低温对烟苗叶片光合特性的影响

低温对烟苗叶片光合特性的影响

卷烟是我国重要的资源之一。分布范围遍布全国各地。不同的气候条件使不同地区的卷烟质量非常不同。我国中南、南方及西南烟草种植区在烟苗移栽后,常会受到倒春寒带来的低温侵害。而温度是影响光合作用的重要条件之一,低温等逆境条件下植物利用光能的能力降低,从而引起或加剧光抑制,植物在低温下发生的光抑制称为低温诱导光抑制或低温光抑制。低温下生长的植株光合能力很低,即使恢复到适宜生长条件后仍表现出持续的降低状态,从而对光合生产力造成影响。而植株在早期生长的关键时期,短期气温骤降、低温期的延长往往导致低温光抑制,延迟冠层的形成与扩展,降低光能的吸收和利用能力,且在以后的生长期间亦难以弥补,造成产量和质量的下降。故研究低温对烟苗光合作用的影响具有重要意义。有关光合作用对温度的响应已有不少报道和综述,但有关不同低温对烟草光合作用影响的系统研究报道尚未见到。本文在这方面做了一些研究,初步探讨了产生低温光抑制的低温范围和可逆的温度条件,旨在为改进烟苗栽培技术,预防低温侵害提供理论依据。1材料和方法1.1培养条件设置实验于2001—2002年在中国烟草长沙技术中心浏阳烟草科学研究所进行。供试品种为G80(NicotianatabacumL.),将G80包衣种子播在烟草专用育苗漂浮盘中,置日光大棚温室营养液床漂浮培养,营养液为烟草专用育苗营养液,当温度超过28℃时,揭膜通风,降温除湿。烟苗4叶1心时移植到直径10cm的塑料花盘中,每盘定植1株,培养基质为50%壤土+50%珍珠岩,烟草专用复合肥料用量为纯氮0.8g/株,N∶P2O5∶K2O=1∶0.8∶2.2。将盆栽苗置于大小为0.6m×1.1m×10m的日光小棚中培养,温、湿度控制同日光大棚温室。取第9叶片长为1～2cm的盆栽小苗作为光合作用对温度响应的试验材料,取第10叶片长为1～2cm的盆栽小苗作为低温胁迫对光合作用后续影响的试验材料。1.2研磨结果表明和低温处理1.2.1光合-光响应曲线和企业免疫指标对烟草光合的选择性影响净光合速率(Pn,μmolCO2·m-2·s-1)、叶肉细胞间CO2浓度(Ci,μL·L-1)、光合有效辐射(PAR,μmol·m-2·s-1)、气孔导度(Gs,mmol·m-2·s-1)等光合指标用英国PPSystems公司生产的具有自动控光、控温和控CO2功能的CIRAS-1光合系统测定。将待测叶片置CIRAS-1光合系统叶室(16℃、光合有效辐射800μmol·m-2·s-1、CO2浓度350μL·L-1),适应0.5h后进行不同温度(16℃、8℃和3℃)下光合作用-光响应曲线或光合作用-CO2响应曲线的测定,叶片在下一温度点适应20min后进行各种指标的测定。测定CO2响应曲线时,将光强始终控制在800μmol·m-2·s-1,测前叶片先在每个CO2浓度条件下适应5min。测定光响应曲线时,将CO2浓度始终控制在350μL·L-1,叶片在每个光强下适应3min,再进行各种指标的测定。重复3次,结果取平均值±标准误差。对光合作用-CO2响应的Pn-Ci曲线的初始部分进行直线回归,以该直线的斜率(dPn/dCi)代表烟草的RuBP羧化效率(CE)。以饱和CO2时的Pn代表RuBP最大再生速率。根据对光响应曲线的初始部分进行直线回归,以该直线的斜率(dPn/dPAR)代表光合作用的表观量子效率(AQY)。Pn、温度与光强等数据在计算机上进行回归等值线统计分析。1.2.2低温处理法取大小一致的苗分别置光合有效辐射约50μmol·m-2·s-1的人工气候箱作(8±0.5)℃、(3±0.5)℃低温处理,以(14±0.5)℃为处理对照,处理时间为40、72h。事先在8℃下过渡3h,再作(3±0.5)℃低温处理。其后,将烟苗置(14±0.5)℃、光强50μmol·m-2·s-1环境中平衡2h,再于800μmol·m-2·s-1光强下适应0.5h后进行各项测定。低温处理后的恢复在(14±0.5)℃、光强约120μmol·m-2·s-1的人工气候箱中进行。每次测定均在叶片的相同部位进行,叶片温度控制在14℃。所有测定均用第6叶,重复3次,结果取平均值。2结果与分析2.1低温光抑制反应从表1,2看出,温度对Pn影响很大,和16℃相比,在8℃、3℃条件下烟苗叶片光饱和时的Pn分别下降了52.9%和74.5%,RuBP最大再生能力分别下降了46.5%和80.2%;AQY下降了25.3%和65.2%,CE下降了13.1%和66.7%。说明在8℃、3℃时叶片对光能的利用率显著下降了。光合作用量子效率及光饱和时的光合速率的下降是发生光抑制的典型特征,表明烟苗在8～3℃,600～800μmol·m-2·s-1光强条件下,发生了低温光抑制现象(表1)。图1左方等值线几乎与X2轴平行,说明低光强下温度对Pn作用小;温度对Pn的效应随光强的增大而增大(由左向右等值线渐渐伸平),当光强达到400μmol·m-2·s-1后,温度对Pn的作用显著,此时,Pn的增减基本由温度决定。相对高的Pn出现在相对高的光强和相对高的温度配合的情况下(图1右上角,Pn=8,10的等值线),欲进一步增大Pn值,需将光强保持在600μmol·m-2·s-1以上,进一步提高温度。同样,图2表明低CO2浓度下温度对Pn的作用小,温度对Pn的效应随CO2浓度的增大而增大,当CO2浓度达到550μL·L-1后,温度的作用显著,此时Pn的增减基本由温度决定。2.2不同低温处理对烟苗叶片光合作用的影响的后续影响2.2.1光饱和对烟苗叶片gs和ci的影响与处理前比较,8℃处理72h后,光饱和时的Pn仅下降了3.8%,经3℃处理40h和72h后,光饱和时的Pn分别下降了23.5%、34.8%,AQY略有下降(图3,图4)。而经72h处理的对照烟苗叶片在光饱和时的Pn上升了14.4%(图7)。经3℃处理40、72h后,在光强200～800μmol·m-2·s-1下,叶片的Gs分别下降了约60%、70%,Ci下降了约25%(图5,图6)。经3℃处理72h后的烟苗转入14℃和120μmol·m-2·s-1光强条件下恢复20h后,光饱和时的Pn已恢复到对照的83.8%,3℃处理前水平的94.6%(图8)。说明烟苗经3℃低温胁迫72h后,其Pn表现为可逆下调,当转入非胁迫环境后,Pn可以在短时间内逐步恢复。2.2.2rep最大再生能力与处理前比较,经8℃处理72h后,RuBP最大再生能力上升了3.8%(图9),经3℃处理40、72h后,RuBP最大再生能力分别下降了6.6%和11.8%(图10),对照处理72h后的RuBP最大再生能力则上升了13.2%(图11);经3℃处理40、72h后CE分别下降了3.7%、18.8%(图10-B);而经8℃处理72h、对照处理72h后的CE分别上升了10.4%、15.5%(图9-B,图11-B)。3对光合、光合的影响低温可增加冷敏感植物和抗冷植物发生光抑制的可能性。本研究表明,8℃、3℃条件显著降低烟苗叶片饱和光照下的Pn,AQY、CE及RuBP最大再生速率(表1,表2),即出现典型的低温光抑制现象。因在光合仪叶室中低温对叶片作用时间很短(<30min),推测造成光合各项指标显著降低的原因可能是低温抑制了与光合有关酶的活性或降低了类囊体膜的流动性,而光合机构受到较大损伤的可能性不大。从低温处理的后续影响来看,烟苗经8℃处理72h后,光饱和时的Pn及RuBP最大再生速率与处理前的水平相差不大(图3,图9)。烟苗经3℃处理40、72h后,光饱和时的Pn及RuBP最大再生速率均比处理前显著下降。因此时AQY只是略有下降(图4-B),这种Pn大幅度下降的现象还不能称作为低温光抑制。烟苗经3℃处理40、72h后,光饱和时的Pn比RuBP最大再生速率下降的幅度大得多(图4,图10),这暗示RuBP最大再生速率的下降不是Pn的首要限速因子。根据气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)均显著下降的事实(图6,图7),说明光饱和时的Pn大幅下降主要是因为Gs下降进而导致Ci下降,胞间CO2供应不足成为Pn的首要限速因素,表明低温胁迫后导致光合下降主要源于气孔限制。是否表明经3℃低温处理72h后,叶肉细胞有关光、暗反应的膜系统结构仍能保持完整,有待进一步研究。这与对温州蜜柑的研究结果不同,经低温处理的温州蜜柑的表观量子效率和羧化效率及气孔导度虽也趋下降,但胞间CO2却呈上升趋势,导致光合下降的主要因素来自叶肉。这可能与柑桔原产亚热带和温带,耐寒性弱有关。一般认为羧化效率与RuBPCase(核酮糖1,5-二磷酸羧化酶)活性呈正相关,光饱和时的Pn也与Rubisco活性有很好的相关性。烟苗经3℃处理72h后,叶片净光合速率与羧化效率均显著下降,暗示低温降低了RuBPCase活性,根据CO2响应曲线中初始部分的斜率和高CO2浓度下光合速率