种植方式对冬小麦光合特性及理化性质的影响

郝伯为 赵玉娟

摘要

[目的]通過盆栽实验，探讨不同种植方式下冬小麦在水分胁迫期间光合特性和理化性质的变化及它们之间的相关性，以期为旱地节水农业的持续发展提供理论及实践上的依据。[方法] 在冬小麦花期水分胁迫自然加重条件下，选择5个时间点，每点按3次重复随机选取各处理小麦旗叶，测定其叶绿素荧光诱导动力学参数与叶片丙二醛和脯氨酸含量。[结果] 水分胁迫下各处理冬小麦Fv/Fm与Fv/F0值均降低，且两者呈显著正相关关系。单播时，耐旱性强的A品种Fv/Fm、Fv/F0下降幅度与丙二醛、脯氨酸增加幅度均明显小于耐旱性弱的B品种；混播时，两品种间各指标变化幅度差异减小。同一品种不同种植方式相比较，单播时的A品种Fv/Fm、Fv/F0下降幅度与丙二醛增加幅度小于混播状态，脯氨酸增加幅度大于混播状态；单播时的B品种Fv/Fm、Fv/F0下降幅度与丙二醛、脯氨酸增加幅度均大于混播状态。单播方式下叶片脯氨酸含量与Fv/Fm之间的显著相关关系存在于耐旱性弱的B品种，而不存在于耐旱性强的A品种，混播方式下这种相关关系被打破。丙二醛含量与Fv/Fm之间无论品种和种植方式的改变其相关均不显著。 [结论]单一种植时耐旱性越强的品种对水分胁迫（干旱）的反应越不敏感，对干旱的防御机制也越健全，混合种植时耐旱性强的品种反而由于其个体水分竞争力较弱，使其受水分胁迫程度加剧，抑制了耐旱力的发挥。耐旱力较弱的品种则在这种竞争中由于其较强的水分竞争力而受益，减弱了水分胁迫对其生理的抑制，也使得品种间的耐旱性差别有所减小。另外，不能单独将脯氨酸含量作为植物抗旱性的评价指标。

关键词种植方式；冬小麦；光合特性；理化性质

中图分类号S512.11文献标识码A文章编号0517-6611（2014）36-12803-04

Abstract[Objective] Through pot experiment， winter wheat under different planting patterns under the water stress was chosen to study photosynthetic characteristics and the correlation among the changes of the physicochemical properties， in order to provide theoretical and practical basis for the sustainable development of water saving agriculture in dry lands. [Method] When water stress of winter wheat was naturally increased at flowering， five points were chosen in time conditions， and each point was repeated three times. Flag leaves of wheat were randomly selected in each treatment to determine the parameters of chlorophyll fluorescence induction kinetics and MDA and proline content. [Result] Fv/Fm and Fv/F0 of winter wheat under water stress were decreased， and both had a significantly positive correlation. At single sowing， Fv/Fm and Fv/F0 of strong drought tolerant variety A decreased with MDA， and proline content increased significantly less than that of weak drought tolerance variety of B. At mixed sowing， differences of every index of two varieties were reduced. At different ways of planting the same variety， the decrease of Fv/Fm and Fv/F0 and the increase of MDA content at single sowing of variety A were lower than those at mixed sowing， and the increase of proline content was higher than that at mixed sowing. The decrease of Fv/Fm and Fv/F0 and the increase of MDA and proline content at single sowing of variety B were higher than those at mixed sowing. A significant correlation between proline content and Fv/Fm at single sowing existed in the weak drought tolerance variety B， but didnt exist in the drought resistant variety A. At mixed planting mode， this relationship was broken. The correlation between MDA and Fv/Fm under the change of varieties and planting pattern wasnt significant. [Conclusion] At single sowing， the response？of cultivars which had stronger drought tolerance to water stress （drought） wasnt sensitive to drought， and defense mechanism was more perfect. At mixed planting mode， because individual water competitive influenced by the degree of water stress of cultivars which had drought resistance was low， the drought tolerance was inhibited. But among the competition， the cultivars which had weak drought resistance had the benefit. The inhibition of water stress on the physiological drought tolerance was reduced， and the difference between varieties was decreased. In addition， the proline content alone couldnt be used as evaluation index of drought resistance of the plant.

Key wordsPlanting patterns； Winter wheat； Photosynthetic characteristics； Physicochemical properties

干旱胁迫对植物光合特性的影响是全方面的，不仅影响光合电子传递、光合磷酸化等过程引发光合机构的损伤，而且导致植物体内自由基的产生与淬灭平衡状态受到破坏，使自由基和活性氧含量增加。受自由基袭击的首先是膜系统，以敏感的磷脂先受损，导致生物膜中脂质过氧化，干扰生物膜上镶嵌的多种酶的空间构型，致使膜的孔隙变大，通透性增加，离子大量泄露，加速细胞衰老或凋亡[1]。渗透调节是植物抗旱性的一种重要生理机制。脯氨酸（Pro）是细胞内重要的渗透调节物质之一。Mattioni[2]研究发现，在水分胁迫年，小麦幼苗氨基酸都有所积累，但Pro积累更多。P5C（吡咯啉-5-羧酸还原酶）和脯氨酸脱氢酶是控制Pro生物合成和分解的酶。在水分胁迫下，P5C活性增强而脱氢酶活性受抑，导致Pro增加。

Donald在“互利型植株”的基础上提出小麦和大麦理想株型的概念，在农学界产生很大的影响。他们认为，互利型植株具有使作物群体成功的一些特性，而不是对个体的存活有利。互利型植株的竞争能力较弱，因而它对相邻个体的影响很小，当与其他基因型个体混合种植时，其生长往往受到抑制，个体产量较低。但是，当大面积单一种植，且种植密度大得足以使植株充分利用环境资源时，这些互利型植株便会在整个种植面积内获得高产[3-4]。

通过盆栽实验，笔者研究在水分胁迫（干旱）自然加重条件下不同种植方式对冬小麦光合特性与理化性质的影响，同时就两者相关性进行研究，以期为旱地节水农业的持续发展提供理论、实践上的依据。

1 材料与方法

1.1试验材料

选用长武135（A 品种，耐旱性相对较强）和平凉40（B品种，耐旱性相对较弱）2个小麦品种。

1.2试验地概况

采用盆栽试验，试验用盆直径28 cm、高30 cm。所用土壤为耕层土，取自于杨凌区付家庄附近农田，其田间最大持水量为28.10%，土壤含全氮0.62 g/kg，全磷145 g/kg，有机质1.47 g/kg，速效氮54.60 g/kg，速效磷890 g/kg。将土壤风干碾碎并过筛，每盆装土10.0 kg，播种前每盆施尿素3.6 g、磷肥16.0 g、硫酸钾2.1 g，一次性均匀拌入盆土中。

1.3试验处理

设单播和混播2种种植方式，其中单播指每盆单独播种A品种或B品种各16株，混播指每盆相间播种A品种和B品种各8株。每个处理设10次重复，播种时间为2012年10月15日。水分处理设置为：在花期（2013年4月20日）给予各处理冬小麦一次性充分供水（土壤含水量占田间持水量的80%），此后不再供水，并且避免天然降水，任其干旱加重。随机取样，测定供水后1、4、7、10、13 d各处理冬小麦旗叶叶绿素荧光参数与叶片丙二醛（MDA）、Pro含量。

1.4 测定方法

在花期按3次重复随机选取各处理小麦，经暗适应30 min后，利用叶绿素荧光成像系统（ImagingPam，Walz，Germany）和荧光图像分析软件（Imagingwin，Walz）测定小麦旗叶叶绿素荧光诱导动力学参数[室温（25±2）℃，光强300 μmol/（m2·s）]，如初始荧光（F0）、最大荧光（Fm） 等，并且计算PSⅡ的最大光化学量子产量Fv/Fm=（Fm-F0）/Fm[5]和PSⅡ潜在活性Fv/F0=（Fm-F0）/F0[6]。

Pro含量测定采用磺基水杨酸提取，茚三酮比色方法进行[7]；MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法[8]。

1.5数据分析

使用Excel和DPS统计软件，对试验数据进行作图与显著性检验及相关性分析。

2结果与分析

2.1水分胁迫下不同种植方式对Fv/Fm与Fv/F0的影响

Fv/Fm指PSⅡ最大光化学量子产量，反映PSⅡ反应中心内原初光能转化效率。Fv/F0则反映PSⅡ的潜在活性。它们是表明光化学反应状况的2个重要参数。在非环境胁迫条件下叶片的荧光参数Fv/Fm极少变化，不受物种和生长条件的影响，而遭受光抑制的叶片这一参数变化明显。它是表示光抑制程度的良好指标和探针[9]。由图1可知，随着水分胁迫程度的逐渐加深，各处理冬小麦Fv/Fm与Fv/F0均呈下降趋势。由表1、2可知，在单播方式下耐旱性强的A品种降幅显著小于耐旱性弱的B品种，混播方式下A′降幅略小于B′，单播与混播比较A降幅小于A′，B大于B′。这表明水分胁迫可使小麦叶PSⅡ活性中心受损，光合作用原初反应过程受抑制，降低PSⅡ的潜在活性。在单播方式下，水分胁迫对耐旱性强的A品种的影响显著小于耐旱性弱的B品种，A品种较B品种具有更高的光能转化效率和PSⅡ潜在活性。这可能是耐旱性较强的品系在干旱条件下能够获得较高产量的一个重要原因。而在混播方式下，由于B品种具有较强的水分竞争能力，加剧A品种的水分胁迫，使得A品种最大PSⅡ的光能转换效率、PSⅡ的潜在活性及PSⅡ原初反应过程受到较强烈的抑制，B品种本身受抑程度较单播方式有所降低。同时，这种群体间的竞争也使得品种间

2.2水分胁迫下不同种植方式冬小麦叶片MDA含量的变化

水分胁迫引发植物体内活性氧自由基的积累，导致细胞膜膜脂过氧化作用的增强，损伤细胞膜的结构。MDA是膜脂过氧化的产物，其含量的高低反映细胞膜受损程度。有研究表明，在相同干旱胁迫下MDA含量增幅小的品种较耐旱，增幅越大的品种耐旱力越低[10]。由图2可知，各处理MDA含量呈先升后降趋势，其峰值均在水分胁迫第10天出现。经分析，第1天处理间无显著性差异（P>0.05），第10天混播方式的A品種极显著高于B品种，第13天混播方式的B品种极显著低于其他处理（P<0.01），其他处理间无显著差异；胁迫10 d之前各处理上升趋势比较平缓，10 d之后均大幅下降。由表3可知，第1天至峰值出现总体增幅以A′最大，B次之，A因为第1天值较高，故无明显增加。由此可见，水分胁迫加剧了小麦叶片细胞膜的膜脂过氧化作用，损伤了膜结构。胁迫后期MDA含量迅速下降，表明小麦防御系统已受到严重危害。各处理间相比，单播情况下耐旱性强的A品种比耐旱性弱的B品种能更有效地调动自身的防御系统做出一系列适应性的调整以抵抗逆境的胁迫，而混播情况下由于B品种具有更强的水分竞争力，使得A品种受水分胁迫程度加剧，膜脂过氧化加重，B品种则在这种竞争中受益，相较单播方式减弱了水分胁迫对其细胞膜的损伤。

2.3水分胁迫下不同种植方式冬小麦叶片Pro含量的变化

Pro被认为是植物逆境胁迫的产物。Pro是细胞内重要的渗透调节物质，具有调节细胞渗透平衡、增强细胞结构稳定

性和阻止氧自由基产生的作用。它与植物体内活性氧自由

基的清除以及膜脂过氧化作用的减轻有密切的关系[11]。干旱胁迫下脯氨酸大量积累被认为是一种保护

反应[12]。

由图3可知，单播方式的A与B在胁迫前期Pro含量上升平缓，胁迫后期迅速上升。混播方式的A品种与B品种Pro含量在胁迫7 d前呈下降趋势，7 d后迅速回升。A品种与B品种胁迫7 d内的Pro含量无显著差异（P>0.05），第7～13天B品种显著高于A品种，第13天A、B品种间差异亦不显著，胁迫10 d后A品种Pro含量明显增加。10 d前A′显著高于B′，10 d后显著低于B′。由表4可知，总体增幅B最大，A次之，B′更次之，A′未见增加。由此可知，单播方式下水分胁迫对耐旱性弱的B品种影响更大，导致B品种Pro含量的累积量明显高于A品种，而A品种在胁迫后期具有较强的渗透调节能力，说明耐旱性强的A品种脯氨酸对水分胁迫的响应敏感性迟于耐旱性弱的B品种。在混播方式

下，由于B品种较强的水分竞争力

3讨论

该研究通过测定叶绿素荧光参数及Pro、MDA含量对不同种植方式冬小麦在水分胁迫期间光合特性和理化性质的变化及它們之间的相关性进行了探讨。结果表明，水分胁迫下各处理冬小麦Fv/Fm与Fv/F0值均降低，且两者呈显著正相关关系，说明水分胁迫使PSⅡ受到伤害，降低PSⅡ原初光能转化效率，使小麦PSⅡ潜在活性中心受损，光合作用原初反应过程受抑制，光合电子由PSⅡ反应中心向QA、QB及PQ库传递过程受到影响。小麦叶绿体激发能从捕光色素蛋白复合体（LHCⅡ）向PSⅡ传递减少。这可能与水分胁迫使PSⅡ捕光色素蛋白复合体（LHCⅡ）的含量降低有关[13]。光化学效率的高低直接决定叶片光合作用的高低，因此由干旱造成的光化学效率降低会成为光合作用的重要限制因子[14]。在单播方式下，由于耐旱性强的A品种属于互利型植株，个体之间水分竞争能力较弱，水分胁迫造成其Fv/Fm与Fv/F0下降的幅度均明显小于抗旱性弱的B品种，表现出较高的光化学活性和水分利用效率，属于节水型品种。B品种在有限的水分条件下将消耗更多的水资源用于自身的生产（如根系、茎干、叶等），属于耗水型品种，个体间水分竞争能力较强，故群体抗旱性差[15]。在混播方式下，由于B品种水分竞争能力较强，在同样的水分竞争压力下品种A受水分胁迫的程度加剧，使得A光合作用的光保护系统和修复过程受到抑制，光合机构受到不同程度的破坏，从而影响品种A的生长发育，而品种B在竞争中则减弱了干旱对其光合性能的损坏。通过对不同种植方式冬小麦在水分胁迫下叶片丙二醛含量变化的分析，从细胞膜损伤的角度反映与光合特性变化相似的情况。

值得注意的是干旱胁迫下叶片脯氨酸含量的变化。有研究认为，在土壤干旱胁迫下，抗旱性强的小麦品种的渗透调节能力大于抗旱性弱的品种[16]，抗旱性强的品种维持着较高的组织相对含水量和Pro含量[17]。但是，在该研究中单播A品种的累积幅度并不比B品种大，只是在混播情况下抗旱性弱的B品种从其较强的水分竞争能力上受益，而抗旱性强的A品种则在这种竞争中受到抑制。这符合Donald“互利型植株”的观点。但是与前人研究相比，这里面存在的问题是植物体内Pro的累积是抗旱性弱品种应对干旱胁迫的一种强烈自我保护作用，还是表征抗旱性强品种自我调节能力较强的一种标识。研究中耐旱性强的A品种Pro积累对水分胁迫的响应敏感性小于耐旱性弱的B品种。在干旱胁迫下，Pro积累的品种差异的原因可能是品种间合成Pro的

潜在能力不同，也可能由于蛋白质的合成受阻，抑制了Pro掺入蛋白质的

过程能力的差异，也可能是因为干旱引起体内蛋白质的分

解，还可能是Pro自身氧化的因素[18]。由此

可知，还不能把单纯的Pro含量作为植物抗旱性的评价指标。

理化指标与光合特性的相关分析表明，单播方式下叶片Pro含量与PSⅡ反应中心内原初光能转化效率之间的显著相关关系存在于抗旱性弱的B品种，而不存在于抗旱性强的A品种。在混播方式下，由于受水分竞争的压力，这种相关关系被打破。可以看出单一种植时耐旱性越强的品种对干旱逆境的反应越不敏感，对干旱的防御机制也越健全。另外，MDA含量与PSⅡ反应中心内原初光能转化效率之间无论品种和种植方式的改变其相关均不显著，与前人研究[2]存在差异。这可能也因此说明植物抵御干旱是一个非常复杂的机制，是植物体内各物质相互共同作用的结果。

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