劉蕾蕾，紀洪亭，劉兵，馬吉鋒，肖瀏駿，湯亮，曹衛(wèi)星，朱艷

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拔節(jié)期和孕穗期低溫處理對小麥葉片光合及葉綠素熒光特性的影響

劉蕾蕾，紀洪亭，劉兵，馬吉鋒，肖瀏駿，湯亮，曹衛(wèi)星，朱艷

（南京農業(yè)大學國家信息農業(yè)工程技術中心/農業(yè)農村部農作物系統分析與決策重點實驗室/江蘇省信息農業(yè)高技術研究重點實驗室/江蘇省現代作物生產協同創(chuàng)新中心，南京 210095）

【目的】研究自然溫度日變化模式下低溫處理對小麥光合及熒光特性的影響。【方法】以溫度敏感性不同的2個小麥品種揚麥16和徐麥30為材料，于拔節(jié)期和孕穗期在全自動人工氣候室中進行4個低溫水平和3個低溫持續(xù)時間的處理，于低溫處理期間及低溫處理結束后7 d內每天測定小麥第一張全展葉的光合和熒光參數。【結果】低溫處理期間，揚麥16和徐麥30葉片凈光合速率（n）、氣孔導度（s）、蒸騰速率（r）、最大光化學效率（Fv/Fm）、實際光化學效率（ФPSII）、光化學猝滅系數（qP）均隨溫度的降低而下降。拔節(jié)期低溫處理期間，葉片n、s、r、Fv/Fm、ФPSII和qP隨低溫持續(xù)時間的延長呈先降低后升高的趨勢，而孕穗期低溫處理期間，則隨低溫持續(xù)時間的延長呈下降趨勢。低溫處理結束后，除孕穗期T4（Tmin/Tmax/Tavg，-6℃/4℃/-1℃）處理外，其他處理的葉片n、s、r、Fv/Fm、ФPSII、qP和非光化學猝滅系數（NPQ）均可恢復到正常水平。低溫脅迫下，相對n與相對Fv/Fm、ФPSII、qP呈顯著的正相關關系，而與相對NPQ呈顯著的負相關關系，且相對n與相對ФPSII、qP的相關性要高于相對Fv/Fm和相對NPQ?！窘Y論】低溫主要通過降低葉片ФPSII和qP，引起小麥葉片光合速率下降，進而降低小麥干物質積累，最終導致產量下降。

小麥；拔節(jié)期；孕穗期；低溫處理；光合；熒光

0 引言

【研究意義】近百年來，自然的氣候波動和人類活動的加劇導致地球氣候正經歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。在全球變暖背景下，極端低溫發(fā)生的頻率、強度和持續(xù)時間也在不斷加強[1-3]。低溫頻發(fā)加劇了小麥生產系統的不穩(wěn)定性，降低了小麥產量和品質[4-5]。光合作用是植物最基本的生理現象，是干物質積累的唯一途徑[6]。同時，光合作用又是對低溫最為敏感的生理過程之一[7]，低溫不僅傷害光系統I和光系統II，還會影響到暗反應即卡爾文循環(huán)過程[8-9]。因此，在全球變暖背景下，研究低溫對小麥葉片光合特性的影響，定量分析低溫處理下葉片光合速率與熒光參數的關系，可為未來氣候條件下小麥抗寒品種選育及減災豐產高效栽培管理措施制定等提供理論依據?！厩叭搜芯窟M展】低溫（非致死）條件下，光合作用由于酶反應受到限制而遭受抑制，使光合碳同化表現出對氧濃度變化不敏感，繼而降低植物的光合作用速率[10]。Single等[11]認為小麥拔節(jié)期-7℃—0℃的夜間低溫將對小麥葉片和莖稈組織產生破壞，降低小麥的光合作用速率。Marcellos等[12]通過人工氣候室降溫試驗（設0℃，-1℃和-2℃3個低溫處理，每個處理持續(xù)2 h）發(fā)現，溫度越低導致小麥的光合速率下降越明顯，且孕穗期經過-2℃處理后的植株光合性能3 d后仍無法恢復。另外，Marcellos等[12]還得出，低溫脅迫對低葉位葉片光合速率的影響明顯大于高葉位葉片，低溫處理后高葉位葉片出現水泡，尖端壞死，而低葉位葉片則出現皺縮甚至死亡。李衛(wèi)民等[13]通過對拔節(jié)至灌漿期的小麥葉片進行光合測定表明，低溫明顯降低了小麥的氣孔導度和光合速率，進而減少了同化物的累積。為研究小麥植株光合特性對低溫凍害的響應規(guī)律，任德超等[14]在可移動田間智能低溫霜箱內設置了-1℃、-3℃、-5℃、-7℃和-9℃5個溫度梯度，對拔節(jié)前期和拔節(jié)后期的小麥進行4 h低溫處理，研究結果表明，小麥葉片光合速率、胞間CO2濃度、蒸騰速率和氣孔導度均隨溫度的降低呈下降趨勢，且拔節(jié)前期-7℃和拔節(jié)后期-5℃處理的小麥葉片各光合性能指標均較對照顯著下降。關雅楠等[15]研究認為，分蘗期（-10℃連續(xù)處理2 d）和拔節(jié)期（0℃連續(xù)處理3 d）低溫處理下，不同基因型小麥品種葉綠素熒光參數的變化不同，半冬性品種煙農19最大光化學效率、光化學猝滅系數和非光化學猝滅系數顯著高于春性品種揚麥18，表明低溫脅迫下煙農19光合器官損傷程度輕，具有較高的光合活性和較強的自我保護機制?！颈狙芯壳腥朦c】綜合國內外文獻報道，前人就低溫脅迫對小麥葉片光合特性的影響機理進行了大量研究，但已有研究均是在冰箱或人工霜箱中進行，溫度的設置大都基于恒定的白天/夜間處理溫度，并沒有考慮自然條件下的溫度日變化規(guī)律；再者，已有研究大多僅考慮低溫水平對小麥葉片光合及熒光特性的影響，較少研究低溫持續(xù)時間及低溫水平和持續(xù)時間的交互作用效應。在自然環(huán)境下，低溫脅迫是溫度日變化規(guī)律下低溫水平和持續(xù)時間的綜合效應。另外，已有研究大都是定性描述低溫對小麥葉片光合作用和葉綠素熒光參數的影響，缺乏低溫脅迫下小麥光合及熒光特性的定量研究?！緮M解決的關鍵問題】本研究以溫度敏感性不同的揚麥16和徐麥30為材料，在人工氣候室中實施自然溫度日變化模式下不同低溫發(fā)生時期、低溫水平、低溫持續(xù)時間及其互作的小麥盆栽試驗，研究低溫處理對小麥葉片光合及葉綠素熒光特性的影響，以期為未來氣候條件下小麥安全生產及適應性栽培措施的制定提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

低溫處理試驗于2013—2015年連續(xù)2個小麥生長季，在江蘇省如皋市國家信息農業(yè)工程技術中心試驗基地（120.33°E, 32.23°N）的全自動人工氣候室進行。供試小麥品種為揚麥16（春性品種）和徐麥30（半冬性品種）。設置拔節(jié)期（S1）和孕穗期（S2）2個低溫處理時期，并根據1981—2010年我國冬小麥主產區(qū)拔節(jié)至孕穗階段出現的極端溫度情況（圖1），于每個處理時期設置了4個低溫水平和3個低溫持續(xù)時間，其中4個低溫水平分別為T1（6℃/16℃/11℃，處理階段的日最低溫度/最高溫度/平均溫度，分別用Tmin/Tmax/Tavg表示，CK）、T2（較CK平均低4℃，即設計為2℃/12℃/7℃，Tmin/Tmax/Tavg）、T3（較CK平均低8℃，即設計為-2℃/8℃/3℃，Tmin/Tmax/Tavg）、T4（較CK平均低12℃，即設計為-6℃/4℃/-1℃，Tmin/Tmax/Tavg）；3個低溫持續(xù)時間分別為2 d（D1）、4 d（D2）和6 d（D3）。

試驗分別于2013年11月4日和2014年11月3日進行，當天于高30 cm、直徑25 cm的塑料桶里播種，每桶在3葉期留苗10株。小麥播種前每桶施用基肥0.9 g N、0.5 g P2O5和0.9 g K2O，拔節(jié)前追施0.9 g N，其他管理措施（如灌溉、病蟲害防治等）同當地高產栽培管理，以確保小麥生長不受水分和病、蟲、草害等限制。低溫處理前將小麥置于自然生長環(huán)境中，根據各小麥品種的生育進程，分別于拔節(jié)期（群體50%植株基部第一節(jié)間伸長至離地面2 cm）和孕穗期（群體50%旗葉葉片全部抽出葉鞘，旗葉葉鞘包著的幼穗明顯膨大）選取長勢一致的小麥移入人工氣候室中進行低溫處理。低溫處理階段，為減少氣候室內各方位光溫的差異，每天對內、外側桶的位置進行互換。低溫處理結束后，將小麥置于對照的人工氣候室內使其在對照環(huán)境下恢復7 d，之后搬出氣候室外恢復自然生長環(huán)境，直至成熟。

1.2 人工氣候室概況

人工氣候室采用高透光玻璃構成，每個氣候室長×寬×高分別為3.4 m×3.2 m×2.8 m，內安裝有溫、濕度控制設備、補光和自動換氣設備，以便控制人工氣候室中的溫度、空氣濕度、光照和CO2濃度，使其與外界大氣環(huán)境基本保持一致。人工氣候室的溫度控制范圍在冬春季為-10℃—30℃，夏秋季為10℃—45℃，室內溫度均勻性允差為±1℃，濕度控制范圍為20%—95%RH，CO2濃度控制范圍為350—2 000 μmol·mol-1。采用鹵素燈進行補光，以確保氣候室內小麥生長能夠獲得足夠的光照強度，晴天中午和陰天中午，人工氣候室內的光強分別為1 380 μmol·m-1·s-1和240 μmol·m-1·s-1。人工氣候室內的晝夜溫度變化采用外界環(huán)境中溫度日變化曲線模式進行控制，從而使得人工氣候室內的溫度日變化能夠盡量符合自然條件下的溫度日變化規(guī)律（圖2）。

圖1 1981—2010年我國冬小麥主產區(qū)拔節(jié)至孕穗階段極端最低溫度、溫度日較差及平均低溫持續(xù)天數

圖2 人工氣候室內控制溫度的實測值與外界環(huán)境溫度動態(tài)（數據獲取于2015年3月25日）

1.3 測定項目與方法

1.3.1 光合指標測定 低溫處理期間，于每天上午9：00—12：00，在人工氣候室內采用美國Li-COR公司生產的Li-6400 XT型便攜式光合測定系統測定小麥頂部第一張全展葉的凈光合速率（n）、氣孔導度（s）、蒸騰速率（r）等光合指標，每個處理測定5張葉片。測試時選擇紅藍光源葉室，設定光量子密度（PAR）1 100 μmol·m-2·s-1。低溫處理結束后，將低溫處理的小麥移到對照溫度下（T1，CK）進行恢復，繼續(xù)每天測定光合數據直至處理后7 d。

1.3.2 熒光參數測定 采用德國Walz公司生產的PAM2500測定小麥頂部第一張全展葉片的熒光參數，每個處理測試5張葉片。低溫處理期間，于每天凌晨3：00—4：00在人工氣候室內測定初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）和暗處理下PSⅡ的最大光化學效率（Fv/Fm）。將葉片充分光適應后，于每天上午9：00—12：00，測定小麥頂部第一張全展葉片的光化學猝滅系數（qP）、非光化學猝滅系數（NPQ）和PSⅡ實際光化學效率（ФPSII）等。處理結束后，將低溫處理的小麥移到對照溫度下（T1，CK）進行恢復，繼續(xù)每天測定熒光數據直至處理后7 d。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016對2年的試驗數據進行數據統計，運用SPSS 18.0 進行數據分析。

2 結果

2.1 拔節(jié)期和孕穗期低溫處理對小麥葉片光合特性的影響

2.1.1 低溫處理對小麥葉片凈光合速率的影響 由圖3可知，拔節(jié)期同一低溫處理水平下（T1除外），2個小麥品種葉片凈光合速率（n）隨低溫持續(xù)時間的延長呈先下降后升高的趨勢，并且2個小麥品種葉片n在處理后1—3 d降至最低，其值（T2—T4）分別較對照（T1）下降48.6%、69.3%和75.3%（2個小麥品種的平均值）。拔節(jié)期低溫處理結束后，2個小麥品種葉片n開始回升，且均能夠在1—6 d內恢復到對照水平（T1）。而孕穗期同一低溫處理水平下（T1除外），2個小麥品種葉片n均隨低溫持續(xù)時間的延長呈下降趨勢。其中，T2和T3處理的n能夠恢復到T1水平，而T4處理結束后葉片n一直持續(xù)下降。

拔節(jié)期和孕穗期低溫處理期間，揚麥16和徐麥30葉片n均隨溫度的下降而下降，且孕穗期低溫水平對葉片n的影響大于拔節(jié)期。另外，拔節(jié)期低溫處理水平對揚麥16的影響大于徐麥30，而孕穗期低溫處理水平對葉片n的影響在品種間差異不大。拔節(jié)期和孕穗期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16葉片n平均降低6.2%和6.4%，徐麥30葉片n平均降低4.9%和6.9%。此外，從2個小麥品種低溫處理結束后葉片n的恢復能力來看，拔節(jié)期低溫處理結束后，徐麥30葉片n用于恢復的時間要少于揚麥16，而孕穗期低溫處理后，2個小麥品種葉片n的恢復時間相差不大。

2.1.2 低溫處理對小麥葉片氣孔導度的影響 由圖4可以看出，拔節(jié)期低溫處理期間，T2水平下，隨低溫持續(xù)時間的延長，2個小麥品種葉片氣孔導度（s）呈升高趨勢，而在T3和T4水平下，兩個小麥品種葉片s呈先下降后上升的趨勢。拔節(jié)期低溫處理結束后，小麥葉片s均能夠恢復到對照水平。而在孕穗期低溫處理期間，T2、T3和T4水平下，隨低溫持續(xù)時間的延長，2個小麥品種葉片s均呈下降趨勢。其中，T4水平處理1 d，揚麥16和徐麥30葉片s僅為T1處理的9.2%和3.3%，T4處理2—6 d，揚麥16和徐麥30葉片s僅為T1處理的8.2%—24.3%和1.1%—3.9%。孕穗期低溫處理結束后，除T4處理外，其他低溫水平下的小麥葉片s均能夠恢復到對照水平。

a-d和e-h：揚麥16和徐麥30拔節(jié)期（S1）低溫處理；i-l和m-p：揚麥16和徐麥30孕穗期（S2）低溫處理；誤差線代表平均值的標準差?！鯠1處理后恢復期，□D2處理后恢復期，○D3處理后恢復期，●低溫處理期間。下同

圖4 拔節(jié)期和孕穗期不同低溫水平和持續(xù)時間對小麥第一張全展葉片氣孔導度（Gs）的影響

拔節(jié)期和孕穗期低溫處理期間，揚麥16和徐麥30葉片s均隨溫度的下降呈下降趨勢，且孕穗期低溫處理水平對s的影響大于拔節(jié)期。此外，低溫處理水平對徐麥30葉片s的影響大于揚麥16。拔節(jié)期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片的s平均降低3.8%和6.5%，而孕穗期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片的s平均降低5.7%和8.0%。

2.1.3 低溫處理對小麥葉片蒸騰速率的影響 由圖5可以看出，低溫處理下2個小麥品種葉片蒸騰速率（r）與s規(guī)律基本一致。拔節(jié)期低溫處理期間，r隨低溫持續(xù)時間的延長呈先下降后上升的趨勢（T1除外）。而在孕穗期低溫處理期間，隨低溫持續(xù)時間的延長，r基本上呈下降趨勢。其中，T4處理1 d，揚麥16和徐麥30葉片r僅為T1的10.0%和5.7%，T4處理2—6 d，揚麥16和徐麥30葉片r僅為T1的5.2%—18.5%和2.5%—4.6%。此外，除孕穗期T4水平外，其他低溫處理下小麥葉片r基本上均可恢復到對照水平。

拔節(jié)期和孕穗期低溫處理期間，揚麥16和徐麥30葉片r均隨溫度的下降而下降，孕穗期低溫處理對r的影響大于拔節(jié)期，并且低溫處理水平對徐麥30葉片r的影響大于揚麥16。拔節(jié)期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片r分別降低6.0%和6.9%。而在孕穗期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片r分別降低6.2%和7.6%。

圖5 拔節(jié)期和孕穗期不同低溫水平和持續(xù)時間對小麥第一張全展葉片蒸騰速率（Tr）的影響

2.2 拔節(jié)期和孕穗期低溫處理對小麥葉片熒光參數的影響

2.2.1 低溫處理對小麥葉片最大光化學效率的影響 由圖6可知，拔節(jié)期低溫處理期間，除T1水平外，2個小麥品種葉片最大光化學效率（Fv/Fm）均隨低溫持續(xù)時間的延長呈先下降后升高的趨勢。拔節(jié)期T2、T3和T4水平下，揚麥16葉片Fv/Fm在低溫處理后4 d降到最低，其值分別較T1下降8.7%、10.6%和12.5%，隨后緩慢恢復；而徐麥30葉片Fv/Fm在低溫處理后2 d降到最低，其值分別較T1下降4.3%、4.0%和6.9%，隨后迅速恢復，表明拔節(jié)期低溫處理對揚麥16葉片Fv/Fm的影響大于徐麥30。孕穗期低溫處理期間，T2和T3水平下，揚麥16和徐麥30葉片Fv/Fm隨低溫持續(xù)時間的延長，其下降趨勢不顯著；而在T4水平下，2個小麥品種葉片Fv/Fm隨低溫持續(xù)時間的延長而呈顯著下降，低溫持續(xù)時間每增加1 d，T4處理的揚麥16和徐麥30葉片Fv/Fm分別較T1下降2.7%和1.8%。

圖6 拔節(jié)期和孕穗期不同低溫水平和持續(xù)時間對小麥第一張全展葉片最大光化學效率（Fv/Fm）的影響

拔節(jié)期和孕穗期低溫處理期間，2個小麥品種葉片Fv/Fm均隨溫度的降低呈下降趨勢。拔節(jié)期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片Fv/Fm（D1—D3）分別較T1降低0.7%和0.2%、1.1%和0.2%、0.8%和0.5%。而孕穗期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片Fv/Fm（D1—D3）分別較T1降低0.5%和0.8%、0.4%和0.9%、1.2%和0.7%。由此可見，拔節(jié)期低溫水平對揚麥16葉片Fv/Fm的影響大于徐麥30，而在孕穗期則是徐麥30葉片Fv/Fm的影響大于揚麥16（D3除外）。另外，除孕穗期T4低溫處理水平下，其他低溫處理的小麥葉片Fv/Fm值均可恢復到對照水平。

2.2.2 低溫對處理小麥葉片PSⅡ實際光化學效率的影響 由圖7可以看出，拔節(jié)期低溫處理期間，2個小麥品種葉片PSⅡ實際光化學效率（ФPSII）隨低溫持續(xù)時間的延長呈先下降后上升的趨勢（除T1外），一般在2—5 d，葉片ФPSII降至最低（圖7）。與T1相比，拔節(jié)期T2、T3和T4水平下，揚麥16和徐麥30葉片ФPSII的最低值分別下降55.6%和38.9%、64.3%和53.3%、73.3%和56.8%。孕穗期低溫處理期間，T2水平下，揚麥16葉片ФPSII隨低溫持續(xù)時間的延長呈下降趨勢，持續(xù)時間每增加1 d，葉片ФPSII降低2.6%，而在T3和T4水平下，揚麥16葉片ФPSII隨低溫持續(xù)時間的延長變化不大，其值分別在0.28—0.31和0.06—0.11。在T2和T3水平下，徐麥30葉片ФPSII隨孕穗期低溫持續(xù)時間的延長呈顯著下降，持續(xù)時間每增加1 d，葉片ФPSII分別降低3.8%和4.2%，而T4溫度水平下，徐麥30葉片ФPSII隨持續(xù)時間的延長變化不大，其值在0.08—0.12。

圖7 拔節(jié)期和孕穗期不同低溫水平和持續(xù)時間對小麥第一張全展葉片PSⅡ實際光化學效率（ФPSII）的影響

拔節(jié)期和孕穗期低溫處理期間，2個小麥品種葉片ФPSII隨溫度的降低呈下降趨勢，且孕穗期低溫對小麥葉片ФPSII的影響大于拔節(jié)期。在拔節(jié)期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片ФPSII（D1—D3）分別降低6.0%和3.5%、5.8%和5.8%、5.7%和6.1%。而在孕穗期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片ФPSII（D1—D3）分別降低6.3%和5.9%、5.9%和6.1%、5.8%和6.5%。此外，除孕穗期T4外，低溫處理結束后，2個小麥品種葉片ФPSII均可恢復到對照水平。

2.2.3 低溫處理對小麥葉片光化學猝滅系數的影響 由圖8可以看出，拔節(jié)期和孕穗期低溫處理期間，2個小麥品種葉片光化學猝滅系數（qP）隨低溫持續(xù)時間的延長呈先下降后升高趨勢，并且隨溫度的降低呈下降趨勢，孕穗期低溫處理水平對小麥葉片qP的影響大于拔節(jié)期。在拔節(jié)期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片qP（D1—D3）分別降低4.7%和2.4%、4.0%和4.5%、4.0%和5.3%。而在孕穗期低溫處理期間，最低溫度每降低1℃，揚麥16和徐麥30葉片qP（D1—D3）分別降低5.7%和5.9%、5.1%和4.9%、4.4%和5.4%。此外，在小麥拔節(jié)期，低溫持續(xù)2 d處理（D1）下，低溫水平對揚麥16葉片qP的影響大于徐麥30，而低溫持續(xù)4 d處理（D2）下，低溫水平對揚麥16葉片qP的影響要小于徐麥30。在孕穗期，D1和D2處理下，低溫水平對葉片qP的影響在2個小麥品種間差異不大，但在低溫持續(xù)6 d處理（D3）下，低溫水平對徐麥30葉片qP的影響要大于揚麥16。此外，除孕穗期T4處理外，其他處理的葉片qP在低溫處理結束后1—3 d均可恢復到對照水平。

2.2.4 低溫處理對小麥葉片非光化學猝滅系數的影響 由圖9可知，低溫持續(xù)時間對揚麥16和徐麥30葉片非光化學猝滅系數（NPQ）的影響不大，但2個小麥品種葉片NPQ隨溫度的降低呈較為顯著的上升趨勢。D1處理下，NPQ在2個處理時期間差異不大，而D2和D3處理下，孕穗期低溫對2個小麥品種NPQ的影響要大于拔節(jié)期，表明孕穗期低溫處理下，小麥葉片光合器官吸收的光能以熱耗散形式消耗為主，從而在一定程度上緩解低溫導致的光抑制（圖9）。低溫處理結束后，除孕穗期T4外，其他處理的葉片NPQ在1—3 d內均可恢復到對照水平。

2.3 拔節(jié)期和孕穗期低溫處理下小麥葉片凈光合速率與熒光參數的關系

由圖10可知，葉片相對凈光合速率與相對熒光參數密切相關，相對n與相對Fv/Fm、ФPSII、qP間存在顯著的正相關關系，而與相對NPQ呈顯著的負相關關系。線性方程的斜率表明，相對Fv/Fm、ФPSII、qP每降低0.01個單位，葉片相對n分別降低5.2%、1.0%、1.1%，而相對NPQ每增加1個單位，相對n降低16.2%。分析凈光合速率與熒光參數的關系以選擇最優(yōu)的熒光參數，有助于定量分析低溫處理下葉片凈光合速率的變化。從4個熒光參數與葉片凈光合速率的相關關系來看，與n的關系較好的為ФPSII和qP，其次是Fv/Fm，而NPQ與n的相關關系較差。

3 討論

光合作用是對低溫最敏感的生理過程之一[16]，關于低溫對小麥葉片光合作用影響的研究已有較多報道[17-19]。前人研究多針對低溫水平對小麥葉片光合作用的影響[9, 20]，或針對低溫持續(xù)時間對葉片光合作用的影響[21]，較少考慮低溫水平和持續(xù)時間的綜合調控效應。即使有少量的研究同時考慮了低溫水平和持續(xù)時間的綜合效應[22]，其溫度的設置也不符合自然溫度日變化規(guī)律，大都基于恒定固定的白天/夜間溫度。因此，本研究通過在人工氣候室中實施自然溫度日變化模式下不同低溫發(fā)生時期、低溫水平和低溫持續(xù)時間的小麥盆栽試驗，分析低溫環(huán)境下小麥葉片光合和熒光參數對低溫的響應規(guī)律，定量低溫處理下凈光合速率與各熒光參數間的關系，以期為全球氣候變化背景下中國小麥安全生產適應性措施和緩解策略的制定提供數據支持和理論依據。本研究表明，低溫顯著降低小麥葉片凈光合速率，這與前人的研究一致[16, 20]。在拔節(jié)期低溫處理期間，同一低溫持續(xù)時間下，小麥葉片n隨溫度的降低而下降。在同一低溫水平下，揚麥16和徐麥30在處理后1—3 d降至最低值，之后開始回升。其原因可能是短時間的低溫適應增加了葉片光合過程中主要酶含量、促使光合同工酶的表達以及增強細胞膜的穩(wěn)定性[23]，從而在一定程度上緩解了低溫對葉片光合作用的影響。而在孕穗期低溫處理期間，小麥葉片n隨溫度的降低和低溫持續(xù)時間的延長呈下降趨勢，其原因可能是孕穗期低溫對小麥n的影響大于拔節(jié)期處理，短期低溫適應無法緩解低溫對凈光合速率的影響。關雅楠等[15]通過研究低溫脅迫下不同基因型小麥品種光合性能的影響結果表明，分蘗期和拔節(jié)期低溫脅迫下半冬性品種煙農19n、s、Fv/Fm、qP、NPQ均高于弱春性品種鄭麥9023和春性品種揚麥18，表明煙農19具有較高的光合活性和較強的自我保護機制。本研究表明，在小麥拔節(jié)期和孕穗期下，低溫水平和低溫持續(xù)時間對揚麥16n的影響大于徐麥30，而低溫水平和持續(xù)時間對熒光參數的影響在品種間的表現與n并不一致。例如，在拔節(jié)期，低溫水平對揚麥16 Fv/Fm的影響大于徐麥30，而在孕穗期，低溫水平對揚麥16和徐麥30 Fv/Fm的影響差異不大。這可能與揚麥16是春性品種，較半冬性的徐麥30對拔節(jié)期低溫更為敏感有關。而到了孕穗期，小麥抗低溫能力迅速減弱[24]，兩個小麥品種對低溫的抗性逐漸降低，所以導致低溫對2個品種間Fv/Fm的影響差異不大。

圖8 拔節(jié)期和孕穗期不同低溫水平和持續(xù)時間對小麥第一張全展葉片光化學猝滅系數（qP）的影響

圖9 拔節(jié)期和孕穗期不同低溫水平和持續(xù)時間對小麥第一張全展葉片非光化學猝滅系數（NPQ）的影響

**表示達到0.01顯著水平**, significant at P＜0.01

Marcellos[25]研究認為，輕度低溫脅迫后，小麥在正常溫度下生長3 d，葉片凈光合速率便可恢復到正常水平，而重度低溫脅迫后葉片凈光合速率無法恢復。Fuller等[26]報道，孕穗期以后-5℃處理下，小麥旗葉損傷很小，但溫度低于-5℃，小麥旗葉損傷嚴重。本研究表明，拔節(jié)期T4溫度處理后，小麥葉片在正常溫度生長1—6 d便可恢復到正常水平，而孕穗期T4處理后，小麥葉片凈光合速率顯著下降，處理結束后7 d仍無法恢復到正常水平，表明小麥葉片臨界致死溫度隨生育期的變化而變化，-6℃/4℃可能是孕穗期小麥葉片臨界致死溫度。

牟會榮等[27]研究表明，與“表觀性”的氣體交換指標相比，葉綠素熒光參數更具有反映“內在性”的特點。低溫脅迫下，葉片葉綠素熒光參數的變化與低溫程度有關[28-29]。本研究表明，葉片Fv/Fm、ФPSII和qP隨溫度水平的降低呈下降趨勢，而NPQ則隨溫度水平的降低而顯著增加。低溫處理后，除孕穗期T4處理外，其他處理的葉片Fv/Fm、ФPSII、qP和NPQ均可恢復到正常水平。這表明拔節(jié)期和孕穗期適度低溫下產生的光抑制并沒有導致PSⅡ反應中心的損傷，PSⅡ反應中心活性和開放程度的下降起到了光保護的作用，而孕穗期T4處理的葉片PSⅡ反應中心遭受到不可逆損傷。

有關定量分析葉片光合速率與熒光參數的關系研究已有報道，而多數的研究多采用Fv/Fm來定量分析低溫對作物葉片光合速率的影響[30-31]。本研究表明，相對葉片凈光合速率（n）與相對最大量子產量（Fv/Fm）、相對實際的量子產量（ФPSII）、相對光化學猝滅系數（qP）間均存在顯著的正相關關系，而與相對非光化學猝滅系數（NPQ）呈顯著的負相關關系。從4個熒光參數與葉片凈光合速率的相關關系來看，n與ФPSII和qP的關系較好，其次是Fv/Fm，而NPQ與n的相關關系較差。這表明，低溫處理下，基于ФPSII和qP兩個指標來定量分析n的變化較其他2個指標更能反映低溫對葉片光合速率的影響。

4 結論

拔節(jié)期低溫處理期間，揚麥16和徐麥30葉片n、s、r和Fv/Fm均隨低溫持續(xù)時間的延長呈先降低后升高的趨勢，而在孕穗期低溫處理期間，n、s、r和Fv/Fm則隨低溫持續(xù)時間的延長呈下降趨勢。同一低溫持續(xù)時間下，小麥葉片n、s、r、Fv/Fm、ФPSⅡ和qP均隨溫度的下降呈降低的趨勢，而NPQ則隨溫度的下降顯著增加。低溫處理結束后，除孕穗期T4處理外，其他低溫處理后的小麥葉片n、s、r、Fv/Fm、ФPSII、qP和NPQ均可恢復到對照水平。

此外，低溫處理下，相對n與相對Fv/Fm、ФPSII、qP呈顯著的正相關關系，而與相對NPQ呈顯著的負相關關系，且n與ФPSII、qP的相關性要好于Fv/Fm和NPQ。表明低溫主要通過降低葉片PSII的實際量子產量和光化學猝滅系數，引起小麥葉片光合速率下降，降低小麥干物質積累，最終導致產量下降。

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Effects of Jointing and Booting Low Temperature Treatments on Photosynthetic and Chlorophyll Fluorescence Characteristics in Wheat Leaf

LIU Leilei, JI HongTing, LIU Bing, MA JiFeng, XIAO LiuJun, TANG Liang, CAO WeiXing, ZHU Yan

(National Engineering and Technology Center for Information Agriculture, Nanjing Agricultural University/Key Laboratory for Crop System Analysis and Decision Making, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Jiangsu Key Laboratory for Information Agriculture/Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production, Nanjing 210095)

【Objective】The objective of this paper was to study the effects of low temperature treatment below the daily variation rule of natural temperature on leaf photosynthetic properties of wheat. 【Method】The environment-controlled phytotron experiments with two different temperature sensitive wheat cultivars were conducted under four low temperature levels and two low temperature durations at jointing and booting stages. During low temperature treatment stage and in 7 days after low temperature treatments, the photosynthetic and chlorophyll fluorescence characteristics in wheat leaves were measured. 【Result】During low temperature treatment stage, the net photosynthetic rate (n), stomatal conductance (s), transpiration rate (r), maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) , PSⅡ actual photochemical efficiency (ФPSII) and photochemical quenching (qP) decreased with the decreasing temperature. During jointing stage,n,s,r, Fv/Fm, ФPSII and qP decreased firstly and then increased with the increasing of low temperature duration, while the decreased trends were observed in the response ofn,s,r, Fv/Fm, ФPSII and qP to low temperature duration when low temperature treatments were conducted at booting stage. After low temperature treatments, except for T4 (Tmin/Tmax/Tavg, -6℃/4℃/-1℃) at booting stage,n,s,r, Fv/Fm, ФPSII, qP and NPQ in all low temperature treatments could recover to the same status with T1. Moreover, under low temperature treatments, the relative of Fv/Fm, ФPSII and qP were significantly positively correlated to the relativen, while the relative NPQ was significantly negatively correlated to the relativen. Compared with the relative of Fv/Fm and NPQ, the correlation coefficients between the relative of ФPSII, qP andn were more higher. 【Conclusion】The decreases in photosynthetic rate of leaves under low temperature condition were mainly attributed to the decreased ФPSII and qP, leading to the reduction of dry matter accumulation, finally caused the lower grain yield of wheat.

wheat; jointing stage; booting stage; low temperature treatments; photosynthetic; fluorescence

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.004

2018-06-06；

2018-07-10

國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0300205）、國家自然科學基金（31872848）、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（KYZ201703）、國家杰出青年科學基金（31725020）、江蘇省高校優(yōu)勢學科資助項目（PAPD）

劉蕾蕾，Tel：025-84396065；E-mail：liuleilei@njau.edu.cn。

朱艷，Tel：025-84396598；E-mail：yanzhu@njau.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）