高温胁迫对无核白鸡心和无核翠宝葡萄叶片光合及荧光特性的影响

牛 倩，张 雯，韩守安，王 敏，王文勇，冯福基，王 环，弓佳琪，李佳颖，田 嘉，谢 辉

（1.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052； 2.新疆农业科学院园艺作物研究所，乌鲁木齐 830091；3.新疆农业大学科技学院生物科学系，乌鲁木齐 830052）

0 引言

【研究意义】葡萄为葡萄科葡萄属[1]。近年来，极端天气频繁出现[2]。2015年吐鲁番地区葡萄架下最高温度为44.2℃，果实发育关键时期葡萄棚架下有23 d 最高温度超过40℃，70 d 超过35℃，2016～2018年存在相同的规律，葡萄面临着高温环境。葡萄对温度较为敏感，其最适生长温度为20～30℃，气温上升到38～42℃，葡萄叶片生长受到抑制[1]。无核白鸡心在乌鲁木齐香气较浓郁，但在吐鲁番香气减少；无核翠宝是瑰宝和无核白鸡心杂交品种[3]，在乌鲁木齐或吐鲁番香气都较为浓郁。研究葡萄在高温环境中光合特性及叶绿素荧光特性，对了解葡萄在高温下生长能力及物质积累规律和研究葡萄生态适应性有重要意义。【前人研究进展】光合作用是植物生长发育过程中最基础、最复杂、也是对高温胁迫最敏感的生理过程[4]。光系统II（PSII）对温度胁迫高度敏感，其抑制程度可以揭示出植物的受伤程度[5，6]。王海波等[7]研究表明，40℃高温胁迫下，葡萄的净光合速率（Pn）与气孔导度（Gs）显著降低，胞间CO2浓度（Ci）呈上升趋势。朱雨晴等[8]研究红提葡萄光合特性时发现，叶片气孔导度和蒸腾速率随着高温高湿的加剧大幅下降。孙永江等[6]研究发现，高温黑暗处理（40℃）导致赤霞珠葡萄叶片Fv/Fm，ΨEo降低明显，且无恢复趋势。查倩等[9]研究发现，赤霞珠葡萄经高温45℃下处理6 h后Fv/Fm显著降低，150 h后又恢复正常。【本研究切入点】关于新疆乌鲁木齐市安宁渠镇和吐鲁番市鄯善县的无核白鸡心与无核翠宝葡萄品种其光合特性与荧光特性的研究鲜见报道。需研究2个地区不同光温下无核白鸡心和无核翠宝葡萄的光合特性和荧光特性，分析高温下光合速率及荧光参数的变化规律。【拟解决的关键问题】分析不同光温条件下无核白鸡心和无核翠宝葡萄光合特性与荧光特性的变化，研究高温胁迫对无核白鸡心和无核翠宝葡萄光合作用的影响，以及高温对无核白鸡心和无核翠宝葡萄光合特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

以高温环境（吐鲁番市鄯善县新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所）、适温环境（乌鲁木齐市新疆农业科学院安宁渠综合试验场）为条件。选用8年生露地栽培的无核白鸡心和无核翠宝葡萄为材料，每个品种选择10 株生长势一致的植株，通过修穗处理保持负载量一致。试验区为南北行栽培，行距2.2 m，棚架株距1.2 m，架高1.8 m，肥水管理充足。

1.2 方法

1.2.1 光合指标

选择晴天上午09：00～11：00，采用美国LRCOR 公司生产LI-6400 便携式光合测定系统，测量时控制叶室温度与环境温度一致，光合有效辐射（PAR）设定梯度为2 600、2 200、1 800、1 400、1 000、600、300、200、100、40、15、0µmol/（m2·s），由LI-6400LED 红蓝光源提供。测定无核白鸡心和无核翠宝葡萄叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）等气体交换参数。

采用LI-6400 便携式光合测定系统，测定净光合速率（Pn）的日变化，从08：00 开始到20：00结束，每隔2 h测定1次，共测定7次，并同步记录叶温日变化（TL）。

1.2.2 调制式荧光仪荧光参数

选择晴天09：00～11：00，每株葡萄均取日光下的功能叶片（整枝自上而下的第5 片叶），采用英国Hansatech 公司的FMS-2型便携脉冲调制式荧光仪测定。光系统Ⅱ最大光化学效率（Fv/Fm）=（Fm-Fo）/Fm，光化学猝灭（qP）=（Fm’-Fs）/（Fm’-Fo’），实际光化学效率（ФPSII）=（Fm’-Fs）/Fm’，非光化学荧光淬灭NPQ=（Fm-Fm’）/Fm’。

1.2.3 温湿度监测

在高温环境和适温环境各放置2个温湿度记录仪L95-21，设置相同的距离置于果穗旁边，每隔30 min 记录1 次，测定2020年自4月葡萄树出土到9月果实采收结束的温湿度情况。

1.2.4 光合有效辐射

采用数字照度计DE3350，选择晴天08：00-20：00，每隔2 h测定1次光合有效辐射（PAR）。

1.3 数据处理

运用Excel 处理原始数据；采用SPSS 软件进行单因素方差分析；利用Origin2018 拟合光响应曲线并制图。

2 结果与分析

2.1 不同栽培区域环境因子差异性

研究表明，高温环境下日最高温度显著高于适温环境，高温环境下日最低范围比适温环境高2～3℃，高温环境持续高温时间比适温环境更长。高温环境湿度比适温环境小，高温环境PAR日变化高于适温环境。高温环境的日最高气温超过35 ℃的天数有86 d，其中超过40 ℃有16 d，最高气温出现在8月4日，达到43 ℃。适温环境日最高气温超过35 ℃的天数有20 d，最高气温出现在8月25日，达到38℃。高温环境日最低气温范围在5～24 ℃，而适温环境日最低气温范围在2～22 ℃。高温环境日均温达27 ℃以上有42 d，其中超过30 ℃的有9 d，适温环境日均温达27 ℃以上有5 d，最高日均温为28 ℃。高温环境在6～9月日最高湿度超过80%的天数有12 d，最高达95%，适温环境最高湿度超过80%的有66 d，最高湿度达98%。高温环境和适温环境日最低湿度均为11 %。高温环境日均湿度超过60 %有1 d，达67%。适温环境日均湿度超过60%的有25 d，最高日均湿度为90%。高温环境和适温环境PAR从08：00开始到14：00急剧上升，14：00达到最大值分别为1 887 和1 730 µmol/（m2·s），之后迅速下降。图1

图1 不同栽培区域温、湿度和光合有效辐射日变化Fig.1 Diurnal variation of temperature,humidity and photosynthetically active radiation in different cultivation regions

2.2 叶温和Pn日变化的差异性

研表表明，无核白鸡心和无核翠宝在不同栽培区域下叶温日变化趋势为单峰型曲线，08：00开始叶温随气温的升高而升高。无核白鸡心和无核翠宝在高温环境时峰值出现在14：00，叶温最高达41℃。无核白鸡心与无核翠宝在适温环境时峰值均出现在16：00 左右，叶温最高分别达37 和38℃。无核白鸡心和无核翠宝叶片在不同栽培区域Pn日变化均呈双峰曲线。不同栽培区域的两个品种变化趋势相近，第一峰值均出现在10：00左右，高温环境下无核白鸡心在16：00左右达第二峰值，适温环境下无核白鸡心和不同栽培区域的无核翠宝均以18：00 左右为第二峰值。10：00 无核白鸡心Pn值在高温环境最高达18.9µmol（/m2·s），比适温环境13.0µmol（/m2·s）高；无核翠宝Pn值在高温环境为15.1µmol（/m2·s），比适温环境14.1 µmol（/m2·s）高。各处理在14：00Pn值最低，出现典型“午休”现象。无核翠宝在高温环境的Pn日变化整体趋势略高于适温环境，无核白鸡心在高温环境的Pn日变化整体趋势明显高于适温环境。图2

图2 叶温和净光合速率日变化Fig.2 Yevin and diurnal variation of net photosynthetic rate

2.3 高温对葡萄光响应曲线的影响

研究表明，当0µmol/（m2·s）＜PAR＜200µmol/（m2·s）时，各处理Pn响应曲线呈上升趋势，差异较小；胞间CO2浓度曲线均处于快速下降阶段；气孔导度随着PAR 的增加而上升；2个品种在不同栽培区域蒸腾速率差异显著。当PAR=200µmol/（m2·s）时，无核白鸡心在高温环境气孔导度达到最大值，明显高于适温环境气孔导度。当PAR=1 000µmol/（m2·s）时，各处理Pn 值差异最大，高温环境的无核白鸡心值最高，为18.9µmol/（m2·s）。PAR=1 400µmol/（m2·s）时，无核白鸡心在高温环境胞间CO2浓度达最低值。当PAR=2 200µmol/（m2·s）时，适温环境下无核白鸡心胞间CO2浓度最低。当PAR=1 800µmol/（m2·s）时，无核翠宝在不同栽培区域胞间CO2浓度均达最低值。PAR在1 800～2 600 µmol/（m2·s）时，两个葡萄品种在不同栽培区域其Pn 响应曲线均随着光合有效辐射的增加而略有下降。当PAR=2 600µmol/（m2·s）时，不同栽培区域的无核白鸡心胞间CO2趋于重叠，气孔导度迅速上升，各处理蒸腾速率均达到最大值。图3

图3 叶片的光合参数响应曲线Fig.3 Response curve of photosynthetic parameters of leaves

2.4 葡萄叶片光响应曲线模型拟合效果对比

研究表明，拟合效果差异显著，其中直角双曲线修正模型模拟效果最好。直角双曲线修正模型在较高PAR值下拟合值接近于实测值，并把Pn下降趋势也很好拟合出来，而其他三种模型，模拟出的值都大于实测值，无法准确拟合各处理在光饱和后Pn变化。直角双曲线修正模型适宜于无核白鸡心，无核翠宝葡萄品种。图4

图4 四种模型对叶片光响应曲线模拟比较Fig.4 comparisonoffourmodelsforleaflightresponsecurvesimulation

2.5 葡萄叶片光响应拟合曲线参数差异比较

研究表明，4个处理光响应曲线的光合参数存在差异性。高温环境下无核白鸡心Pmax 最高，值为19.1µmol/（m2·s），明显高于适温环境的无核白鸡心8.8µmol/（m2·s），而无核翠宝在高温环境和适温环境下Pmax 值无差异，分别为12.5、13.5µmol/（m2·s），表明无核白鸡心在高温环境光饱和下其光合能力最强。无核白鸡心和无核翠宝品种在高温环境的暗呼吸速率明显高于适温环境。无核白鸡心光补偿点在适温环境比高温环境高出20%，无核白鸡心光饱和点和表观量子效率在适温环境低于高温环境，无核白鸡心在高温环境对光适应性较强。无核翠宝在高温环境光补偿点比适温环境高60%，而无核翠宝光饱和点在高温环境低于适温环境，但无差异，无核翠宝在高温环境光适应性较弱。

光响应曲线的测量值与拟合值高度一致。曲线趋势基本一致，净光合速率随着光合有效辐射的增加而升高。2个品种在不同栽培区域随着PAR从0增长到200µmol/（m2·s），其Pn值均呈线性上升趋势，无核白鸡心在高温环境的斜率最高，随着PAR的增加Pn上升速度最快。图5，表1

图5 净光合速率对光合有效辐射强度响应的线性拟合和非线性拟Fig.5 Linear and nonlinear fitting of net photosynthetic rate response to light intensity by rectangular hyperbolic correction model

表1 叶片光响应参数Table 1 The Parameters of photosynthetic rate response to light intensity

2.6 葡萄叶片荧光参数差异

研究表明，无核翠宝qP，NPQ 值在高温环境显著大于适温环境，无核白鸡心qP 和NPQ 值无显著差异；无核白鸡心ΦPSⅡ值和电子传递速率在高温环境显著大于适温环境，而无核翠宝ΦPSⅡ与电子传递的值在不同栽培区域无显著差异。无核白鸡心在高温环境的ETR 显著大于适温环境，无核翠宝在不同栽培区域无差异；2个葡萄品种其叶片PSII最大光化学效率（Fv/Fm）在不同栽培区域差异不显著（P＞0.05），表2

表2 叶绿素荧光参数Table 2 Chlorophyllfluorescenceparameters

3 讨论

3.1 高温对光合日变化的影响

光响应曲线模型拟合可以反映出光强对植物光合作用的影响，对了解植物光化学过程中的光化学效率有重要作用[11]。一般植物光合作用日变化有单峰[12]、双峰[13，14]等类型，马薇等[13]研究吐鲁番地区温室与露地栽培条件下‘火焰无核’及‘红旗特早’葡萄光合时发现，Pn日变化均为“双峰”曲线。研究中不同栽培区域的无核白鸡心和无核翠宝葡萄叶片净光合速率日变化呈典型双峰曲线，叶温日变化均呈典型单峰曲线，这与赵妮[15]，马微[13]等研究结果相似。试验表明，不同栽培区域的无核白鸡心和无核翠宝葡萄叶片光合日变化受高温和适温等环境影响[13]，其净光合速率日变化可能是由于光合有效辐射增加引起叶温上升，湿度减小，导致叶片气孔阻力的变化，引起CO2和水分进行交换等一系列生理因素的变化。

3.2 高温对光响应曲线及光合参数的影响

植物光响应曲线测定及其参数准确分析是植物光合生理生态学研究的重要途径之一[16]。肖芳等[10]研究高温对苗期红提葡萄叶片光合影响时发现，在不同PAR 下温度越高植物Pn 值越小。研究发现当PAR值大于250µmol/（m2·s）时，高温环境下无核白鸡心叶片的净光合速率增加幅度最大，无核白鸡心在高温环境光能的利用率较高，这和肖芳等[10]研究不同，可能是由于不同栽培区域环境差异导致，8年生棚架无核白鸡心葡萄已经适应高温环境。通过光响应曲线拟合可获得光合作用的最大光合速率、光饱和点等生理参数，有助于衡量高温下植物光合作用能力[10，17]。研究采用直角双曲线修正模型模拟效果最好，可以最大接近实测值，白云岗[17]，肖芳等[10]研究拟合模型结果一致。无核白鸡心在高温环境下叶片Pmax较高，LCP较低，表观量子较高，无核白鸡心在高温环境利用强光的能力高于适温环境[18，19]。

3.3 高温对荧光参数的影响

叶绿素荧光与光合作用中的各种反应过程密切相关，任何胁迫对光合作用的影响都可以通过内部叶绿素荧光的动态变化来反映[20]。研究表明高温环境下无核翠宝qP值最大，无核翠宝在高温环境还原程度较小、PSII传递活性较高，可能是由于高温环境12：00 时降低了PSII 的激发压力，增加了PSII 的开放程度使PSII 在高温下维持正常的功能，这与郑秋玲[21]，贾杨[20]等研究结果相似。无核白鸡心在适温环境与高温环境的无核翠宝NPQ值均较高，这两个处理增强了非辐射能的消耗，减轻了高温对它的伤害[22]。研究中无核白鸡心ΦPSII 值在高温环境显著高于适温环境，无核白鸡心在高温环境有较高的PSII 光能捕获效率，在高温环境下叶片吸收更多的光能以热消耗形式消耗[23]。不同栽培区域的两个葡萄品种叶片PSII 最大光化学效率（Fv/Fm）差异不显著，可能是因为无核白鸡心和无核翠宝葡萄长期生长高温环境，出对高温的适应能力。

4 结论

4.1 2020年4～9月，高温环境温度与光合有效辐射均显著高于适温环境，高温环境比适温环境湿度低。高温环境日最高气温超过35 ℃的天数有86 d，超过40℃的天数有16 d，最高气温43℃；适温环境日最高气温超过35 ℃的天数有20 d，最高气温仅38℃。高温环境与适温环境在14：00 时PAR 达到最大值，分别为1 887 和1 730 µmol/（m2·s）。

4.2 无核白鸡心在高温环境下净光合速率最高，光合能力表现较好，利用强光能力强，无核白鸡心长期在高温环境下生长已经适应高温。无核白鸡心和无核翠宝葡萄叶片在高温环境和适温环境下净光合速率日变化均呈双峰曲线。无核白鸡心和无核翠宝葡萄在四个模型中直角双曲线修正模型模拟效果最好。无核白鸡心在适温环境光补偿点较高，无核翠宝在高温环境光补偿点较高；2个品种表观量子效率和暗呼吸速率在高温环境较高。无核白鸡心qP 和NPQ 值在不同栽培区域无差异，无核翠宝qP 和NPQ 值在高温环境较高；无核白鸡心ΦPSⅡ值和电子传递速率在高温环境显著大于适温环境。