水分胁迫下马铃薯叶片光合特性的变化及其响应机制研究

【目的】研究水分胁迫和复水下马铃薯光合作用的变化及其响应机制,为提高马铃薯抗旱性提供科学依据。【方法】以"克新1号"原种脱毒种薯为材料进行田间试验,设置土壤相对含水量分别为40%(为田间持水率的40%,下同,T1)、55%(T2)、70%(T3)、85%(T4)和100%(T5)5个处理,播种后各处理土壤相对含水量统一控制在75%左右,从马铃薯块茎形成期(7月1日)开始控水,连续处理21d,水分胁迫结束后进行复水处理,保持各处理的土壤含水量均在80%以上直至块茎膨大期结束,淀粉积累期保持土壤含水量在65%以上,测定不同处理马铃薯叶片的叶绿素相对含量(SPAD值)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO_2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)及产量。以"克新1号"原原种脱毒种薯为材料,进行室内盆栽试验,设干旱处理(土壤相对含水量为40%)和对照(保持土壤相对含水量为70%)2个处理,水分胁迫14d后,分别在干旱处理和对照的30个单株上采集马铃薯幼嫩叶片,进行基因表达以及差异基因KEGG(kyoto encyclopedia of genes and genomes)通路富集分析,分析水分胁迫后马铃薯的差异基因及代谢途径变化。【结果】随着水分胁迫时间的延长,马铃薯叶片SPAD值、Pn、Tr、Gs、Ci均下降;随着水分胁迫程度的增加,马铃薯叶片SPAD值、Pn、Tr、Gs、Ci和产量先增加后下降。随着复水时间的延长,马铃薯叶片SPAD值、Pn、Tr、Gs、Ci均增加,但不同水分胁迫处理各指标的恢复速度和恢复程度不同。复水21d后,T3与T4处理SPAD值、Pn、Tr、Gs、Ci均明显高于其他处理,且二者之间无显著差异,说明T3处理SPAD值、Pn、Tr、Gs、Ci均能恢复到与T4处理相当的水平。盆栽试验结果显示,水分胁迫后马铃薯KEGG代谢差异显著的途径有类黄酮合成、二芳基庚和姜辣素的生物合成、甘油酯代谢、糖脂生物合成、光合作用-天线蛋白、维他命B6代谢6条,表明干旱胁迫对光合作用的影响较为显著。在KEEG通路中,水分胁迫对光合作用-天线蛋白通路以及捕光复合体Ⅰ和Ⅱ的叶绿素a/b结合蛋白相关基因的表达影响显著。水分胁迫后,KEEG通路中的植物病原体相互作用通路虽然没有显著性富集,但是环核苷酸门控离子通道相关基因PGSC0003 DMG402017989和钙调素、钙调素类蛋白相关基因PGSC0003 DMG400019527表达显著下调,最终导致气孔关闭。【结论】水分胁迫对马铃薯光合作用影响显著,复水后光合作用均有所恢复,但仍对产量影响显著,其主要原因是马铃薯通过SPAD值、Gs、Ci变化来间接影响叶片Pn和Tr,从而影响光合作用机制,最终反映在产量上。遭受水分胁迫后,马铃薯会通过加强天线蛋白系统和关闭气孔来进行自我保护,从而适应缺水环境。

Changes of photosynthetic characteristics and response mechanism of potato leaves under water stress