不同獼猴桃種質(zhì)光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的高溫響應(yīng)及其耐熱性評價

湯佳樂，卜范文，何科佳，苑 平，徐 海

（湖南省園藝研究所，國家農(nóng)業(yè)部華中地區(qū)果樹科學(xué)觀測站，長沙時鮮水果工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410125）

果樹在生長發(fā)育過程中經(jīng)常受到溫度（低、高）、光照、水分、土壤和營養(yǎng)、風(fēng)雹等非生物因子和生物因子（病蟲害）等的影響[1]。在眾多脅迫因子之中，高溫脅迫單獨(dú)或通常是其組合效應(yīng)在全球范圍內(nèi)對果樹的生存造成嚴(yán)重威脅，常導(dǎo)致巨大的產(chǎn)量損失[2]。獼猴桃作為一種不耐高溫的藤本落葉果樹，當(dāng)氣溫達(dá)到35℃時，持續(xù)性的高溫極易導(dǎo)致葉片失水干枯、果實(shí)灼傷，嚴(yán)重影響獼猴桃的光合作用，降低果實(shí)品質(zhì)、產(chǎn)量和貯藏性甚至造成植株死亡[3]。隨著“溫室效應(yīng)”的加劇與全球氣溫上升，我省7、8 月最高溫經(jīng)常超過35℃，部分地區(qū)達(dá)到40℃以上，特別是中低海拔地區(qū)的果園普遍存在夏季高溫危害的問題。因此，有必要開展耐熱性相關(guān)研究，為揭示獼猴桃耐熱性機(jī)制和耐熱性獼猴桃品種的選育提供科學(xué)依據(jù)。

光合作用是果樹等植物對溫度變化最為敏感的代謝反應(yīng)，其對溫度變化的反應(yīng)非常強(qiáng)烈[4]，而光合特性和葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)可反應(yīng)植物光合作用過程中各種重要信息。當(dāng)植物受到高溫脅迫時，顯著降低植物的凈光合速率，引起光合作用的光抑制，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致光合結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞[5]。有關(guān)高溫對獼猴桃的影響已有相關(guān)研究，例如：張文標(biāo)[6]研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫導(dǎo)致獼猴桃葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率降低，胞間CO2濃度升高，而贛獼6 號獼猴桃在高溫環(huán)境下，其光合速率較高，蒸騰速率較低，PSⅡ反應(yīng)中心出現(xiàn)不可逆破壞程度最小，電子傳遞活性最高，綜合表現(xiàn)受高溫脅迫影響最??；董肖等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)強(qiáng)降雨后的高溫強(qiáng)光條件下，獼猴桃的光合特性參數(shù)表現(xiàn)異常，幼苗出現(xiàn)明顯性傷害，常造成植株死亡。此外，高溫脅迫條件下的光合特性和葉綠素?zé)晒庋芯窟€在葡萄[8]、月季[9]、棉花[10]、水稻[11]、菜心[12]等作物上廣泛開展。

目前，有關(guān)植物耐熱性鑒定有電導(dǎo)率法、光合特性法、生理特性綜合評價法等多種。光合特性法作為一種簡單快捷靈敏的鑒定方法，可以在高溫脅迫條件下進(jìn)行活體測量，能較為真實(shí)客觀地反應(yīng)光合作用和葉綠素參數(shù)的變化特征，已成為鑒定和評價植物耐熱性的重要技術(shù)之一。 據(jù)此，筆者于夏季田間高溫條件下，采用活體測定22 份獼猴桃種質(zhì)資源的光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，分析不同獼猴桃種質(zhì)資源的光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)對高溫的響應(yīng)，并對其耐熱性進(jìn)行綜合分析與評價，以期為耐熱獼猴桃品種的選育和耐熱性機(jī)理的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試22 份獼猴桃種質(zhì)資源均種植于海拔46 m 的湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所獼猴桃種質(zhì)資源圃，其種類、名稱及來源詳見表1。獼猴桃種質(zhì)資源圃采用單主干雙主蔓形，株行距為3.0 m×3.0 m，東西行向，采用滴灌，樹齡為4～5 a，管理比較粗放。

表1 供試獼猴桃種質(zhì)資源種類、名稱及來源

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 高溫期間溫度、濕度、降雨量監(jiān)測2020年7 月16 日至8 月25 日的試驗(yàn)期間，利用全自動CR1000 氣象監(jiān)測系統(tǒng)（美國），實(shí)時監(jiān)測湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所獼猴桃種質(zhì)資源圃的溫度、濕度、降雨量等數(shù)據(jù)，每半小時記錄1 次。

1.2.2 光合作用和熒光參數(shù)測定于2020 年8 月23日至8 月25 日的長沙高溫期末段，在9：00—11：00進(jìn)行光合作用和熒光參數(shù)的測定，連續(xù)測量3 d，測量期間天氣晴朗無風(fēng)。每份種質(zhì)資源隨機(jī)選擇生長一致、無病蟲害、陽光直射的新梢第6～8 片成熟功能葉，采用LI-6400X 便攜式光合測定儀（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)，采樣FluorPen FP 110 便攜式熒光儀（捷克）測定Fo、Fm、Fv、Fv/Fm等葉綠素?zé)晒鈪?shù)。每棵樹測定東、西、南、北各3 片葉，每份種質(zhì)資源重復(fù)測定3 株。

1.2.3 耐熱性評價參照大豆和葡萄耐熱性評價方法[13-14]，利用模糊隸屬函數(shù)分析法對不同獼猴桃種質(zhì)資源的光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行分析，分別按公式（1）和（2）計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值U（Xj）。

式中Xj表示第j 個指標(biāo)；Xmin表示第j 個指標(biāo)的最小值；Xmax表示第j 個指標(biāo)的最大值。若第j 個指標(biāo)與耐熱性呈正相關(guān)，則選用公式（1），若第j 個指標(biāo)與耐熱性呈負(fù)相關(guān)，則選用公式（2）。

利用公式（3）將各個指標(biāo)隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加，計(jì)算綜合評價值D，并結(jié)合聚類分析進(jìn)行耐熱性綜合評價。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表制作；采用SPSS 17.0 數(shù)據(jù)處理軟件中LSD 法進(jìn)行多重比較并檢測差異性；采用DPS 7.05 數(shù)據(jù)處理軟件中有序樣本最優(yōu)分割聚類法進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)地的溫度、濕度和降雨量變化

由圖1～圖3 可知，長沙2020 年7 月16 日至8月25 日高溫期間，月平均氣溫為30.33℃，平均日高溫為35.11℃，最高溫度為38.90℃；月平均濕度為77.91%，最低濕度為66.99%；高溫期間有3 次明顯降水，最大降雨量為8 月10 日56.1 mm。

圖1 長沙2020 年7 月16 日—8 月25 日氣溫變化情況

圖3 長沙2020 年7 月16 日—8 月25 日降雨量變化情況

2.2 獼猴桃種質(zhì)資源光合作用參數(shù)對高溫的響應(yīng)

圖2 長沙2020 年7 月16 日—8 月25 日濕度變化情況

光合作用是植物對高溫脅迫最敏感的代謝反應(yīng)，光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率等是光合作用過程中重要的信息因子，其直接影響獼猴桃的生長發(fā)育和果實(shí)品質(zhì)。由表2 可知，在長沙自然高溫條件下，22 個獼猴桃種質(zhì)資源中光合速率（Pn）以華特最高[19.252 μmol/(m2·s)]、龍成1 號最低[12.536 μmol/(m2·s)]，其中華特、金魁、米良1 號、海沃德極顯著高于紅陽、京梨、魁綠、龍成1 號；氣孔導(dǎo)度（Gs）以魁綠的最高[0.364 mol/(m2·s)]、華特最低[0.209 mol/(m2·s)]，其中華特、米良1 號、豐悅顯著低于魁綠、龍成1 號等；胞間CO2濃度（Ci）以對額最低（311.292 μmol/mol）、華特最高（344.491 μmol/mol）；蒸騰速率（Tr）以紅陽最高[7.920 mol/(m2·s)]、華特最低[5.085 mol/(m2·s)]，其中華特、米良1 號、海沃德顯著低于紅陽、京梨等。說明在長沙自然高溫條件下，22 個獼猴桃種質(zhì)材料中的華特、海沃德、米良1 號等種質(zhì)資源保持相對較高的光合效率，而紅陽、京梨、龍成1 號、魁綠的光合效率較低。

表2 不同獼猴桃種質(zhì)資源光合作用的高溫響應(yīng)表現(xiàn)

2.3 獼猴桃種質(zhì)資源葉綠素?zé)晒鈪?shù)對高溫的響應(yīng)

Fo為實(shí)時葉綠素?zé)晒?，是在暗適應(yīng)的最小熒光，F(xiàn)m為在暗適應(yīng)的最大熒光，F(xiàn)o/Fv是PSⅡ的潛在活性，F(xiàn)v/Fm表示PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率。由表3 可知，在長沙自然高溫條件下，22 個獼猴桃種質(zhì)資源的Fo以華特最低[6 343.222 μmol/(m2·s)]、紅陽最高[8 588.111 μmol/(m2·s)]，其中華特、米良1 號極顯著低于紅陽、對額、魁綠等；Fm以華特最高[15 645.222 μmol/(m2·s)]、龍成1 號的最低[13 994.889 μmol/(m2·s)]，其中華特、海沃德、米良1 號顯著高于龍成1 號、 紅陽、魁綠等；Fo/Fv是京梨最高（1.271）、金紅最低（1.003），其中京梨、華特顯著高于金紅、東紅、紅陽等；Fv/Fm值在0.522～0.596 之間，以華特最高、紅陽最低。說明自然高溫對獼猴桃不同種質(zhì)資源的光能轉(zhuǎn)化率有不同程度的抑制作用，其中華特、米良1 號、豐碩顯著高于紅陽、對額、金艷、魁綠等。

表3 不同獼猴桃種質(zhì)資源葉綠素?zé)晒鈪?shù)的高溫響應(yīng)表現(xiàn)

2.4 獼猴桃種質(zhì)資源葉片耐熱性分析及評價

2.4.1 光合作用與熒光參數(shù)的相關(guān)性對4 個植物光合作用參數(shù)指標(biāo)和4 個葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性 分 析 的 結(jié) 果 見 表4，F(xiàn)v/Fm與Pn、Gs、Ci、Tr、Fo、Fm、Fo/Fv指標(biāo)存在極顯著相關(guān)性，其中Fv/Fm與Pn、Ci、Fm、Fo/Fv呈極顯著正相關(guān)，與Gs、Tr、Fo呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表4 獼猴桃種質(zhì)資源光合作用參數(shù)指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)的相關(guān)性

2.4.2 耐熱性分析與評價Fv/Fm是植物發(fā)生光抑制的敏感指標(biāo)，也是耐熱性鑒定的重要指標(biāo)。因此，對與Fv/Fm 顯著性相關(guān)的指標(biāo)采用模糊隸屬函數(shù)法進(jìn)行了分析，并對獼猴桃種質(zhì)資源的耐熱性綜合評價值D 進(jìn)行排序（見表5）。華特的D值最大，表明其耐熱性最強(qiáng)，其次為米良1號；紅陽的D值最小，表明其耐熱性最差。22 個獼猴桃種質(zhì)資源的耐熱性綜合評價結(jié)果為：華特＞米良1 號＞金魁＞海沃德＞豐碩＞G3 ＞翠玉＞楚紅＞凱邁＞徐香＞翠香＞豐悅＞金艷＞闊葉＞東紅＞金桃＞金紅＞龍成1 號＞京梨＞魁綠＞對額＞紅陽。

采用有序樣本最優(yōu)分割聚類法對D 值進(jìn)行聚類分析，得到獼猴桃種質(zhì)資源的耐熱性最優(yōu)分割誤差函數(shù)和分類結(jié)果見表6。該結(jié)果表明，隨著分級數(shù)的增加，誤差函數(shù)趨于穩(wěn)定。根據(jù)獼猴桃種質(zhì)資源耐熱性鑒定的標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合最優(yōu)分割結(jié)果，可將耐熱性級別分為弱、中、強(qiáng)3 種類型。在22 個獼猴桃供試種質(zhì)資源中，耐熱性強(qiáng)、中等的各有8 個，耐熱性弱的有6 個，其中華特、米良1 號、金魁、海沃德、豐碩、G3、翠玉和楚紅為耐熱性強(qiáng)的種質(zhì)資源（見表5），可以作為長沙等低海拔地區(qū)獼猴桃產(chǎn)區(qū)推廣種植的優(yōu)良品種。

表5 獼猴桃種質(zhì)資源耐熱性分析與評價結(jié)果

表6 22 個獼猴桃種質(zhì)資源綜合評價值D 值的最優(yōu)分割誤差函數(shù)和分類結(jié)果

3 討論與結(jié)論

隨著全球氣溫上升與極端天氣的頻繁出現(xiàn)，許多植物都面臨著高溫脅迫[15]。獼猴桃的適宜生長溫度為年平均氣溫11.3～16.9℃，當(dāng)氣溫達(dá)到35℃以上、葉片受到強(qiáng)光照射5 h 時，葉片邊緣出現(xiàn)水漬狀失綠，后變褐發(fā)黑，持續(xù)2 d 以上葉片邊緣變黑上卷，呈火燒狀，嚴(yán)重時會引起早期落葉；果實(shí)遭受強(qiáng)光高溫天氣易發(fā)生日灼、果皮皮色變深、皮下果肉褐變，嚴(yán)重的停止發(fā)育、形成洼陷坑，有時表面開裂，病部易發(fā)生炭疽病害，失去商品價值[16]。該研究在長沙自然高溫條件下，開展獼猴桃光合作用和葉綠素?zé)晒獾母邷仨憫?yīng)及其耐熱性評價，對獼猴桃種質(zhì)資源的耐熱性鑒定、耐熱性品種的選育與推廣具有參考價值。

植物在生長發(fā)育過程中受到生長環(huán)境中各種非生物因子的脅迫，其中溫度對植物生長發(fā)育的影響尤其重要[17]。光合作用參數(shù)中的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率是植物對高溫最為敏感的生理指標(biāo)，其含量變化直接反映植物光合作用的能力和效率。高溫能夠抑制植物的光合作用、破壞光合結(jié)構(gòu)、關(guān)閉氣孔、降低蒸騰作用、固定葉肉細(xì)胞中的CO2、降低光合速率[18]。鐘敏等[19]研究了4 個獼猴桃品種在高溫下光合作用的日變化，發(fā)現(xiàn)短期高溫可能使獼猴桃植株進(jìn)入休眠狀態(tài)，通過降低凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，以提高植株在逆境中的生存率。然而，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在長沙自然高溫條件下，華特、海沃德、米良1 號等種質(zhì)資源具有較低的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，卻仍保持較高的胞間CO2濃度和凈光合速率，這可能是由于不同獼猴桃種質(zhì)資源之間的耐熱性有差異。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)在植物光合作用與環(huán)境條件的協(xié)作中起重要作用，直接反應(yīng)植物的光化學(xué)活性，包含光合作用過程中的光能吸收和轉(zhuǎn)化，PSⅡ反應(yīng)中心的活性能量轉(zhuǎn)運(yùn)等[20]。其中，F(xiàn)v/Fm屬于熱敏指標(biāo)，是直接評價植物耐熱性的重要依據(jù)[21]。該研究結(jié)果表明，22 個獼猴桃品種的 Fv/Fm值在0.522～0.596 之間，高溫對獼猴桃種質(zhì)資源的光能轉(zhuǎn)化率有著不同程度的抑制作用；利用模糊隸屬函數(shù)對與Fv/Fm有相關(guān)性的光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，再利用隸屬函數(shù)值進(jìn)行最優(yōu)分割法聚類分析，得出22 個獼猴桃種質(zhì)資源中有華特、米良1 號、金魁、海沃德、豐碩、G3、翠玉和楚紅為耐熱性強(qiáng)的種質(zhì)資源，可作為長沙等低海拔地區(qū)耐熱獼猴桃品種選育和推廣的重要種質(zhì)資源。