高溫環境下棗光合特性及相關生理指標日變化

楊磊，靳娟，馮貝貝，樊丁宇，牛瑩瑩，郝慶

(1.新疆農業科學院園藝作物研究所/農業部新疆地區果樹科學觀測實驗站，烏魯木齊 830091；2.新疆農業大學新疆特色果樹研究中心，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】棗(ZiziphusjujubaMill.)屬鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(ZiziphusMill.)，是原產于我國的重要特色果樹[1]。因其耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿，抗逆性強，適應性廣，經濟效益高，生態效益明顯[2]。截止 2016年，新疆紅棗種植面積為 50.5×104hm2，產量達 326×104t，面積和產量均居全疆林果之首[3]。紅棗已成為新疆林果業的支柱產業之一。然而，隨著全球氣候變暖，近年來新疆極端高溫天氣頻繁發生[4]，高溫已開始威脅紅棗的正常生長發育，如2015年夏季極端高溫導致紅棗大量落果，造成大幅減產。開展高溫環境下棗光合及生理響應研究對新疆紅棗的抗逆高效栽培具有指導意義?！厩叭搜芯窟M展】徐斌等[1，5]研究表明在日平均氣溫23和35℃下，托克遜灰棗葉片Pn呈“雙峰”曲線，23℃日平均氣溫有利于灰棗葉片進行光合作用，超過35℃日平均氣溫影響灰棗葉片的氣孔導度(Cs)和水分利用效率(WUE)，不利于光合作用。刁凱等[6]研究表明8個品種棗樹凈光合速率日變化均呈雙峰曲線，且在2個峰值之間有明顯的光合午休現象，經聚類分析雞心棗、 圓脆棗、灰棗屬于低Pn、高WUE、低Tr品種，更適宜環塔里木盆地干旱缺水的環境。夏黑葡萄葉片的PSII在高溫處理6 h活性遭到破壞，但高溫處理150 h其PSII活性又得到恢復，推測夏黑有較強高溫逆境適應能力；高溫逆境打破夏黑氧化還原平衡，使MDA含量增加[7]。高溫脅迫下，黃花梨、綠寶石梨幼樹葉片細胞質膜相對透性持續增大[8]。隨著溫度升高，早紅珠油桃葉片MDA含量呈微增-減少-增加趨勢；45℃高溫下，隨著脅迫延長Pro含量急劇下降；高溫下植株受害指數與Car、MDA、Pro、SOD及CAT等生理指標間具有顯著相關性[9]?！颈狙芯壳腥朦c】經前期調查，高溫環境下駿棗和伏脆蜜在表形方面差異明顯，但高溫下二者在生理方面是否存在差異、以及差異大小仍然不清楚。研究高溫環境下棗光合特性及相關生理指標日變化。【擬解決的關鍵問題】研究光合特性及相關生理指標日變化，分析兩個品種響應高溫環境的光合及生理差異，為新疆紅棗的抗逆高效栽培及棗耐高溫品種選育提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗材料種植于吐魯番市郊，品種為駿棗和伏脆蜜，樹齡10 a，株行距(2×4) m，管理水平一致。該試驗地點氣候特點是典型的大陸性干旱荒漠氣候，干燥少雨，年平均降水量 16.4 mm，蒸發量3 000 mm以上，日照充足，晝夜溫差大，年有效活動積溫5 300℃以上，無霜期 270 d。

1.2 方 法

根據天氣預報2017年8月7～10日吐魯番市為連續的晴朗高溫天氣，于8月9日08:00～20:00，每隔2 h測定環境因子和兩品種相同部位功能葉片光合日變化。儀器采用Li-6400XT型便攜式光合作用測定系統，測定CO2濃度時均用儀器自控系統控制。開放式氣路測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、大氣CO2濃度(Ca)、蒸騰速率(Tr)、光合有效輻射(PAR)、大氣溫度(Ta)和空氣濕度(RH)等，并計算水分利用效率(WUE=Pn/Tr)、氣孔限制值(Ls=1-Ci/Ca)等。兩品種各選3株長勢一致的樣株，每株測3片成熟的功能葉。

并于06:00～20:00每隔2 h采集當年生棗頭上相同部位葉片，3次重復，立即投入液氮速凍，采樣完成后帶回實驗室，測定各時間點的MDA含量[10]、SP和Pro含量[11]等生理指標。

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel2010及SPSS19.0軟件對數據進行統計和分析。

2 結果與分析

2.1 極端高溫區棗光合日變化

2.1.1 環境因子日變化規律

研究表明，PAR的日變化呈單峰曲線，08:00～12:00 PAR逐漸增強，12:00達到峰值，之后緩慢下降。Ca從08:00的較高水平逐漸降低至14:00的谷值，之后至20:00一直呈持續上升趨勢。Ta隨時間推移不斷升高，14:00超過43℃，18:00達到最大值45℃，之后逐漸降低。RH在08:00～10:00不斷升高，10:00達到最大值，之后隨著溫度的升高不斷降低。圖1

圖1 試驗地環境因子日變化
Fig.1 Diurnal Variations of Environmental Factors

2.1.2Pn與Tr日變化特征

研究表明，兩品種Pn均值：伏脆蜜>駿棗。駿棗Pn呈現不對稱的雙峰曲線，第一個高峰出現在10:00，峰值16.42 μmol/(m2·s)，之后Pn略有減弱，表明此時葉片氣孔的氣體交換能力在減弱，至12:00降到低谷，是出現光合午休現象的表現，12:00之后又逐漸升高，16:00達到第二個高峰，峰值21.51 μmol/(m2·s)，之后急速下降。伏脆蜜呈現單峰曲線，12:00Pn達到最高峰，峰值21.75 μmol/(m2·s)，之后隨溫度上升，Pn不斷減小。

兩品種Tr的日變化均呈雙峰曲線，但伏脆蜜的雙峰曲線變化明顯比駿棗劇烈，伏脆蜜第一和第二次峰值分別出現在12:00和16:00，兩次Tr峰值分別比08:00升高了224.17%和345.48%，在14:00有明顯的谷值，此時Tr降低，可能是樹體關閉氣孔以達到適應午間高溫、防止葉片過度蒸騰水分的一種對環境變化的應對策略。駿棗的Tr值在12:00略有下降，16:00達到最大峰值(8.39 mol/m2)，比08:00升高了391.11%；蒸騰作用是植物體內的水分以氣體的形式散失在大氣中的過程，動力來源于PAR，通過影響葉面溫度，促進水分的蒸發，Tr在一定程度上反映其調節植物水分損失的能力及適應干旱環境的方式。圖2

圖2 凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)日變化

2.1.3Gs、Ci、Ls的日變化特征

Ci是光合作用的重要因素之一，Ci反映了葉片進行光合作用的過程[12]，研究表明，駿棗Ci變化呈先穩定后下降再上升的趨勢，16:00Ci降至最低，僅為74.32 μL/L，之后急速升高，18:00后上升趨于平緩；伏脆蜜的Ci在08:00～10:00緩慢上升，10:00后趨于下降，至14:00降至最低值(147.35μL/L)之后開始上升，16:00～18:00趨于平緩，之后再上升。駿棗和伏脆蜜的Gs日變化均呈雙峰曲線，駿棗的Gs最高峰出現在10:00，峰值0.20 mol/(m2·s)，第二峰值出現在16:00，峰值0.14 mol/(m2·s)；伏脆蜜的Gs最高峰出現在16:00，峰值0.23 mol/(m2·s)，第二峰值出現在10:00，峰值0.24 mol/(m2·s)。

判斷葉片Pn降低的原因是非氣孔因素還是氣孔因素，主要根據Pn、Ci和Ls的變化，當Pn、Ci降低、Ls增大時，Pn的降低主要是由氣孔限制因素所引起，當Pn降低，Ci增大、Ls降低時，Pn的降低主要是由非氣孔因素限制，也就是葉肉細胞的光合活性下降[13]。在10:00～12:00，駿棗的Pn下降，Ci下降，變化方向相反，而此時的Ls在升高，說明駿棗的Pn值降低是由于氣孔關閉引起的，16:00后駿棗的Pn下降，Ci開始上升，Pn與Ci的方向相反，Ls下降，此時Pn值降低是由于光照強度的降低導致葉肉細胞活性下降的非氣孔因素。12:00～14:00伏脆蜜，凈Pn下降，Ci也下降，Ls值上升，這段時間Pn值的降低，是由于氣孔關閉引起，14:00以后，Ci開始上升，Pn與Ci的方向相反，Ls下降，此時Pn的降低是由于光照強度的降低導致葉肉細胞活性下降的非氣孔因素。圖3

2.1.4 WUE日變化特征

植物的WUE指植物消耗單位水量生產出的同化量，是一個比較穩定的衡量碳固定與水分消耗關系的指標[14]。研究表明，WUE日均值伏脆蜜總體低于駿棗。駿棗和伏脆蜜在08:00的WUE值均最高，之后總體均呈降低趨勢，其中駿棗的WUE在08:00～10:00下降較快，10:00～14:00趨于平緩，14:00～16:00略有回升，16:00之后再次快速降低，18:00之后趨于平緩，總體呈降-緩-降-緩的階梯式下降趨勢；伏脆蜜的WUE在08:00～12:00逐漸下降，12:00～14:00略有回升，14:00～16:00快速降低，16:00～18:00再次緩慢回升，18:00～20:00緩慢下降，總體呈降-緩-降-緩-降的階梯式下降趨勢。圖3

圖3 葉片氣孔限制值(Ls)、水分利用率(WUE)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)日變化

2.1.5Pn與環境因子的相關性

植物葉片Pn的大小是衡量植物光合作用能力強弱的重要指標。研究表明，兩品種的Pn與環境因子的相關性具有較高一致性，其中Pn值均與Ci、Ca極顯著負相關(P<0.01)，而與Tr極顯著正相關(P<0.01)，但Pn與Gs、Ls的相關性駿棗較伏脆蜜更強，而Pn與PAR的相關性伏脆蜜較駿棗更強。表1

表1 棗葉片凈光合速率(Pn)與環境因子相關性

注：*在0.05水平上顯著相關，**在0.01水平上顯著相關

Note：

2.2 葉片生理指標日變化

2.2.1 葉片MDA含量日變化

研究表明，兩品種葉片MDA含量的日變化總體均呈先上升后下降的趨勢，這與當日06:00～20:00氣溫的變化趨勢具有相似性，但駿棗的MDA高于伏脆蜜。駿棗的MDA在06:00～10:00逐漸升高，并在10:00達到最大值(11.22 μmol/g)，之后在起伏波動中逐漸降低至20:00的最小值(6.93 μmol/g)；伏脆蜜的MDA在06:00～14:00緩慢升高，在14:00達到最大值(9.35 μmol/g)，之后持續降低至20:00的最小值(5.86 μmol/g)。其中MDA含量駿棗不僅較伏脆蜜提前4 h達到的最大值，而且較伏脆蜜的最大值高出1.87 μmol/g。圖4

圖4 棗葉片MDA含量日變化
Fig.4 Diurnal variation of MDA content

2.2.2 葉片Pro含量日變化

研究表明，兩品種葉片Pro含量在06:00～20:00的變化趨勢基本一致，總體均呈下降趨勢。但伏脆蜜葉片Pro含量明顯低于駿棗。駿棗在14:00 Pro含量最低，為104.38 mg/g，顯著低于06:00～12:00任一點的值，14:00～18:00 Pro含量逐漸升高，18:00達到138.20 mg/g，較16:00上升了19.16%。伏脆蜜從06:00～10:00，下降了36.21%，10:00～12:00趨于平穩，06:00～14:00 Pro含量差異不顯著，16:00的Pro含量較06:00下降了43.37%，16:00～18:00 Pro含量開始上升，18:00較16:00上升了28.56%。圖5

圖5 棗葉片Pro含量日變化
Fig.5 Diurnal variation of proline content

2.2.3 葉片可溶性蛋白的日變化

研究表明，駿棗和伏脆蜜的可溶性蛋白含量呈M型曲線變化，都在10:00和18:00有明顯的峰值，其中10:00駿棗的可溶性蛋白含量到達第一個峰值，較06:00上升了123.71%；18:00到達第二個峰值，較06:00上升了180.59%。伏脆蜜的可溶性蛋白含量在10:00和18:00有明顯的峰值，分別比06:00上升了33.76%和56.50%。圖6

圖6 棗葉片可溶性蛋白日變化
Fig.6 Diurnal variation of soluble protein

3 討 論

高溫能降低植物的氣孔導度、關鍵光合功能因子，使植物光合產物的運輸和分配發生變化，葉片光系統PSⅡ受損，最終導致植物體內的能量代謝和物質轉化過程失衡，所以高溫逆境對果樹的光合作用效率傷害較為顯著[15]。Raschke等[16]認為當高溫、強光照時，空氣濕度的降低會使植物蒸騰作用加大，根系從土壤中獲取水分維持生命活動，若土壤水分充足，Tr與空氣蒸發能力呈正比；若土壤水分不足，較大的蒸騰作用導致植物失水嚴重，空氣與葉片之間形成較大的水汽壓差，保衛細胞失水關閉，因而以氣孔限制方式減少蒸騰失水。實驗中，中午高溫導致紅棗蒸騰強度大，植株失水加劇，Pn降低的同時，Ci降低、Ls升高。因此，駿棗光合午休主要是由氣孔限制因素引起，與張燕林[17]、徐斌[5]、王龍[18]、刁凱等[6]的研究結果一致，但可能因品種、環境等因素的差異在光合午休現象的發生時間方面略有不同；而伏脆蜜Pn為單峰曲線，與毛葉棗[19]的研究結果一致，屬于一降不起的類型，伏脆蜜在12:00～14:00和14:00以后的Pn下降分別屬于氣孔關閉和非氣孔因素共同引起的。

萬素梅等[20]認為在塔里木盆地大氣溫度達到 25.6～39.1℃的高溫強光條件下，棗樹采取了較高的Tr來降低其葉片的溫度，以避免高溫強光對自身的傷害，是紅棗對高溫干旱環境的適應方式。研究與萬素梅等[20]的研究結果相同，其中伏脆蜜氣溫相對較高時段(16:00～18:00)的Tr明顯高于駿棗，伏脆蜜比駿棗更適應高溫環境。研究中Pn與Tr極顯著正相關，說明Tr在棗光合作用過程中起了非常重要的作用，可以防止由于葉溫過高對葉片造成的損傷。

高溫對果樹葉片細胞內生物膜功能造成一定傷害，表現在致使MDA、羥自由基(·OH)等氧化物增多，增大細胞膜的滲透性和外滲電解質，增加相對電導率，打破細胞內活性氧產生和清除的平衡性，從而傷害植物[15]。研究兩品種葉片MDA和Pro含量的日變化趨勢基本一致，但駿棗明顯高于伏脆蜜，說明在相同高溫環境下駿棗葉片細胞膜受到的傷害比伏脆蜜高，伏脆蜜細胞膜穩定性較駿棗強。這也證明伏脆蜜的耐高溫能力優于駿棗。

4 結 論

伏脆蜜的Pn值大于駿棗，駿棗在12:00出現明顯的光合午休現象是由于氣孔關閉造成Pn值降低而引起的，而伏脆蜜無光合午休現象；駿棗和伏脆蜜分別在16:00和14:00之后Pn值的降低均是由于光照強度的降低導致葉肉細胞活性下降的非氣孔因素引起。兩品種Tr的日變化均呈雙峰曲線，但伏脆蜜的曲線變化明顯比駿棗劇烈，伏脆蜜調節水分散失的能力強于駿棗，這有利于降低葉溫，維持細胞膜穩定性，能更好的適應高溫環境。

兩品種葉片MDA、Pro和SP含量的變化趨勢基本一致，但駿棗葉片MDA和Pro含量均明顯高于伏脆蜜，在相同高溫環境下駿棗葉片細胞膜受損比伏脆蜜嚴重。伏脆蜜比駿棗耐高溫。

致謝：感謝新疆農業大學新疆特色果樹研究中心廖康教授為該試驗提供的幫助和指導！