低钾胁迫对玉米苗期光合特性和光系统Ⅱ性能的影响

为明确低钾胁迫对玉米光合特性和光系统Ⅱ(PSⅡ)性能的影响,本研究利用耐低钾玉米自交系90-21-3和钾敏感玉米自交系D937为试验材料,对低钾胁迫下的叶片光合参数、PSⅡ供体侧和受体侧以及PSⅡ反应中心的活性参数进行测定。结果表明,低钾胁迫降低了90-21-3和D937的叶片钾含量,引起叶面积、气孔导度(Gs)、净光合速率(Pn)显著下降,胞间CO₂浓度(Ci)显著增加,表明光合速率的下降主要是由非气孔因素所致。在低钾胁迫下,90-21-3的Q_A初始还原速度(M_o)、J点可变荧光强度(V_j)和热耗散(DI_o/ABS)分别显著增加 64.76%、18.84%和37.19%,D937分别显著增加117.9%、283.82%和99.92%;而90-21-3的单位面积的反应中心数目(RC/CS_m)、单位反应中心吸收能量(ABS/RC)和光化学性能指数(PI_abs)分别显著降低30.15%、70.56%和62.81%,D937分别显著降低51.32%、164.97%和97.67%,表明低钾胁迫下90-21-3和D937的PSⅡ的供体侧和受体侧均受到抑制,PSⅡ反应中心数目减少、热耗散增加,导致PSⅡ整体性能下降,而供体侧的放氧复合体(OEC)的破坏是产生光抑制的主要原因。与D937相比,低钾胁迫下90-21-3的各参数变化幅度较小,PSⅡ受光抑制较轻,PSⅡ性能更优,能够保持较高的光合生产能力。本研究结果为进一步揭示玉米耐低钾光合生理机制提供了理论依据。     

低钾胁迫下不同耐低钾玉米品种 (系) 开花后根系生长和结构的变化

  【目的】  土壤缺钾常引起植株早衰,严重影响玉米产量。从玉米开花后根系形态、结构和活性等参数的变化,研究低钾胁迫下玉米早衰的机理。  【方法】  以耐低钾玉米自交系90-21-3和钾敏感玉米自交系D937为试材,进行池栽试验。设置天然低钾土壤 (低钾,–K) 和正常供钾 (CK,+K) 两个处理,分别于玉米开花后测定根系形态、结构和活性等参数。  【结果】  与正常供钾处理相比,低钾处理降低了90-21-3和D937根系中钾素含量,抑制了根系的生长,破坏了根系结构,引起根系活力降低。低钾胁迫下,90-21-3的第一层节根数目和根系干重分别显著降低了20.37%和42.24%,D937分别显著降低了39.06%和59.64%;90-21-3的第二层节根数目和干重分别显著降低了23.40%和39.30%,D937分别显著降低了36.67%和59.86%。随着玉米的生长,低钾胁迫下90-21-3和D937的根系活力以及第一层和第二层根的长度、表面积、体积和侧根长度整体均呈现降低趋势,D937降低幅度大于90-21-3,根平均直径整体逐渐增加。低钾胁迫下90-21-3根系解剖结构完整,外皮层和内皮层完整,大、小导管形状规则,结构清晰可见;D937根系解剖结构受破坏严重,外皮层和内皮层结构被破坏,导管形状不规则,大、小导管结构模糊甚至消失。与正常供钾相比,低钾胁迫下90-21-3的大导管直径、小导管直径、大导管面积和小导管面积分别降低了11.15%、14.37%、21.07%和30.21%;D937分别显著降低了33.99%、22.86%、56.43%和40.55%。  【结论】  低钾胁迫显著降低了玉米开花后根系的生长和结构的稳定性。与耐低钾玉米自交系 (90-21-3) 相比,钾敏感自交系 (D937) 在低钾胁迫下大面积皮层结构遭到严重破坏,内皮层结构不完整,导管形状不规则,大导管周围的小导管结构模糊,甚至消失,质膜透性高,影响养分和水分的吸收利用。而耐低钾玉米90-21-3在生育后期能够维持较大根系体积、根系活力以及输导组织,增强低钾胁迫下根系对外界钾素的吸收和运移能力,延缓根系衰老。     

低温胁迫对玉米幼苗叶绿素荧光诱导动力学的影响

为了探讨低温胁迫对玉米幼苗叶片光化学反应的影响机制,本研究基于叶绿素荧光动力学原理,对常温(25℃)和低温处理(0℃)的玉米幼苗叶片进行测量,分别获得快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP曲线)和荧光参数,并应用JIP-test法进行比较分析。结果表明:相比于常温处理,低温胁迫下玉米叶片最大荧光(Fm)和光系统Ⅱ(PSⅡ)潜在光化学效率(FV/FO)分别减少55.3%和65.9%,而初始荧光(FO)基本没有变化;对O-P相的荧光参数进行标准化的WOJ和WJI增大,但WIP减小; J和I相的相对可变荧光Vj和Vi表现相反,Vj增加19.7%而Vi减少16.4%;反映PSⅡ供体侧活性的FK占振幅FO-FJ的比例WK增加44.7%,放氧复合体的组分OEC减少13.1%;反映PSⅡ受体侧电子传递活性的参数Sm、MO、N分别增加210%、49.6%、294%;表示量子产额或能量分配的φPo、ψO、φEO分别减少24.9%、6.82%、29.7%,φDO增加141%;反映单位反应中心活性的参数ABS/RC、TRO/RC、ETO/RC、DIO/RC分别增加70.4%、24.7%、16.1%、328%,而单位面积有活性反应中心密度RC/CSO减少37.4%;表示光合性能的参数PIABS、PICSm分别减少81.6%、90.6%。综合分析玉米叶片光合过程对低温胁迫敏感,其表现的低温逆境防御保护机制是:PSⅡ供体侧的放氧复合体损伤,导致PSⅡ供体侧提供电子的能力下降,反应中心失活数量上升,而单个反应中心的效率增强,多余能量以热量形式散失,减少活性氧(ROS)的产生;低温胁迫造成的玉米叶片PSⅡ供体侧损伤,将抑制电子的传递,进而影响光合能力。     

钾肥对不同抗虫棉品种叶片光系统Ⅱ性能的影响

【目的】通过对不同抗虫棉品种功能叶叶片PSⅡ性能和有关参数的研究,探讨钾影响棉花叶片光合系统的机理,以期为棉花的钾肥施用提供科学依据。【方法】选用三种抗虫棉岱字棉99B (DP99B)、鲁棉研21(L21)、冀棉169 (J169)为供试材料。设2个施钾水平:施硫酸钾240 kg/hm^2 (K)和不施钾(CK)。于棉花见蕾期,利用便携式LI-6400XT光合仪测定了净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、胞间CO_2浓度(C_i)。利用M-PEA型植物效率仪快速测定了叶绿素荧光动力学曲线(OJIP曲线)相关参数, PSⅡ反应中心单位活化截面积还原QA的激发能(TR_o/CS_m)、活性反应中心数目(RC/CS_m)、反应中心捕获的激子将电子传递到电子传递链中QA下游的其他电子受体的比例(Ψ_o)以及PSⅡ性能指数(PI_abs),PSⅡ单位反应中心热耗散掉的能量(DI_o/RC)、K点的可变荧光F_k占振幅F_j-F_o的比例(W_k)以及J点的相对可变荧光(V_j)。利用JIP-test进行了叶绿素荧光动力学曲线(OJIP曲线)的参数分析。【结果】施钾对三个棉花品种叶片的P_n、G_s、叶绿素含量、PSⅡ反应中心单位TRo/CS_m、RC/CS_m、Ψ_o以及PI_abs均有显著的提高作用,同时显著降低了PSⅡ的DI_o/RC、K点的W_k以及J点的V_j。施钾后,岱字棉99B (DP99B)、鲁棉研21 (L21)、冀棉169 (J169)的Pn在2016年分别提高了9.60%、19.84%、11.85%,2017年分别提高了9.14%、18.48%、9.60%;PSⅡ的整体性能(PI_abs)分别增加了10.79%、17.93%、14.04%。【结论】施用钾肥有利于提高不同棉花品种叶片PSⅡ反应中心电子供体侧和受体侧以及PSⅡ反应中心电子受体侧之后的电子传递链性能,从而有效提高PSⅡ的整体性能,最终增强了叶片的光合能力。三个品种相比,施钾对L21光合系统的整体改善效果优于DP99B和J169。由此可见,在实际生产中,可以根据不同棉花品种对钾的敏感性合理施钾。但由于我国棉区较多,生产条件差异大,这一结论需在不同的种植区进行进一步验证。     

氮素对玉米灌浆期叶片光合性能的影响

以玉米自交系齐319(Q319)为材料,采用单株盆栽种植方式,借助叶绿素荧光快速诱导动力学曲线和820 nm光吸收曲线,研究了氮素对玉米灌浆期叶片光合性能的影响。2年研究结果表明,在本试验条件下,氮素对Q319灌浆期叶片叶绿素含量无明显提高作用,但其净光合速率(Pn)和单株干物质积累量、子粒产量显著增加。JIP-test分析表明,氮素显著提高了叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心电子供体侧和受体侧性能;显著提高了Q319 PSⅡ反应中心电子受体侧之后的电子传递链性能,增强了电子由PSⅡ向PSⅠ的分配,从而显著地提高了PSⅡ与PSⅠ之间的协调性。可以认为,施氮后灌浆期叶片叶绿素含量的变化不是Pn提高的主要原因,而两个光系统性能的改善及二者间协调性的提高增强了光合电子传递链的性能是灌浆期Pn升高与成熟期产量增加的主要原因。     

低氮胁迫对耐低氮玉米品种苗期光合及叶绿素荧光特性的影响

【目的】叶绿素荧光参数经常用来评价光合器官的功能和环境压力的影响,不同玉米基因型耐低氮胁迫能力差异较大,与光合及叶绿素荧光特性对低氮胁迫的响应机制有关。本文以耐低氮能力差异较大的4个玉米杂交种为试验材料,研究了低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种苗期光合及叶绿素荧光特性的影响,以期明确耐低氮胁迫玉米品种的光合机制。【方法】采用二因素完全随机设计盆栽试验,因素A为不同耐低氮性玉米品种:‘正红311’、‘成单30’和不耐低氮品种‘先玉508’、‘三北2号’;因素B为不同氮素水平:正常氮CK(霍格兰完全营养液,N 15 mmol/L)、低氮胁迫LN1(N 0.5 mmol/L)、极低氮胁迫LN2(N 0.05 mmol/L)。测定了苗期单株干物质积累量,单株氮素积累量,叶片叶绿素含量与荧光特性,以及光合效率指标。【结果】低氮胁迫下玉米苗期单株干物质积累量、单株氮素积累量、叶片叶绿素含量等生理指标显著下降,但耐低氮品种的下降幅度显著低于不耐低氮品种;低氮胁迫下玉米苗净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)显著降低,胞间CO2浓度(Ci)显著升高,净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)的降幅及胞间CO2浓度(Ci)的增幅耐低氮品种均显著低于不耐低氮品种;低氮胁迫下可变荧光(Fv)、最大荧光(Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ有效光量子产量(Fv'/Fm')和光化学猝灭系数(q P)等叶绿素荧光特性也均显著降低,耐低氮品种下降幅度显著低于不耐低氮品种;低氮胁迫下耐低氮品种PSⅡ实际光量子产量(ΦPSⅡ)降低,不耐低氮品种有所增加;而耐低氮品种非光化学猝灭系数(NPQ)升高,不耐低氮品种有所降低。【结论】耐低氮玉米品种能够减缓低氮胁迫对植株光合系统的影响,进而保证植株较高的氮素积累,提高叶片叶绿素含量,维持较高的PSⅡ有效光量子产量(Fv'/Fm')和光化学猝灭系数(q P),为光合作用提供充足的光能;从而保持了较高的净光合速率(Pn),保证了耐低氮品种在低氮条件下保持较高的干物质生产。     

不同磷效率紫花苜蓿叶绿素荧光参数对低磷胁迫的响应

【目的】探讨不同磷效率紫花苜蓿(Medicago sativa L.)叶片光合性能对低磷胁迫的响应,从光能转化和利用的差异来揭示品种适应磷胁迫的机理。【方法】试验采用砂培法,供试材料为2个磷高效紫花苜蓿品种甘农6号(G6)、极光(JG)和2个磷低效品种Bara 310SC (B310)、甘农4号(G4)。以1/4霍格兰营养液为基础,设置磷浓度为0.5 mmol/L (正常对照)和0.05 mmol/L (低磷)两个处理水平,紫花苜蓿幼苗处理30天后,测定苜蓿幼苗叶片叶绿素荧光参数,将样品烘干后,测定生物量和磷含量。【结果】与对照相比,低磷胁迫下4个苜蓿品种的生物量和磷利用效率均降低,相对可变荧光诱导曲线J点和I点的荧光强度上升,初级醌受体(Q_A)被还原的最大速率(M_o)显著增加,受体库容量(S_m)等参数下降,PSⅡ受体侧受损;活性反应中心数目(RC/CS_o)降低,光能的吸收(ABS/RC、ABS/CS_o)、捕获(TRo/RC、TRo/CS_o)、传递(ETo...     

缺钾油菜叶片光合速率下降的主导因子及其机理

【目的】钾是油菜(Brassica napus L.)生长发育所必需的矿质元素,缺钾胁迫可导致油菜叶片光合功能的衰退,最终影响籽粒产量。本文通过比较田间条件下蕾薹期油菜叶片(长柄叶、 短柄叶和无柄叶)对缺钾胁迫的反应,探讨缺钾导致叶片光合速率下降的主导因子及其作用机理,为合理施用钾肥提高油菜产量提供理论依据。【方法】采用大田试验,研究不施钾(-K)和施钾(+K)条件下华油杂9号和中双9号单株重,蕾薹期不同类型叶片单叶重、 叶面积、 K含量和叶绿素含量。利用Li-6400 XT便携式光合测定系统测定各类叶片的光合速率(Pn)和气孔导度(gs)等气体交换参数,以及PSⅡ最大光化学量子效率(Fv/Fm)和实际光化学量子效率(PSⅡ)等叶绿素荧光参数。并利用胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)的变化,分析叶片光合作用的限制因子。【结果】1) 缺钾胁迫使成熟期华油杂9号和中双9号籽粒产量分别下降13.9%和27.2%。2)缺钾显著抑制了蕾薹期中双9号的生长,单株重下降了12.4%; 长柄叶的干重比正常供钾处理降低了19.2%,而对华油杂9号无影响。3) 缺钾主要影响蕾薹期长柄叶的光合生理特性,对短柄叶和无柄叶无影响。缺钾条件下,油菜长柄叶钾含量和叶绿素含量明显降低,其Pn也显著低于正常供钾处理。但缺钾对不同品种Pn的限制原因并不同,缺钾胁迫导致华油杂9号Ci显著降低,Ls增加了16.6%,即气孔因素是华油杂9号Pn下降的主要原因; 而中双9号Ci显著增加,Ls却下降了14.0%,Pn的下降是由非气孔因素引起的。4) 缺钾胁迫下中双9号长柄叶的Fv/Fm、 PSⅡ、 qP和ETR均显著降低,说明PSⅡ反应中心受损,NPQ显著上升,间接表明缺钾条件下中双9号Pn下降的原因与非气孔因素有关; 而华油杂9号各荧光参数均未受缺钾胁迫的影响。油菜收获期籽粒产量与各叶片钾素含量以及长柄叶气体交换和叶绿素荧光参数关系密切。【结论】缺钾胁迫导致蕾薹期油菜长柄叶光合功能加速衰退,影响收获期籽粒产量。中双9号长柄叶光合性能受缺钾胁迫的影响大于华油杂9号,这与品种自身对缺钾胁迫的耐受能力有关。     

低磷胁迫下加硅对玉米苗期硅、磷营养及叶绿素荧光参数的影响

为研究硅对低磷胁迫下玉米苗期硅、磷吸收积累和叶绿素荧光参数的影响,采用砂培方式模拟低磷胁迫环境,以玉米品种正红2号和正红115为供试材料,设置3个磷浓度:重度低磷胁迫P1(0.01mmol/L)、中度低磷胁迫P2(0.1 mmol/L)和正常磷浓度P3(1 mmol/L),设置3个硅浓度:Si1(0 mmol/L)、Si2(0.75mmol/L)和Si3(1.5mmol/L),定苗培养28d,测定植株顶部往下第1全展叶叶绿素荧光参数、植株干物质重、硅和磷素含量和积累量。结果表明:(1)磷浓度从P3降低至P2和P1,2个玉米品种平均,单株干物质积累量、硅积累量、磷积累量分别下降34.73%,39.26%,29.10%,33.01%,81.81%,87.63%;同时降低叶片PSⅡ反应中心开放程度、减弱光能捕获和光能转换能力、降低电子传递效率,导致植株叶片热耗散能力明显增强。(2)硅浓度从Si1增加至Si2和Si3,2个玉米品种平均,单株干物质积累量、硅积累量、磷积累量分别提高21.54%,36.05%,120.08%,236.65%,39.81%,69.17%;同时增加叶片PSⅡ反应中心开放程度,提高光能捕获和光能转换效率,增加电子传递效率,加速利用过剩激发能。(3)玉米植株硅积累量和磷积累量呈显著正相关,并且Fv/Fm(XE)、Fv′/Fm′(XE′)、Fq′/Fm′(φPSⅡ)、ETR与植株硅积累量和磷积累量也呈显著正相关。(4)在P3和P2处理中,与Si1相比,Si2和Si3能明显提高正红2号和正红115植株硅、磷素积累量,提高叶片对光能的捕获、转化和传递效率,提高植株的干物质积累量;在重度低磷胁迫P1处理中施硅对玉米幼苗硅、磷营养和叶绿素荧光参数的改善作用十分微弱。综上所述,在非严重低磷胁迫条件下,外源加硅可以增强玉米对硅、磷的吸收和积累,提高叶片光合物质生产能力,加速消耗过剩的激发能,减轻光抑制。     

外源EBR对NaCl胁迫下紫花苜蓿幼苗微量元素 吸收及叶绿素荧光动力学参数的影响

为明确外源2,4-表油菜素内酯(2,4-epibrassinolide,EBR)诱导紫花苜蓿(Medicago sativa L.)幼苗抗盐性的效果及其可能的生理调节机制,采用营养液水培法,以紫花苜蓿品种‘中苜3号’和‘陇中苜蓿’为材料,研究Na Cl胁迫下施用外源EBR对紫花苜蓿幼苗微量元素吸收及叶片PSⅡ功能、电子传递速率和光能分配的影响。结果表明:150 mmol·L~(-1) Na Cl胁迫下,苜蓿幼苗不同器官(叶片、茎秆、根系)中的Cu~(2+)含量显著升高,Fe~(2+)、Mn~(2+)、Zn~(2+)含量和Fe~(2+)/Na+、Mn~(2+)/Na+、Cu~(2+)/Na+、Zn~(2+)/Na+显著降低,无机离子的吸收、运输和分配等代谢平衡被打破;同时Na Cl胁迫造成苜蓿幼苗叶片PSⅡ反应中心受损,天线耗散、反应中心耗散增加,光合能力下降。Na Cl胁迫下,施用0.1μmol·L~(-1)外源EBR后,苜蓿幼苗不同器官(叶片、茎秆、根系)中的Cu~(2+)含量显著降低,Fe~(2+)、Mn~(2+)、Zn~(2+)含量及Fe~(2+)/Na+、Mn~(2+)/Na+、Cu~(2+)/Na+、Zn~(2+)/Na+显著升高,幼苗体内无机离子的吸收、运输得到有效调控,Na+和Fe~(2+)、Mn~(2+)、Cu~(2+)、Zn~(2+)等阳离子间的拮抗作用减小;苜蓿幼苗叶片的F_0、NPQ显著降低,F_m、F_v/F_0、F_v/F_m、ФPSⅡ、F_v′/F_m′、q P和ETR显著升高,苜蓿幼苗叶片吸收的光能用于光化学反应部分(P)增加、天线色素耗散部分(D)和反应中心过剩光能部分(E)降低。说明外源EBR能够促进Na Cl胁迫下苜蓿幼苗对无机离子的选择性吸收、运输和分配,维持体内的离子代谢平衡,通过提高光合电子传递效率,降低天线热耗散和反应中心过剩光能,维持较高的PSⅡ光化学活性,进而平衡激发能在PSⅠ、PSⅡ之间的分配,降低Na Cl胁迫对PSⅡ反应中心的损伤程度,有效缓解Na Cl胁迫对苜蓿幼苗所造成的伤害。