玉米光合生理參數對全生育期干旱與拔節后干旱過程的響應

宋 賀,蔣延玲,*,許振柱,周廣勝,

1 中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室, 北京 100093 2 中國科學院大學生命科學學院, 北京 100049 3 中國氣象科學研究院, 北京 100081

干旱是全球范圍內影響作物生產最嚴重的限制因子,并因發生頻率高、范圍廣、持續時間長而成為影響我國農業生產最嚴重的氣象災害之一[1- 3]。近年來,干旱已導致我國各省份糧食生產遭受到嚴重損失,每年因旱災損失糧食已達300億kg[4- 5]。

玉米是世界三大糧食作物之一,也是重要的飼料作物[6- 11]。2012年我國玉米產量已超過水稻成為第一大糧食作物[12],對我國糧食及畜牧業發展起著非常重要的作用。玉米作為C4植物,比C3植物具有更高的耐熱、耐旱性,資源利用率也較高,應對氣候變化彈性較大[13- 16]。干旱是影響玉米產量的最主要災害[17],可導致玉米減產20%—50%[18- 19]。北方夏玉米產區是中國玉米的主產區之一。該區十年九旱,干旱是限制玉米增產穩產的主要因素,特別是正在發生的氣候變暖、淡水資源日趨匱乏等進一步加劇了干旱對該區玉米生產的威脅[9, 20]。

已有研究表明,干旱脅迫對玉米的影響程度因不同生育時期而異[21],一般生長前期遇到干旱較后期干旱的減產風險更大[22- 24]。出苗-拔節期作為玉米生長的最初階段,也是玉米營養生長階段的主要時期。在此階段若遭遇干旱會對玉米生長發育和產量產生較大的影響,即使后期復水仍會存在不可逆的影響[25]。玉米受干旱脅迫影響的程度也會因受旱持續時間的長短以及受旱程度的輕重而有所差別[26- 28]。目前,關于干旱對玉米生長發育及光合性能等的影響已有大量研究[29- 32],但關于不同強度干旱及其持續時間對玉米的影響研究尚未見報道,制約著干旱的發生發展過程對中國北方夏玉米生長發育和生理生態過程影響的理解及防旱決策的制定。

光合作用是植物生長發育的基礎,也是干旱影響植物生長、代謝過程的關鍵環節[33],其變化必然會引起許多其他生理和農藝學方面的變化[34]。因此,研究干旱脅迫對植物光合生理過程的影響對于揭示植物的抗旱機制具有非常重要的意義。已有研究表明,干旱脅迫一般會降低植物的光合作用能力,造成蒸騰速率、光合速率、氣孔導度、葉水勢降低,水分利用效率下降,進而影響植物的物質生產以及產量的形成[29,35- 38]。并且干旱持續時間越長植物的光合速率降低越明顯[39- 40]。光合速率隨水分脅迫加強而不斷下降是玉米受旱害減產的主要原因[41]。

本研究以我國北方地區普遍種植的夏玉米(鄭丹958)為研究對象,采用大型電動式遮雨棚人工控水技術,通過開展玉米全生育期干旱(整個生育期均處于同一干旱水平)以及拔節后干旱過程(拔節期后停止供水,土壤水分含量逐漸下降)的田間模擬實驗,試圖揭示夏玉米葉片光合生理特性對不同土壤干旱強度及其持續時間的響應機理,探討不同土壤干旱強度及其持續時間影響下夏玉米葉片光合生理性狀間的內在聯系,以豐富干旱對玉米影響的認知。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

實驗在中國氣象局固城生態與農業氣象試驗站遮雨棚內進行(39°08′N, 115°40′E,海拔15.2 m)。電動式遮雨棚面積為750 m2,劃分為42個小區,每個小區面積2 m×4 m,即8 m2。小區之間設有3 m深的混凝土墻以阻止小區間水分的橫向交換。土壤類型為砂壤土,養分狀況為：有機碳、全氮、有效磷和有效鉀含量分別為13.67 g/kg、 0.87 g/kg、0.2576×103g/kg和1.1855×103g/kg。土壤耕層pH值為8.1,容重為1.37 g/cm3,0—30 cm平均田間持水量和凋萎系數分別為21.23%和7.10%[42- 43]。該站年均氣溫為12.1℃,年降水量為494 mm,其中生長季約占全年降水量的70%。

實驗設5個水分處理：全生育期(8月4日—9月10日)充分供水(對照, Control)：整個生育期中0—50 cm土層土壤相對濕度(SRWC)維持在75%±5%；全生育期輕度干旱(處理I, T1)：整個生育期SRWC維持在55%±5%；全生育期重度干旱(處理II, T2)：整個生育期SRWC維持在35%±5%；拔節后輕度干旱過程(處理III, T3)：拔節前按照對照處理充分供水,拔節后(8月16日)根據對照組補水量的1/2進行一次補水,此后不再補水直到生育期末；拔節后重度干旱過程(處理IV, T4)：拔節前按照對照處理充分供水,拔節后根據對照組補水量的1/4進行一次補水,此后不再補水直到生育期末。實驗品種為我國玉米產區主推的夏玉米品種鄭單958,于6月25日播種,行距40 cm,株距30 cm,每小區67株。除水分處理外,其他田間管理同大田。

1.2 光合生理參數測定

選定最新完全展開的玉米葉片進行光合生理參數的測定。用SPAD- 502葉綠素計測定葉片的葉綠素相對含量(SPAD)。用LI- 6400便攜式光合熒光聯合觀測系統(Li-COR, Lincoln, NE, USA)測定葉片氣體交換參數和熒光參數,包括凈光飽和光合速率(Asat)、氣孔導度(gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(E)、水分利用效率(WUE)、光適應下葉綠素光系統II(PSII)的光化學效率(Fv′/Fm′)、PSII實際光化學量子效率(ΦPSII)、光化學淬滅系數(qP)、非光化學淬滅系數(qN)、電子傳遞速率(ETR)等；同步測定環境參數,包括葉片溫度(Tleaf)、相對濕度(RH)、飽和水汽壓差(VPD)等。每次觀測選擇在晴天的(9:00—11:30)進行,光合有效輻射(PAR)水平設定為1500 μmol/m2/s,并保證葉片在光適應15 min后測定,此條件下測定的氣體交換參數和熒光參數為光飽和狀態下的參數,可較好的代表葉片光合能力[44-46]。葉綠素熒光參數的計算參考Genty等人提供的方法[47- 49]。每10 d左右觀測一次,整個玉米生育期共觀測7次。

1.3 數據分析

采用SPSS 20.0軟件對觀測數據進行整理和統計分析(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)。用單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan多重比較檢驗不同處理間各觀測指標的差異,顯著性水平為0.05。用主成分分析法進行葉片性狀間相互關系的綜合研究(各參數載荷的分布方向和特點可指示各個性狀的相互關系)。用多元線性回歸方法分析SPAD與Asat、Fo′、WUE、Ci的關系。

2 結果與分析

2.1 土壤水分對玉米葉片葉綠素相對含量和光合生理參數的影響

全生育期干旱及拔節后干旱過程均顯著降低了玉米葉片的葉綠素相對含量(SPAD),重度干旱較輕度干旱處理SPAD下降幅度更大。隨著干旱持續時間的延長,葉綠素含量對干旱處理的響應趨勢出現差異并逐漸增大：在籽粒灌漿的中后期(9月15日—10月9日),兩種輕度干旱處理(T1、T3)的玉米葉片葉綠素含量出現了適應現象,SPAD不再繼續下降(T3),甚至呈現出上升的趨勢(T1),與對照處理之間的差異逐漸變小；而兩種重度干旱處理(T2、T4)的玉米葉片SPAD則一直呈下降趨勢。拔節后干旱過程處理(T3、T4)下的玉米葉片SPAD在灌漿期前均高于全生育期干旱處理,在灌漿期以后也高于全生育期重度干旱處理,反映了在玉米拔節期前保證充足供水為保證后期葉片生長和葉綠素合成積累物質基礎的重要性(圖1)。

圖1 全生育期干旱和拔節后干旱過程對玉米葉片葉綠素相對含量(SPAD)的影響Fig.1 Effect of drought during the whole growth period and after the jointing stage on chlorophyll contents (SPAD) in maize leaves全生育期干旱：包括出苗之后土壤相對濕度維持在55%±5%的輕度干旱(T1)和土壤相對濕度維持在35%±5%的重度干旱(T2);拔節后干旱過程：包括拔節后只補充對照補水量的1/2(即輕度干旱, T3)和1/4 (即重度干旱, T4)兩個水分處理;不同小寫字母表示各處理之間具有顯著差異(P<0.05)

全生育期干旱及拔節后干旱過程均導致玉米葉片凈光飽和光合速率(Asat)下降。不同的是,全生育期干旱處理(T1、T2)的玉米葉片凈光飽和光合速率在整個生育期均隨著干旱強度的增加而下降幅度增大；拔節后干旱過程(T3、T4)對玉米葉片Asat的影響則表現出輕度干旱過程(T3)比重度干旱過程(T4)的影響更大,導致Asat下降幅度更大。但拔節后干旱過程影響下的玉米葉片Asat均高于全生育期重度干旱處理,說明了拔節期前充足供水對玉米后期適應干旱條件,提高光合速率的重要性(圖2)。

圖2 全生育期干旱和拔節后干旱過程對玉米葉片凈光飽和光合速率(Asat)的影響Fig.2 Effect of drought during the whole growth period and after the jointing stage on light-saturated net photosynthetic rate (Asat) in maize leaves

在光適應條件下,玉米葉片PSII的光化學效率(Fv′/Fm′)在干旱處理初期均表現出了一定程度的升高。在灌漿中期(9月7日—24日),幾種干旱處理的玉米葉片Fv′/Fm′均較前階段有了顯著降低,但到后期又有所增加,這可能是玉米對干旱適應性響應的結果。在全生育期干旱處理(T1、T2)條件下,Fv′/Fm′隨干旱強度的增大而降低幅度增大；在拔節后干旱過程(T3、T4)下則輕度干旱對Fv′/Fm′的影響更大,下降幅度也更大(圖3)。

圖3 全生育期干旱和拔節后干旱過程對玉米葉片PSII光化學效率(Fv′/Fm′)的影響Fig.3 Effect of drought during the whole growth period and after the jointing stage on the photochemical efficiency of PSII in the light (Fv′/Fm′) in maize leaves

2.2 葉綠素含量和光合生理參數隨發育進程的變化

正常供水條件下,玉米葉片葉綠素相對含量(SPAD)、凈光飽和光合速率(Asat)、光適應下PSII光化學效率(Fv′/Fm′)在玉米植株發育早期均較低,且隨著葉片發育進程而增加,但到了植株發育后期,即整個植株加速衰老時又大幅度降低(圖1—3)。干旱改變了這3個參數隨時間的變化趨勢：干旱條件下,三者與發育期不再呈顯著的拋物線變化趨勢,在玉米發育中期即早早出現了較為平穩甚至下降的現象,甚至在灌漿中期還出現了一個高峰,這可能是干旱適應的結果；此后,三者則急劇下降,說明了干旱加之葉片衰老共同作用導致了SPAD、Asat和Fv′/Fm′的明顯降低。

2.3 葉綠素相對含量與光合生理參數的關系

葉綠素相對含量(SPAD)與玉米葉片光飽和光合速率(Asat)呈較顯著的正相關關系(R2=0.52,P<0.001, 圖4),可解釋Asat變化的52%。SPAD與氣孔導度(gs)和胞間CO2濃度(Ci)間也分別存在較弱的正相關和負相關關系(圖4)。除與光化學淬滅系數(qP)相關關系較弱(圖4)外,SPAD與其他葉綠素熒光參數Fv′/Fm′、ΦPSII、ETR、qN之間均存在較顯著的正相關關系(圖4),說明SPAD變化也反映了玉米葉片葉綠素熒光參數的變化特征。

圖4 玉米葉片葉綠素相對含量(SPAD)與光合生理參數的關系Fig.4 The relationship of maize leaf chlorophyll contents (SPAD) with photosynthetic physiological parameters

主成分分析結果表明,前兩個主成分(PC1和PC2)的變化分別解釋了50.1%和14.7%的變量,二者共解釋了64.8%的變量。各參數載荷的分布方向和特點可指示各個性狀間的相互關系。SPAD、Asat、gs、WUE、葉綠素熒光參數等與葉片光合性能相關的參數都和PC1具有較強的正相關關系,這說明PC1的變化可代表玉米葉片光合能力的變化。而Tleaf、Vpd和Ci等則與PC1呈負相關關系,但與PC2呈正相關關系,說明了這些參數與Asat呈負相關關系 (圖5)。這進一步揭示了玉米葉片氣體交換參數、葉綠素熒光參數和環境參數之間的內在聯系。

SPAD的多元線性回歸公式為：SPAD=21.225+0.725Asat+0.198Fo′-2.519WUE-0.04Ci。玉米葉片飽和光下最大凈光合速率(Asat)、光下最小熒光(Fo′)、水分利用效率(WUE)和胞間CO2濃度(Ci)可較好地代表SPAD的變化(F=58.046,P<0.001),它們在回歸方程中的標準化回歸系數分別是：0.734、0.444、-0.726、-0.485。因此,對SPAD影響最大的是Asat,前兩者與SPAD呈正相關,后兩者與SPAD呈負相關。WUE對SPAD的負影響可能是在植株或葉片處于生長較好的情境下,蒸騰速率的變化比光合速率的變化表現出更高的水平,從而導致在SPAD較高時WUE的較低。

圖5 玉米葉片葉綠素相對含量、氣體交換和葉綠素熒光參數主成分分析Fig.5 Principle component analysis of maize leaf chlorophyll contents (SPAD), gas exchange and chlorophyll fluorescence parametersSPAD：葉綠素相對含量,relative content of chlorophyll；Asat：飽和光下凈光合速率,light-saturated net photosynthetic rate；gs：氣孔導度,stomatal conductance；Ci：胞間CO2濃度,intercellular CO2concentration；Tr：蒸騰速率,transpiration rate；WUE(Asat/Tr)：水分利用效率,water use efficiency；WUEi：內在WUE(即Asat/gs),inherent water use efficiency；ETR：電子傳遞速率,electron transfer rate；Fm′：光下最大熒光,maximum fluorescence under light；Fo′：光下最小熒光,minimum fluorescence under light；Fs：穩態熒光,steady state fluorescence；Fv′/Fm′：PSII有效光化學量子產量,PSII effective photochemical quantum yield；ΦPSII：PSⅡ的實際光化學效率,actual photochemical efficiency of PSII；qP：光化學淬滅系數,photochemical quenching coefficient；qN：非光化學淬滅系數,non-photochemical quenching coefficient；RH：相對濕度,relative humidity；Tleaf：葉片溫度,leaf temperature；VPD：葉片飽和水汽壓差,saturation water vapor pressure difference

3 討論

玉米是世界三大糧食作物之一,且是飼料、工業原料等的主要來源。在中國,玉米在糧食及畜牧業發展中發揮著重要的作用,在農業乃至國民經濟中占據重要地位[50]。干旱是玉米生產的主要限制因素之一[1, 8, 10, 44,51],每年導致玉米減產25%—30%,嚴重年份甚至造成部分地區絕收[6, 30]。因此,研究干旱對玉米的影響具有重要的理論和現實意義。

作為植物進行光合作用最為重要且有效的色素,葉綠素能夠在一定程度上反映植物同化物質的能力,其含量是決定植物光合能力和物質生產的重要因素[52- 55]。干旱脅迫會影響葉綠素的生物合成,并促進已有葉綠素的加速分解,降低植物葉片中的葉綠素含量,從而導致葉片變黃,葉綠體片層結構受損,希爾反應減弱,PSII反應中心活力下降,電子傳遞和光合磷酸化過程受到抑制,影響葉片的光合作用,進而影響作物產量[56]。因此,葉綠素含量是干旱影響研究的一個重要指標。本研究表明,葉綠素含量(SPAD)隨著不同的土壤干旱強度及其持續時間,在不同生育期有不同的變化。全生育期干旱和拔節后干旱過程均導致玉米葉片葉綠素含量的顯著下降,而且重度干旱較輕度干旱處理對SPAD的影響更大。這與前人在紫花苜蓿[56]、枇杷[57]、玉米[58]、楊樹[59]等植物的干旱研究中得到的結論相同。本研究還發現,從灌漿中期開始,兩種輕度干旱處理(T1、T3)的玉米葉片SPAD不再繼續下降(T3),甚至呈現出上升的趨勢(T1),而兩種重度干旱處理(T2、T4)的玉米葉片SPAD則一直呈下降趨勢。這一結果反映了葉綠素含量對干旱適應的一面,即在輕度干旱條件下,葉綠素含量隨著干旱持續時間的延長而有一個上升過程,以提高植物葉片的抗旱能力。而當干旱繼續加劇或達到一定嚴重程度時,則會引起細胞水分嚴重缺失,影響了葉綠素的合成,而且原有葉綠素的分解加大,葉綠素含量下降[60]。這一結果與謝文華等[60]、吳玲等[61]、孟雪莉等[62]的研究結果一致。拔節后干旱過程處理下的玉米葉片SPAD在灌漿期前均高于全生育期干旱處理,在灌漿期以后也高于全生育期重度干旱處理,說明了拔節期前保持充足的供水條件為后期玉米葉片生長發育和葉綠素合成奠定了一定的物質基礎,在拔節后干旱過程中仍能保持較高的葉綠素含量。這一結果說明了干旱發生的時間對玉米葉片SPAD有重要影響。

干旱脅迫降低了植物葉片的光合能力,導致其氣孔導度和光合速率下降,而且其下降幅度隨著干旱強度的增加而增大[30, 63-67],本研究表明,在兩種干旱處理條件下,玉米葉片的凈光飽和光合速率(Asat)均顯著下降。全生育期干旱處理的玉米葉片凈光飽和光合速率對干旱強度的響應與一般研究結果相同,即隨著干旱強度的增加其下降幅度增大。但拔節期開始的干旱強度對Asat的影響則呈現出相反的趨勢,這反映了玉米葉片對兩種干旱處理方式的響應差異。拔節后干旱過程影響下的玉米葉片Asat高于全生育期重度干旱處理,說明全生育期重度干旱處理下玉米葉片生長及物質和能量積累在生育初期即遭受嚴重的抑制,導致在整個生育期中光合能力均處于極低的水平。

葉綠素熒光參數可以間接反映植物的光合作用能力,是一種既簡便、快捷又可靠的方法[68]。本研究中在干旱條件下,Fv′/Fm′在兩種干旱處理4個強度下初期均未見下降,甚至還出現了一定的適應性響應,但在干旱處理后期Fv′/Fm′均顯著地低于對照組。這說明植物光合機構的PSII反應中心對短期或輕度的干旱脅迫具有一定適應能力[69],但長期或嚴重的干旱脅迫則破壞了其結構的完整性[70],也可能加速了葉片的衰老過程,進一步導致了其適應性降低,最終致使Fv′/Fm′等為代表的PSII活性下降[44,71]。這一反應增強了玉米葉肉細胞中天線色素的熱耗散能力,從而避免或減輕了過剩光能對光合系統的損傷[72-73]。拔節后重度干旱過程下玉米葉片Asat和Fv′/Fm′均高于輕度干旱過程,氣孔導度(gs)和胞間CO2濃度(Ci)也均高于輕度干旱過程,有別于一般干旱實驗的研究結果,這可能是一種干旱適應的結果,具體原因尚需進一步分析。但這一干旱處理強度已經嚴重影響了玉米植株的生長,雖然單位面積的葉片仍然保持較高的光合速率水平,但由于單株玉米的總葉片數量急劇減少,因此植株總的營養物質生產仍然很低,只能用來維持植株的生存,導致玉米一直保持在營養生長階段而沒有產量。

通過主成分分析,本研究還發現,玉米葉片葉綠素相對含量(SPAD)與光飽和光合速率(Asat)、氣孔導度(gs)、葉綠素熒光參數(Fv′/Fm′、ΦPSII、ETR、qN)等都存在著較強的正相關關系,與胞間CO2濃度(Ci)存在負相關關系,說明SPAD的變化可以反映玉米葉片光合及葉綠素熒光參數的變化特征。而且本研究結果也表明了玉米葉片SPAD對不同的干旱處理方式、不同干旱強度及其持續時間均有較強的差異性響應現象,因此可以將SPAD作為評價玉米葉片光合性能對干旱脅迫響應敏感性的指示性指標。

4 結論

本研究通過開展全生育期干旱和拔節后干旱過程的影響模擬實驗,揭示了夏玉米葉片光合生理特性對不同干旱強度及其持續時間的響應特征及其機理,為我國北方地區玉米育種和節水灌溉提供科學的理論依據。研究結果表明：干旱顯著降低了玉米葉片的葉綠素相對含量(SPAD),但兩種干旱處理下的SPAD隨干旱持續時間的延長而出現響應差異并逐漸擴大；不同強度、不同持續時間的干旱處理均明顯抑制了玉米葉片的最大凈固碳速率(Asat),拔節后的輕度干旱過程對玉米葉片Asat的影響最大；拔節期后重度干旱過程處理下玉米葉片雖保持較高的光合速率,但葉片數量急劇減少,而且一直保持在營養生長階段,沒有產量；在兩種干旱處理方式下,玉米葉片PSII的光化學效率(Fv′/Fm′)均到灌漿中期才開始出現顯著降低現象,表現出了較強的干旱適應能力； SPAD與葉片光合及葉綠素熒光參數均存在較強的相關關系,可作為評價玉米葉片光化學活力和光合能力對干旱脅迫敏感性的指示性指標；拔節后干旱過程處理下的玉米葉片由于在拔節前得到了充足的水分供應而積累了較多的物質和能量,因此在后期生長過程中均表現出比全生育期重度干旱處理更高的SPAD、Asat和Fv′/Fm′,說明不僅干旱強度影響玉米葉片的生理生態過程,干旱發生的時間也有重要的影響。

致謝：感謝中國科學院植物研究所馬全會、劉曉迪、于鴻瑩、李義博、呂曉敏、張利、宋健等在實驗工作中給予的幫助。