文章信息
- 肖海, 刘海俊, 柳伟哲, 舒国平, 焦学磊, 刘晓英, 徐志刚
- XIAO Hai, LIU Haijun, LIU Weizhe, SHU Guoping, JIAO Xuelei, LIU Xiaoying, XU Zhigang
- 冬小麦灌浆期旗叶对光密度与春化方式的光合响应
- Photosynthetic responses of flag leaf in the filling stage of winter wheat to light intensity and vernalization
- 南京农业大学学报, 2017, 40(5): 789-794
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2017, 40(5): 789-794.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201702014
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文章历史
- 收稿日期: 2017-02-14
2. 长沙市望城区农技服务中心, 湖南 长沙 410200
2. Wangcheng Agricultural Technology Service Center, Changsha 410200, China
光是植物生长发育的基本环境因素之一。它不仅是光合作用的基本能源, 而且是植物生长发育的重要调节因子[1-3]。已有学者利用人工气候室开展小麦逆境生理生态及栽培的研究[4-5]。小麦灌浆期需要高光密度, 目前普遍认为需要达到1 000 μmol·m-2·s-1以上[6], 如果按照这个量值设置人工气候室的光密度, 大功率光源会伴生大量热辐射, 小麦冠层叶片、植株和周围空气温度过高, 空调降温不能缓解冠层、穗部等的局部高温效应[7], 导致小麦遭受高温逆境的叠加胁迫。那么, 在人工气候室内栽培小麦, 1 000 μmol·m-2·s-1以上的光密度是否是必需的和可行的, 这些问题有待研究。
植物光合作用的强度随着光密度的变化而改变, 植物光合作用对光密度变化响应的定量表达模型是评价和模拟植物光合作用的物质生产以及生态系统生产力的基础[8]。高等植物开花受4种途径调控:春化途径、光周期途径、赤霉素途径和自主通路途径[9], 其中春化是植物成花对低温的响应, 是调控开花的重要途径[10]。植物春化又分为种芽春化和自然春化两种方式[11]。目前关于植物春化的研究多针对于两年生植物, 如大蒜[11]、甘蓝[12]等。大白菜在这两种春化方式作用下一般都能正常开花[13]。
目前, 冬小麦正常育种主要采用秋播方式, 然后利用自然低温完成春化来达到繁育种子的目的。但在一些基础研究方面, 比如重要亲本材料保存留种等均有缩短试验周期、加快种子和试验材料获得的需求。因此, 加强冬小麦种子春化技术研究, 缩短研究周期对于育种工作和实际生产均具有重要意义。本研究探讨了灌浆期旗叶对光密度与春化方式的光合响应, 研究其对小麦千粒质量以及光合特性的影响, 以期为人工气候室小麦栽培和育种试验选择适宜光密度参数提供支持。
1 材料与方法 1.1 材料和处理供试小麦品种为‘扬麦16’, 种子由南京农业大学农学院小麦课题组提供, 该品种为冬小麦春性品种。试验于2015年9月在南京农业大学LED植物光源研究中心进行。
种芽春化处理:种子经5%(体积分数)NaClO浸泡30 min, 蒸馏水冲洗过夜, 然后移入垫有滤纸的培养皿中, 在4 ℃暗处理15 d。待种子春化完成后, 播种于桶(高40 cm, 直径26 cm, 装7 kg过筛的砂壤土)中, 在人工气候室内培养, 3叶期保留8株小麦植株。
自然春化处理:小麦种子播种于桶中, 在自然环境下进行自然春化, 待翌年拔节期前移入人工气候室内培养, 3叶期保留8株小麦植株。不同生育时期各处理小麦栽培环境参数如表 1所示。
| 环境参数 Environmental parameters |
苗期 Seedling stage |
拔节期 Jointing stage |
孕穗期 Booting stage |
开花期 Flowering stage |
成熟期 Mature stage |
| 日温/℃ Day temperature | 16±2 | 20±2 | 16±2 | 20±2 | 25±2 |
| 夜温/℃ Night temperature | 8±2 | 10±2 | 10±2 | 14±2 | 16±2 |
| 相对湿度/% Relative humidity | 70±5 | 75±5 | 70±5 | 75±5 | 70±5 |
| CO2浓度/(μmol·mol-1) CO2 concentration | 400±30 | 400±30 | 400±30 | 400±30 | 400±30 |
| 光周期/(h·d-1)Photoperiod | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
经过光谱优化的人工光源为南京植生谱光电科技公司产品。试验共设5个处理:对照处理(CK)为自然春化和自然光照, T1和T2处理为自然春化和人工光照, T3和T4处理为种芽春化和人工光照, 各处理的光密度处理参数如表 2所示。
| 处理 Treatment |
春化方式 Vernalization way |
灌浆期光密度/(μmol·m-2·s-1) Filling stage photosynthetic photon flux density | |
| 开花期 Flowering stage | 成熟期 Mature stage | ||
| T1 | 自然春化 Natural vernalization | 650±20 | 650±20 |
| T2 | 自然春化 Natural vernalization | 500±20 | 500±20 |
| T3 | 种芽春化 Seed vernalization | 650±20 | 650±20 |
| T4 | 种芽春化 Seed vernalization | 500±20 | 500±20 |
| CK | 自然春化 Natural vernalization | 自然光照 Natural light | 自然光照 Natural light |
在小麦灌浆中后期, 选择晴天上午, 使用LI-6400光合仪(LI-COR, USA)在流速为500 μmol·m-2·s-1、叶面温度为25 ℃条件下, 设置14个光照强度(0、20、50、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 μmol·m-2·s-1), 测量各处理旗叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等光合作用相关指标。成熟期进行考种, 测其千粒质量。
光响应曲线相关参数, 包括表观量子效率(AQE)和光合潜能(Pmax), 使用陆佩玲等[14]提出的Michaelis-Menten模型进行计算, 具体公式如下:
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式中:Pn表示净光合速率; PPFD表示光合光量子通量密度; Rd表示暗呼吸速率。
光补偿点(light compensation point, LCP):
|
光饱和点(light saturation point, LSP):
|
净光合速率(Pn)相对增率(VPn), 即Pn相对于PPFD的增长速率:
|
式中:VPn是Michaelis-Menten模型[14]一阶导数。
根据麦类作物特点, 以Pn达到最大净光合速率75%时的PPFD来估算光饱和点(LSP)。
1.3 数据处理与分析采用Excel 2013和SPSS 20.0软件进行数据处理, 然后进行方差分析(ANOVA), 采用Duncan′s法分析差异显著性。
2 结果与分析 2.1 光密度与春化方式对冬小麦千粒质量的影响从图 1可见:T1、T2、T3和T4处理的千粒质量显著高于CK, T1处理的千粒质量高于T2, T3处理高于T4, 说明650 μmol·m-2·s-1的光密度更有利于千粒质量的形成。T4处理的千粒质量和T2处理无显著差异, T3处理和T1处理间无显著差异, 表明在适宜光密度的可控环境中, 小麦千粒质量的形成对春化方式不敏感。
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图 1 光密度与春化方式对冬小麦千粒质量的影响 Figure 1 Effect of light intensity and vernalization way on 1 000-grain weight of winter wheat 不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。The different small letters meat significent difference at 0.05 level. |
从图 2可见:当光密度由0增加到400 μmol·m-2·s-1时, 各处理旗叶Pn增加迅速; 高于400 μmol·m-2·s-1后, 各处理旗叶的Pn增加逐渐趋缓, 而T3、T4处理的Pn高于T1、T2和CK, 表明在可控环境中, 相比于自然春化, 种芽春化处理更有利于小麦光合作用。光密度达到1 600 μmol·m-2·s-1以上, Pn趋于平稳。
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图 2 灌浆期小麦旗叶净光合速率对光密度与春化方式的响应 Figure 2 The responses of net photosynthetic rate of wheat flag leaf in the filling stage to light intensity and vernalization way PPFD:光量子通量密度 Photosynthetic photon flux density. |
在灌浆期, T1、T2、T3和T4处理的旗叶Pn相对增率(VPn)高于CK(图 3), 表明与自然光照处理相比, 随着试验处理的光密度增加, 旗叶所获得的光合速率增率更高。T3、T4处理的旗叶VPn高于T1、T2, 表明在可控环境中, 相比于自然春化, 种芽春化处理的光合速率增率更高, 提高光密度所获得的光合报酬更多。
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图 3 灌浆期小麦旗叶净光合速率的相对增率(VPn) Figure 3 The increasing speed(VPn)of net photosynthetic rate of wheat flag leaf in the filling stage |
在光密度值超过400 μmol·m-2·s-1, T3、T4处理的旗叶VPn趋近(图 3), 这表明在小麦灌浆阶段, 500~650 μmol·m-2·s-1光密度的人工光照是适宜的。T1处理的旗叶VPn高于T2(图 3), 表明小麦灌浆阶段, 650 μmol·m-2·s-1的光密度更有利于自然春化的小麦。
在不同光密度与春化方式下, 光响应曲线拟合程度均达到极显著水平(表 3)。T3、T4处理的光合潜能(Pmax)高于T1、T2和CK, 表明与自然春化处理相比, 经种芽春化处理的小麦旗叶的光合能力更强。T3、T4处理的Pmax比T1、T2和CK平均高23.78%。
| 处理 Treatment |
AQE/ (μmol·m-2·s-1) |
Pmax/ (μmol·m-2·s-1) |
LCP/ (μmol·m-2·s-1) |
LSP/ (μmol·m-2·s-1) |
Rd/ (μmol·m-2·s-1) |
R2 |
| CK | 0.118 | 26.419 | 20.620 | 1 127.557 | 2.228 | 0.983** |
| T1 | 0.094 | 33.393 | 27.386 | 1 635.723 | 2.390 | 0.997** |
| T2 | 0.085 | 25.396 | 22.220 | 1 277.403 | 1.535 | 0.999** |
| T3 | 0.082 | 36.824 | 27.280 | 1 881.020 | 2.109 | 0.998** |
| T4 | 0.093 | 37.703 | 24.952 | 1 705.869 | 1.854 | 0.997** |
| 注: AQE:表观量子效率 Apparent quantum efficiency; Pmax:最大净光合速率 Maximum net photosynthetic rate; LCP:光补偿点 Light compensation point; LSP:光饱和点 Light saturation point; Rd:暗呼吸速率 Dark respiration rate. | ||||||
T1(650 μmol·m-2·s-1)处理的光饱和点高于T2(500 μmol·m-2·s-1), T3(650 μmol·m-2·s-1)高于T4(500 μmol·m-2·s-1), 表明在可控环境中, 小麦旗叶对较高光密度(650 μmol·m-2·s-1)的人工光照具有更高的利用和适应能力。T2处理的光补偿点和暗呼吸速率均低于T1, T4低于T3, 表明在低光密度人工光照环境中, 植株能够降低光补偿点和暗呼吸速率, 籍此减少对光合产物的消耗, 有利于促进物质积累。综合考虑降低人工光照能耗和提高能效, 在灌浆阶段采用500~650 μmol·m-2·s-1光密度较为合理。
2.3 冬小麦旗叶气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度对光密度与春化方式的响应从图 4-A可见:T1、T2、T3和T4处理的旗叶气孔导度(Gs)高于CK。光密度大于400 μmol·m-2·s-1, T3、T4处理的旗叶气孔导度高于T1、T2, 表明经种芽春化处理的小麦旗叶对CO2和水分的利用效率更高。T1处理的气孔导度高于T2, T3高于T4, 表明在可控环境中, 较高光密度(650 μmol·m-2·s-1)的人工光照有利于提升CO2和水分的利用效率。
人工光照处理(T1、T2、T3和T4) 的旗叶蒸腾速率(Tr)高于CK(图 4-B)。当光密度大于200 μmol·m-2·s-1时, T3、T4处理的蒸腾速率高于T1和T2, 表明经种芽春化处理的小麦旗叶, 其蒸腾作用更强, 促进了小麦植株体内的水分与物质的输送和光合作用, 导致更高的净光合速率和气孔导度。
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图 4 灌浆期小麦旗叶气孔导度(Gs)(A)、蒸腾速率(Tr)(B)和胞间CO2浓度(Ci)(C)对光密度与春化方式的响应 Figure 4 The responses of Gs(A), Tr(B)and Ci(C)of wheat flag leaf in the filling stage to light intensity and vernalization way |
T3处理的蒸腾速率高于T4, 但其净光合速率低于T4。对于种芽春化处理的小麦, 尽管较高光密度(650 μmol·m-2·s-1)有利于旗叶蒸腾作用和植株体内的水分与物质输送, 有利于光合产物积累和千粒质量形成, 但较低光密度(500 μmol·m-2·s-1)同样能够获得更高的净光合速率和千粒质量。综合考虑降低人工光照能耗和提高能效, 在灌浆阶段采用500~650 μmol·m-2·s-1光密度较为合理。人工光照处理(T1、T2、T3和T4) 的旗叶胞间CO2浓度(Ci)高于CK(图 4-C)。表明人工光照处理有利于提升旗叶胞间CO2浓度, 促进有机物质的积累。
3 结论与讨论小麦籽粒形成、灌浆与成熟期是影响籽粒质量高低的关键阶段, 这期间光照不充足, 会导致光合作用强度减弱, 有机物质向籽粒中的运转受阻, 籽粒质量降低。本试验结果表明, 在灌浆阶段采用500~650 μmol·m-2·s-1光密度较为合理, 并且500和650 μmol·m-2·s-1的人工光密度处理的小麦籽粒千粒质量没有显著差异。此结论与前人的研究结果一致[15-16]。
小麦旗叶Pn的大小是衡量小麦光合作用能力强弱的重要指标。影响Pn大小的因素主要有Ci、Gs和Tr, 它们在植物光合作用时协同发挥作用[17]。同时温度、湿度和CO2浓度等也是影响Pn大小的环境因素[18]。Sinha[19]认为引起净光合速率升高的主要原因是气孔和蒸腾作用(控制小麦植株体内CO2和水分)的协同作用, 在我们的试验中, 500和650 μmol·m-2·s-1的人工光密度处理旗叶蒸腾作用增强, 胞间CO2浓度和气孔导度提高, 本试验结果为这一观点提供了进一步的佐证, 类似的结果在生菜[20]和苹果[21]的相关试验中也得到验证。
春化是植物经历一段低温条件以诱导成花的一个需求[22], 是决定冬小麦开花形成的重要因素。张丽等[23]认为种芽春化结合幼苗春化提前了萝卜抽薹开花的时间; 李红燕等[24]研究表明, 低温春化对小麦苗高的影响大于对根长和胚芽鞘长度的影响, 适当时间的低温春化处理有利于小麦幼苗成活与生长; 谭飞泉等[25]研究发现, 种芽春化处理使小麦的穗粒数和粒质量增加。我们的试验结果表明, 在光密度可控的环境中, 自然春化和种芽春化对小麦千粒质量的影响无显著差异。
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