姚春霞，張歲岐，2，燕曉娟

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

玉米（Zea mays L.）是極為重要的糧食、飼料、經(jīng)濟(jì)兼用作物。隨著全球性的干旱日趨明顯，水資源短缺也將會持續(xù)加?。?］。而干旱作為限制作物產(chǎn)量提高的重要非生物脅迫因素，在各種環(huán)境脅迫因子中造成的損失最大［2］。干旱可以使作物從內(nèi)到外發(fā)生一系列生理生態(tài)、生化及形態(tài)上的響應(yīng)，其對植物地上部的影響主要是由于氣孔關(guān)閉及二氧化碳供應(yīng)的減少而引起葉片蒸騰作用的下降和光合作用的降低［3］。干旱脅迫還顯著抑制了玉米根系的生長，減少了根系的吸收面積和活躍吸收面積［4］。白莉萍等［5］的研究表明，玉米各生育階段受干旱脅迫將導(dǎo)致植株矮化，生長發(fā)育受阻，果穗性狀惡化，以致于生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均大幅下降。但脅迫解除后作物生長會如何變化，脅迫時對作物造成的不利影響能否隨脅迫的解除而消除尚不清楚。水分變動條件下，植物的生長存活和產(chǎn)量不僅僅取決于其對階段干旱的忍耐能力，還決定于其對旱后復(fù)水的適應(yīng)和對水分的利用能力［6］。蘇佩等［7］發(fā)現(xiàn)玉米在多變低水條件下產(chǎn)量會減少，對葉片水分狀況參數(shù)進(jìn)行測定表明苗期干旱而拔節(jié)期復(fù)水增強(qiáng)了玉米對水分利用和其他生理過程的調(diào)節(jié)能力而表現(xiàn)出補(bǔ)償效應(yīng)。玉米苗期經(jīng)干旱鍛煉后復(fù)水，葉片和根部的水分狀況得到改善，葉片可以較長時間內(nèi)保持較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力，這不僅有利于葉片的延伸生長，還使光合、氣孔導(dǎo)度等生理代謝方面表現(xiàn)出有利植物生長的優(yōu)勢［8］。有研究表明，光合速率隨水分脅迫加強(qiáng)而不斷下降，是作物后期受旱減產(chǎn)的主要原因［9］。

水分脅迫導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心易產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，PSII的Fv／Fm降低是光合作用受抑制的顯著特征。張林春等［8］發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下，不同抗旱性玉米PSII的Fv／Fm、qP降低，復(fù)水后鄭單958的光合、熒光迅速恢復(fù)，陜單902恢復(fù)緩慢。玉米葉片光合速率和葉水勢在復(fù)水后也有不同程度的恢復(fù)［9］。以上研究多著重于苗期干旱后復(fù)水玉米補(bǔ)償效應(yīng)的變化，但對不同生育期干旱后復(fù)水，其補(bǔ)償效應(yīng)是否存在同樣的變化有待于進(jìn)一步研究。

干旱脅迫限制光合主要是通過氣孔關(guān)閉還是通過代謝損耗，還存在比較大的爭議［10］。以往對玉米的研究多側(cè)重于苗期干旱及復(fù)水條件對葉片光合特性以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響［8］和干旱及復(fù)水對不同抗旱性玉米光合特性的影響 ，但對不同生育期干旱及復(fù)水對葉片光合特性的影響及其差異比較研究鮮有報道，尤其是對孕穗期光合特性的變化研究較少。因此，本實驗選用玉米品種戶單4號為試驗材料，研究拔節(jié)期和孕穗期干旱及復(fù)水條件下玉米葉片光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化特征，為玉米的補(bǔ)償效應(yīng)機(jī)制研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與方法

供試玉米品種采用戶單4號，于2011年4—8月在中科院水土保持研究所防雨棚內(nèi)完成。供試土壤為楊凌田間耕層土，毛管最大持水量為29%，土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀含量分別為8.25g／kg，30.27mg／kg，6.39mg／kg，137.03 mg／kg，0.53mg／kg，0.92mg／kg，13.52mg／kg。盆栽所用塑料桶直徑為29.6cm，深度為28.5cm，每桶裝風(fēng)干土12kg。每桶施尿素3.50g，過磷酸鈣3.28 g，硫酸鉀1.37g，與土壤混勻后裝桶。挑選大小一致的飽滿種子在4月13日催芽并于4月15日進(jìn)行播種，五葉一心定苗，每盆一株。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)三個水分處理，即正常供水（CK）、中度水分脅迫（MS）和重度水分脅迫（SS），其土壤相對含水量分別為盆土田間持水量的75%±5%，55%±5%，35%±5%。于八葉一心時開始控水，采用稱重法控制土壤含水量。對照組土壤含水量始終保持在75%±5%，待干旱處理水分降至脅迫標(biāo)準(zhǔn)后，測定各項指標(biāo)，隨后復(fù)水至對照水平，連續(xù)測定5d。分別在拔節(jié)期和孕穗期進(jìn)行復(fù)水處理。共10個處理，每處理設(shè)5次重復(fù)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 葉片光合參數(shù)的測定 選擇植株上部第五片完全展開葉，于上午9：30—10：00采用Li—6400便攜式光合測定系統(tǒng)（Li—Cor，USA）在1 300μmol／（m2·s）光強(qiáng)下，測定葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、并計算氣孔限制值（Ls）（Ls＝1－Ci／Ca，Ca為大氣CO2濃度）和單葉水分利用效率（WUE）（WUE＝Pn／Tr，Tr為蒸騰速率）等氣體交換參數(shù)。每處理重復(fù)5次。

1.3.2 葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定 測定完葉片氣體交換參數(shù)后，葉片暗適應(yīng)30min，采用Imaging－PAM（WALZ，德國）測定光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的最大光化學(xué)效率（Fv／Fm），光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP），每個處理重復(fù)5次。

1.3.3 葉水勢的測定 于早上6：00取各處理上數(shù)第5片完全展開葉，用壓力室法測定葉中部水勢。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，用SigmaPlot 10.0作圖，用SAS統(tǒng)計軟件進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱及復(fù)水條件下玉米葉水勢的變化

葉水勢是反映植物水分狀況的一個生理指標(biāo)。水分脅迫下，圖1a和1b的正常供水處理（CK）的葉水勢最高，中度脅迫（MS）的次之，重度脅迫（SS）的最小。復(fù)水后，拔節(jié)期MS和SS處理的葉水勢迅速升高，并超過對照；孕穗期不同水分處理的葉水勢都相應(yīng)升高，MS和SS處理的變化幅度比較平緩，復(fù)水第4天SS與對照間無顯著差異。

2.2 干旱及復(fù)水過程中玉米葉片光合參數(shù)的變化

2.2.1 拔節(jié)期干旱及復(fù)水過程中玉米葉片光合參數(shù)的變化 由圖2a和2b可以看出，干旱脅迫降低了葉片凈光合速率（Pn）及氣孔導(dǎo)度（Gs）。中度脅迫下葉片的Pn與對照間無顯著差異，重度脅迫下Pn極顯著低于對照。復(fù)水后，Pn和Gs有不同程度的升高，在第3天降低。復(fù)水第1天中度脅迫下Pn與Gs超過對照和重度脅迫處理，隨后逐漸降低；在第2天時重度脅迫的Pn與Gs達(dá)最高值；復(fù)水第4天，中度和重度處理恢復(fù)至對照，甚至超過對照。各處理下，光合速率的恢復(fù)均以中度水分脅迫處理較快，重度脅迫處理較慢。

圖2b和表1中可看出，重度水分脅迫的胞間CO2濃度（Ci）最低，中度水分脅迫的Ci最高，重度水分脅迫的Ci最低，氣孔限制值（Ls）最大，Pn降低的主要原因是氣孔限制；中度脅迫的Ci最高，Ls最小，說明Pn降低的主要原因是非氣孔限制。復(fù)水后，Ci升高，Gs增加，Pn也逐漸升高，在第5天恢復(fù)至對照。

葉片水分利用效率反映了葉片瞬間CO2固定與水分散失之間的關(guān)系，也是評價植物抗旱能力的綜合指標(biāo)之一。由圖2d可以看出，重度脅迫葉片的WUE高于對照，中度脅迫的 WUE最低，各處理間差異不顯著。復(fù)水第4天，中度脅迫和重度脅迫處理的WUE均高于對照，表現(xiàn)出補(bǔ)償作用。

圖1 拔節(jié)期和孕穗期干旱脅迫及復(fù)水條件下玉米葉水勢的變化

圖2 拔節(jié)期干旱及復(fù)水過程中玉米葉片光合參數(shù)的變化

2.2.2 孕穗期干旱及復(fù)水過程中玉米葉片光合參數(shù)的變化 不同水分條件下，葉片的凈光合速率（Pn）表現(xiàn)為：MS＞CK＞SS。與拔節(jié)期不同的是，復(fù)水第1天，CK和SS處理的Pn降低，其后SS處理的Pn迅速升高并在第3天達(dá)到最大值。Gs與Pn變化一致，MS與CK無顯著差異，且顯著高于SS，各處理在復(fù)水后第4天恢復(fù)到最大。圖3c和表1中，重度脅迫的Ci、Gs較低，Ls最高，說明Pn的降低是由氣孔限制造成的。圖3d表明，干旱脅迫下MS處理葉片的WUE較高，SS處理葉片的WUE最低；WUE在復(fù)水第1天達(dá)到最大值，隨后逐漸降低。

表1 玉米拔節(jié)期和孕穗期不同干旱脅迫下葉片氣孔限制值（Ls）的比較

圖3 孕穗期干旱及復(fù)水過程中玉米葉片光合參數(shù)的變化

2.3 干旱及復(fù)水條件下玉米葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

2.3.1 拔節(jié)期干旱及復(fù)水條件下玉米葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化 Fv／Fm反映的是PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率及PSII潛在活性，該參數(shù)一般為0.75～0.85，但在逆境或受傷害時會明顯降低。圖4a中，重度脅迫葉片的Fv／Fm值顯著低于正常供水（CK）和中度脅迫處理（MS），復(fù)水后逐漸升高。MS處理葉片的Fv／Fm值與CK間差異不顯著，復(fù)水第3天各處理間無顯著差異。

由圖4b可看出，干旱脅迫下，光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）值降低，順序為：CK＞MS＞SS。復(fù)水后三個處理逐漸升高，隨后降低；復(fù)水第4天，SS處理的qP與CK和MS處理形成極顯著差異。光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）值越大，說明PSII的電子傳遞活性越高。SS處理的qP值顯著降低，表明重度脅迫條件下PSII反應(yīng)中心的開放程度降低，光化學(xué)活性降低。復(fù)水第4天時干旱處理qP又繼續(xù)升高，表現(xiàn)出滯后效應(yīng)。

圖4 拔節(jié)期干旱脅迫及復(fù)水條件下玉米葉片熒光特性的變化

2.3.2 孕穗期干旱及復(fù)水條件下玉米葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化 圖5所示是孕穗期玉米葉片F(xiàn)v／Fm、qP的變化。與拔節(jié)期相比，重度脅迫（SS）和中度脅迫（MS）葉片的Fv／Fm值較低，復(fù)水后逐漸升高。復(fù)水第4天SS與CK、MS差異極顯著。SS處理葉片的最大光化學(xué)效率（Fv／Fm）與其凈光合速率（Pn）的變化趨勢一致。光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）一定程度上反映了PSII反應(yīng)中心的開放程度。干旱脅迫時，qP值降低（圖5b），光合電子傳遞活性降低。復(fù)水后，逐漸升高。

圖5 孕穗期干旱脅迫及復(fù)水條件下玉米葉片熒光特性的變化

3 討論

3.1 干旱及復(fù)水對玉米光合、熒光的影響

植物的光合作用可以將無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)，也是綠色植物對各種內(nèi)外因子的最敏感的生理過程之一。研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下植物光合速率降低的主要原因是受氣孔的限制［11］，而有些研究結(jié)果認(rèn)為，水分虧缺條件下植物的光合速率降低的主要原因是受非氣孔的限制。本實驗中拔節(jié)期和孕穗期受水分脅迫后，中度水分脅迫（MS）和重度水分脅迫（SS）的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）降低，復(fù)水后，Ci和Pn升高，Gs增大，說明葉片在脅迫解除后有迅速恢復(fù)的能力。這與羅宏海［2］、張林春［8］等的研究一致。SS處理的Gs及Ci較低，氣孔限制值（Ls）最高，說明Pn降低是氣孔限制造成。這與其他研究結(jié)論有所不同［12］，可能是由于試驗條件和品種不同。

楊曉青等［13］研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下小麥Fv／Fm、qP顯著降低，NPQ升高。本研究中，拔節(jié)期和孕穗期干旱脅迫下最大光化學(xué)效率（Fv／Fm）值降低，說明葉片PSII反應(yīng)中心的光化學(xué)活性降低，同時導(dǎo)致過剩的激發(fā)能的增大。拔節(jié)期重度脅迫的Ls與對照相比增加了6.85%，F(xiàn)v／Fm值降低了1.72%，孕穗期重度脅迫的Ls增加了9.52%，F(xiàn)v／Fm值降低了0.61%，表明兩個時期葉片Pn降低主要都是氣孔限制造成的。光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）表示PSII天線色素吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額，一定程度上反映了PSII反應(yīng)中心的開放程度［14］。干旱處理下的光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）低于對照，表明干旱脅迫導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心的開放度降低，光合電子傳遞活性下降，導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心的光能過剩，對光合機(jī)構(gòu)起到了一定的保護(hù)作用。復(fù)水后，F(xiàn)v／Fm、qP這兩個參數(shù)值基本恢復(fù)到對照水平。表明在干旱脅迫得到解除后，受到傷害的PSII反應(yīng)中心可以在一定程度上得以恢復(fù)。

單葉水分利用效率（WUE）表征植物對自身蒸騰耗水量的利用能力，是提高大田水分利用效率的生理基礎(chǔ)［15］。研究表明，前期干旱鍛煉能提高玉米的水分利用效率，有利于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和節(jié)水［16］。本研究中，重度脅迫葉的WUE在脅迫及復(fù)水過程中均高于對照，表明干旱脅迫提高了水分利用效率；中度脅迫葉的WUE在復(fù)水第4天時超過對照，與徐國山［12］等的研究結(jié)果一致。孕穗期三個處理葉片的WUE在復(fù)水第1天達(dá)到最大值，隨后趨于降低?？赡苁且驗閺?fù)水初期，補(bǔ)充的水分主要用于恢復(fù)自身生長，消耗掉的水分相對減少。

3.2 外界環(huán)境因素對復(fù)水后光合恢復(fù)的影響

復(fù)水后植物水分狀況及生理活性的恢復(fù)與干旱脅迫程度及復(fù)水后的外界條件有關(guān)。范雯雯等［17］在小麥實驗中發(fā)現(xiàn)，高肥力土壤有利于復(fù)水后光合速率的恢復(fù)；Boyer［18］比較了玉米、向日葵葉片光合速率和水勢的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)低光強(qiáng)下，即使干旱時葉水勢低于－1.7MPa，光合也可在復(fù)水后15h內(nèi)恢復(fù)；但在高光強(qiáng)下，葉水勢即使低于－1.2MPa，復(fù)水三天后光合也不可能完全恢復(fù)。本實驗中拔節(jié)期光合速率在復(fù)水后逐漸增加，在第3天驟降，主要原因應(yīng)為陰雨天氣影響光照弱，溫度低，空氣相對濕度增大，氣孔導(dǎo)度明顯減小，進(jìn)入葉片內(nèi)二氧化碳濃度降低，以致光合速率顯著減小。

4 結(jié)論

玉米受旱后生理代謝發(fā)生一系列適應(yīng)性變化，一旦解除干旱并恢復(fù)供水，同樣發(fā)生一系列生理代謝等方面恢復(fù)和修復(fù)作用。復(fù)水后，葉片水分狀況得到改善，氣孔完全張開，氣孔導(dǎo)度增大，光合速率也增大。拔節(jié)期Pn、Gs在復(fù)水后第2天達(dá)到最大值，由于外界環(huán)境影響，Pn下降；而孕穗期Pn、Gs復(fù)水后第4天達(dá)最大值。干旱脅迫傷害光合機(jī)構(gòu)PSII，PSII主動調(diào)節(jié)電子傳遞速率和光化學(xué)效率，減輕過剩光能對其系統(tǒng)的損傷。孕穗期葉片的Fv／Fm值低于拔節(jié)期，且兩時期的Fv／Fm值在復(fù)水第1天不能立即恢復(fù)，這是由于脅迫程度加劇復(fù)水后葉片的潛在光合能力未被激發(fā)出來，在復(fù)水第2天逐漸恢復(fù)。兩時期干旱處理在復(fù)水條件下，qP變化趨勢一致，基本恢復(fù)至對照。這是由于Gs增加了葉內(nèi)部二氧化碳的量，提高了葉片內(nèi)碳同化的效率，從而使光合電子傳遞活性增強(qiáng)。本研究證明了拔節(jié)期和孕穗期光合特性變化存在差異，但全生育期干旱及復(fù)水過程中玉米光合特性和葉水勢具體變化過程以及各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系還有待于更深入的研究。

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