高溫脅迫對葡萄葉綠素熒光和光合特性參數(shù)的影響

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)科學院吐魯番農(nóng)業(yè)科學研究所，新疆吐魯番 838000；2.石河子大學農(nóng)學院，新疆石河子 832000；3.中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所，河南鄭州 450009)

0 引 言

【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機制，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)，高溫脅迫會導致Gs和Rubisco酶活性降低，阻抗葉肉細胞的氣體擴散，降低植物的光能利用率，并抑制H2O的光解反應和CO2同化能力，影響PSII反應中心活性和電子傳遞，導致植物不能有效利用吸收的光能，進而使PSII系統(tǒng)結構受損[14-16]。凈光合速率(Pn)下降，調(diào)運的同化物逐漸增加，最終導致植物體內(nèi)的能量代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程失衡，光化學系統(tǒng)PSII被破壞，嚴重影響逆境誘導基因的表達和調(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]。【本研究切入點】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熒光和光合特性參數(shù)的影響?！緮M解決的關鍵問題】以美人指葡萄為材料，研究高溫脅迫對葡萄葉綠素熒光參數(shù)和光合特性的影響規(guī)律，為葡萄的逆境栽培和耐熱機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于石河子大學綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室進行，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綜合試驗場(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%，光照強度為60 000 lx。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

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%，光照強度為60 000 lx。溫度設置為35、40、45℃ 3個處理(T)，晝/夜時長為16 h/8 h，處理時段為08:00～24:00，其余時間段溫度為25℃，以25℃/20℃(晝/夜)為對照(CK)。試驗采用單株小區(qū)，每個處理3株葡萄，3次生物學重復。

1.2.2 測定指標1.2.2.1 葉綠素熒光誘導動力學曲線(OJIP)及參數(shù)

分別于2018年9月13～16日，每日16:00-18:00時，選取第5～7片功能葉，利用快速熒光測定儀Handy-PEA(Hansatech，英國)測定葉綠素熒光誘導動力學曲線(OJIP)及相關參數(shù)，每個處理測定3片葉，重復3次。測定前用葉夾暗適應20 min，熒光以3 000 μmol/(m2·s)的飽和光誘導，照射時間為1s。其中OJIP曲線中O點值(F0)表示當所有反應中心完全開放時初始熒光強度，J點值(Fj)表示在OJIP熒光誘導曲線2ms的熒光強度，I點值(Fi)表示在OJIP熒光誘導曲線30ms的熒光強度，P點值(Fp=Fm)表示OJIP熒光誘導曲線的最大熒光強度[21，31]。

1.2.2.2 光合氣體交換參數(shù)

試驗分別于2018年9月13～16日，每日16:00-18:00時，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)，氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等指標，每個處理測定3片葉，重復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

試驗數(shù)據(jù)用平均值±標準偏差(mean±SD)表示，利用DPS 7.05對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，以LSD法進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進行相關分析，用Microsoft Excel 2007做圖表。

2 結果與分析

2.1 高溫對葉綠素熒光誘導動力學曲線(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 高溫對葉綠素熒光參數(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重。45和40℃處理時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Fv/Fm值與CK差異不顯著。同時，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，導致光合活性降低，且溫度越高影響越顯著；Vj代表J點的可變熒光強度，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反應中心吸收的光能，高溫脅迫下，各單位反應中心吸收的光能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，反應中心吸收的光能ABS/RC值越高；DI0/CS0反映了PSII反應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，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、φE0

研究表明，高溫脅迫導致TR0/CSm、ET0/CSm、ψo、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ET0/CSm值極顯著低于CK，且45℃處理的ψo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、φE0變化Table 3 Effects of high temperature on TR0/CSm, ET0/CSm, ψo, 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，高溫脅迫會導致Pn下降，且溫度越高Pn下降越顯著；高溫脅迫下，氣孔導度(Gs)均顯著低于CK，高溫會導致葡萄葉片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℃時低于CK，40℃時約等于CK，45℃時則高于CK，且45℃時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Tr顯著低于CK，45℃時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(P<0.01)，其中Pn與Gs、Tr極顯著正相關(0.725**和0.677**)，與Ci呈極顯著負相關(-0.673**)，Gs與Tr極顯著正相關(0.969**)，Ci與Pn、Gs、Tr均為負相關(-0.673**，-0.128，-0.090)。表4

表4 相關性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，解除脅迫后恢復正常8 h，所有處理的光合作用均可恢復正常。特別是極端高溫45℃脅迫解除后恢復正常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8 h后，美人指葡萄葉片的光合氣體交換參數(shù)能夠恢復正常水平。表5

表5 恢復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

3 討 論

植物對高溫脅迫的響應機制受很多因素影響，不同種類植物的熱脅迫響應機制也不盡相同[25]，輕度高溫脅迫通過氣孔因子導致植物凈光合速率下降，嚴重的高溫脅迫通過非氣孔因子導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，Gs降低時Ci反而上升，而經(jīng)過8 h恢復后，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后導致美人指葡萄Pn降低的原因是非氣孔因子導致的[13,15]。

葉綠素熒光誘導動力學曲線能夠反映PSII中心原初光化學反應的信息[31]，如高溫下美人指在O-J相的熒光強度均高于CK，此時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反應中心出現(xiàn)了可逆性失活，與前人研究結果一致[12-13]。研究還發(fā)現(xiàn)，35℃時美人指在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I-P相的熒光強度和Fv/Fm值均顯著低于CK(P<0.01)，同時PIABS、TR0/CSm、ET0/CSm、ψo、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]，從而導致PSII反應中心的活性和光能轉(zhuǎn)換效率降低[30-32]。

高溫導致葡萄Pn、Gs、Tr同時降低，Ci和DI0/CS0同時升高，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反應中心活性密切相關[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機制[24]。

4 結 論

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，促進吸收的光能進行熱耗散，降低PSII光化學效率，導致CO2同化力降低，進而影響CO2同化和H2O的光解反應。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，溫度越高導致葉綠素熒光值降低越顯著，對葡萄光能轉(zhuǎn)換效率抑制作用也越明顯，造成反應中心PSII出現(xiàn)可逆或不可逆失活。可以通過提高PSII反應中心活性，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。