高温干旱复合胁迫对玉米光合生理的影响

王雅坤，李鸿萍，徐真真，刘天学

（1.河南省乡村产业发展服务中心，河南 郑州 450002；2.河南农业大学 农学院/省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室/作物生长发育调控教育部重点实验室，河南 郑州 450046）

近年来，受气候变化影响，非生物灾害胁迫增加，作物产量持续提高面临着严峻的挑战。世界上农作物生产中50%的产量损失是由高温（20%）、干旱（9%）、低温（7%）、盐渍（10%）及其他非生物胁迫（4%）造成的[1]，且干旱、高温叠加使全球谷类作物产量降低9%～10%[2]。干旱是世界农业面临的较严重的问题之一，对农作物造成的损失较严重[3]。玉米是世界上产量较高的三大谷类作物之一，在我国粮食安全中起着极其重要的作用。限制玉米产量提高的主要因素是水分缺乏和高温热害。干旱使玉米减产20%～30%，严重时达50%以上[4]。光合作用是作物最重要的生理活动，是作物产量的基础，在作物研究中占有重要位置。光合作用对环境因子中的温度、光照、水分等较敏感[5]。马旭凤等[6]认为，苗期干旱抑制玉米植株生长，使叶面积减少、干物质积累量下降。目前，高温对作物影响的研究也有很多报道[7‐9]。而玉米苗期受高温影响的研究较少，玉米上的高温研究多集中于生育后期[7]。花期高温胁迫使玉米抽雄、散粉时期提前，吐丝散粉间隔期拉长，花粉数量减少、活力降低[10]。玉米花期和籽粒灌浆早期高温胁迫引起产量降低，主要是由于穗粒数减少[11]。玉米不同生育时期最适生长温度存在差异，穗器官形成期对温度变化最敏感。玉米花期的最适温为（30.5±2.5）℃，耐受最高温为（37.3±1.3）℃，低于营养生长耐受的最高温（42.0±3.3）℃[12]。苗期是影响玉米第6 叶以上叶片生长的一个重要时期[13]，是玉米生长的基础。全球气候变暖导致高温和干旱同时发生的概率逐年增加，研究高温、干旱及高温干旱复合胁迫下玉米苗期光合生理的响应对玉米早期胁迫抗性鉴定有重要意义。目前，已有的玉米高温干旱复合胁迫研究主要集中于单一品种的光合、产量和茎秆结构等响应变化方面[14‐16]，关于耐高温特性不同品种对高温干旱复合胁迫的光合生理响应差异研究尚未见报道。为此，初步探讨了高温干旱复合胁迫对苗期耐高温特性不同玉米品种光合生理的影响，为培育耐高温干旱的优良玉米品种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2015 年在河南省气象科学研究所郑州农业气象试验站（34°43′N、113°39′E）进行。土壤类型为砂壤潮土，土壤基础肥力为速效钾188.23 mg/kg、有效磷36.38 mg/kg、碱解氮101.25 mg/kg、有机质23.98 g/kg，pH值为6.49。

供试材料为生产上推广面积比较大的耐高温玉米品种郑单958（ZD958）和高温敏感玉米品种先玉335（XY335）。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，裂区设计，主区为胁迫，分别为高温（H）、干旱（D）、高温干旱（HD）复合胁迫和对照（CK）4个处理，以自然环境生长为CK；副区为品种，每处理每品种播种30 盆，按密度6 7 500 株/hm2种植，行距0.6 m，其他管理同一般大田。三叶展开期开始胁迫，六叶展开期胁迫结束。高温胁迫处理在人工高温棚中进行，胁迫处理时间为9：00—17：00，胁迫处理期间每隔20 min 自动采集记录一次温度（图1）。干旱胁迫处理采用自然干旱法，干旱胁迫前5 d 停止浇水，使三叶展开期土壤含水量为田间持水量的45%～50%。高温干旱复合胁迫处理的高温胁迫同高温胁迫处理、干旱胁迫同干旱胁迫处理。高温胁迫处理参考蔡丰乐等[17]的方法并适当改进，使用透光率为95%的树脂塑料薄膜覆盖高温棚架的80%，底部和顶部均匀留出20%的空隙用于气体交换，于每天胁迫处理时间开始前30 min 进行增温处理。

图1 胁迫处理期间日最高温的变化Fig.1 Change of daily maximum temperature during stress treatment period

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶绿素含量 胁迫结束后（当天），每处理选取均匀一致的玉米植株8 株，取第5 片叶，擦净表面污物，用锡箔纸包裹编号后迅速放入液氮中。于实验室去除中脉、剪碎，称取0.2 g放入研钵中，加少量石英砂和3 mL 80%丙酮，研成匀浆，直至组织变白。转移至100 mL 容量瓶中，用80%丙酮定容后混匀，室温黑暗提取48 h，用紫外分光光度计UV-1800 于645 nm、663 nm 和652 nm 下比色，测定叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量[18‐19]。

1.3.2 光合酶活性 胁迫结束后（当天），每处理选取均匀一致的玉米植株15 株，取第5 片叶放液氮中保存。采用酶联免疫分析法测定磷酸烯醇式丙酮酸 羧 化 酶（Phosphoenol‐pyruvate carboxylase，PEPCase）和核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulose‐1，5‐bisphosphate carboxylase/oxygenase，Rubisco）活性[20]。

1.3.3 光合参数 胁迫结束后（当天），每处理取代表性且均匀一致的玉米植株5 株，用LI-6400XT 型（LI-COR Inc.，美国）便携式测定系统测定玉米第5片叶的净光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、气孔 导 度（Stomatal conductance，Gs）、蒸 腾 速 率（Transpiration rate，Tr）和电子传递速率（Electron transport rate，ETR）[21]。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2016软件进行初步处理和分析，用SPSS 22.0 进行统计分析，用Duncan’s 新复极差法进行差异显著性检验，用Sigmaplot 14.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 高温干旱复合胁迫对玉米叶片叶绿素含量及组成的影响

2.1.1 叶绿素含量 由图2 可知，郑单958 和先玉335 在胁迫处理下叶片叶绿素含量均较CK 显著降低，均表现为CK>D>H>HD。郑单958 叶绿素含量在高温、干旱及高温干旱复合胁迫下分别较CK 降低9.8%、5.7%、16.9%；先玉335 叶绿素含量在高温、干旱及高温干旱复合胁迫下分别较CK 降低17.0%、4.9%、24.5%。除干旱胁迫外，高温和高温干旱复合胁迫下均表现为先玉335叶绿素含量降低幅度高于郑单958。

图2 高温干旱复合胁迫对玉米叶片叶绿素含量的影响Fig.2 Effect of the combination of drought and heat stress on the content of chlorophyll of maize leaves

2.1.2 叶绿素a/b 由图3 可知，郑单958 和先玉335 叶片叶绿素a/b 在高温干旱复合胁迫下最高；与CK 相比，叶绿素a/b 在高温、干旱胁迫下差异不显著，表明2 个品种叶绿素a、b 对高温和干旱胁迫的敏感性相似；先玉335在高温胁迫下的叶绿素a/b显著低于CK，而郑单958与CK 无显著差异，说明先玉335叶绿素a对高温胁迫的敏感性更强。

图3 高温干旱复合胁迫对玉米叶片叶绿素a/b的影响Fig.3 Effect of the combination of drought and heat stress on chlorophyll a/b of maize leaves

2.2 高温干旱复合胁迫对玉米叶片光合参数的影响

2.2.1 Pn 由图4 可知，郑单958 叶片Pn 表现为CK>H>HD>D，各处理间差异达到显著水平，表明玉米Pn 受干旱胁迫的影响较高温胁迫大；先玉335 叶片Pn 表现为CK>HD>H>D，高温、干旱胁迫对其影响显著，而高温干旱复合胁迫对其影响不显著。总的来看，干旱胁迫对郑单958 和先玉335 Pn 的影响大于高温胁迫，说明与高温胁迫相比，干旱胁迫对玉米光合作用的抑制作用更强。

图4 高温干旱复合胁迫对玉米叶片Pn的影响Fig.4 Effect of the combination of drought and heat stress on Pn of maize leaves

2.2.2 ETR 由图5可知，2个玉米品种经胁迫处理后，叶片ETR均显著小于CK。郑单958叶片ETR表现为CK>H>HD>D，各处理间差异均达到显著水平，先玉335 叶片ETR 表现为CK>H>D>HD，先玉335各胁迫处理ETR 下降幅度均低于郑单958，尤其是受干旱胁迫时两者下降幅度差异较大。上述结果说明干旱胁迫对郑单958 和先玉335 叶片ETR 的影响大于高温胁迫。

图5 高温干旱复合胁迫对玉米叶片ETR的影响Fig.5 Effect of the combination of drought and heat stress on ETR of maize leaves

2.2.3 Gs 由图6 可知，郑单958 在各胁迫处理下叶片Gs 均显著小于CK，且各处理间差异达到显著水平，表现为CK>H>HD>D，表明干旱对郑单958 叶片Gs 的影响最大，高温对其影响最小；对于先玉335，各胁迫处理下叶片Gs 均小于CK，但各胁迫处理之间差异不显著。上述结果表明，3 种胁迫处理对先玉335 叶片Gs 的影响程度相似，而对郑单958叶片Gs的影响差异显著，干旱胁迫对其影响最大。

图6 高温干旱复合胁迫对玉米叶片Gs的影响Fig.6 Effect of the combination of drought and heat stress on Gs of maize leaves

2.2.4 Tr 由图7 可知，郑单958 在高温、干旱及高温干旱复合胁迫下叶片Tr 均显著小于CK，各处理间差异达到显著水平，表现为CK>H>HD>D，表明干旱对郑单958 叶片Tr 的影响最大，高温对其影响最小；先玉335 叶片Tr 表现为CK>HD>H>D，但高温、干旱胁迫处理之间差异不显著。上述结果表明，干旱对2 个品种叶片Tr 的影响最大，郑单958 对干旱胁迫的响应更强烈，表现为Tr 大幅度降低，以减少水分的散失；先玉335 对高温和干旱这2 种胁迫的响应程度相当。

图7 高温干旱复合胁迫对玉米叶片Tr的影响Fig.7 Effect of the combination of drought and heat stress on Tr of maize leaves

2.3 高温干旱复合胁迫对玉米叶片光合酶活性的影响

2.3.1 PEPCase 活性 由图8 可知，郑单958 叶片PEPCase 活性在高温胁迫下最高，在CK、干旱及高温干旱复合胁迫下差异不显著，表明高温胁迫有利于郑单958对CO2的固定，且PEPCase对干旱及其复合胁迫的敏感性一致。先玉335 叶片PEPCase 活性对高温、干旱及其复合胁迫的响应与郑单958 有所不同，复合胁迫下活性最低，显著低于其他处理，表明先玉335 叶片PEPCase 对复合胁迫较单一胁迫更敏感；PEPCase 活性在高温胁迫下与CK 差异不显著，干旱胁迫下与CK 差异显著，表明PEPCase 对高温、干旱胁迫的敏感性不同，干旱对其影响较大。

图8 高温干旱复合胁迫对玉米PEPCase活性的影响Fig.8 Effect of the combination of drought and heat stress on the activity of PEPCase of maize leaves

2.3.2 Rubisco 活性 由图9 可知，郑单958 叶片Rubisco 活性在各胁迫处理下均小于CK，表现为CK>H>HD>D，高温胁迫下Rubisco 活性与CK 差异不显著，而在干旱、高温干旱复合胁迫下与CK 差异达显著水平，表明Rubisco 活性对干旱胁迫较高温胁迫敏感。先玉335 叶片Rubisco 活性在各处理下表现为CK>HD>H>D，与CK 相比，差异均达到显著水平；高温、干旱胁迫下Rubisco 活性差异不显著，表明各胁迫均抑制CO2的固定，高温、干旱对其抑制程度相当。

图9 高温干旱复合胁迫对玉米叶片Rubisco活性的影响Fig.9 Effect of the combination of drought and heat stress on the activity of Rubisco of maize leaves

3 结论与讨论

本研究发现，2 个玉米品种在3 种胁迫处理后，Pn、Gs、Tr、ETR 均呈下降趋势，其中Gs 与Tr 下降趋势大致相同，这与王连喜等[22]研究的马铃薯受高温胁迫后Gs 和Tr 升高的结果不同，可能是由于其高温胁迫程度不同或者不同植物对高温的响应不同。干旱胁迫处理中，2个品种Pn、Gs、Tr、ETR 均显著降低，且高温耐受性品种郑单958 降低幅度更大，Gs和Tr的下降更有利于叶片降低蒸腾，保持水分。研究认为，高温对光合作用的抑制机制主要是降低了Gs，使叶绿体中CO2的供应受阻，Pn 的降低是由气孔限制的[23]，本研究得出与之相一致的结论，但与BERRY 等[24]、吴韩英等[25]认为的高温下光合作用的抑制是由非气孔因素引起的结果不一致。

对于郑单958 而言，高温使PEPCase 活性显著升高，Rubisco 活性虽略有降低但不显著，可见较高温度下郑单958 的羧化酶活性仍较高，对CO2的固定作用仍较强，然而其Pn 下降显著，可能与叶绿素含量下降有关。干旱胁迫下，郑单958 除PEPCase活性下降不显著外，其余6个指标均显著下降，表明PEPCase 活性受干旱胁迫影响较小；高温干旱复合胁迫结果与干旱胁迫结果大致相同，但叶绿素含量下降幅度更大，其余均较干旱胁迫造成的影响略轻；复合胁迫造成的影响对高温耐受性品种来说处于2 个单因子胁迫之间，表明复合胁迫的危害程度因品种而异。对于先玉335 而言，高温使叶绿素含量降低幅度较郑单958 大，PEPCase 活性虽有下降但不显著，其余指标均显著下降，表明高温严重影响了先玉335 叶绿素的合成，这与叶绿素形成的最高温度为40 ℃左右相一致[26]；干旱使郑单958 和先玉335 叶绿素含量均显著下降，表明干旱也会抑制叶绿素的合成，这与植物缺水会抑制叶绿素的生物合成结果一致[26]。

综上，高温、干旱及高温干旱复合胁迫均抑制郑单958 和先玉335 的Pn、Gs、Tr、ETR。干旱对郑单958 上述4 个指标的抑制作用最大，高温最小；总体上干旱对先玉335 上述4 个指标的抑制作用最大，复合胁迫对先玉335Pn、Gs、Tr 的抑制作用略小于单一胁迫。高温显著提高郑单958 叶片PEPCase活性，抑制先玉335 叶片Rubisco 活性；干旱显著抑制先玉335以及郑单958叶绿素合成、Rubisco活性；高温干旱复合胁迫对郑单958叶绿素合成的抑制作用大于单一胁迫，对先玉335 叶片PEPCase 活性的影响大于单一胁迫。