高温胁迫对黑穗醋栗幼苗光合特性的影响

霍俊伟，张壮飞，秦 栋，张利军，范 临，李曙雷，王雪娇

（东北农业大学园艺学院，哈尔滨 150030）

黑穗醋栗（Ribes nigrum L.）属于虎耳草科（Saxifragaceae）茶藨子属（Ribes）多年生落叶丛生灌木果树，是黑龙江省优势果树树种之一。黑穗醋栗果实含有较高的营养物质并具有医疗保健价值，适于冷藏、冷冻和加工，已成为世界上主要的经济作物之一[1]。

温度是影响植物分布和生长发育最主要的环境因子[2]，近几年随着“温室效应”的逐年加剧，全球气温不断升高，哈尔滨地区高温天气时有出现，影响黑穗醋栗生产。尤其是在果实成熟期（7月份），高温致使叶片灼伤，萎蔫，随后焦枯，早衰、落叶，极易造成二次萌发，严重影响下一年的生长、萌发及产量，这使原本起源于寒带的黑穗醋栗面临极大的生存考验，因此研究高温胁迫对黑穗醋栗生长发育的影响具有重要意义。

高温胁迫对植物的光合作用参数及叶绿素荧光参数都有明显的影响，对马铃薯[3]、葡萄[4]、黄瓜[5]等作物的研究表明，光合作用是植物对高温最敏感的生理过程之一[6]。高等植物高温胁迫使植物叶绿素荧光参数Fv/Fm、q P、ETR明显下降，而NPQ明显上升，表明高温胁迫使植物通过降低光能的捕获及通过PSⅡ的电子传递效率来保护中心系统。因此研究高温下植物光合作用及叶绿素荧光的变化有助于更好了解其高温适应性，目前高温胁迫对黑穗醋栗叶片光合参数的影响方面研究未见报道。本试验以不耐热品种94-4-13（Ribes nigrum L.94-4-13）和耐热品种黑丰（Ribes nigrum L.heifeng）为试材，探讨不同温度高温对其光合作用和叶绿素荧光参数的影响，以期了解黑穗醋栗在高温胁迫下的光合作用变化规律，为选育耐高温黑穗醋栗新品种提供科学依据，并为黑穗醋栗优质安全生产及栽培管理提供理论依据。

1 材料与方法

试验于2011年6～10月在东北农业大学园艺实验站进行，将黑丰和94-4-13两品种半木质化枝条扦插于15 c m×15 c m的营养钵，基质为草炭土、河沙、黑土、粪土（4∶4∶3∶1）的混合土。正常管理2个月，待长出5～6片功能叶时，选取整齐一致、生长健壮幼苗转入光照40μm o l·m-2·s-1湿度为65%的光照培养箱。做如下处理：三批长势一致的小苗，分别放入25℃/22℃（正常温度）、35℃/25℃（轻度高温胁迫）、42℃/28℃（重度高温胁迫）的光照培养箱中，昼/夜（12h/12h），处理当天为第1天，以后每隔2d测定光合作用和叶绿素荧光相关参数。为防止高温引发水分胁迫，盆底设置托盘（水深1～1.5c m）补充基质水分保湿。每处理设3次重复，每重复3株。

采用LI-6400(美国LI-COR公司)便携式光合作用测量仪和LI-6400-09荧光叶室测定黑穗醋栗叶片的净光合速率（Pn）、细胞间隙CO2浓度（Ci）、气孔导度（G s）、蒸腾速率（Tr）、初始荧光（F0）、最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv）、PSⅡ的最大光化学效率（Fv/Fm）及光适应样品的最小荧光（F0'）和最大荧光（Fm'）等光合指标和叶绿素荧光参数。每个处理重复3次，每次重复测定3株，计算平均值及标准误。测定时设定叶室温度25℃、光照强度1000μm o l·m-2·s-1、CO2浓度 38 0μL·L-1。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫对黑穗醋栗幼苗叶片气体交换参数的影响

2.1.1 对净光合速率（Pn）和胞间二氧化碳浓度（Ci）的影响

黑穗醋栗幼苗叶片Pn在25℃处理下随时间的增加变化不显著，但在相同的处理时间下两品种之间存在差异（见表1）。在35℃下处理3d时，品种黑丰和94-4-13分别下降13.6%和26.7%；处理5 d时黑丰和94-4-13分别回升1.7%和7.9%；处理7d时，94-4-13又下降19.2%而黑丰继续上升1.1%。在35℃下黑丰、94-4-13处理1 d和处理7d存在显著性差异（见表2）。在42℃高温下处理Pn均随时间的增加而持续下降，在处理7d时，两品种Pn值均降低到最低点，分别为4.7和3.6μm o l·m-2·s-1，比对照（1d）下降78.3%和78.9%（见表3）。

黑穗醋栗叶片Ci在高温处理下呈先下降后上升趋势，在25℃处理下，黑丰和94-4-13都呈现出先降低后升高的总体趋势，但是两品种间存在显著性差异（见表1）。在35℃处理时，黑丰表现出先下降而后升高后又继续下降然后升高的总体趋势；而94-4-13则表现出先下降而后持续升高的趋势。在处理7d时两品种存在显著性差异（见表2）。在42℃下，黑丰在1～5 d内持续上升，而5 d后有所下降。94-4-13则正相反，1～5d内迅速下降，5d后有所上升。第1天时两品种间差异不显著，而处理第5天时两个品种存在显著差异（见表3）。

表1 25℃处理对黑穗醋栗叶片Pn、Ci、Gs、Tr的影响Table1 Effects of 25℃temperature on Pn,Ci,Gs and Tr of black current leaf

表2 35℃处理对黑穗醋栗叶片Pn、Ci、Gs、Tr的影响Table2 Effects of 35℃temperature on Pn,Ci,Gs and Tr of black current leaf

表3 42℃处理对黑穗醋栗叶片Pn、Ci、Gs、Tr的影响Table3 Effects of 42℃temperature on Pn,Ci,Gs and Tr of black current leaf

2.1.2 对气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）的影响

黑丰和94-4-13的G s在25℃下均表现出“降-升-降”的总体趋势，且两品种间差异不显著（见表1）。黑丰和94-4-13的G s在高温35℃处理3 d时均显著下降，分别下降40.9%和57.6%，35℃在处理5 d时均有所回升，分别由0.13和0.11 m o l·m-2·s-1回升至0.22和 0.23m o l·m-2·s-1。处理7d时又继续下降（见表2）。而42℃处理则使黑丰和94-4-13的G s持续下降，胁迫至7d时，G s降至最低值0.07和0.09m o l·m-2·s-1，分别为对照（1 d）的30.4%和39.1%（见表3）。

黑穗醋栗幼苗的Tr在25℃下变化不显著，且两品种间无差异（见表1）。黑穗醋栗幼苗黑丰在35℃高温胁迫下Tr呈现出先迅速下降后稍微上升又继续下降的趋势；而94-4-13表现出先下降而后持续上升的趋势，处理7d时94-4-13的Tr显著高于黑丰（见表2）。而42℃下呈现出持续下降的趋势。与对照（1 d）相比，高温35℃处理3d的黑丰和94-4-13的Tr值分别下降46.6%、49.17%；至7d时黑丰又下降10.3%，而94-4-13则回升54.2%。42℃高温处理3d黑丰和94-4-13的Tr值分别下降20.4%、13.1%，42℃处理下Tr值持续下降至7d时达到最低点，分别是2.18和1.66m o l·m-2·s-1，分别比对照（1d）下降62.7%和44.9%（见表3）。

2.2 高温胁迫对黑穗醋栗幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

2.2.1 对最大光化学效率（Fv/Fm）的影响

可变荧光与最大荧光的比值（Fv/Fm）反映PSⅡ的最大光能转化效率以及环境因素对PSⅡ电子传递系统的影响效应。在25℃处理下1～7d内，两个品种的叶片PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm变化不显著且两品种间存在差异，但是不显著（见表4）。而35与42℃处理则导致两品种的Fv/Fm均下降，但在不同高温处理下变化趋势有所差异。在35℃处理第3天，Fv/Fm分别和对照（第1天）相比下降3.53%（94-4-13）、4.54%（黑丰）；35℃处理第5天时，Fv/Fm均有所上升，黑丰、94-4-13分别为0.8 5、0.8 2，分别是对照（第1天）的96.5%和97.6%（见表5）。两个品种的Fv/Fm在42℃处理下均持续下降，在7d时达最低值，分别为0.70、0.72，是对照的79.5%和8 3.7%（见表6）。

2.2.2 对光化学猝灭系数（qP）和非光化学猝灭系数（NPQ）的影响

25℃处理下1～7d内黑丰和94-4-13叶片的NPQ、q P变化不显著，品种间无显著差异（见表4）。在35℃高温处理下，黑丰和94-4-13叶片的光化学猝灭系数q P呈先下降而后升高再下降的总体趋势（见表5）；42℃处理下则表现出持续下降的总体趋势（见表6）。35℃下处理3d时，黑丰和94-4-13分别下降25.0%和11.3%；5 d后分别回升4.08%和15.2%；7d时降至最低值分别是0.39和0.20。42℃处理时，至第7天下降至最低值分别是0.26和0.15，为对照（1 d）的46.4%和28.3%。黑丰叶片的非光化学淬灭系数NPQ在35℃处理下呈持续增加的趋势，在7d时达到最大值1.93，为对照（1 d）的135.7%。94-4-13则表现出先增加而后降低在增加的总体趋势，在处理3d时94-4-13叶片的NPQ与对照相比上升21.7%，而5 d后又下降5.43%，7d后上升1.8 3，为对照的126.2%（见表5）。黑丰和94-4-13叶片的NPQ在42℃处理下均呈随处理时间的增加而显著持续上升，在处理第7天时，黑丰和94-4-13叶片的NPQ分别为2.29和2.57，94-4-13显著高于黑丰。分别为对照的44.0%和27.2%。

表4 25℃处理对黑穗醋栗叶片Fv/Fm、qP、NPQ、ETR的影响Table4 Effects of 25℃temperature on Fv/Fm,qP,ETR and NPQ in leaf of black current

2.2.3 对电子传递速率（ETR）的影响

不同品种在高温胁迫后，其电子传递速率ETR均呈下降趋势（见表5、6），在25℃下处理1～7d内，两品种变化都不显著，但品种间存在显著差异，黑丰显著高于94-4-13（见表4）。在35、42℃处理下，两品种都是随处理时间延长而持续下降。黑丰和94-4-13在35℃处理下7d分别下降28.5%和31.2%；黑丰和94-4-13在42℃处理下7d分别下降73.4%和78.4%，35℃处理下黑丰和94-4-13 1 d的ETR显著高于处理7d时的ETR；而42℃处理下黑丰和94-4-131 d的ETR极显著高于处理7d时的ETR。

表5 35℃处理对黑穗醋栗叶片Fv/Fm、qP、NPQ、ETR的影响Table5 Effects of 35℃temperature on Fv/Fm,qP,ETR and NPQ in leaf of black current

表6 42℃处理对黑穗醋栗叶片Fv/Fm、qP、NPQ、ETR的影响Table6 Effects of 42℃temperature on Fv/Fm,qP,ETR and NPQ in leaf of black current

3 讨论

3.1 高温胁迫对气体交换参数的影响

本试验中，黑穗醋栗品种黑丰和94-4-13在25℃下处理1～7d内，叶片Pn、Tr变化不显著，在35、42℃高温下处理7d后，Pn、Tr均显著下降，表明黑穗醋栗在35和42℃下均受到伤害。而35℃下处理5d时有所回升，42℃则表现出持续迅速下降，这表明黑穗醋栗两个品种对高温具有一定抗性，35℃能通过自身调节适应高温胁迫，而42℃对黑穗醋栗产生严重影响，导致光合作用和蒸腾作用不可逆下降。差异显著性分析表明两个品种中黑丰和94-4-13的耐热性存在差异，35℃下黑丰表现出平稳下降，而94-4-13表现出大幅下降并大幅回升，42℃处理下黑丰Pn、Tr均显著高于94-4-13，这是由于黑丰比94-4-13更耐热造成的。

高温对光合作用的抑制机理有两种观点，一种气孔限制，一种是非气孔限制。气孔限制是降低G s，使叶绿体内CO2供应受阻[6]，非气孔限制是叶肉细胞气体扩散阻抗增加、CO2溶解度下降、Ru b i s c o对CO2的亲和力降低或光合机构关键成分的热稳定性降低等原因所致[7]。本研究表明，42℃处理下1～5 d黑丰Pn、G s的下降伴随着Ci的上升，因此非气孔因素的抑制作用可能占主导地位，5 d后Ci下降表明气孔因素占主导地位。而94-4-13则正好相反，1～5 d可能是气孔因素的抑制作用占主导，5d后非气孔因素占主导。

3.2 高温胁迫对叶绿素荧光参数的影响

本研究表明，高温胁迫明显降低的光合电子传递量子效率ETR和光化学淬灭系数q P，而提高非光化学淬灭系数NPQ，这与前人在椰花菜[8]、菊花[9]、韭菜[10]、菜豆[11]上的试验结果相一致（见表2）。但是PSⅡ最大的量子效率Fv/Fm虽然有所下降但是不显著，这与在菊花和韭菜上研究结果存在一定的差异，这可能与试验试材有关。叶绿素荧光参数Fv/Fm常被用作表明环境胁迫程度的指标和探针[12]。本试验中35℃/25℃处理没有引起Fv/Fm的明显变化，42℃/28℃处理则使黑穗醋栗Fv/Fm有所下降，但是下降幅度不是很大。黑穗醋栗叶片的Fv/Fm对高温胁迫反映可能并不敏感。

已有结果表明，高温胁迫抑制电子传递，增强分子态氧为受体的支路反应，导致并增强活性氧积累量，为避免伤害，形成自保护适应机制，酶促防御系统形成，非光化学猝灭系数NPQ增加，散失剩余能量。光化学猝灭系数q P反映PSⅡ天线色素吸收的光能用于化学电子传递的份额，是由于QA等再氧化所造成，因而它与电子传递、光合氧化等过程直接相关。q P越大，QA-重新氧化形成QA的量愈大，即PSⅡ的电子传递活性越大[13]。本试验结果表明，在42℃高温下，黑穗醋栗幼苗叶片q P下降。

本研究表明，高温胁迫对黑穗醋栗光合机构的伤害程度与伤害部位均存在明显的剂量效应，35℃/25℃高温下q P呈先下降后上升的趋势，而42℃/28℃下q P一直呈下降趋势，说明中度高温处理35℃/25℃首先抑制QA到QB的电子传递，然后电子供体端或天线系统才受到破坏；而短期极端高温42℃/28℃处理就造成供体端放氧复合体的失活。

黑穗醋栗品种黑丰和94-4-13耐热性存在差异，黑丰比94-4-13更耐高温。不同温度和不同品种的黑穗醋栗对高温的反映有所不同，35℃高温对其有一定的影响，但是两品种可以通过自身的调整而适应35℃高温，但42℃的高温时，无论是黑丰还是94-4-13均会造成其光合作用和蒸腾作用的不可逆下降，并对黑穗醋栗PSⅡ造成严重伤害。因此在夏季高温时，对黑穗醋栗要及时采取相应降温措施。

[1]宋杨,张春雨,张志东.黑穗醋栗品种亲缘关系的ISSR分析[J].园艺学报,2011,38(9):1747-1752.

[2]陈培琴,郁松林.植物在高温胁迫下的生理研究进展[J].中国农学通报,2006,22(5):223-224.

[3]Wang L X,Jin X,Li J P.Effects of short-term high temperature stress on the photosynthesis of potato in different growth stages[J].Agriculture Science&Technology,2011,12(3):317-321.

[4]郑秋玲,谭伟,马宁,等.钙对高温下巨峰葡萄叶片光合作用和叶绿素荧光的影响[J].中国农业科学,2010,43(9):1963-1968.

[5]孙艳,樊艳丽.草酸对高温胁迫下黄瓜叶片光合机构和叶黄素循环的影响[J].中国农业科学,2005,38(9):1774-1779.

[6]Berry J,Bjorkman O.Photosynthetic response and adaptation to temperature in higher plants[J].Annu Rev Plant Physiol,1980,31:491-500.

[7]许大全,沈允钢.光合作用的限制因素[M]//余叔文,汤章城.植物生理与分子生物学.北京:科学出版社,1998:262-276.

[8]汪炳良,徐敏,史庆华.高温胁迫对早熟花椰菜叶片抗氧化系统和叶绿素及其荧光参数的影响[J].中国农业科学,2004,37(8):1245-1250.

[9]孙宪芝,郑成淑,王秀峰.高温胁迫对切花菊‘神马’光合作用与叶绿素荧光的影响[J].应用生态学报,2008,19(10):2150-2154.

[10]杨建婷,柴青,刘玉华.冀西北高原区高温胁迫对韭菜叶绿素荧光的影响[J].华北农学报,2010,25(5):132-136.

[11]高丽红,尚庆茂,马海艳.两种不同耐热性菜豆品种在高温胁迫下叶绿素a荧光参数的差异[J].中国农学通报,2004,20(1):173-175.

[12]陈贻竹,李晓萍,夏丽.叶绿素荧光技术在植物环境胁迫研究中的应用[J].热带亚热带植物学报,1995,3(4):79-86.

[13]冯建灿,胡秀丽,毛训甲.叶绿素荧光动力学在研究植物逆境生理中的应用[J].经济林研究,2002,20(4):14-18.

[14]吴韩英,寿森炎,朱祝军.高温胁迫对甜椒光合作用和叶绿素荧光的影响[J].园艺学报,2001,28(6):517-521.

[15]冯立国,俞菊,陶俊.高温胁迫对一品红光合作用与叶绿素荧光的影响[J].扬州大学学报,2009,30(3):71-74.