低溫脅迫對拔節期小麥光合色素、光合參數及葉綠素熒光特性的影響

葛 君，劉 震

（商丘市農林科學院，河南商丘476000）

光合作用是植物進行生長發育的物質基礎，但植物的光合作用對低溫、高溫、干旱等在內的非生物逆境脅迫較為敏感[1-2]，因此，光合特性常被用作反映植物對逆境脅迫響應程度，判斷植株生長狀況及抗逆性強弱的重要指標[3]。不適宜的溫度往往會通過影響植物的光合能力進而對植物各個生育階段產生不利影響，最終導致作物產量減少和品質降低。受厄爾尼諾等現象的影響，低溫等極端天氣發生的頻率、程度不斷增加[4]，小麥越冬期遭遇的凍害、返青期和拔節期受到的冷害等低溫災害，會嚴重制約小麥品質和產量的提高[5]。因此，加快研究低溫脅迫對小麥形態特征和生理特性方面的影響，對災害天氣小麥防災減災具有重要意義。

有研究表明，葉綠素熒光動力學技術在測定植物對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用[6]，它可以在不對植物葉片細胞造成破壞的前提下便捷、可靠、快速地反映植物光合系統的內在特性與光合作用的變化過程，因此，在植物脅迫生理學方面得到廣泛應用。其中，Fo為固定熒光，能夠反映光系統Ⅱ反應中心處于完全開放狀態下的熒光產量；Fv/Fm為PSⅡ最大光化學量子產量，能夠反映光系統Ⅱ反應中心的光能轉換效率；qP為光化學淬滅，表示PSⅡ天線色素吸收的光能占光化學電子傳遞的份額[6]。因此，采用葉綠素熒光研究植物逆境下的生理變化是當前生理研究的重要內容之一，對研究逆境條件下小麥生理變化機制具有重要意義。

研究表明，植物葉片葉綠素熒光參數的變化受溫度的影響[7]，目前針對低溫脅迫對不同小麥品種光合色素含量方面的研究報道較多[8]，但這些試驗大都是在恒定低溫脅迫下對小麥葉片光合速率變化情況及葉片受害癥狀進行研究[9-10]，而有關采取漸進式降溫—恒溫—升溫動態變溫模式研究低溫脅迫小麥光合特性等生理指標的研究尚未見報道。

本試驗采取漸進式降溫—恒溫—升溫動態變溫模式研究低溫脅迫對拔節期小麥光合色素、光合參數及葉綠素熒光特性的影響，以期為小麥的防災減災、安全生產、優質高產提供理論指導，為小麥抗逆豐產育種提供數據參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為濟麥22，由山東省農業科學院作物研究所提供。

1.2 試驗方法

將小麥種子播種于直徑30 cm、高35 cm花盆中，底部有排水孔，播種后將花盆埋于田間，高度與大田土壤平齊，按照大田管理方法進行管理。花盆內裝入20 cm耕層大田土（土質為沙壤土，堿解氮93.00 mg/kg、速效磷30.07 mg/kg、速效鉀87.36 mg/kg、有機質15.49 g/kg），共播種45盆，待麥苗長至3片葉時進行定苗，每盆留苗20株。

試驗設置5個溫度水平，包括10℃對照（CK）以及0、-2、-4、-6℃等4個低溫脅迫處理（分別記作T1、T2、T3、T4）。每3盆作1個重復，每處理設3次重復，即每處理9盆。在小麥拔節期第7天，將各處理分別置于相應溫度的人工氣候室內進行12 h低溫處理，其處理方法為：采用漸進式降溫和升溫方式進行低溫處理，以接近外界環境的降溫—升溫規律，即用3 h的時間將溫度從對照溫度10℃分別降至每一個處理溫度，并在該處理溫度下脅迫6 h，然后再用3 h升溫至10℃，總計12 h。空氣相對濕度為60%～65%。脅迫結束后將花盆置于大田，并于第2天9：00—10:00進行葉綠素含量、葉綠素熒光參數、光合參數的測定。

1.3 測定項目及方法

利用FMS-2便攜式熒光儀（Hansatech，UK），參照GENTYB等[11]的方法測定小麥植株倒3葉的初始熒光（Fo）、最大光化學效率（Fv/Fm）、PSⅡ實際光化學效率（ФPSⅡ）、光化學淬滅（qP）；采用美國Li-COR公司生產的Li-6400XT型便攜式光合儀測定小麥植株倒3葉的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導度；采用丙酮浸提法[12]測定小麥植株倒3葉的葉綠素含量。

1.4 數據分析

利用Excel 2007進行數據處理和作圖；采用SPSS 25.0軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對拔節期小麥葉片葉綠素含量的影響

由表1可知，不同低溫處理對拔節期小麥葉綠素含量的影響存在差異，4個低溫處理下的小麥葉片葉綠素a含量均顯著低于對照（P＜0.05），較對照分別降低12.80%、22.27%、42.18%、50.32%；隨著脅迫溫度的降低，葉綠素b、葉綠素（a＋b）含量均呈逐漸下降的變化趨勢，至T4處理達最小值，較對照分別降低40.14%、47.73%，且與對照差異均達顯著水平（P＜0.05）。在T1處理下，小麥葉片類胡蘿卜素含量與對照差異不顯著（P＞0.05），說明0℃低溫對拔節期小麥葉片類胡蘿卜素含量的影響較小；在T2、T3、T4處理下，類胡蘿卜素含量均顯著低于對照（P＜0.05），較對照分別降低27.87%、40.98%、49.18%。

表1 低溫脅迫對拔節期小麥葉片葉綠素含量的影響 mg/g

2.2 低溫迫脅對拔節期小麥葉片光合特性的影響

由表2可知，不同低溫處理對拔節期小麥葉片光合參數的影響不同。4個低溫處理下的小麥葉片凈光合速率均低于對照，且隨溫度的降低凈光合速率逐漸下降，與對照相比分別顯著降低10.10%、19.59%、47.69%、59.33%（P＜0.05）；4個低溫處理下的小麥葉片蒸騰速率和氣孔導度的變化規律與凈光合速率一致，且在T4處理下達最小值，較對照分別降低55.43%和63.52%，且均與對照間差異達顯著水平（P＜0.05）。

表2 低溫脅迫對拔節期小麥葉片光合特性的影響

隨著脅迫溫度的下降，拔節期小麥葉片胞間CO2濃度表現出先降低后升高的變化趨勢，且在T3、T4處理時高于對照，較對照分別增加5.10%和15.57%，其中，T3處理與對照間差異不顯著（P＞0.05），而T4處理與對照間差異達顯著水平（P＜0.05）。

2.3 低溫脅迫對拔節期小麥葉片葉綠素熒光特性的影響

由圖1可知，隨著脅迫溫度的降低，拔節期小麥葉片Fo逐漸升高，T1處理下與對照差異不顯著（P＞0.05），T2、T3、T4處理較對照分別增加18.52%、45.45%、56.52%，且與對照差異顯著（P＜0.05）；隨著脅迫溫度的降低，葉片Fv/Fm表現出逐漸下降的趨勢，T1處理下與對照差異不顯著（P＞0.05），T2、T3、T4處理與對照差異顯著（P＜0.05），表明隨著脅迫溫度的降低拔節期小麥葉片PSⅡ反應中心的光能轉化效率下降；ФPSⅡ和qP的變化趨勢相似，均隨脅迫溫度的降低而降低，但在T1處理下與對照差異不顯著（P＞0.05），其余3個處理與對照差異均達顯著水平（P＞0.05）；且在T4處理下達最低值，較對照分別降低38.60%、25.00%。

綜上可見，T1處理下各指標與CK差異不顯著，T2、T3、T4處理下與對照間差異均達顯著水平，說明低溫脅迫達到-2℃及以下時會對拔節期小麥葉片光合器官造成一定程度的損傷。

3 結論與討論

葉綠素是綠色植物進行光合作用的重要場所，在植物光合過程中起著捕獲光能、吸收光能的重要作用，其含量通常會對植物的光合能力產生影響[13]。和紅云等[14]研究得出，低溫脅迫能夠降低甜瓜幼苗葉片葉綠素含量，且隨溫度的降低脅迫加劇。陸新華等[15]研究認為，低溫脅迫能夠降低菠蘿幼苗葉片葉綠素含量，且隨著脅迫時間的延長，葉綠素含量呈逐漸降低趨勢。本試驗結果表明，低溫脅迫能夠降低拔節期小麥葉片光合色素含量，且葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量隨脅迫溫度的降低而降低，試驗結果與前人研究結論[13-15]一致，這可能是因為低溫降低了酶的活性，從而減少葉綠素生物合成酶的合成[16]；另外，低溫通過影響δ-氨基乙酸丙酸（ALA）向單卟啉膽色素原（PBG）的轉化和Mg-卟啉IX（Mg-Proto IX）向Mg-原卟啉甲酯（Mpe）的轉化，降低了PBG、尿卟啉原Ⅲ（UrogenⅢ）、糞卟啉原Ⅲ（CoprogenⅢ）、原卟啉Ⅸ（ProtoⅨ）、原葉綠素酸酯（Pchlide）、葉綠素酸酯（Childe）的積累量，降低葉綠素a和葉綠素b的產量，并最終使葉綠素（a＋b）含量減小[17]。

本研究結果表明，在T1、T2處理下拔節期小麥葉片凈光合速率與氣孔導度、胞間CO2濃度變化趨勢一致，隨脅迫溫度的降低而降低，可能是由于低溫脅迫使小麥葉片氣孔收縮，導致氣孔導度下降，胞間CO2濃度降低，進而使葉片的光合作用受到抑制[18]。在T3、T4處理下，拔節期小麥葉片凈光合速率、氣孔導度降低，而胞間CO2濃度卻升高，表明此時凈光合速率的降低為非氣孔限制因素所致，可能是由于低溫脅迫下酶活性降低，使光合碳同化過程對CO2濃度變化不敏感，從而使植物的光合能力降低[19]；也可能是由于過低的溫度脅迫使小麥葉片組織受到破壞，進而降低了小麥的光合速率[20]。

Fo隨低溫脅迫程度的加劇而升高，在溫度達到-2℃及以下時與對照差異顯著，而在0℃時Fo與對照差異不顯著，說明-2℃及以下的低溫已對拔節期小麥葉片光合器官造成了損傷，且這種損傷隨Fo的增加而增加[21]。Fv/Fm隨溫度的降低而降低，試驗結果與胡春梅等[22]、王兆等[23]的研究結論一致，這可能是因為低溫脅迫能夠降低Rubisco酶活性，從而使植株葉片對CO2的同化力降低，進一步導致卡爾文循環過程中對ATP和NADPH需求量減少，進而引起反應中心光能轉換效率降低[24]。

本研究采用盆栽法對濟麥22拔節期進行0、-2、-4、-6℃不同低溫處理，結果發現，光合色素含量隨溫度降低而減少，光合速率隨溫度降低而減慢；葉綠素熒光特性結果顯示，0℃處理下Fo、Fv/Fm、ФPSⅡ、qP值與對照差異不顯著，而更低溫度下均與對照差異顯著，可能是由于0℃時光合器官未造成損傷，而低于-2℃時會對光合器官造成損傷。本試驗雖然研究得出了拔節期小麥不同生理指標對低溫脅迫的響應狀況，但還需要在后期進一步研究低溫脅迫對拔節期小麥細胞生物學及分子生物學水平上的變化機制，并找出抵御逆境低溫脅迫傷害的防御措施，為應變小麥防災減災提供技術支持，為小麥高產栽培技術體系的進一步完善提供資料參考，為小麥的抗逆育種提供理論依據。