苗期高溫高濕條件對黃瓜葉片光系統(tǒng)Ⅱ中心葉綠素熒光特性的影響*

李巖宸，楊再強,2**，楊 立，羅 靖，張豐寅

苗期高溫高濕條件對黃瓜葉片光系統(tǒng)Ⅱ中心葉綠素熒光特性的影響*

李巖宸1，楊再強1,2**，楊 立1，羅 靖1，張豐寅1

（1．南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2．江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044）

以黃瓜品種‘津優(yōu)101’(Jinyou101）為試材，進行人工環(huán)境控制試驗，設計三因素正交試驗，高溫設計4個水平，即32℃（日最高氣溫）/22℃（日最低氣溫）、35℃/25℃、38℃/28℃和41℃/31℃；空氣相對濕度設計3個梯度水平，分別為50%±5個百分點、70%±5個百分點和90%±5個百分點，處理持續(xù)時間為3d、6d、9d和12d，以28℃/18℃、50%±5個百分點為對照（CK）。測定不同處理下黃瓜葉片葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)，以了解高溫高濕對黃瓜葉片光系統(tǒng)Ⅱ中心葉綠素熒光特性的影響。結(jié)果表明：在日最高溫度32～41℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，苗期黃瓜葉片快速熒光動力學標準化曲線ΔVt在J相和K相呈現(xiàn)明顯凸起，41℃處理ΔVt的曲線凸起最明顯（ΔVJ=0.24848、ΔVK=0.09116），且ΔK和ΔJ均>0,標準化曲線ΔWt呈現(xiàn)明顯的K峰，70%空氣相對濕度處理的標準化曲線ΔVt無明顯凸起（ΔVJ=0.00421，ΔVK=-0.0031）。隨著溫度的升高，單位反應中心耗散掉的能量（DIo/RC）、用于熱耗散的量子比率（φDo）均有所升高，41℃處理下最高，較CK分別增加85.24%和18.96%；用于電子傳遞的量子產(chǎn)額（φEo）、單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量（ETo/RC）有所降低，41℃處理下最低，較CK分別減少49.64%和38.05%。在高溫脅迫下，空氣相對濕度70%處理下ETo/RC和φEo均大于50%和90%處理，較50%處理分別增大28.69%和47.04%，較90%處理分別增大18.36%和12.02%。研究認為高溫破壞了黃瓜葉片光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，使光化學效率下降，70%空氣相對濕度可以減輕高溫對光系統(tǒng)Ⅱ供體側(cè)和受體側(cè)的損害，緩解高溫對黃瓜葉片光合機構(gòu)的傷害。

高溫高濕；黃瓜；光系統(tǒng)Ⅱ；葉綠素熒光

黃瓜（L.）屬葫蘆科甜瓜屬植物，草本蔓生，是中國主要設施作物之一[1]，栽培面積和產(chǎn)量均居世界第一位[2]。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的數(shù)據(jù)，截至2019年，中國黃瓜種植面積已達125.8萬hm2，總產(chǎn)量達70339萬t。黃瓜喜溫但不耐高溫，25～30℃種植較為適宜[3?4]。

逆境脅迫影響植物的光合作用能力，且光合作用對高溫脅迫較為敏感[5?6]。葉綠素熒光與植物的光合作用密不可分，能夠反應植物在逆境脅迫下光合系統(tǒng)的變化[7]。葉綠素熒光動力學方法能夠很好地研究植物在各種逆境脅迫下的光合作用，有著快速、靈敏、無損傷等優(yōu)點[7]。通過分析葉綠素熒光動力學曲線（OJIP曲線）及其測定參數(shù)，可以得知逆境脅迫對植物光合機構(gòu)的影響。

目前，國內(nèi)外關于高溫對植物光系統(tǒng)II的影響已有了廣泛研究。黃偉等[8]發(fā)現(xiàn)高溫強光脅迫下鐵皮石斛的最大葉綠素熒光值（Fm）和電子傳遞速率下降，說明高溫降低了光系統(tǒng)II的活性并對電子傳遞鏈造成損傷；穆心愿等[9]發(fā)現(xiàn)花期高溫脅迫下玉米穗位葉光系統(tǒng)II最大光化學效率（Fv/Fm）等葉綠素熒光參數(shù)下降，說明高溫使光系統(tǒng)II受損，光合性能下降；吳思佳等[10]發(fā)現(xiàn)抽穗期高溫脅迫，水稻的光合參數(shù)和光化學效率均受到顯著抑制，葉綠素熒光動力學曲線上各相位的熒光強度下降[11]；李化龍等[12]發(fā)現(xiàn)在30～39℃下獼猴桃葉片的熒光參數(shù)受影響較小，隨著溫度升高至45℃以上，獼猴桃葉片各個葉綠素熒光參數(shù)升到峰值或降至谷底，對光系統(tǒng)Ⅱ造成嚴重損傷；Jain等[13]發(fā)現(xiàn)高溫會影響小麥葉片葉綠素熒光參數(shù)和性能指標的表達，高溫引起的快速葉綠素熒光瞬變，表明高溫對葉片光合活性造成損害，對快速葉綠素熒光動力學曲線分析表明，O-K相和O-J相的相對可變熒光與高溫應力耐受性有關；在高溫脅迫下，對番茄幼苗進行高濕處理，可以有效緩解高溫脅迫下的光抑制，提高光系統(tǒng)II最大光化學量子產(chǎn)量[14]。

目前針對逆境脅迫對黃瓜影響的機理研究，主要集中于單因素方面，而對高溫高濕復合脅迫對苗期黃瓜葉片葉綠素熒光動力學的影響尚未報道。因此，本研究開展環(huán)境控制試驗，探討高溫高濕脅迫下苗期黃瓜葉片葉綠素熒光動力曲線及JIP-測定參數(shù)的變化規(guī)律，以期為設施黃瓜栽培中的溫濕度控制提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

實驗于2020年6月在南京信息工程大學農(nóng)業(yè)氣象試驗站進行，供試黃瓜品種為‘津優(yōu)101’（Jinyou101）。在溫室苗床上育苗，當黃瓜苗長至第一片真葉展開時，選取長勢較好且較一致的黃瓜苗移植至規(guī)格為高30cm、上口徑41cm、底徑23cm的花盆中，每盆一株。約30d后，選取長勢一致并處于四葉一心的黃瓜苗移植人工氣候箱（TPG-2009，Australian）中，進行控制試驗。

1.2 試驗設計

試驗設計為溫度與相對濕度雙因素正交試驗，人工氣候箱溫度設計4個水平（晝溫/夜溫），即32℃/22℃、35℃/25℃、38℃/28℃和41℃/31℃，晝溫表示白天最高溫度，設置在14：00出現(xiàn)，夜溫表示夜晚最低溫度，設置在5：00出現(xiàn)，空氣相對濕度設計3個水平，即50%、70%、90%（±5個百分點），持續(xù)時間設計3d、6d、9d和12d。以氣溫28℃/18℃、相對濕度50%±5個百分點為對照（CK）。溫濕度控制按正交試驗設計表進行（表1），6：00-18：00設定光合有效輻射（PAR）為1000μmol·m–2·s–1，其他時段為0。每日9：00補充水分，水量適宜且一致，保證土壤濕潤。每個處理3株黃瓜，共計48株。

表1 正交試驗表

1.3 葉綠素熒光參數(shù)測定

每個處理測3株，測定前，從上往下，選擇3～4片黃瓜葉片作為待測葉片，將所有待測定葉片暗適應20min，采用植物效率分析儀（PocketPEA，Hansatech，UK）測定黃瓜葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP）及其相關熒光參數(shù)，其中，F(xiàn)0為最小熒光（20μs），F(xiàn)m為最大熒光（0.3～2s），F(xiàn)t為任意時刻的熒光值。

對OJIP曲線進行JIP-test分析，可得以下參數(shù)：單位反應中心吸收的光能ABS/RC = Mo(1/VJ) (1/φPo)，單位反應中心捕獲的用于還原QA的能量TRo/RC = Mo(1/VJ)，單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量ETo/RC = Mo(1/Vj) φo，單位反應中心耗散掉的能量DIo/RC = ABS/RC ? TRo/RC，用于熱耗散的量子比率φDo= 1 ? φPo= Fo/Fm，最大光化學效率φPo= TRo/ABS = 1 ? (Fo/Fm)，捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的概率Ψo= ETo/TRo= 1 ? VJ，用于電子傳遞的量子產(chǎn)額φEo= ETo/ABS = [1 ? (Fo/Fm)] ψo，用于還原PSI受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額φRo= REo/ABS = TRo/ABS (1 ? VI)。

將照光 t 時刻的可變熒光強度O-P標準化：Vt= (Ft–Fo)/(Fm–Fo)、O-J標準化：Wt=(Ft–Fo)/(FJ–Fo)[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各處理的指標值均為3次重復的算術(shù)平均值，正交試驗數(shù)據(jù)處理方法參照董如何等[16]，確定因素的最佳水平組合。采用SPSS26進行方差統(tǒng)計和Duncan多重比較分析，Excel2010進行數(shù)據(jù)分析和圖像繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期高溫高濕條件對葉片快速熒光動力學特性的影響

2.1.1 葉片快速熒光動力學曲線

由圖1a可見，CK處理（溫度28℃/18℃、相對濕度50%）下，黃瓜葉片快速熒光動力學曲線（OJIP）上O-P的熒光值為4566.22～20925.56，根據(jù)正交試驗規(guī)律得到的高溫條件下即32℃、35℃、38℃和41℃處理中OJIP曲線上P點的熒光值分別為4041.07～19904.37、4075.00～19629.15、3789.25～17070.86和3856.75～15636.44，表明隨著環(huán)境溫度的升高，葉片熒光值逐漸下降。CK處理下OJIP曲線上I-P相的熒光值為17735.00～20925.55，而32℃、35℃、38℃和41℃處理下I-P相的熒光值分別為15645.85～19904.37、15117.70～19629.15、13596.61～17070.86和13140.03～15636.44，表明隨著環(huán)境溫度的升高，OJIP曲線上I-P相的熒光值下降程度逐漸增大。41℃處理下I-P相的熒光值下降最為明顯，而32℃和35℃處理中OJIP曲線與CK較為接近，熒光值下降程度并不明顯。由圖1b可見，空氣相對濕度50%、70%和90%處理中OJIP曲線上J-P相的熒光值均低于CK，其中空氣相對濕度70%處理下 O-P相的熒光值為4093.39～19110.53，偏移程度最小，空氣相對濕度90%處理下O-P相的熒光值為4054.33～18540.36，偏移程度次之，與70%接近，空氣相對濕度50%處理下O-P相的熒光值為3723.56～16458.85，偏移程度最大。由圖1c可見，CK處理下，OJIP曲線上J-P相的熒光值為10973.78～20925.56，3d、6d、9d和12d處理中OJIP曲線上J-P相的熒光值分別為10502.07～18797.30、9780.17～18474.36、10272.70～17328.41和9611.11～16761.92，表明隨著脅迫持續(xù)天數(shù)的增加，OJIP曲線上J-P相的熒光值下降程度逐漸增大，9d與12d處理中OJIP曲線上J-P相的下降最為明顯。3d和6d處理中的OJIP曲線較為接近，9d和12d處理中的OJIP曲線較為接近。可見，黃瓜葉片快速熒光動力學曲線（OJIP）上J-P相的熒光值對脅迫（高溫、空氣相對濕度50%和處理天數(shù)）較為敏感，隨著脅迫程度的增加，J-P相的熒光值下降程度越明顯。

圖1 不同高溫、高濕條件及其脅迫持續(xù)不同天數(shù)后黃瓜葉片快速熒光動力學曲線的比較

2.1.2 OJIP曲線的O-P標準化

對原始的OJIP曲線進行O-P標準化，可以分析光系統(tǒng)Ⅱ放氧復合體和質(zhì)體醌QA的變化。以ΔVt表示任意時刻Vt值與對照Vt的差值，ΔK和ΔJ分別t=300μs和t=2000μs的ΔVt值，結(jié)果見圖2。由圖 2a可見，38℃處理下ΔK和ΔJ分別為0.02217和0.10707，均>0，41℃處理下的ΔK和ΔJ分別為0.09116和0.24848，均>0，38℃和41℃處理中ΔVt曲線在K相和J相間呈現(xiàn)出明顯的凸起。CK（溫度28℃/18℃、相對濕度50%）處理下的ΔVt始終為0，32℃、35℃、38℃和41℃的處理下的ΔK分別為-0.03076、-0.00909、0.02217和0.09116，ΔJ分別為-0.07101、0.03876、0.10707和0.24848，表明隨著環(huán)境溫度的升高，ΔVt曲線在K相和J相間凸起越來越明顯，而在32℃處理下，ΔK和ΔJ分別為-0.03076和-0.07101，均<0，K相和J相間沒有凸起。由圖2b可見，空氣相對濕度70%處理中K相和J相上的ΔVt曲線在ΔVt=0附近且沒有凸起，而空氣相對濕度90%和50%處理中ΔVt曲線在K相和J相間出現(xiàn)明顯的凸起，50%處理下的ΔK和ΔJ分別為0.04419和0.15115，均>0。由圖2c可見，在不同天數(shù)處理下ΔVt曲線均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，且均在K相和J相間有凸起。3d、6d、9d和12d處理中的ΔK分別為0.00410、0.01467、0.02641和0.03315，均>0，ΔJ分別為0.04592、0.07984、0.09501和0.11733，均>0，表明隨著處理天數(shù)的延長，ΔVt曲線在K相和J相間的凸起越高。可見，溫度和濕度對黃瓜葉片ΔVt曲線均有不同程度的影響，41℃和空氣相對濕度50%處理下ΔVt曲線在K相和J相間凸起最明顯。

圖2 不同高溫、高濕條件及其脅迫持續(xù)不同天數(shù)后黃瓜葉片相對可變熒光ΔVt的比較

2.1.3 OJIP曲線的O-J標準化

對原始的OJIP曲線進行O-J標準化，ΔWt為任意時刻Wt值與對照Wt的差值，僅截取0～2ms的圖像進行分析。由圖3a可見，38℃和41℃處理中ΔWt曲線的變化趨勢一致，均呈現(xiàn)出明顯的K峰，41℃處理中的K峰最明顯，且ΔWt>0，而在32℃和35℃處理下的ΔWt均<0，且沒有出現(xiàn)K峰。由圖3b可見，空氣相對濕度50%、70%和90%處理中ΔWt曲線的變化趨勢基本一致，大小順序為50%>90%>70%，不同濕度處理下的ΔWt曲線均出現(xiàn)K峰，且50%濕度下的K峰最為明顯。由圖3c可見，3d、6d、9d和12d處理中ΔWt曲線的變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)出明顯的K峰，且隨著處理天數(shù)的延長，K峰越明顯。

圖3 不同高溫、高濕條件及其脅迫持續(xù)不同天數(shù)后黃瓜葉片相對可變熒光ΔWt的比較

2.2 苗期高溫高濕條件對黃瓜葉片單位PSII反應中心活性的影響

ABS/RC表示單位反應中心吸收的光能。由表2可見，隨著環(huán)境溫度的升高，ABS/RC逐漸增大，不同溫度處理下ABS/RC均與CK（溫度28℃/18℃、相對濕度50%）存在顯著性差異，35℃和41℃處理下ABS/RC顯著增大，較CK分別增加25.24%和31.45%。隨著處理天數(shù)的延長，ABS/RC增加趨勢明顯，9d和12d處理中ABS/RC較CK分別增加26.44%和25.14%。空氣相對濕度50%處理下ABS/RC較CK顯著增大，增大26.16%，空氣相對濕度70%處理下ABS/RC與CK無顯著差異。

DIo/RC是單位反應中心耗散掉的能量。由表2可見，32℃處理下DIo/RC與CK差異不顯著，而隨著環(huán)境溫度繼續(xù)升高，DIo/RC顯著增大，35℃、38℃和41℃較CK分別增加33.33%、57.14%和85.24%，不同溫度處理之間DIo/RC也存在顯著性差異。不同處理天數(shù)下DIo/RC較CK均顯著增大，分別增加29.05%、52.86%、70.00%和76.67%，9d與12d處理間無顯著性差異。空氣相對濕度70%處理下DIo/RC與CK不存在顯著性差異，空氣相對濕度50%和90%處理下DIo/RC較CK顯著增加74.76%和35.71%。

TRo/RC指單位反應中心捕獲的用于還原QA的能量。由表2可見，隨著環(huán)境溫度的升高，TRo/RC逐漸增大。不同溫度處理下TRo/RC與CK均存在顯著性差異，35℃和41℃處理下TRo/RC顯著增大，較CK分別增加30.07%和41.59%，32℃和35℃處理間的TRo/RC無顯著差異。不同處理天數(shù)間的TRo/RC均呈現(xiàn)出顯著的差異，較CK差異顯著，其中12d處理下TRo/RC較CK顯著增加39.06%。空氣相對濕度50%處理下TRo/RC較CK顯著增加35.14%，空氣相對濕度50%和90%處理間的TRo/RC差異不顯著，空氣相對濕度70%處理下TRo/RC與CK差異不顯著。

表2 不同高溫、高濕條件及脅迫天數(shù)后黃瓜葉片PSⅡ反應中心活性的比較

注：根據(jù)正交試驗設計原理，數(shù)據(jù)均為平均值±均方差，小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note：According to the principle of orthogonal experimental design, the values are the mean ± mean square deviation of each temperature, air relative humidity, and treatment days. Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level, and capital letter indicates the difference significance among treatments at 0.01 level.The same as below.

ETo/RC表示單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量。由表2可見，38℃和41℃處理下ETo/RC顯著減小，較CK分別減小27.85%和38.05%，不同溫度處理間的ETo/RC差異顯著。不同處理天數(shù)中ETo/RC顯著小于CK，較CK分別減小12.63%、19.48%、29.53%、37.14%，9d和12d處理間的ETo/RC無顯著性差異。空氣相對濕度50%和70%處理中ETo/RC顯著小于CK，較CK分別減小26.79%和20.40%，空氣相對濕度70%處理下ETo/RC與CK無顯著差異。

2.3 苗期高溫高濕條件對黃瓜葉片PSⅡ反應中心能量分配比率的影響

φPo是PSII最大光化學效率。由表3可見，隨著環(huán)境溫度的升高，黃瓜葉片φPo逐漸降低，以32℃處理下的φPo最大，與CK（溫度28℃/18℃、相對濕度50%）無顯著差異，不同溫度處理間的φPo差異顯著，38℃和41℃處理下φPo顯著小于CK，較CK分別減少3.33%和4.44%。3d和6d處理間的φPo無顯著性差異，9d和12d處理下φPo顯著小于CK，較CK分別減少3.09%和4.32%，隨著處理天數(shù)的延長，φPo逐漸降低。空氣相對濕度50%處理下，φPo與CK相比顯著降低，較CK減少3.21%，空氣相對濕度70%處理下，φPo與CK無顯著性差異。φPo的大小表現(xiàn)為70%>90%>50%。

ψo表示捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的概率。由表3可見，不同溫度處理下ψo與CK差異顯著，35℃、38℃和41℃處理下，ψo顯著小于CK，較CK分別減小26.50%、27.03%和47.30%，35℃和38℃處理間的ψo無顯著差異，隨著環(huán)境溫度的升高，ψo逐漸降低。9d和12d處理下，ψo均顯著小于CK，較CK分別降低27.03%和38.60%，3d和6d處理下，ψo與CK無顯著性差異，隨著處理天數(shù)的延長，ψo逐漸降低。空氣相對濕度90%和50%處理下，ψo與CK相比顯著降低，較CK分別降低15.43%和34.50%，空氣相對濕度70%處理下，ψo與CK差異不顯著。ψo大小表現(xiàn)為70%>90%>50%。

φEo指用于電子傳遞的量子產(chǎn)額。由表3可見，各個溫度處理下，φEo與CK相比均差異顯著，35℃、38℃和41℃處理下φEo顯著降低，較CK分別降低27.86%、29.46%和49.64%，35℃與38℃處理間φEo無顯著差異，φEo隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸降低。12d處理下φEo顯著小于CK，較CK減小41.25%，3d與6d處理間的φEo無顯著差異，隨著脅迫天數(shù)的延長，φEo逐漸降低。空氣相對濕度50%和90%處理φEo顯著降低，較CK分別降低36.61%和16.79%，空氣相對濕度70%處理下，φEo與CK無顯著差異。φEo的大小表現(xiàn)為70%>90%>50%。

表3 不同高溫、高濕條件及脅迫天數(shù)后黃瓜葉片PSⅡ反應中心量子產(chǎn)量的比較

φRo表示用于還原PSI受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額。由表3可見，32℃處理下φRo與CK差異不顯著，35℃與38℃處理間的φRo無顯著差異，且均顯著小于CK，較CK分別減小16.25%和21.25%，41℃處理下φRo最小，較CK減小33.33%，φRo隨著環(huán)境溫度的升高逐漸降低。3d與6d處理間的φRo無顯著差異，9d與12d處理間的φRo也無顯著差異，均顯著小于CK，較CK分別減小22.92%和33.75%，隨著處理天數(shù)的延長，φRo逐漸降低。空氣相對濕度50%處理下φRo顯著減小，較CK減小21.67%，空氣相對濕度70%處理下，φRo與CK無顯著差異。φRo大小表現(xiàn)為70%>90%>50%。

φDo表示用于熱耗散的量子比率。由表3可見，38℃和41℃處理下φDo顯著增大，較CK分別增加14.21%和17.10%，各溫度處理下的φDo與CK均存在顯著差異，φDo隨著環(huán)境溫度的升高逐漸增大。3d與6d處理間的φDo無顯著差異，9d和12d處理下φDo顯著增大，較CK分別增加13.16%和18.42%，隨著處理天數(shù)的延長，φDo逐漸增大。空氣相對濕度50%處理下φRo顯著減大，較CK增加13.68%，空氣相對濕度70%和90%處理下φDo與CK無顯著差異。φDo大小表現(xiàn)為50%>90%>70%。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

通過分析葉綠素熒光，可以得知植物對環(huán)境因素改變的響應[17]。PSⅡ是光合系統(tǒng)對溫度脅迫最敏感的部位之一，與葉綠素熒光的聯(lián)系十分密切[18]。為了更深入了解黃瓜葉片光系統(tǒng)對高溫高濕脅迫的響應，本研究對高溫高濕下黃瓜葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線進行分析，研究發(fā)現(xiàn)，高溫會對黃瓜葉片快速熒光動力學曲線產(chǎn)生顯著影響，隨著溫度的升高和處理天數(shù)的延長，O-P點的熒光值逐漸下降，41℃高溫12d處理下的熒光值最低，其中J-P點的熒光值下降程度最為明顯，說明PSⅡ供體側(cè)的電子傳遞受阻，導致P680+積累[19]；O-J相熒光值下降也有所下降，說明PSⅡ受體側(cè)的電子傳遞也受到了影響[20]。這與尹賾鵬等[21]研究的高溫脅迫下番茄幼苗葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的變化一致。在不同濕度處理下，70%濕度的熒光值最大，50%和90%濕度處理的熒光值均有所降低，說明70%處理能夠促進高溫脅迫下PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)的電子傳遞。為進一步了解高溫高濕脅迫下黃瓜葉片PSⅡ的變化，對原始的OJIP曲線進行標準化得到ΔVt曲線和ΔWt。在高溫處理下，ΔVt曲線在38℃和41℃處理下均呈現(xiàn)出明顯的凸起，ΔK和ΔJ均>0，ΔWt在38℃和41℃處理下均呈現(xiàn)出明顯K峰，說明高溫使得PSⅡ的放氧復合體失活，質(zhì)體醌QA傳遞電子的效率下降[22]，這與Zhang等[23]發(fā)現(xiàn)鹽水脅迫會阻礙山梨葉片PSⅡ受體側(cè)QA向QB的電子傳輸一致；在3個濕度處理下，90%和50%濕度處理的ΔVt曲線呈現(xiàn)出凸起，70%濕度下ΔVt曲線在Ｋ相和Ｊ相無明顯凸起，ΔK略小于0，ΔJ略大于0，從ΔWt曲線上看，三個濕度處理下均出現(xiàn)K峰，說明三個濕度處理均使QA的電子傳遞效率下降，70%濕度緩解了高溫對PSⅡ水裂解系統(tǒng)抑制作用，減輕高溫對放氧復合體OEC的破壞。

葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)可以反映PSⅡ?qū)饽艿奈铡⒗煤头峙洌ㄟ^分析葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)，可以進一步了解高溫脅迫對PSⅡ結(jié)構(gòu)和功能的影響[24]。本試驗研究中，隨著高溫脅迫程度和脅迫天數(shù)的增加，黃瓜葉片單位PSⅡ反應中心吸收的光能(ABS/RC)，捕獲用于還原QA的能量(TRo/RC)和耗散掉的能量(DIo/RC)有所升高，單位PSⅡ反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量(ETo/RC)則呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，ABS/RC可以用來衡量天線色素的大小，ABS/RC和TRo/RC均增大，說明天線色素的尺寸增大[25]，天線色素吸收和捕獲的光能增加，但用于電子傳遞的能量減少，從而導致更多的光能以熱能的形式散失，這與宋佳寶等[26]發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下植物光系統(tǒng)Ⅱ產(chǎn)生光抑制, 光合機構(gòu)被不可逆地損壞一致，也與張瑤等[27]發(fā)現(xiàn)低溫寡照條件下黃瓜葉片光系統(tǒng)Ⅱ性能降低一致，而有研究表明，高溫脅迫下植物的ABS/RC、TRo/RC和ETo/RC均有所降低[28]，這可能是由試驗材料不同引起的；從濕度處理看，在70%濕度處理下，PSⅡ反應中心用于電子傳遞的能量有所增加，以熱能的形式耗散掉的能量有所減少，進一步說明了適當增加濕度，可以提高高溫脅迫下PSⅡ反應中心受體側(cè)電子傳遞活性。本研究中，隨著高溫脅迫程度的增加，φPo、ψo、φEo、φRo有所下降，φDo升高與ETo/RC和DIo/RC的變化一致[29]。說明高溫脅迫影響了黃瓜葉片光系統(tǒng)Ⅱ能量的分配比率， PSⅡ所捕獲的光能更少地用于光化學反應[30]；在濕度處理下，70%濕度處理下傳遞電子的光能增加，用于熱耗散的光能減少，使得QA向QB的電子傳遞能夠順利進行，提升了PSII光化學效率。極差分析表明，苗期黃瓜葉片，在日最高氣溫35℃、70%空氣相對濕度時PSⅡ活性最強，在日最高氣溫41℃、90%空氣相對濕度時PSⅡ活性最弱。

3.2 結(jié)論

高溫破壞了黃瓜葉片的光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，使得光化學效率下降，70%空氣相對濕度可以減輕高溫對放氧復合體的損傷，提升高溫下光系統(tǒng)Ⅱ供體側(cè)電子傳遞效率，優(yōu)化光反應中心的能量分配與利用，緩解高溫對黃瓜葉片光合機構(gòu)的傷害。不同品種的植株對逆境脅迫的響應有所不同，本研究僅以黃瓜品種‘津優(yōu)101’為研究對象，研究結(jié)果對其他品質(zhì)葉綠素熒光動力學參數(shù)的影響規(guī)律是否一致有待進一步研究。

[1] 趙恒棟,崔世茂,李明,等.高溫高濕高CO2處理對黃瓜根系生長及根系保護酶活性的影響[J].中國園藝文摘,2011, 27(5): 1-3.

Zhao H D,Cui S M,Li M,et al.The effects of high temperature,high humidity and high CO2treatment on cucumber root growth and root protective enzyme activities[J].Chinese Horticulture Abstracts,2011,27(5): 1-3. (in Chinese)

[2] 趙春波,宋述堯,趙靖,等.北方地區(qū)不同黃瓜品種氮素吸收與利用效率的差異[J].中國農(nóng)業(yè)科學, 2015,48(8): 1569- 1578.

Zhao C B,Song S Y,Zhao J,et al.Differences in nitrogen absorption and utilization efficiency of different cucumber varieties in northern regions[J].Scientia Agricultura Sinica, 2015,48(8):1569-1578.(in Chinese)

[3] 孫艷,徐偉君,范愛麗.高溫強光下水楊酸對黃瓜葉片葉綠素熒光和葉黃素循環(huán)的影響[J].應用生態(tài)學報,2006(3): 3399-3402.

Sun Y,Xu W J,Fan A L.Effects of salicylic acid on chlorophyll fluorescence and lutein cycle of cucumber leaves under high temperature and strong light[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2006(3): 3399-3402.(in Chinese)

[4] 孟令波,秦智偉,李淑敏,等.高溫脅迫對黃瓜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].中國蔬菜,2004(5):5-7.

Meng L B,Qin Z W,Li S M,et al.The effect of high temperature stress on cucumber yield and quality[J]. China Vegetables,2004(5): 5-7.(in Chinese)

[5] 葛君,劉震.低溫脅迫對拔節(jié)期小麥光合色素、光合參數(shù)及葉綠素熒光特性的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學,2021,49(11): 1253-1256.

Ge J,Liu Z.Effects of low temperature stress on photosynthetic pigments, photosynthetic parameters and chlorophyll fluorescence characteristics of wheat at jointing stage[J].Journal of Shanxi Agricultural Sciences,2021,49 (11):1253-1256.(in Chinese)

[6] 闞文杰,席金鳳,姚緣圓,等.外源H2S對干旱脅迫下小麥幼苗光合指標的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學,2021,49(12): 1419-1425.

Kan W J,Xi J F,Yao Y Y,et al.Effects of exogenous H2S on photosynthetic indices of wheat seedlings under drought stress[J].Journal of Shanxi Agricultural Sciences,2021, 49(12):1419-1425.(in Chinese)

[7] 陳建明,俞曉平,程家安.葉綠素熒光動力學及其在植物抗逆生理研究中的應用[J].浙江農(nóng)業(yè)學報,2006(1): 51-55.

Chen J M,Yu X P,Cheng J A.Chlorophyll fluorescence dynamics and its application in the research of plant stress resistance[J].Acta Agriculturae Zhejiangensis,2006(1):51- 55.(in Chinese)

[8] 黃偉,譚順玲,孫虎.高溫和強光復合脅迫對鐵皮石斛光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ活性的影響[J].西部林業(yè)科學,2021,50(3):8.

Huang W,Tan S L,Sun H.Effects of combined stress of high temperature and strong light on Dendrobium candidum photosystem Ⅰ and Ⅱ activity[J].Journal of West China Forestry Science,2021,50(3):8.(in Chinese)

[9] 穆心愿,馬智艷,張?zhí)m薰,等.不同耐/感玉米品種的葉片光合熒光特性、授粉結(jié)實和產(chǎn)量構(gòu)成因素對花期高溫的反應[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2021(1): 1-15.

Mu X Y,Ma Z Y,Zhang L X,et al.Responses of leaf photosynthetic fluorescence characteristics,pollination setting and yield components of different tolerant/ susceptible maize varieties to high temperature during flowering[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2021(1): 1-15 .(in Chinese)

[10] 吳思佳,李仁英,謝曉金,等.抽穗期高溫對水稻葉片光合特性、葉綠素熒光特性和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報,2021,52(1):20-27.

Wu S J,Li R Y,Xie X J,et al.Effects of high temperature at heading stage on rice leaf photosynthetic characteristics, chlorophyll fluorescence characteristics and yield components[J].Journal of Southern Agriculture,2021,52(1): 20-27.(in Chinese)

[11] Choi H G,Jeong H J.Comparison of chlorophyll fluorescence and photosynthesis of two strawberry cultivars in response to relative humidity[J]. Horticultural Science and Technology,2020,38(1):66-77.

[12] 李化龍,王景紅,張維敏,等.高溫脅迫對獼猴桃葉片葉綠素熒光特性的影響[J].應用氣象學報,2021,32(4):468-478.

Li H L,Wang J H,Zhang W M,et al.Effects of high temperature stress on chlorophyll fluorescence characteristics of kiwifruit leaves[J].Journal of Applied Meteorological Science,2021,32(4):468-478.(in Chinese)

[13] Jain N,Singh G P,Pandey R,et al.Chlorophyll fluorescence kinetics and response of wheat (L.) under high temperature stress[J].Indian Journal of Experimental Biology,2018,56(3):194-201.

[14] Xu C,Yang Z Q,Yang S Q,et al.High humidity alleviates photosynthetic inhibition and oxidative damage of tomato seedlings under heat stress[J].Photosynthetica,2020,58(1): 146-155.

[15] Yusuf M A,Kumar D,Rajwanshi R,et al.Overexpression of γ-tocopherol methyl transferase gene in transgenic Brassica juncea plants alleviates abiotic stress:physiological and chlorophyll a fluorescence measurements[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, 2010,1797(8):1428-1438.

[16] 董如何,肖必華,方永水.正交試驗設計的理論分析方法及應用[J].安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版), 2004(6): 103-106.

Dong R H,Xiao B H,Fang Y S.Theoretical analysis method and application of orthogonal experimental design[J]. Journal of Anhui Jianzhu University,2004(6):103-106.(in Chinese)

[17] Maxwell K,Johnson G N.Chlorophyll fluorescence:a practical guide[J].J Exp Bot,2000,51(345):659-668.

[18] Murata N,Takahashi S,Nishiyama Y,et al.Photoinhibition of photosystem II under environmental stress[J]. Biochimica et Biophysica Acta(BBA) -Bioenergetics,2007,1767(6): 414-421.

[19] Pan X,Deng C,Zhang D,et al.Toxic effects of amoxicillin on the photosystem II of Synechocystis sp. characterized by a variety of in vivo chlorophyll fluorescence tests[J]. Aquatic Toxicology,2008,89(4): 207-213.

[20] Strasser R J,Srivastava A,Govindjee.Polyphasic chlorophyll a fluorescence transient in plants and cyanobacteria[J]. Photochemistry and Photobiology,1995,61(1):32-42.

[21] 尹賾鵬,鹿嘉智,高振華,等.番茄幼苗葉片光合作用、PSII電子傳遞及活性氧對短期高溫脅迫的響應[J].北方園藝,2019(5):1-11.

Yin H P,Lu J Z,Gao Z H,et al.Leaf photosynthesis,PSII electron transport and active oxygen response of tomato seedlings to short-term high temperature stress[J].Northern Horticulture,2019(5):1-11.(in Chinese)

[22] Strasser R J,Srivastava A,Tsimilli-Michael M.The fluorescence transient as a tool to characterize and screen photosynthetic samples[J].Probing Photosynthesis Mechanisms Regulation & Adaptation,2000.

[23] Zhang H,Feng P,Yang W,et al.Effects of flooding stress on the photosynthetic apparatus of leaves of two Physocarpus cultivars[J].Journal of Forestry Research,2017,29(4):1049- 1059.

[24] van Heerden P D R,Strasser R J,Krüger G H J.Reduction of dark chilling stress in N2-fixing soybean by nitrate as indicated by chlorophyll a fluorescence kinetics[J]. Physiologia Plantarum,2004,121(2):239-249.

[25] Brestic M,Zivcak M,Kalaji H M,et al.Photosystem II thermostability in situ:environmentally induced acclimation and genotype-specific reactions inL[J].Plant Physiology and Biochemistry,2012,57:93-105.

[26] 宋佳寶,劉煜光,周曉慧,等.瞬時熱脅迫對秋季3種植物葉片光系統(tǒng)Ⅱ活性和色素含量的影響[J].西部林業(yè)科學, 2021,50(6):140-148.

Song J B,Liu Y G,Zhou X H,et al.Effects of transient heat stress on the activity of photosystem Ⅱ and pigment content in leaves of three plants in autumn[J].Journal of West China Forestry Science,2021,50(6):140-148.(in Chinese)

[27] 張瑤,楊再強,姜雨函,等.低溫寡照條件下黃瓜葉片光合作用減弱的機理分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2022,43(4): 285- 294.

Zhang Y,Yang Z Q,Jiang Y H,et al.Mechanism analysis on photosynthetic attenuation in cucumber leaves under low temperature and weak light condition[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2022,43(4):285-294. (in Chinese)

[28] 王彬,田正鳳,應彬彬,等.高溫脅迫對樟樹光合性能的影響[J].浙江農(nóng)林大學學報,2019,36(1):47-53.

Wang B,Tian Z F,Ying B B,et al.Effects of high temperature stress on photosynthetic performance of camphor trees[J]. Journal of Zhejiang A & F University,2019,36(1):47-53.(in Chinese)

[29] 徐超.苗期高溫對草莓生長發(fā)育和果實品質(zhì)的影響機理及模擬研究[D].南京:南京信息工程大學,2021.

Xu C.Study on the mechanism and simulation of the effect of high temperature in the seedling stage on strawberry growth and fruit quality[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science & Technology, 2021.(in Chinese)

[30] 張會玲,Marian Brestic,Katarina Olsovska,等.高溫脅迫下不同熱敏感性小麥光化學活性和能量分配差異[J]. 植物生理學報,2015,51(7):1142-1150.

Zhang H L,Brestic M,Olsovska K,et al.Differences in photochemical activity and energy allocation of different heat-sensitive wheat under high temperature stress[J].Plant Physiology Journal,2015,51(7): 1142-1150.(in Chinese)

Effects of High Temperature and High Humidity Conditions at Seedling Stage on the Chlorophyll Fluorescence Characteristics in the Center of Photosystem II of Cucumber Leaves

LI Yan-chen1, YANG Zai-qiang1,2, YANG Li1, LUO Jing1, ZHANG Feng-yin1

(1．Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2．Jiangsu Provincial Key Laboratory of Agrometeorology, Nanjing 210044)

In order to study the effects of high temperature and high humidity on the chlorophyll fluorescence characteristics in the center of photosystem II of cucumber leaves at the seedling stage, a cucumber variety "Jinyou 101" was used as the test material to conduct an artificial environment control experiment. A three-factor orthogonal test was designed, and a high temperature conditions was designed with 4 levels: 32℃(the highest daily temperature)/22℃(the lowest daily temperature), 35℃/25℃, 38℃/28℃and 41℃/31℃.The air relative humidity was designed with three gradient levels: 50%±5pp (percent point), 70%±5pp and 90%±5pp. The treatment duration was designed with 4 levels: 3d, 6d, 9d and 12d, and 28℃/18℃, 50%±5% was used as the control (CK). The kinetic parameters of chlorophyll fluorescence induction in cucumber leaves under different treatments were determined to understand the effect of high temperature and high humidity on the chlorophyll fluorescence characteristics of cucumber photosystem II center. The results showed that: In the daily maximum range of 32-41℃, with the increase of temperature, the normalized curve ΔVtof fast fluorescence kinetics of cucumber leaves at seedling stage showed obvious convexity in J and K phases. The curve of ΔVtat 41℃ was the most obvious (ΔVJ=0.24848, ΔVK=0.09116), and both ΔK and ΔJ were >0. The normalized curve ΔWtexhibits a distinct K peak. However, the normalized curve ΔVtof 70% relative air humidity treatment had no obvious bulge (ΔVJ=0.00421, ΔVK=-0.0031). With the increase of temperature, the energy dissipated per unit reaction center (DIo/RC) and the quantum ratio used for heat dissipation (φDo) both increased, reaching the highest at 41℃. Compared with CK, DIo/RC and φDoincreased by 85.24% and 18.96% respectively at 41℃. The quantum yield for electron transfer (φEo) and the energy for electron transfer captured by unit reaction center (ETo/RC) were reduced, reaching the lowest at 41℃, which were 49.64% and 38.05% less than CK, respectively. Under the high temperature stress, ETo/RC and φEowere higher than 50% and 90% in the treatment of 70% relative air humidity. Compared with the 50% treatment, the ETo/RC and φEoincreased by 28.69% and 47.04% under the 70% relative air humidity treatment, and increased by 18.36% and 12.02% compared with the 90% treatment. Research suggests that high temperature destroys the structure and function of the photosystem of cucumber leaves, resulting in a decrease in photochemical efficiency. The relative air humidity of 70% can reduce the damage of high temperature on the donor side and acceptor side of photosystem II, and relieve the damage of high temperature on the photosynthetic mechanism of cucumber leaves.

High temperature and humidity disaster; Cucumber; Photosystem II; Chlorophyll fluorescence

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.11.005

李巖宸,楊再強,楊立,等.苗期高溫高濕條件對黃瓜葉片光系統(tǒng)Ⅱ中心葉綠素熒光特性的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2022,43(11):912-922

2021?12?27

國家重點研發(fā)計劃項目(2019YFD1002202)

楊再強，教授，研究方向為設施農(nóng)業(yè)氣象，E-mail：yzq@nuist.edu.cn

李巖宸，E-mail: 948055298@qq.com