暢灼卓 王雅情 趙夏童 王彧瑤 馬 珂 原向陽 董淑琦

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030800)

谷子(SetariaitalicaBeauv.)被譽(yù)為中華民族的哺育作物[1]，由于不同的生態(tài)區(qū)氣候和栽培制度造就了豐富的谷子資源，是我國干旱半干旱地區(qū)重要的糧食作物。但田間雜草會對谷子造成嚴(yán)重減產(chǎn)。采用除草劑仍是當(dāng)前乃至今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)的主要方式，但谷子對除草劑敏感，在谷田中可用的除草劑種類很少，目前登記可用于谷子生產(chǎn)的除草劑有4個：‘撲草凈’、‘烯禾啶’(部分谷子品種安全性較差)、‘單嘧磺隆’和‘2，4-滴丁酯’[2]?？钩輨┕茸悠贩N的應(yīng)用，如抗‘烯禾啶’品種 ‘張雜谷16’、‘冀谷43’和‘冀谷45’，抗‘阿特拉津’品種‘冀谷34’等[3-5]，改變了農(nóng)民防除雜草的方式[6]，故篩選安全的除草劑、發(fā)現(xiàn)并培育抗除草劑谷子品種成為當(dāng)前谷子生產(chǎn)重要的研究任務(wù)。‘苯磺隆’是應(yīng)用于小麥田中的磺酰脲類除草劑，但不同的禾本科作物如小麥[7]、玉米[8]、水稻[9]和谷子[10]等對其敏感性存在差異。

雖然‘苯磺隆’是乙酰乳酸合成酶抑制劑類除草劑，但是有研究顯示，該類除草劑會影響光合作用的關(guān)鍵步驟，包括阻斷光合電子傳遞鏈，從而阻止光合作用的順利進(jìn)行[11-12]，因此這可能是該類除草劑防除雜草的機(jī)理。光合色素在植物光合作用過程中參與光能的吸收和傳遞[13]；葉綠素?zé)晒鈪?shù)和氣體交換參數(shù)可反映植物的光合能力[14-15]；激發(fā)能的均衡分配保證了光合電子的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)傳遞[16]。Sh等[17]采用煙嘧磺隆處理蒼耳后，F(xiàn)v/Fm降低。氯磺隆處理使玉米幼苗葉片的葉綠素含量、Y(II)和qP等葉綠素?zé)晒鈪?shù)均降低[18]。已有研究認(rèn)為，PSII是植物受脅迫后光抑制作用的主要位點(diǎn)，卻對PSI的光抑制作用研究較少，而PSI的光抑制一樣能威脅到植物的生長發(fā)育[19]，P700參數(shù)可反映PSI的活性[20]，Y(ND)和Y(NA)可作為檢測除草劑對PSI影響的重要參數(shù)[21]。雖然高劑量的‘苯磺隆’可降低‘晉谷21號’和‘張雜谷10號’的光合色素含量、Pn、Y(II)和qP，升高NPQ[10,22]，但有關(guān)‘苯磺隆’對谷子葉片PSI功能影響的研究鮮有報(bào)道。本研究采用在山西省種植面積較大的9個谷子品種，設(shè)置‘苯磺隆’3個劑量，測定分析‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片光合色素含量、P700、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、能量的分配利用和氣體交換參數(shù)的影響，旨在探明除草劑‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片光合特性的影響，以期為谷子田間生產(chǎn)中科學(xué)地施用‘苯磺隆’提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種：‘錦谷5號’，‘龍谷39號’，‘冀谷35號’，‘晉谷21號’，‘中谷9號’，‘黃金谷’，‘張雜谷10號’，‘張雜谷13號’和‘豫谷18號’。

供試藥劑：10%‘苯磺隆’可濕性粉劑(山東勝邦綠野有限公司)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年5月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化學(xué)調(diào)控實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，將9個谷子品種的種子均勻播種于13 cm×15 cm裝有基質(zhì)的營養(yǎng)缽中，每個處理(3盆)定苗4株。待幼苗長至5葉期時，選取健康整齊一致的幼苗噴施‘苯磺隆’。分別設(shè)置112.5(T1，推薦用量的1/2)，225.0(T2，推薦用量)和450.0 g/hm2(T3，推薦用量的2倍)3個處理，兌水至450.0 kg/hm2，并以等量清水作為對照(CK)。每個處理重復(fù)3次。待21 d后，選取倒2葉進(jìn)行指標(biāo)測定。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1光合色素含量的測定

采用乙醇浸提法[23]測定葉綠素a(Chla)含量，葉綠素b(Chlb)含量和類胡蘿卜素(Car)含量。

1.3.2光合生理指標(biāo)的測定

于晴天9：00—11：00，用美國思愛迪公司生產(chǎn)的CI-340光合測定儀測定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)，測定時光照強(qiáng)度為(900±50) μmol/(m2·s)，大氣CO2濃度為(380±5) μmol/mol。

1.3.3P700和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

選用便攜式光纖型雙通道PAM-100熒光測量系統(tǒng)Dual-PAM-100(德國，Walz)，測定谷子幼苗倒二葉的P700參數(shù)包括光系統(tǒng)I的實(shí)際光合效率(Y(I))，PSI由于供體的限制引起的非光化學(xué)能量耗散的量子產(chǎn)量(Y(ND))，PSI由于受體的限制引起的非光化學(xué)能量耗散的量子產(chǎn)量(Y(NA))，PSI的相對電子傳遞速率(ETR(I))和葉綠素?zé)晒鈪?shù)包括非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量(Y(NO))，調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量(Y(NPQ))，非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)，光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)，PSII實(shí)際光合效率(Y(II))，絕對電子傳遞速率(ETR(II))。

1.3.4光能分配的計(jì)算

按Demmig等[24]的方法計(jì)算吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額P，天線熱耗散的份額D和非光化學(xué)反應(yīng)耗散的份額Ex。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用DPS 6.5軟件處理試驗(yàn)結(jié)果。運(yùn)用LSD法進(jìn)行不同處理間的多重比較(α=0.05)。表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片光合色素含量的影響

由表1可知，經(jīng)‘苯磺隆’處理后，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’、‘晉谷21號’、‘中谷9號’、‘豫谷18號’和‘冀谷35號’等品種葉片的光合色素含量均有不同程度地降低?！畯堧s谷13號’、‘黃金谷’和‘龍谷39號’與CK差異不顯著。T1處理，‘晉谷21號’的葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)含量分別比CK降低44.60%和48.89%，其余品種與CK均無顯著差異。T2處理，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’、‘晉谷21號’、‘中谷9號’和‘冀谷35號’的Chla含量分別比CK降低36.55%、35.38%、31.65%、32.30%和30.30%；‘錦谷5號’、‘晉谷21號’和‘中谷9號’的Chlb含量分別比CK降低46.15%、24.44%和52.31%；在此處理下，各品種的類胡蘿卜素(Car)含量與CK相比均無顯著差異。T3處理，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’、‘中谷9號’、‘豫谷18號’和‘冀谷35號’的Chla、Chlb和Car含量均顯著低于CK。

2.2 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片P700的影響

由表2可知，經(jīng)不同劑量的‘苯磺隆’處理后，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’、‘張雜谷13號’、‘中谷9號’和‘豫谷18號’的Y(NA)、Y(I)、Y(ND)和ETR(I)均與CK差異不顯著。與CK相比，T3處理下，‘晉谷21號’和‘黃金谷’的Y(NA)、Y(I)和ETR(I)差異顯著，2個品種的Y(NA)分別比CK升高180.00%和178.95%，‘晉谷21號’的Y(I)和ETR(I)分別比CK降低45.95%和45.26%，‘黃金谷’的Y(I)和ETR(I)分別比CK降低43.59%和43.13%，‘龍谷39號’和‘冀谷35號’的Y(ND)均比CK升高300.00%，Y(NA)、Y(I)和ETR(I)與CK無顯著差異。

表1 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片光合色素含量的影響Table 1 Effect of ‘Tribenuron-methyl’ on the photosynthetic pigment content in leaves ofdifferent foxtail millet varieties mg/g

表2 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片P700參數(shù)的影響Table 2 Effect of ‘Tribenuron-methyl’ on P700 parameters in leaves of different foxtail millet varieties

2.3 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表3可知，經(jīng)不同劑量的‘苯磺隆’處理后，‘張雜谷13號’、‘龍谷39號’和‘中谷9號’各個處理的Y(II)、Y(NO)和Y(NPQ)與CK差異不顯著。T1處理，‘錦谷5號’和‘豫谷18號’的Y(II)分別比CK低27.27%和28.57%；‘張雜谷10號’的Y(NO)比CK低11.54%；其余品種的Y(II)、Y(NPQ)和Y(NO)與CK差異均不顯著。T2處理，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’、‘豫谷18號’和‘黃金谷’的Y(II)分別比CK降低18.18%、27.78%、28.57% 和26.67%；‘張雜谷10號’的Y(NO) 比CK降低15.38%；‘張雜谷10號’和‘黃金谷’的Y(NPQ)比CK升高15.79%和10.00%。T3處理，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’、‘晉谷21號’、‘豫谷18號’、‘黃金谷’和‘冀谷35號’的Y(II)分別比CK低22.73%、22.22%、30.77%、42.86%、33.33%和35.71%；‘張雜谷10號’的Y(NO)比CK低15.38%，‘晉谷21號’和‘豫谷18號’的Y(NO)比CK高60.87% 和129.17%；‘錦谷5號’、‘黃金谷’和‘張雜谷10號’的Y(NPQ)分別比CK高13.73%、10.00% 和12.28%，‘晉谷21號’和‘豫谷18號’的Y(NPQ)分別比CK低14.06%和40.32%。

由表4可知，各個處理，‘張雜谷13號’和‘龍谷39號’的ETR(II)、NPQ和qP與CK差異均不顯著。T1處理，‘錦谷5號’和‘豫谷18號’的ETR(II)分別比CK低28.62%和29.74%；qP分別比CK低27.91%和25.00%；各個品種的NPQ差異均不顯著。T2處理，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’、‘豫谷18號’和‘黃金谷’的ETR(II)分別比CK低17.39%、29.09%、24.43%和26.57%，‘張雜谷10號’的NPQ比CK高34.22%，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’和‘豫谷18號’的qP分別比CK低20.93%、25.00%和14.29%。T3處理，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’、‘晉谷21號’、‘豫谷18號’、‘黃金谷’和‘冀谷35號’的ETR(II)和qP均顯著低于CK，‘晉谷21號’和‘豫谷18號’的NPQ分別比CK低42.96%和69.81%，‘張雜谷10’號的NPQ比CK高26.22%。

2.4 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片光能分配的影響

由表5可知，不同劑量的‘苯磺隆’處理后，‘張雜谷13號’和‘龍谷39號’與CK相比，P、D和Ex差異均不顯著。T1處理，‘錦谷5號’和‘豫谷18號’的P分別比CK低27.27%和28.57%，‘張雜谷10號’的D比CK高5.88%，‘錦谷5號’的Ex比CK高24.14%。T2處理下，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’和‘豫谷18號’的P分別比CK低18.18%、27.78%和28.57%；‘晉谷21號’、‘中谷9號’和‘黃金谷’的D分別比CK高9.09%、15.38%和10.00%；‘中谷9號’的Ex比CK高66.67%。T3處理下，除‘張雜谷13號’、‘中谷9號’和‘龍谷39號’外，其余品種的P均顯著降低；‘晉谷21號’和‘中谷9號’的D分別比CK低18.18%和25.64%，‘黃金谷’的D比CK高10.00%；‘晉谷21號’和‘中谷9號’的Ex分別比CK高48.39%和113.33%。

2.5 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片光合生理指標(biāo)的影響

由表6可知，各個處理的‘張雜谷13號’和‘龍谷39號’的Pn、Gs、Ci和Tr與CK相比差異均不顯著。T1處理，各個品種的Pn、Gs和Ci差異均不顯著。T2處理，‘錦谷5號’、‘晉谷21號’、‘中谷9號’、‘豫谷18號’和‘冀谷35號’的Pn分別比CK低50.64%、60.91%、43.74%、49.62%和54.82%，‘晉谷21號’的Ci顯著高于CK，‘錦谷5號’和‘黃金谷’的Tr顯著低于CK。T3處理下，除‘張雜谷13號’和‘龍谷39號’外，其余品種的Pn均顯著低于CK，‘錦谷5號’和‘晉谷21號’的Ci分別高于CK 89.48%和42.50%，‘錦谷5號’、‘張雜谷10號’、‘晉谷21號’、‘黃金谷’和‘冀谷35號’的Tr分別比CK低46.28%、36.52%、56.18%、46.49%和56.78%。

3 討 論

3.1 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片光合色素含量和P700參數(shù)的影響

光合色素的主要作用是吸收光能[25]并進(jìn)行光合電子傳遞光化學(xué)反應(yīng)。劉陽等[26]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)除草劑‘驃馬’脅迫后，‘張雜谷10號’的葉綠素含量顯著降低。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)‘苯磺隆’處理后，除‘張雜谷13號’、‘黃金谷’和‘龍谷39號’的葉片光合色素含量與CK無顯著差異外，其余谷子品種的Chla、Chlb和Car含量均有不同程度地降低，且隨著‘苯磺隆’劑量的增大，葉片光合色素含量顯著降低。

PSI是植物光合作用的關(guān)鍵組分，有研究發(fā)現(xiàn)，低溫強(qiáng)光下，敏感植物PSI比PSII對強(qiáng)光更加敏感，更容易發(fā)生光抑制現(xiàn)象[27]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，‘龍谷39號’的光合色素含量與CK無顯著差異，而Y(ND)升高，說明葉片光保護(hù)能力的提高，Y(I)、ETR(I)和Y(NA)均與CK差異不顯著，同時Y(II)、ETR(II)和qP也并未降低，說明PSI和PSII并未受到損傷，Pn未降低。而‘黃金谷’和‘晉谷21號’的PSI受損，表現(xiàn)為Y(I)和ETR(I)下降，Y(NA)升高，同時PSII的實(shí)際光合效率也降低(Y(II))，導(dǎo)致Pn降低。與采用除草劑‘闊世瑪’處理板藍(lán)根后，葉片ETR(I)、Y(I)和Y(ND)下降，Y(NA)升高的結(jié)果類似[28]。

表3 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片Y(II)、Y(NPQ)和Y(NO)的影響Table 3 Effects of ‘Tribenuron-methyl’ on the Y(II)、Y(NPQ) and Y(NO) in leaves of different foxtail millet varieties

表4 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片ETR(II)、NPQ和qP的影響Table 4 Effects of ‘Tribenuron-methyl’ on ETR(II), NPQ and qP in leaves of different foxtail millet varieties

表5 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片吸收光能分配的影響Table 5 Effects of ‘Tribenuron-methyl’ on the distribution of absorbed light energy in leaves of different foxtail millet varieties

表6 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片光合生理指標(biāo)的影響Table 6 Effects of ‘Tribenuron-methyl’ on photosynthetic physiological indexes in leaves of different foxtail millet varieties

3.2 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

當(dāng)植物受到脅迫后，捕光色素吸收的光能以熒光、磷光和熱的形式散發(fā)，以熱的形式散發(fā)多余的能量對作物是一種調(diào)節(jié)性的保護(hù)作用，而以熒光的形式散發(fā)，對作物會造成一種光損傷，導(dǎo)致植物光合作用的降低[29]。PSII光化學(xué)活性的降低被認(rèn)為是限制Pn提高的非氣孔因素之一[30]。郭美俊等[31]研究指出，經(jīng)除草劑‘二甲四氯’脅迫后，‘晉谷21號’的Pn和ETR降低，而NPQ升高。本試驗(yàn)中，‘錦谷5號’和‘張雜谷10號’的光合色素含量降低，Y(NPQ)升高，Y(NO)下降，說明可通過熱的形式散發(fā)多余的能量以保護(hù)PSII不受傷害，但ETR(II)下降，說明電子傳遞受阻，Pn降低?！畷x谷21號’和‘豫谷18號’的Y(NPQ)降低和Y(NO)升高，說明其光合體系已經(jīng)受到了損傷，導(dǎo)致光合作用降低。

3.3 ‘苯磺隆’對不同谷子品種光能分配的影響

當(dāng)植株無法利用過剩的光能時，會通過降低P的份額并增加D的份額來消耗過剩的光能[32,15]。當(dāng)PSII反應(yīng)中心關(guān)閉或失活使激發(fā)能不能用于光化學(xué)反應(yīng)時，只能增加反應(yīng)中心耗散份額(Ex)，這將誘發(fā)PSII產(chǎn)生過量的有害物質(zhì)，對結(jié)構(gòu)蛋白和反應(yīng)中心色素造成損傷[33-34]。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物受到水分脅迫后，P會降低，D升高[35]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)‘苯磺隆’脅迫后‘張雜谷13號’和‘龍谷39號’的P未發(fā)生顯著變化，說明用于光化學(xué)反應(yīng)的份額并未降低，也就是說光合作用未受到抑制?！\谷5號’、‘張雜谷10號’、‘晉谷21號’、‘黃金谷’的P均降低，其中‘張雜谷10號’、‘黃金谷’的D升高，說明這2個品種此時通過熱耗散的形式消耗多余的激發(fā)能以保護(hù)PSII不受傷害?！畷x谷21號’的D降低、Ex升高，說明PSII已不能通過熱耗散的形式散發(fā)過剩光能，導(dǎo)致植物通過熒光的形式耗散過剩光能，可能對植物產(chǎn)生損傷。

3.4 ‘苯磺隆’對不同谷子品種葉片光合生理指標(biāo)的影響

氣體交換參數(shù)可反映植物光合作用的能力。而氣孔因素和非氣孔因素是影響植物光合作用的2個因素[36]。判斷Pn下降的原因是否為氣孔因素，不但需要關(guān)注氣孔導(dǎo)度的大小，而且需要分析胞間CO2濃度的變化。若Pn、Gs和Ci均下降，則是由于氣孔因素限制導(dǎo)致；Pn、Gs降低，而Ci升高，則表明是非氣孔因素限制導(dǎo)致[37]。在本試驗(yàn)中，2倍推薦劑量‘苯磺隆’處理后，‘錦谷5號’和‘晉谷21號’的Pn、Gs和Tr均顯著降低，Ci顯著升高，說明引起Pn降低的主要因素為非氣孔限制因素，此結(jié)果與高貞攀等[19]研究基本一致；而其余品種均呈現(xiàn)為Gs和Tr顯著降低，Ci無顯著差異，說明引起Pn下降的主要原因可能是氣孔因素和非氣孔因素共同作用的結(jié)果[38]，與高貞攀等[19]研究發(fā)現(xiàn)‘苯磺隆’對‘張雜谷10號’Pn下降的主要原因是非氣孔限制因素的結(jié)果稍有不同，可能與試驗(yàn)環(huán)境不同有關(guān)。但‘苯磺隆’對谷子的靶標(biāo)酶活性和代謝方面的影響還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

225.0 g/hm2(推薦用量)‘苯磺隆’處理后，‘張雜谷10號’、‘張雜谷13號’、‘黃金谷’和‘龍谷39號’的葉片Pn與CK相比差異不顯著；‘錦谷5號’、‘晉谷21號’、‘中谷9號’、‘豫谷18號’和‘冀谷35號’的Pn分別降低50.64%、60.91%、43.74%、49.62% 和54.82%，量子產(chǎn)量(Y(NO))與CK相比差異不顯著。450.0 g/hm2(2倍推薦用量)的‘苯磺隆’處理后，‘張雜谷13號’和‘龍谷39號’的光合系統(tǒng)并未受到損傷，與CK相比，Pn無顯著差異；‘晉谷21號’和‘豫谷18號’光合系統(tǒng)受害均較嚴(yán)重，其中，‘晉谷21號’的PSI和PSII均受到嚴(yán)重破壞，表現(xiàn)為與CK相比Y(NA)顯著升高180.00%，Y(I)和ETR(I)分別下降45.95%和45.26%；Y(NPQ)下降14.06%、Y(NO)升高60.87%，‘豫谷18號’主要是由于PSII損傷嚴(yán)重，表現(xiàn)為與CK相比Y(NPQ)下降40.32%、Y(NO)升高129.17%，而其余品種的光合系統(tǒng)損傷較輕，但還是引發(fā)葉片的光合色素含量降低，PSI、PSII的活性降低，導(dǎo)致電子傳遞受阻，實(shí)際光合效率降低，植物吸收的能量用于光化學(xué)反應(yīng)的份額減少，最終導(dǎo)致Pn降低。