生态与土壤管理岗位

李心风 高振 翟衡 杜远鹏

 

  摘 要：【目的】探究根区高温对葡萄叶片光合荧光特性、活性氧产生及清除、根系呼吸及木质化程度等指标影响，为葡萄生产栽培管理提供理论依据。【方法】以一年生盆栽苗‘巨峰’为试材，设置根温25℃ (CK)、30℃ (T1)、35℃ (T2)三个处理。【结果】结果表明，随着根区高温胁迫程度的增加，葡萄茎节间长度、新梢生长量、根冠比等生长势指标均有所减少，而表皮强度、髓心比明显增加。地上部叶片中丙二醛、H2O2含量增加，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)和类胡萝卜素含量显著下降。对快速叶绿素荧光动力学曲线JIP-text分析，K点升高（Vk）放氧复合体失活，J点相对荧光（Vj）变大，PSII受体侧受到损伤，QA 向QB的电子传递速率显著下降。同时单位面积光能吸收（ABS/CSm）、捕获（TRo/CSm）和电子传递份额（ETo/CSm）下降，热耗散（DIo/CSm）增加。T1、T2处理的净光合速率（Pn）较CK分别降低了33.57%、61.40%，根系活力较CK显著降低了16.34%、19.79%。随根区温度升高，根系呼吸转向产能较少的PPP途径及热耗散AOX途径， T1、T2处理的抗氰呼吸较CK提升了34.33%、79.28%。 此外，根区高温显著提高了根系和枝条木质素含量，并显著上调了根系中木质素合成途径中的关键基因PAL、C4H、4CL，F5H、 COMT、CCR 、CAD的表达。【结论】根区高温下，葡萄根系活力、根冠比、叶绿素含量下降，PSⅡ 供受体侧受阻，光合气体交换能力降低，根系及枝条木质素含量升高，且根区高温提高了根系抗氰呼吸、PPP途径放热来缓解胁迫伤害。

 

  关键词：葡萄；光合荧光；根系呼吸；木质化

 

  葡萄作为喜温性主栽经济果树之一，其新梢生长、开花结果适宜的根区温度较大气范围小，为21-24 ℃。相较于气温，根对温度变化更为敏感，根温变化1 ℃ 就能引起植物生长和养分吸收的明显变化。我国属于亚热带与温带季风气候区，在炎热的夏季根区高温是普遍存在的现象，尤其地膜覆盖、限根栽培、温室条件下，根区高温往往会超过30℃，在极为炎热的日子甚至能超过35 ℃。前人关于根区温度影响主要在短期内采用人工气候箱或水培条件进行研究，缺乏根温对果树苗木地上、地下部的生长的长期系统性影响的研究。因此本试验主要研究了长期根区高温处理对葡萄生长势、光合荧光、新梢根系木质化、活性氧、抗氧化物质及对根系活力与呼吸的影响。从而为葡萄根系温度调控的栽培管理技术措施提供理论依据。

 

  1  材料和方法

 

  1.1 试验材料与处理

 

  试验在山东农业大学园艺实验站日光温室进行，以一年生‘巨峰’葡萄（Vitis vinifera L.×V.labrusca L. ‘Kyoho’）盆栽苗为试材，待植株长至8-10片完全叶时进行试验处理。根温采用电热板、电热线加温，隔热棉、沙土保温。控温器设置3个梯度CK：25 ℃，T1：30 ℃，T2：35 ℃，持续时间15 d。试验期间9:00-16:00，夜温不做处理，试验期间各处理气温水分适宜，灌水量一致。设置9次生物学重复，同时安装温度监测器（LUGE，L92-1）实时检测与地表以下5 cm的根际地温。

 

  1.2 测定指标与方法

 

  1.2.1 木质素含量的测定

 

  参考尹能文等[15]采用溴乙酰法测定总木质素含量。

 

  1.2.2 快速叶绿素荧光动力学曲线的测定

 

  用连续激发式荧光仪（Handy PEA, Hansatech, US），3000 μmol·m-2·s-1 的红光照射充分暗适应的葡萄叶片诱导快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP曲线）。

 

  1.2.3 光合气体交换参数的测定

 

  通过CIRAS-3便携式光合系统测定仪（PPSystems，UK）测定叶片净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（E），设定内源光强为1200 uμmol·m-2·s-1，温度（27±2) ℃，外界CO2浓度(390±50) μmol·m-2·s-1。

 

  1.2.4 葡萄叶片叶绿素、丙二醛及过氧化氢含量的测定

 

  参照《植物生理学实验指导》，采用乙醇浸提法测定叶绿素含量，硫代巴比妥酸显色法测定丙二醛（MDA）含量，硫酸钛显色法测定H2O2，每个处理各重复三3次。

 

  1.2.5 葡萄叶片抗氧化酶、脯氨酸含量的测定

 

  使用苏州科铭生物技术有限试剂盒，分光光度法测定超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）（WST-8法）；过氧化氢酶（Catalase，CAT）过氧化物酶（Peroxidase，POD）。脯氨酸的测定参照《植物生理学实验指导》，采用茚三酮比色法测。

 

  1.2.6 根系呼吸途径测定

 

  在各处理温度下采用专一性呼吸抑制剂法用Oxytherm氧电极（Hansatech，UK） 测定糖酵解（EMP）、三羧酸循环(TCA)、磷酸戊糖（PPP）及抗氰呼吸（AOX）速率，每个样品测定5~10min，重复3次。

 

  1.2.7 葡萄根系活力的测定

 

  参照《植物生理学实验指导》[18]，采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定葡萄根系活力，每个处理各重复三3次。

 

  1.3 数据分析

 

  采用 Microsoft Excel 软件处理数据和制图，采用软件SPSS 24.0进行差异显著性检验、相关性回归分析。

 

  2 结果与分析

 

  2.1 根区高温处理对葡萄生长势的影响

 

  从表1可以看出，根区高温显著增加了枝条表皮强度，T1、T2处理的表皮强度较CK分别增加了47.48%、81.28%；同时T1、T2的髓心比较CK也分别显著增加33.33%、43.75%。根区高温处理降低了节间长度、新梢生长量和根冠比，T2节间长度、新梢生长量和根冠比较CK分别降低了24.62%、30.93%、14.13%，T1处理较CK无显著性差异。根温处理对枝条纵横径均无显著性影响。

 

 

  2.2 根区高温处理对葡萄叶片叶绿素含量的影响

 

  叶绿体色素含量能够反映出植物的光能利用能力。叶绿素是植物细胞中参与光能吸收、捕获主要的色素 ；而类胡萝卜素是与光保护功能有关的辅助色素，能耗散过剩光能，清除活性氧。如图1所示，T1、T2处理叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b) 及类胡萝卜素含量均较CK显著降低，其中叶绿素a含量分别比对照降低了17.07%、26.83%；叶绿素b含量分别比对照降低了13.89%、22.22%；叶绿素(a+b) 含量分别比对照降低了44.38%、50.56%；类胡萝卜素含量分别比对照降低了12.63%、20.97%。

 

 

  2.3 根区高温处理对葡萄叶片荧光特性的影响

 

  不同根区温度处理后OJIP曲线出现了不同的变化。短期根温处理（图2-A），荧光曲线形态具有OJIP曲线的典型特征，叶片 O-J相变化幅度较小，而 I- P 相的荧光强度则明显降低，根区温度越高荧光曲线下降幅度越明显，表明短期根区高温下叶片单位面积吸收光能的能力显著下降。长期根温处理（图2-B），荧光曲线形态丧失了OJIP曲线的典型特征， K点(0.3ms)和J点(2ms)的荧光值都有所上升，表明长期根区温度处理下叶片的放氧复合体(OEC)，光合电子传递伤害严重。

 

 

  通过JIP-text后得到荧光动力学曲线参数，从图3中可以看出PSⅡ的最大光化学效率（Fv/Fm）表现出随根区温度上升而显著降低的趋势，反应中心吸收的光能用于热耗散的量子产额（φDo）则相反；Vk能够反映出PSⅡ供体侧OEC伤害程度[23]， Vj则可以反映PSⅡ受体侧受的伤害程度，其中T1、T2与CK相比，Vk值分别上升了21.74%、30.43%， Vj分别上升了24.39%、80.49%，说明T2根区高温处理下PSⅡ受体侧受到的伤害显著大于供体侧受到的伤害。

 

 

  JIP-text还可以分析叶片PSⅡ 对光能的吸收、传递、转换等状况（表2）。以单位反应中心为研究对象(RC,PSⅡ)时，根区高温胁迫提高了单位反应中心吸收的光能（ABS/RC、）捕获的光能（TRo/RC）及热耗散（DIo/RC）；而单位反应中心用于电子传递的能量（ETo/RC）发生了显著的下降，T1、T2处理较CK分别降低了36.46%、54.16%。以单位面积(CS)作为分析对象时，T1、 T2处理单位面积吸收（ABS/CSm）、捕获（TRo/CSm）的光能及单位面积的电子传递的量子产额（ETo/CSm）出现了显著的降低；其中ETo/CSm较CK分别下降了32.62%、64.52%；而单位面积热耗散（DIo/CSm）较CK分别提升15.49%、53.53%。根区高温胁迫严重影响了光能的吸收、捕获及反应中心电子传递性能，将单位反应中心与单位面积参数综合分析，根区高温胁迫下叶片PSⅡ 反应中心可能通过增加对光能的吸收、捕获来补偿单位面积光能吸收、捕获和电子传递功能的下降。

 

 

  2.4根 区高温处理对葡萄叶片光合气体交换参数的影响

 

  从表3中可以看出，根区高温胁迫处理15 d后显著降低了叶片的净光合速率（Pn），T1、T2较对照处理（CK）分别降低了33.57%、61.40%；胞间CO2浓度（Ci）呈不同程度的变化， T1处理较CK降低了10.69%，而T2处理升高了20.33%；气孔导度（Gs）和蒸腾速率（E）表现为T1处理较CK显著降低了19.38%、20.12%；T2处理较CK显著降低了45.95%、39.64%。

 

 

  2.5 根区高温处理对葡萄叶片叶绿素、丙二醛、H2O2含量的影响

 

  叶绿体色素含量能够反映出植物的光能利用能力。叶绿素是植物细胞中参与光能吸收、捕获主要的色素；而类胡萝卜素是与光保护功能有关的辅助色素，能耗散过剩光能，清除活性氧。如图4-A所示，T1、T2处理叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b) 及类胡萝卜素含量均较CK显著降低，其中叶绿素a含量分别比对照降低了17.07%、26.83%；叶绿素b含量分别比对照降低了13.89%、22.22%；叶绿素(a+b) 含量分别比对照降低了44.38%、50.56%；类胡萝卜素含量分别比对照降低了12.63%、20.97%。

 

  在逆境中，当细胞内H2O2的产生与清除失去平衡，活性氧积累，会导致膜质过氧化，最终产生丙二醛（MDA），MDA是衡量膜脂过氧化程度的公认指标。由图4-B可知，T1、T2处理对叶片膜脂结构造成了显著的破坏，其含量较CK显著上升了11.54%、22.62%。根区高温胁迫也影响了叶片中H2O2的含量，与CK相比T1、T2处理H2O2含量分别上升了 58.57%、96.05% (图5-C)，表明根区高温处理下植物的抗氧化机制不足以清除掉叶片中过量的H2O2，而使得叶片细胞膜脂氧化损伤。

 

 

  2.6 根区高温处理对葡萄叶片抗氧化酶和脯氨酸含量的影响

 

  由表4可知，根区高温处理提高了葡萄叶片抗氧化酶含量，且随温度升高渗透调节物质脯氨酸含量也呈增长趋势。其中，T2处理下葡萄叶片SOD、CAT活性较CK分别提高了64.85%、152.49% ，T1处理相较于CK无显著差异；T2、T1处理的POD活性较CK分别提高了177.41%、103.22%；且T1、T2处理下叶片脯氨酸含量较CK提高了27.82%、41.31%。

 

 

  2.7 根区高温处理对葡萄根系呼吸强度的影响

 

  通过对不同根区高温下不同类型的根系呼吸测量发现（图5），不同类型根系的呼吸强度都随根区温度的升高而上升，并且差异显著。其中T1处理下EMP、TCA、PPP 三种呼吸途径的呼吸速率分别为71.42、55.03、68.73 nmol·g-1·min-1，较CK分别提高了28.63%、30.18%、14.99%；但T2处理 EMP、TCA、PPP 三种呼吸途径的呼吸速率分别为 109.04、80.85、114.87 nmol·g-1·min-1，且PPP 途径最高为主要呼吸类型；对比抗氰呼吸途径（AOX）发现，T1、T2处理较CK提升了34.33%、79.28%。

 

 

  2.8 根区高温处理对葡萄根系活力的影响

 

  细根是植物根系细胞生理代谢旺盛的白色吸收根。由图6可知，在根区高温胁迫后T1、T2处理的细根系活力较CK显著降低了16.34%、19.79%。

 

 

  2.9 根区高温处理对葡萄根茎木质素含量的影响

 

  由图7可以看出，葡萄根、茎的木质素含量随着根区温度的升高而增加，T1和T2的根系木质素含量分别比CK提高了34.58%、68.70%，茎的木质素含量分别比CK高出25.72%、55.33%，均与CK达到显著性差异。

 

 

  3 结 论

   

  长期的根区高温不仅会使光合色素降解，PSⅡ受体侧的电子传递受阻，大量的量子产额用于放热，而且会供体侧的放氧复合体活性降低，影响叶片光合速率和新梢生长。同时根系活力、根冠比下降，但抗氧化物质含量和木质素基因表达量上升，根系呼吸转向产能较少的 PPP 途径、抗氰呼吸，释放多于的热量以缓解胁迫伤害。