短時(shí)干旱脅迫對(duì)水旱稻葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h1>
2018-02-06 08:26:18河南省種子管理站滕開瓊肖琳琳劉詩慧賈文華司冰
河南農(nóng)業(yè) 2018年2期
河南省種子管理站 滕開瓊 肖琳琳 劉詩慧 賈文華 司冰
作物光合作用對(duì)干旱脅迫反應(yīng)十分敏感，干旱脅迫環(huán)境下植物葉片的葉綠素穩(wěn)定性下降，含量降低，葉片的光合速率也降低，從而作物的產(chǎn)量降低。干旱脅迫造成植物的氣孔關(guān)閉、水分平衡失調(diào)和酶失活會(huì)降低CO2同化量和光系統(tǒng)域光化學(xué)活性與光合電子需求不平衡，傷害葉片的葉綠體光合機(jī)構(gòu) PS系統(tǒng)，引發(fā)光合機(jī)構(gòu)受損。耐性品種具有較強(qiáng)的熱耗散和光呼吸等耗散過剩光能的調(diào)節(jié)機(jī)制，對(duì)干旱和光脅迫的保護(hù)能力較強(qiáng)。旱稻的抗旱性優(yōu)于水稻，但是，對(duì)于短時(shí)的干旱脅迫旱稻是否比水稻更迅速地適應(yīng)機(jī)制，光合機(jī)構(gòu)在短時(shí)干旱脅迫是否比水稻更穩(wěn)定。本研究，利用水稻越富、旱稻IRAT109及導(dǎo)入系為材料，用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM測定各材料葉片的葉綠素?zé)晒猓治鏊档镜娜~綠素?zé)晒鈱?duì)瞬時(shí)干旱的適應(yīng)機(jī)制。
一、材料與方法
（一）試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為水稻品種越富、旱稻品種IRAT109、導(dǎo)入系IL392。
（二）試驗(yàn)方法
3個(gè)材料種子先用10% H2O2表面消毒10min，無菌水沖洗6次（2min/次），然后放置于無菌水中浸泡24h，之后置于濕紗布上，黑暗條件下32℃催芽2d，將露白的種子播于底部粘有紗布的泡沫塑料孔板上，每孔5粒，將泡沫板漂于盒子中，先用清水培養(yǎng)7d，再用0.5倍的全營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。3葉期，用海綿將水稻幼苗固定在塑料盒中，每盒種植30株，每7d更換1次水稻營養(yǎng)液，每3d調(diào)節(jié)1次pH值，使pH值為5.3。盡量保持相同的培養(yǎng)條件，生長至6葉期，3種材料水培至6葉期進(jìn)行25% PEG 6000的干旱脅迫處理，分別在0min、30min、60min、90min、120min 時(shí)測定葉片熒光，設(shè)置3個(gè)重復(fù)。
（三）測定儀器
調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM（M系 列， 德 國WALZ公司生產(chǎn)）。
（四）測定部位
距離心葉最近的1片完全葉，3個(gè)重復(fù)。
二、結(jié)果與分析
由水旱稻葉片熒光圖的分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對(duì)水旱稻葉片的影響是從葉片頂端向葉片基部逐步發(fā)生的。把從葉片頂端到葉片基部均勻分為了9個(gè)部分，分別標(biāo)記為1、2、3、4、5、6、7、8、9，測定葉片光系統(tǒng)II的熒光參數(shù)，來分析干旱對(duì)葉片各部位光系統(tǒng)II 的脅迫損傷規(guī)律。
（一）短時(shí)干旱脅迫對(duì)水旱稻葉片Y（Ⅱ）的影響
整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率降低。同一材料不同部位，葉片實(shí)際光化學(xué)效率為9＞8＞7＞6＞5＞4＞3/2/1（ 圖 1）， 且干旱脅迫后實(shí)際光化學(xué)量子效率的下降幅度 IRAT109的 1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成實(shí)際光化學(xué)量子效率的降低整體性強(qiáng)，主要集中于上部。干旱對(duì)越富實(shí)際光化學(xué)效率的影響也主要集中于上部，對(duì)IL392實(shí)際光化學(xué)量子效率沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即實(shí)際光化學(xué)量子效率的降低從葉片上部開始發(fā)生。短時(shí)間的干旱脅迫（60min以內(nèi)）提高了IL392的實(shí)際光化學(xué)量子效率。
（二）短時(shí)干旱脅迫對(duì)水旱稻葉片NPQ的影響
NPQ成像揭示了同一部位不同材料和同一材料不同部位對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)情況（圖2）。首先，整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，葉片損傷增加，熱耗散增加，同一材料不同部位，葉片上中部的（2、3、4）熱耗散更大（IL392例外），頂部次之，下部最小，說明葉片上中部的損傷更大，頂部次之，葉片底部的損傷小。其次，同一部位不同材料，0～30min，IRAT109IL392＞ 越富，說明IRAT109IL392對(duì)干旱脅迫帶來的損傷能夠迅速做出反應(yīng)，通過增加熱耗散來保護(hù)自身，而越富對(duì)干旱脅迫反應(yīng)遲鈍。脅迫60min以后，IRAT109＞ IL392/越富，IL392熱耗散增加幅度小，而且30min的脅迫降低了它的熱耗散，60min時(shí)又驟然增加，同時(shí)，IL392葉片各部位熱耗散比較均衡。
（三）短時(shí)干旱脅迫對(duì)水旱稻葉片qP的影響
光化學(xué)淬滅系數(shù)反映了植物葉片光和活性的高低。隨著脅迫時(shí)間的延長，葉片光合活性降低，同一材料不同部位，葉片光合活性為9＞8＞7＞6＞5≥ 4＞3/2/1（ 圖 3），且干旱脅迫后光合活性的下降幅度IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成的損傷整體性強(qiáng)，主要集中于上部。干旱對(duì)越富光和活性的影響也主要集中于上部，對(duì)IL392光合活性沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即光合活性的降低從葉片上部開始發(fā)生。
（四）短時(shí)干旱脅迫對(duì)水旱稻葉片ETR的影響
整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片相對(duì)電子傳遞速率降低。同一材料不同部位，葉片相對(duì)電子傳遞速率為9＞8＞7＞6＞5＞4＞3/2/1（ 圖 4），且干旱脅迫后相對(duì)電子傳遞速率的下降幅度 IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成相對(duì)電子傳遞速率的降低，主要集中于葉片上部。干旱對(duì)越富相對(duì)電子傳遞速率的影響也主要集中于上部，對(duì)IL392相對(duì)電子傳遞速率沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即相對(duì)電子傳遞速率的降低從葉片上部開始發(fā)生。
三、小結(jié)與討論
葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)是植物水分和鹽堿脅迫危害的一種理想監(jiān)測手段。干旱脅迫下植物的PSII 原初光能轉(zhuǎn)換效率和潛在活性降低，光合電子傳遞受到抑制。本研究，PEG模擬干旱脅迫，3個(gè)材料的葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對(duì)電子傳遞速率都降低，熱耗散增加。但是令人奇怪的是，旱稻的葉片光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對(duì)電子傳遞速率下降的時(shí)間和幅度都較水稻和導(dǎo)入系更早、更大。導(dǎo)入系IL392在整個(gè)較短時(shí)間內(nèi)的干旱脅迫環(huán)境中表現(xiàn)出極度的鈍感，并且干旱脅迫對(duì)IL392的影響較小，這可能是旱稻對(duì)瞬時(shí)干旱脅迫的反應(yīng)比較，以便植物對(duì)干旱做出適應(yīng)的機(jī)制。植物本身的葉片特征和光合機(jī)構(gòu)性能有著緊密的關(guān)系，但是，在光系統(tǒng)II中進(jìn)行光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換的各個(gè)環(huán)節(jié)中都發(fā)揮著非常重要的作用，協(xié)調(diào)著光系統(tǒng)II的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究，運(yùn)用調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM監(jiān)測干旱脅迫過程葉片不同部位熒光反應(yīng)情況，葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對(duì)電子傳遞速率各參數(shù)都存在葉片的位置效應(yīng)，從葉片基部最大，葉片頂部最小。受脅迫時(shí)，葉尖到葉片基部對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)敏感度逐漸減小，對(duì)PSII的影響從葉片上部到基部逐漸減小，這可能是因?yàn)楦珊得{迫導(dǎo)致葉片上部葉綠體中的嗜鋨顆粒增多，加速上部葉片的衰老，因而導(dǎo)致葉片上部的光合性能低于葉片基部。試驗(yàn)采用的是距離心葉最近的葉片，葉片可能還沒有完全發(fā)育，所以基部葉片可能葉綠素?cái)?shù)量多，光合性能強(qiáng)，脅迫下光合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也好。當(dāng)然除了葉片本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)方面原因，水旱稻及導(dǎo)入系的葉位效應(yīng)也存在差異，這也可能是遺傳因素造成的。
圖1 短時(shí)干旱脅迫對(duì)葉片Y（Ⅱ）的影響
圖2 短時(shí)干旱脅迫對(duì)葉片N P Q的影響
圖3 短時(shí)干旱脅迫對(duì)葉片q P的影響
圖4 短時(shí)干旱脅迫對(duì)葉片E T R的影響
本研究只是從葉片熒光的層面對(duì)同一葉片不同部位對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)進(jìn)行了初步探究，發(fā)現(xiàn)葉片對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)敏感度是從葉片上部向葉片基部逐步減小的，葉片不同部位的研究具有一定的參考價(jià)值，有關(guān)同一葉片不同部位對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。
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（二）試驗(yàn)方法
3個(gè)材料種子先用10% H2O2表面消毒10min，無菌水沖洗6次（2min/次），然后放置于無菌水中浸泡24h，之后置于濕紗布上，黑暗條件下32℃催芽2d，將露白的種子播于底部粘有紗布的泡沫塑料孔板上，每孔5粒，將泡沫板漂于盒子中，先用清水培養(yǎng)7d，再用0.5倍的全營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。3葉期，用海綿將水稻幼苗固定在塑料盒中，每盒種植30株，每7d更換1次水稻營養(yǎng)液，每3d調(diào)節(jié)1次pH值，使pH值為5.3。盡量保持相同的培養(yǎng)條件，生長至6葉期，3種材料水培至6葉期進(jìn)行25% PEG 6000的干旱脅迫處理，分別在0min、30min、60min、90min、120min 時(shí)測定葉片熒光，設(shè)置3個(gè)重復(fù)。
（三）測定儀器
調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM（M系 列， 德 國WALZ公司生產(chǎn)）。
（四）測定部位
距離心葉最近的1片完全葉，3個(gè)重復(fù)。
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由水旱稻葉片熒光圖的分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對(duì)水旱稻葉片的影響是從葉片頂端向葉片基部逐步發(fā)生的。把從葉片頂端到葉片基部均勻分為了9個(gè)部分，分別標(biāo)記為1、2、3、4、5、6、7、8、9，測定葉片光系統(tǒng)II的熒光參數(shù)，來分析干旱對(duì)葉片各部位光系統(tǒng)II 的脅迫損傷規(guī)律。
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整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率降低。同一材料不同部位，葉片實(shí)際光化學(xué)效率為9＞8＞7＞6＞5＞4＞3/2/1（ 圖 1）， 且干旱脅迫后實(shí)際光化學(xué)量子效率的下降幅度 IRAT109的 1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成實(shí)際光化學(xué)量子效率的降低整體性強(qiáng)，主要集中于上部。干旱對(duì)越富實(shí)際光化學(xué)效率的影響也主要集中于上部，對(duì)IL392實(shí)際光化學(xué)量子效率沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即實(shí)際光化學(xué)量子效率的降低從葉片上部開始發(fā)生。短時(shí)間的干旱脅迫（60min以內(nèi)）提高了IL392的實(shí)際光化學(xué)量子效率。
（二）短時(shí)干旱脅迫對(duì)水旱稻葉片NPQ的影響
NPQ成像揭示了同一部位不同材料和同一材料不同部位對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)情況（圖2）。首先，整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，葉片損傷增加，熱耗散增加，同一材料不同部位，葉片上中部的（2、3、4）熱耗散更大（IL392例外），頂部次之，下部最小，說明葉片上中部的損傷更大，頂部次之，葉片底部的損傷小。其次，同一部位不同材料，0～30min，IRAT109IL392＞ 越富，說明IRAT109IL392對(duì)干旱脅迫帶來的損傷能夠迅速做出反應(yīng)，通過增加熱耗散來保護(hù)自身，而越富對(duì)干旱脅迫反應(yīng)遲鈍。脅迫60min以后，IRAT109＞ IL392/越富，IL392熱耗散增加幅度小，而且30min的脅迫降低了它的熱耗散，60min時(shí)又驟然增加，同時(shí)，IL392葉片各部位熱耗散比較均衡。
（三）短時(shí)干旱脅迫對(duì)水旱稻葉片qP的影響
光化學(xué)淬滅系數(shù)反映了植物葉片光和活性的高低。隨著脅迫時(shí)間的延長，葉片光合活性降低，同一材料不同部位，葉片光合活性為9＞8＞7＞6＞5≥ 4＞3/2/1（ 圖 3），且干旱脅迫后光合活性的下降幅度IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成的損傷整體性強(qiáng)，主要集中于上部。干旱對(duì)越富光和活性的影響也主要集中于上部，對(duì)IL392光合活性沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即光合活性的降低從葉片上部開始發(fā)生。
（四）短時(shí)干旱脅迫對(duì)水旱稻葉片ETR的影響
整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片相對(duì)電子傳遞速率降低。同一材料不同部位，葉片相對(duì)電子傳遞速率為9＞8＞7＞6＞5＞4＞3/2/1（ 圖 4），且干旱脅迫后相對(duì)電子傳遞速率的下降幅度 IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成相對(duì)電子傳遞速率的降低，主要集中于葉片上部。干旱對(duì)越富相對(duì)電子傳遞速率的影響也主要集中于上部，對(duì)IL392相對(duì)電子傳遞速率沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即相對(duì)電子傳遞速率的降低從葉片上部開始發(fā)生。
三、小結(jié)與討論
葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)是植物水分和鹽堿脅迫危害的一種理想監(jiān)測手段。干旱脅迫下植物的PSII 原初光能轉(zhuǎn)換效率和潛在活性降低，光合電子傳遞受到抑制。本研究，PEG模擬干旱脅迫，3個(gè)材料的葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對(duì)電子傳遞速率都降低，熱耗散增加。但是令人奇怪的是，旱稻的葉片光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對(duì)電子傳遞速率下降的時(shí)間和幅度都較水稻和導(dǎo)入系更早、更大。導(dǎo)入系IL392在整個(gè)較短時(shí)間內(nèi)的干旱脅迫環(huán)境中表現(xiàn)出極度的鈍感，并且干旱脅迫對(duì)IL392的影響較小，這可能是旱稻對(duì)瞬時(shí)干旱脅迫的反應(yīng)比較，以便植物對(duì)干旱做出適應(yīng)的機(jī)制。植物本身的葉片特征和光合機(jī)構(gòu)性能有著緊密的關(guān)系，但是，在光系統(tǒng)II中進(jìn)行光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換的各個(gè)環(huán)節(jié)中都發(fā)揮著非常重要的作用，協(xié)調(diào)著光系統(tǒng)II的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究，運(yùn)用調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM監(jiān)測干旱脅迫過程葉片不同部位熒光反應(yīng)情況，葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對(duì)電子傳遞速率各參數(shù)都存在葉片的位置效應(yīng)，從葉片基部最大，葉片頂部最小。受脅迫時(shí)，葉尖到葉片基部對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)敏感度逐漸減小，對(duì)PSII的影響從葉片上部到基部逐漸減小，這可能是因?yàn)楦珊得{迫導(dǎo)致葉片上部葉綠體中的嗜鋨顆粒增多，加速上部葉片的衰老，因而導(dǎo)致葉片上部的光合性能低于葉片基部。試驗(yàn)采用的是距離心葉最近的葉片，葉片可能還沒有完全發(fā)育，所以基部葉片可能葉綠素?cái)?shù)量多，光合性能強(qiáng)，脅迫下光合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也好。當(dāng)然除了葉片本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)方面原因，水旱稻及導(dǎo)入系的葉位效應(yīng)也存在差異，這也可能是遺傳因素造成的。
圖1 短時(shí)干旱脅迫對(duì)葉片Y（Ⅱ）的影響
圖2 短時(shí)干旱脅迫對(duì)葉片N P Q的影響
圖3 短時(shí)干旱脅迫對(duì)葉片q P的影響
圖4 短時(shí)干旱脅迫對(duì)葉片E T R的影響
本研究只是從葉片熒光的層面對(duì)同一葉片不同部位對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)進(jìn)行了初步探究，發(fā)現(xiàn)葉片對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)敏感度是從葉片上部向葉片基部逐步減小的，葉片不同部位的研究具有一定的參考價(jià)值，有關(guān)同一葉片不同部位對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。
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