鉀肥對不同抗蟲棉品種葉片光系統Ⅱ性能的影響

趙 娜，秦都林,2，聶軍軍，郭文君，祁 杰，劉艷慧,3，毛麗麗，宋憲亮*，孫學振*

（1 山東農業大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018；2 山東省棉花生產技術指導站，山東濟南 250013；3 曲阜市農業局，山東曲阜 273100）

鉀 (K) 作為作物生長發育所必需的重要元素，對維持細胞滲透壓平衡、改善氣孔運動、保障酶活性、優化光合性能、促進同化產物運輸，以及提高植物抵抗生物和非生物脅迫等方面有重要的影響[1-5]。與正常植株相比，缺鉀植株個體瘦小，出葉速度、葉片數目及葉面積均明顯降低；同時，葉片的生理活性下降，下部葉片易失綠，葉緣多黃化枯萎，葉片表現為早衰，從而降低綠色光合面積，減少光能的截獲和CO2同化，影響植株的生長，最終造成作物產量和品質的下降[6-7]。植物光合作用可將葉片吸收的太陽能轉化為化學能以供植物進一步利用，是植物最重要的基礎生理過程。光系統Ⅱ (PSⅡ) 與光合作用過程中光能的吸收、轉換以及光合電子傳遞有關，有研究指出光能的捕獲、能量的分配與平衡是光合作用系統的核心[8]，表明PSⅡ是植物光合作用十分重要的組成部位。PSⅡ對環境變化非常敏感，許多非生物逆境[9]如重金屬、溫度、干旱、鹽脅迫等以及生物脅迫[10]如真菌脅迫等都會影響植物PSⅡ的活性和功能。外界環境因子對光合過程的抑制作用使葉片吸收的光能數量超出光合機構所能利用的范圍，導致植物體內光能過剩，當過剩的能量不能被及時耗散，則會激發活性氧的產生，最終植株體內活性氧代謝失調、生物膜結構遭到破壞，使光合機構不能正常運行而造成光合能力喪失[11-12]。施用鉀肥能夠促進棉花個體對氮、磷的吸收，增強葉片的生理活性，延長功能期，避免過早衰老，從而達到維持較高光合速率的效果，為棉花后續的生長發育提供充足的碳水化合物。

近年來，利用快速葉綠素熒光測定和分析技術(JIP-test) 已成為研究光合作用原初光化學反應的有力工具之一[13-14]，可以方便、快捷、無損地分析PSⅡ的性能變化，包括反應中心、放氧復合體 (OEC) 及電子傳遞體QA等的變化[15]。迄今為止，前人關于鉀肥對棉花的研究多集中在生長發育、葉片光合特性、棉花產量及纖維品質等方面[16-21]。前人雖對棉花葉片光合特性有一定研究，但多將光系統整體作為研究對象，不能清晰地表明鉀素對PSⅡ性能的影響，忽略了對PSⅡ電子傳遞鏈中多個電子傳遞位點的研究。本試驗以抗蟲棉品種岱字棉99B (DP99B)、魯棉研21 (L21)、冀棉169 (J169) 為材料，設置2個施鉀水平，通過研究鉀肥對不同抗蟲棉品種葉片PSⅡ性能的影響，探討光合系統發生改變的原因，以期為棉花鉀肥的科學施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016—2017年在山東農業大學科技示范園進行。土壤養分狀況：有機質含量為15.52 g/kg，全氮0.153 g/kg，有效磷56.69 mg/kg，速效鉀113.00 mg/kg。選用在我國黃河流域不同時間段大面積推廣種植且單鈴子棉重量有較大差異的三個抗蟲棉品種岱字棉99B (DP99B)、魯棉研21 (L21)、冀棉169(J169) 為供試材料。設2個施鉀水平，即：施硫酸鉀240 kg/hm2(K) 和不施鉀對照 (CK)。試驗隨機區組排列，3次重復，8行區，大小行種植 (大行行距1 m，小行行距0.6 m)，行長8 m，株距0.25 m。在棉花見蕾期，于每小區選擇生長一致的棉株5株，選取無病斑和無破損的主莖功能葉 (倒四葉) 進行相關生理指標的測定。其它管理措施同一般大田。

1.2 葉綠素含量的測定

參照 Arnon 的方法[22]，采用95%的乙醇避光萃取。

1.3 光合速率及氣體交換參數的測定

利用便攜式LI-6400XT光合儀 (LI-COR，美國)，在無風晴天條件下于上午 9:00—11:00測定凈光合速率 (Pn)、氣孔導度 (Gs)、胞間CO2濃度 (Ci) 等參數。

1.4 快速葉綠素熒光動力學曲線參數的測定

參考Stasser等[23]的方法，測定前將葉片暗適應30 min，然后利用植物效率儀 (M-PEA，Hansatech，英國) 測定快速葉綠素熒光動力學曲線 (OJIP 曲線)相關參數，包括：1) 熒光參數 Fo(20 μs時熒光，O相)、Fk(300 μs時熒光，K 相)、Fj (2 ms時熒光，J相)、Fm(最大熒光，P相)；2) 基于單位活化截面積 (CSm)和反應中心 (RC) 的比活性參數 ABS/CSm(單位活化截面積吸收光能)、TRo/CSm(單位活化截面積還原QA的激發能)、ETo/CSm(單位活化截面積用于電子傳遞的能量) 和DIo/CSm(單位活化截面積熱耗散)、ABS/RC (單位反應中心吸收的能量)、TRo/RC (單位反應中心還原QA的激發能)、ETo/RC (單位反應中心用于電子傳遞的能量) 及DIo/RC (單位反應中心熱耗散)；3) 反應中心密度 RC/CSm；4) 性能指數 PIabs(以吸收光能為基礎的光化學性能指數)。

1.5 JIP-test分析

根據Stasser等[23-25]的方法對OJIP 曲線所得參數進行分析。

1) 標準化后所得參數：Vt(相對可變熒光強度)，Vt= (Ft- Fo)/(Fm- Fo)；ΔVt(相對可變熒光強度差值)，ΔVt= Vt(處理)- Vt(對照)；Wk(以 OJIP 曲線的 O-J部分進行標準化所得K點的相對可變熒光強度)，Wk=(Fk- Fo)/(Fj- Fo)。

2) 量子產額： Ψo(反應中心捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中QA下游的其他電子受體的概率)。

1.6 數據處理

使用Excel 2007進行數據處理和作圖，DPS 7.05軟件進行單因素方差分析，采用最小顯著差法(LSD法) 檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 鉀對不同抗蟲棉品種葉綠素含量及光合速率和氣體交換參數的影響

從表1可以看出，施鉀提高了三個棉花品種的葉綠素a含量、葉綠素總量、凈光合速率 (Pn)、氣孔導度 (Gs)，且均達顯著性差異水平，兩年結果表現一致。DP99B、L21、J169棉花葉片的葉綠素a含量在2016年分別提高7.44%、9.54%、8.15%，在2017年分別提高6.95%、9.63%、8.13%；總葉綠素含量在2016年分別提高6.10%、7.54%、6.54%，在2017年分別提高6.31%、10.22%、6.64%；Pn在2016年分別提高9.60%、19.84%、11.85%，在2017年分別提高9.14%、18.48%、9.60%；Gs在2016年分別提高10.81%、12.93%、9.64%，在2017年分別提高9.36%、26.88%、7.17%。施鉀僅在2017年顯著提高了L21的葉綠素b含量，另外兩個品種處理間的葉綠素b含量均未達顯著差異水平。兩年試驗結果顯示，施鉀降低了三個品種處理間的胞間CO2濃度(Ci)，但均未達顯著差異水平。同時，表1顯示兩年測定結果存在一定差異，這主要是由于2017年取樣時棉花出現了輕度干旱所致。

2.2 鉀對不同抗蟲棉品種葉片光系統Ⅱ (PSⅡ) 性能的影響

2.2.1 快速葉綠素熒光誘導動力學曲線 (OJIP) 的變化

圖1表明，施用鉀肥后，不同棉花品種葉片的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線 (OJIP) 均發生了明顯變化。以施鉀處理的OJIP曲線為參照，將施鉀與不施鉀處理的OJIP曲線標準化 (圖2)，發現三品種在K點 (0.3 ms) 和J點 (2 ms) 的熒光強度均發生明顯變化，其中L21的差異性最大，J169次之，DP99B最小。K點與J點的出現，表明PSⅡ放氧復合體 (OEC) 受到了傷害，即表明復合體之間的能量傳遞受到了抑制。

2.2.2 最小熒光值 (Fo)、最大熒光值 (Fm) 和最大光化學效率 (Fv/Fm) 的變化 施用鉀肥后，三個棉花品種的最大熒光值 (Fm) 和最大光化學效率 (Fv/Fm) 均有不同程度的增加，最小熒光值 (Fo) 有所降低，但對三品種的影響程度不同 (表2)。DP99B三個指標均未達顯著差異水平；L21的Fm、Fv/Fm顯著增加，分別增加了13.94%、5.24%，Fo差異不顯著；J169的Fm顯著增加了8.13%，Fo和Fv/Fm未達到顯著差異水平。表明鉀肥對L21 PSⅡ反應中心的光化學活性影響高于DP99B和J169。

表1 鉀對棉花葉片葉綠素含量及氣體交換參數的影響Table 1 Effects of potassium application on chlorophyll content and gas exchange parameters of cotton leaves

圖1 鉀對棉花葉片光系統Ⅱ相對可變熒光強度 (Vt ) 的影響Fig. 1 Effects of potassium application on relative variable fluorescence intensity (Vt ) in chlorophyll of cotton leaves

2.2.3 PSⅡ供/受體側的變化 K點的可變熒光Fk占振幅Fj-Fo的比例 (Wk) 能夠反映PSⅡ供體側的變化，J點的相對可變熒光 (Vj) 能夠反映PSⅡ受體側的變化。施鉀處理使DP99B、L21和J169葉片的Wk分別顯著下降6.63%、8.17%、8.91%；與不施鉀處理相比，DP99B、L21和J169的Vj分別降低10.73%、15.48%、12.68%，均達到顯著差異水平(圖3)。Vj的下降幅度明顯大于Wk的下降幅度。這表明鉀肥對PSⅡ反應中心電子傳遞鏈供體側和受體側的電子傳遞能力均有改善作用，但對受體側電子傳遞的改善效果更大一些。

2.2.4 PSⅡ反應中心狀態的變化 從PSⅡ反應中心單位活化截面積相關參數的變化來看 (表3)，施鉀處理增加了不同棉花品種的PSⅡ反應中心單位活化截面積吸收的光能 (ABS/CSm)、用于還原QA的激發能 (TRo/CSm) 以及用于電子傳遞的能量 (ETo/CSm)，降低了單位活化截面積的熱耗散 (DIo/CSm)。施鉀后，DP99B除TRo/CSm增加顯著外，ABS/CSm、ETo/CSm、DIo/CSm均與對照差異不顯著；L21的ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm分別顯著增加13.94%、7.25%和13.12%，DIo/CSm差異不顯著；J169的ABS/CSm、TRo/CSm分別顯著增加8.13%和7.01%，ETo/CSm與DIo/CSm的變化均不顯著。

從PSⅡ單位反應中心相關參數的變化來看 (表4)，施鉀后，不同品種葉片的PSⅡ單位反應中心吸收的能量 (ABS/RC)、熱耗散掉的能量 (DIo/RC)、還原QA的激發能 (TRo/RC) 以及用于電子傳遞的能量(ETo/RC) 均有不同程度的下降。經方差分析，施鉀未使DP99B的ABS/RC、TRo/RC和ETo/RC的下降達到顯著差異水平，L21 和J169這三個指標均顯著下降，L21分別下降11.68%、6.15%和6.08%，J169分別下降9.43%、7.33%和7.14%；三個品種的DIo/RC均顯著下降。同時，三個棉花品種葉片PSⅡ單位面積有活性的反應中心數目 (RC/CSm) 均顯著增加。表明施鉀可有效提高葉片PSⅡ反應中心的活性，并降低反應中心的能量消耗。

圖2 鉀對棉花葉片光系統Ⅱ相對可變熒光強度差值 (ΔVt ) 的影響Fig. 2 Effects of potassium application on the difference of relative variable fluorescence intensity (ΔVt ) of cotton leaves

表2 鉀對O點熒光、P點熒光和最大光化學效率的影響Table 2 Effects of potassium application on Fo , Fm and Fv/Fm

2.2.5 PSⅡ的整體性能及其反應中心電子傳遞鏈性能的變化 反應中心捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中QA下游的其他電子受體的比例 (Ψo) 是對PSⅡ反應中心電子傳遞鏈性能的綜合評價之一，PSⅡ反應中心的性能指數 (PIabs) 可以反映PSⅡ的整體性能[26]。由圖4可以看出，施鉀后，DP99B、L21和J169葉片的PIabs分別增加10.79%、17.93%、14.04%，Ψo分別增加5.86%、9.22%、6.62%，均達到顯著差異水平，且三個棉花品種葉片的PIabs增加幅度均高于Ψo。可見，施鉀可以顯著改善PSⅡ的性能，且對PSⅡ反應中心之后電子傳遞鏈性能的改善作用更大。三個品種相比，施鉀對L21的PSⅡ性能改善效果最優。

圖3 鉀對棉花葉片葉綠素可變熒光Fk占振幅Fo-Fj的比例 (Wk) 與可變熒光Fj占Fo-Fp振幅比例 (Vj) 的影響Fig. 3 Effects of K application on ratio of a variable fluorescence at Fk to the amplitude Fo-Fj (Wk) and ratio of a variable fluorescence at Fj to the amplitude Fo-Fp (Vj) of cotton leaves

表3 鉀對棉花葉片PSⅡ反應中心單位活化截面積參數的影響Table 3 Effects of potassium application on excited cross section parameters of PSⅡ reaction center of cotton leaves

表4 鉀對棉花葉片PSⅡ單位反應中心參數及反應中心數量的影響Table 4 Effects of potassium application on the PSⅡ unit reaction center parameters and number of reaction centers of cotton leaves

圖4 鉀對棉花葉片PSⅡ性能指數 (PIabs) 及電子由QA傳遞到QB概率 (Ψo) 的影響Fig. 4 Effects of potassium application on performance index (PIabs) and probability of an electron moving from QA to QB (Ψo) of cotton leaves

3 討論

作物體內絕大多數干物質都來自光合產物的積累，而葉綠素在光合作用過程中發揮著重要作用[27]。作物保持高水平的葉綠素含量，有利于較高光合速率的維持，促進光合性能的改善[28]。長期以來葉綠素含量被作為衡量植株光能吸收及利用能力的指標，但之后有學者認為葉綠素含量并不能用來正確地估計光反應活性，單一地以葉綠素含量為判斷標準會導致光反應活性對光合能力維持的貢獻被低估[29]。戚冰潔等[30]研究證明，葉綠素含量的變化會影響光合作用，但光合效率的高低受到多種因素的綜合影響，葉綠素含量僅能作為其中一個因素來解釋其變化機理。因此，不能單一地以葉綠素含量作為判斷作物光合作用能力高低的標準。夏穎等[19]研究認為，當胞間CO2濃度的變化規律與凈光合速率和氣孔導度變化規律一致時，可判斷凈光合速率降低是受氣孔限制，而當胞間CO2濃度的變化規律與凈光合速率和氣孔導度變化規律不一致時，則受非氣孔因素限制。本研究結果顯示，與不施鉀相比，鉀肥顯著提高了不同抗蟲棉品種棉花的總葉綠素含量、氣孔導度和凈光合速率，而胞間CO2濃度的變化規律與凈光合速率相反，表現為下降，說明葉綠素含量增加有利于提高棉花葉片的凈光合速率，但棉花葉片凈光合速率的提高還可能受到其他非氣孔因素的影響。

快速葉綠素熒光誘導動力學曲線包含著大量關于PSⅡ的信息如反應中心、放氧復合體 (OEC) 及電子傳遞體QA等[31]，因此，常被用來分析PSⅡ的性能變化。在JIP-test分析中，J熒光的升高表明QA的大量積累，這是由于在PSⅡ的受體側原初電子供體QA到次級電子供體QB電子傳遞受到嚴重抑制的結果[32]；若在出現J點之前熒光上升則出現K點，K點的相對可變熒光可作為放氧復合體系統 (OEC)受傷害的指標[33]，Wk上升幅度越大，說明OEC受傷害程度越大。本試驗JIP- test分析表明，與不施鉀相比，鉀肥使DP99B、L21和J169的Wk與Vj均顯著降低，且Vj的降幅都大于Wk，說明施鉀對PSⅡ反應中心電子供體側與受體側的性能均有顯著的改善作用，且對受體側性能的改善效果更好。進一步對本試驗的分析發現，施鉀有利于增加不同抗蟲棉品種葉片PSⅡ有活性的反應中心數目 (RC/CSm)，從而降低每個有活性反應中心的耗能效率 (ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC 的下降)，以避免PSⅡ受到損害，這與張會慧等[33]的研究結果基本一致；同時，施鉀還有利于光能捕獲 (ABS /CSm) 的增加，進而增加單位活化截面積用來還原 QA的激發能 (TRo/CSm) 和用于電子傳遞的能量 (ETo/CSm)。與不施鉀相比，施鉀降低單位活化截面積 (DIo/CSm) 和單位反應中心 (DIo/RC)的熱耗散，且DIo/RC降幅顯著大于DIo/CSm，可以認為，施鉀減少了棉花葉片PSⅡ反應中心激發能的過剩，且對單位反應中心的熱耗散降低效果更加明顯。Ψo是對PSⅡ反應中心電子傳遞鏈性能的綜合評價之一，PIabs可以反映PSⅡ的整體性能。本試驗表明，施鉀使不同抗蟲棉品種棉花葉片PSⅡ反應中心之后的Ψo和PIabs均顯著升高，且PIabs的升高幅度顯著大于Ψo，由此可見，鉀肥對PSⅡ反應中心之后電子傳遞鏈性能的改善更為顯著，從而促使其整體性能顯著增強。

由于研究的棉花品種以及所處的環境條件等不同，不同學者對于不同基因型棉花對鉀肥的敏感性差異尚未達成一致結論[20]。本試驗條件下，結果表明鉀肥對L21光合性能改善效果最大，J169次之，DP99B最差。具體比較鉀肥對三個不同棉花品種葉片PSⅡ的影響發現，施鉀顯著提高了L21的Fm、Fv/Fm、ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm、RC/CSm、Ψo、PIabs，及顯著降低了 Wk、Vj、ABS/RC、DIo/RC、TRo/RC、ETo/RC；顯著提高了J169的Fm、ABS/CSm、TRo/CSm、RC/CSm、Ψo、PIabs，及顯著降低了 Wk、Vj、ABS/RC、DIo/RC、TRo/RC、ETo/RC；顯著提高了 DP99B 的 TRo/CSm、RC/CSm、Ψo、PIabs，及顯著降低了Wk、Vj、DIo/RC。以上表明，施鉀對葉片PSⅡ反應中心大部分參數尤其是單位活化截面積及單位反應中心參數的顯著改善效果使L21葉片光合性能優于J169和DP99B，J169次之，DP99B最差。由此說明在本試驗條件下，三個不同棉花品種對鉀肥的反應，以L21最敏感，DP99B最弱，J169位于二者之間。因此，在實際生產中可以考慮根據不同棉花品種對鉀的敏感性，合理施用鉀肥，以達到有效改善棉花葉片光合系統性能的效果。

4 結論

兩種施鉀水平下對不同品種抗蟲棉葉片PSⅡ性能的研究表明，施用鉀肥有利于提高棉花葉片PSⅡ反應中心電子供體側和受體側以及PSⅡ反應中心電子受體側之后的電子傳遞鏈性能，有效增加PSⅡ單位面積有活性的反應中心數目 (RC/CSm)，并降低反應中心的能量消耗，從而有效提高PSⅡ的整體性能，最終增強葉片的光合能力。三個品種相比，施鉀對L21光合系統的整體改善效果大于DP99B和J169。因此實際生產中，可以考慮根據不同棉花品種對鉀的敏感性進行合理施鉀。但由于我國棉區分布較為廣泛且各區生產條件差異大，這一結論仍需在不同的棉花種植區進行進一步的驗證。