高溫脅迫對無核白雞心和無核翠寶葡萄葉片光合及熒光特性的影響

牛 倩，張 雯，韓守安，王 敏，王文勇，馮?；?，王 環(huán)，弓佳琪，李佳穎，田 嘉，謝 輝

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052； 2.新疆農(nóng)業(yè)科學院園藝作物研究所，烏魯木齊 830091；3.新疆農(nóng)業(yè)大學科技學院生物科學系，烏魯木齊 830052）

0 引言

【研究意義】葡萄為葡萄科葡萄屬[1]。近年來，極端天氣頻繁出現(xiàn)[2]。2015年吐魯番地區(qū)葡萄架下最高溫度為44.2℃，果實發(fā)育關鍵時期葡萄棚架下有23 d 最高溫度超過40℃，70 d 超過35℃，2016～2018年存在相同的規(guī)律，葡萄面臨著高溫環(huán)境。葡萄對溫度較為敏感，其最適生長溫度為20～30℃，氣溫上升到38～42℃，葡萄葉片生長受到抑制[1]。無核白雞心在烏魯木齊香氣較濃郁，但在吐魯番香氣減少；無核翠寶是瑰寶和無核白雞心雜交品種[3]，在烏魯木齊或吐魯番香氣都較為濃郁。研究葡萄在高溫環(huán)境中光合特性及葉綠素熒光特性，對了解葡萄在高溫下生長能力及物質(zhì)積累規(guī)律和研究葡萄生態(tài)適應性有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】光合作用是植物生長發(fā)育過程中最基礎、最復雜、也是對高溫脅迫最敏感的生理過程[4]。光系統(tǒng)II（PSII）對溫度脅迫高度敏感，其抑制程度可以揭示出植物的受傷程度[5，6]。王海波等[7]研究表明，40℃高溫脅迫下，葡萄的凈光合速率（Pn）與氣孔導度（Gs）顯著降低，胞間CO2濃度（Ci）呈上升趨勢。朱雨晴等[8]研究紅提葡萄光合特性時發(fā)現(xiàn)，葉片氣孔導度和蒸騰速率隨著高溫高濕的加劇大幅下降。孫永江等[6]研究發(fā)現(xiàn)，高溫黑暗處理（40℃）導致赤霞珠葡萄葉片F(xiàn)v/Fm，ΨEo降低明顯，且無恢復趨勢。查倩等[9]研究發(fā)現(xiàn)，赤霞珠葡萄經(jīng)高溫45℃下處理6 h后Fv/Fm顯著降低，150 h后又恢復正常?！颈狙芯壳腥朦c】關于新疆烏魯木齊市安寧渠鎮(zhèn)和吐魯番市鄯善縣的無核白雞心與無核翠寶葡萄品種其光合特性與熒光特性的研究鮮見報道。需研究2個地區(qū)不同光溫下無核白雞心和無核翠寶葡萄的光合特性和熒光特性，分析高溫下光合速率及熒光參數(shù)的變化規(guī)律?！緮M解決的關鍵問題】分析不同光溫條件下無核白雞心和無核翠寶葡萄光合特性與熒光特性的變化，研究高溫脅迫對無核白雞心和無核翠寶葡萄光合作用的影響，以及高溫對無核白雞心和無核翠寶葡萄光合特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

以高溫環(huán)境（吐魯番市鄯善縣新疆維吾爾自治區(qū)葡萄瓜果研究所）、適溫環(huán)境（烏魯木齊市新疆農(nóng)業(yè)科學院安寧渠綜合試驗場）為條件。選用8年生露地栽培的無核白雞心和無核翠寶葡萄為材料，每個品種選擇10 株生長勢一致的植株，通過修穗處理保持負載量一致。試驗區(qū)為南北行栽培，行距2.2 m，棚架株距1.2 m，架高1.8 m，肥水管理充足。

1.2 方法

1.2.1 光合指標

選擇晴天上午09：00～11：00，采用美國LRCOR 公司生產(chǎn)LI-6400 便攜式光合測定系統(tǒng)，測量時控制葉室溫度與環(huán)境溫度一致，光合有效輻射（PAR）設定梯度為2 600、2 200、1 800、1 400、1 000、600、300、200、100、40、15、0μmol/（m2·s），由LI-6400LED 紅藍光源提供。測定無核白雞心和無核翠寶葡萄葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）等氣體交換參數(shù)。

采用LI-6400 便攜式光合測定系統(tǒng)，測定凈光合速率（Pn）的日變化，從08：00 開始到20：00結(jié)束，每隔2 h測定1次，共測定7次，并同步記錄葉溫日變化（TL）。

1.2.2 調(diào)制式熒光儀熒光參數(shù)

選擇晴天09：00～11：00，每株葡萄均取日光下的功能葉片（整枝自上而下的第5 片葉），采用英國Hansatech 公司的FMS-2型便攜脈沖調(diào)制式熒光儀測定。光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學效率（Fv/Fm）=（Fm-Fo）/Fm，光化學猝滅（qP）=（Fm’-Fs）/（Fm’-Fo’），實際光化學效率（ФPSII）=（Fm’-Fs）/Fm’，非光化學熒光淬滅NPQ=（Fm-Fm’）/Fm’。

1.2.3 溫濕度監(jiān)測

在高溫環(huán)境和適溫環(huán)境各放置2個溫濕度記錄儀L95-21，設置相同的距離置于果穗旁邊，每隔30 min 記錄1 次，測定2020年自4月葡萄樹出土到9月果實采收結(jié)束的溫濕度情況。

1.2.4 光合有效輻射

采用數(shù)字照度計DE3350，選擇晴天08：00-20：00，每隔2 h測定1次光合有效輻射（PAR）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 處理原始數(shù)據(jù)；采用SPSS 軟件進行單因素方差分析；利用Origin2018 擬合光響應曲線并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培區(qū)域環(huán)境因子差異性

研究表明，高溫環(huán)境下日最高溫度顯著高于適溫環(huán)境，高溫環(huán)境下日最低范圍比適溫環(huán)境高2～3℃，高溫環(huán)境持續(xù)高溫時間比適溫環(huán)境更長。高溫環(huán)境濕度比適溫環(huán)境小，高溫環(huán)境PAR日變化高于適溫環(huán)境。高溫環(huán)境的日最高氣溫超過35 ℃的天數(shù)有86 d，其中超過40 ℃有16 d，最高氣溫出現(xiàn)在8月4日，達到43 ℃。適溫環(huán)境日最高氣溫超過35 ℃的天數(shù)有20 d，最高氣溫出現(xiàn)在8月25日，達到38℃。高溫環(huán)境日最低氣溫范圍在5～24 ℃，而適溫環(huán)境日最低氣溫范圍在2～22 ℃。高溫環(huán)境日均溫達27 ℃以上有42 d，其中超過30 ℃的有9 d，適溫環(huán)境日均溫達27 ℃以上有5 d，最高日均溫為28 ℃。高溫環(huán)境在6～9月日最高濕度超過80%的天數(shù)有12 d，最高達95%，適溫環(huán)境最高濕度超過80%的有66 d，最高濕度達98%。高溫環(huán)境和適溫環(huán)境日最低濕度均為11 %。高溫環(huán)境日均濕度超過60 %有1 d，達67%。適溫環(huán)境日均濕度超過60%的有25 d，最高日均濕度為90%。高溫環(huán)境和適溫環(huán)境PAR從08：00開始到14：00急劇上升，14：00達到最大值分別為1 887 和1 730 μmol/（m2·s），之后迅速下降。圖1

圖1 不同栽培區(qū)域溫、濕度和光合有效輻射日變化Fig.1 Diurnal variation of temperature,humidity and photosynthetically active radiation in different cultivation regions

2.2 葉溫和Pn日變化的差異性

研表表明，無核白雞心和無核翠寶在不同栽培區(qū)域下葉溫日變化趨勢為單峰型曲線，08：00開始葉溫隨氣溫的升高而升高。無核白雞心和無核翠寶在高溫環(huán)境時峰值出現(xiàn)在14：00，葉溫最高達41℃。無核白雞心與無核翠寶在適溫環(huán)境時峰值均出現(xiàn)在16：00 左右，葉溫最高分別達37 和38℃。無核白雞心和無核翠寶葉片在不同栽培區(qū)域Pn日變化均呈雙峰曲線。不同栽培區(qū)域的兩個品種變化趨勢相近，第一峰值均出現(xiàn)在10：00左右，高溫環(huán)境下無核白雞心在16：00左右達第二峰值，適溫環(huán)境下無核白雞心和不同栽培區(qū)域的無核翠寶均以18：00 左右為第二峰值。10：00 無核白雞心Pn值在高溫環(huán)境最高達18.9μmol（/m2·s），比適溫環(huán)境13.0μmol（/m2·s）高；無核翠寶Pn值在高溫環(huán)境為15.1μmol（/m2·s），比適溫環(huán)境14.1 μmol（/m2·s）高。各處理在14：00Pn值最低，出現(xiàn)典型“午休”現(xiàn)象。無核翠寶在高溫環(huán)境的Pn日變化整體趨勢略高于適溫環(huán)境，無核白雞心在高溫環(huán)境的Pn日變化整體趨勢明顯高于適溫環(huán)境。圖2

圖2 葉溫和凈光合速率日變化Fig.2 Yevin and diurnal variation of net photosynthetic rate

2.3 高溫對葡萄光響應曲線的影響

研究表明，當0μmol/（m2·s）＜PAR＜200μmol/（m2·s）時，各處理Pn響應曲線呈上升趨勢，差異較??；胞間CO2濃度曲線均處于快速下降階段；氣孔導度隨著PAR 的增加而上升；2個品種在不同栽培區(qū)域蒸騰速率差異顯著。當PAR=200μmol/（m2·s）時，無核白雞心在高溫環(huán)境氣孔導度達到最大值，明顯高于適溫環(huán)境氣孔導度。當PAR=1 000μmol/（m2·s）時，各處理Pn 值差異最大，高溫環(huán)境的無核白雞心值最高，為18.9μmol/（m2·s）。PAR=1 400μmol/（m2·s）時，無核白雞心在高溫環(huán)境胞間CO2濃度達最低值。當PAR=2 200μmol/（m2·s）時，適溫環(huán)境下無核白雞心胞間CO2濃度最低。當PAR=1 800μmol/（m2·s）時，無核翠寶在不同栽培區(qū)域胞間CO2濃度均達最低值。PAR在1 800～2 600 μmol/（m2·s）時，兩個葡萄品種在不同栽培區(qū)域其Pn 響應曲線均隨著光合有效輻射的增加而略有下降。當PAR=2 600μmol/（m2·s）時，不同栽培區(qū)域的無核白雞心胞間CO2趨于重疊，氣孔導度迅速上升，各處理蒸騰速率均達到最大值。圖3

圖3 葉片的光合參數(shù)響應曲線Fig.3 Response curve of photosynthetic parameters of leaves

2.4 葡萄葉片光響應曲線模型擬合效果對比

研究表明，擬合效果差異顯著，其中直角雙曲線修正模型模擬效果最好。直角雙曲線修正模型在較高PAR值下擬合值接近于實測值，并把Pn下降趨勢也很好擬合出來，而其他三種模型，模擬出的值都大于實測值，無法準確擬合各處理在光飽和后Pn變化。直角雙曲線修正模型適宜于無核白雞心，無核翠寶葡萄品種。圖4

圖4 四種模型對葉片光響應曲線模擬比較Fig.4 comparisonoffourmodelsforleaflightresponsecurvesimulation

2.5 葡萄葉片光響應擬合曲線參數(shù)差異比較

研究表明，4個處理光響應曲線的光合參數(shù)存在差異性。高溫環(huán)境下無核白雞心Pmax 最高，值為19.1μmol/（m2·s），明顯高于適溫環(huán)境的無核白雞心8.8μmol/（m2·s），而無核翠寶在高溫環(huán)境和適溫環(huán)境下Pmax 值無差異，分別為12.5、13.5μmol/（m2·s），表明無核白雞心在高溫環(huán)境光飽和下其光合能力最強。無核白雞心和無核翠寶品種在高溫環(huán)境的暗呼吸速率明顯高于適溫環(huán)境。無核白雞心光補償點在適溫環(huán)境比高溫環(huán)境高出20%，無核白雞心光飽和點和表觀量子效率在適溫環(huán)境低于高溫環(huán)境，無核白雞心在高溫環(huán)境對光適應性較強。無核翠寶在高溫環(huán)境光補償點比適溫環(huán)境高60%，而無核翠寶光飽和點在高溫環(huán)境低于適溫環(huán)境，但無差異，無核翠寶在高溫環(huán)境光適應性較弱。

光響應曲線的測量值與擬合值高度一致。曲線趨勢基本一致，凈光合速率隨著光合有效輻射的增加而升高。2個品種在不同栽培區(qū)域隨著PAR從0增長到200μmol/（m2·s），其Pn值均呈線性上升趨勢，無核白雞心在高溫環(huán)境的斜率最高，隨著PAR的增加Pn上升速度最快。圖5，表1

圖5 凈光合速率對光合有效輻射強度響應的線性擬合和非線性擬Fig.5 Linear and nonlinear fitting of net photosynthetic rate response to light intensity by rectangular hyperbolic correction model

表1 葉片光響應參數(shù)Table 1 The Parameters of photosynthetic rate response to light intensity

2.6 葡萄葉片熒光參數(shù)差異

研究表明，無核翠寶qP，NPQ 值在高溫環(huán)境顯著大于適溫環(huán)境，無核白雞心qP 和NPQ 值無顯著差異；無核白雞心ΦPSⅡ值和電子傳遞速率在高溫環(huán)境顯著大于適溫環(huán)境，而無核翠寶ΦPSⅡ與電子傳遞的值在不同栽培區(qū)域無顯著差異。無核白雞心在高溫環(huán)境的ETR 顯著大于適溫環(huán)境，無核翠寶在不同栽培區(qū)域無差異；2個葡萄品種其葉片PSII最大光化學效率（Fv/Fm）在不同栽培區(qū)域差異不顯著（P＞0.05），表2

表2 葉綠素熒光參數(shù)Table 2 Chlorophyllfluorescenceparameters

3 討論

3.1 高溫對光合日變化的影響

光響應曲線模型擬合可以反映出光強對植物光合作用的影響，對了解植物光化學過程中的光化學效率有重要作用[11]。一般植物光合作用日變化有單峰[12]、雙峰[13，14]等類型，馬薇等[13]研究吐魯番地區(qū)溫室與露地栽培條件下‘火焰無核’及‘紅旗特早’葡萄光合時發(fā)現(xiàn)，Pn日變化均為“雙峰”曲線。研究中不同栽培區(qū)域的無核白雞心和無核翠寶葡萄葉片凈光合速率日變化呈典型雙峰曲線，葉溫日變化均呈典型單峰曲線，這與趙妮[15]，馬微[13]等研究結(jié)果相似。試驗表明，不同栽培區(qū)域的無核白雞心和無核翠寶葡萄葉片光合日變化受高溫和適溫等環(huán)境影響[13]，其凈光合速率日變化可能是由于光合有效輻射增加引起葉溫上升，濕度減小，導致葉片氣孔阻力的變化，引起CO2和水分進行交換等一系列生理因素的變化。

3.2 高溫對光響應曲線及光合參數(shù)的影響

植物光響應曲線測定及其參數(shù)準確分析是植物光合生理生態(tài)學研究的重要途徑之一[16]。肖芳等[10]研究高溫對苗期紅提葡萄葉片光合影響時發(fā)現(xiàn)，在不同PAR 下溫度越高植物Pn 值越小。研究發(fā)現(xiàn)當PAR值大于250μmol/（m2·s）時，高溫環(huán)境下無核白雞心葉片的凈光合速率增加幅度最大，無核白雞心在高溫環(huán)境光能的利用率較高，這和肖芳等[10]研究不同，可能是由于不同栽培區(qū)域環(huán)境差異導致，8年生棚架無核白雞心葡萄已經(jīng)適應高溫環(huán)境。通過光響應曲線擬合可獲得光合作用的最大光合速率、光飽和點等生理參數(shù)，有助于衡量高溫下植物光合作用能力[10，17]。研究采用直角雙曲線修正模型模擬效果最好，可以最大接近實測值，白云崗[17]，肖芳等[10]研究擬合模型結(jié)果一致。無核白雞心在高溫環(huán)境下葉片Pmax較高，LCP較低，表觀量子較高，無核白雞心在高溫環(huán)境利用強光的能力高于適溫環(huán)境[18，19]。

3.3 高溫對熒光參數(shù)的影響

葉綠素熒光與光合作用中的各種反應過程密切相關，任何脅迫對光合作用的影響都可以通過內(nèi)部葉綠素熒光的動態(tài)變化來反映[20]。研究表明高溫環(huán)境下無核翠寶qP值最大，無核翠寶在高溫環(huán)境還原程度較小、PSII傳遞活性較高，可能是由于高溫環(huán)境12：00 時降低了PSII 的激發(fā)壓力，增加了PSII 的開放程度使PSII 在高溫下維持正常的功能，這與鄭秋玲[21]，賈楊[20]等研究結(jié)果相似。無核白雞心在適溫環(huán)境與高溫環(huán)境的無核翠寶NPQ值均較高，這兩個處理增強了非輻射能的消耗，減輕了高溫對它的傷害[22]。研究中無核白雞心ΦPSII 值在高溫環(huán)境顯著高于適溫環(huán)境，無核白雞心在高溫環(huán)境有較高的PSII 光能捕獲效率，在高溫環(huán)境下葉片吸收更多的光能以熱消耗形式消耗[23]。不同栽培區(qū)域的兩個葡萄品種葉片PSII 最大光化學效率（Fv/Fm）差異不顯著，可能是因為無核白雞心和無核翠寶葡萄長期生長高溫環(huán)境，出對高溫的適應能力。

4 結(jié)論

4.1 2020年4～9月，高溫環(huán)境溫度與光合有效輻射均顯著高于適溫環(huán)境，高溫環(huán)境比適溫環(huán)境濕度低。高溫環(huán)境日最高氣溫超過35 ℃的天數(shù)有86 d，超過40℃的天數(shù)有16 d，最高氣溫43℃；適溫環(huán)境日最高氣溫超過35 ℃的天數(shù)有20 d，最高氣溫僅38℃。高溫環(huán)境與適溫環(huán)境在14：00 時PAR 達到最大值，分別為1 887 和1 730 μmol/（m2·s）。

4.2 無核白雞心在高溫環(huán)境下凈光合速率最高，光合能力表現(xiàn)較好，利用強光能力強，無核白雞心長期在高溫環(huán)境下生長已經(jīng)適應高溫。無核白雞心和無核翠寶葡萄葉片在高溫環(huán)境和適溫環(huán)境下凈光合速率日變化均呈雙峰曲線。無核白雞心和無核翠寶葡萄在四個模型中直角雙曲線修正模型模擬效果最好。無核白雞心在適溫環(huán)境光補償點較高，無核翠寶在高溫環(huán)境光補償點較高；2個品種表觀量子效率和暗呼吸速率在高溫環(huán)境較高。無核白雞心qP 和NPQ 值在不同栽培區(qū)域無差異，無核翠寶qP 和NPQ 值在高溫環(huán)境較高；無核白雞心ΦPSⅡ值和電子傳遞速率在高溫環(huán)境顯著大于適溫環(huán)境。