花后干旱对春小麦荧光动力学参数的影响

朱荣++李亚婷++虎芳芳++李昱++吴宏亮++康建宏

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.034

摘要：春小麦在生育后期频繁遭受干旱危害，产量下降，研究干旱引起产量下降的机制对采取合理的农艺措施延缓干旱危害具有重要意义。在盆栽条件下研究花后干旱对春小麦叶绿体荧光动力学参数的变化，结果表明，宁春4号和宁春47号的荧光参数Fo、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、PI值在干旱胁迫下整体呈下降趋势，其中Fo较对照平均下降 18.77%～44.36%，Fm下降29.87%～79.66%，Fv/Fo下降幅度达34.13%～84.73%，Fv/Fm下降31.25%～66.03%；且PSⅡ单位反应中心荧光参数ABS/RC和DI0/RC升高了21.54%和38.16%，TR0/RC和ET0/RC下降了16.83%和15.36%。随着水分胁迫的加剧，重度胁迫与对照处理有显著差异，说明导致PSⅡ的光化学过程发生紊乱，使光合电子传递及光合磷酸化都受到阻碍，从而影响光合速率，最终影响小麦产量。

关键词：春小麦；花后干旱；荧光参数；动力学

中图分类号： S512.1+20.1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0139-04

收稿日期：2015-08-17

基金项目：国家自然科学基金（编号：31160255）；宁夏大学研究生创新项目（编号：GJ201521）。

作者简介：朱荣（1990—），女，硕士研究生，宁夏中宁人，主要从事作物高产生理研究。E-mail：573759088@qq.com。

通信作者：康建宏，硕士，教授，主要从事作物高产生理栽培的研究。E-mail：kangjianhong@163.com。春小麦是西北地区的主栽作物之一。宁夏是春小麦的高产地区，也是春小麦的主要产区。我国西北地区降水较少，干旱是本地区自然气候的主要特征，水分是春小麦生长发育的主要限制因子，因此探究干旱胁迫下春小麦的生长变化始终是春小麦研究乃至旱作农业研究的重要课题。荧光技术作为测定植物光合生理特性的新方法，日益受到国内外的重视[1-3]，并被广泛应用于植物光合特性的专门研究。荧光是以光合为理论基础，利用体内叶绿素a荧光来研究和探测植物光合生理与逆境胁迫的关系，该分析技术具有快速、对环境变化灵敏和非破坏性等优点[4]。齐华等研究发现，水分胁迫致使玉米PSⅡ光化学量子产量下降，用于光化学反应的比例减少，PSⅡ原初受体QA的氧化态数量降低，从而降低了QA与QB间的电子传递速率[5]。Basu等对马铃薯的研究表明，在重度干旱下Fo、Fm、Fv/Fm才会表现出显著性差异[6]。前人对干旱处理会破坏叶绿体光合结构做了很多研究[7-10]，但对干旱胁迫下春小麦花后荧光动力学参数研究报道较少。干旱胁迫导致春小麦光系统Ⅱ（PSⅡ）的光化学过程发生紊乱，具体通过叶绿素荧光动力学参数的变化程度来反映。研究花后春小麦干旱胁迫与旗叶荧光动力学参数的影响及其与抗旱性的关系，有助于明确和缓解干旱对其造成的危害。

1材料与方法

1.1材料与试验设计

选取宁夏平原主栽春小麦品种宁春4号和宁春47号为供试材料，于2014年在宁夏大学试验基地，采用盆栽方式，人工模拟春小麦花后遭遇的干旱胁迫。3月将种子播种于盆钵中，盆钵直径25 cm，高30 cm，每盆装土12 kg，用土取自大田0～20 cm耕层土壤与尿素2.5 g混匀装盆。每个品种50盆，每盆留苗25株。试验采用完全随机设计，3次重复。设置3个土壤含水量梯度分布，分别是土壤含水量为田间持水量的40%（重度干旱）和55%（中度干旱）2个处理，以田间持水量的70%为对照处理。于花后15 d采用称质量法控制土壤含水量。

1.2荧光参数测定

从旗叶完全展开开始，每个处理选择5株长势一致的植株标记，每间隔5 d定点测定旗叶的荧光参数。于花后晴天09：00—11：00点测定，先用夹子夹住旗叶暗处理15 min后，拉开暗室板再用英国Hansatech公司生产的FMS-2型便携式荧光仪接到夹子接口处，直接测定暗适应后田间小麦旗叶的荧光数据初始荧光（Fo）、可变荧光（Fv）、最大荧光（Fm）、光系统Ⅱ（PSⅡ）的最大光化学效率（Fv/Fm）、PSⅡ潜在活性（Fv/Fo）及PI、单位反应中心吸收的光能（ABS/RC）、单位反应中心捕获的用于还原QA的能量（TR0/RC）、单位反应中心捕获的用于电子传递的能量（ET0/RC）、单位反应中心耗散的能量（DI0/RC）等指标。

1.3数据处理方法

运用EXCEL2007和SAS软件进行数据统计分析。

2结果与分析

2.1花后干旱对春小麦Fo的影响

Fo是指经过充分暗适应的光合机构光系统Ⅱ（PSⅡ）反应中心全部开放时的叶绿素荧光发射强度，它是PSⅡ反应中心处于完全开放时的最低荧光产量。由图1可以看出，宁春4号和宁春47号2个品种的Fo随着干旱处理天数的增加呈下降趋势，且下降幅度为轻度水分胁迫>中度水分胁迫>重度水分胁迫。宁春4号花后25 d，持水量40%和55%处理下Fo值较持水量70%处理降低了19.05%和13.09%，且方差分析表明差异不显著。而宁春47号在花后25 d时，持水量40%和55%处理下Fo值较持水量70%处理降低了69.66%和24.45%，且差异显著。说明宁春4号较宁春47号Fo变化小，表明在抵抗干旱变化时宁春4号忍耐力较强。结果还表明，宁春47号在重度干旱下花后25 d时Fo值下降速度快，说明随着水分胁迫的加剧，春小麦旗叶PSⅡ内色素吸收的能量流向光化学反应的部分增加，以热和荧光形式散失的能量减少，从而加剧了对光合结构的破坏，导致光合能力降低，加速衰老。

2.2花后干旱对春小麦Fm的影响

Fm是暗适应的样品照射饱和脉冲后得到的最大荧光产量。光合作用包含两个光反应过程，分别由两个色素系统进行，一个吸收短波红光（680 nm）即PSⅡ；另一个吸收长波红光（700 nm）即PSⅠ，Fm是PSⅡ反应中心完全关闭时的荧光产量，反映了PSⅡ的电子传递情况[11]。由图2可见，2个品种的Fm值在整体上随干旱处理呈降低趋势。宁春4号在花后25 d的Fm值较花后15～20 d下降迅速；在花后25 d，持水量40%和55%处理下Fm值较持水量70%处理降低了7425%和31.82%，且在重度胁迫下经方差分析表明有极显著差异，说明随着水分胁迫加剧，通过PSⅡ的电子传递能力下降，从而进一步影响光合作用，使光合力也急剧下降。

2.3花后干旱对春小麦Fv/Fm、Fv/Fo的影响

Fv/Fm、Fv/Fo分别是反映PSⅡ反应中心潜在活性及光能利用效率的重要指标。Fv/Fm代表植物叶片暗适应PSⅡ反应中心完全开放时原初光能转换效率，反映PSⅡ利用光能的能力。Fv/Fo代表PSⅡ潜在活性。当植物受到胁迫时，Fv/Fm 显著下降，Fv/Fm降低常用来判断植物是否受到光抑制[12]。由图3可知，宁春4号和宁春47号在干旱处理下的Fv/Fo值的变化趋势与Fv/Fm基本一致，整体上随处理天数的增加呈下降趋势，下降幅度为轻度水分胁迫>中度水分胁

迫>重度水分胁迫，且均在花后25 d重度干旱（40%）胁迫下与对照处理有极显著差异，说明随着水分胁迫的加剧，影响了PSⅡ捕获激发能的效率和光合作用的原初反应，使PSⅡ反应中心内光能转换效率和潜在活性受到影响，从而分配作用于光合作用的光减少，进而减弱光合作用。结果还表明，在花后25 d时比花后15～20 d降低幅度明显，宁春4号在持水量40%和55%处理下Fv/Fm值较持水量70%处理降低了5917%和11.79%，Fv/Fo值分别降低了79.30%和3578%；宁春47号在持水量40%和55%处理下Fv/Fm值较持水量70%处理降低了72.89%和5071%，Fv/Fo值分别降低了90.17%和2648%，二者相比较宁春47号下降速率更快，说明宁春4号忍耐干旱力较强。

2.4花后干旱对春小麦对PI的影响

PI是叶绿素吸收、捕获、传递及耗散能量的综合性能指数，反映了PSⅡ的整体功能，只要PSⅡ的部分受到伤害，PI就能反映出来。由图4可知，宁春4号和47号的PI值在干旱处理下整体都呈下降趋势，下降幅度为轻度水分胁迫>中度水分胁迫>重度水分胁迫。宁春4号在花后25 d时，持水量40%和55%处理下PI值较持水量70%处理降低了7293%和45.65%，且方差分析重度胁迫下达到极显著差异，说明水分含量的急剧减少确实阻碍了光合作用，使光合能力降低。宁春47号变化趋势相似。

2.5花后干旱对春小麦PSⅡ单位反应中心比活参数的影响

由表1可以看出，随着干旱胁迫的增加，单位反应中心吸收的光能ABS/RC呈增加趋势，且单位反应中心耗散的能量DI0/RC也呈小幅度的增加，说明可能是干旱处理下PSⅡ反应中心部分失活，使得剩余反应中心效率提高而增加；而单位反应中心捕获的用于还原QA的能量TR0/RC和单位反应中心捕获的用于电子传递的能量ET0/RC减少，可能是光合电子传递链受到阻碍。花后15 d开始，宁春4号的ABS/RC、DI0/RC值在中度和重度胁迫下较CK分别下降3.76%～

1732%、5.39%～24.14%和23.49%～28.13%、26.91%～42.77%；宁春47号分别下降了7.96%～13.44%、1317%～1893%和16.03%～22.15%、27.53%～33.54%，且在花后20 d达到极显著差异。宁春4号在中度和重度水分处理下的TR0/RC、ET0/RC分别较CK增加了13.52%～14.48%、733%～16.49%和4.34%～6.59%、11.70%～20.05%，宁春47号分别增加了3.31%～8.16%、12.41%～17.17%和 1.86%～2.13%、9.59%～10.67 %，同样随着胁迫程度的增加呈极显著变化。

3结论与讨论

干旱胁迫显著降低了宁春4号和宁春47号春小麦叶绿素荧光参数值，不同程度的干旱使光合器官受损，影响光合色素和光系统PSⅡ的光合性能，致使光合作用受到抑制，导致光合速率下降，且在重度胁迫下的伤害程度远大于正常水分条件。

叶绿素荧光参数的变化可以通过影响植物光合作用中PSⅡ的光化学反应来进一步影响光合作用机制，最终影响作物产量。春小麦的荧光参数Fo、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、PI值在干旱胁迫下整体呈下降趋势；且随着水分胁迫的加剧，重度胁迫与轻度对照处理有显著差异，说明在春小麦花后时期水分严重亏缺使旗叶PSⅡ的原初光能转化效率和潜在活性降低，致使PSⅡ潜在光合作用活力受到抑制，光合电子传递及光合磷酸化都受到阻碍，从而导致光合速率降低，这与前人研究结果[13]一致，进而影响小麦籽粒产量。同时，单位反应中心比活参数不但可以直接反映植物对光能的吸收和利用情况，而且可以间接反映植物反应中心的活性和数量[14]。随着干旱胁迫的增加，小麦叶片PSⅡ单位反应中心比活参数ABS/RC和DI0/RC分别升高21.54%和38.16%，TR0/RC和ET0/RC分别下降16.83%和15.36%，说明干旱会致使PSⅡ部分失活而降解，使单位反应中心捕获用于电子传递的能量降低，通过热耗散散失的能量增加来减少过量激发能对PSⅡ系统造成的伤害，这与前人的研究结果[15-16]一致。干旱使得PSⅡ电子传递速度下降，可能是干旱胁迫损害了PSⅡ氧化侧的放氧复合物的功能，而阻断了电子传递链上PSⅡ受体侧电子从QA向QB的传递，进而导致TR0/RC和ET0/RC下降，且胁迫越严重下降幅度越大。结果还表明，干旱增加了单位反应中心耗散的能量DI0/RC，说明光合效率的降低可能是光合电子传递速率和耗散比例增加两因素影响的。此外， 在重度和中表度处理下，ABS/RC含量随胁迫呈极显著增加趋势，说明在有活性PSⅡ光系统数量降低的情况下，干旱有可能是以剩余有活性反应中心的功能增强的方式来维持严重胁迫下PSⅡ的光能供应。但在重度胁迫到花后25 d时ABS/RC出现降低，说明该胁迫下PSⅡ吸收过多的光能会导致PSⅡ单位反应中心压力增加，可能会使PSⅡ发生光抑制现象[17]。

生产上防御和缓解生育后期的干旱危害，对提高产量和改善品质具有重要意义。研究清楚花后不同时期春小麦荧光参数变化及其与抗旱性的关系机制，对减缓后期干旱危害较为有效，为春小麦高产稳产优质栽培提供适当合理的措施。

参考文献：

[1]胡继超，曹卫星，姜东，等. 小麦水分胁迫影响因子的定量研究Ⅰ.干旱和渍水胁迫对光合、蒸腾及干物质积累与分配的影响[J].作物学报，2004，30（4）：315-320.

[2]梁银丽，康绍忠. 节水灌溉对冬小麦光合速率和产量的影响[J].西北农业大学学报，1998，26（4）：16-19.

[3]卢从明，张其德，匡廷云. 水分胁迫对小麦叶绿素a荧光诱导动力学的影响[J].生物物理学报，1993，9（3）：453-457.

[4]张守仁. 叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论[J].植物学通报，1999，16（4）：444-448.

[5]齐华，白向历，孙世贤，等. 水分胁迫对玉米叶绿素荧光特性的影响[J].华北农学报，2009，24（3）：102-106.

[6]Basu P S，Sharma A，Sukumaran N P. Changes in net photosynthetic rate and chlorophyll fluorescence in potato leaves induced by water stress[J]. Photosynthetica，1998，35（1）：13-19 .

[7]宋莉英，孙兰兰，舒展，等. 干旱和复水对入侵植物三裂叶蟛蜞菊叶片叶绿素荧光特性的影响[J].生态学报，2009，29（7）：3713-3721.

[8]郭春芳，孙云，唐玉海，等. 水分胁迫对茶树叶片叶绿素荧光特性的影响[J].中国生态农业学报，2009，17（3）：560-564.

[9]付秋实，李红岭，崔健，等. 水分胁迫对辣椒光合作用及相关生理特性的影响[J].中国农业科学，2009，42（5）：1859-1866.

[10]徐凯，郭延平，张上隆. 不同光质对草莓叶片光合作用和叶绿素荧光的影响[J].中国农业科学，2005，38（2）：369-375.

[11]王新忠，赵玉国，吴沿友，等. 高温胁迫对水稻拔节期净光合速率·SPAD·叶绿素荧光动力学的影响[J].安徽农业科学，2011，39（33）：20337-20339.

[12]Holling C S. Some characteristics of simple of types of predation and parasitism[J]. Canadian Entomologist，1959，91（7）：385-398.

[13]张其德，张建华，刘和芹，等. 限水灌溉和不同施肥方式对冬小麦旗叶某些光合功能的影响[J].植物营养与肥料学报，2000，6（1）：24-29.

[14]张会慧，张秀丽，许楠，等. 外源钙对干旱胁迫下烤烟幼苗光系统Ⅱ功能的影响[J].应用生态学报，2011，22（5）：1195-1200.

[15]Muranaka S，Shimizu K ，Kato M. Ionic and osmotic effects of salinity on single-leaf photosynthesis in two wheat cultivars with different drought tolerance[J]. Photosynthetica，2002，40（2）：201-207.

[16]胡继超，姜东，曹卫星，等. 短期干旱对水稻叶水势，光合作用及干物质分配的影响[J].应用生态学报，2004，15（6）：63-67.

[17]张会慧，张秀丽，胡彦波，等. 碱性盐胁迫对桑树幼苗叶片叶绿素荧光和激发能分配的影响[J].经济林研究，2012，30（1）：6-12.陈俊华，郭世保，徐雪松，等. 5%调环酸钙泡腾颗粒剂对小麦的调控作用[J]. 江苏农业科学，2016，44（10）：143-146.