高溫脅迫對中棉所63及其親本葉綠素熒光參數的影響

李傳宗，劉麗媛，韓迎春

（棉花生物學國家重點實驗室/中國農業(yè)科學院棉花研究所，河南安陽455000）

隨著工業(yè)化進程的加劇，大量溫室氣體排到大氣中，全球溫度正逐年上升[1]。據報道，最高氣溫達到35℃以后，每升高1℃，就會造成棉花減產110 kg·hm－2[2]。在我國長江流域棉區(qū)，7－8月的高溫會引起棉花產量和品質的下降[3]。例如，2013年7－8月的極端高溫達到38～40℃，熱害加上干旱導致蕾鈴脫落多，成鈴少，衣分極低，短絨率增加，品質極差[4]。高溫熱害已成為影響長江流域棉區(qū)高產、穩(wěn)產的主要影響因素之一[5]。

高溫脅迫對光合作用的影響一般是對氣孔導度的限制和CO2羧化的限制[6]，尤其是對Rubisco活化酶的抑制作用[7]。另外，PSⅡ對高溫敏感[8]，高溫脅迫抑制PSⅡ的電子傳遞，導致光化學效率低下[9]。葉綠素熒光作為1種測量PSⅡ功能的技術被廣泛用于研究逆境條件對植物光合作用的影響[10]。本文通過對中棉所63及父、母本在高溫條件下葉綠素熒光參數變化的分析，為中棉所63在長江流域棉區(qū)的推廣提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　試驗材料及處理

試驗于2016年在中國農業(yè)科學院棉花研究所東場高溫生長箱進行。供試材料中棉所63、中棉所63母本（9053）和中棉所 63父本（sGK9078）由中國農業(yè)科學院棉花研究所育種室提供。供試材料于4月25日播種，5月15日定苗。中棉所63及父、母本各選擇長勢均勻、發(fā)育正常的盆栽20盆，每盆3株。7月5日，中棉所63及其父、母本進入花期，連盆移至高溫生長箱中進行處理（10：00—16：00，42 ℃；16：00—次日 10：00，28 ℃），處理 7 d，然后再連盆移入28℃的正常生長環(huán)境下讓其生長。高溫處理期間，每個品種施用等量的水、肥，盡量控制其他因素對試驗的影響。

1.2　葉綠素熒光動力學參數的測定

在高溫處理期間，每天15：30進入高溫生長箱，分別選取中棉所63及父、母本3株生長發(fā)育正常的棉株，然后從選取的棉株上挑選完全伸展的健康倒4功能葉片，用暗適應夾在靠近主葉脈的葉片上，暗適應30 min。用PAM-2500（德國WALZ公司）測定倒4功能葉的葉綠素熒光動力學參數。參照 Genty等[11]的方法測量初始熒光（F0）、最大熒光（Fm），參照 Rohacek[12]公式得到最大可變熒光Fv=Fm－F0，并且由此得到光化學效率（Fv/Fm）。 測得光下葉片的實際光能轉化效率（Yield）、光化學猝滅系數（qP）、非光化學猝滅系數（NPQ）、光合電子傳遞速率（ETR）。測定結果均為每個品種3次測量值的均值。

2　結果與分析

2.1　高溫脅迫對中棉所63及其親本Fv/Fm和Yield的影響

Fv/Fm是指PSⅡ最大光能轉化率。如圖1A，在受到高溫脅迫后，中棉所63及其父、母本的Fv/Fm值均有所降低。其中，在高溫脅迫的第4天，中棉所63及其父、母本的Fv/Fm值達到最小。中棉所63的Fv/Fm值，第4天較第1天下降了1.3%，中棉所63母本下降了2.5%，中棉所父本下降了1.4%。高溫脅迫結束后，中棉所63雜交種、中棉所63母本、中棉所63父本Fv/Fm均有所恢復。在整個高溫脅迫期間，中棉所63的Fv/Fm均顯著高于其父、母本，且最低值在0.80以上，中棉所63母本的Fv/Fm高于其父本。這一結果表明，在高溫脅迫下，棉花的PSⅡ最大光能轉化率有所降低，光合傳遞過程受到一定的影響。中棉所63的PSⅡ系統(tǒng)的耐高溫能力高于其父、母本。

Yield是指光下PSⅡ反應中心部分關閉的條件下的實際光能轉化效率。中棉所63及其父、母本在遇到高溫脅迫以后都呈現先下降再緩慢上升的趨勢（圖1B）。在高溫脅迫的第4天，Yield達到最低值，相比高溫脅迫的第1天，中棉所63、母本、父本分別降低了6.7%、17.5%、18.5%。整個高溫脅迫期間，中棉所63的Yield在0.60～0.65，中棉所63母本的Yield在 0.48～0.57，中棉所 63父本的Yield在0.44～0.54。中棉所63的Yield均高于其父、母本。

圖1　高溫脅迫對中棉所63及其親本Fv/Fm和Yield的影響

2.2　高溫脅迫對中棉所63及其親本qP和NPQ的影響

光化學猝滅系數qP值反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學反應的比率，qP值體現PSⅡ電子傳遞和QA的還原狀態(tài)。中棉所63的qP值高于其父、母本的qP值，且穩(wěn)定在0.82～0.85（圖2A）。整個高溫脅迫期間，中棉所63的qP值呈“W”型的變化趨勢。中棉所63母本qP值高于中棉所63父本的qP值，且中棉所63母本變化趨勢與中棉所63的變化趨勢一致。中棉所63父本的qP值呈逐漸減小后逐漸平穩(wěn)的變化趨勢。

非光化學猝滅系數NPQ反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能中不能用于光化學反應，而以熱能形式散失掉的部分[13]。非光化學猝滅是植物遇到脅迫條件，自身的一種自我保護機制[14]。如圖2B，在遇到高溫脅迫后，中棉所63及其父、母本的NPQ值均呈現先降低再升高再下降的一個趨勢。整個高溫脅迫期間，NPQ值在第4天降到最低，中棉所63、母本、父本分別下降了19.6%、43.4%、36.9%。在高溫脅迫的第5天，中棉所63及其父、母本的NPQ值均出現了較明顯的上升趨勢。整個脅迫期間，中棉所63的NPQ值均高于其父、母本，中棉所63母本的NPQ值高于中棉所63父本。

圖2　高溫脅迫對中棉所63F1及其親本qP和NPQ的影響

2.3　高溫脅迫對中棉所63及其親本ETR的影響

光合電子傳遞速率ETR代表在無光抑制時葉片光合作用的最大潛在能力[15]。中棉所63的光合電子傳遞速率在整個高溫脅迫期間均高于其親本（圖3）。整個高溫脅迫期間，中棉所63及父、母本的ETR變化趨勢基本一致，在第5天達到最低值，與高溫脅迫的第1天相比中棉所63、母本、父本分別降低了7.4%、20.5%、11.2%。中棉所63母本的ETR高于中棉所63父本的ETR。

3　結論與討論

極度的高溫對植物的生長是不利[16]。高溫脅迫過程中，植物體內的結構會因外界的高溫脅迫發(fā)生很多的生理生化變化[17]，以提高自身對脅迫環(huán)境的適應性[18]。高溫脅迫對于植物的光合系統(tǒng)具有多方面的影響，不僅破壞了內部的光合機構，還影響了光和磷酸化、光合電子傳遞等過程[19-20]。

本研究表明，在高溫脅迫下中棉所63及父、母本Fv/Fm和Yield值均呈現先下降后逐漸恢復的趨勢。但是，在這個過程中，中棉所63的Fv/Fm和Yield值與父母本的Fv/Fm和Yield值存在顯著性差異。這說明，在同一高溫脅迫條件下，中棉所63父、母本的葉片光能過剩，出現了光破壞或光抑制的現象。中棉所63在高溫脅迫條件下仍保持了較高的光化學活性。高溫脅迫條件下，中棉所63的qP值均高于父、母本，表明中棉所63的PSⅡ電子傳遞和QA的還原狀態(tài)受高溫影響低于父、母本。在高溫脅迫條件下，中棉所63的NPQ值高于其親本，且在高溫脅迫過程中，中棉所63的NPQ波動較小。這個過程表明，中棉所63的自我保護機制強于其親本，光合能力優(yōu)于親本。在高溫脅迫條件下，中棉所63的光合電子傳遞速率較為平穩(wěn)，且在高溫脅迫后期逐漸恢復到高溫第1天的水平。中棉所63表現出了高于父、母本的耐高溫能力。

圖3　高溫脅迫對中棉所63F1及其親本ETR的影響

綜上所述，中棉所63較其親本有較好的耐熱性。在高溫脅迫條件下，中棉所63的葉綠素熒光參數 Fv/Fm、Yield、qP、NPQ、ETR 等均高于親本。 以上研究結果可以為中棉所63在長江流域棉區(qū)的推廣提供理論依據。

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