高溫脅迫下鎂對小麥旗葉光合特性及產量的影響

邵宇航，石祖梁，張 姍，賈 濤，王 飛，戴廷波

(1.南京農業大學農學院，江蘇南京 210095；2.農業部農業生態與資源保護總站，北京 100125；3.農業部資源循環利用技術與模式重點實驗室，北京 100024)

小麥是我國主要的糧食作物之一，其產量的高低直接關系到國民經濟的發展。小麥籽粒灌漿的適宜溫度為20～24 ℃，最高溫度為30～32 ℃。在我國黃淮冬麥區和長江中下游麥區，小麥籽粒灌漿常被超過30℃短時高溫所中斷，導致小麥高溫逼熟[1]。研究表明，高溫會破壞小麥植株葉片葉綠體結構及原生蛋白質, 從而影響光合產物的積累與運輸[2-4]，特別是灌漿期高溫可導致小麥減產10%～20%[5-7]。灌漿期高溫脅迫能減少小麥籽粒中淀粉和蛋白質的積累，降低千粒重和籽粒產量[8]。

葉片保持較高的葉綠素含量、光合速率、實際量子產量(ΦPSⅡ)和最大光化學效率(Fv/Fm)是小麥獲得高產的重要保證，特別是生育后期功能葉片光合產物對籽粒產量的貢獻率可達80%以上[9]。因此，維持灌漿期旗葉光合作用對獲得作物高產具有重要價值。鎂是作物生長發育所必需的第四大必需營養元素，是葉綠素的重要組成部分，對植物體的光合作用、氮素吸收、碳水化合物的合成與轉運、蛋白質合成、脂肪代謝、活性氧代謝、根系活力、抗逆性等方面均有重要影響[10-11]。鎂素施用能提高作物產量[12]，并且能夠有效減弱小麥、玉米等作物苗期的高溫傷害[13-14]。但關于鎂素供應對作物葉片光合功能和產量的調節作用以及對高溫脅迫的緩解效應卻鮮見報道。本研究擬分析小麥花后高溫脅迫下鎂素施用對小麥產量、旗葉光合色素含量、光合特性和熒光特性的影響，以期為小麥生產中緩解高溫逼熟及鎂素的施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗采用盆栽方法，于2014-2015年度在南京農業大學牌樓試驗基地進行，小麥灌漿期利用人工氣候室進行不同階段的高溫處理。盆栽用土取自南京農業大學實驗農場0～20 cm 表層土，土壤類型為黃棕壤。土壤中含有機質11.78 g·kg-1、全氮0.87 g·kg-1、速效磷(P2O5)19.25 mg·kg-1、速效鉀(K2O)81.37 mg·kg-1和速效鎂116.4 mg·kg-1。盆栽容器采用底部帶小孔的聚乙烯塑料桶，高30 cm，直徑25 cm。每盆裝過篩風干土7.5 kg，每桶施純N 1.65 g、P2O50.825 g、K2O 0.825 g，相當于大田每公頃施純N 300 kg、P2O5150 kg、K2O 150 kg。基肥選用復合肥(N∶P∶K=15%∶15%∶15%)，每桶施5.5 g，按照氮素基追比5∶3∶2在拔節期和孕穗期追施尿素。供試品種為揚麥16，于2014年11月8日播種，每盆播18粒，在三葉一心時，間苗至每盆8株。

在孕穗期將MgSO4·7H2O施到土壤中，施用量設每公頃0 kg(Mg0)和20 kg(Mg20)兩個水平。通過人工氣候室進行花后14～20 d(T1)和花后21～27 d(T2)高溫脅迫，晝夜溫度分別為32和22 ℃；以自然條件為對照(T0)，晝夜溫度分別為26和16 ℃。氣候室相對濕度均為65%。試驗共6個處理，每個處理10個重復。高溫處理結束后將盆栽移入自然條件下生長至成熟。

1.2 田間取樣及測定指標與方法

葉片光合色素含量測定：開花期選擇同一天開花、大小均勻的穗子掛牌標記，從開花至花后28 d，每隔7 d取一次樣，每次取24片旗葉，液氮速凍2 h后放入-40 ℃冰箱保存, 鮮樣用丙酮∶乙醇=1∶1方法提取葉綠素，用分光光度法測定葉綠素含量。

光合參數測定：每次取樣期每處理選取生長一致的6個單莖，用Li-6400便攜式光合儀(美國LI-COR公司)測定旗葉的光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

葉綠素熒光動力學參數測定：葉綠素熒光動力學參數與光合作用測定同步進行，采用 FMS-2型便攜脈沖調制式熒光儀(英國Hansatech公司)，測定前暗處理 15～20 min，計算PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和實際光化學效率(ΦPSⅡ)。

籽粒產量測定：成熟期每個處理選取3盆用于測定產量及其構成因素。

1.3 統計分析與繪圖

用Microsoft Excel 2007 和SigmaPlot 10.0 處理數據和作圖，用SPSS19.0軟件對數據進行顯著性分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉光合色素的影響

隨生育進程的推進，小麥旗葉葉綠素a、葉綠素b含量均呈先升后降的趨勢，花后7 d達到最高值(表1)。高溫脅迫顯著降低了葉綠素含量。花后27 d，在Mg20條件下，T1、T2處理的葉綠素a含量較T0處理分別降低了18.4%和36.4%，葉綠素b含量分別降低了29.7%和45.3%，葉綠素a+b含量分別降低了24.4%和41.1%；在Mg0條件下，T1、T2處理的葉綠素a含量則較T0處理分別降低了4.3%和38.8%，葉綠素b含量降低了8.7%和42.6%，葉綠素a+b含量分別降低了6.5%、40.7%。

相同溫度條件下，花后0～27 d，施鎂后葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量分別提高了8.1%～28.7%、14.9%～51.1%和14.5%～31.7%，表明增施鎂肥可以有效緩解高溫脅迫對小麥旗葉葉綠素含量的影響。

葉綠素a/b值隨生育進程的推進和鎂素施用量的增加而下降，高溫脅迫提高了葉綠素a/b值，且花后21～27 d高溫脅迫效應高于花后14～20 d 高溫脅迫，但差異不顯著，說明不同時段的高溫脅迫對捕光色素中葉綠素 a 的降低效應均大于葉綠素b。

2.2 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉光合參數的影響

隨生育進程的推進，不同處理小麥旗葉凈光合速率(Pn)呈逐漸下降的趨勢，花后21 d和27 d，相同施鎂量下旗葉Pn均表現為T0>T1>T2(表2)，表明花后21～27 d高溫脅迫對旗葉Pn影響較大；施鎂能提高小麥旗葉Pn，花后0～14 d，Mg20處理的旗葉Pn較Mg0處理提高了4.3%～4.6%，花后21 d和27 d則分別提高了28.7%和16.6%。

旗葉胞間CO2濃度(Ci)則與Pn呈相反的趨勢，隨生育進程的推進而逐漸升高。相同施鎂量下，花后21 d和27 d旗葉Ci均表現為T0

表1 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉光合色素的影響Table 1 Effect of magnesium application on photosynthetic pigments in flag leaf of winter wheat under heat stress

旗葉氣孔導度(Gs)與蒸騰速率(Tr)變化趨勢與Pn相似，高溫脅迫顯著降低旗葉的Gs和Tr，不同溫度處理表現為T0

表2 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉Pn、Ci、Gs和Tr的影響Table 2 Effects of magnesium application on Pn, Ci, Gs and Tr in flag leaf of winter wheat under heat stress

表3 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉熒光特性的影響Table 3 Effects of magnesium application on chlorophyll fluorescence parameters in flag leaf of winter wheat under heat stress

2.3 高溫脅迫下鎂對小麥旗葉熒光特性的影響

由表3可以看出，隨生育進程的推進，小麥旗葉PSⅡ原初光能轉換效率(Fv/Fm)、實際光化學效率(ΦPSⅡ)均呈逐漸降低的趨勢，高溫脅迫和施鎂對旗葉Fv/Fm和ΦPSⅡ均有不同程度的影響。相同施鎂量下，高溫脅迫降低了旗葉Fv/Fm和ΦPSⅡ值，花后27 d處理間差異顯著，表現為T0>T1>T2，表明花后不同時段特別是21～27 d高溫脅迫使小麥葉片發生了光抑制或PSⅡ復合體受到損害。相同溫度處理下，鎂素施用均能提高旗葉的Fv/Fm和ΦPSⅡ值，花后0～27 d，Mg20處理下Fv/Fm和ΦPSⅡ值較Mg0處理分別提高了0.1%～5.4%和2.9～9.5%，表明高溫脅迫下鎂素施用能夠對光合機構起一定的保護作用。

2.4 高溫脅迫下鎂對小麥產量的影響

由表4可知，相同施鎂量下，小麥有效穗數和穗粒數在處理間差異不顯著，而千粒重和籽粒產量均表現為T0> T1> T2，表明花后21～27 d高溫脅迫會顯著降低千粒重，從而影響小麥產量的形成。Mg20條件下，T1、T2處理千粒重較T0處理分別下降9.3%和11.3%，產量分別下降11.6%和22.1%；Mg0條件下，T1、T2處理千粒重較T0處理分別下降12.5%和13.3%，產量分別下降20.8%和26.2%。施鎂能顯著增加小麥穗粒數、千粒重和籽粒產量，Mg20下T0、T1、T2處理產量較Mg0分別提高了6.4%、3.6%和8.7%。

表4 高溫脅迫下鎂對小麥產量及其構成因素的影響Table 4 Effect of magnesium application on grain yield and yield components of winter wheat under heat stress

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different small letters in the same column meant significant difference among treatments at 0.05 level.

3 討 論

高溫是一種嚴重的非生物脅迫因素，影響植物生長發育中各種生理和生化變化[15]。Rane等[16]認為，在灌漿期間大于30 ℃的高溫是小麥生產力提高的主要限制因子。花后20～22 d，小麥籽粒胚乳細胞數已經決定，正是灌漿高峰期，此時高溫對粒重影響最大[17]。敬海霞等[8]認為，花后20 d高溫脅迫對小麥產量的影響大于花后10 d；劉 萍等[18]研究發現，花后25～27 d高溫脅迫對小麥籽粒淀粉積累的影響最大；但楊 絢等[19]研究得出，灌漿期前期比后期對高溫更敏感。本研究結果表明，高溫脅迫下小麥籽粒產量明顯降低，花后21～27 d高溫處理較花后14～20 d 顯著降低小麥產量，這可能是由于花后21～27 d 正處于籽粒灌漿的關鍵時期，此時的高溫脅迫嚴重削弱了植株的光合能力，最終影響小麥產量。鎂是植物生長的必需營養元素。近年來，隨著N、P、K 化肥用量的增加和有機肥用量的減少，作物缺鎂現象逐漸成為限制作物產量和品質提高的一個重要因素[20-21]。已有研究表明，充足的鎂素供應對于高溫逆境下作物生長具有顯著的緩解作用，鎂供應能有效提高高溫脅迫下小麥粒重[12-14]。本研究也表明，高溫脅迫下鎂素施用通過提高小麥穗粒數和千粒重來提高籽粒產量。

高溫顯著提高Chlase活性，加劇植物葉片葉綠素降解速率，加速植株衰老[22]。鎂是葉綠素的重要組成成分，充足的鎂供應可以延遲葉片葉綠素的降解，繼而延長葉片的功能期[23]，而鎂素不足則會導致葉綠素合成受阻[24]。本研究表明，高溫脅迫下小麥旗葉葉綠素含量顯著下降，施鎂能提高旗葉葉綠素含量，因此高溫脅迫下鎂素施用能夠有效延緩葉片衰老，延長葉片功能期。

大量研究顯示，高溫可直接損傷植物光合器官，使小麥后期旗葉光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)降低，胞間CO2濃度增大[25-27]。本研究與前人研究結果一致，花后21～27 d的高溫脅迫下小麥旗葉凈光合速率最低，這可能源于T2處理的光能轉化率低，也可能是T2處理過多的光能損害了旗葉的光合能力。通過相關性分析，花后27 d小麥旗葉的葉綠素、凈光合速率和熒光參數對成熟期小麥產量和千粒重表現出極顯著影響，對穗粒數影響不顯著(文中未列出結果)。所以花后21～27 d高溫脅迫下葉綠素含量、光合和熒光指標的降低是影響小麥產量的重要原因。鎂可對光合暗反應的關鍵酶起到活化作用，能促進CO2的固定，鎂參與光合產物長距離運輸，光合產物轉運反饋暗反應，促進碳同化，增強植株光合能力[28，33]。本試驗結果也表明，高溫脅迫下施鎂降低了旗葉胞間CO2濃度，提高小麥旗葉的Pn、Gs和Tr，這有助于植株快速降低體溫，進而緩解高溫脅迫的傷害。

Fv/Fm是反映植物PSII 光化學效率的指標，光化學效率的高低直接決定葉片的光合速率，代表光合機構把吸收的光能用于化學反應的最大效率，常被用來表示環境脅迫的程度[29]。國內外研究表明，高溫脅迫會導致作物葉片Fv/Fm和ΦPSⅡ降低[27,30]，引起葉片光合速率下降[31]。本試驗結果與前人一致，說明高溫脅迫下光能過剩，會導致光抑制或PSⅡ復合體受到損害。鎂是植物光合作用中的重要元素，在光合作用的原初反應、電子傳遞和光合磷酸化中都起到重要作用，并可以促進類囊體堆疊，充足的鎂供應能保證光反應能量傳遞的高效性[32]。本試驗結果表明，高溫脅迫下鎂能提高小麥旗葉Fv/Fm和ΦPSⅡ，這與朱立保等[23]研究結果一致，說明高溫脅迫下施鎂能提高小麥光合電子傳遞速率，促進光能參與光化學反應并提高光能轉化率，從而使葉片保持較高光合速率，這可能是高溫脅迫下施鎂提高小麥籽粒產量的重要原因之一。