吳久赟,徐桂香,李海峰,曾曉燕,姜建福,劉勇翔,魏亦農(nóng),任紅松
(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,新疆吐魯番 838000;2.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆石河子 832000;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所,河南鄭州 450009)
【研究意義】我國新疆吐魯番光熱資源豐富,是我國重要的葡萄產(chǎn)區(qū),栽培面積達(dá)3.68×104hm2,吐魯番35℃以上的天氣年均超過100 d,其中40℃以上的天氣年均超過35 d[1-6]。持續(xù)高溫導(dǎo)致葡萄葉片失水干枯甚至死亡,影響葡萄的光合作用,降低葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)[7-9]。隨著全球平均溫度不斷升高和持續(xù)時(shí)間不斷延長,高溫對葡萄的影響日趨顯著[10-12]。研究葡萄對高溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制,為緩解高溫脅迫和探索抗逆栽培途徑提供參考?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】光合作用是植物最主要的物質(zhì)與能量代謝過程,也是植物對高溫脅迫最敏感的生理過程[13]。研究發(fā)現(xiàn),高溫脅迫會導(dǎo)致Gs和Rubisco酶活性降低,阻抗葉肉細(xì)胞的氣體擴(kuò)散,降低植物的光能利用率,并抑制H2O的光解反應(yīng)和CO2同化能力,影響PSII反應(yīng)中心活性和電子傳遞,導(dǎo)致植物不能有效利用吸收的光能,進(jìn)而使PSII系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受損[14-16]。凈光合速率(Pn)下降,調(diào)運(yùn)的同化物逐漸增加,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,光化學(xué)系統(tǒng)PSII被破壞,嚴(yán)重影響逆境誘導(dǎo)基因的表達(dá)和調(diào)控,造成植株熱害甚至萎靡死亡,直接影響葡萄的生長和生產(chǎn)[17-23]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】美人指葡萄在吐魯番自然高溫條件下仍能保持較高光合效率[6,20],但其具體原因尚不明晰。需要研究高溫脅迫對葡萄葉綠素?zé)晒夂凸夂咸匦詤?shù)的影響?!緮M解決的關(guān)鍵問題】以美人指葡萄為材料,研究高溫脅迫對葡萄葉綠素?zé)晒鈪?shù)和光合特性的影響規(guī)律,為葡萄的逆境栽培和耐熱機(jī)理研究提供參考。
1.1 材 料
試驗(yàn)于石河子大學(xué)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,供試葡萄品種為一年生美人指(VitisviniferaL.‘Manicure finger’),材料來源于石河子大學(xué)綜合試驗(yàn)場(85°99′E,44°31′N)。盆栽條件為盆口直徑為30 cm、盆高40 cm的白色塑料圓錐形盆缽,盆栽土壤取自試驗(yàn)場葡萄植株根系附近土壤。于2018年9月9日挑選長勢基本一致的植株移栽至盆缽中,適應(yīng)并觀察3 d,期間注意保持土壤水分。2018年9月12日將長勢一致的盆栽葡萄移入智能人工氣候箱(寧波東南儀器有限公司)培養(yǎng)24 h,設(shè)置可控條件晝/夜為16 h/8 h,溫度為(25±1)℃/(20±1)℃,相對濕度為50%,光照強(qiáng)度為60 000 lx。
1.2 方 法
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
于2018年9月13~16日,挑選長勢基本一致的植株放入RDN型人工氣候箱,相對濕度為50%,光照強(qiáng)度為60 000 lx。溫度設(shè)置為35、40、45℃ 3個(gè)處理(T),晝/夜時(shí)長為16 h/8 h,處理時(shí)段為08:00~24:00,其余時(shí)間段溫度為25℃,以25℃/20℃(晝/夜)為對照(CK)。試驗(yàn)采用單株小區(qū),每個(gè)處理3株葡萄,3次生物學(xué)重復(fù)。
1.2.2 測定指標(biāo)1.2.2.1 葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(OJIP)及參數(shù)
分別于2018年9月13~16日,每日16:00-18:00時(shí),選取第5~7片功能葉,利用快速熒光測定儀Handy-PEA(Hansatech,英國)測定葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(OJIP)及相關(guān)參數(shù),每個(gè)處理測定3片葉,重復(fù)3次。測定前用葉夾暗適應(yīng)20 min,熒光以3 000 μmol/(m2·s)的飽和光誘導(dǎo),照射時(shí)間為1s。其中OJIP曲線中O點(diǎn)值(F0)表示當(dāng)所有反應(yīng)中心完全開放時(shí)初始熒光強(qiáng)度,J點(diǎn)值(Fj)表示在OJIP熒光誘導(dǎo)曲線2ms的熒光強(qiáng)度,I點(diǎn)值(Fi)表示在OJIP熒光誘導(dǎo)曲線30ms的熒光強(qiáng)度,P點(diǎn)值(Fp=Fm)表示OJIP熒光誘導(dǎo)曲線的最大熒光強(qiáng)度[21,31]。
1.2.2.2 光合氣體交換參數(shù)
試驗(yàn)分別于2018年9月13~16日,每日16:00-18:00時(shí),選取第5~7片功能葉,利用LI-6400型便攜式光合儀(LI-COR,美國),測定光合速率(Pn),氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等指標(biāo),每個(gè)處理測定3片葉,重復(fù)3次。光量子通量密度為1 800 μmol/(m2·s),參比室CO2濃度為(360±20) μmol/L。
1.3 數(shù)據(jù)處理
試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(mean±SD)表示,利用DPS 7.05對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,以LSD法進(jìn)行多重比較并檢測差異顯著性,以P<0.05為差異顯著水平,P<0.01為差異極顯著水平;利用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)分析,用Microsoft Excel 2007做圖表。
2.1 高溫對葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(OJIP)的影響
與對照相比,經(jīng)過高溫脅迫后美人指的OJIP曲線發(fā)生了顯著的變化,高溫脅迫造成葉片最大熒光(Fm)強(qiáng)度下降,但不同溫度對OJIP曲線影響不同。其中,不同處理在O-J相的熒光值均高于對照,上升幅度較對照緩慢且無顯著性差異,但初始熒光值(F0)均高于對照,說明高溫處理可能造成葉片反應(yīng)中心PSII出現(xiàn)可逆性失活;不同處理在J-I相變化差異顯著,其中40和45℃的熒光值上升幅度均低于對照,40和45℃的Fj值和Fi值也均顯著低于CK;而35℃J-I相上熒光值升幅度仍高于對照,F(xiàn)j值和Fi值均高于CK;與對照相比,在I-P相上35℃處理的大部分熒光值都高于CK,其中Fp低于CK,40和45℃處理的熒光值均顯著低于CK。高溫對OJIP曲線變化趨勢影響的規(guī)律大體相同,高溫導(dǎo)致熒光值降低,且溫度越高影響越顯著。圖1
圖1 不同溫度下OJIP曲線變化Fig.1 The influence of OJIP curve under different temperature conditions
2.2 高溫對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
2.2.1F0、Fm、Fv/F0、Fv/Fm
研究表明,45℃處理的F0最高,極顯著高于CK,其次是35和40℃,但與CK差異不顯著,45℃高溫條件下囊體膜受損最嚴(yán)重。45和40℃處理時(shí)Fm極顯著低于CK和35℃,其中45℃處理的Fm最低,40℃處理次之,CK的Fm最高,反映出溫度越高,F(xiàn)m值越低,熱害程度越高。高溫條件下Fv/F0隨著溫度升高而降低,45℃處理的Fv/F0最低,35℃最高,均顯著低于CK,且各處理間差異顯著,其中45℃和40℃處理的Fv/F0極顯著低于CK,說明高溫抑制了PSII反應(yīng)中心的活性,且溫度越高抑制越明顯。各處理Fv/Fm值為0.48~0.73,均低于CK(0.77),其中45℃和40℃處理Fv/Fm值極顯著低于CK,35℃時(shí)Fv/Fm值與CK差異不顯著。同時(shí),與對照相比各處理Fv/Fm值分別下降了5.19%,27.27%和37.66%,高溫對葡萄光能轉(zhuǎn)換效率均有不同程度的抑制作用,溫度越高抑制作用越明顯。表1
表1 不同溫度下葡萄葉片F(xiàn)0、Fm、Fv/F0、Fv/Fm變化Table 1 Effects of high temperature on F0, Fm, Fv/F0, Fv/Fm of grape leaves
2.2.2PIABS、Vj、ABS/RC、DI0/CS0
研究表明,高溫處理下PIABS為0.18~1.56,均顯著低于CK(5.26),高溫影響了葡萄葉片的光能利用效率,導(dǎo)致光合活性降低,且溫度越高影響越顯著;Vj代表J點(diǎn)的可變熒光強(qiáng)度,反映了QA-~QB之間的電子傳遞情況和QA-的積累情況,高溫處理下Vj為0.52~0.73,均極顯著高于CK,高溫脅迫造成Vj顯著上升,且溫度越高上升越明顯;ABS/RC表示PSII反應(yīng)中心吸收的光能,高溫脅迫下,各單位反應(yīng)中心吸收的光能ABS/RC值為1.93~3.10,均高于CK,其中45℃處理與CK差異極顯著,反映其溫度越高,反應(yīng)中心吸收的光能ABS/RC值越高;DI0/CS0反映了PSII反應(yīng)中心以熱能消耗能量的比率,與對照相比,高溫下各處理DI0/CS0差異不顯著,其中45℃處理DI0/CS0最高,為447.31,極顯著高于CK,40℃以下熱耗散比率與CK差異不明顯,45℃處理時(shí),熱耗散比率明顯升高。表2
表2 不同溫度下葡萄葉片PIABS、Vj、ABS/RC、DI0/CS0變化Table 2 Effects of high temperature on PIABS, Vj, ABS/RC, DI0/CS0 of grape
2.2.3TR0/CSm、ET0/CSm、ψo(hù)、φE0
研究表明,高溫脅迫導(dǎo)致TR0/CSm、ET0/CSm、ψo(hù)、φE0均明顯下降,且溫度越高影響越顯著,其中40和45℃處理的TR0/CSm值下降極顯著,高溫下各處理的ET0/CSm值均顯著低于CK,其中40和45℃時(shí)ET0/CSm值極顯著低于CK,且45℃處理的ψo(hù)值僅為0.267,φE0僅為0.13,均極顯著低于CK。表3
表3 不同溫度下葡萄葉片TR0/CSm、ET0/CSm、ψo(hù)、φE0變化Table 3 Effects of high temperature on TR0/CSm, ET0/CSm, ψo(hù), φE0 of grape leaves
2.3 高溫對葡萄光合氣體交換參數(shù)的影響
研究表明,高溫導(dǎo)致Pn均有不同程度的下降,其中35和40℃處理與CK無顯著差異,但45℃處理下Pn僅為1.66,極顯著低于CK,高溫脅迫會導(dǎo)致Pn下降,且溫度越高Pn下降越顯著;高溫脅迫下,氣孔導(dǎo)度(Gs)均顯著低于CK,高溫會導(dǎo)致葡萄葉片Gs顯著降低,且溫度越高越顯著;Ci隨溫度升高而升高,其中Ci為35℃時(shí)低于CK,40℃時(shí)約等于CK,45℃時(shí)則高于CK,且45℃時(shí)Ci顯著高于35和40℃,高溫脅迫下溫度越高Ci上升越顯著。在高溫脅迫下各處理蒸騰速率(Tr)隨溫度先升高后降低,40℃時(shí)Tr顯著低于CK,45℃時(shí)Tr極顯著低于CK。圖2
圖2 不同溫度下葡萄葉片Pn、Gs、Ci、Tr變化Fig.2 Effects of high temperature on Pn, Gs, Ci, Tr of grape leaves
研究表明,Pn與Gs、Ci、Tr均極顯著相關(guān)(P<0.01),其中Pn與Gs、Tr極顯著正相關(guān)(0.725**和0.677**),與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)(-0.673**),Gs與Tr極顯著正相關(guān)(0.969**),Ci與Pn、Gs、Tr均為負(fù)相關(guān)(-0.673**,-0.128,-0.090)。表4
表4 相關(guān)性Table 4 Correlations analysis on Pn,Gs, Ci, Tr of grape leaves
2.4 高溫脅迫解除后葡萄光合氣體交換參數(shù)
研究表明,在高溫脅迫16 h,解除脅迫后恢復(fù)正常8 h,所有處理的光合作用均可恢復(fù)正常。特別是極端高溫45℃脅迫解除后恢復(fù)正常8 h,美人指葡萄的Pn、Gs、Ci、Tr雖略低于CK,但并無顯著差異,在高溫脅迫16 h再恢復(fù)8 h后,美人指葡萄葉片的光合氣體交換參數(shù)能夠恢復(fù)正常水平。表5
表5 恢復(fù)8h后葡萄葉片的光合氣體交換參數(shù)Table 5 Photosynthetic gas exchange parameters in grape leaves after 8 h recovery
植物對高溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制受很多因素影響,不同種類植物的熱脅迫響應(yīng)機(jī)制也不盡相同[25],輕度高溫脅迫通過氣孔因子導(dǎo)致植物凈光合速率下降,嚴(yán)重的高溫脅迫通過非氣孔因子導(dǎo)致植物凈光合速率下降,高溫脅迫下植物凈光合速率下降完全是由非氣孔因子導(dǎo)致的[30]。研究表明,高溫脅迫下葡萄的Pn與Gs、Tr、Ci極顯著相關(guān),Gs降低時(shí)Ci反而上升,而經(jīng)過8 h恢復(fù)后,美人指葡萄葉片的光合氣體交換參數(shù)與CK均無顯著差異,高溫脅迫16 h后導(dǎo)致美人指葡萄Pn降低的原因是非氣孔因子導(dǎo)致的[13,15]。
葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線能夠反映PSII中心原初光化學(xué)反應(yīng)的信息[31],如高溫下美人指在O-J相的熒光強(qiáng)度均高于CK,此時(shí)葉片接受了大量的光量子[17],而在電子傳遞過程中熒光曲線(J-I相和I-P相)40℃和45℃的熒光值均顯著低于CK,PSII反應(yīng)中心出現(xiàn)了可逆性失活,與前人研究結(jié)果一致[12-13]。研究還發(fā)現(xiàn),35℃時(shí)美人指在O-I相的熒光值高于CK,F(xiàn)v/Fm值與CK無顯著差異,較低溫度脅迫能短暫提高植物的抗熱能力[17,23],但超過40℃時(shí)I-P相的熒光強(qiáng)度和Fv/Fm值均顯著低于CK(P<0.01),同時(shí)PIABS、TR0/CSm、ET0/CSm、ψo(hù)、φE0降低,高溫會抑制PSII中心捕獲光能和電子傳遞,將電子通過QA-傳遞到電子受體的比例降低[18],從而導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心的活性和光能轉(zhuǎn)換效率降低[30-32]。
高溫導(dǎo)致葡萄Pn、Gs、Tr同時(shí)降低,Ci和DI0/CS0同時(shí)升高,說明葡萄會通過降低光合作用和提高熱耗散來消耗過剩的光能[27-29],也證明Pn的與PSII反應(yīng)中心活性密切相關(guān)[15],而各處理的ABS/RC能量均高于CK,高溫下光能主要用于還原QA和熱耗散,這可能是葡萄對高溫脅迫的一種響應(yīng)機(jī)制[24]。
高溫下'美人指'葡萄通過降低PSII的光能吸收、量子產(chǎn)量和電子傳遞,促進(jìn)吸收的光能進(jìn)行熱耗散,降低PSII光化學(xué)效率,導(dǎo)致CO2同化力降低,進(jìn)而影響CO2同化和H2O的光解反應(yīng)。不同溫度脅迫對'美人指'葡萄OJIP曲線變化趨勢影響的規(guī)律大體相同,溫度越高導(dǎo)致葉綠素?zé)晒庵到档驮斤@著,對葡萄光能轉(zhuǎn)換效率抑制作用也越明顯,造成反應(yīng)中心PSII出現(xiàn)可逆或不可逆失活??梢酝ㄟ^提高PSII反應(yīng)中心活性,來抵御高溫對葡萄光合作用的抑制,如采用遮蔭和噴水系統(tǒng)降低環(huán)境溫度,來緩解高溫脅迫對葡萄的傷害,但生產(chǎn)成本較高。