低鉀脅迫對玉米苗期光合特性和光系統Ⅱ性能的影響

杜 琪 王 寧 趙新華 沙德劍 張艷正 趙凱能黨現什,4 于海秋,?

(1沈陽農業大學農學院,遼寧 沈陽 110866；2中國農業科學院農業信息研究所,北京 100081；3 河北省農林科學院濱海農業研究所,河北 唐山 063299； 4 中國科學院東北地理與農業生態研究所,吉林 長春 130102)

鉀(K)是作物生長發育所必需的三大營養元素之一,參與植物體光合作用、電子傳遞、滲透調節等重要生理過程[1-2]。然而,與氮肥和磷肥相比,鉀肥在農業生產中投入量較少。自20 世紀90年代后期以來,土壤速效鉀含量以平均每年60 kg·hm-2下降,且這種下降趨勢正逐年增加[3-4]。目前,我國已有超過三分之二的耕地出現缺鉀狀態(速效鉀≤100 mg·kg-1),嚴重制約了作物產量和品質的提高[5]。

玉米(Zea mays L.)對鉀肥需求量大。土壤低鉀會導致玉米植株K 含量降低[6],引起葉尖和葉緣出現失綠黃葉等現象[7]。同時,低鉀脅迫下葉片氣孔部分關閉、光合酶活性和氮代謝酶活性下降,阻礙CO2固定,干擾正常的光合生理功能[8-10]。光合作用過程包括光能的吸收、傳遞與轉化,其中光能的捕獲和能量的分配與平衡是光合作用系統的核心[11-12]。研究發現快速葉綠素熒光誘導動力學曲線(fluorescence induction dynamic curve,OJIP)能準確反映光系統Ⅱ反應中心能量捕獲以及電子供體側和受體側的功能變化[13-14]。因此,通過分析低鉀脅迫下OJIP 曲線各參數值能夠準確反映光系統Ⅱ的性能。目前,OJIP 曲線分析研究多集中在干旱、高溫等逆境脅迫方面[15-17],而對低鉀脅迫下光系統Ⅱ性能影響的分析尚未見報道。Du 等[18]研究發現低鉀脅迫下玉米葉片光系統Ⅱ受到嚴重的光抑制,引起反應中心關閉,電子傳遞鏈受阻等,影響光合作用的正常進行。但低鉀脅迫導致光系統Ⅱ中哪個位點損傷光系統尚不清楚。本研究以耐低鉀玉米自交系90-21-3 和鉀敏感玉米自交系D937為試驗材料,通過測定低鉀脅迫下光合作用和葉綠素熒光誘導動力學曲線等參數,分析低鉀脅迫光系統Ⅱ活性和光合特性的關系,明確低鉀脅迫對光系統Ⅱ性能的影響,以期為進一步揭示玉米耐低鉀光合生理機制奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和試驗區概況

供試材料為沈陽農業大學農學院多年在遼寧省遼中縣天然低鉀田(速效鉀含量為50.4 mg·kg-1)中篩選獲得,并經過池栽和水培試驗驗證的典型耐低鉀玉米自交系90-21-3(來源于旅大紅骨群體)和鉀敏感玉米自交系D937(來源于瑞德群體)[19]。低鉀脅迫下,90-21-3 在苗期中下部葉片變化不明顯,而D937 則表現出葉緣失綠變黃。

試驗于沈陽農業大學長期定位低鉀池中進行,土壤來自遼中縣滿都戶鎮天然低鉀土。土壤質地為砂土,土壤肥力均勻,耕層土壤基本理化性質為速效鉀49.32 mg·kg-1、堿解氮99.23 mg·kg-1、速效磷15.42 mg·kg-1、有機質11.21 g·kg-1、土壤pH 值7.23。

1.2 試驗設計

試驗共設置低鉀(速效鉀含量為49.32 mg·kg-1,記作-K)和高鉀(速效鉀含量為130.00 mg·kg-1,記作+K)2 個處理,以高鉀處理為對照(CK)。采用隨機區組設計,每個小區8 行,行長3.75 m,行距0.50 m,株距0.3 m。每個處理3 次重復。低鉀處理直接播種于低鉀池內,高鉀區則根據其土壤鉀含量,每個小區分別施入0.6 kg 硫酸鉀肥(K2O,50%)作基肥。同時,各處理分別施用尿素(N,46%)150 kg·hm-2和磷酸二銨(P2O5,46%)150 kg·hm-2作基肥。出苗后,于玉米六葉期測定葉片各項參數。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉面積及K、葉綠素和類胡蘿卜素含量的測定葉面積測定參照高建昌等[20]的方法,將取回的新鮮玉米葉片分別置于EPSON 2580 掃描儀(SEIKO Epson公司,日本)獲取圖像,設置分辨率為200 DPI,然后利用Image J 圖像分析軟件(National Institutes of Health,美國)分別測定各處理的葉面積和黃葉面積；K 含量測定采用火焰光度計法；葉綠素含量和類胡蘿卜素含量測定參照Li 等[21]的方法。

1.3.2 光合參數的測定 選取各處理長勢一致玉米葉片,于晴朗天氣上午9：00-11：00 時利用便攜式CIRAS-2 光合儀(Hansatech 公司,英國)分別測定葉片的凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、蒸騰速率( transpiration rate, Tr)、 氣 孔 導 度( stomatal conductance,Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,Ci)及氣孔限制值(stomatal limitation,Ls)。采用內置紅白光源,設置光強為1 500 μmol·m-2·s-1,葉室氣流為100 mL·min-1, 相對濕度為90%,外界CO2濃度為390±5 μmol·mol-1。

1.3.3 葉綠素熒光動力學曲線的測定 參照Strasser等[22]的方法測定葉綠素熒光動力學曲線(chlorophyll fluorescence induction dynamic curve,OJIP)。測定前用葉夾將葉片暗適應30 min,利用Pocket PEA 植物效率分析儀(Hansatech 公司,英國)在飽和脈沖光(3 500 μmol·mol-1)下測定各葉片的快速葉綠素熒光動力學曲線。利用JIP-Test 分析法[22]對OJIP 曲線所得參數進行計算,曲線上各熒光參數及計算公式如下：

1)Fo：在20 μs 時的熒光,O 相；Fk：在300 μs 時的熒光,K 相；Fj：在2 ms 時的熒光,J 相；Fi在30 ms 時的熒光,Ⅰ相；Fp：最大熒光,P 相。由上述參數可進一步獲得PS Ⅱ供體側功能參數：Wk=(Fk-Fo)/(Fj-Fo),表示放氧復合體的受傷害程度。

2)標準化后參數：Vj≡(Fj-Fo)/(Fm-Fo),表示在J 點的相對可變熒光強度；Mo=4(Fk-Fo)/(Fm-Fo),表示QA初始還原速度；ψo=(Fm-Fj)/(Fm-Fo),表示反應中心捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA下游的其他電子受體的概率；以及O-J 段標準化后的Voj和△Voj,其中Voj=(Ft-Fo)/(Fj-Fo)。

3)反應中心密度：RC/CSm。

4)基于單位面積和反應中心的比活性參數：ABS/CSm,表示單位面積吸收光能；捕獲TRo/CSm,表示單位面積捕獲的光能；ETo/CSm,表示單位面積電子傳遞的量子產額；DIo/CSm,表示單位面積的熱耗散；ABS/RC,表示單位反應中心吸收能量；TRo/RC,表示單位反應中心捕獲能量；ETo/RC,表示單位反應中心電子傳遞的量子產額；DIo/RC,表示單位反應中心熱耗散能量。

5)性能指數：PIabs,表示以吸收光能為基礎的光化學性能指數。

1.4 數據處理

采用Origin 9.0 進行數據處理和作圖；SPSS 19.0進行差異性檢驗(LSD 法)分析。

2 結果與分析

2.1 低鉀脅迫對鉀含量和葉面積的影響

由表1 可知,與對照相比,低鉀脅迫下90-21-3和D937 的鉀含量和總葉面積分別顯著降低65.10%、65.38%和28.85%、45.11%(P＜0.05)。低鉀脅迫下90-21-3 的綠葉面積顯著降低了29.80%(P＜0.05),但綠葉面積/總葉面積的值變化不顯著；D937 的綠葉面積和綠葉面積/總葉面積分別顯著降低了62.68%和30.60%(P＜0.05)。低鉀脅迫下,90-21-3 葉片鉀含量、總葉面積與D937 間均顯著差異,但其綠葉面積和綠葉面積/總葉面積均顯著高于D937(P＜0.05)。

表1 低鉀脅迫下90-21-3 和D937 葉片K 含量和葉面積變化Table 1 K content and area of leaves of 90-21-3 and D937 under K deficiency stress

2.2 低鉀脅迫對葉綠素含量的影響

由表2 可知,低鉀脅迫下,90-21-3 的葉綠素a(chlorophyll a,Chl a)、葉綠素b(chlorophyll b,Chl b)、葉綠素a+b(chlorophyll a+b,Chl a+b)和類胡蘿卜素含量(carotenoid,Car)分別顯著降低了12.50%、13.33%、12.94%和11.32% (P ＜0.05), 而其葉綠素 a/b(chlorophyll a/b,Chl a/b)則無顯著變化。低鉀脅迫下,D937 的Chl a、Chl a+b 含量、Chl a/b 和Car 含量分別顯著降低了20.18%、17.88%、11.70%和17.07%(P＜0.05),但Chl b 含量無顯著變化。低鉀脅迫下,90-21-3 的Chl a、Chl b、Chl a+b 和Car 含量及Chl a/b 均顯著高于D937,表明在低鉀脅迫下90-21-3 能夠維持較高的葉綠素含量及其組分之間的平衡。

表2 低鉀脅迫下90-21-3 和D937 葉綠素含量變化Table 2 Chlorophyll content of 90-21-3 and D937 under K deficiency stress

2.3 低鉀脅迫對葉片氣體交換特性的影響

由表3 可知,與對照相比,低鉀脅迫下90-21-3和D937 葉片的Pn、Gs 和Tr 均顯著降低,而Ci 則顯著升高。其中,90-21-3 的Pn、Gs 和Tr 分別顯著降低26.53、25.00%和40.21%,Ci 顯著增加30.51%(P ＜0.05)；D937 葉片Pn、Gs 和Tr 分別顯著降低69.10%、73.68%和67.14%,Ci 顯著增加25.81%(P ＜0.05)。低鉀脅迫對90-21-3 和D937 葉片的Ls 影響較小,與對照間無顯著差異。低鉀脅迫下,90-21-3 的Pn、Gs和Tr 均顯著高于D937。

2.4 低鉀脅迫對PSⅡ供體側的影響

利用JIP-test 分析法研究低鉀脅迫對PSⅡ供體側的影響。將從Fo到Fm間的原始熒光曲線進行標準化,能夠更清楚地了解葉綠素熒光誘導曲線O、J、Ⅰ、P相(OJIP)的特征。由圖1 可知,低鉀脅迫下,90-21-3和D937 葉片熒光曲線均表現出典型的多相上升,包含O-J-Ⅰ-P 4 個基本點。為進一步分析低鉀脅迫對光合傷害位點的影響,對O-P 段瞬時熒光標準化后計算相對可變熒光(relative variable flworescence,Vt)。低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 的Vt均在2 ms處的J-帶(ΔJ)表現出正值。與對照相比,低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 在2 ms 的熒光值分別顯著增加了24.00%和117.78%(P＜0.05)。表明低鉀脅迫下90-21-3 和D937 的PSⅡ供體側受到不同程度的傷害,且對D937 傷害更嚴重,向下游提供電子的能力更弱。

表3 低鉀脅迫下90-21-3 和D937 氣體交換參數變化Table 3 Gas exchange parameters of 90-21-3 and D937 under K deficiency stress

將O-J 段相對可變熒光標準化后,由圖2 可知,低鉀脅迫下90-21-3 和D937 的動力學曲線Voj在300 μs 處出現峰值(Wk),Wk為正值,表明低鉀脅迫下90-21 - 3 和 D937 的放氧復合體(oxygen evolution complex, OEC)受到傷害。低鉀脅迫下D937 的Wk值增加幅度高于90-21-3,表明D937 葉片的PSⅡ能量交換較少,光系統Ⅱ的OEC 受到破壞較90-21-3 嚴重,穩定性差。

2.5 低鉀脅迫對PSⅡ受體側的影響

圖1 低鉀脅迫下90-21-3 和D937 葉片PSⅡ相對可變熒光(A)及其差值(B)變化Fig.1 Relative variable fluorescence and difference of PSⅡof 90-21-3 and D937 under K deficiency stress

圖2 低鉀脅迫下90-21-3 和D937 葉片PSⅡ熒光動力學曲線的K-band 變化Fig.2 K-band of PSⅡfluorescence induction curve of 90-21-3 and D937 under K deficiency stress

從電子受體所處狀態分析,低鉀脅迫下,90-21-3葉片QA的還原速度(Mo)和J 點的相對可變熒光(Vj)分別顯著升高了64.76%和16.46%(P＜0.05),反應中心捕獲的激子中用來推動QA下游電子受體的比例(ψo)顯著下降了6.71%；低鉀脅迫下D937 的Mo、Vj均顯著增加(P ＜0.05),分別是其對照的3.84 倍和2.18 倍,其ψo則顯著下降了63.02%(P＜0.05)。表明QA處于高氧化態,而QA下游的電子受體處于還原態(圖3-A)。

從能量分配的角度分析,低鉀脅迫下,隨著電子在傳遞鏈中的傳遞,用于還原QA的能量占總吸收光能的比例(TRo/ABS)、用于電子傳遞的能量占總吸收光能的比例(ETo/ABS)以及PSⅠ末端受體還原的量子產額(REo/ABS)均較對照有所下降,其中,90-21-3 分別較對照下降了7.52%、14.9%和12.46%,D937 分別顯著降低了32.57%、74.46%和66.36%(P ＜0.05)。低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 用于熱耗散的能力占總吸收光能的比例(DIo/ABS)則分別顯著增加了23.86%和101.4%(P＜0.05)。

圖3 低鉀脅迫下90-21-3 和D937 葉片PSⅡ受體側參數值的變化Fig.3 Variation of PSⅡreceptor parameters of 90-21-3 and D937 under K deficiency stress

2.6 低鉀脅迫對光系統Ⅱ反應中心的影響

PIabs值能夠表示PSⅡ反應中心的性能指數。低鉀脅迫下90-21-3 和D937 的PIabs值分別顯著降低了62.81%和97.67%(P＜0.05),變化幅度較大；Fv/Fo和Fv/Fm分別是反映PSⅡ反應中心潛在活性和光能利用效率的重要指標,低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 的Fv/Fo分別顯著降低了20.82%和65.61%(P＜0.05)；Fv/Fm分別降低了6.78%和32%(圖4-A)。低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 的單位面積吸收的光能(ABS/CSm)分別降低了12.23%和36.51%；用于還原QA的激發能(TRo/CSm)分別顯著降低了18.16%和56.9%(P＜0.05)；用于電子傳遞的能量(ETo/CSm)分別顯著降低了25.31%和83.78%(P＜0.05)；而單位葉面積的熱耗散(DIo/CSm)分別顯著增加了6.85%和27.17%(P＜0.05)；單位面積的反應中心數目(RC/CSm)分別顯著減少了30.15%和51.32%(P＜0.05)(圖4-B)。低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 的單位反應中心吸收的光能(ABS/RC)均顯著高于對照,分別是其對照的1.37 倍和2.65 倍；熱耗散(DIo/RC)也顯著高于對照分別是其對照的1.7 倍和5.35 倍；還原QA的激發能(TRo/RC)分別顯著增加了25.92%和78.1%；用于電子傳遞的能力(ETo/RC)則分別顯著降低了17.21%和31.21%(P＜0.05)。

3 討論

圖4 低鉀脅迫下90-21-3 和D937 葉片PSⅡ反應中心參數值的變化Fig.4 Variation of PSⅡreaction center parameters in 90-21-3 and D937 under K deficiency stress

光合作用是作物生長、發育和產量形成的基礎,包括光能的吸收、傳遞與轉化3 個過程。K 能夠直接參與體內光合作用、電子傳遞以及酶的激活等重要生理過程。研究發現低鉀脅迫能夠直接引起葉片K 含量降低[6],阻礙葉綠素的合成,引起葉尖和葉緣黃葉等現象[7]。本研究中,低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 葉片中K 含量和葉面積均顯著降低,但對90-21-3 綠葉面積/總葉面積值并無顯著影響。表明低鉀脅迫下的90-21-3 雖然葉面積變小,但仍能保持較高的綠葉比值,而D937 則表現出葉片變小,且黃葉比例增加。這與Hu 等[23]研究結果相同。本研究中,低鉀脅迫下的D937 的葉綠素和類胡蘿卜素含量均顯著降低,而90-21-3 葉綠素含量較高為葉片的光合作用提供了基礎[21,24]。同時,低鉀脅迫引起葉片氣孔阻力增加,氣孔部分關閉,光合酶活性和氮代謝酶活性下降,阻礙了CO2的固定,干擾了正常的光合生理功能[8-10,25]。夏穎等[26]研究發現在低鉀脅迫下,棉花葉片凈CO2吸收速率的下降與氣孔阻力上升密切相關,并認為K 對光合速率的影響主要歸因于氣孔的關閉。而王曉磊等[5]認為低鉀脅迫下,RuBP 羧化酶、PEP 羧化酶和NAD 激酶等活性的降低是引起光合速率降低的主要原因,即非氣孔因素導致。本研究中,低鉀脅迫下,D937 的Pn 和Gs 降低幅度均大于90-21-3,而D937的Ci 增加幅度大于90-21-3,但對Ls 值影響較小。研究發現低鉀脅迫導致葉綠體結構遭到破壞,降低了光合酶活性[5,18]。表明低鉀脅迫下90-21-3 和D937葉片光合作用的降低主要與非氣孔因素有關。

研究發現,低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 的光系統Ⅱ受到不同程度的光抑制[18]。本研究中,Fv/Fm的降低表明PSⅡ光抑制的發生,但可能發生在供體側,也可能發生在受體側。Wk值可作為OEC 受傷害的一個標記,Wk值越大,表明供體側受破壞程度越大。Wk值的升高表明供體側受到傷害程度大于PSⅡ受體側的傷害程度[27]。本研究中,低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 葉片在300 μs 處的Wk值均有所增加,說明低鉀脅迫對90-21-3 和D937 的PSⅡ供體側受到傷害程度均大于受體側的傷害程度。而低鉀脅迫下90-21-3的Wk值增加幅度小于D937,表明低鉀脅迫下90-21-3 葉片PSⅡ供體側的OEC 受損程度較輕。

本研究中,低鉀脅迫下D937 的Vj和Mo增加幅度大于90-21-3,且其ψo降低幅度大于90-21-3,表明D937 的PSⅡ受體側的QA處于高程度的還原狀態,導致受體側的鈍化或者失活,而90-21-3 則具有較強的從PSⅡ到PSI 的電子傳遞能力。低鉀脅迫降低了90-21-3 和D937 的PS Ⅱ單位面積吸收的光能(ABS/CSm),導致單位面積用于還原QA的激發能(TRo/CSm)以及用于電子傳遞的能量(ETo/CSm)減少。研究表明,單位面積反應中心密度(RC/CSm)的下降,能夠激發每個有活性反應中心耗能效率的提高[28]。本研究結果表明,低鉀脅迫降低了90-21-3 和D937 的單位面積的反應中心數目(RC/CSm),同時單位反應中心吸收的光能(ABS/RC)和還原QA的激發能(TRo/RC)顯著增加,但用于電子傳遞的能量(ETo/RC)顯著降低。在這個過程中,吸收和捕獲的光能并沒有增加用于電子傳遞的能量(ETo/CSm和ETo/RC),反而大幅度增加了DIo/CSm和DIo/RC,表明低鉀脅迫下反應中心吸收和捕獲的光能大部分以熱量的形式耗散,這可能是玉米葉片在低鉀脅迫下的一種自我保護機制。在受到脅迫后PSⅡ復合體的不穩定性,受體側電子傳遞鏈受到抑制,能夠降低光合膜的能量化作用,從而導致光合系統Ⅱ整體性能下降[29]。而以光能吸收為基礎的性能指數(PIabs)綜合了RC/ABS、Fv/Fm以及ψo等多個指標效應,是JIP-test 中的敏感參數。本研究發現90-21-3 和D937 的PIabs值均顯著降低,其中D937降低幅度較大,說明低鉀脅迫下90-21-3 光系統Ⅱ整體性能優于D937。同時,低鉀脅迫下PIabs敏感性大于Fv/Fm,可以作為評價低鉀脅迫下玉米葉片受到傷害程度及供試材料篩選敏感指標。

4 結論

本研究結果表明,低鉀脅迫導致90-21-3 和D937 葉片中K 含量均顯著降低,葉綠素發生不同程度降解,PSⅡ受到光抑制,光化學活性降低,電子傳遞受阻,進而影響光合作用的過程。低鉀脅迫下,90-21-3 和D937 的PSⅡ供體側、受體側及反應中心均受到不同程度的破壞,而供體側的OEC 破壞是導致光系統Ⅱ光抑制產生的主要原因。低鉀脅迫下,90-21-3 的葉面積、葉綠素含量、光系統Ⅱ性能均高于D937,能保持較高的光合生產能力,D937 在受到低鉀脅迫時各參數均發生較大的變化, 光系統Ⅱ受破壞嚴重,導致光合生產能力降低。