邢玉美，萬(wàn)云婷，劉延龍，王鵬飛，范 震，趙有欣，田曉飛

（聊城大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 聊城252059）

0 引 言

【研究意義】玉米是我國(guó)重要的糧食作物，但其生長(zhǎng)過(guò)程中容易因連續(xù)的季節(jié)性強(qiáng)降雨使根系處于水分飽和狀態(tài)，產(chǎn)生淹水脅迫[1]。在玉米各個(gè)生育期遭受不同程度的淹水脅迫，均會(huì)影響玉米產(chǎn)量的形成[2]。采取適當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)管理策略來(lái)減輕淹水脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)造成的不利影響，對(duì)保障我國(guó)糧食安全生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展十分重要?！狙芯窟M(jìn)展】光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)（OJIP）曲線能夠反映葉綠體膜上的蛋白復(fù)合體PSII的光反應(yīng)過(guò)程變化[3]，通過(guò)分析OJIP 曲線中O、J、I、P 等相點(diǎn)的熒光特征，可以評(píng)估其電子傳遞過(guò)程中的量子效率等信息，分析植物對(duì)非生物脅迫響應(yīng)機(jī)制[4]。淹水脅迫會(huì)導(dǎo)致植物根系周?chē)暮趿拷档?，根系呼吸受阻，葉片類(lèi)囊體膜結(jié)構(gòu)以及PSⅡ反應(yīng)中心受到破壞，最終導(dǎo)致葉片PSⅡ系統(tǒng)的綜合性能指數(shù)和光合速率下降[5]，阻礙作物正常生長(zhǎng)。因此，利用OJIP曲線可以較好地探明玉米葉片光合系統(tǒng)對(duì)淹水脅迫的響應(yīng)機(jī)制。

生物刺激素能夠有效提高植物對(duì)非生物脅迫適應(yīng)能力[6]，痕量濃度的生物刺激素就能夠提高作物根系SOD、CAT 和POD 活性，緩解淹水、低溫等逆境對(duì)葉片類(lèi)囊體膜和光合系統(tǒng)的破壞，增強(qiáng)作物對(duì)環(huán)境的耐受性[7]?！厩腥朦c(diǎn)】宛氏擬青霉提取物是一類(lèi)分離自野生沙棘根系的新型生物刺激素，痕量濃度下就可以有效提高作物對(duì)低溫、鹽脅迫等逆境的耐受能力[6,8]，但是利用快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)技術(shù)，探究宛氏擬青霉提取物對(duì)（PVE）玉米幼苗應(yīng)對(duì)淹水脅迫后的機(jī)制鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本研究通過(guò)模擬淹水脅迫環(huán)境，研究葉面噴施PVE對(duì)解除淹水脅迫后玉米幼苗生長(zhǎng)的恢復(fù)效果和葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)特性的影響，以期探明PVE 緩解玉米幼苗適應(yīng)淹水脅迫的機(jī)理，為其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試新型生物刺激素來(lái)源于野生沙棘根系分離得到的宛氏擬青霉SJ1菌株（保藏號(hào)CGMCCNO.10114），將菌種經(jīng)培養(yǎng)、發(fā)酵、浸提、抽濾等步驟后制備而成[9]。宛氏擬青霉菌株的提取物（Paecilomyces variotii，PVE）主要成分為小分子的低聚糖、糖蛋白、多肽、嘧啶核苷和氨基酸等物質(zhì)，由山東蓬勃生物科技有限公司提供。供試玉米材料為抗性好，耐干旱，耐高溫的鄭單958。供試土壤取自聊城大學(xué)環(huán)境土壤學(xué)教學(xué)科研試驗(yàn)基地，土壤類(lèi)型為石灰性潮土，其基本理化性質(zhì)如：有機(jī)質(zhì)量12.5 g/kg，全氮量0.7 g/kg，硝態(tài)氮量24.5 mg/kg，銨態(tài)氮量6.5 mg/kg，有效磷量17.2 mg/kg，速效鉀量143.5 mg/kg，田間持水率為200 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年10—12月在聊城大學(xué)環(huán)境土壤學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中溫度控制在（20±5）℃，光照條件為自然環(huán)境。選取籽粒飽滿、大小均勻的玉米種子播種于塑料花盆（上部直徑15 cm，下部直徑10 cm，高15 cm）中，每盆播種1 粒。待長(zhǎng)至三葉一心時(shí)選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的90 盆玉米苗進(jìn)行淹水處理。將盆栽玉米苗放在人工設(shè)置的水槽內(nèi)模擬澇害，水槽內(nèi)水面高于盆內(nèi)土面4 cm 左右，每2 天換水1 次。分別在持續(xù)淹水0、2、4、6 和8 d 后隨機(jī)選擇12 盆解除淹水脅迫（分別用W0、W2、W4、W6 和W8 表示），并平均分成葉面噴施清水的對(duì)照組和噴施0.05 μg/L PVE 的處理組，噴施時(shí)以玉米葉片正反兩面全部潤(rùn)濕且無(wú)成滴液體滴下為宜。為使液滴更好地附著于葉片，清水和PVE 溶液中均加入0.05%的Tween-20黏附劑。解除淹水脅迫后，采用稱質(zhì)量法保持各處理土壤含水率為田間持水率的75%左右。在解除淹水脅迫后12 h 和60 h 選擇倒二葉測(cè)定OJIP 曲線和凈光合速率（Pn）等指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

采用直尺測(cè)定株高，葉片凈光合速率（Pn）和葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)曲線（OJIP 曲線）及其參數(shù)采用LI-6800新一代光合-熒光全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（LI-COR，美國(guó)）進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)每個(gè)處理選取3 株長(zhǎng)勢(shì)相同的玉米幼苗倒二葉進(jìn)行測(cè)定。葉片充分暗適應(yīng)12 h后測(cè)定，OJIP 曲線由1 500 μmol/(m2·s)紅光誘導(dǎo)，測(cè)定時(shí)間為1 s。根據(jù)JIP-test 分析OJIP 熒光誘導(dǎo)曲線[10-11]，計(jì)算葉片單位橫截面積能量流參數(shù)和反應(yīng)中心密度等參數(shù)，各參數(shù)及其意義列于表1 中。

表1 JIP-test 分析OJIP 曲線參數(shù)及計(jì)算公式Table 1 Parameters used by JIP-test for the analysis of the fluorescence transient OJIP

利用Excel 2010 與SAS 8.5 軟件進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)處理，采用Duncan 法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，分析不同處理間的顯著性（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

與正常水分處理相比，淹水脅迫降低了玉米幼苗株高（圖1）。隨淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，株高總體呈逐漸下降的趨勢(shì)，說(shuō)明淹水脅迫抑制了玉米幼苗的正常生長(zhǎng)。W0+PVE 處理株高最高，較其余處理顯著增加5.9%～16.9%。持續(xù)淹水超過(guò)4 d 后，相同淹水時(shí)間的噴施PVE 處理與噴施清水處理株高差異不顯著，說(shuō)明葉面噴施PVE 有助于短期淹水脅迫后玉米幼苗恢復(fù)生長(zhǎng)，但長(zhǎng)期淹水脅迫這種緩解效果有限。

圖1 淹水脅迫下葉面噴施PVE 對(duì)玉米株高的影響Fig.1 Effect of PVE on the growth of maize under waterlogging

在解除淹水后12 h 和60 h 后，與正常水分管理處理（W0 和W0+PVE）相比，長(zhǎng)期淹水脅迫（≥4 d）顯著降低了葉片Pn值（圖2）。與W0 處理相比，W2處理Pn值無(wú)明顯變化，但W2+PVE 較W0+PVE 處理Pn值顯著增加了21.1%。持續(xù)淹水時(shí)間≤4 d 時(shí)，各葉面噴施PVE 處理Pn值均顯著高于葉面噴施清水處理；持續(xù)淹水≥6 d 時(shí)，葉面噴施PVE 和清水處理Pn值基本一致，同樣說(shuō)明葉面噴施PVE 能夠有效緩解短期淹水脅迫對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，但對(duì)于遭受長(zhǎng)期淹水脅迫的玉米幼苗緩解效果有限。

圖2 淹水脅迫下葉面噴施PVE 玉米葉片凈光合速率Fig.2 Effect of PVE on the net photosynthetic rate of maize under waterlogging

2.2 對(duì)玉米幼苗葉片OJIP 曲線的影響

淹水脅迫會(huì)導(dǎo)致玉米幼苗葉片OJIP 曲線發(fā)生明顯的變化（圖3）。與正常水分管理（W0 和W0+PVE）相比，淹水脅迫增加了在O 相處的初始熒光強(qiáng)度（Fo），但會(huì)導(dǎo)致葉片I 相（30 ms）和P 相（最大熒光）熒光值下降。淹水4 d 時(shí)，噴施清水和PVE 處理葉片OJIP 曲線總體趨勢(shì)一致，但噴施清水處理在J 相熒光值高于PVE 處理，但對(duì)P 相熒光值（最大熒光）無(wú)明顯差異，說(shuō)明葉面噴施PVE 緩解了淹水脅迫下葉片PSⅡ受體側(cè)QA到QB間的電子傳遞受阻情況。

圖3 葉面噴施PVE玉米葉片OJIP曲線Fig.3 Effect of PVE on the OJIP curve of maize under waterlogging stress

將OJIP 曲線標(biāo)準(zhǔn)化后，正常水分管理下葉面噴施PVE 對(duì)ΔK和ΔI無(wú)明顯影響，但降低了ΔJ值（圖4），說(shuō)明噴施PVE 有助于促進(jìn)QA向QB的電子傳遞，減少了QA-積累。與W0 處理相比，淹水2 d 后的W2處理在30 ms 位點(diǎn)處的葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量明顯增加，表明淹水會(huì)對(duì)葉片PSⅡ的供體側(cè)造成傷害，降低了向下游提供電子的能力。葉面噴施PVE 明顯緩解了淹水脅迫下ΔK和ΔJ的增高，降低了淹水脅迫對(duì)葉片熒光系統(tǒng)造成的損害。

圖4 淹水脅迫下葉面噴施PVE 葉片ΔVtFig.4 Effect of PVE on the ΔVt curve of maize under waterlogging stress

與正常水分處理相比，淹水脅迫提高了玉米幼苗葉片QA-被還原的程度（VJ）（表2），降低了電子傳到電子傳遞鏈中下游的電子受體的概率（Ψo）和用于電子傳遞的量子比率（φEo），最終導(dǎo)致受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額（δRo）減少。葉面噴施PVE 緩解了淹水脅迫下VJ的升高和Ψo的降低，但在正常水分處理下葉面噴施清水與PVE處理間各參數(shù)差異不顯著。

表2 淹水脅迫下玉米葉片VJ 和量子產(chǎn)額Table 2 Changes of waterlogging stress on the VJ and the yields or flux ratios in leaves of maize

與正常水分管理（W0 和W0+PVE）處理相比，

淹水脅迫減少了玉米幼苗葉片單位橫截面積內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量（RC/CSm），單位面積捕獲的光能（TRo/CSm）和單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額（ETo/CSm），但增加了單位面積的熱耗散（DIo/CSm）（表3）。隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，RC/CSm，TRo/CSm和ETo/CSm的下降幅度逐漸增大，并且DIo/CSm的上升幅度呈增大趨勢(shì)。說(shuō)明淹水脅迫會(huì)導(dǎo)致葉片用于電子傳遞的能量份額減少，熱耗散增加，導(dǎo)致葉片光合性能指數(shù)（PIabs）降低。葉面噴施PVE 處理有效緩解了短期淹水脅迫后（≤4 d）葉片TRo/CSm和ETo/CSm的增加，說(shuō)明在解除短期淹水脅迫后葉面噴施PVE 能夠緩解葉片用于電子傳遞的能量配額減少，使受阻的電子傳遞恢復(fù)，從而提高單位面積上的光能利用率。

表3 淹水脅迫玉米葉片單位橫截面積能量流參數(shù)和反應(yīng)中心密度Table 3 Changes of waterlogging stress on the phenomenological energy fluxes per CS in leaves of maize

3 討論

光合作用能夠?yàn)橹参锷L(zhǎng)發(fā)育提供物質(zhì)和能量，但淹水脅迫逆境會(huì)使植物體內(nèi)活性氧自由基大量積累[12]，類(lèi)囊體膜上的電子傳遞活性和傳遞效率下降，光合機(jī)構(gòu)吸收的光能無(wú)法被充分利用，導(dǎo)致葉片葉綠素合成和光合速率受到抑制[13]，阻礙有機(jī)物的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育緩慢。長(zhǎng)期淹水環(huán)境下葉片葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞，葉綠素量降低[14]，這與試驗(yàn)過(guò)程中觀察到的淹水會(huì)導(dǎo)致玉米幼苗葉片逐漸發(fā)黃，甚至出現(xiàn)葉片脫落的現(xiàn)象相一致。同時(shí)，本研究結(jié)果還表明，淹水脅迫顯著抑制了玉米生長(zhǎng)（圖1），降低了葉片的凈光合效率（圖2），解除短期淹水脅迫后玉米幼苗能夠恢復(fù)正常生長(zhǎng)，但長(zhǎng)期連續(xù)淹水（＞4 d）會(huì)導(dǎo)致玉米幼苗倒伏，根系腐爛，即使解除淹水脅迫幼苗難以恢復(fù)正常生長(zhǎng)。

水楊酸、蕓苔素內(nèi)酯、褪黑素和PVE 等生物刺激素與植物激素具有相似生理和生物學(xué)效應(yīng)的一類(lèi)物質(zhì)，適宜的量可增強(qiáng)作物對(duì)非生物脅迫的適應(yīng)能力[4,8-9]。Clouse 等[15]研究表明蕓苔素內(nèi)酯參與植物生長(zhǎng)發(fā)育、管道分化及細(xì)胞增殖和凋亡等生理活動(dòng)，能夠促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)、分裂，增強(qiáng)葉片的光合作用。而PVE作為高效且具有高活性的生物刺激素，蕓苔素內(nèi)酯、腐植酸鈉等常規(guī)生物刺激素濃度的1/30 000 左右[8]。本研究結(jié)果表明，在解除短期淹水脅迫后葉面噴施PVE 提高了葉片凈光合速率，減輕了淹水脅迫對(duì)玉米葉片光合機(jī)構(gòu)和光合性能的破壞，有效緩解了淹水脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)的抑制作用。

植物快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)（OJIP）曲線的相關(guān)參數(shù)可以反映PSⅡ供體側(cè)、受體側(cè)和PSⅡ反應(yīng)中心原初光化學(xué)反應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)[16]。本研究結(jié)果表明，淹水脅迫增加了J 相熒光值（圖3），說(shuō)明淹水脅迫會(huì)使QA-大量積累，阻礙了PSⅡ受體側(cè)QA向QB的電子傳遞，導(dǎo)致OJIP 曲線中因PS 中供體側(cè)放氧復(fù)合體受到傷害而出現(xiàn)K 點(diǎn)[17]。將OJIP 曲線標(biāo)準(zhǔn)化后可以更直觀地反映出玉米葉片光合機(jī)構(gòu)及電子傳遞對(duì)淹水脅迫的響應(yīng)（圖4）。與正常水分處理相比，淹水脅迫（W4 和W4+PVE）處理ΔK和ΔJ值均>0，并且W4 處理ΔK和ΔJ值均高于W4+PVE 處理，說(shuō)明淹水脅迫在破壞玉米葉片供體側(cè)放氧復(fù)合體的同時(shí)還抑制了受體側(cè)的電子傳遞[18]，而葉面噴施PVE可有效緩解淹水脅迫下玉米葉片ΔK和ΔJ的增加，能夠?qū)SⅡ供體側(cè)和受體側(cè)起到保護(hù)作用。王曉琪等[19]則認(rèn)為，PVE 可以通過(guò)提高植物體內(nèi)過(guò)氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性，降低Na+/K+和丙二醛量，從而提高水稻對(duì)非生物脅迫（抗鹽、抗低溫）的抗性。

正常條件下，PSⅡ反應(yīng)中心將捕獲的光能轉(zhuǎn)化為激發(fā)能，大部分激發(fā)能用于推動(dòng)碳同化，多余的激發(fā)能以熱耗散的形式損失掉[18]。當(dāng)植物遭受淹水脅迫時(shí)，由于PSⅡ電子供體側(cè)、受體側(cè)以及電子傳遞鏈的功能受損，導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心能夠吸收的光能不能及時(shí)傳遞給電子傳遞鏈[19]。本研究表明，短期淹水（≤2 d）對(duì)玉米幼苗葉片PSⅡ并未產(chǎn)生明顯的脅迫反應(yīng)，但長(zhǎng)時(shí)間淹水會(huì)降低用于電子傳遞的量子產(chǎn)額（φEo）和捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過(guò)QA-的其他電子受體的概率（Ψo）（表2）。此外，淹水脅迫還會(huì)減少玉米幼苗葉片單位面積內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量（RC/CSm），造成PSⅡ反應(yīng)中心部分降解或可逆失活，破壞天線色素結(jié)構(gòu)[20-21]，降低單位面積吸收的光能（ABS/CSm）（表3），從而減少了反應(yīng)中心激發(fā)能（TRo/CSm)和還原能（ETo/CSm）。與葉面噴施清水處理相比，葉面噴施PVE 處理緩解了短期淹水脅迫下捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過(guò)QA-的其他電子受體的概率（ψo(hù)），改善了葉片PSⅡ受體側(cè)的電子傳遞。同時(shí)，葉面噴施PVE 提高了玉米葉片單位葉面積的熱耗散（DIo/CSm）（表3），降低了激發(fā)能的產(chǎn)生，減少過(guò)剩激發(fā)能機(jī)理對(duì)PSⅡ反應(yīng)中心的傷害。因此，解除短期淹水脅迫后葉面噴施PVE 一方面通過(guò)恢復(fù)受阻的電子傳遞，提高單位面積上的光能利用率[22]，另一方面通過(guò)促進(jìn)熱耗散途徑減少過(guò)剩激發(fā)能的積累，防止光合電子傳遞鏈的過(guò)度還原[23]，從而促進(jìn)玉米幼苗快速恢復(fù)生長(zhǎng)。但是在長(zhǎng)期淹水脅迫（＞4 d）下，葉面噴施PVE 并不能完全消除淹水脅迫對(duì)葉片光合特性和OJIP 曲線的影響，有關(guān)PVE 對(duì)淹水后玉米產(chǎn)量和葉片代謝機(jī)理的整體調(diào)控效應(yīng)還有待更深入的研究。

4 結(jié)論

1）長(zhǎng)期淹水脅迫（＞4 d）顯著降低了玉米葉片的光合性能，抑制了玉米幼苗正常生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致玉米幼苗的死亡。淹水脅迫增加了初始熒光強(qiáng)度，降低了最大熒光值，在對(duì)玉米葉片PSⅡ反應(yīng)中心供體側(cè)放氧復(fù)合體造成損害的同時(shí)還阻礙受體側(cè)造光合電子傳遞，導(dǎo)致單位葉面積吸收的光能、捕獲的光能和電子傳遞的能量降低，從而抑制了玉米幼苗葉片光合機(jī)構(gòu)的正常功能。

2）解除短期淹水脅迫后，葉面噴施PVE 能夠提高葉片凈光合速率，緩解了單位葉面積有活性反應(yīng)中心數(shù)目的減少，使葉片PSⅡ受體側(cè)受阻的電子傳遞恢復(fù)，并維持相對(duì)較高的熱耗散能力，有助于玉米幼苗快速恢復(fù)生長(zhǎng)，但葉面噴施PVE 并不能完全消除長(zhǎng)期淹水脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)造成的影響。