设施菊花品种“金背大红”叶片光合特性对高温胁迫的响应

　　摘要：以多头菊品种“金背大红”幼苗为试材，在大型人工气候室中设置日最低气温/最高气温分别为25℃/35℃、30℃/40℃，处理3、6、9、12d，昼夜分别恒温处理12h，并于处理后在20℃/30℃下恢复5、10、15d，以20℃/30℃为对照处理(CK)，测定不同处理下菊花幼苗叶片的光合参数及光合色素含量，以期揭示高温胁迫及恢复对设施菊花叶片光合特性、光合色素含量的影响。结果表明：在日最高温度35℃以上，随着温度升高和胁迫时间增加，菊花叶片光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQE)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、气孔限制值(Ls)、水分利用率(WUE)、叶绿素含量、类胡萝卜素含量均有所降低，日最高气温为40℃时各参数分别比CK降低了56.42%、41.22%、78.54%、90.33%、54.55%、31.29%、54.09%、42.44%、40.26%，恢复后，各项指标有不同程度增加，但趋于稳定后仍无法恢复到CK水平，恢复15d时，各参数分别比CK低47.04%、35.88%、50.56%、76.52%、33.84%、19.45%、32.75%、23.90%、23.07%。研究表明，高温胁迫严重抑制了菊花幼苗的生长，对菊花幼苗光系统的结构和功能造成了不可逆的伤害。

　　关键词：高温胁迫;菊花;光合特性;光合色素含量

　　菊花(chrysanthemum)是古今名花，但是切花菊却是这个传统名花中的新分支。虽然目前国内具有一定生产规模，但是仍旧没有形成质量稳定、品种优良的产业能力。品种基本靠进口、产品质量基本靠天气的局面没有根本改变，主要表现在基因资源、高技术育种和现代集约栽培技术等方面[1]，日本是我国切花菊的主要目标市场，在8—9月出现消费高峰，每月消费量为9000万至1亿枝左右，但夏季高温使切花菊的产量、质量及其经济效益大大降低[2]，因此加强高温下菊花的光合作用特点及其机理研究对菊花的周年工厂化生产与抗热品种培育均具有重要意义。

　　光合作用是植物将光能转换为可用于生命过程的化学能并进行有机物合成的生物过程[3]。已有的研究表明，光合作用下降与叶片的胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、气孔限制值(Ls)等密切相关[4]。高温条件下叶片气孔逐渐关闭，气孔导度降低，导致净光合速率减小[5]。

　　赵和丽等[6]发现，在日最高温度32～41℃范围内，随着温度升高，植物光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQE)、最大净光合速率(Pnmax)、最大光化学效率(Fv/Fm)、光合性能指数(PIabs)、综合性能指数(PItotal)、用于电子传递的量子产额(φEo)、用于还原PSI受体侧末端电子受体的量子产额(φRo)、用于电子传递的光能(ETo/CSm)和有活性的反应中心数量(RC/CSm)均有所降低，主要是由于高温胁迫破坏了植物幼苗光系统的结构和功能。

　　张富存等[7]研究表明，在30～36℃范围内，随着温度升高，叶片最大净光合速率(Pnmax)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)等有所降低，叶片光合速率与光合有效辐射(PAR)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)等参数呈极显著正相关(P<0.01)，而与温度呈显著负相关。叶绿素是绿色植物进行光合作用的主要场所[8]，而光合色素含量的多少可以用来反映植物光合能力的强弱[9]，有研究表明，高温处理后植物叶绿素含量下降显著，且温度越高，下降幅度越大，表明高温促进了植物的衰老[10]。

　　目前国内外关于高温胁迫及处理天数对多头菊光合特性、光合色素的影响机理方面鲜有报道，研究高温对设施菊花光合特性及光合色素含量的影响是揭示高温危害机理和确定设施菊花灾害指标的前提，对设施环境优化调控及高温灾害防御具有重要意义[11]。为此，该研究以多头菊品种“金 背大红”为材料，设置不同的高温水平和持续时间，研究菊花光合作用对高温胁迫及恢复的响应，以期了解高温胁迫对设施菊花的伤害机理，为设施菊花的越夏生产及耐热性研究提供参考依据。

　　1材料与方法

　　1.1试验地概况

　　试验于2019年6—8月在南京信息工程大学农业气象实验站人工智能玻璃温室(Venlo型)内进行，该试验地位于东经118°51′、北纬32°03′，处于长江以北地区，海拔约22m，属亚热带季风气候，多年平均降水量约为1100mm，多年平均气温约为15.6℃。温室呈南北走向，长30.0m，宽9.6m，顶高5.0m，肩高4.5m。

　　1.2试验材料

　　供试菊花品种为“金背大红”。

　　1.3试验方法

　　于6月6日在温室内的苗床上开始育苗，土壤质地为中壤土，当苗长至三叶一心或四叶一心时，将菊花苗定植到规格为12.0cm(高)×21.0cm(上口径)×11.5cm(底径)的花盆中，盆栽土壤pH6.7，土壤中有机碳、氮、速效磷、速效钾含量分别为11500、1185、28.7、94.6mg·kg-1，每盆种植1株，花盆底部放置塑料托盘以防重力水下渗。

　　放置于阴凉通风处缓苗1周左右，期间每天18：00给菊花苗浇洒适量水，试验设计为温度控制试验，温度设置2个水平(夜温/昼温)，为25℃/35℃、30℃/40℃，昼夜分别恒温处理12h，相对湿度设置为60%±5%，以温度20℃/30℃、相对湿度60%±5%环境下处理的菊花幼苗为对照组(CK)，试验设计见表1，试验期内设置光周期为12h(06：00—18：00)，期间每个处理组光合有效辐射(PAR)均设定为800μmol·m-2·s-1。同时采用BP神经网络的方法模拟夏季南京地区玻璃温室内的气温日变化[12]，并以此作为人工气候箱逐时气温的设置依据。

　　每个处理组均分别处理3、6、9、12d，各处理结束后再分别恢复5、10、15d。处理前调节校准步入式人工气候箱(CON-VIRONBDW40)温度、湿度及光照强度，在试验开始的第1天06：00，选取生长发育较好、长势相近、形态差异较小的菊花苗，放入步入式人工气候箱内进行高温处理，每处理3次重复，共12盆，花盆用地膜覆盖防止土面蒸发，处理试验期间每天18：00向各盆菊花苗中浇洒等量清水，使土壤水分及养分含量保持在正常水平范围内。

　　1.4项目测定

　　1.4.1光合参数的测定

　　利用便携式光合作用测定系统LI-6400(LI-CORBiosciencesInc.，USA)于每次测定当天09：00—11：00对菊花叶片进行光合参数测定，每个处理选取3株，每株选取从上至下的第3～5片健康无病虫害的向阳功能叶作为测定叶片，测定的叶面积为6cm2，测定时LI-6400光合仪的光合有效辐射(PAR)设定为0、50、100、200、300、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000μmol·m-2·s-1，每次测定前采用2000μmol·m-2·s-1光合有效辐射对待测叶片进行光适应20min，叶室温度为25℃，二氧化碳浓度为400μmol·m-2·s-1，测定不同光合有效辐射对应的净光合速率(Pn)，并将其绘制成光响应曲线，应用光响应曲线模型对曲线进行拟合，得到不同高温环境下光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、表观量子效率(AQE)以及最大净光合速率(Pnmax)。

　　另外，通过人工控制LI-6400光合仪的光合有效辐射为1200μmol·m-2·s-1，测定菊花叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、大气CO2浓度(Ca)、蒸腾速率(Tr)，并利用公式WUE=Pn/Tr计算水分利用率(WUE)，利用公式Ls=1-Ci/Ca计算气孔限制值(Ls)，测定时每个处理选取3株，每株选取3片叶片进行测定，以其平均值作为最终结果。

　　2结果与分析

　　2.1高温胁迫对菊花幼苗叶片光合参数的影响

　　从温度处理来看，光饱和点为CK>35℃>40℃，CK处理下的光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQE)以及最大净光合速率(Pnmax)均为最大值，而其光补偿点(LCP)为所有处理中的最小值。

　　2个高温处理中，35℃处理下的光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQE)以及最大净光合速率(Pnmax)均显著低于CK且高于40℃处理，分别较CK降低了51.22%、39.69%、61.15%，分别较40℃处理高出11.93%、2.60%、77.12%，说明高温处理极大降低了叶片光合速率，且温度越高，对叶片的伤害越大。从处理天数来看，高温胁迫处理3、6、9、12d的菊花苗期叶片光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQE)以及最大净光合速率(Pnmax)均依次降低，相较于CK，光饱和点依次降低43.26%、49.25%、62.33%、67.37%，表观量子效率依次降低40.46%、45.04%、53.43%、60.30%，最大净光合速率依次降低55.26%、62.95%、77.20%、82.96%，从Duncan检验结果来看，各处理与CK差异显著(P<0.05)，说明高温胁迫处理时期越长，菊花苗期叶片受到的高温伤害越大，致使叶片的光合速率不断降低。

　　3讨论与结论

　　光合作用是植物积蓄能量和形成有机物的过程，作为农业和林业生产的核心，其研究在理论上和生产实践上都具有重大的意义[14]。而植物的光合作用对环境变化较为敏感[15]。该研究表明，高温胁迫下，菊花叶片的光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQE)以及最大净光合速率(Pnmax)均显著降低，这与XIAO等[16]的研究结果相符。以往的研究发现，逆境胁迫下植物叶片光合反应速率降低的原因主要包括2点：一是由于部分气孔关闭而导致的气孔限制，二是光合反应位点同化能力下降所引起的非气孔限制[17]。当气孔限制和非气孔限制同时存在时，判定依据主要是Ci、Gs和Ls的变化方向[18]。

　　气孔限制通常导致Ci降低、Ls升高，而非气孔限制一般引起Ci增高、Ls降低[19]。该研究表明，随着温度的增加，菊花叶片的Gs、Ls均有不同程度的下降，但Ci有所升高，说明引起菊花叶片光合速率下降的主导因素为非气孔限制，这与孙宪芝等[20]的研究结果一致，但杨世琼等[21]认为，高温胁迫对光合作用的抑制作用是由气孔限制因素引起的，这可能与高温梯度的设置不同有关。从不同处理天数来看，6、9、12d处理下菊花叶片的Pn、Gs、Ls均有所下降，而Ci显著升高，说明高温胁迫时间对光合作用产生的抑制作用主要是由非气孔限制因素引起的，这与张燕红等[22]的研究结论一致。有研究表明，在逆境胁迫下，Pn、Gs均下降，Ci上升，表明Pn主要受非气孔限制。

　　随着胁迫时间延长和程度加强，Pn、Tr下降越显著[20]。张大龙等[23]认为，温度对蒸腾的单因素效应为一次函数，即虽然气孔导度下降，但由于水汽压驱动力一直增加，所以蒸腾速率仍然会升高，在该研究中，随着温度升高及处理时间增加，菊花叶片的Pn、Tr均有不同程度的减小，与张大龙等[23]的研究结论不符，这可能是由于空气湿度不同导致。

　　从恢复情况来看，随着恢复天数的增加，菊花叶片的LSP、AQE、Pn、Gs、Tr等指标均有不同程度增加，但无法恢复到CK水平，各指标与CK仍具有显著差异(P>0.05)，这说明高温胁迫对菊花叶片造成了不可逆的损害，韩玮等[24]研究表明，高温胁迫3d的处理组在恢复阶段叶片Pn、Gs、Tr快速上升并高于对照水平，而6d处理组在恢复阶段叶片Pn、Gs、Tr虽也呈现上升趋势，但始终低于对照，这是由于3d的短期高温胁迫可能触发了小白菜的某些防御应答机制，使光合速率出现超补偿，有利于植株的快速恢复，说明3d短期的高温胁迫不足以对光合系统造成不可恢复性的影响。

　　园艺师论文投稿刊物：中国花卉盆景主要报道中国重大环境问题的最新研究成果，包括环境物理、环境化学、环境生态、环境地学、环境医学、环境工程、环境法、环境管理、环境规划、环境评价、监测与分析。兼顾基础理论研究与实用性成果，重点报道国家自然科学基金资助项目、国家重大科技攻关项目以及各省部委的重点项目的新成果。

　　而6d长期高温胁迫则会对小白菜造成不可逆的损害，与该研究结论不完全一致，可能是由于植物品种不同。瞬时水分利用效率(WUE)通常指叶片蒸腾消耗单位质量水分时同化的CO2量[25]，该试验中采用菊花叶片瞬时净光合速率与其蒸腾速率的比值来表示水分利用率。有研究表明在适度高温或干旱胁迫下，WUE会显著升高，而重度高温或干旱胁迫下，WUE下降[26-27]。

　　该研究结果与后者相符，在高温胁迫处理下，菊花叶片的WUE显著下降，且温度越高、处理天数越长，WUE越低，可能是由于高温下的光合作用受到气孔导度降低、衰老加速、光系统受损或源库关系改变的限制[28-29]，导致净光合速率下降，同时由于气孔导度的限制，导致叶片的蒸腾速率也有所下降，而二者比值即WUE也呈下降趋势，说明高温对叶片损伤程度更大，属于重度高温胁迫。

　　参考文献

　　[1]晓白，薛建平，房伟民.菊花：产业蓄势待发[J].中国花卉园艺，2013(23)：28-29.

　　[2]CHENL.Japanmarketinginvestigationandanalysisoncutflowerofchrysanthemumspray[J].AgricultureEngineeringTechnology，GreenhouseHorticulture，2005(3)：17-21.

　　[3]叶子飘.光合作用对光和CO2响应模型的研究进展[J].植物生态学报，2010，34(6)：727-740.

　　[4]麻雪艳，周广胜.夏玉米叶片气体交换参数对干旱过程的响应[J].生态学报，2018，38(7)：2372-2383.

　　[5]HAMERLYNCKE，KNAPPAK.Photosyntheticandstomatalresponsestohightemperatureandlightintwooaksatthewesternlimitoftheirrange[J].TreePhysiology，1996，16(6)：557-565.

　　作者：张源达1，杨再强1，2，陆思宇1，杨立1，郑涵1