‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光合特性的影响

畅灼卓 王雅情 赵夏童 王彧瑶 马 珂 原向阳 董淑琦

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030800)

谷子(SetariaitalicaBeauv.)被誉为中华民族的哺育作物[1]，由于不同的生态区气候和栽培制度造就了丰富的谷子资源，是我国干旱半干旱地区重要的粮食作物。但田间杂草会对谷子造成严重减产。采用除草剂仍是当前乃至今后相当长的一段时间内的主要方式，但谷子对除草剂敏感，在谷田中可用的除草剂种类很少，目前登记可用于谷子生产的除草剂有4个：‘扑草净’、‘烯禾啶’(部分谷子品种安全性较差)、‘单嘧磺隆’和‘2，4-滴丁酯’[2]。抗除草剂谷子品种的应用，如抗‘烯禾啶’品种 ‘张杂谷16’、‘冀谷43’和‘冀谷45’，抗‘阿特拉津’品种‘冀谷34’等[3-5]，改变了农民防除杂草的方式[6]，故筛选安全的除草剂、发现并培育抗除草剂谷子品种成为当前谷子生产重要的研究任务。‘苯磺隆’是应用于小麦田中的磺酰脲类除草剂，但不同的禾本科作物如小麦[7]、玉米[8]、水稻[9]和谷子[10]等对其敏感性存在差异。

虽然‘苯磺隆’是乙酰乳酸合成酶抑制剂类除草剂，但是有研究显示，该类除草剂会影响光合作用的关键步骤，包括阻断光合电子传递链，从而阻止光合作用的顺利进行[11-12]，因此这可能是该类除草剂防除杂草的机理。光合色素在植物光合作用过程中参与光能的吸收和传递[13]；叶绿素荧光参数和气体交换参数可反映植物的光合能力[14-15]；激发能的均衡分配保证了光合电子的高效运转和协调传递[16]。Sh等[17]采用烟嘧磺隆处理苍耳后，Fv/Fm降低。氯磺隆处理使玉米幼苗叶片的叶绿素含量、Y(II)和qP等叶绿素荧光参数均降低[18]。已有研究认为，PSII是植物受胁迫后光抑制作用的主要位点，却对PSI的光抑制作用研究较少，而PSI的光抑制一样能威胁到植物的生长发育[19]，P700参数可反映PSI的活性[20]，Y(ND)和Y(NA)可作为检测除草剂对PSI影响的重要参数[21]。虽然高剂量的‘苯磺隆’可降低‘晋谷21号’和‘张杂谷10号’的光合色素含量、Pn、Y(II)和qP，升高NPQ[10,22]，但有关‘苯磺隆’对谷子叶片PSI功能影响的研究鲜有报道。本研究采用在山西省种植面积较大的9个谷子品种，设置‘苯磺隆’3个剂量，测定分析‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光合色素含量、P700、叶绿素荧光参数、能量的分配利用和气体交换参数的影响，旨在探明除草剂‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光合特性的影响，以期为谷子田间生产中科学地施用‘苯磺隆’提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种：‘锦谷5号’，‘龙谷39号’，‘冀谷35号’，‘晋谷21号’，‘中谷9号’，‘黄金谷’，‘张杂谷10号’，‘张杂谷13号’和‘豫谷18号’。

供试药剂：10%‘苯磺隆’可湿性粉剂(山东胜邦绿野有限公司)。

1.2 试验设计

试验于2020年5月在山西农业大学作物化学调控实验室进行。采用完全随机设计，将9个谷子品种的种子均匀播种于13 cm×15 cm装有基质的营养钵中，每个处理(3盆)定苗4株。待幼苗长至5叶期时，选取健康整齐一致的幼苗喷施‘苯磺隆’。分别设置112.5(T1，推荐用量的1/2)，225.0(T2，推荐用量)和450.0 g/hm2(T3，推荐用量的2倍)3个处理，兑水至450.0 kg/hm2，并以等量清水作为对照(CK)。每个处理重复3次。待21 d后，选取倒2叶进行指标测定。

1.3 指标测定

1.3.1光合色素含量的测定

采用乙醇浸提法[23]测定叶绿素a(Chla)含量，叶绿素b(Chlb)含量和类胡萝卜素(Car)含量。

1.3.2光合生理指标的测定

于晴天9：00—11：00，用美国思爱迪公司生产的CI-340光合测定仪测定叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)，测定时光照强度为(900±50) μmol/(m2·s)，大气CO2浓度为(380±5) μmol/mol。

1.3.3P700和叶绿素荧光参数的测定

选用便携式光纤型双通道PAM-100荧光测量系统Dual-PAM-100(德国，Walz)，测定谷子幼苗倒二叶的P700参数包括光系统I的实际光合效率(Y(I))，PSI由于供体的限制引起的非光化学能量耗散的量子产量(Y(ND))，PSI由于受体的限制引起的非光化学能量耗散的量子产量(Y(NA))，PSI的相对电子传递速率(ETR(I))和叶绿素荧光参数包括非调节性能量耗散的量子产量(Y(NO))，调节性能量耗散的量子产量(Y(NPQ))，非光化学淬灭系数(NPQ)，光化学淬灭系数(qP)，PSII实际光合效率(Y(II))，绝对电子传递速率(ETR(II))。

1.3.4光能分配的计算

按Demmig等[24]的方法计算吸收光能用于光化学反应的份额P，天线热耗散的份额D和非光化学反应耗散的份额Ex。

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件进行数据统计，使用DPS 6.5软件处理试验结果。运用LSD法进行不同处理间的多重比较(α=0.05)。表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光合色素含量的影响

由表1可知，经‘苯磺隆’处理后，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘晋谷21号’、‘中谷9号’、‘豫谷18号’和‘冀谷35号’等品种叶片的光合色素含量均有不同程度地降低。‘张杂谷13号’、‘黄金谷’和‘龙谷39号’与CK差异不显著。T1处理，‘晋谷21号’的叶绿素a(Chla)和叶绿素b(Chlb)含量分别比CK降低44.60%和48.89%，其余品种与CK均无显著差异。T2处理，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘晋谷21号’、‘中谷9号’和‘冀谷35号’的Chla含量分别比CK降低36.55%、35.38%、31.65%、32.30%和30.30%；‘锦谷5号’、‘晋谷21号’和‘中谷9号’的Chlb含量分别比CK降低46.15%、24.44%和52.31%；在此处理下，各品种的类胡萝卜素(Car)含量与CK相比均无显著差异。T3处理，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘中谷9号’、‘豫谷18号’和‘冀谷35号’的Chla、Chlb和Car含量均显著低于CK。

2.2 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片P700的影响

由表2可知，经不同剂量的‘苯磺隆’处理后，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘张杂谷13号’、‘中谷9号’和‘豫谷18号’的Y(NA)、Y(I)、Y(ND)和ETR(I)均与CK差异不显著。与CK相比，T3处理下，‘晋谷21号’和‘黄金谷’的Y(NA)、Y(I)和ETR(I)差异显著，2个品种的Y(NA)分别比CK升高180.00%和178.95%，‘晋谷21号’的Y(I)和ETR(I)分别比CK降低45.95%和45.26%，‘黄金谷’的Y(I)和ETR(I)分别比CK降低43.59%和43.13%，‘龙谷39号’和‘冀谷35号’的Y(ND)均比CK升高300.00%，Y(NA)、Y(I)和ETR(I)与CK无显著差异。

表1 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光合色素含量的影响Table 1 Effect of ‘Tribenuron-methyl’ on the photosynthetic pigment content in leaves ofdifferent foxtail millet varieties mg/g

表2 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片P700参数的影响Table 2 Effect of ‘Tribenuron-methyl’ on P700 parameters in leaves of different foxtail millet varieties

2.3 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片叶绿素荧光参数的影响

由表3可知，经不同剂量的‘苯磺隆’处理后，‘张杂谷13号’、‘龙谷39号’和‘中谷9号’各个处理的Y(II)、Y(NO)和Y(NPQ)与CK差异不显著。T1处理，‘锦谷5号’和‘豫谷18号’的Y(II)分别比CK低27.27%和28.57%；‘张杂谷10号’的Y(NO)比CK低11.54%；其余品种的Y(II)、Y(NPQ)和Y(NO)与CK差异均不显著。T2处理，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘豫谷18号’和‘黄金谷’的Y(II)分别比CK降低18.18%、27.78%、28.57% 和26.67%；‘张杂谷10号’的Y(NO) 比CK降低15.38%；‘张杂谷10号’和‘黄金谷’的Y(NPQ)比CK升高15.79%和10.00%。T3处理，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘晋谷21号’、‘豫谷18号’、‘黄金谷’和‘冀谷35号’的Y(II)分别比CK低22.73%、22.22%、30.77%、42.86%、33.33%和35.71%；‘张杂谷10号’的Y(NO)比CK低15.38%，‘晋谷21号’和‘豫谷18号’的Y(NO)比CK高60.87% 和129.17%；‘锦谷5号’、‘黄金谷’和‘张杂谷10号’的Y(NPQ)分别比CK高13.73%、10.00% 和12.28%，‘晋谷21号’和‘豫谷18号’的Y(NPQ)分别比CK低14.06%和40.32%。

由表4可知，各个处理，‘张杂谷13号’和‘龙谷39号’的ETR(II)、NPQ和qP与CK差异均不显著。T1处理，‘锦谷5号’和‘豫谷18号’的ETR(II)分别比CK低28.62%和29.74%；qP分别比CK低27.91%和25.00%；各个品种的NPQ差异均不显著。T2处理，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘豫谷18号’和‘黄金谷’的ETR(II)分别比CK低17.39%、29.09%、24.43%和26.57%，‘张杂谷10号’的NPQ比CK高34.22%，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’和‘豫谷18号’的qP分别比CK低20.93%、25.00%和14.29%。T3处理，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘晋谷21号’、‘豫谷18号’、‘黄金谷’和‘冀谷35号’的ETR(II)和qP均显著低于CK，‘晋谷21号’和‘豫谷18号’的NPQ分别比CK低42.96%和69.81%，‘张杂谷10’号的NPQ比CK高26.22%。

2.4 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光能分配的影响

由表5可知，不同剂量的‘苯磺隆’处理后，‘张杂谷13号’和‘龙谷39号’与CK相比，P、D和Ex差异均不显著。T1处理，‘锦谷5号’和‘豫谷18号’的P分别比CK低27.27%和28.57%，‘张杂谷10号’的D比CK高5.88%，‘锦谷5号’的Ex比CK高24.14%。T2处理下，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’和‘豫谷18号’的P分别比CK低18.18%、27.78%和28.57%；‘晋谷21号’、‘中谷9号’和‘黄金谷’的D分别比CK高9.09%、15.38%和10.00%；‘中谷9号’的Ex比CK高66.67%。T3处理下，除‘张杂谷13号’、‘中谷9号’和‘龙谷39号’外，其余品种的P均显著降低；‘晋谷21号’和‘中谷9号’的D分别比CK低18.18%和25.64%，‘黄金谷’的D比CK高10.00%；‘晋谷21号’和‘中谷9号’的Ex分别比CK高48.39%和113.33%。

2.5 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光合生理指标的影响

由表6可知，各个处理的‘张杂谷13号’和‘龙谷39号’的Pn、Gs、Ci和Tr与CK相比差异均不显著。T1处理，各个品种的Pn、Gs和Ci差异均不显著。T2处理，‘锦谷5号’、‘晋谷21号’、‘中谷9号’、‘豫谷18号’和‘冀谷35号’的Pn分别比CK低50.64%、60.91%、43.74%、49.62%和54.82%，‘晋谷21号’的Ci显著高于CK，‘锦谷5号’和‘黄金谷’的Tr显著低于CK。T3处理下，除‘张杂谷13号’和‘龙谷39号’外，其余品种的Pn均显著低于CK，‘锦谷5号’和‘晋谷21号’的Ci分别高于CK 89.48%和42.50%，‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘晋谷21号’、‘黄金谷’和‘冀谷35号’的Tr分别比CK低46.28%、36.52%、56.18%、46.49%和56.78%。

3 讨 论

3.1 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光合色素含量和P700参数的影响

光合色素的主要作用是吸收光能[25]并进行光合电子传递光化学反应。刘阳等[26]研究发现，经除草剂‘骠马’胁迫后，‘张杂谷10号’的叶绿素含量显著降低。本试验发现，经‘苯磺隆’处理后，除‘张杂谷13号’、‘黄金谷’和‘龙谷39号’的叶片光合色素含量与CK无显著差异外，其余谷子品种的Chla、Chlb和Car含量均有不同程度地降低，且随着‘苯磺隆’剂量的增大，叶片光合色素含量显著降低。

PSI是植物光合作用的关键组分，有研究发现，低温强光下，敏感植物PSI比PSII对强光更加敏感，更容易发生光抑制现象[27]。本试验结果显示，‘龙谷39号’的光合色素含量与CK无显著差异，而Y(ND)升高，说明叶片光保护能力的提高，Y(I)、ETR(I)和Y(NA)均与CK差异不显著，同时Y(II)、ETR(II)和qP也并未降低，说明PSI和PSII并未受到损伤，Pn未降低。而‘黄金谷’和‘晋谷21号’的PSI受损，表现为Y(I)和ETR(I)下降，Y(NA)升高，同时PSII的实际光合效率也降低(Y(II))，导致Pn降低。与采用除草剂‘阔世玛’处理板蓝根后，叶片ETR(I)、Y(I)和Y(ND)下降，Y(NA)升高的结果类似[28]。

表3 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片Y(II)、Y(NPQ)和Y(NO)的影响Table 3 Effects of ‘Tribenuron-methyl’ on the Y(II)、Y(NPQ) and Y(NO) in leaves of different foxtail millet varieties

表4 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片ETR(II)、NPQ和qP的影响Table 4 Effects of ‘Tribenuron-methyl’ on ETR(II), NPQ and qP in leaves of different foxtail millet varieties

表5 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片吸收光能分配的影响Table 5 Effects of ‘Tribenuron-methyl’ on the distribution of absorbed light energy in leaves of different foxtail millet varieties

表6 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光合生理指标的影响Table 6 Effects of ‘Tribenuron-methyl’ on photosynthetic physiological indexes in leaves of different foxtail millet varieties

3.2 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片叶绿素荧光参数的影响

当植物受到胁迫后，捕光色素吸收的光能以荧光、磷光和热的形式散发，以热的形式散发多余的能量对作物是一种调节性的保护作用，而以荧光的形式散发，对作物会造成一种光损伤，导致植物光合作用的降低[29]。PSII光化学活性的降低被认为是限制Pn提高的非气孔因素之一[30]。郭美俊等[31]研究指出，经除草剂‘二甲四氯’胁迫后，‘晋谷21号’的Pn和ETR降低，而NPQ升高。本试验中，‘锦谷5号’和‘张杂谷10号’的光合色素含量降低，Y(NPQ)升高，Y(NO)下降，说明可通过热的形式散发多余的能量以保护PSII不受伤害，但ETR(II)下降，说明电子传递受阻，Pn降低。‘晋谷21号’和‘豫谷18号’的Y(NPQ)降低和Y(NO)升高，说明其光合体系已经受到了损伤，导致光合作用降低。

3.3 ‘苯磺隆’对不同谷子品种光能分配的影响

当植株无法利用过剩的光能时，会通过降低P的份额并增加D的份额来消耗过剩的光能[32,15]。当PSII反应中心关闭或失活使激发能不能用于光化学反应时，只能增加反应中心耗散份额(Ex)，这将诱发PSII产生过量的有害物质，对结构蛋白和反应中心色素造成损伤[33-34]。有研究发现，当植物受到水分胁迫后，P会降低，D升高[35]。本试验结果显示，经‘苯磺隆’胁迫后‘张杂谷13号’和‘龙谷39号’的P未发生显著变化，说明用于光化学反应的份额并未降低，也就是说光合作用未受到抑制。‘锦谷5号’、‘张杂谷10号’、‘晋谷21号’、‘黄金谷’的P均降低，其中‘张杂谷10号’、‘黄金谷’的D升高，说明这2个品种此时通过热耗散的形式消耗多余的激发能以保护PSII不受伤害。‘晋谷21号’的D降低、Ex升高，说明PSII已不能通过热耗散的形式散发过剩光能，导致植物通过荧光的形式耗散过剩光能，可能对植物产生损伤。

3.4 ‘苯磺隆’对不同谷子品种叶片光合生理指标的影响

气体交换参数可反映植物光合作用的能力。而气孔因素和非气孔因素是影响植物光合作用的2个因素[36]。判断Pn下降的原因是否为气孔因素，不但需要关注气孔导度的大小，而且需要分析胞间CO2浓度的变化。若Pn、Gs和Ci均下降，则是由于气孔因素限制导致；Pn、Gs降低，而Ci升高，则表明是非气孔因素限制导致[37]。在本试验中，2倍推荐剂量‘苯磺隆’处理后，‘锦谷5号’和‘晋谷21号’的Pn、Gs和Tr均显著降低，Ci显著升高，说明引起Pn降低的主要因素为非气孔限制因素，此结果与高贞攀等[19]研究基本一致；而其余品种均呈现为Gs和Tr显著降低，Ci无显著差异，说明引起Pn下降的主要原因可能是气孔因素和非气孔因素共同作用的结果[38]，与高贞攀等[19]研究发现‘苯磺隆’对‘张杂谷10号’Pn下降的主要原因是非气孔限制因素的结果稍有不同，可能与试验环境不同有关。但‘苯磺隆’对谷子的靶标酶活性和代谢方面的影响还有待于进一步研究。

4 结 论

225.0 g/hm2(推荐用量)‘苯磺隆’处理后，‘张杂谷10号’、‘张杂谷13号’、‘黄金谷’和‘龙谷39号’的叶片Pn与CK相比差异不显著；‘锦谷5号’、‘晋谷21号’、‘中谷9号’、‘豫谷18号’和‘冀谷35号’的Pn分别降低50.64%、60.91%、43.74%、49.62% 和54.82%，量子产量(Y(NO))与CK相比差异不显著。450.0 g/hm2(2倍推荐用量)的‘苯磺隆’处理后，‘张杂谷13号’和‘龙谷39号’的光合系统并未受到损伤，与CK相比，Pn无显著差异；‘晋谷21号’和‘豫谷18号’光合系统受害均较严重，其中，‘晋谷21号’的PSI和PSII均受到严重破坏，表现为与CK相比Y(NA)显著升高180.00%，Y(I)和ETR(I)分别下降45.95%和45.26%；Y(NPQ)下降14.06%、Y(NO)升高60.87%，‘豫谷18号’主要是由于PSII损伤严重，表现为与CK相比Y(NPQ)下降40.32%、Y(NO)升高129.17%，而其余品种的光合系统损伤较轻，但还是引发叶片的光合色素含量降低，PSI、PSII的活性降低，导致电子传递受阻，实际光合效率降低，植物吸收的能量用于光化学反应的份额减少，最终导致Pn降低。