低溫脅迫對玉米幼苗光合特性的影響

楊 猛，魏 玲，胡 萌，顧萬榮，莊文鋒，張道園，孫 繼，魏

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150070；3.重慶市南川區(qū)農(nóng)業(yè)委員會，重慶 408400）

溫度作為重要的環(huán)境因子之一，時(shí)刻影響玉米的生長發(fā)育。玉米生育期間的低溫脅迫，是中國北方玉米產(chǎn)區(qū)的主要?dú)庀鬄?zāi)害，是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素之一。建國以來，黑龍江、吉林、遼寧三省 1969、1972、1976、1983、1987、1989、1992、2002、2009年因低溫冷害損失糧食百億斤，導(dǎo)致糧食大幅度減產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者對低溫脅迫從葉綠素、蛋白質(zhì)、活性氧代謝、內(nèi)源激素平衡、顯微超微結(jié)構(gòu)、分子反應(yīng)機(jī)制等諸多方面進(jìn)行了廣泛研究[3-4]，低溫脅迫下過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶活性以及丙二醛和蛋白質(zhì)含量均有增加[5]，弱光脅迫、低磷脅迫、水分脅迫等脅迫條件下的光合特性也有很多報(bào)道[6-8]，弱光、鹽脅迫均導(dǎo)致辣椒葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）下降，各逆境導(dǎo)致凈光合速率下降的限制因子不同[9]。但關(guān)于玉米低溫脅迫下光合特性的變化，尤其是葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化未見報(bào)道。因此，本研究選用3個(gè)玉米品種，在苗期進(jìn)行低溫處理，測定光合參數(shù)的變化，探討這些變化與不同品種耐低溫特性的關(guān)系，揭示低溫傷害機(jī)理，為玉米耐低溫育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選用3個(gè)玉米品種：金玉5、興墾3、吉單198。分別來源于黑龍江省久龍種業(yè)、德農(nóng)種業(yè)、吉農(nóng)高新北方農(nóng)作物優(yōu)良品種開發(fā)中心。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

播種育苗：采用室外盆栽播種，盆直徑21 cm，高20 cm，每盆保苗8株，每個(gè)品種5次重復(fù)。苗期正常管理。

低溫脅迫處理：玉米長到三葉一心時(shí)，在人工智能培養(yǎng)箱（HPG-280HX）中進(jìn)行低溫處理，設(shè)3個(gè)溫度梯度，分別為18℃/9℃、16℃/7℃、14℃/5℃（晝/夜）。以室外正常生長幼苗為對照（CK），對照在處理期間的日平均溫度為25℃。每個(gè)溫度水平分別處理2、4、6、8、10 d。

1.3 方法

1.3.1 光合指標(biāo)的測定

選距生長點(diǎn)第2片完全展開葉，應(yīng)用LI-6400便攜式光合儀測定葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）、水分利用率（Water use efficiency，WUE）。

1.3.2 葉綠素?zé)晒獾臏y定

用德國產(chǎn)PAM-210便攜式測定。葉片暗適應(yīng)20 min后設(shè)置原初的熒光參數(shù)，關(guān)閉光化學(xué)光和遠(yuǎn)紅光，打開測量光測定初始熒光（Fo），再打開一個(gè)飽和脈沖光測定最大熒光（Fm），然后打開光化學(xué)光（光強(qiáng)600 μmol·m-2·s-1）照射葉片，當(dāng)穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）出現(xiàn)后，再打開一個(gè)飽和脈沖光測定光下最大熒光（Fm），最后關(guān)閉光化學(xué)光，打開一次遠(yuǎn)紅外光測定光下最小熒光（Fo），計(jì)算出可變熒光（Fv）、PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm）和光系統(tǒng)PSⅡ的潛在活性（Fv/Fo）。每個(gè)樣品重復(fù)測定3次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對玉米幼苗葉片Pn的影響

由圖1可知，與對照相比，低溫脅迫降低了玉米幼苗葉片的Pn。3個(gè)品種隨著低溫脅迫程度和脅迫時(shí)間的加長，Pn一直在下降，隨著低溫脅迫的加強(qiáng)，Pn下降的越快。各個(gè)品種降低的幅度不同，吉單198在第4天有一個(gè)迅速下降的過程，興墾3在第6天有一個(gè)迅速下降的過程，金玉5一直都是在緩慢的下降，14℃/5℃低溫脅迫的第10天時(shí)，吉單198、興墾3、金玉5分別下降了41%、35%、32%。

圖1 低溫脅迫下玉米幼苗光合速率的變化Fig.1 Change of maize seedlings Pn under low temperature stress

2.2 低溫脅迫對玉米幼苗Fv/Fm的影響

Fv/Fm表示PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率，常用于度量植物葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率。如圖2所示，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，不同品種玉米葉片的Fv/Fm整體上均呈下降趨勢。具體表現(xiàn)為2～6 d時(shí)Fv/Fm先緩慢下降，6 d后迅速下降。不同溫度處理下，溫度越低，F(xiàn)v/Fm越低，各溫度下Fv/Fm高低順序?yàn)椋篊K＞18℃/9℃＞16℃/7℃＞14℃/5℃。Fv/Fm降低，表示其光能轉(zhuǎn)換效率降低，說明低溫脅迫時(shí)間延長加劇了玉米幼苗葉片的光抑制，從而影響了光合作用。對照溫度下，3個(gè)品種Fv/Fm隨處理時(shí)間的延長變化幅度不明顯。不同低溫處理下，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，3個(gè)品種Fv/Fm均呈下降趨勢。溫度越低，下降幅度越大。

圖2 低溫脅迫下玉米幼苗Fv/Fm的變化Fig.2 Change of maize seedlings Fv/Fm under low temperature stress

2.3 低溫脅迫對玉米幼苗葉片F(xiàn)v/Fo的影響

Fv/Fo用來表示光系統(tǒng)PSⅡ的潛在活性。如圖3所示，低溫脅迫下，對照的Fv/Fo沒有明顯變化。隨著低溫脅迫時(shí)間延長，各處理玉米葉片的Fv/Fo整體上均呈下降趨勢，表明低溫脅迫破壞了光合系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低了PSⅡ的潛在活性。但各溫度處理下幼苗的變化程度存在差異。14℃/5℃下降程度最大，18℃/9℃下降程度最小。對照溫度下，3個(gè)品種Fv/Fo最高，并且隨時(shí)間的延長變化幅度不明顯。同一低溫處理下，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，3個(gè)品種Fv/Fo變化不同，但整體上呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度表現(xiàn)為吉單198＞興墾3＞金玉5，下降幅度越大說明耐低溫能力越弱。

2.4 低溫脅迫對玉米幼苗葉片氣孔導(dǎo)度的影響

由圖4可知，與對照相比，3個(gè)玉米品種Gs均隨低溫脅迫時(shí)間的增加呈下降趨勢。吉單198、興墾3、金玉5在第10天18℃/9℃處理氣孔導(dǎo)度分別下降了20.7%、16.3%、14.4%，16℃/7℃處理下降25.9%、21.8%、20.7%，14℃/5℃處理下降33.8%、27.4%、25.9%。吉單198與其余2個(gè)品種相比，在各個(gè)低溫脅迫下的下降幅度最大，這說明低溫脅迫對吉單198氣孔導(dǎo)度的影響最大。3個(gè)品種隨低溫脅迫強(qiáng)度的增加，氣孔導(dǎo)度下降幅度也隨之增大，溫度越低對玉米幼苗氣孔導(dǎo)度影響越大。

圖3 低溫脅迫下玉米幼苗Fv/Fo的變化Fig.3 Change of maize seedlings Fv/Fo under low temperature stress

2.5 低溫脅迫對玉米幼苗葉片蒸騰速率的影響

3個(gè)玉米品種在低溫脅迫下Tr的變化呈下降趨勢，且與光合速率和氣孔導(dǎo)度的變化規(guī)律一致（見圖5）。與對照相比，3個(gè)玉米品種Gs均隨低溫脅迫時(shí)間的增加呈下降趨勢，并且低溫強(qiáng)度越大下降的幅度越大。在低溫脅迫下，吉單198前6 d的下降幅度大，之后緩慢下降；興墾3前8 d下降幅度大，隨后緩慢下降；而金玉5在8 d后Tr迅速下降。

圖4 低溫脅迫下玉米幼苗氣孔導(dǎo)度的變化Fig.4 Change of maize seedlings Gs under low temperature stress

圖5 低溫脅迫下玉米幼苗蒸騰速率的變化Fig.5 Change of maize seedlings Tr under low temperature stress

2.6 低溫脅迫對玉米幼苗胞間CO2濃度（Ci）的影響

如圖6所示，對照處理中，3個(gè)品種的胞間CO2濃度對照處理相差不大，都在270～300 μg·mL-1之間。18℃/9℃、16℃/7℃低溫處理下3個(gè)品種都有逐漸降低的趨勢，14℃/5℃低溫處理下呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。14℃/5℃低溫處理下3個(gè)品種在第4天開始上升，在處理后第10天金玉5達(dá)到最高值330 μg·mL-1。低溫強(qiáng)度不同，Ci的變化規(guī)律也不同，隨著低溫強(qiáng)度的加大，Ci有增加的趨勢。

圖6 低溫脅迫下玉米幼苗胞間CO2濃度的變化Fig.6 Change of maize seedlings Ci under low temperature stress

2.7 低溫脅迫對玉米幼苗葉片水分利用率的影響

如表1所示，在低溫脅迫條件下，3個(gè)品種的WUE都高于對照，說明在低溫脅迫下，植株可以通過提高WUE這個(gè)途徑緩解逆境造成的部分損失。各個(gè)品種隨著脅迫時(shí)間的增加，WUE呈現(xiàn)出先增加后穩(wěn)定的趨勢，18℃/9℃、16℃/7℃、14℃/5℃低溫處理的WUE差異不大。脅迫10 d各個(gè)低溫處理吉單198增加26%～36%，興墾3增加15%～21%，金玉5增加15%～19%。18℃/9℃、16℃/7℃、14℃/5℃處理和對照都達(dá)到顯著差異。

表1 低溫脅迫下玉米幼苗水分利用率的變化Table 1 Change of maize seedlings WUE under low temperature stress

3 討論

人工智能培養(yǎng)箱在人工模擬鑒定中對光照強(qiáng)度與時(shí)間長短、溫度強(qiáng)度和時(shí)間長度和空氣濕度都能進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)控，已經(jīng)成為人工模擬法研究作物溫度脅迫的首選。同時(shí)也存在著局限性，首先人工智能培養(yǎng)箱溫度范圍設(shè)置存在局限性，最低溫度只能設(shè)置5℃，限制了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最低溫度，再次，人工氣候室的空間容量有限，生理指標(biāo)的測定需要大量的材料，多個(gè)箱體同時(shí)使用造成被測材料存在時(shí)間和空間的差異。本試驗(yàn)低溫處理采用人工智能培養(yǎng)箱來處理，雖然會存在一定的誤差，但能夠模擬自然狀態(tài)，不會影響到試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，是植物合成有機(jī)物質(zhì)和獲得能量的根本源泉，可以反映植株生長勢和抗性強(qiáng)弱[10-11]。低溫幾乎影響作物光合作用的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括光能吸收、氣體交換、碳同化過程等，一般情況下，低溫脅迫處理的植株葉片Pn、Gs、Tr明顯小于對照[12]，導(dǎo)致Pn降低既有氣孔因素也有非氣孔因素。低溫處理導(dǎo)致玉米幼苗Pn下降的同時(shí)，Ci下降，說明Pn的下降由氣孔因素引起。低溫處理導(dǎo)致玉米Pn下降的同時(shí)，Ci先降低后升高，表明Pn下降由氣孔因素逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩卣贾鲗?dǎo)地位[9,13]。從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3個(gè)玉米品種Pn在低溫脅迫下的變化趨勢與前人研究結(jié)果一致，說明低溫處理明顯降低了玉米的光合速率，在18℃/9℃、16℃/7℃低溫處理下為氣孔因素引起，14℃/5℃低溫處理下為非氣孔因素引起。

葉綠素?zé)晒饪梢岳弥参矬w內(nèi)葉綠素作為天然探針，快速、靈敏、無損傷地研究和測定光合生理狀況以及多種因子對植物光合作用的影響，已成為人們研究光合代謝的最新手段，極大地推動了光合過程中光能利用、逆境條件下光合作用的光抑制、光損傷及其防御機(jī)制的研究[6]。Fv為可變熒光，F(xiàn)m為最大熒光，它們的比值Fv/Fm代表PSⅡ光化學(xué)的最大效率或PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率[14]，低溫脅迫可導(dǎo)致Fv/Fm下降，與前人研究結(jié)果一致。Fv/Fo是Fv/Fm的另一種表達(dá)形式，也可以作為反映低溫脅迫程度的理想指標(biāo)[15]，本研究中Fv/Fo的變化趨勢與Fv/Fm相同（見圖2、3），耐低溫能力強(qiáng)的品種能夠減輕低溫脅迫對玉米葉片PSⅡ反應(yīng)中心的傷害，提高光能轉(zhuǎn)化效率，從而提高玉米的光合能力。Fv/Fm和Fv/Fo在低溫脅迫下下降，說明PSⅡ活性中心受損，Pn快速下降，本試驗(yàn)中吉單198在第4天有一個(gè)迅速下降的過程，興墾3在第6天有一個(gè)迅速下降的過程，金玉5一直都是在緩慢的下降，說明在低溫前期植株通過降低氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和增大水分利用率（WUE）的自我保護(hù)機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)，吉單198在第4天、興墾3在第6天自我保護(hù)機(jī)制失效，導(dǎo)致光合速率迅速下降。本試驗(yàn)是在受控條件下對玉米幼苗進(jìn)行的研究，低溫脅迫下不同玉米品種全生育期的光合代謝調(diào)控還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

隨著低溫脅迫處理時(shí)間的延長和程度的加強(qiáng)，3個(gè)品種表現(xiàn)出一致的規(guī)律，光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm）和光系統(tǒng)PSⅡ的潛在活性（Fv/Fo）呈下降趨勢，胞間CO2濃度（Ci）18℃/9℃、16℃/7℃低溫處理下3個(gè)品種都有逐漸降低的趨勢，14℃/5℃低溫處理下呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，水分利用率（WUE）先增高之后趨于穩(wěn)定。

低溫脅迫使光合作用降低，葉光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）活性中心受損，植株通過調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）和增大水分利用率（WUE）的自我保護(hù)機(jī)制進(jìn)行調(diào)控。本研究結(jié)果說明，參試的3個(gè)玉米品種在低溫脅迫條件下光合指標(biāo)的變化均有一定規(guī)律性，其品種間具有顯著的差異。這些研究結(jié)果對玉米新品種培育和利用都具有重要意義。

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