趙成鳳, 王晨光, 李紅杰, 鄭學(xué)慧, 楊 梅, 張仁和,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,楊凌 712100 2 陜西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站,西安 710000

玉米是陜西省第一大的糧食作物,干旱是限制該區(qū)玉米生長(zhǎng)與發(fā)育的最重要的非生物脅迫因素[1- 2]。玉米受旱后的第一響應(yīng)是氣孔關(guān)閉,抑制植株光合電子傳遞,降低葉片的光化學(xué)效率,最終降低光合作用而減產(chǎn)[3-4]。隨著全球氣候變暖,導(dǎo)致玉米季節(jié)性干旱和間歇式干旱時(shí)常發(fā)生,且發(fā)生頻率越來(lái)越高,使得玉米經(jīng)常處于干旱和復(fù)水間隔的生境中[5]?？梢钥闯?干旱后恢復(fù)能力是評(píng)價(jià)玉米抗旱性的重要組成部分[6]。有研究表明,干旱脅迫消除后植物農(nóng)藝和生理功能上產(chǎn)生顯著的補(bǔ)償效應(yīng),但其恢復(fù)程度仍低于正常灌水的水平[7]。因此,進(jìn)一步提高玉米抗旱性是旱區(qū)玉米可持續(xù)生產(chǎn)需要解決的重要問(wèn)題。當(dāng)前,選育抗旱品種是緩解旱區(qū)玉米水資源不足的一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的途徑,但育種周期長(zhǎng)[8]；而利用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑調(diào)控玉米生長(zhǎng)發(fā)育和生理過(guò)程,提高植株抗旱性,是一種新型的生物節(jié)水方式[9- 10]。其中褪黑素 (melatonin,MT)是一種強(qiáng)有力的自由基清除劑和抗氧化劑,在植物抵御非生物脅迫中發(fā)揮著重要保護(hù)作用[11- 12]。

近年來(lái)有學(xué)者對(duì)褪黑素在調(diào)節(jié)受旱作物生理生化代謝方面進(jìn)行了研究。楊小龍等[13]研究發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠通過(guò)提高干旱脅迫下番茄葉片PSII和PSI的光能利用效率和電子傳遞速率,來(lái)加強(qiáng)光能向光化學(xué)反應(yīng)方向的分配,從而增強(qiáng)番茄幼苗的光合性能,緩解干旱脅迫導(dǎo)致的傷害。有研究認(rèn)為,外源褪黑素能緩解干旱脅迫下葡萄葉片OJIP曲線中K點(diǎn)的上升幅度,熒光參數(shù)ψ0和ETRI也會(huì)顯著升高,從而對(duì)電子傳遞鏈起到保護(hù)作用,提高葡萄葉片電子傳遞活性[14]。最近研究顯示褪黑素處理可促進(jìn)干旱脅迫下玉米葉片光合電子傳遞速率,緩解干旱脅迫對(duì)光合系統(tǒng)的損傷[15]。這些研究多集中在褪黑素對(duì)干旱脅迫下作物光合作用的影響。而鮮有研究探討外源褪黑素在復(fù)水條件下對(duì)玉米生長(zhǎng)和光合作用調(diào)控機(jī)理。因此本研究采用盆栽控水試驗(yàn),用于探究以下科學(xué)問(wèn)題：(1)外源褪黑素是否調(diào)控復(fù)水條件下玉米生長(zhǎng)與光合作用？(2)外源褪黑素在復(fù)水條件下通過(guò)哪些過(guò)程影響玉米葉片光合作用？本文可為理解旱后復(fù)水下褪黑素調(diào)節(jié)玉米光合作用機(jī)制、緩解玉米苗期干旱問(wèn)題提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2019年4—8月在西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作物示范園活動(dòng)式防雨棚內(nèi)進(jìn)行。供試玉米品種為‘陜單609’。挑選飽滿(mǎn)的玉米種子播種于規(guī)格基本相同的塑料桶 (內(nèi)徑26 cm,深38 cm)內(nèi),栽培基質(zhì)為風(fēng)干粘壤土,每桶裝土15kg,土壤田間最大持水量為26.4%。按照大田農(nóng)戶(hù)施肥標(biāo)準(zhǔn)純N 240 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2,換成每桶施純N 1.6 g、P2O50.6 g、K2O 0.8 g。三葉期定苗至每盆3株,定苗后玉米長(zhǎng)至第10片葉完全展開(kāi)時(shí)開(kāi)始控水。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理：(1) CK：正常供水+葉面噴施蒸餾水；(2) MT：正常供水+葉面噴施100 μmol/L褪黑素；(3) DS：重度干旱+葉面噴施蒸餾水；(4) DS+MT：重度干旱+葉面噴施100μm/L褪黑素。其中褪黑素的濃度為100μmol/L(依據(jù)我們前期試驗(yàn)篩選出的濃度[15])；正常供水土壤含水量是土壤田間持水量的80%,重度干旱土壤含水量是土壤田間持水量的30%[16]。重度干旱維持8d后進(jìn)行取樣和數(shù)據(jù)測(cè)定,然后復(fù)水4d后測(cè)定葉片各項(xiàng)指標(biāo) 。

1.2 干物質(zhì)累積的測(cè)定

每處理隨機(jī)取樣5株,在80℃烘箱烘干至恒重后稱(chēng)量。

1.3 氣體交換參數(shù)的測(cè)定

采用Li- 6400型便攜式光合儀測(cè)定(LI-COR, USA)測(cè)定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等氣體交換參數(shù)。其中測(cè)定條件為：PAR為1400 mol m-2s-1,大氣CO2濃度為400 mol/mol,葉室溫度控制在25℃。每處理測(cè)定時(shí)重復(fù)10次。

1.4 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的測(cè)定

將葉片暗適應(yīng)30min,然后用M-PEA(Hansatech,UK)進(jìn)行快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(OJIP曲線)的測(cè)定。其中測(cè)定時(shí)間為2s,飽和脈沖為3000 μmol m-2s-1,記錄的初始速率為每秒鐘105個(gè)數(shù)據(jù),M-PEA 光化光的波長(zhǎng)為(627±10)nm,調(diào)制光的波長(zhǎng)為(820±25)nm,遠(yuǎn)紅光波長(zhǎng)為(735±15)nm[17]。以下參數(shù)用于OJIP曲線及光反射曲線的分析：Fo,O為最小熒光(20μs)；FK,K點(diǎn)(300μs)的熒光；FJ,J點(diǎn)(2 ms)的熒光；FI,I點(diǎn)(30 ms)的熒光；Fm,最大熒光,P點(diǎn)的熒光；FV,V為可變熒光。試驗(yàn)取完好的棒三葉在晴天的9:00—11:00進(jìn)行測(cè)定。用JIP-test分析OJIP熒光誘導(dǎo)曲線[18],各參數(shù)的意義及計(jì)算公式如下:相對(duì)可變熒光強(qiáng)度Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)；L相相對(duì)可變熒光強(qiáng)度VOK=(FK-Fo)/(Fm-Fo)；K相相對(duì)可變熒光強(qiáng)度VOJ=(FJ-Fo)/(Fm-Fo)；I點(diǎn)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度VI=(FI-Fo)/(Fm-Fo)；PSII最大光化學(xué)效率φP0=TR0/ABS=1-(Fo/Fm)；用于電子傳遞的量子產(chǎn)額φE0=ET0/ABS=(Fv/Fm)×(1-VJ)；反應(yīng)中心捕獲的電子傳遞到QA以后的效率ψ0=(1-VJ)；電子從系統(tǒng)間的電子傳遞給PSI受體側(cè)電子受體的概率δR0=(1-VI)/(1-VJ)；以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)PIabs=(RC/ABS)×[φP0/(1-φP0)]×[ψ0/(1-ψ0)]；單位反應(yīng)中心吸收的光能ABS/RC=Mo×(1/VJ) ×(1/φP0),其中M0=4×VK；單位反應(yīng)中心捕獲的光能TR0/RC=M0×(1/VJ)；單位反應(yīng)中心熱耗散掉的光能DI0/RC=(ABS/RC)-(TR0/RC)；單位反應(yīng)中心用于電子傳遞的量子產(chǎn)額ET0/RC=Mo×(1/VJ) ×ψ0。

1.5 葉綠素?zé)晒饧癙700 氧化還原狀態(tài)的測(cè)定

將葉片暗適應(yīng)30min后,利用Dual-PAM- 100熒光儀(Walz, Germany)對(duì)活體玉米葉片的葉綠素?zé)晒夂蚉700氧化還原狀態(tài)進(jìn)行測(cè)定。首先打開(kāi)測(cè)量光測(cè)定暗適應(yīng)后的最小熒光(FO),緊接著打開(kāi)一個(gè)持續(xù)時(shí)間僅有0.2—1.5 s的飽和脈沖,強(qiáng)度為10 000μmol photons m-2s-1,測(cè)量暗適應(yīng)后的最大熒光(Fm)和最大P700信號(hào)(Pm),隨后打開(kāi)光化光(AL),使葉綠素?zé)晒鈴暮诎缔D(zhuǎn)到光照條件下,同時(shí)在打開(kāi)光化光進(jìn)行葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)的過(guò)程中,間隔一段時(shí)間打開(kāi)一個(gè)飽和脈沖,待熒光信號(hào)穩(wěn)定后(4—5min)關(guān)閉光化光,并結(jié)束整個(gè)測(cè)量過(guò)程,此過(guò)程可測(cè)定實(shí)際熒光產(chǎn)量(Fs)、光適應(yīng)下最大熒光值(Fm′)和光下最大P700信號(hào)(Pm′)[19]。計(jì)算各熒光參數(shù)：PSII有效光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(II)、PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)、PSII調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)、PSI有效光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(I)、PSI受體側(cè)限制Y(NA)、PSI供體側(cè)限制Y(ND)、通過(guò)PSII的光合電子流ETRII以及通過(guò)PSI的光合電子流ETRI[20]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 12.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,采用Sigmaplot 10.0軟件進(jìn)行繪圖,所有數(shù)據(jù)均為3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean±SE)。

2 結(jié)果分析

2.1 外源褪黑素對(duì)玉米干旱和復(fù)水下干物質(zhì)積累量及葉片氣體交換參數(shù)的影響

在干旱脅迫下外源褪黑素處理可以顯著改善玉米的生長(zhǎng)特性。如圖1所示,水分充足的情況下,葉面噴施褪黑素對(duì)玉米干物質(zhì)積累量沒(méi)有顯著影響。與對(duì)照相比,干旱脅迫下玉米的干物質(zhì)積累量顯著低于充分澆水的,此外與干旱脅迫比,褪黑素處理的玉米干物質(zhì)積累量明顯更高。復(fù)水后,未經(jīng)褪黑素處理的玉米和經(jīng)過(guò)褪黑素處理的玉米干物質(zhì)積累量分別增加了2.9g和4.2g,這表明褪黑素處理能促進(jìn)復(fù)水后玉米生長(zhǎng)發(fā)育的恢復(fù)。

在正常供水下,施用褪黑素對(duì)凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)沒(méi)有明顯影響(圖1)。干旱脅迫導(dǎo)致葉片的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度分別下降了36.0%和30.5%,而外源褪黑素可以緩解干旱處理的下降。在干旱脅迫條件下,經(jīng)過(guò)褪黑素處理的玉米葉片Ci顯著低于未處理的。復(fù)水后,未進(jìn)行褪黑素處理的玉米各參數(shù)都有不同程度的恢復(fù),但仍顯著低于對(duì)照；而干旱脅迫下褪黑素處理的植株各參數(shù)均恢復(fù)到對(duì)照水平。

圖1 外源褪黑素對(duì)玉米干旱脅迫和復(fù)水處理下干物質(zhì)積累量及葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig.1 Effect of exogenous MT on dry matter accumulation and gas exchange parameters of maize under drought and rewatering不同字母表示0.05 水平差異顯著;CK：正常供水+葉面噴施蒸餾水；MT：正常供水+葉面噴施100 μmol/L褪黑素；DS：重度干旱+葉面噴施蒸餾水； DS+MT：重度干旱+葉面噴施100μm/L褪黑素

2.2 外源褪黑素對(duì)玉米干旱和復(fù)水下葉片OJIP曲線的影響

正常供水條件下,噴施褪黑素對(duì)玉米葉片OJIP曲線無(wú)明顯影響。與對(duì)照相比,干旱脅迫使玉米葉片的VJ、VI增加,但經(jīng)褪黑素處理的玉米經(jīng)8d干旱脅迫后VJ、VI增幅較單純的干旱小。為了進(jìn)一步揭示不同處理下OJIP的變化,對(duì)O點(diǎn)與J點(diǎn),O點(diǎn)與K點(diǎn)間的相對(duì)可變熒光進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,計(jì)算其與對(duì)照間的差值(圖2)發(fā)現(xiàn),與對(duì)照相比干旱脅迫下玉米葉片的OJIP曲線在300μs和150μs處出現(xiàn)了很高的峰值,即K點(diǎn)和L點(diǎn)。噴施褪黑素后其K點(diǎn)和L點(diǎn)的值較未噴施的低。復(fù)水后,干旱脅迫下的玉米VJ、VI、K點(diǎn)以及L點(diǎn)均得到較大的恢復(fù),其中經(jīng)過(guò)褪黑素處理的玉米葉片各相恢復(fù)的程度大于未處理的。

圖2 外源褪黑素對(duì)玉米干旱脅迫和復(fù)水處理下玉米葉綠素a熒光瞬態(tài)曲線的影響Fig.2 Effect of exogenous melatonin on chlorophyll a fluorescence transient curve in maize under drought stress and rewatering干旱脅迫和復(fù)水處理后K相的變化,曲線為ΔVOJ=VOJ(處理)-VOJ(對(duì)照)；干旱脅迫和復(fù)水處理后L相的變化,曲線為ΔVOK=VOK(處理)-VOK(對(duì)照)

2.3 外源褪黑素對(duì)玉米干旱和復(fù)水下葉片熒光參數(shù)的影響

從JIP-test分析的熒光參數(shù)結(jié)果來(lái)看(圖3),在水分充足的條件下,施用褪黑素對(duì)熒光參數(shù)φP0、φE0、δR0、ψ0、PIabs或ABS/RC均沒(méi)有影響。與對(duì)照相比,干旱脅迫顯著降低了‘陜單609’葉片的φP0、φE0、δR0、ψ0和PIabs,顯著增加了ABS/RC。干旱脅迫下經(jīng)褪黑素處理的玉米葉片φP0、φE0、ψ0和PIabs顯著高于未處理的,ABS/RC顯著低于未處理的。復(fù)水后,各熒光參數(shù)均得到不同程度的恢復(fù),其中施用褪黑素的處理各指標(biāo)均恢復(fù)到對(duì)照水平,而未施用褪黑素的處理仍較對(duì)照有顯著性差異。

圖3 外源褪黑素對(duì)玉米干旱脅迫和復(fù)水處理下葉片熒光參數(shù)的影響Fig.3 Effects of exogenous MT on fluorescence parameters of maize leaves under drought and rewatering

2.4 外源褪黑素對(duì)玉米干旱和復(fù)水下葉片PSII及PSI能量分配的影響

為了探明外源褪黑素處理對(duì)干旱脅迫和復(fù)水下玉米葉片PSII及PSI能量分配的影響,測(cè)量了葉片的PSII有效光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(II)、PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)、PSII調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)、PSI有效光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(I)、PSI受體側(cè)限制Y(NA)以及PSI供體側(cè)限制Y(ND)。圖4顯示,正常供水情況下,施用褪黑素對(duì)玉米葉片PSII及PSI能量分配沒(méi)有明顯影響。與正常供水相比,干旱脅迫下葉片的Y(II)和Y(I)顯著降低,而Y(NPQ)、Y(NO)、Y(ND)和Y(NA)均顯著升高,但褪黑素處理的玉米各相同參數(shù)均顯著優(yōu)于未處理的玉米。復(fù)水后,各指標(biāo)均得到不同程度的恢復(fù),尤其是褪黑素處理的玉米所有指標(biāo)均恢復(fù)到對(duì)照水平。

圖4 外源褪黑素對(duì)玉米干旱脅迫和復(fù)水下葉片PSII及PSI能量分配的影響Fig.4 Effect of exogenous MT on light energy distribution of maize leaves under drought and rewatering

2.5 外源褪黑素對(duì)玉米干旱脅迫和復(fù)水下葉片電子傳遞速率的影響

由圖5可知, 在不同的水分變化下噴施褪黑素的玉米其光合電子傳遞速率有差異,在水分的充足條件下,葉面噴施褪黑素對(duì)玉米葉片的光合電子傳遞速率沒(méi)有影響。與正常水分處理相比,干旱脅迫下通過(guò)PSII的光合電子流(ETRII)及通過(guò)PSI的光合電子流(ETRI)均顯著下降,但褪黑素處理的玉米葉片ETRII和ETRI均顯著高于未處理的玉米。復(fù)水4d后,施用褪黑素的玉米ETRII和ETRI均恢復(fù)到對(duì)照水平,而未噴施的處理ETRII和ETRI雖有一定的恢復(fù)但仍保持較低的水平。

圖5 外源褪黑素對(duì)玉米干旱脅迫和復(fù)水下葉片電子傳遞速率的影響Fig.5 Effects of exogenous MT on ETRII and ETRI of maize leaves under drought and rewatering

3 討論

干旱脅迫抑制植物生長(zhǎng),而外源褪黑素可以減輕干旱誘導(dǎo)的生長(zhǎng)抑制[21]。本研究結(jié)果也支持這一結(jié)論。而復(fù)水后褪黑素處理的玉米干物質(zhì)積累量得到較快恢復(fù)。說(shuō)明噴施褪黑素提高玉米對(duì)干旱脅迫的耐受性以及促進(jìn)玉米復(fù)水后的恢復(fù)能力。光合作用是玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成最重要的生理代謝過(guò)程[22],分析干旱脅迫和復(fù)水條件下光合作用的可塑性是確定作物對(duì)水分敏感性的有效方法[23]。本研究中,干旱使玉米葉片Pn和Gs顯著下降,而Ci顯著升高(圖2),且重度干旱后復(fù)水葉片光合作用不能完全恢復(fù)。說(shuō)明干旱脅迫下Pn降低主要是由非氣孔因素導(dǎo)致的[24]；但噴施褪黑素可以緩解干旱脅迫對(duì)玉米造成的光損傷,并促進(jìn)復(fù)水后光合作用的恢復(fù)。這些結(jié)果可能與玉米葉片光系統(tǒng)電子傳遞速率和能量分配有關(guān)。

快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線參數(shù)中,φP0反映了暗適應(yīng)后的最大光化學(xué)效率,φE0反映了反應(yīng)中心吸收的光能用于電子傳遞的量子產(chǎn)額,ψ0反映了在反應(yīng)中心捕獲的激子中用來(lái)推動(dòng)電子傳遞到電子傳遞鏈中超過(guò) QA的其他電子受體的激子占用來(lái)推動(dòng) QA還原激子的比率[19]；光合性能指數(shù)PIabs包含了光能的吸收、捕獲和電子傳遞3個(gè)方面綜合反映植物光合機(jī)構(gòu)的狀態(tài)[27]；ABS/RC則表示PSII反應(yīng)中心吸收的光能。本試驗(yàn)結(jié)果表明干旱脅迫下玉米葉片φP0、φE0、ψ0和PIabs顯著下降,ABS/RC顯著上升,而噴施褪黑素處理抑制這種下降且顯著緩解了干旱脅迫下ABS/RC的增加,表明干旱脅迫增加了葉片光能的吸收,而葉片PSII的活性、PSII捕獲光能用來(lái)還原QA的能力以及PSII受體側(cè)QA傳遞電子的能力則下降,使整個(gè)光合機(jī)構(gòu)受到損害；而噴施褪黑素有利于緩解干旱脅迫對(duì)PSII反應(yīng)中心活性和電子傳遞過(guò)程的傷害和抑制,這與前人得到的OJIP曲線變化規(guī)律相符[6,28-29]。δR0反映電子從QB和PQ庫(kù)向PSI受體側(cè)傳遞的能力,δR0在干旱脅迫表現(xiàn)為顯著下降,說(shuō)明干旱脅迫抑制了PSII和PSI之間電子的傳遞[20]。復(fù)水后,玉米葉片熒光參數(shù)均得一定程度的恢復(fù)；且干旱脅迫下外源褪黑素處理的玉米各參數(shù)的恢復(fù)到對(duì)照水平,說(shuō)明噴施褪黑素在復(fù)水后加快解除光反應(yīng)中心受到的抑制,促進(jìn)光合電子傳遞能力的恢復(fù)。

干旱脅迫會(huì)降低PSII和PSI的光合電子傳遞能力和能量分配[19],而外源褪黑素處理可以提高植株對(duì)光能的轉(zhuǎn)化效率以及光合電子傳遞能力,促進(jìn)光合色素的積累,增強(qiáng)植物的光合作用[15,30]。在本研究中,噴施褪黑素提高了干旱脅迫下玉米葉片的光能利用效率Y(II)、Y(I)和電子傳遞速率ETRII、ETRI,同時(shí)褪黑素處理顯著降低了干旱脅迫下玉米葉片的Y(NPQ)、Y(NO)、和Y(NA),這說(shuō)明外源褪黑素確實(shí)提高光能的轉(zhuǎn)化效率和電子傳遞速率,有利于PSII吸收的光能更多的用于光化學(xué)反應(yīng)而不是以熱耗散的形式被消耗,從而對(duì)葉片的PSII和PSI起到一定的保護(hù)作用。復(fù)水后,外源褪黑素各參數(shù)均得到了一定程度的恢復(fù),而重度干旱下褪黑素處理的各參數(shù)均恢復(fù)到了對(duì)照水平。進(jìn)一步說(shuō)明了噴施褪黑素促進(jìn)復(fù)水后光合電子傳遞能力的恢復(fù)。

4 結(jié)論

噴施褪黑素緩解干旱脅迫對(duì)玉米光合機(jī)構(gòu)的損傷,且復(fù)水后加速葉片光合功能的恢復(fù)；其調(diào)控機(jī)制是提高了2個(gè)光系統(tǒng)活性、增加電子傳遞速率,降低PSI供體側(cè)和受體側(cè)的限制,維持其光系統(tǒng)功能的完整性,促進(jìn)玉米植株恢復(fù)性生長(zhǎng)。因此利用外源褪黑素調(diào)控玉米葉片光合作用適應(yīng)干旱多變環(huán)境是一種重要的抗旱節(jié)水方式。