張學(xué)鵬 李 騰 王 彪 劉 晴 劉涵瑜 陶志強 隋 鵬
(1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,100193,北京;2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)重點實驗室,100081,北京)
目前,全球的地表溫度比上個世紀平均高出0.6℃[1],預(yù)計到21世紀末,全球平均氣溫將上升0.3℃~4.8℃,糧食作物遭受的高溫脅迫天氣越來越頻繁,這對世界糧食安全是重大挑戰(zhàn)[2]。玉米是全球重要的糧食作物之一,玉米幾乎整個生育階段均處于炎熱夏季,極易受到高溫脅迫的影響。因此明確高溫脅迫對玉米生長的影響機理,對于應(yīng)對未來全球氣候持續(xù)變暖下玉米的穩(wěn)定生產(chǎn)意義重大。
國外目前有大量關(guān)于玉米高溫脅迫閾值的研究。Schlenker和Roberts[3]分析美國玉米產(chǎn)量顯示,當(dāng)日最高溫大于29℃時玉米減產(chǎn)。Lobell等[4]對撒哈拉以南非洲玉米的研究表明,當(dāng)日最高溫超過30℃時,氣溫每升高1℃玉米百粒重減少1%。過去50年來法國玉米產(chǎn)量受日最高溫的影響要大于降雨的影響,其中累積日最高溫大于32℃較多天數(shù)的年份與該年份減產(chǎn)趨勢吻合[5]。與玉米同為C4作物的高粱籽粒產(chǎn)量、收獲指數(shù)和花粉活力的最適溫度是22℃~32℃,生物量、葉片凈光合速率(Pn)和籽粒大小的最適溫度分別是30℃~40℃、34℃~44℃和26℃~36℃[6]。于振文[7]總結(jié)了玉米不同生育階段的高溫脅迫閾值:播種至出苗期、出苗至抽雄期、抽雄至吐絲期和吐絲至成熟期分別為31℃、33℃、35℃和33℃。
葉片是玉米形成光合產(chǎn)物的主要“源”,目前已經(jīng)有大量關(guān)于葉片光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段對高溫脅迫響應(yīng)的研究。高溫脅迫擾亂了光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的電子傳遞和光化學(xué)效率(Fv/Fm)[8]。高溫條件下,PSⅡ活性可能降低,甚至部分停止,導(dǎo)致電子轉(zhuǎn)移受限制[9]。Faria等[10]報道,高溫降低了光合作用CO2的固定,降低了光合速率,導(dǎo)致減產(chǎn)。高溫脅迫條件下,氣孔導(dǎo)度(Gs)下降,胞間CO2濃度(Ci)上升[11],葉片的光合作用過程遭受明顯破壞,且Pn的降低并非是由于高溫引起氣孔關(guān)閉導(dǎo)致CO2的吸收量下降引起的,而是由于高溫導(dǎo)致葉片光合器官(如葉綠體)受到破壞所致[12-13]。高溫脅迫下,云杉的Gs下降是導(dǎo)致Pn下降的一個主要原因,因為Gs下降引起Ci下降[11,14]。雖然光合作用對高溫脅迫響應(yīng)的研究已經(jīng)比較成熟,但仍缺乏對于高溫脅迫閾值附近光合作用的響應(yīng)研究。
因此,本研究在精準控溫人工氣候室,設(shè)置不同梯度的日最高溫,研究不同程度的高溫脅迫對玉米葉片光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段的影響,同時結(jié)合氣孔和葉綠體的表型結(jié)構(gòu)變化,明確玉米葉片“源”在拔節(jié)期的高溫脅迫閾值,為作物高溫脅迫閾值的研究提供支撐。
試驗于2019年在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒炚救斯ぶ悄軞夂蚴抑羞M行。選用金海5號作為試驗材料,盆栽種植。玉米于4月1日播種于育苗杯中,每杯播3粒精選種子,放置于培養(yǎng)箱中,每天8h光照,溫度為30℃/25℃(晝/夜),育苗杯中土壤水分保持在70%~80%。玉米于4月4日出苗后3d移栽入花盆中,花盆規(guī)格:內(nèi)徑×高度=23cm×26.5cm?;?fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=23∶15∶18)4g/盆,花盆中土壤水分保持在70%~80%。于V3~V5期定苗,每盆留1株長勢良好的玉米。于5月6日追施復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=23∶15∶18)4g/盆。
于5月14日(V8期)-23日,將盆栽移至4間不同溫度的人工智能氣候室中進行連續(xù)10d的控溫處理,人工氣候室太陽光透射率達85%~90%,8∶00-18∶00模擬大田溫度變化進行溫度設(shè)置,其余時間開風(fēng)機通風(fēng)保持與外界溫度一致,具體溫度設(shè)置見表1。人工氣候室實際控溫效果如圖1所示??販卦囼炂陂g每天隨機調(diào)整盆栽的位置,避免光照不均勻帶來的影響。結(jié)束后將每個處理剩余的盆栽樣品移至人工氣候室外繼續(xù)生長。于5月30日的10∶00(處理結(jié)束后7d)測定不同溫度處理后植株的恢復(fù)狀況。
表1 人工氣候室8∶00-18∶00溫度設(shè)置Table 1 Temperature of climate room from 8∶00-18∶00 in experiment conducted ℃
圖1 人工氣候室不同處理的24h氣溫變化Fig.1 Changes of temperature in climate room under different treatments
1.3.1 葉綠素?zé)晒?于2019年5月13日的10∶00、5月14日的14∶00和15∶00、5月16日、5月19日和5月23日的15∶00,以及5月30日10∶00(處理結(jié)束后1周),每個處理選取3株長勢一致玉米的最新完全展開葉片,暗適應(yīng)15min,采用德國WALZ公司生產(chǎn)的Mini-PAM葉綠素?zé)晒鈨x測定葉綠素?zé)晒鈪?shù),包括潛在PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、光化學(xué)猝滅(qL)和非光化學(xué)猝滅(NPQ)。
1.3.2 光合作用 測定時間及取樣同1.3.1,利用Li-6400(Li-Cor Inc.,Lincoln,美國)測定Pn、Gs、Ci以及蒸騰速率(Tr)。
1.3.3 葉片氣孔掃描電鏡觀察 于2019年5月14日(處理1d)和5月23日(處理10d)的15∶00取新鮮葉片,擦凈表面污物,切取5mm×5mm的方塊置于2.5%戊二醛溶液中固定2h以上以備觀察。觀察前樣品用0.1mol/L磷酸緩沖液(pH=7.4)漂洗3次,每次15min,然后在室溫固定1~2h。依次經(jīng)過30%、50%、70%、80%、90%、95%和100%酒精梯度脫水,每次15min,然后用乙酸異戊酯處理15min。經(jīng)CO2臨界點干燥,將樣本緊貼于導(dǎo)電碳膜雙面膠上放入離子濺射儀噴金30s,將其置于掃描電鏡下觀察葉片背面氣孔開閉情況[15]。
1.3.4 葉片細胞透射電鏡觀察 采樣時間同1.3.3,取新鮮葉片,擦凈表面污物,切取1mm×1mm的方塊置于2.5%戊二醛溶液中固定2h以上以備觀察。觀察前樣品用0.1mol/L PBS磷酸緩沖液(pH=7.4)漂洗3次,每次15min,然后在室溫條件下固定5h,依次經(jīng)過30%、50%、70%、80%、90%、95%和100%酒精脫水,每次15min。然后轉(zhuǎn)入100%丙酮,15min后轉(zhuǎn)入含有無水硫酸鈉的丙酮,15min后用丙酮和樹脂等體積的混合液浸透2h,最后轉(zhuǎn)入純樹脂中包埋、聚合和修塊,用超薄切片機切片,厚度約為70nm,經(jīng)鈾鉛雙染色(2%醋酸鈾飽和酒精溶液,枸櫞酸鉛,各染色15min),切片置于室溫干燥過夜,用透射電鏡觀察拍照[15]。
使用Excel 2013對數(shù)據(jù)進行初步歸納整理。使用SPSS 18.0進行統(tǒng)計分析,包括單因素方差分析。使用SigmaPlot 12.0作圖。
由圖2可以看出,38℃處理下PSⅡ的Fv/Fm整體上顯著低于其他處理,F(xiàn)v/Fm值在處理3、6和10d時均小于0.80,其他處理基本一致,F(xiàn)v/Fm值均大于0.80;控溫期間,各處理的Fv/Fm整體呈逐漸降低趨勢,處理結(jié)束后7d,38℃顯著回升,F(xiàn)v/Fm值大小與其他處理基本一致且無顯著差異。38℃處理Y(Ⅱ)整體也顯著低于其他處理,32℃處理也顯著限制電子傳遞。qL在控溫處理期間整體呈現(xiàn)隨溫度升高而降低的趨勢,32℃和34℃處理呈先升高后降低趨勢,而36℃和38℃處理呈逐漸降低趨勢;處理結(jié)束后,36℃和38℃處理顯著回升??販靥幚砥陂gNPQ整體呈現(xiàn)隨溫度升高而升高的趨勢,32℃、34℃和36℃處理呈逐漸降低趨勢,而38℃處理呈先升高后降低趨勢,且控溫期間顯著高于其他處理;處理1h處,38℃處理顯著低于其他處理,而處理持續(xù)2h后NPQ快速升高且顯著高于其他處理。
圖2 不同溫度處理下玉米葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化Fig.2 Changes of chlorophyll fluorescence parameters of maize leaf under different temperature treatments
由圖3可以看出,32℃處理下葉片的Pn在處理期間無明顯變化,34℃、36℃和38℃處理均呈先降低后升高再降低趨勢。相比處理前,經(jīng)過持續(xù)10d 38℃處理后的Pn顯著低于其他處理。處理結(jié)束后7d,34℃、36℃和38℃處理Pn相比處理10d時均回升,且34℃和36℃處理呈顯著升高,均與32℃處理的Pn基本一致,而38℃處理顯著低于其他處理。Gs和Tr與Pn的變化基本一致,38℃處理在10d處的Gs和Tr均顯著低于其他處理,且在處理結(jié)束后7d也有顯著回升,但是仍顯著低于其他處理。36℃處理的Ci在處理前6d基本與Gs的變化一致,處理末期與Gs的變化相反,表明持續(xù)10d的36℃處理Pn會由于非氣孔限制因素而降低,光合反應(yīng)中心受損。38℃處理的Ci變化趨勢與Pn、Gs以及Tr均呈相反趨勢,表明短期38℃處理的Pn會由于非氣孔限制因素而降低,光合反應(yīng)中心在短期內(nèi)就會被破壞且難以修復(fù)。
圖3 不同溫度處理下葉片光合作用參數(shù)變化Fig.3 Changes of photosynthetic parameters of maize leaves under different temperature treatments
采用掃描電鏡對玉米葉片的下表皮和氣孔進行觀察,結(jié)果(圖4)表明,32℃處理1d和10d氣孔基本都呈完全開放狀態(tài),表皮細胞鼓起,液泡水分飽滿。34℃處理1d時氣孔幾乎呈完全關(guān)閉狀態(tài),表皮細胞鼓起,液泡水分飽滿,10d時氣孔呈半關(guān)閉狀態(tài),氣孔開口較小,表皮細胞較為扁平。36℃處理1d時氣孔呈半關(guān)閉狀態(tài),表皮細胞較為扁平,液泡水分減少,處理10d時氣孔也呈半關(guān)閉狀態(tài),表皮細胞與處理1d時的飽滿狀態(tài)基本一致。38℃處理1d時氣孔呈半關(guān)閉狀態(tài),表皮細胞凹陷,液泡嚴重失水,處理10d時氣孔呈關(guān)閉狀態(tài),表皮細胞恢復(fù)凸起,液泡水分保持較為良好。
圖4 不同溫度處理對玉米葉片下表皮及氣孔結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effects of different temperatures on lower epidermal structure and stomata status of maize leaves
對比葉片Gs和Tr結(jié)果(圖3)得出,處理1d時,34℃處理的Gs最小,表明氣孔受到脅迫,氣孔呈半關(guān)閉狀態(tài),表皮細胞也飽滿,同時該溫度下可能不會對葉片其他生理活動造成太大影響,因此也不需要大量蒸騰來降低葉片的溫度,所以相對應(yīng)的Tr也最??;36℃和38℃處理的葉片可能需要大量的蒸騰來降低葉片溫度,以維持其他生理活動的正常進行,因此在大量蒸騰的帶動下,氣孔的開放程度要大于34℃處理,同時38℃處理在經(jīng)歷長時間大量蒸騰后,液泡明顯失水,因此表皮細胞呈凹陷狀。
采用透射電鏡對玉米葉片的葉肉細胞進行觀察,結(jié)果(圖5)表明,32℃處理1d時海綿組織細胞結(jié)構(gòu)完整,液泡飽滿,葉綠體和線粒體等細胞器清晰可見,葉綠體均呈正常的紡錘體形狀,葉綠體中的淀粉粒清晰且數(shù)量較多,處理10d后基本無變化,維管束鞘細胞中淀粉粒體積大且數(shù)量較少。34℃處理1d時細胞結(jié)構(gòu)基本與32℃處理一致,處理10d時液泡更為飽滿,葉綠體中的脂質(zhì)球體增多,柵欄組織和葉綠體中基本沒有淀粉粒的儲存。36℃處理1d時液泡萎縮,海綿組織細胞變小,細胞器基本可見,部分葉綠體變形成球狀,葉綠體中淀粉粒較少,處理10d后海綿組織細胞內(nèi)比較雜亂,大部分葉綠體變形,部分葉綠體模糊不清,細胞中含有大量的脂質(zhì)球體,維管束鞘細胞中的淀粉粒較多。38℃處理1d時,海綿組織細胞的液泡結(jié)構(gòu)難以辨別,細胞萎縮變小,部分葉綠體變形破損且淀粉粒較少,維管束鞘細胞中淀粉粒體積較小且數(shù)量較少;處理10d后,海綿組織細胞液泡較小,葉綠體變形降解,葉綠體中的淀粉粒幾乎不可見,出現(xiàn)大粒級脂質(zhì)球體,維管束鞘細胞中的淀粉粒體積小且數(shù)量少。
圖5 不同溫度處理對玉米葉片葉肉細胞葉綠體的影響Fig.5 Effects of different temperatures on chloroplast status in mesophyll cell of maize leaves
進一步放大觀察葉綠體的形態(tài)(圖6),可以看出32℃處理1d和10d時的葉綠體差別不大,類囊體片層清晰可見且排列有序,淀粉粒體積大,數(shù)量多。與處理1d相比,34℃處理10d時類囊體膜片層結(jié)構(gòu)稍顯模糊,葉綠體中淀粉粒較小且數(shù)量少。與32℃和34℃處理相比,36℃處理1d的葉綠體結(jié)構(gòu)完整清晰,淀粉粒體積減小數(shù)量減少,脂質(zhì)球體數(shù)量增多,處理10d時葉綠體類囊體片層結(jié)構(gòu)紊亂,脂質(zhì)球體體積大且數(shù)量多,線粒體結(jié)構(gòu)模糊。38℃處理1d時線粒體分解,葉綠體結(jié)構(gòu)基本正常,類囊體膜片層稍顯模糊,淀粉粒體積進一步減小,處理10d后,類囊體膜片層結(jié)構(gòu)幾乎不可見,葉綠體中無淀粉粒,細胞中出現(xiàn)大粒級的脂質(zhì)球體。
圖6 不同溫度處理對玉米葉片葉肉細胞葉綠體的影響Fig.6 Effects of different temperatures on chloroplast status in mesophyll cell of maize leaves
玉米葉片的光合作用是對高溫脅迫最為敏感的過程之一,常表現(xiàn)在其他癥狀之前。類囊體結(jié)構(gòu)中的PSⅡ是受到高溫傷害的主要功能位點,其中Fv/Fm值可在不受光照條件的協(xié)同影響下,直接反映溫度對PSⅡ的影響程度[16],在非脅迫條件下該參數(shù)的變化極小,而在脅迫條件下會明顯下降。趙薇等[17]對小麥旗葉的研究表明,F(xiàn)v/Fm值在20℃~37℃全部保持在0.76以上,只在高于37℃時才急劇下降。本研究結(jié)果表明,隨著處理時間的持續(xù),38℃處理下的Fv/Fm逐漸降低且整體顯著低于其他處理,而處理結(jié)束后又顯著回升,且Fv/Fm值與其他處理基本一致。由此表明,38℃處理可以對PSⅡ反應(yīng)中心造成持續(xù)性破壞,但這種破壞是可修復(fù)的,在脅迫解除后PSⅡ反應(yīng)中心恢復(fù)到與其他處理一樣的水平,這是因為PSⅡ反應(yīng)中心失活蛋白在ATP的推動下經(jīng)過一定的時間可以恢復(fù)活性[18]。整個控溫處理期間,38℃處理限制了Y(Ⅱ),32℃處理末期也顯著降低,表明短時間和持續(xù)的38℃處理均會顯著抑制光合電子傳遞,而持續(xù)的較低溫度處理(32℃)也會限制光合電子的傳遞,可能是由于玉米是喜熱喜光作物,較低溫度的處理還不足以完全激活光反應(yīng)中心相關(guān)酶的活性[19]。
逆境脅迫下PSⅡ反應(yīng)中心受損,電子能量傳遞受阻,進入光化學(xué)反應(yīng)的能量減少,PSⅡ累積過多的能量,這些多余的光能需要通過NPQ途徑耗散來保護葉綠體以及維持正常細胞機能。大量的研究結(jié)果顯示,高溫、亞高溫(35℃)和干旱等逆境脅迫下qL會顯著降低,NPQ會顯著升高[15,20-25]。本研究結(jié)果也表明,隨著處理溫度升高及處理時間的增加,qL顯著降低,而NPQ整體呈增加趨勢,且38℃處理的NPQ顯著高于其他處理,表明隨著溫度升高PSⅡ反應(yīng)中心受損程度增加,電子傳遞受阻,累積的過剩光能需要通過NPQ途徑耗散,從而抑制光合作用器官的損傷,對光合作用機能起一定的保護作用。同時長時間的qL過程產(chǎn)生的超氧陰離子啟動膜質(zhì)過氧化來進一步破壞PSⅡ并且限制PSⅡ的恢復(fù),需要通過NPQ途徑來耗散更多的過剩能量,因此形成惡性循環(huán),進而發(fā)生更多的過氧化反應(yīng),破壞細胞膜脂結(jié)構(gòu)。
光合速率降低的原因主要是氣孔限制和非氣孔限制。氣孔限制是指由于葉片遭受逆境脅迫后氣孔減小或關(guān)閉,造成Ci減小,光合速率下降;而非氣孔限制是指逆境脅迫下Ci足夠高,但光合速率依然受限[26]。核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)作為光合暗反應(yīng)的關(guān)鍵酶,逆境下其活性的降低被認為是導(dǎo)致光合速率下降的非氣孔因素之一[27],此外,逆境脅迫限制光合電子傳遞和核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)的再生能力[28],也是導(dǎo)致光合速率下降的非氣孔因素之一。本研究結(jié)果表明,不同溫度處理初期,38℃處理因溫度升高影響,蒸騰加快,氣孔擴張,Ci升高,因此光合速率短暫的顯著升高。34℃、36℃和38℃處理均受到氣孔限制因素的影響,光合速率在處理1d時顯著降低。隨著處理的持續(xù)進行,36℃和38℃處理Ci逐漸升高,但是光合速率降低,非氣孔限制因素逐漸表現(xiàn)出來,表明持續(xù)的36℃和38℃可能對Rubisco活性和RuBP的再生造成了顯著的影響。另外,對比處理結(jié)束后7d的光反應(yīng)和暗反應(yīng)恢復(fù)程度可以看出,暗反應(yīng)階段更易受高溫脅迫的影響。
根據(jù)以上分析可以看出,隨著溫度的升高以及持續(xù)時間的增加,光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段均受到不同程度抑制,進一步觀察不同溫度下葉片細胞和葉綠體超微結(jié)構(gòu)的變化來說明高溫脅迫對光合作用的影響機理。水分脅迫下高粱和玉米的葉綠體形狀變得不規(guī)則,其中的淀粉顆粒解體消失,基粒變得松散不規(guī)則,只能分辨出少量的類囊體,并且出現(xiàn)較多的脂類小滴,類囊體片層結(jié)構(gòu)混亂,難以辨認[29]。40℃高溫持續(xù)12d使得芍藥保衛(wèi)細胞受損,細胞壓縮變形,液泡變小或破裂,細胞器逐漸解體,出現(xiàn)大量淀粉粒[15]。本研究結(jié)果也表明,隨著處理溫度的升高,海綿組織細胞液泡越來越小,葉綠體逐漸由紡錘體變成球形,類囊體片層結(jié)構(gòu)逐漸模糊不清,葉綠體基質(zhì)中脂質(zhì)球體數(shù)量增多,體積變大,葉綠體基質(zhì)與維管束鞘細胞中淀粉粒體積變小,數(shù)量減少;36℃和38℃處理持續(xù)10d后,海綿組織細胞結(jié)構(gòu)雜亂,大部分葉綠體變形嚴重,部分破損解體,大部分類囊體片層結(jié)構(gòu)消失,維管束鞘細胞中淀粉粒體積變小,數(shù)量減少,細胞質(zhì)和液泡中出現(xiàn)大量的脂質(zhì)球體,一方面表明高溫脅迫導(dǎo)致細胞內(nèi)各類細胞器的質(zhì)膜受損,機體在高溫脅迫中需要大量的脂類物質(zhì)來修復(fù)受損的質(zhì)膜,因此脂質(zhì)球體隨之增加;另一方面,葉綠體內(nèi)膜系統(tǒng)破壞解體,導(dǎo)致脂質(zhì)球體釋放至細胞質(zhì)中累積形成大顆粒脂質(zhì)球體,隨后大量的脂質(zhì)球體會聚集在細胞膜附近[30-32],累積過多可能會堵塞胞間連絲通道,同化物轉(zhuǎn)運的共質(zhì)體途徑受限,這也與張彩霞[33]研究高溫脅迫下水稻葉片及葉鞘胞間連絲的表面發(fā)現(xiàn)胼胝質(zhì)的沉積限制胞間連絲的轉(zhuǎn)運效率的結(jié)果相類似。
結(jié)合葉綠體表型和葉綠素?zé)晒夥枪饣瘜W(xué)猝滅的結(jié)果,持續(xù)10d的36℃和38℃處理下葉綠體中都累積了過剩光能,因此都造成不同程度的膜脂過氧化,導(dǎo)致這兩個處理的細胞結(jié)構(gòu)和葉綠體結(jié)構(gòu)明顯受損,同時由于葉綠體受損,Ci雖然很高,但Pn仍然降低。綜上所述,36℃是玉米葉片“源”的高溫脅迫閾值,較前人報道的高溫脅迫閾值要高一些,可能是因為玉米屬C4作物,其葉片的高溫耐受性比較強[34]。另外,本研究主要針對“源”進行了探索,對于作物的另外兩個功能過程“庫”形成過程以及“流”轉(zhuǎn)運過程的高溫脅迫閾值還有待進一步探究。
持續(xù)10d日最高溫36℃的處理下,葉片細胞內(nèi)葉綠體結(jié)構(gòu)部分紊亂降解,Pn由于非氣孔限制因素顯著降低,但是并未顯著影響光反應(yīng)階段。持續(xù)10d日最高溫38℃的處理下,葉片細胞中膜脂過氧化程度嚴重,葉綠體結(jié)構(gòu)紊亂,大量降解,光反應(yīng)階段PSⅡ反應(yīng)中心活性顯著降低且高溫脅迫解除后可以恢復(fù)正常,Pn也由于非氣孔限制因素顯著降低,但脅迫解除后未能恢復(fù)。因此,高溫脅迫的影響主要是限制光合作用的暗反應(yīng)階段,對于玉米葉片的“源”,高溫脅迫閾值為日最高溫36℃。