高温胁迫下镁对小麦旗叶光合特性及产量的影响

邵宇航，石祖梁，张 姗，贾 涛，王 飞，戴廷波

(1.南京农业大学农学院，江苏南京 210095；2.农业部农业生态与资源保护总站，北京 100125；3.农业部资源循环利用技术与模式重点实验室，北京 100024)

小麦是我国主要的粮食作物之一，其产量的高低直接关系到国民经济的发展。小麦籽粒灌浆的适宜温度为20～24 ℃，最高温度为30～32 ℃。在我国黄淮冬麦区和长江中下游麦区，小麦籽粒灌浆常被超过30℃短时高温所中断，导致小麦高温逼熟[1]。研究表明，高温会破坏小麦植株叶片叶绿体结构及原生蛋白质, 从而影响光合产物的积累与运输[2-4]，特别是灌浆期高温可导致小麦减产10%～20%[5-7]。灌浆期高温胁迫能减少小麦籽粒中淀粉和蛋白质的积累，降低千粒重和籽粒产量[8]。

叶片保持较高的叶绿素含量、光合速率、实际量子产量(ΦPSⅡ)和最大光化学效率(Fv/Fm)是小麦获得高产的重要保证，特别是生育后期功能叶片光合产物对籽粒产量的贡献率可达80%以上[9]。因此，维持灌浆期旗叶光合作用对获得作物高产具有重要价值。镁是作物生长发育所必需的第四大必需营养元素，是叶绿素的重要组成部分，对植物体的光合作用、氮素吸收、碳水化合物的合成与转运、蛋白质合成、脂肪代谢、活性氧代谢、根系活力、抗逆性等方面均有重要影响[10-11]。镁素施用能提高作物产量[12]，并且能够有效减弱小麦、玉米等作物苗期的高温伤害[13-14]。但关于镁素供应对作物叶片光合功能和产量的调节作用以及对高温胁迫的缓解效应却鲜见报道。本研究拟分析小麦花后高温胁迫下镁素施用对小麦产量、旗叶光合色素含量、光合特性和荧光特性的影响，以期为小麦生产中缓解高温逼熟及镁素的施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验采用盆栽方法，于2014-2015年度在南京农业大学牌楼试验基地进行，小麦灌浆期利用人工气候室进行不同阶段的高温处理。盆栽用土取自南京农业大学实验农场0～20 cm 表层土，土壤类型为黄棕壤。土壤中含有机质11.78 g·kg-1、全氮0.87 g·kg-1、速效磷(P2O5)19.25 mg·kg-1、速效钾(K2O)81.37 mg·kg-1和速效镁116.4 mg·kg-1。盆栽容器采用底部带小孔的聚乙烯塑料桶，高30 cm，直径25 cm。每盆装过筛风干土7.5 kg，每桶施纯N 1.65 g、P2O50.825 g、K2O 0.825 g，相当于大田每公顷施纯N 300 kg、P2O5150 kg、K2O 150 kg。基肥选用复合肥(N∶P∶K=15%∶15%∶15%)，每桶施5.5 g，按照氮素基追比5∶3∶2在拔节期和孕穗期追施尿素。供试品种为扬麦16，于2014年11月8日播种，每盆播18粒，在三叶一心时，间苗至每盆8株。

在孕穗期将MgSO4·7H2O施到土壤中，施用量设每公顷0 kg(Mg0)和20 kg(Mg20)两个水平。通过人工气候室进行花后14～20 d(T1)和花后21～27 d(T2)高温胁迫，昼夜温度分别为32和22 ℃；以自然条件为对照(T0)，昼夜温度分别为26和16 ℃。气候室相对湿度均为65%。试验共6个处理，每个处理10个重复。高温处理结束后将盆栽移入自然条件下生长至成熟。

1.2 田间取样及测定指标与方法

叶片光合色素含量测定：开花期选择同一天开花、大小均匀的穗子挂牌标记，从开花至花后28 d，每隔7 d取一次样，每次取24片旗叶，液氮速冻2 h后放入-40 ℃冰箱保存, 鲜样用丙酮∶乙醇=1∶1方法提取叶绿素，用分光光度法测定叶绿素含量。

光合参数测定：每次取样期每处理选取生长一致的6个单茎，用Li-6400便携式光合仪(美国LI-COR公司)测定旗叶的光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。

叶绿素荧光动力学参数测定：叶绿素荧光动力学参数与光合作用测定同步进行，采用 FMS-2型便携脉冲调制式荧光仪(英国Hansatech公司)，测定前暗处理 15～20 min，计算PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和实际光化学效率(ΦPSⅡ)。

籽粒产量测定：成熟期每个处理选取3盆用于测定产量及其构成因素。

1.3 统计分析与绘图

用Microsoft Excel 2007 和SigmaPlot 10.0 处理数据和作图，用SPSS19.0软件对数据进行显著性分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下镁对小麦旗叶光合色素的影响

随生育进程的推进，小麦旗叶叶绿素a、叶绿素b含量均呈先升后降的趋势，花后7 d达到最高值(表1)。高温胁迫显著降低了叶绿素含量。花后27 d，在Mg20条件下，T1、T2处理的叶绿素a含量较T0处理分别降低了18.4%和36.4%，叶绿素b含量分别降低了29.7%和45.3%，叶绿素a+b含量分别降低了24.4%和41.1%；在Mg0条件下，T1、T2处理的叶绿素a含量则较T0处理分别降低了4.3%和38.8%，叶绿素b含量降低了8.7%和42.6%，叶绿素a+b含量分别降低了6.5%、40.7%。

相同温度条件下，花后0～27 d，施镁后叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量分别提高了8.1%～28.7%、14.9%～51.1%和14.5%～31.7%，表明增施镁肥可以有效缓解高温胁迫对小麦旗叶叶绿素含量的影响。

叶绿素a/b值随生育进程的推进和镁素施用量的增加而下降，高温胁迫提高了叶绿素a/b值，且花后21～27 d高温胁迫效应高于花后14～20 d 高温胁迫，但差异不显著，说明不同时段的高温胁迫对捕光色素中叶绿素 a 的降低效应均大于叶绿素b。

2.2 高温胁迫下镁对小麦旗叶光合参数的影响

随生育进程的推进，不同处理小麦旗叶净光合速率(Pn)呈逐渐下降的趋势，花后21 d和27 d，相同施镁量下旗叶Pn均表现为T0>T1>T2(表2)，表明花后21～27 d高温胁迫对旗叶Pn影响较大；施镁能提高小麦旗叶Pn，花后0～14 d，Mg20处理的旗叶Pn较Mg0处理提高了4.3%～4.6%，花后21 d和27 d则分别提高了28.7%和16.6%。

旗叶胞间CO2浓度(Ci)则与Pn呈相反的趋势，随生育进程的推进而逐渐升高。相同施镁量下，花后21 d和27 d旗叶Ci均表现为T0

表1 高温胁迫下镁对小麦旗叶光合色素的影响Table 1 Effect of magnesium application on photosynthetic pigments in flag leaf of winter wheat under heat stress

旗叶气孔导度(Gs)与蒸腾速率(Tr)变化趋势与Pn相似，高温胁迫显著降低旗叶的Gs和Tr，不同温度处理表现为T0

表2 高温胁迫下镁对小麦旗叶Pn、Ci、Gs和Tr的影响Table 2 Effects of magnesium application on Pn, Ci, Gs and Tr in flag leaf of winter wheat under heat stress

表3 高温胁迫下镁对小麦旗叶荧光特性的影响Table 3 Effects of magnesium application on chlorophyll fluorescence parameters in flag leaf of winter wheat under heat stress

2.3 高温胁迫下镁对小麦旗叶荧光特性的影响

由表3可以看出，随生育进程的推进，小麦旗叶PSⅡ原初光能转换效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)均呈逐渐降低的趋势，高温胁迫和施镁对旗叶Fv/Fm和ΦPSⅡ均有不同程度的影响。相同施镁量下，高温胁迫降低了旗叶Fv/Fm和ΦPSⅡ值，花后27 d处理间差异显著，表现为T0>T1>T2，表明花后不同时段特别是21～27 d高温胁迫使小麦叶片发生了光抑制或PSⅡ复合体受到损害。相同温度处理下，镁素施用均能提高旗叶的Fv/Fm和ΦPSⅡ值，花后0～27 d，Mg20处理下Fv/Fm和ΦPSⅡ值较Mg0处理分别提高了0.1%～5.4%和2.9～9.5%，表明高温胁迫下镁素施用能够对光合机构起一定的保护作用。

2.4 高温胁迫下镁对小麦产量的影响

由表4可知，相同施镁量下，小麦有效穗数和穗粒数在处理间差异不显著，而千粒重和籽粒产量均表现为T0> T1> T2，表明花后21～27 d高温胁迫会显著降低千粒重，从而影响小麦产量的形成。Mg20条件下，T1、T2处理千粒重较T0处理分别下降9.3%和11.3%，产量分别下降11.6%和22.1%；Mg0条件下，T1、T2处理千粒重较T0处理分别下降12.5%和13.3%，产量分别下降20.8%和26.2%。施镁能显著增加小麦穗粒数、千粒重和籽粒产量，Mg20下T0、T1、T2处理产量较Mg0分别提高了6.4%、3.6%和8.7%。

表4 高温胁迫下镁对小麦产量及其构成因素的影响Table 4 Effect of magnesium application on grain yield and yield components of winter wheat under heat stress

同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Different small letters in the same column meant significant difference among treatments at 0.05 level.

3 讨 论

高温是一种严重的非生物胁迫因素，影响植物生长发育中各种生理和生化变化[15]。Rane等[16]认为，在灌浆期间大于30 ℃的高温是小麦生产力提高的主要限制因子。花后20～22 d，小麦籽粒胚乳细胞数已经决定，正是灌浆高峰期，此时高温对粒重影响最大[17]。敬海霞等[8]认为，花后20 d高温胁迫对小麦产量的影响大于花后10 d；刘 萍等[18]研究发现，花后25～27 d高温胁迫对小麦籽粒淀粉积累的影响最大；但杨 绚等[19]研究得出，灌浆期前期比后期对高温更敏感。本研究结果表明，高温胁迫下小麦籽粒产量明显降低，花后21～27 d高温处理较花后14～20 d 显著降低小麦产量，这可能是由于花后21～27 d 正处于籽粒灌浆的关键时期，此时的高温胁迫严重削弱了植株的光合能力，最终影响小麦产量。镁是植物生长的必需营养元素。近年来，随着N、P、K 化肥用量的增加和有机肥用量的减少，作物缺镁现象逐渐成为限制作物产量和品质提高的一个重要因素[20-21]。已有研究表明，充足的镁素供应对于高温逆境下作物生长具有显著的缓解作用，镁供应能有效提高高温胁迫下小麦粒重[12-14]。本研究也表明，高温胁迫下镁素施用通过提高小麦穗粒数和千粒重来提高籽粒产量。

高温显著提高Chlase活性，加剧植物叶片叶绿素降解速率，加速植株衰老[22]。镁是叶绿素的重要组成成分，充足的镁供应可以延迟叶片叶绿素的降解，继而延长叶片的功能期[23]，而镁素不足则会导致叶绿素合成受阻[24]。本研究表明，高温胁迫下小麦旗叶叶绿素含量显著下降，施镁能提高旗叶叶绿素含量，因此高温胁迫下镁素施用能够有效延缓叶片衰老，延长叶片功能期。

大量研究显示，高温可直接损伤植物光合器官，使小麦后期旗叶光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)降低，胞间CO2浓度增大[25-27]。本研究与前人研究结果一致，花后21～27 d的高温胁迫下小麦旗叶净光合速率最低，这可能源于T2处理的光能转化率低，也可能是T2处理过多的光能损害了旗叶的光合能力。通过相关性分析，花后27 d小麦旗叶的叶绿素、净光合速率和荧光参数对成熟期小麦产量和千粒重表现出极显著影响，对穗粒数影响不显著(文中未列出结果)。所以花后21～27 d高温胁迫下叶绿素含量、光合和荧光指标的降低是影响小麦产量的重要原因。镁可对光合暗反应的关键酶起到活化作用，能促进CO2的固定，镁参与光合产物长距离运输，光合产物转运反馈暗反应，促进碳同化，增强植株光合能力[28，33]。本试验结果也表明，高温胁迫下施镁降低了旗叶胞间CO2浓度，提高小麦旗叶的Pn、Gs和Tr，这有助于植株快速降低体温，进而缓解高温胁迫的伤害。

Fv/Fm是反映植物PSII 光化学效率的指标，光化学效率的高低直接决定叶片的光合速率，代表光合机构把吸收的光能用于化学反应的最大效率，常被用来表示环境胁迫的程度[29]。国内外研究表明，高温胁迫会导致作物叶片Fv/Fm和ΦPSⅡ降低[27,30]，引起叶片光合速率下降[31]。本试验结果与前人一致，说明高温胁迫下光能过剩，会导致光抑制或PSⅡ复合体受到损害。镁是植物光合作用中的重要元素，在光合作用的原初反应、电子传递和光合磷酸化中都起到重要作用，并可以促进类囊体堆叠，充足的镁供应能保证光反应能量传递的高效性[32]。本试验结果表明，高温胁迫下镁能提高小麦旗叶Fv/Fm和ΦPSⅡ，这与朱立保等[23]研究结果一致，说明高温胁迫下施镁能提高小麦光合电子传递速率，促进光能参与光化学反应并提高光能转化率，从而使叶片保持较高光合速率，这可能是高温胁迫下施镁提高小麦籽粒产量的重要原因之一。