高温环境下枣光合特性及相关生理指标日变化

杨磊，靳娟，冯贝贝，樊丁宇，牛莹莹，郝庆

(1.新疆农业科学院园艺作物研究所/农业部新疆地区果树科学观测实验站，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业大学新疆特色果树研究中心，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】枣(ZiziphusjujubaMill.)属鼠李科(Rhamnaceae)枣属(ZiziphusMill.)，是原产于我国的重要特色果树[1]。因其耐干旱、耐贫瘠、耐盐碱，抗逆性强，适应性广，经济效益高，生态效益明显[2]。截止 2016年，新疆红枣种植面积为 50.5×104hm2，产量达 326×104t，面积和产量均居全疆林果之首[3]。红枣已成为新疆林果业的支柱产业之一。然而，随着全球气候变暖，近年来新疆极端高温天气频繁发生[4]，高温已开始威胁红枣的正常生长发育，如2015年夏季极端高温导致红枣大量落果，造成大幅减产。开展高温环境下枣光合及生理响应研究对新疆红枣的抗逆高效栽培具有指导意义。【前人研究进展】徐斌等[1，5]研究表明在日平均气温23和35℃下，托克逊灰枣叶片Pn呈“双峰”曲线，23℃日平均气温有利于灰枣叶片进行光合作用，超过35℃日平均气温影响灰枣叶片的气孔导度(Cs)和水分利用效率(WUE)，不利于光合作用。刁凯等[6]研究表明8个品种枣树净光合速率日变化均呈双峰曲线，且在2个峰值之间有明显的光合午休现象，经聚类分析鸡心枣、 圆脆枣、灰枣属于低Pn、高WUE、低Tr品种，更适宜环塔里木盆地干旱缺水的环境。夏黑葡萄叶片的PSII在高温处理6 h活性遭到破坏，但高温处理150 h其PSII活性又得到恢复，推测夏黑有较强高温逆境适应能力；高温逆境打破夏黑氧化还原平衡，使MDA含量增加[7]。高温胁迫下，黄花梨、绿宝石梨幼树叶片细胞质膜相对透性持续增大[8]。随着温度升高，早红珠油桃叶片MDA含量呈微增-减少-增加趋势；45℃高温下，随着胁迫延长Pro含量急剧下降；高温下植株受害指数与Car、MDA、Pro、SOD及CAT等生理指标间具有显著相关性[9]。【本研究切入点】经前期调查，高温环境下骏枣和伏脆蜜在表形方面差异明显，但高温下二者在生理方面是否存在差异、以及差异大小仍然不清楚。研究高温环境下枣光合特性及相关生理指标日变化。【拟解决的关键问题】研究光合特性及相关生理指标日变化，分析两个品种响应高温环境的光合及生理差异，为新疆红枣的抗逆高效栽培及枣耐高温品种选育提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验材料种植于吐鲁番市郊，品种为骏枣和伏脆蜜，树龄10 a，株行距(2×4) m，管理水平一致。该试验地点气候特点是典型的大陆性干旱荒漠气候，干燥少雨，年平均降水量 16.4 mm，蒸发量3 000 mm以上，日照充足，昼夜温差大，年有效活动积温5 300℃以上，无霜期 270 d。

1.2 方 法

根据天气预报2017年8月7～10日吐鲁番市为连续的晴朗高温天气，于8月9日08:00～20:00，每隔2 h测定环境因子和两品种相同部位功能叶片光合日变化。仪器采用Li-6400XT型便携式光合作用测定系统，测定CO2浓度时均用仪器自控系统控制。开放式气路测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、大气CO2浓度(Ca)、蒸腾速率(Tr)、光合有效辐射(PAR)、大气温度(Ta)和空气湿度(RH)等，并计算水分利用效率(WUE=Pn/Tr)、气孔限制值(Ls=1-Ci/Ca)等。两品种各选3株长势一致的样株，每株测3片成熟的功能叶。

并于06:00～20:00每隔2 h采集当年生枣头上相同部位叶片，3次重复，立即投入液氮速冻，采样完成后带回实验室，测定各时间点的MDA含量[10]、SP和Pro含量[11]等生理指标。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel2010及SPSS19.0软件对数据进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 极端高温区枣光合日变化

2.1.1 环境因子日变化规律

研究表明，PAR的日变化呈单峰曲线，08:00～12:00 PAR逐渐增强，12:00达到峰值，之后缓慢下降。Ca从08:00的较高水平逐渐降低至14:00的谷值，之后至20:00一直呈持续上升趋势。Ta随时间推移不断升高，14:00超过43℃，18:00达到最大值45℃，之后逐渐降低。RH在08:00～10:00不断升高，10:00达到最大值，之后随着温度的升高不断降低。图1

图1 试验地环境因子日变化
Fig.1 Diurnal Variations of Environmental Factors

2.1.2Pn与Tr日变化特征

研究表明，两品种Pn均值：伏脆蜜>骏枣。骏枣Pn呈现不对称的双峰曲线，第一个高峰出现在10:00，峰值16.42 μmol/(m2·s)，之后Pn略有减弱，表明此时叶片气孔的气体交换能力在减弱，至12:00降到低谷，是出现光合午休现象的表现，12:00之后又逐渐升高，16:00达到第二个高峰，峰值21.51 μmol/(m2·s)，之后急速下降。伏脆蜜呈现单峰曲线，12:00Pn达到最高峰，峰值21.75 μmol/(m2·s)，之后随温度上升，Pn不断减小。

两品种Tr的日变化均呈双峰曲线，但伏脆蜜的双峰曲线变化明显比骏枣剧烈，伏脆蜜第一和第二次峰值分别出现在12:00和16:00，两次Tr峰值分别比08:00升高了224.17%和345.48%，在14:00有明显的谷值，此时Tr降低，可能是树体关闭气孔以达到适应午间高温、防止叶片过度蒸腾水分的一种对环境变化的应对策略。骏枣的Tr值在12:00略有下降，16:00达到最大峰值(8.39 mol/m2)，比08:00升高了391.11%；蒸腾作用是植物体内的水分以气体的形式散失在大气中的过程，动力来源于PAR，通过影响叶面温度，促进水分的蒸发，Tr在一定程度上反映其调节植物水分损失的能力及适应干旱环境的方式。图2

图2 净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)日变化

2.1.3Gs、Ci、Ls的日变化特征

Ci是光合作用的重要因素之一，Ci反映了叶片进行光合作用的过程[12]，研究表明，骏枣Ci变化呈先稳定后下降再上升的趋势，16:00Ci降至最低，仅为74.32 μL/L，之后急速升高，18:00后上升趋于平缓；伏脆蜜的Ci在08:00～10:00缓慢上升，10:00后趋于下降，至14:00降至最低值(147.35μL/L)之后开始上升，16:00～18:00趋于平缓，之后再上升。骏枣和伏脆蜜的Gs日变化均呈双峰曲线，骏枣的Gs最高峰出现在10:00，峰值0.20 mol/(m2·s)，第二峰值出现在16:00，峰值0.14 mol/(m2·s)；伏脆蜜的Gs最高峰出现在16:00，峰值0.23 mol/(m2·s)，第二峰值出现在10:00，峰值0.24 mol/(m2·s)。

判断叶片Pn降低的原因是非气孔因素还是气孔因素，主要根据Pn、Ci和Ls的变化，当Pn、Ci降低、Ls增大时，Pn的降低主要是由气孔限制因素所引起，当Pn降低，Ci增大、Ls降低时，Pn的降低主要是由非气孔因素限制，也就是叶肉细胞的光合活性下降[13]。在10:00～12:00，骏枣的Pn下降，Ci下降，变化方向相反，而此时的Ls在升高，说明骏枣的Pn值降低是由于气孔关闭引起的，16:00后骏枣的Pn下降，Ci开始上升，Pn与Ci的方向相反，Ls下降，此时Pn值降低是由于光照强度的降低导致叶肉细胞活性下降的非气孔因素。12:00～14:00伏脆蜜，净Pn下降，Ci也下降，Ls值上升，这段时间Pn值的降低，是由于气孔关闭引起，14:00以后，Ci开始上升，Pn与Ci的方向相反，Ls下降，此时Pn的降低是由于光照强度的降低导致叶肉细胞活性下降的非气孔因素。图3

2.1.4 WUE日变化特征

植物的WUE指植物消耗单位水量生产出的同化量，是一个比较稳定的衡量碳固定与水分消耗关系的指标[14]。研究表明，WUE日均值伏脆蜜总体低于骏枣。骏枣和伏脆蜜在08:00的WUE值均最高，之后总体均呈降低趋势，其中骏枣的WUE在08:00～10:00下降较快，10:00～14:00趋于平缓，14:00～16:00略有回升，16:00之后再次快速降低，18:00之后趋于平缓，总体呈降-缓-降-缓的阶梯式下降趋势；伏脆蜜的WUE在08:00～12:00逐渐下降，12:00～14:00略有回升，14:00～16:00快速降低，16:00～18:00再次缓慢回升，18:00～20:00缓慢下降，总体呈降-缓-降-缓-降的阶梯式下降趋势。图3

图3 叶片气孔限制值(Ls)、水分利用率(WUE)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)日变化

2.1.5Pn与环境因子的相关性

植物叶片Pn的大小是衡量植物光合作用能力强弱的重要指标。研究表明，两品种的Pn与环境因子的相关性具有较高一致性，其中Pn值均与Ci、Ca极显著负相关(P<0.01)，而与Tr极显著正相关(P<0.01)，但Pn与Gs、Ls的相关性骏枣较伏脆蜜更强，而Pn与PAR的相关性伏脆蜜较骏枣更强。表1

表1 枣叶片净光合速率(Pn)与环境因子相关性

注：*在0.05水平上显著相关，**在0.01水平上显著相关

Note：

2.2 叶片生理指标日变化

2.2.1 叶片MDA含量日变化

研究表明，两品种叶片MDA含量的日变化总体均呈先上升后下降的趋势，这与当日06:00～20:00气温的变化趋势具有相似性，但骏枣的MDA高于伏脆蜜。骏枣的MDA在06:00～10:00逐渐升高，并在10:00达到最大值(11.22 μmol/g)，之后在起伏波动中逐渐降低至20:00的最小值(6.93 μmol/g)；伏脆蜜的MDA在06:00～14:00缓慢升高，在14:00达到最大值(9.35 μmol/g)，之后持续降低至20:00的最小值(5.86 μmol/g)。其中MDA含量骏枣不仅较伏脆蜜提前4 h达到的最大值，而且较伏脆蜜的最大值高出1.87 μmol/g。图4

图4 枣叶片MDA含量日变化
Fig.4 Diurnal variation of MDA content

2.2.2 叶片Pro含量日变化

研究表明，两品种叶片Pro含量在06:00～20:00的变化趋势基本一致，总体均呈下降趋势。但伏脆蜜叶片Pro含量明显低于骏枣。骏枣在14:00 Pro含量最低，为104.38 mg/g，显著低于06:00～12:00任一点的值，14:00～18:00 Pro含量逐渐升高，18:00达到138.20 mg/g，较16:00上升了19.16%。伏脆蜜从06:00～10:00，下降了36.21%，10:00～12:00趋于平稳，06:00～14:00 Pro含量差异不显著，16:00的Pro含量较06:00下降了43.37%，16:00～18:00 Pro含量开始上升，18:00较16:00上升了28.56%。图5

图5 枣叶片Pro含量日变化
Fig.5 Diurnal variation of proline content

2.2.3 叶片可溶性蛋白的日变化

研究表明，骏枣和伏脆蜜的可溶性蛋白含量呈M型曲线变化，都在10:00和18:00有明显的峰值，其中10:00骏枣的可溶性蛋白含量到达第一个峰值，较06:00上升了123.71%；18:00到达第二个峰值，较06:00上升了180.59%。伏脆蜜的可溶性蛋白含量在10:00和18:00有明显的峰值，分别比06:00上升了33.76%和56.50%。图6

图6 枣叶片可溶性蛋白日变化
Fig.6 Diurnal variation of soluble protein

3 讨 论

高温能降低植物的气孔导度、关键光合功能因子，使植物光合产物的运输和分配发生变化，叶片光系统PSⅡ受损，最终导致植物体内的能量代谢和物质转化过程失衡，所以高温逆境对果树的光合作用效率伤害较为显著[15]。Raschke等[16]认为当高温、强光照时，空气湿度的降低会使植物蒸腾作用加大，根系从土壤中获取水分维持生命活动，若土壤水分充足，Tr与空气蒸发能力呈正比；若土壤水分不足，较大的蒸腾作用导致植物失水严重，空气与叶片之间形成较大的水汽压差，保卫细胞失水关闭，因而以气孔限制方式减少蒸腾失水。实验中，中午高温导致红枣蒸腾强度大，植株失水加剧，Pn降低的同时，Ci降低、Ls升高。因此，骏枣光合午休主要是由气孔限制因素引起，与张燕林[17]、徐斌[5]、王龙[18]、刁凯等[6]的研究结果一致，但可能因品种、环境等因素的差异在光合午休现象的发生时间方面略有不同；而伏脆蜜Pn为单峰曲线，与毛叶枣[19]的研究结果一致，属于一降不起的类型，伏脆蜜在12:00～14:00和14:00以后的Pn下降分别属于气孔关闭和非气孔因素共同引起的。

万素梅等[20]认为在塔里木盆地大气温度达到 25.6～39.1℃的高温强光条件下，枣树采取了较高的Tr来降低其叶片的温度，以避免高温强光对自身的伤害，是红枣对高温干旱环境的适应方式。研究与万素梅等[20]的研究结果相同，其中伏脆蜜气温相对较高时段(16:00～18:00)的Tr明显高于骏枣，伏脆蜜比骏枣更适应高温环境。研究中Pn与Tr极显著正相关，说明Tr在枣光合作用过程中起了非常重要的作用，可以防止由于叶温过高对叶片造成的损伤。

高温对果树叶片细胞内生物膜功能造成一定伤害，表现在致使MDA、羟自由基(·OH)等氧化物增多，增大细胞膜的渗透性和外渗电解质，增加相对电导率，打破细胞内活性氧产生和清除的平衡性，从而伤害植物[15]。研究两品种叶片MDA和Pro含量的日变化趋势基本一致，但骏枣明显高于伏脆蜜，说明在相同高温环境下骏枣叶片细胞膜受到的伤害比伏脆蜜高，伏脆蜜细胞膜稳定性较骏枣强。这也证明伏脆蜜的耐高温能力优于骏枣。

4 结 论

伏脆蜜的Pn值大于骏枣，骏枣在12:00出现明显的光合午休现象是由于气孔关闭造成Pn值降低而引起的，而伏脆蜜无光合午休现象；骏枣和伏脆蜜分别在16:00和14:00之后Pn值的降低均是由于光照强度的降低导致叶肉细胞活性下降的非气孔因素引起。两品种Tr的日变化均呈双峰曲线，但伏脆蜜的曲线变化明显比骏枣剧烈，伏脆蜜调节水分散失的能力强于骏枣，这有利于降低叶温，维持细胞膜稳定性，能更好的适应高温环境。

两品种叶片MDA、Pro和SP含量的变化趋势基本一致，但骏枣叶片MDA和Pro含量均明显高于伏脆蜜，在相同高温环境下骏枣叶片细胞膜受损比伏脆蜜严重。伏脆蜜比骏枣耐高温。

致谢：感谢新疆农业大学新疆特色果树研究中心廖康教授为该试验提供的帮助和指导！