楊磊，靳娟，馮貝貝，樊丁宇，?，摤?，郝慶

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所/農(nóng)業(yè)部新疆地區(qū)果樹科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)新疆特色果樹研究中心，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】棗(ZiziphusjujubaMill.)屬鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(ZiziphusMill.)，是原產(chǎn)于我國的重要特色果樹[1]。因其耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿，抗逆性強(qiáng)，適應(yīng)性廣，經(jīng)濟(jì)效益高，生態(tài)效益明顯[2]。截止 2016年，新疆紅棗種植面積為 50.5×104hm2，產(chǎn)量達(dá) 326×104t，面積和產(chǎn)量均居全疆林果之首[3]。紅棗已成為新疆林果業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。然而，隨著全球氣候變暖，近年來新疆極端高溫天氣頻繁發(fā)生[4]，高溫已開始威脅紅棗的正常生長發(fā)育，如2015年夏季極端高溫導(dǎo)致紅棗大量落果，造成大幅減產(chǎn)。開展高溫環(huán)境下棗光合及生理響應(yīng)研究對新疆紅棗的抗逆高效栽培具有指導(dǎo)意義。【前人研究進(jìn)展】徐斌等[1，5]研究表明在日平均氣溫23和35℃下，托克遜灰棗葉片Pn呈“雙峰”曲線，23℃日平均氣溫有利于灰棗葉片進(jìn)行光合作用，超過35℃日平均氣溫影響灰棗葉片的氣孔導(dǎo)度(Cs)和水分利用效率(WUE)，不利于光合作用。刁凱等[6]研究表明8個(gè)品種棗樹凈光合速率日變化均呈雙峰曲線，且在2個(gè)峰值之間有明顯的光合午休現(xiàn)象，經(jīng)聚類分析雞心棗、 圓脆棗、灰棗屬于低Pn、高WUE、低Tr品種，更適宜環(huán)塔里木盆地干旱缺水的環(huán)境。夏黑葡萄葉片的PSII在高溫處理6 h活性遭到破壞，但高溫處理150 h其PSII活性又得到恢復(fù)，推測夏黑有較強(qiáng)高溫逆境適應(yīng)能力；高溫逆境打破夏黑氧化還原平衡，使MDA含量增加[7]。高溫脅迫下，黃花梨、綠寶石梨幼樹葉片細(xì)胞質(zhì)膜相對透性持續(xù)增大[8]。隨著溫度升高，早紅珠油桃葉片MDA含量呈微增-減少-增加趨勢；45℃高溫下，隨著脅迫延長Pro含量急劇下降；高溫下植株受害指數(shù)與Car、MDA、Pro、SOD及CAT等生理指標(biāo)間具有顯著相關(guān)性[9]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】經(jīng)前期調(diào)查，高溫環(huán)境下駿棗和伏脆蜜在表形方面差異明顯，但高溫下二者在生理方面是否存在差異、以及差異大小仍然不清楚。研究高溫環(huán)境下棗光合特性及相關(guān)生理指標(biāo)日變化。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究光合特性及相關(guān)生理指標(biāo)日變化，分析兩個(gè)品種響應(yīng)高溫環(huán)境的光合及生理差異，為新疆紅棗的抗逆高效栽培及棗耐高溫品種選育提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)材料種植于吐魯番市郊，品種為駿棗和伏脆蜜，樹齡10 a，株行距(2×4) m，管理水平一致。該試驗(yàn)地點(diǎn)氣候特點(diǎn)是典型的大陸性干旱荒漠氣候，干燥少雨，年平均降水量 16.4 mm，蒸發(fā)量3 000 mm以上，日照充足，晝夜溫差大，年有效活動積溫5 300℃以上，無霜期 270 d。

1.2 方 法

根據(jù)天氣預(yù)報(bào)2017年8月7～10日吐魯番市為連續(xù)的晴朗高溫天氣，于8月9日08:00～20:00，每隔2 h測定環(huán)境因子和兩品種相同部位功能葉片光合日變化。儀器采用Li-6400XT型便攜式光合作用測定系統(tǒng)，測定CO2濃度時(shí)均用儀器自控系統(tǒng)控制。開放式氣路測定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、大氣CO2濃度(Ca)、蒸騰速率(Tr)、光合有效輻射(PAR)、大氣溫度(Ta)和空氣濕度(RH)等，并計(jì)算水分利用效率(WUE=Pn/Tr)、氣孔限制值(Ls=1-Ci/Ca)等。兩品種各選3株長勢一致的樣株，每株測3片成熟的功能葉。

并于06:00～20:00每隔2 h采集當(dāng)年生棗頭上相同部位葉片，3次重復(fù)，立即投入液氮速凍，采樣完成后帶回實(shí)驗(yàn)室，測定各時(shí)間點(diǎn)的MDA含量[10]、SP和Pro含量[11]等生理指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2010及SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端高溫區(qū)棗光合日變化

2.1.1 環(huán)境因子日變化規(guī)律

研究表明，PAR的日變化呈單峰曲線，08:00～12:00 PAR逐漸增強(qiáng)，12:00達(dá)到峰值，之后緩慢下降。Ca從08:00的較高水平逐漸降低至14:00的谷值，之后至20:00一直呈持續(xù)上升趨勢。Ta隨時(shí)間推移不斷升高，14:00超過43℃，18:00達(dá)到最大值45℃，之后逐漸降低。RH在08:00～10:00不斷升高，10:00達(dá)到最大值，之后隨著溫度的升高不斷降低。圖1

圖1 試驗(yàn)地環(huán)境因子日變化
Fig.1 Diurnal Variations of Environmental Factors

2.1.2Pn與Tr日變化特征

研究表明，兩品種Pn均值：伏脆蜜>駿棗。駿棗Pn呈現(xiàn)不對稱的雙峰曲線，第一個(gè)高峰出現(xiàn)在10:00，峰值16.42 μmol/(m2·s)，之后Pn略有減弱，表明此時(shí)葉片氣孔的氣體交換能力在減弱，至12:00降到低谷，是出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象的表現(xiàn)，12:00之后又逐漸升高，16:00達(dá)到第二個(gè)高峰，峰值21.51 μmol/(m2·s)，之后急速下降。伏脆蜜呈現(xiàn)單峰曲線，12:00Pn達(dá)到最高峰，峰值21.75 μmol/(m2·s)，之后隨溫度上升，Pn不斷減小。

兩品種Tr的日變化均呈雙峰曲線，但伏脆蜜的雙峰曲線變化明顯比駿棗劇烈，伏脆蜜第一和第二次峰值分別出現(xiàn)在12:00和16:00，兩次Tr峰值分別比08:00升高了224.17%和345.48%，在14:00有明顯的谷值，此時(shí)Tr降低，可能是樹體關(guān)閉氣孔以達(dá)到適應(yīng)午間高溫、防止葉片過度蒸騰水分的一種對環(huán)境變化的應(yīng)對策略。駿棗的Tr值在12:00略有下降，16:00達(dá)到最大峰值(8.39 mol/m2)，比08:00升高了391.11%；蒸騰作用是植物體內(nèi)的水分以氣體的形式散失在大氣中的過程，動力來源于PAR，通過影響葉面溫度，促進(jìn)水分的蒸發(fā)，Tr在一定程度上反映其調(diào)節(jié)植物水分損失的能力及適應(yīng)干旱環(huán)境的方式。圖2

圖2 凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)日變化

2.1.3Gs、Ci、Ls的日變化特征

Ci是光合作用的重要因素之一，Ci反映了葉片進(jìn)行光合作用的過程[12]，研究表明，駿棗Ci變化呈先穩(wěn)定后下降再上升的趨勢，16:00Ci降至最低，僅為74.32 μL/L，之后急速升高，18:00后上升趨于平緩；伏脆蜜的Ci在08:00～10:00緩慢上升，10:00后趨于下降，至14:00降至最低值(147.35μL/L)之后開始上升，16:00～18:00趨于平緩，之后再上升。駿棗和伏脆蜜的Gs日變化均呈雙峰曲線，駿棗的Gs最高峰出現(xiàn)在10:00，峰值0.20 mol/(m2·s)，第二峰值出現(xiàn)在16:00，峰值0.14 mol/(m2·s)；伏脆蜜的Gs最高峰出現(xiàn)在16:00，峰值0.23 mol/(m2·s)，第二峰值出現(xiàn)在10:00，峰值0.24 mol/(m2·s)。

判斷葉片Pn降低的原因是非氣孔因素還是氣孔因素，主要根據(jù)Pn、Ci和Ls的變化，當(dāng)Pn、Ci降低、Ls增大時(shí)，Pn的降低主要是由氣孔限制因素所引起，當(dāng)Pn降低，Ci增大、Ls降低時(shí)，Pn的降低主要是由非氣孔因素限制，也就是葉肉細(xì)胞的光合活性下降[13]。在10:00～12:00，駿棗的Pn下降，Ci下降，變化方向相反，而此時(shí)的Ls在升高，說明駿棗的Pn值降低是由于氣孔關(guān)閉引起的，16:00后駿棗的Pn下降，Ci開始上升，Pn與Ci的方向相反，Ls下降，此時(shí)Pn值降低是由于光照強(qiáng)度的降低導(dǎo)致葉肉細(xì)胞活性下降的非氣孔因素。12:00～14:00伏脆蜜，凈Pn下降，Ci也下降，Ls值上升，這段時(shí)間Pn值的降低，是由于氣孔關(guān)閉引起，14:00以后，Ci開始上升，Pn與Ci的方向相反，Ls下降，此時(shí)Pn的降低是由于光照強(qiáng)度的降低導(dǎo)致葉肉細(xì)胞活性下降的非氣孔因素。圖3

2.1.4 WUE日變化特征

植物的WUE指植物消耗單位水量生產(chǎn)出的同化量，是一個(gè)比較穩(wěn)定的衡量碳固定與水分消耗關(guān)系的指標(biāo)[14]。研究表明，WUE日均值伏脆蜜總體低于駿棗。駿棗和伏脆蜜在08:00的WUE值均最高，之后總體均呈降低趨勢，其中駿棗的WUE在08:00～10:00下降較快，10:00～14:00趨于平緩，14:00～16:00略有回升，16:00之后再次快速降低，18:00之后趨于平緩，總體呈降-緩-降-緩的階梯式下降趨勢；伏脆蜜的WUE在08:00～12:00逐漸下降，12:00～14:00略有回升，14:00～16:00快速降低，16:00～18:00再次緩慢回升，18:00～20:00緩慢下降，總體呈降-緩-降-緩-降的階梯式下降趨勢。圖3

圖3 葉片氣孔限制值(Ls)、水分利用率(WUE)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)日變化

2.1.5Pn與環(huán)境因子的相關(guān)性

植物葉片Pn的大小是衡量植物光合作用能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。研究表明，兩品種的Pn與環(huán)境因子的相關(guān)性具有較高一致性，其中Pn值均與Ci、Ca極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而與Tr極顯著正相關(guān)(P<0.01)，但Pn與Gs、Ls的相關(guān)性駿棗較伏脆蜜更強(qiáng)，而Pn與PAR的相關(guān)性伏脆蜜較駿棗更強(qiáng)。表1

表1 棗葉片凈光合速率(Pn)與環(huán)境因子相關(guān)性

注：*在0.05水平上顯著相關(guān)，**在0.01水平上顯著相關(guān)

Note：

2.2 葉片生理指標(biāo)日變化

2.2.1 葉片MDA含量日變化

研究表明，兩品種葉片MDA含量的日變化總體均呈先上升后下降的趨勢，這與當(dāng)日06:00～20:00氣溫的變化趨勢具有相似性，但駿棗的MDA高于伏脆蜜。駿棗的MDA在06:00～10:00逐漸升高，并在10:00達(dá)到最大值(11.22 μmol/g)，之后在起伏波動中逐漸降低至20:00的最小值(6.93 μmol/g)；伏脆蜜的MDA在06:00～14:00緩慢升高，在14:00達(dá)到最大值(9.35 μmol/g)，之后持續(xù)降低至20:00的最小值(5.86 μmol/g)。其中MDA含量駿棗不僅較伏脆蜜提前4 h達(dá)到的最大值，而且較伏脆蜜的最大值高出1.87 μmol/g。圖4

圖4 棗葉片MDA含量日變化
Fig.4 Diurnal variation of MDA content

2.2.2 葉片Pro含量日變化

研究表明，兩品種葉片Pro含量在06:00～20:00的變化趨勢基本一致，總體均呈下降趨勢。但伏脆蜜葉片Pro含量明顯低于駿棗。駿棗在14:00 Pro含量最低，為104.38 mg/g，顯著低于06:00～12:00任一點(diǎn)的值，14:00～18:00 Pro含量逐漸升高，18:00達(dá)到138.20 mg/g，較16:00上升了19.16%。伏脆蜜從06:00～10:00，下降了36.21%，10:00～12:00趨于平穩(wěn)，06:00～14:00 Pro含量差異不顯著，16:00的Pro含量較06:00下降了43.37%，16:00～18:00 Pro含量開始上升，18:00較16:00上升了28.56%。圖5

圖5 棗葉片Pro含量日變化
Fig.5 Diurnal variation of proline content

2.2.3 葉片可溶性蛋白的日變化

研究表明，駿棗和伏脆蜜的可溶性蛋白含量呈M型曲線變化，都在10:00和18:00有明顯的峰值，其中10:00駿棗的可溶性蛋白含量到達(dá)第一個(gè)峰值，較06:00上升了123.71%；18:00到達(dá)第二個(gè)峰值，較06:00上升了180.59%。伏脆蜜的可溶性蛋白含量在10:00和18:00有明顯的峰值，分別比06:00上升了33.76%和56.50%。圖6

圖6 棗葉片可溶性蛋白日變化
Fig.6 Diurnal variation of soluble protein

3 討 論

高溫能降低植物的氣孔導(dǎo)度、關(guān)鍵光合功能因子，使植物光合產(chǎn)物的運(yùn)輸和分配發(fā)生變化，葉片光系統(tǒng)PSⅡ受損，最終導(dǎo)致植物體內(nèi)的能量代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程失衡，所以高溫逆境對果樹的光合作用效率傷害較為顯著[15]。Raschke等[16]認(rèn)為當(dāng)高溫、強(qiáng)光照時(shí)，空氣濕度的降低會使植物蒸騰作用加大，根系從土壤中獲取水分維持生命活動，若土壤水分充足，Tr與空氣蒸發(fā)能力呈正比；若土壤水分不足，較大的蒸騰作用導(dǎo)致植物失水嚴(yán)重，空氣與葉片之間形成較大的水汽壓差，保衛(wèi)細(xì)胞失水關(guān)閉，因而以氣孔限制方式減少蒸騰失水。實(shí)驗(yàn)中，中午高溫導(dǎo)致紅棗蒸騰強(qiáng)度大，植株失水加劇，Pn降低的同時(shí)，Ci降低、Ls升高。因此，駿棗光合午休主要是由氣孔限制因素引起，與張燕林[17]、徐斌[5]、王龍[18]、刁凱等[6]的研究結(jié)果一致，但可能因品種、環(huán)境等因素的差異在光合午休現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)間方面略有不同；而伏脆蜜Pn為單峰曲線，與毛葉棗[19]的研究結(jié)果一致，屬于一降不起的類型，伏脆蜜在12:00～14:00和14:00以后的Pn下降分別屬于氣孔關(guān)閉和非氣孔因素共同引起的。

萬素梅等[20]認(rèn)為在塔里木盆地大氣溫度達(dá)到 25.6～39.1℃的高溫強(qiáng)光條件下，棗樹采取了較高的Tr來降低其葉片的溫度，以避免高溫強(qiáng)光對自身的傷害，是紅棗對高溫干旱環(huán)境的適應(yīng)方式。研究與萬素梅等[20]的研究結(jié)果相同，其中伏脆蜜氣溫相對較高時(shí)段(16:00～18:00)的Tr明顯高于駿棗，伏脆蜜比駿棗更適應(yīng)高溫環(huán)境。研究中Pn與Tr極顯著正相關(guān)，說明Tr在棗光合作用過程中起了非常重要的作用，可以防止由于葉溫過高對葉片造成的損傷。

高溫對果樹葉片細(xì)胞內(nèi)生物膜功能造成一定傷害，表現(xiàn)在致使MDA、羥自由基(·OH)等氧化物增多，增大細(xì)胞膜的滲透性和外滲電解質(zhì)，增加相對電導(dǎo)率，打破細(xì)胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的平衡性，從而傷害植物[15]。研究兩品種葉片MDA和Pro含量的日變化趨勢基本一致，但駿棗明顯高于伏脆蜜，說明在相同高溫環(huán)境下駿棗葉片細(xì)胞膜受到的傷害比伏脆蜜高，伏脆蜜細(xì)胞膜穩(wěn)定性較駿棗強(qiáng)。這也證明伏脆蜜的耐高溫能力優(yōu)于駿棗。

4 結(jié) 論

伏脆蜜的Pn值大于駿棗，駿棗在12:00出現(xiàn)明顯的光合午休現(xiàn)象是由于氣孔關(guān)閉造成Pn值降低而引起的，而伏脆蜜無光合午休現(xiàn)象；駿棗和伏脆蜜分別在16:00和14:00之后Pn值的降低均是由于光照強(qiáng)度的降低導(dǎo)致葉肉細(xì)胞活性下降的非氣孔因素引起。兩品種Tr的日變化均呈雙峰曲線，但伏脆蜜的曲線變化明顯比駿棗劇烈，伏脆蜜調(diào)節(jié)水分散失的能力強(qiáng)于駿棗，這有利于降低葉溫，維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性，能更好的適應(yīng)高溫環(huán)境。

兩品種葉片MDA、Pro和SP含量的變化趨勢基本一致，但駿棗葉片MDA和Pro含量均明顯高于伏脆蜜，在相同高溫環(huán)境下駿棗葉片細(xì)胞膜受損比伏脆蜜嚴(yán)重。伏脆蜜比駿棗耐高溫。

致謝：感謝新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)新疆特色果樹研究中心廖康教授為該試驗(yàn)提供的幫助和指導(dǎo)！