不同葡萄品種葉片對溫光脅迫的生理響應*

2022-04-20 02:52:54李中瀚張成超杜遠鵬

中國果樹 2022年2期

李中瀚，張成超，翟衡，高振，杜遠鵬

（山東農業大學園藝科學與工程學院，作物生物學國家重點實驗室，山東果蔬優質高效生產協同創新中心，泰安271018）

葡萄屬葡萄科（Vitaceae）葡萄屬（VitisL.）[1]，在全球范圍內廣泛栽培，是一種經濟價值較高的植物[2]。近年來，全球氣候變暖，高溫、強光等極端天氣的頻繁發生，給農業生產造成了巨大損失[3-4]。光合作用是植物在逆境下生長發育的基礎，對環境條件極其敏感，其中光強和溫度是主要的影響因素，光系統Ⅱ（PSⅡ）是光合機構中最易受傷害的部位[5]。光照是光合作用的來源[6]，但是光照過強會導致過剩光能，如果不能及時耗散或利用，就會對胡蘿卜素、葉綠素和Dl 蛋白等造成傷害，從而抑制PSⅡ[7]。高溫脅迫主要通過產生過量活性氧，損傷生物膜結構和功能[8]。高溫往往都伴隨著強光，二者對植物造成復合傷害，強光對高溫脅迫具有加劇作用，高溫強光協同脅迫較高溫或者強光單一脅迫對植物造成的傷害更大[9-10]。夏季持續的高溫和強光，會造成葡萄葉片卷枯和果實日灼、氣灼，影響果實的產量和品質[11]。

熒光參數是研究植物抵御逆境的探針，能反映出植物受損傷的程度，在研究高溫和強光復合脅迫方面具有重要作用，能明確損傷主導因素，為葡萄栽培提供依據。孫永江等研究發現，光強適宜時，溫度超過37 ℃ PSⅡ就會受到傷害，發生光抑制，但是強光脅迫時，溫度超過28 ℃就會損傷PSⅡ，隨溫度升高損傷加劇[12]；高溫強光（40 ℃，1 600 μmol·m-2·s-1）處理會使單位面積有活性反應中心數量（RC/CSm）受到較大的抑制且恢復程度較低，但是弱光可以緩解高溫脅迫[13]。耿慶偉等發現，高溫和強光增加了PSⅡ活性對臭氧脅迫的敏感性，當高溫和強光復合脅迫時，臭氧對PSⅡ活性抑制程度最大[14]。本文在前人研究的基礎上，對不同葡萄品種抵御高溫強光的能力進行比較，以期為篩選抗高溫強光品種提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

美樂（Vitis viniferacv.Merlot）、品麗珠（Vitis viniferacv.Cabernet Franc）、摩爾多瓦（Moldova，Guzali Kala×SV.12-375）、夏黑（Summer Black，V.labrusca×V.vinifera）、福克（Frontenac，V.riparia89×Landot 4511）、香百川（Vitisspp.Chambourcin）等6 個葡萄品種。

1.2 葉綠素熒光參數的測定

在長勢大致相同的各個品種相同節位上各取3片葉，在葉片上隨機打取葉圓片，每個品種各取20片，葉背朝下放入培養皿中，利用水浴鍋與LED 冷光源控制溫度與光強，利用不同的溫度（34、40.5、47 ℃）及光強（800、1 200、1 600 μmol·m-2·s-1）交叉處理1 h。參照王輝等[15]的方法，隨機取7 片葉使用Dual-PAM-100 葉綠素熒光儀（Walz，德國）進行飽和脈沖分析，在測量之前將植株暗適應30 min。暗適應完成后開遠紅光照射測定最小熒光（Fo），之后打開飽和脈沖測定PSⅡ最大熒光產量（Fm）以及P700 中最大氧化量子產量（Pm），然后打開光化光（300 μmol·m-2·s-1），每60 s 打開1次飽和脈沖對其他熒光參數進行測定，待參數變化趨于穩定后對熒光參數進行記錄。

另隨機取7 片葉參照卞鳳娥等[16]的方法利用連續激發式熒光儀（Handy PEA，Hansatech，英國）測定快速葉綠素熒光誘導曲線，通過JIP-test 分析得到熒光參數。

1.3 數據處理

試驗數據使用Excel 2016 進行處理并繪圖，使用SPSS 26 進行單因素方差分析（鄧肯氏多極差檢驗，P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片Y（Ⅱ）的影響

由圖1 可見，在適光（800 μmol·m-2·s-1）和中強光（1 200 μmol·m-2·s-1）條件下，隨著溫度的升高，各葡萄品種葉片的Y（Ⅱ）（PSⅡ有效量子效率）均逐漸降低。在強光（1 600 μmol·m-2·s-1）條件下，隨溫度的升高，福克葉片的Y（Ⅱ）先升高后降低，其他品種均逐漸降低。在同一溫度下，隨著光強的升高，Y（Ⅱ）逐漸降低。在適光條件下，溫度為34 ℃時，歐亞種（美樂、品麗珠）的Y（Ⅱ）顯著高于其他品種，歐美雜交種（夏黑）次之，種間雜交種（香百川）最低；溫度為40.5 ℃時，歐亞種（美樂、品麗珠）的Y（Ⅱ）顯著高于其他品種，歐美雜交種（夏黑）次之，種間雜交種（福克、香百川）最低；溫度為47 ℃時，歐亞種（美樂、品麗珠）的Y（Ⅱ）高于其他品種，歐美雜交種（夏黑）次之，種間雜交種（摩爾多瓦、香百川）最低。中強光和強光與各溫度組合時，基本表現為歐亞種（美樂、品麗珠）的Y（Ⅱ）顯著高于其他品種，歐美雜交種（夏黑）次之，種間雜交種（福克、摩爾多瓦、香百川）最低。

圖1 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片Y（Ⅱ）的影響

2.2 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片NPQ 的影響

在適光（800 μmol·m-2·s-1）、中強光（1 200 μmol·m-2·s-1）和強光（1 600 μmol·m-2·s-1）條件下，隨著溫度的升高，各葡萄品種葉片的NPQ（非光化學淬滅系數）逐漸升高（圖2）。在各溫度條件下，隨著光強的升高，各葡萄品種葉片的NPQ 也逐漸升高。在適光和中強光條件下，溫度為34 ℃和40.5 ℃時，種間雜交種（摩爾多瓦、福克、香百川）NPQ 顯著高于其他品種，歐美雜交種（夏黑）次之，歐亞種（美樂、品麗珠）最低；溫度為47 ℃時，夏黑的NPQ 顯著高于其他品種。強光與各溫度組合時，香百川的NPQ 顯著高于其他品種，美樂最低。

圖2 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片NPQ 的影響

2.3 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片Pm 的影響

在適光（800 μmol·m-2·s-1）、中強光（1 200 μmol·m-2·s-1）和強光（1 600 μmol·m-2·s-1）條件下，隨著溫度的升高，各葡萄品種葉片的Pm（光系統Ⅰ最大量子產額）逐漸降低（圖3）。在各溫度條件下，隨著光強的升高，各葡萄品種葉片的Pm也逐漸降低。在各光照條件下，溫度為34 ℃和40.5 ℃時，夏黑的Pm 高于其他品種，美樂次之，摩爾多瓦最低；溫度為47 ℃時，美樂的Pm 高于其他品種，夏黑次之，摩爾多瓦最低。

圖3 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片Pm 的影響

2.4 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）的影響

由圖4 可見，在適光（800 μmol·m-2·s-1）條件下，隨著溫度的升高，福克、美樂、品麗珠的ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）（環式電子傳遞）先上升后下降，摩爾多瓦、夏黑逐漸下降，而香百川先略下降而后上升。在中強光（1 200 μmol·m-2·s-1）條件下，隨溫度的升高，福克、摩爾多瓦和夏黑的ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）先上升后下降，香百川和品麗珠逐漸下降，而美樂先略下降而后上升。在強光（1 600 μmol·m-2·s-1）條件下，隨溫度的升高，福克和香百川的ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）先上升后下降，美樂、摩爾多瓦、品麗珠和夏黑逐漸下降。在相同溫度條件下，隨光強的升高，福克、品麗珠和夏黑的ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）逐漸升高。在各光照條件下，溫度為34 ℃和40.5 ℃時，夏黑的ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）均顯著高于其他品種。溫度為47 ℃時，在適光條件下，香百川的ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）顯著高于其他品種；在中強光和強光條件下，摩爾多瓦的ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）均顯著高于其他品種。

圖4 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）的影響

2.5 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片ETo/CSo、VJ、Plabs、ΨEo、φPo 的影響

圖 5 表示各葡萄品種在不同溫光處理下ETo/CSo（單位面積葉面積上吸收的光能用于電子傳遞的能量）、VJ（J 點的相對可變熒光）、Plabs（光合性能指數）、ΨEo（吸收光能用于電子傳遞的量子產額）、φPo（PSⅡ最大光化學效率）等葉綠素熒光參數的變化，對照的溫度和光強分別為25 ℃、800 μmol·m-2·s-1。與對照相比，在相同光照條件下，隨溫度的升高，各葡萄品種的ETo/CSo、Plabs、φPo 和ΨEo 均表現出下降的趨勢；當溫度相同時，隨著光強的升高，各品種的ETo/CSo、Plabs、φPo和ΨEo 也均表現出下降的趨勢。在各高溫與光照組合下，歐亞種（美樂、品麗珠）的ETO/CSo、Plabs、φPo 和ΨEo 均顯著高于其他品種。與對照相比，在相同光照條件下，隨著溫度的升高，各品種的VJ均表現出上升的趨勢；當溫度相同時，隨光強的升高，各品種的VJ 也均表現出上升的趨勢。在各高溫與光照組合下，歐美雜交種（夏黑）的VJ 均顯著高于其他品種。

圖5 溫光脅迫對不同葡萄品種葉片ETo/CSo、VJ、Plabs、ΨEo、φPo 等熒光參數的影響

3 討論

植物在受到脅迫時最先做出反應的部位是原初光合反應的中心PSⅡ，其對應的熒光參數被稱為研究植物光合生理的探針[17]，本研究通過測定不同葡萄品種的熒光參數來評價不同品種葉片抵御高溫強光的能力。當葡萄葉片受到溫光脅迫時，捕光色素、類囊體膜蛋白以及放氧復合體（OEC）被破壞，降解了葉綠素[18]，從而降低了實際光化學效率數值Y（Ⅱ）。歐亞種（美樂、品麗珠）的Y（Ⅱ）顯著高于其他品種，表明歐亞種受破壞程度較輕，對溫光脅迫的抗性較強。NPQ 表示依賴于葉黃素循環的非輻射能量耗散，反映植物的光保護能力[19]。當植物受到高溫強光脅迫時，捕獲的光能主要以熱能的形式耗散，轉化成光合同化力的光能減少[20-21]。種間雜交種（摩爾多瓦、福克、香百川）的NPQ 顯著高于其他品種，歐美雜交種（夏黑）次之，歐亞種（美樂、品麗珠）最低，表明歐亞種（美樂、品麗珠）用于熱耗散的能量較少，轉化成光合同化力的能量較多。Pm 表示PSⅠ反應中心P700 最大量子產額，其數值大小反映了PSⅠ受脅迫的程度。歐亞種（美樂）的Pm 顯著高于其他品種，表明歐亞種PSⅠ受脅迫程度較輕，對溫光脅迫的抗性較強。ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）在一定程度上可以表示PSⅠ光修復能力的大小，隨著溫度的升高，適光和中強光條件下，ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）有先升高后下降的趨勢，而強光條件下，ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）逐漸下降，說明47 ℃的高溫嚴重阻礙了其光修復能力，強光更易導致ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）下降。溫度為47 ℃時，在中強光和強光條件下，摩爾多瓦的ETR（Ⅰ）-ETR（Ⅱ）顯著高于其他品種，說明摩爾多瓦PSⅡ與PSⅠ的電子傳遞效率較高，PSⅠ光修復能力較強。

高溫強光脅迫會影響PSⅡ電子傳遞鏈活性和光合綜合性能指數，光合性能指數（Plabs）能準確地反映脅迫對光合機構的影響。高溫強光條件下，各葡萄品種葉片的Plabs（光合性能指數）、φPo（PSⅡ最大光化學效率）和ΨEo（吸收光能用于電子傳遞的量子產額）顯著降低，VJ（J 點的相對可變熒光）升高，同時破壞了葉片中的葉綠素，從而降低了ETo/CSo（單位面積葉面積上吸收的光能用于電子傳遞的能量）。在各個溫光組合下，歐亞種（美樂、品麗珠）的Plabs、ETo/CSo、φPo 和ΨEo均顯著高于其他品種，說明歐亞種的PSⅡ電子傳遞鏈活性較高，耐高溫強光；歐美雜交種（夏黑）的VJ 均顯著高于其他品種，VJ 表示受脅迫的程度，說明夏黑不耐高溫強光。