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      農業論文

      設施菊花品種“金背大紅”葉片光合特性對高溫脅迫的響應

      時間:2021年04月06日 所屬分類:農業論文 點擊次數:

      摘要:以多頭菊品種金背大紅幼苗為試材,在大型人工氣候室中設置日最低氣溫/最高氣溫分別為25℃/35℃、30℃/40℃,處理3、6、9、12d,晝夜分別恒溫處理12h,并于處理后在20℃/30℃下恢復5、10、15d,以20℃/30℃為對照處理(CK),測定不同處理下菊花幼苗葉片

        摘要:以多頭菊品種“金背大紅”幼苗為試材,在大型人工氣候室中設置日最低氣溫/最高氣溫分別為25℃/35℃、30℃/40℃,處理3、6、9、12d,晝夜分別恒溫處理12h,并于處理后在20℃/30℃下恢復5、10、15d,以20℃/30℃為對照處理(CK),測定不同處理下菊花幼苗葉片的光合參數及光合色素含量,以期揭示高溫脅迫及恢復對設施菊花葉片光合特性、光合色素含量的影響。結果表明:在日最高溫度35℃以上,隨著溫度升高和脅迫時間增加,菊花葉片光飽和點(LSP)、表觀量子效率(AQE)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、氣孔限制值(Ls)、水分利用率(WUE)、葉綠素含量、類胡蘿卜素含量均有所降低,日最高氣溫為40℃時各參數分別比CK降低了56.42%、41.22%、78.54%、90.33%、54.55%、31.29%、54.09%、42.44%、40.26%,恢復后,各項指標有不同程度增加,但趨于穩定后仍無法恢復到CK水平,恢復15d時,各參數分別比CK低47.04%、35.88%、50.56%、76.52%、33.84%、19.45%、32.75%、23.90%、23.07%。研究表明,高溫脅迫嚴重抑制了菊花幼苗的生長,對菊花幼苗光系統的結構和功能造成了不可逆的傷害。

        關鍵詞:高溫脅迫;菊花;光合特性;光合色素含量

      中國花卉盆景

        菊花(chrysanthemum)是古今名花,但是切花菊卻是這個傳統名花中的新分支。雖然目前國內具有一定生產規模,但是仍舊沒有形成質量穩定、品種優良的產業能力。品種基本靠進口、產品質量基本靠天氣的局面沒有根本改變,主要表現在基因資源、高技術育種和現代集約栽培技術等方面[1],日本是我國切花菊的主要目標市場,在8—9月出現消費高峰,每月消費量為9000萬至1億枝左右,但夏季高溫使切花菊的產量、質量及其經濟效益大大降低[2],因此加強高溫下菊花的光合作用特點及其機理研究對菊花的周年工廠化生產與抗熱品種培育均具有重要意義。

        光合作用是植物將光能轉換為可用于生命過程的化學能并進行有機物合成的生物過程[3]。已有的研究表明,光合作用下降與葉片的胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)、氣孔限制值(Ls)等密切相關[4]。高溫條件下葉片氣孔逐漸關閉,氣孔導度降低,導致凈光合速率減小[5]。

        趙和麗等[6]發現,在日最高溫度32~41℃范圍內,隨著溫度升高,植物光飽和點(LSP)、表觀量子效率(AQE)、最大凈光合速率(Pnmax)、最大光化學效率(Fv/Fm)、光合性能指數(PIabs)、綜合性能指數(PItotal)、用于電子傳遞的量子產額(φEo)、用于還原PSI受體側末端電子受體的量子產額(φRo)、用于電子傳遞的光能(ETo/CSm)和有活性的反應中心數量(RC/CSm)均有所降低,主要是由于高溫脅迫破壞了植物幼苗光系統的結構和功能。

        張富存等[7]研究表明,在30~36℃范圍內,隨著溫度升高,葉片最大凈光合速率(Pnmax)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)等有所降低,葉片光合速率與光合有效輻射(PAR)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)等參數呈極顯著正相關(P<0.01),而與溫度呈顯著負相關。葉綠素是綠色植物進行光合作用的主要場所[8],而光合色素含量的多少可以用來反映植物光合能力的強弱[9],有研究表明,高溫處理后植物葉綠素含量下降顯著,且溫度越高,下降幅度越大,表明高溫促進了植物的衰老[10]。

        目前國內外關于高溫脅迫及處理天數對多頭菊光合特性、光合色素的影響機理方面鮮有報道,研究高溫對設施菊花光合特性及光合色素含量的影響是揭示高溫危害機理和確定設施菊花災害指標的前提,對設施環境優化調控及高溫災害防御具有重要意義[11]。為此,該研究以多頭菊品種“金 背大紅”為材料,設置不同的高溫水平和持續時間,研究菊花光合作用對高溫脅迫及恢復的響應,以期了解高溫脅迫對設施菊花的傷害機理,為設施菊花的越夏生產及耐熱性研究提供參考依據。

        1材料與方法

        1.1試驗地概況

        試驗于2019年6—8月在南京信息工程大學農業氣象實驗站人工智能玻璃溫室(Venlo型)內進行,該試驗地位于東經118°51′、北緯32°03′,處于長江以北地區,海拔約22m,屬亞熱帶季風氣候,多年平均降水量約為1100mm,多年平均氣溫約為15.6℃。溫室呈南北走向,長30.0m,寬9.6m,頂高5.0m,肩高4.5m。

        1.2試驗材料

        供試菊花品種為“金背大紅”。

        1.3試驗方法

        于6月6日在溫室內的苗床上開始育苗,土壤質地為中壤土,當苗長至三葉一心或四葉一心時,將菊花苗定植到規格為12.0cm(高)×21.0cm(上口徑)×11.5cm(底徑)的花盆中,盆栽土壤pH6.7,土壤中有機碳、氮、速效磷、速效鉀含量分別為11500、1185、28.7、94.6mg·kg-1,每盆種植1株,花盆底部放置塑料托盤以防重力水下滲。

        放置于陰涼通風處緩苗1周左右,期間每天18:00給菊花苗澆灑適量水,試驗設計為溫度控制試驗,溫度設置2個水平(夜溫/晝溫),為25℃/35℃、30℃/40℃,晝夜分別恒溫處理12h,相對濕度設置為60%±5%,以溫度20℃/30℃、相對濕度60%±5%環境下處理的菊花幼苗為對照組(CK),試驗設計見表1,試驗期內設置光周期為12h(06:00—18:00),期間每個處理組光合有效輻射(PAR)均設定為800μmol·m-2·s-1。同時采用BP神經網絡的方法模擬夏季南京地區玻璃溫室內的氣溫日變化[12],并以此作為人工氣候箱逐時氣溫的設置依據。

        每個處理組均分別處理3、6、9、12d,各處理結束后再分別恢復5、10、15d。處理前調節校準步入式人工氣候箱(CON-VIRONBDW40)溫度、濕度及光照強度,在試驗開始的第1天06:00,選取生長發育較好、長勢相近、形態差異較小的菊花苗,放入步入式人工氣候箱內進行高溫處理,每處理3次重復,共12盆,花盆用地膜覆蓋防止土面蒸發,處理試驗期間每天18:00向各盆菊花苗中澆灑等量清水,使土壤水分及養分含量保持在正常水平范圍內。

        1.4項目測定

        1.4.1光合參數的測定

        利用便攜式光合作用測定系統LI-6400(LI-CORBiosciencesInc.,USA)于每次測定當天09:00—11:00對菊花葉片進行光合參數測定,每個處理選取3株,每株選取從上至下的第3~5片健康無病蟲害的向陽功能葉作為測定葉片,測定的葉面積為6cm2,測定時LI-6400光合儀的光合有效輻射(PAR)設定為0、50、100、200、300、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000μmol·m-2·s-1,每次測定前采用2000μmol·m-2·s-1光合有效輻射對待測葉片進行光適應20min,葉室溫度為25℃,二氧化碳濃度為400μmol·m-2·s-1,測定不同光合有效輻射對應的凈光合速率(Pn),并將其繪制成光響應曲線,應用光響應曲線模型對曲線進行擬合,得到不同高溫環境下光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、表觀量子效率(AQE)以及最大凈光合速率(Pnmax)。

        另外,通過人工控制LI-6400光合儀的光合有效輻射為1200μmol·m-2·s-1,測定菊花葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、大氣CO2濃度(Ca)、蒸騰速率(Tr),并利用公式WUE=Pn/Tr計算水分利用率(WUE),利用公式Ls=1-Ci/Ca計算氣孔限制值(Ls),測定時每個處理選取3株,每株選取3片葉片進行測定,以其平均值作為最終結果。

        2結果與分析

        2.1高溫脅迫對菊花幼苗葉片光合參數的影響

        從溫度處理來看,光飽和點為CK>35℃>40℃,CK處理下的光飽和點(LSP)、表觀量子效率(AQE)以及最大凈光合速率(Pnmax)均為最大值,而其光補償點(LCP)為所有處理中的最小值。

        2個高溫處理中,35℃處理下的光飽和點(LSP)、表觀量子效率(AQE)以及最大凈光合速率(Pnmax)均顯著低于CK且高于40℃處理,分別較CK降低了51.22%、39.69%、61.15%,分別較40℃處理高出11.93%、2.60%、77.12%,說明高溫處理極大降低了葉片光合速率,且溫度越高,對葉片的傷害越大。從處理天數來看,高溫脅迫處理3、6、9、12d的菊花苗期葉片光飽和點(LSP)、表觀量子效率(AQE)以及最大凈光合速率(Pnmax)均依次降低,相較于CK,光飽和點依次降低43.26%、49.25%、62.33%、67.37%,表觀量子效率依次降低40.46%、45.04%、53.43%、60.30%,最大凈光合速率依次降低55.26%、62.95%、77.20%、82.96%,從Duncan檢驗結果來看,各處理與CK差異顯著(P<0.05),說明高溫脅迫處理時期越長,菊花苗期葉片受到的高溫傷害越大,致使葉片的光合速率不斷降低。

        3討論與結論

        光合作用是植物積蓄能量和形成有機物的過程,作為農業和林業生產的核心,其研究在理論上和生產實踐上都具有重大的意義[14]。而植物的光合作用對環境變化較為敏感[15]。該研究表明,高溫脅迫下,菊花葉片的光飽和點(LSP)、表觀量子效率(AQE)以及最大凈光合速率(Pnmax)均顯著降低,這與XIAO等[16]的研究結果相符。以往的研究發現,逆境脅迫下植物葉片光合反應速率降低的原因主要包括2點:一是由于部分氣孔關閉而導致的氣孔限制,二是光合反應位點同化能力下降所引起的非氣孔限制[17]。當氣孔限制和非氣孔限制同時存在時,判定依據主要是Ci、Gs和Ls的變化方向[18]。

        氣孔限制通常導致Ci降低、Ls升高,而非氣孔限制一般引起Ci增高、Ls降低[19]。該研究表明,隨著溫度的增加,菊花葉片的Gs、Ls均有不同程度的下降,但Ci有所升高,說明引起菊花葉片光合速率下降的主導因素為非氣孔限制,這與孫憲芝等[20]的研究結果一致,但楊世瓊等[21]認為,高溫脅迫對光合作用的抑制作用是由氣孔限制因素引起的,這可能與高溫梯度的設置不同有關。從不同處理天數來看,6、9、12d處理下菊花葉片的Pn、Gs、Ls均有所下降,而Ci顯著升高,說明高溫脅迫時間對光合作用產生的抑制作用主要是由非氣孔限制因素引起的,這與張燕紅等[22]的研究結論一致。有研究表明,在逆境脅迫下,Pn、Gs均下降,Ci上升,表明Pn主要受非氣孔限制。

        隨著脅迫時間延長和程度加強,Pn、Tr下降越顯著[20]。張大龍等[23]認為,溫度對蒸騰的單因素效應為一次函數,即雖然氣孔導度下降,但由于水汽壓驅動力一直增加,所以蒸騰速率仍然會升高,在該研究中,隨著溫度升高及處理時間增加,菊花葉片的Pn、Tr均有不同程度的減小,與張大龍等[23]的研究結論不符,這可能是由于空氣濕度不同導致。

        從恢復情況來看,隨著恢復天數的增加,菊花葉片的LSP、AQE、Pn、Gs、Tr等指標均有不同程度增加,但無法恢復到CK水平,各指標與CK仍具有顯著差異(P>0.05),這說明高溫脅迫對菊花葉片造成了不可逆的損害,韓瑋等[24]研究表明,高溫脅迫3d的處理組在恢復階段葉片Pn、Gs、Tr快速上升并高于對照水平,而6d處理組在恢復階段葉片Pn、Gs、Tr雖也呈現上升趨勢,但始終低于對照,這是由于3d的短期高溫脅迫可能觸發了小白菜的某些防御應答機制,使光合速率出現超補償,有利于植株的快速恢復,說明3d短期的高溫脅迫不足以對光合系統造成不可恢復性的影響。

        園藝師論文投稿刊物:中國花卉盆景主要報道中國重大環境問題的最新研究成果,包括環境物理、環境化學、環境生態、環境地學、環境醫學、環境工程、環境法、環境管理、環境規劃、環境評價、監測與分析。兼顧基礎理論研究與實用性成果,重點報道國家自然科學基金資助項目、國家重大科技攻關項目以及各省部委的重點項目的新成果。

        而6d長期高溫脅迫則會對小白菜造成不可逆的損害,與該研究結論不完全一致,可能是由于植物品種不同。瞬時水分利用效率(WUE)通常指葉片蒸騰消耗單位質量水分時同化的CO2量[25],該試驗中采用菊花葉片瞬時凈光合速率與其蒸騰速率的比值來表示水分利用率。有研究表明在適度高溫或干旱脅迫下,WUE會顯著升高,而重度高溫或干旱脅迫下,WUE下降[26-27]。

        該研究結果與后者相符,在高溫脅迫處理下,菊花葉片的WUE顯著下降,且溫度越高、處理天數越長,WUE越低,可能是由于高溫下的光合作用受到氣孔導度降低、衰老加速、光系統受損或源庫關系改變的限制[28-29],導致凈光合速率下降,同時由于氣孔導度的限制,導致葉片的蒸騰速率也有所下降,而二者比值即WUE也呈下降趨勢,說明高溫對葉片損傷程度更大,屬于重度高溫脅迫。

        參考文獻

        [1]曉白,薛建平,房偉民.菊花:產業蓄勢待發[J].中國花卉園藝,2013(23):28-29.

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        [5]HAMERLYNCKE,KNAPPAK.Photosyntheticandstomatalresponsestohightemperatureandlightintwooaksatthewesternlimitoftheirrange[J].TreePhysiology,1996,16(6):557-565.

        作者:張源達1,楊再強1,2,陸思宇1,楊立1,鄭涵1

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