種植方式對冬小麥光合特性及理化性質的影響

郝伯為 趙玉娟

摘要

[目的]通過盆栽實驗，探討不同種植方式下冬小麥在水分脅迫期間光合特性和理化性質的變化及它們之間的相關性，以期為旱地節水農業的持續發展提供理論及實踐上的依據。[方法] 在冬小麥花期水分脅迫自然加重條件下，選擇5個時間點，每點按3次重復隨機選取各處理小麥旗葉，測定其葉綠素熒光誘導動力學參數與葉片丙二醛和脯氨酸含量。[結果] 水分脅迫下各處理冬小麥Fv/Fm與Fv/F0值均降低，且兩者呈顯著正相關關系。單播時，耐旱性強的A品種Fv/Fm、Fv/F0下降幅度與丙二醛、脯氨酸增加幅度均明顯小于耐旱性弱的B品種；混播時，兩品種間各指標變化幅度差異減小。同一品種不同種植方式相比較，單播時的A品種Fv/Fm、Fv/F0下降幅度與丙二醛增加幅度小于混播狀態，脯氨酸增加幅度大于混播狀態；單播時的B品種Fv/Fm、Fv/F0下降幅度與丙二醛、脯氨酸增加幅度均大于混播狀態。單播方式下葉片脯氨酸含量與Fv/Fm之間的顯著相關關系存在于耐旱性弱的B品種，而不存在于耐旱性強的A品種，混播方式下這種相關關系被打破。丙二醛含量與Fv/Fm之間無論品種和種植方式的改變其相關均不顯著。 [結論]單一種植時耐旱性越強的品種對水分脅迫（干旱）的反應越不敏感，對干旱的防御機制也越健全，混合種植時耐旱性強的品種反而由于其個體水分競爭力較弱，使其受水分脅迫程度加劇，抑制了耐旱力的發揮。耐旱力較弱的品種則在這種競爭中由于其較強的水分競爭力而受益，減弱了水分脅迫對其生理的抑制，也使得品種間的耐旱性差別有所減小。另外，不能單獨將脯氨酸含量作為植物抗旱性的評價指標。

關鍵詞種植方式；冬小麥；光合特性；理化性質

中圖分類號S512.11文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）36-12803-04

Abstract[Objective] Through pot experiment， winter wheat under different planting patterns under the water stress was chosen to study photosynthetic characteristics and the correlation among the changes of the physicochemical properties， in order to provide theoretical and practical basis for the sustainable development of water saving agriculture in dry lands. [Method] When water stress of winter wheat was naturally increased at flowering， five points were chosen in time conditions， and each point was repeated three times. Flag leaves of wheat were randomly selected in each treatment to determine the parameters of chlorophyll fluorescence induction kinetics and MDA and proline content. [Result] Fv/Fm and Fv/F0 of winter wheat under water stress were decreased， and both had a significantly positive correlation. At single sowing， Fv/Fm and Fv/F0 of strong drought tolerant variety A decreased with MDA， and proline content increased significantly less than that of weak drought tolerance variety of B. At mixed sowing， differences of every index of two varieties were reduced. At different ways of planting the same variety， the decrease of Fv/Fm and Fv/F0 and the increase of MDA content at single sowing of variety A were lower than those at mixed sowing， and the increase of proline content was higher than that at mixed sowing. The decrease of Fv/Fm and Fv/F0 and the increase of MDA and proline content at single sowing of variety B were higher than those at mixed sowing. A significant correlation between proline content and Fv/Fm at single sowing existed in the weak drought tolerance variety B， but didnt exist in the drought resistant variety A. At mixed planting mode， this relationship was broken. The correlation between MDA and Fv/Fm under the change of varieties and planting pattern wasnt significant. [Conclusion] At single sowing， the response？of cultivars which had stronger drought tolerance to water stress （drought） wasnt sensitive to drought， and defense mechanism was more perfect. At mixed planting mode， because individual water competitive influenced by the degree of water stress of cultivars which had drought resistance was low， the drought tolerance was inhibited. But among the competition， the cultivars which had weak drought resistance had the benefit. The inhibition of water stress on the physiological drought tolerance was reduced， and the difference between varieties was decreased. In addition， the proline content alone couldnt be used as evaluation index of drought resistance of the plant.

Key wordsPlanting patterns； Winter wheat； Photosynthetic characteristics； Physicochemical properties

干旱脅迫對植物光合特性的影響是全方面的，不僅影響光合電子傳遞、光合磷酸化等過程引發光合機構的損傷，而且導致植物體內自由基的產生與淬滅平衡狀態受到破壞，使自由基和活性氧含量增加。受自由基襲擊的首先是膜系統，以敏感的磷脂先受損，導致生物膜中脂質過氧化，干擾生物膜上鑲嵌的多種酶的空間構型，致使膜的孔隙變大，通透性增加，離子大量泄露，加速細胞衰老或凋亡[1]。滲透調節是植物抗旱性的一種重要生理機制。脯氨酸（Pro）是細胞內重要的滲透調節物質之一。Mattioni[2]研究發現，在水分脅迫年，小麥幼苗氨基酸都有所積累，但Pro積累更多。P5C（吡咯啉-5-羧酸還原酶）和脯氨酸脫氫酶是控制Pro生物合成和分解的酶。在水分脅迫下，P5C活性增強而脫氫酶活性受抑，導致Pro增加。

Donald在“互利型植株”的基礎上提出小麥和大麥理想株型的概念，在農學界產生很大的影響。他們認為，互利型植株具有使作物群體成功的一些特性，而不是對個體的存活有利?；ダ椭仓甑母偁幠芰^弱，因而它對相鄰個體的影響很小，當與其他基因型個體混合種植時，其生長往往受到抑制，個體產量較低。但是，當大面積單一種植，且種植密度大得足以使植株充分利用環境資源時，這些互利型植株便會在整個種植面積內獲得高產[3-4]。

通過盆栽實驗，筆者研究在水分脅迫（干旱）自然加重條件下不同種植方式對冬小麥光合特性與理化性質的影響，同時就兩者相關性進行研究，以期為旱地節水農業的持續發展提供理論、實踐上的依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料

選用長武135（A 品種，耐旱性相對較強）和平涼40（B品種，耐旱性相對較弱）2個小麥品種。

1.2試驗地概況

采用盆栽試驗，試驗用盆直徑28 cm、高30 cm。所用土壤為耕層土，取自于楊凌區付家莊附近農田，其田間最大持水量為28.10%，土壤含全氮0.62 g/kg，全磷145 g/kg，有機質1.47 g/kg，速效氮54.60 g/kg，速效磷890 g/kg。將土壤風干碾碎并過篩，每盆裝土10.0 kg，播種前每盆施尿素3.6 g、磷肥16.0 g、硫酸鉀2.1 g，一次性均勻拌入盆土中。

1.3試驗處理

設單播和混播2種種植方式，其中單播指每盆單獨播種A品種或B品種各16株，混播指每盆相間播種A品種和B品種各8株。每個處理設10次重復，播種時間為2012年10月15日。水分處理設置為：在花期（2013年4月20日）給予各處理冬小麥一次性充分供水（土壤含水量占田間持水量的80%），此后不再供水，并且避免天然降水，任其干旱加重。隨機取樣，測定供水后1、4、7、10、13 d各處理冬小麥旗葉葉綠素熒光參數與葉片丙二醛（MDA）、Pro含量。

1.4 測定方法

在花期按3次重復隨機選取各處理小麥，經暗適應30 min后，利用葉綠素熒光成像系統（ImagingPam，Walz，Germany）和熒光圖像分析軟件（Imagingwin，Walz）測定小麥旗葉葉綠素熒光誘導動力學參數[室溫（25±2）℃，光強300 μmol/（m2·s）]，如初始熒光（F0）、最大熒光（Fm） 等，并且計算PSⅡ的最大光化學量子產量Fv/Fm=（Fm-F0）/Fm[5]和PSⅡ潛在活性Fv/F0=（Fm-F0）/F0[6]。

Pro含量測定采用磺基水楊酸提取，茚三酮比色方法進行[7]；MDA含量測定采用硫代巴比妥酸法[8]。

1.5數據分析

使用Excel和DPS統計軟件，對試驗數據進行作圖與顯著性檢驗及相關性分析。

2結果與分析

2.1水分脅迫下不同種植方式對Fv/Fm與Fv/F0的影響

Fv/Fm指PSⅡ最大光化學量子產量，反映PSⅡ反應中心內原初光能轉化效率。Fv/F0則反映PSⅡ的潛在活性。它們是表明光化學反應狀況的2個重要參數。在非環境脅迫條件下葉片的熒光參數Fv/Fm極少變化，不受物種和生長條件的影響，而遭受光抑制的葉片這一參數變化明顯。它是表示光抑制程度的良好指標和探針[9]。由圖1可知，隨著水分脅迫程度的逐漸加深，各處理冬小麥Fv/Fm與Fv/F0均呈下降趨勢。由表1、2可知，在單播方式下耐旱性強的A品種降幅顯著小于耐旱性弱的B品種，混播方式下A′降幅略小于B′，單播與混播比較A降幅小于A′，B大于B′。這表明水分脅迫可使小麥葉PSⅡ活性中心受損，光合作用原初反應過程受抑制，降低PSⅡ的潛在活性。在單播方式下，水分脅迫對耐旱性強的A品種的影響顯著小于耐旱性弱的B品種，A品種較B品種具有更高的光能轉化效率和PSⅡ潛在活性。這可能是耐旱性較強的品系在干旱條件下能夠獲得較高產量的一個重要原因。而在混播方式下，由于B品種具有較強的水分競爭能力，加劇A品種的水分脅迫，使得A品種最大PSⅡ的光能轉換效率、PSⅡ的潛在活性及PSⅡ原初反應過程受到較強烈的抑制，B品種本身受抑程度較單播方式有所降低。同時，這種群體間的競爭也使得品種間

2.2水分脅迫下不同種植方式冬小麥葉片MDA含量的變化

水分脅迫引發植物體內活性氧自由基的積累，導致細胞膜膜脂過氧化作用的增強，損傷細胞膜的結構。MDA是膜脂過氧化的產物，其含量的高低反映細胞膜受損程度。有研究表明，在相同干旱脅迫下MDA含量增幅小的品種較耐旱，增幅越大的品種耐旱力越低[10]。由圖2可知，各處理MDA含量呈先升后降趨勢，其峰值均在水分脅迫第10天出現。經分析，第1天處理間無顯著性差異（P>0.05），第10天混播方式的A品種極顯著高于B品種，第13天混播方式的B品種極顯著低于其他處理（P<0.01），其他處理間無顯著差異；脅迫10 d之前各處理上升趨勢比較平緩，10 d之后均大幅下降。由表3可知，第1天至峰值出現總體增幅以A′最大，B次之，A因為第1天值較高，故無明顯增加。由此可見，水分脅迫加劇了小麥葉片細胞膜的膜脂過氧化作用，損傷了膜結構。脅迫后期MDA含量迅速下降，表明小麥防御系統已受到嚴重危害。各處理間相比，單播情況下耐旱性強的A品種比耐旱性弱的B品種能更有效地調動自身的防御系統做出一系列適應性的調整以抵抗逆境的脅迫，而混播情況下由于B品種具有更強的水分競爭力，使得A品種受水分脅迫程度加劇，膜脂過氧化加重，B品種則在這種競爭中受益，相較單播方式減弱了水分脅迫對其細胞膜的損傷。

2.3水分脅迫下不同種植方式冬小麥葉片Pro含量的變化

Pro被認為是植物逆境脅迫的產物。Pro是細胞內重要的滲透調節物質，具有調節細胞滲透平衡、增強細胞結構穩定

性和阻止氧自由基產生的作用。它與植物體內活性氧自由

基的清除以及膜脂過氧化作用的減輕有密切的關系[11]。干旱脅迫下脯氨酸大量積累被認為是一種保護

反應[12]。

由圖3可知，單播方式的A與B在脅迫前期Pro含量上升平緩，脅迫后期迅速上升。混播方式的A品種與B品種Pro含量在脅迫7 d前呈下降趨勢，7 d后迅速回升。A品種與B品種脅迫7 d內的Pro含量無顯著差異（P>0.05），第7～13天B品種顯著高于A品種，第13天A、B品種間差異亦不顯著，脅迫10 d后A品種Pro含量明顯增加。10 d前A′顯著高于B′，10 d后顯著低于B′。由表4可知，總體增幅B最大，A次之，B′更次之，A′未見增加。由此可知，單播方式下水分脅迫對耐旱性弱的B品種影響更大，導致B品種Pro含量的累積量明顯高于A品種，而A品種在脅迫后期具有較強的滲透調節能力，說明耐旱性強的A品種脯氨酸對水分脅迫的響應敏感性遲于耐旱性弱的B品種。在混播方式

下，由于B品種較強的水分競爭力

3討論

該研究通過測定葉綠素熒光參數及Pro、MDA含量對不同種植方式冬小麥在水分脅迫期間光合特性和理化性質的變化及它們之間的相關性進行了探討。結果表明，水分脅迫下各處理冬小麥Fv/Fm與Fv/F0值均降低，且兩者呈顯著正相關關系，說明水分脅迫使PSⅡ受到傷害，降低PSⅡ原初光能轉化效率，使小麥PSⅡ潛在活性中心受損，光合作用原初反應過程受抑制，光合電子由PSⅡ反應中心向QA、QB及PQ庫傳遞過程受到影響。小麥葉綠體激發能從捕光色素蛋白復合體（LHCⅡ）向PSⅡ傳遞減少。這可能與水分脅迫使PSⅡ捕光色素蛋白復合體（LHCⅡ）的含量降低有關[13]。光化學效率的高低直接決定葉片光合作用的高低，因此由干旱造成的光化學效率降低會成為光合作用的重要限制因子[14]。在單播方式下，由于耐旱性強的A品種屬于互利型植株，個體之間水分競爭能力較弱，水分脅迫造成其Fv/Fm與Fv/F0下降的幅度均明顯小于抗旱性弱的B品種，表現出較高的光化學活性和水分利用效率，屬于節水型品種。B品種在有限的水分條件下將消耗更多的水資源用于自身的生產（如根系、莖干、葉等），屬于耗水型品種，個體間水分競爭能力較強，故群體抗旱性差[15]。在混播方式下，由于B品種水分競爭能力較強，在同樣的水分競爭壓力下品種A受水分脅迫的程度加劇，使得A光合作用的光保護系統和修復過程受到抑制，光合機構受到不同程度的破壞，從而影響品種A的生長發育，而品種B在競爭中則減弱了干旱對其光合性能的損壞。通過對不同種植方式冬小麥在水分脅迫下葉片丙二醛含量變化的分析，從細胞膜損傷的角度反映與光合特性變化相似的情況。

值得注意的是干旱脅迫下葉片脯氨酸含量的變化。有研究認為，在土壤干旱脅迫下，抗旱性強的小麥品種的滲透調節能力大于抗旱性弱的品種[16]，抗旱性強的品種維持著較高的組織相對含水量和Pro含量[17]。但是，在該研究中單播A品種的累積幅度并不比B品種大，只是在混播情況下抗旱性弱的B品種從其較強的水分競爭能力上受益，而抗旱性強的A品種則在這種競爭中受到抑制。這符合Donald“互利型植株”的觀點。但是與前人研究相比，這里面存在的問題是植物體內Pro的累積是抗旱性弱品種應對干旱脅迫的一種強烈自我保護作用，還是表征抗旱性強品種自我調節能力較強的一種標識。研究中耐旱性強的A品種Pro積累對水分脅迫的響應敏感性小于耐旱性弱的B品種。在干旱脅迫下，Pro積累的品種差異的原因可能是品種間合成Pro的

潛在能力不同，也可能由于蛋白質的合成受阻，抑制了Pro摻入蛋白質的

過程能力的差異，也可能是因為干旱引起體內蛋白質的分

解，還可能是Pro自身氧化的因素[18]。由此

可知，還不能把單純的Pro含量作為植物抗旱性的評價指標。

理化指標與光合特性的相關分析表明，單播方式下葉片Pro含量與PSⅡ反應中心內原初光能轉化效率之間的顯著相關關系存在于抗旱性弱的B品種，而不存在于抗旱性強的A品種。在混播方式下，由于受水分競爭的壓力，這種相關關系被打破?？梢钥闯鰡我环N植時耐旱性越強的品種對干旱逆境的反應越不敏感，對干旱的防御機制也越健全。另外，MDA含量與PSⅡ反應中心內原初光能轉化效率之間無論品種和種植方式的改變其相關均不顯著，與前人研究[2]存在差異。這可能也因此說明植物抵御干旱是一個非常復雜的機制，是植物體內各物質相互共同作用的結果。

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