重。

1.6 曲線擬合與數(shù)據(jù)處理

用Origin8.0進(jìn)行曲線擬合；用SPSS16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與差異分析，P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異極顯著；用多元線性回歸的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)判定不同影響因素的主次。

2 結(jié)果與分析

2.1 O3脅迫對(duì)籽粒葉綠素與類胡蘿卜素含量的影響

灌漿過(guò)程中籽粒光合色素與類胡蘿卜素含量的變化情況如圖2所示。葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量具有相似的變化規(guī)律(圖2)，CF、NF和CF100均由最大值逐漸下降，5H和CF150先從一個(gè)較低水平迅速上升再逐漸下降；CF100和CF150在揚(yáng)花后的8—16d內(nèi)顯著高于CF與NF；揚(yáng)花16d后迅速下降，20d后顯著低于其余3組(P<0.01)。由圖2可見，揚(yáng)花后8—14d內(nèi)類胡蘿卜素含量的變化較為平穩(wěn)，第14d后迅速下降。

圖2 O3脅迫對(duì)籽粒光合色素和類胡蘿卜素含量的影響Fig.2 Effects of O3 stress on photosynthetic pigments and carotenoid content of developing grainsCF: 活性炭過(guò)濾空氣，5H: 不通風(fēng)，NF: 環(huán)境空氣，CF100: 100 nL/L O3，CF150: 150 nL/L O3; 圖中數(shù)據(jù)為mean±SD， n =3

2.2 O3脅迫對(duì)果皮Fv/Fm和快速光響應(yīng)能力的影響

由圖3可見，各組PSⅡ的最大光量子效率(Fv/Fm)、最大光合電子傳遞速率(Pm)以及半飽和光強(qiáng) (Pm/α) 均在揚(yáng)花后第10天達(dá)到最大值。由圖3可見，CF100的Fv/Fm在揚(yáng)花后第10天和13天顯著低于NF，第7天和23天顯著高于NF；CF150在揚(yáng)花后第7天、16天和23天顯著低于NF，第19天顯著高于NF。CF100和CF150的Pm與Pm/α均在揚(yáng)花后第7天、19天和23天顯著低于NF；Pm均在第13天顯著高于NF。CF100快速光曲線的初始斜率(α)在揚(yáng)花后第13天和19天顯著高于NF；CF150在第7天和13天顯著高于NF，在第16天和23天顯著低于NF(圖3)。綜上所述，高濃度O3在灌漿初期和后期對(duì)籽粒果皮的光合能力有一定抑制作用，在灌漿中期顯著提高了果皮綠色層的光合能力。

2.3 O3脅迫對(duì)籽粒干物質(zhì)累積和含水率的影響

千粒干物重的變化情況見圖4所示，CF100和CF150在整個(gè)灌漿過(guò)程中均顯著低于NF；CF與NF高度一致；揚(yáng)花24d后，5H迅速上升，最終與NF處于同一水平。收獲時(shí)，CF100和CF150的千粒干物重分別比NF下降了10.7%和17.8%(均為P<0.01)。籽粒含水率的變化情況如圖4所示，5H的含水率始終高于其余4組；CF100和CF150在揚(yáng)花后26d迅速下降，其余3組在揚(yáng)花后32d才快速下降；收獲時(shí)，籽粒含水量均處于20%左右。

圖3 O3脅迫對(duì)冬小麥籽粒果皮 PSⅡ最大光量子產(chǎn)額和快速光響應(yīng)能力的影響Fig.3 Effects of O3 stress on potential quantum yield of PSⅡ(Fv/Fm) and the capacity of rapid light response in the pericarp of winter-wheat grains圖中數(shù)據(jù)為mean±SD， n =72，圖形上方小寫字母不同表示差異顯著

揚(yáng)花后4—18d內(nèi)，NF的灌漿速率顯著高于CF100和CF150，5H的灌漿速率與CF100高度一致；揚(yáng)花18d之后，CF100的灌漿速率迅速下降，揚(yáng)花24d后略低于CF150；灌漿高峰出現(xiàn)后，5H的灌漿速率下降較慢，揚(yáng)花24d后顯著高于NF(圖5)。揚(yáng)花26d后，NF的灌漿速率已下降到CF100和CF150之下(P>0.05)。

圖4 O3脅迫對(duì)冬小麥籽粒干物質(zhì)累積與含水率的影響 Fig.4 Effects of O3 stress on dry matter accumulation and water content of winter-wheat grains圖中數(shù)據(jù)為mean±SD， n =3

圖5 O3脅迫對(duì)冬小麥灌漿速率的影響 Fig.5 Effects of O3 stress on grain filling rate of winter-wheat grains

與NF相比，CF100的揚(yáng)花期延遲了2d，CF150延遲了3d(表1)。NF的理論最大千粒干物重(K)和最大灌漿速率(Vmax)均顯著高于CF100和CF150，整個(gè)灌漿過(guò)程的平均灌漿速率(Vmean)比CF100低1.1%(P>0.05)，比CF150高2.3%(P<0.05)。CF150和5H的最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間、灌漿高峰開始時(shí)間和灌漿高峰結(jié)束時(shí)間均顯著晚于NF。CF100和CF150灌漿高峰結(jié)束前的平均灌漿速率(Vt2)、灌漿持續(xù)時(shí)間(t3)較NF分別下降了9.3%和14.7%、11.5%和15.3%。

2.4 O3脅迫對(duì)籽粒形態(tài)和粒重的影響

與NF相比，CF100和CF150處理下籽粒的長(zhǎng)度、最大寬度、最大厚度和體積的變化分別為-8.3%和-8.9%、-6.9%和-11.3%、-6.3%和-9.5%、-9.7%和-24.3%(P<0.01)，差異均達(dá)到顯著水平(表2)。此外，CF150的厚度顯著低于CF100；5H的寬度和體積顯著高于另外4組。CF100和CF150的粒數(shù)分別較NF下降5.6%(P>0.05)和13.9%(P<0.05)。與NF相比，CF、5H、CF100、CF150的粒重變化依次為3.1%(P>0.05)、13.3%(P<0.05)、-16.0%(P<0.01)、-33.8%(P<0.01)。

多元線性回歸結(jié)果表明，粒重影響因素的重要性依次為體積、灌漿持續(xù)時(shí)間(t3)、灌漿高峰結(jié)束前的平均灌漿速率(Vt2)。體積影響因素的重要性依次為最大寬度、最大厚度和長(zhǎng)度。

表1 O3脅迫對(duì)冬小麥灌漿進(jìn)程的影響Table 1 Effects of ozone stress on the process of grain filling of winter-wheat

表中數(shù)據(jù)為mean±SD，n=3；數(shù)字后字母不同表示差異顯著(P<0.05)

表2 O3脅迫對(duì)冬小麥籽粒形態(tài)和單穗產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of ozone stress on grain morphological and yield per spike of winter-wheat

表中數(shù)據(jù)為mean±SD，體積重復(fù)20次，其他參數(shù)重復(fù)100次

3 討論

作物對(duì)CO2的同化及同化物向籽粒運(yùn)輸、分配和積累是決定作物產(chǎn)量的兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。在庫(kù)的準(zhǔn)備階段，源是限制因素，在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的決定階段，庫(kù)起主要限制作用；當(dāng)源受到外界環(huán)境限制時(shí)，其限制將居于主導(dǎo)地位[24]。研究表明，高濃度O3對(duì)冬小麥的源和庫(kù)的發(fā)育與功能均有明顯的抑制[2,5- 7]。隨著小麥穎果生長(zhǎng)，果皮內(nèi)側(cè)發(fā)育出一層富含葉綠體與葉綠素的綠色組織，該綠色層細(xì)胞在弱光條件下仍能進(jìn)行正常的光合作用并迅速將光合產(chǎn)物輸送到內(nèi)部胚珠，對(duì)籽粒淀粉干重的貢獻(xiàn)率約為2%，為籽粒的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源與生長(zhǎng)發(fā)育增添了一個(gè)復(fù)雜因素[9,25- 26]。

3.1 高濃度O3對(duì)單位質(zhì)量籽粒光合色素含量的影響

早期的穎果果皮肥厚，外表皮為乳白色，內(nèi)表皮一側(cè)呈淺綠色(僅含2—3層綠色細(xì)胞)[27]。揚(yáng)花6d后，CF150和5H的單位質(zhì)量籽粒光合色素含量顯著低于其余3組，是其生育進(jìn)程延遲(表1)、綠色層未充分發(fā)育的結(jié)果。籽粒生長(zhǎng)中期(長(zhǎng)度為終長(zhǎng)的1/2—2/3時(shí))是果皮綠色層生長(zhǎng)最旺盛的階段，細(xì)胞數(shù)量和體積明顯增加，葉綠體數(shù)量與葉綠素含量均顯著高于旗葉[10, 27]。揚(yáng)花后9—11d內(nèi)籽粒的長(zhǎng)度增加很快，末期可達(dá)最大長(zhǎng)度的3/4，但厚度和干重增長(zhǎng)緩慢，含水量在70%以上[28]。以上論述與圖1中單位質(zhì)量籽粒的葉綠素含量在揚(yáng)花后6—8d達(dá)到最大值相符。籽粒長(zhǎng)度達(dá)到終長(zhǎng)的3/4并接近膨大完成時(shí)，子房壁明顯變薄，綠色層也變得松散，部分葉綠體衰退瓦解，基粒減少，片層結(jié)構(gòu)紊亂或散失，有些葉綠體已被淀粉粒充滿[27]。揚(yáng)花8d后單位質(zhì)量籽粒果皮葉綠素含量持續(xù)下降，以及8—14d內(nèi)籽粒干物重增長(zhǎng)迅速而類胡蘿卜素含量變化平緩，既是籽粒干物質(zhì)累積的結(jié)果，也是果皮是葉綠體衰老(類胡蘿卜素含量增加)的結(jié)果。灌漿高峰期開始至最大灌漿速率出現(xiàn)期間(揚(yáng)花后8—16d)，CF100和CF150單位質(zhì)量籽粒的葉綠素含量顯著高于NF，果皮綠色層對(duì)產(chǎn)量形成的影響也應(yīng)大于NF。這與高濃度O3下小麥葉片對(duì)單莖產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率降低，非葉綠色器官(源)的貢獻(xiàn)率均呈上升趨勢(shì)的結(jié)論一致[8]。

3.2 高濃度O3對(duì)籽粒果皮綠色層光合能力的影響

盡管果皮綠色層被數(shù)層細(xì)胞和組織包裹，但仍能夠接受到1/8—1/4的自然光照；離體綠色層的葉綠體數(shù)量、葉綠素含量與光合放氧速率均顯著高于旗葉[10,27]。果皮綠色層在特殊的生態(tài)條件下發(fā)育并執(zhí)行其功能，其光合作用以C4途徑為主[27,29]。在灌漿初期，穎片、稃片和表皮透明層(無(wú)氣孔)等組織限制了胚乳及果皮綠色層與外界的氣體交換，綠色層可以充分吸收胚乳等內(nèi)部組織呼吸釋放的CO2，并為內(nèi)部組織提供所需的O2，除了直接向胚乳輸出淀粉外，對(duì)胚乳將糖分轉(zhuǎn)化為淀粉以及蛋白質(zhì)合成等耗能過(guò)程具有重要意義[11,30]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，CF100和CF150果皮綠色層的最大光合能力在灌漿初期和后期顯著低于NF，在灌漿高峰開始至峰值出現(xiàn)時(shí)段內(nèi)顯著高于NF(與單位質(zhì)量籽粒葉綠素含量的差異情況一致)。顯然，高濃度O3下籽粒果皮的最大光合能力在灌漿初期受到一定抑制，在灌漿中期表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，在中后期由于籽粒發(fā)育進(jìn)程快于NF，果皮衰老而迅速下降。

3.3 高濃度O3對(duì)籽粒干物質(zhì)累積的影響

高濃度O3顯著降低了籽粒的幾何尺度與穗粒數(shù)，導(dǎo)致庫(kù)強(qiáng)大幅下降(表2)。CF100和CF150灌漿高峰結(jié)束前的平均灌漿速率(Vt2) 和灌漿持續(xù)時(shí)間(t3與最大千粒重K顯著正相關(guān)，r2=0.956，P=0.003)顯著低于NF，可見，灌漿高峰結(jié)束前(t2)灌漿速率降低、灌漿持續(xù)時(shí)間縮短(t2后植株迅速衰老)是千粒重下降的主要原因。

籽粒在胚乳核具有生命活動(dòng)時(shí)主要累積蛋白質(zhì)，核解體后(揚(yáng)花后半個(gè)月左右)才大量合成并累積淀粉[28]。籽粒中小分子的糖向淀粉轉(zhuǎn)化，氨基酸向蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化都要消耗一定的能量(ATP)[28]。在灌漿高峰開始至峰值出現(xiàn)時(shí)段內(nèi)，CF100和CF150單位質(zhì)量籽粒葉綠素含量(圖1)和果皮綠色層最大光合能力(圖2)均顯著高于NF，可為胚乳呼吸代謝提供更多的O2，從而促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成與累積。這可能是籽粒中谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合酶(GOGAT)活性下降而籽粒蛋白質(zhì)濃度反而上升的原因[7,12]。當(dāng)籽粒進(jìn)入以淀粉累積為主的階段后，CF100和CF150的籽粒果皮已經(jīng)衰老(揚(yáng)花19d后)，單位質(zhì)量籽粒葉綠素含量與果皮綠色層光合潛力均顯著下降，難以為小分子的糖向淀粉轉(zhuǎn)化提供足夠的能量，且后期籽粒迅速衰老，也縮短了淀粉累積時(shí)間[11,28]。高濃度O3可導(dǎo)致籽粒中直鏈淀粉、破碎淀粉含量上升，支鏈淀粉和總淀粉含量下降，蛋白質(zhì)和氨基酸含量大幅增加，果皮綠色層在其中扮演著獨(dú)特而重要的角色[31- 32]。結(jié)合葉綠素含量與最大光合能力的變化情況可見，CF100和CF150果皮綠色層對(duì)籽粒淀粉與蛋白質(zhì)累積等耗能過(guò)程的影響要大于NF。

4 結(jié)論

(1) 高濃度O3顯著降低了籽粒的幾何尺度與粒數(shù)，籽粒體積縮小對(duì)粒重的影響大于粒數(shù)下降。

(2) 高濃度O3在灌漿前期延緩了冬小麥的生育進(jìn)度，在灌漿后期使得植株迅速衰老，灌漿持續(xù)時(shí)間大幅縮短。

(3) 籽粒果皮的最大光合能力在灌漿初期受到一定抑制，在灌漿中期表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，在中后期由于籽粒衰老而迅速下降。

(4) 高濃度O3條件下，果皮綠色層在籽粒干物質(zhì)累積和營(yíng)養(yǎng)物合成過(guò)程中發(fā)揮著更加重要的作用。

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Effects of long-term ozone exposure on the photosynthesis capacity of grain pericarp and grain-filling of winter-wheat

ZHAO Ze1,2,WANG Pengyun2,*, ZHENG Youfei2, WU Rongjun2, ZHANG Jin′en2

1YunnanClimateCenter,Kunming650034,China2KunmingAgromcteorologicalStation,Kunming650228,China

Dry matter accumulation, photosynthetic pigments content and chlorophyll a fluorescence parameters (via IMAGIN-PAM, H. Walz, Effeltrich, Germany) in the pericarp were studied in developing wheat grains in response to varying ozone concentration: charcoal filtered air (CF, O3ranging over 4—28 nL/L), ambient air (NF, O3ranging over 7—78 nL/L), 100 nL/L O3(CF100, O3ranging over 96—108 nL/L) and 150 nL/L O3(CF150, O3ranging over 145—160nL/L) and beside, a closed Open Top Chamber(5H, O3ranging over 15—68 nL/L) was set up for comparison. It was observed that CF100 and CF150 treatment significantly reduced the length of winter wheat grain along with its maximum width, maximum thickness, volume, number of grain per ear, grain filling duration and the average filling rate before the end of peak compared with NF. Their 1000-grain weight of CF100 and CF150 was constantly lower than NF (and CF), finally, there was 10.7% and 17.8% decline, respectively. From 8thto 16thday after anthesis, CF100 and CF150 were significantly higher than other three groups, yet after 16 days, they declined rapidly to the extent that they lag the other groups significantly after 18thday. Under enhanced O3, grain yield decrease resulted mainly from the declining of volume, grain filling duration and number of grain per ear. In conclusion, high concentration of O3delayed the grain development process at the earlier period of grain filling but advances senescence at the later period which sharply shorted the grain filling duration. The potential electron transport rate, equivalent to the parameterETRmax, was suppressed at the beginning of grain filling stage but promoted in middle stage. And then it fell rapidly due to the grain aging in advance. In addition, under high concentration of O3, the green layer of pericarp played a more important role in dry matter accumulation and nutrient synthesis.

ozone; winter-wheat; caryopsis; photosynthesis; chlorophyll a fluorescence

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41075114); 云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2010CA017); 江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(09KJA170004); 南京信息工程大學(xué)科研基金項(xiàng)目(90215)

2013- 04- 17;

日期:2014- 04- 03

10.5846/stxb201304170730

*通訊作者Corresponding author.E-mail: info9988@gmail.com

趙澤，王鵬云，鄭有飛，吳榮軍，張金恩.O3脅迫對(duì)冬小麥籽粒果皮光合能力及灌漿的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(3):796- 804.

Zhao ZWang P Y, Zheng Y F, Wu R J, Zhang J E.Effects of long-term ozone exposure on the photosynthesis capacity of grain pericarp and grain-filling of winter-wheat.Acta Ecologica Sinica,2015,35(3):796- 804.