中 国 油 料 作 物 学 报 ChineseJournalofOilCropSciences 2015,37(5):688-693 doi:10.7505/j.issn.1007-9084.2015.05.015 缺 钾 对 越 冬 期 油 菜 光 合 特 性 和 叶 绿 体 超 微 结 构 的 影 响 潘 勇 辉, 陆 志 峰, 鲁 剑 巍, 李 凯 旭, 李 小 坤, 丛 日 环, 任 涛 ( 华 中 农 业 大 学 资 源 与 环 境 学 院, 农 业 部 长 江 中 下 游 耕 地 保 育 重 点 实 验 室, 湖 北 武 汉,430070) 摘 要 : 为 了 明 晰 缺 钾 胁 迫 下 光 合 速 率 下 降 的 主 导 因 素 及 其 作 用 机 制, 在 田 间 条 件 下 设 置 正 常 供 钾 处 理 (+K) 和 缺 钾 处 理 ( K), 采 用 气 体 交 换 和 叶 绿 素 荧 光 联 合 测 定 技 术 以 及 透 射 电 镜 技 术, 研 究 缺 钾 胁 迫 时 越 冬 期 甘 蓝 型 油 菜 品 种 浙 油 601 的 光 合 特 性 及 叶 绿 体 超 微 结 构 结 果 表 明, 缺 钾 胁 迫 时 叶 片 光 合 速 率 下 降 了 45.1% 尽 管 缺 钾 胁 迫 下 叶 片 气 孔 导 度 (g s ) 明 显 降 低, 但 其 胞 间 CO 2 浓 度 (C i ) 增 加 了 66μmolCO 2 mol -1, 气 孔 限 制 值 (L s ) 减 小 了 45.7%, 说 明 气 孔 因 素 并 非 缺 钾 胁 迫 下 油 菜 叶 片 P n 下 降 的 主 要 原 因 进 一 步 的 叶 绿 素 荧 光 参 数 测 定 结 果 表 明, 缺 钾 胁 迫 导 致 油 菜 越 冬 期 叶 片 PSI 潜 在 光 化 学 效 率 (F v /F m ) 和 实 际 光 化 学 效 率 (ΦPSI) 显 著 下 降, 说 明 光 系 统 I 反 应 中 心 受 损 ; 并 且 缺 钾 胁 迫 下 油 菜 叶 片 叶 绿 体 的 长 度 降 低 了 15.1% 叶 绿 体 厚 度 增 加 了 22.7% 叶 绿 体 到 细 胞 壁 的 距 离 增 加 了 56.1% 由 此 可 见, 缺 钾 胁 迫 下 越 冬 期 油 菜 叶 绿 体 结 构 改 变 及 光 系 统 反 应 中 心 受 损 等 非 气 孔 因 素 导 致 叶 片 光 合 速 率 下 降 关 键 词 : 油 菜 ; 钾 素 胁 迫 ; 气 体 交 换 ; 叶 绿 素 荧 光 ; 叶 绿 体 超 微 结 构 中 图 分 类 号 :S565.4;Q945.11 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1007-9084(2015)05-0688-06 Photosyntheticcharacteristicsandchloroplastultrastructureofwinteringoilseedrapeunderpotasium deficiency PANYong-hui,LUZhi-feng,LUJian-wei,LIKai-xu,LIXiao-kun,CONGRi-huan,RENTao (ColegeofResourcesandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofArableLand Conservation(MiddleandLowerReachesofYangtseRiver),MinistryofAgriculture,Wuhan430070,China) Abstract:TounderstandleafphotosynthesischaracteristicsanditsresponsetoKstarvationinoilseedrape,a fieldexperimentwascariedoutonk-deficientsoilwithkdeficiency(-k)andksupply(+k)treatments. Gasexchange,chlorophylfluorescenceandchloroplastultrastructurewerestudiedusingwinteroilseedrapecultivar Zheyou601duringover-winteringperiod.Resultsshowedthatleafnetphotosyntheticrate(P n )decreasedby 45.1% under-kcondition.althoughstomatalconductance(g s )waslowerin-ktreatmentthanin +Ktreat ment,intercelularco 2 concentration(c i )increased66μmolco 2 mol -1.Limitingvalueofstomata(L s )de creasedby45.7%.thusthestomatalfactorchangeswerenotthemainreasonforp n decreaseunder Kcondi tion.furtherevidencesfromchlorophylfluorescencemeasurementshowedthatbothphotosystem I(PSI)maxi mumphotochemicalquantumyield(f v /F m )andpsiactualphotochemicalquantumyield(φpsi)weredeclined under-ktreatment,whichindicatedthatpsireactioncenterwasdamaged.inaddition,kdeficiencyafected chloroplastultrastructureofleaves.inkdeficientplants,chloroplastlengthdecreasedsignificantly(withtheaver ageof15.6%).chloroplastthicknesanddistancefromchloroplasttocelwalincreasedby26.9% and56.1%, respectively.inconclusion,thenon-stomatalfactors,e.g.damagedpsireactioncenterandchloroplastultra structurealterationinhibitedleafpnunderkdeficiency. Keywords:Oilseedrape;Potasium deficiency;gasexchange;chlorophylfluorescence;ultrastructureof chloroplast 钾 是 作 物 生 长 发 育 所 必 需 的 矿 质 元 素 之 一, 它 在 维 持 细 胞 内 正 常 代 谢, 促 进 光 合 作 用 及 增 强 抗 逆 收 稿 日 期 :2015 01 22 基 金 项 目 : 长 江 学 者 和 创 新 团 队 发 展 计 划 (IRT1247); 公 益 性 行 业 ( 农 业 ) 科 研 专 项 (201203013) 作 者 简 介 : 潘 勇 辉 (1992-), 男, 浙 江 金 华, 硕 士 研 究 生, 研 究 方 向 为 植 物 营 养 生 理,E-mail:pyh2014@webmail.hzau.edu.cn 通 讯 作 者 : 任 涛,E-mail:rentao@mail.hzau.edu.cn
潘 勇 辉 等 : 缺 钾 对 越 冬 期 油 菜 光 合 特 性 和 叶 绿 体 超 微 结 构 的 影 响 689 性 方 面 发 挥 着 重 要 的 作 用 [1] 长 江 中 下 游 流 域 作 为 我 国 冬 油 菜 的 主 产 区, 土 壤 普 遍 缺 钾 [2], 并 且 随 着 近 年 来 土 地 复 种 指 数 增 加 油 菜 单 产 不 断 提 高 以 及 肥 料 的 不 平 衡 施 用 使 得 土 壤 缺 钾 程 度 加 剧, 缺 钾 范 围 也 进 一 步 扩 大 [3,4], 钾 成 为 油 菜 产 量 的 重 要 限 制 因 子 之 一 作 为 越 冬 作 物, 冬 季 的 低 温 对 油 菜 的 产 量 影 响 很 大 [5], 而 充 足 的 钾 素 供 应 对 于 油 菜 适 应 越 冬 期 低 温, 改 善 油 菜 的 生 长 具 有 重 要 的 作 用 如 果 越 冬 期 钾 素 供 应 不 足 会 引 起 油 菜 的 早 薹 早 花 现 象, 严 重 影 响 油 菜 的 产 量 [6], 因 此 研 究 越 冬 期 缺 钾 胁 迫 对 油 菜 生 长 发 育 的 影 响, 分 析 缺 钾 胁 迫 抑 制 油 菜 生 长 发 育 的 原 因, 对 于 改 善 油 菜 钾 素 营 养, 提 高 油 菜 的 产 量 具 有 重 要 的 意 义 钾 可 以 从 多 个 层 面 调 节 光 合 作 用, 如 ATP 的 合 成 光 合 作 用 关 键 酶 的 活 化 CO 2 的 吸 收 以 及 维 持 光 系 统 中 电 子 传 递 的 平 衡 等 [7,8] 大 量 研 究 表 明 钾 素 的 供 应 不 足 会 使 得 叶 片 的 光 合 速 率 下 降 [9,10], 而 光 合 速 率 下 降 是 作 物 生 长 受 阻 和 产 量 下 降 的 主 要 原 因 [11] 钾 通 过 进 出 保 卫 细 胞 调 节 渗 透 势 起 到 调 节 气 孔 开 闭 的 作 用, 因 此 有 研 究 把 缺 钾 条 件 下 光 合 速 率 的 下 降 归 因 于 气 孔 限 制 [12] [13], 但 Benloch 等 的 研 究 发 现 缺 钾 条 件 下 乙 烯 的 产 生 促 使 气 孔 导 度 升 高, 由 此 可 见 气 孔 的 开 闭 调 节 是 一 个 复 杂 的 调 节 网 络, 不 只 受 到 钾 含 量 的 影 响, 因 此 气 孔 关 闭 无 法 充 分 解 释 光 合 速 率 的 下 降 而 随 着 叶 绿 素 荧 光 技 术 稳 定 同 位 素 技 术 的 普 及 以 及 相 关 理 论 的 完 善, 叶 肉 导 度 的 测 定 得 以 实 现, 发 现 叶 肉 导 度 受 限 导 致 细 胞 间 隙 到 叶 绿 体 羧 化 位 点 存 在 CO 2 的 下 降, 目 前 的 研 究 认 为 叶 肉 导 度 对 光 合 速 率 的 限 制 作 用 与 气 孔 限 制 同 等 重 要 [14] [15] 而 Jin 等 的 研 究 发 现 缺 钾 条 件 下 山 核 桃 幼 苗 光 合 速 率 下 降 的 主 要 原 因 是 最 大 羧 化 速 率 [16] 和 最 大 电 子 传 递 速 率 等 生 化 限 制,Weng 等 的 研 究 认 为 光 合 作 用 关 键 酶 Rubisco 的 活 性 是 缺 钾 条 件 下 限 制 光 合 速 率 的 重 要 原 因 正 因 为 钾 对 光 合 作 用 影 响 的 复 杂 性, 缺 钾 导 致 光 合 速 率 的 机 制 仍 旧 需 要 进 一 步 的 研 究 基 于 此, 本 研 究 在 大 田 条 件 下 研 究 缺 钾 胁 迫 对 油 菜 越 冬 期 生 长 发 育 和 光 合 作 用 的 影 响, 从 气 体 交 换 参 数 叶 绿 素 荧 光 参 数 和 叶 绿 体 超 微 结 构 比 较 分 析 了 缺 钾 胁 迫 引 起 光 合 速 率 下 降 的 因 素, 以 期 为 改 善 油 菜 光 合 作 用 提 供 理 论 依 据 1 材 料 与 方 法 1.1 试 验 点 概 况 试 验 于 2013 年 9 月 至 2014 年 5 月 在 湖 北 省 武 穴 市 梅 川 镇 (30 06 N,115 36 E) 进 行, 试 验 田 土 壤 为 花 岗 片 麻 岩 发 育 的 红 壤, 其 基 本 理 化 性 状 如 下 : ph5.3, 有 机 质 30.5g kg -1, 全 氮 1.7g kg -1, 速 效 钾 32.5mg kg -1, 速 效 磷 5.7mg kg -1, 属 严 重 缺 钾 土 壤, 前 茬 作 物 为 水 稻 1.2 试 验 设 计 试 验 设 置 缺 钾 胁 迫 处 理 (-K) 和 正 常 供 钾 (+ K) 处 理, 缺 钾 胁 迫 处 理 钾 肥 用 量 为 K 2 O 0kg hm -2, 正 常 供 钾 处 理 钾 肥 用 量 为 K 2 O120kg hm -2 试 验 小 区 面 积 为 20m 2, 每 个 处 理 3 次 重 复, 完 全 随 机 区 组 设 计 各 处 理 的 氮 磷 硼 肥 用 量 相 等, 分 别 为 N180kg hm -2,P 2 O 5 90kg hm -2, 硼 砂 15kg hm -2 供 试 肥 料 品 种 分 别 为 尿 素 ( 含 N46%) 过 磷 酸 钙 ( 含 P 2 O 5 12%) 氯 化 钾 ( 含 K 2 O60%) 和 硼 砂 ( 含 B11%), 氮 肥 按 苗 肥 越 冬 肥 薹 肥 =6 2 2 的 比 例 施 用, 其 他 肥 料 均 作 为 基 肥 一 次 性 施 用 油 菜 (BrasicanapusL.) 品 种 为 浙 油 601, 产 量 为 2339 kg hm -2, 百 千 克 籽 粒 需 钾 量 为 6.2kg, 越 冬 期 钾 的 积 累 量 为 125kg hm -2, 占 到 整 个 生 育 期 钾 积 累 量 的 72.3% [17] 油 菜 于 2013 年 9 月 27 日 育 苗,11 月 1 日 移 栽, 密 度 为 11.25 万 株 hm -2, 按 照 当 地 的 生 产 管 理 措 施 进 行 管 理 1.3 测 定 项 目 与 方 法 1.3.1 土 壤 样 品 采 集 以 及 基 本 理 化 性 状 的 测 定 土 壤 样 品 于 前 茬 水 稻 收 获 后 油 菜 基 肥 施 用 前 进 行 采 集, 以 整 个 试 验 田 为 采 样 单 元, 采 用 S 形 在 田 块 内 布 点 15 个, 取 0~20cm 耕 层 土 壤, 风 干 磨 细 后 分 别 过 20 目 和 100 目 筛 供 理 化 分 析 用 土 壤 基 本 理 化 性 状 按 常 规 方 法 测 定 [18] : 土 壤 ph 用 ph 计 测, 水 土 比 为 2.5 1; 有 机 质 用 重 铬 酸 钾 容 量 法 ; 全 氮 用 半 微 量 凯 氏 定 氮 法 ; 速 效 磷 用 0.5mol L -1 NaHCO 3 浸 提 钼 锑 抗 比 色 法 ; 速 效 钾 用 1mol L -1 NH 4 OAc 浸 提 火 焰 光 度 法 1.3.2 气 体 交 换 参 数 和 叶 绿 体 荧 光 参 数 的 测 定 每 个 处 理 选 择 6~9 株 株 高 和 叶 片 数 可 以 代 表 该 处 理 长 势 的 油 菜 ( 每 个 小 区 选 取 2~3 株 ), 在 越 冬 期 (2013 年 12 月 24 日 ) 采 用 美 国 LI-COR 公 司 生 产 的 LI-6400XT 便 携 式 光 合 系 统 ( 配 备 红 蓝 光 源 叶 室 ) 于 田 间 原 位 条 件 下 测 定 植 株 功 能 叶 ( 从 上 往 下 数 第 四 片 完 全 展 开 叶 ) 的 气 体 交 换 参 数, 具 体 测 定 [19] 步 骤 参 考 孙 骏 威 的 方 法 : 测 定 时 间 为 上 午 09 00-11 30, 设 置 CO 2 浓 度 400μmol mol -1, 光 强 1200μmol m -2 s -1, 叶 室 温 度 20, 空 气 相 对 湿 度 60%, 气 体 流 速 500mol s -1 叶 片 经 过 20~ 30min 的 光 活 化 后 开 始 测 量, 待 仪 器 稳 定 ( 需 2~
690 中 国 油 料 作 物 学 报 2015,37(5) 3min) 记 录 气 体 交 换 参 数 净 光 合 速 率 (P n ) 胞 间 CO 2 浓 度 (C i ) 和 气 孔 导 度 (g s ), 并 标 记 测 定 叶 片 气 孔 限 制 值 按 照 Bery [20] 的 公 式 计 算 : L s =1-C i /C a 式 中 :C a 为 外 界 空 气 CO 2 浓 度 如 果 C i 降 低 并 且 L s 升 高 说 明 气 孔 限 制 是 光 合 速 率 下 降 的 主 要 原 因 ; 相 反 C i 增 加 和 L s 降 低 则 表 明 是 非 气 孔 限 制 导 致 光 合 速 率 下 降 [21] 标 记 测 定 完 气 体 交 换 参 数 的 叶 片, 按 照 叶 绿 素 荧 光 测 定 说 明 书, 用 锡 纸 包 裹 标 记 叶 片, 在 田 间 经 过 一 夜 的 暗 适 应 后, 于 05 00 前 利 用 LI-6400XT( 配 备 荧 光 叶 室 ) 便 携 式 光 合 系 统 于 田 间 原 位 测 定 不 同 处 理 的 叶 绿 素 荧 光 参 数 具 体 步 骤 如 下 : 对 暗 适 应 植 株 照 射 检 测 光 获 取 初 始 荧 光 (F o ), 用 饱 和 的 红 蓝 光 7200μmol m -2 s -1 照 射, 获 取 最 大 荧 光 (F m ), 然 后, 再 在 活 化 光 (1200μmol m -2 s -1 ) 下 照 射 0.5h, 得 到 稳 态 荧 光 (F s ), 接 着 用 饱 和 光 照 射, 得 到 光 适 应 条 件 下 的 最 大 荧 光 (F m ), 然 后 关 闭 活 化 光, 打 开 远 红 光 测 量 光 适 应 下 的 F o PSI 最 大 光 化 学 量 子 效 率 (F v /F m ) PSI 实 际 光 化 学 效 率 (ΦPSI) 天 线 色 素 转 换 效 率 (F v /F m ) 和 PSI 的 电 子 传 递 速 率 (ETR) 均 由 仪 器 计 算 给 出 光 化 学 淬 灭 系 数 (qp) 和 非 光 化 学 淬 灭 系 数 (NPQ) 按 照 Maxwel [22] 的 公 式 计 算 : qp =(F m -F s )/(F m -F o ) NPQ =(F m -F m )/F m 1.3.3 油 菜 形 态 指 标 及 叶 片 钾 含 量 和 叶 绿 素 含 量 的 测 定 每 个 小 区 另 外 选 择 长 势 一 致 的 植 株 6 株, 从 子 叶 节 处 剪 取 地 上 部, 经 105 杀 青 30min 后 65 烘 干, 称 重 获 得 单 株 干 重 选 择 气 体 交 换 和 荧 光 参 数 测 定 后 小 区 油 菜 叶 片 各 3 片 ( 每 个 处 理 9 片 ), 利 用 LI-3000C 便 携 式 叶 面 积 仪 计 算 每 个 叶 片 的 叶 面 积, 烘 干 后 称 重 得 到 单 个 叶 片 重 量, 烘 干 样 品 经 磨 细 过 筛 后 利 用 1mol L -1 的 盐 酸 浸 提, 火 焰 光 度 计 测 定 钾 含 量 [18] ; 在 每 个 小 区 再 选 取 3 片 第 四 片 完 全 展 开 叶, 直 接 用 鲜 样 测 定 叶 片 叶 绿 素 含 处 理 Treatment 量 [23], 含 量 基 于 鲜 样 质 量 以 mg g -2 表 示 1.3.4 叶 绿 体 超 微 结 构 的 观 察 取 各 处 理 第 四 片 完 全 展 开 叶 3 片, 立 刻 在 田 间 取 叶 尖 到 叶 基 的 中 间 部 位 切 成 1mm 2mm 大 小 的 样 块 15~25 块 ( 避 开 叶 脉 ), 放 入 ph7.2 的 磷 酸 缓 冲 液 配 置 成 的 5% 戊 二 醛 溶 液 的 固 定 液 中, 材 料 后 续 处 理 和 电 镜 观 察 在 华 中 农 业 大 学 电 镜 平 台 完 成, 具 体 步 骤 参 考 Liano poulou 的 方 法 [24], 将 取 回 的 样 品 在 0~4 下 固 定 24h, 用 磷 酸 缓 冲 液 洗 3 次, 经 各 级 酒 精 脱 水, 丙 酮 过 渡, 最 后 用 环 氧 树 脂 Epom812 包 埋 包 埋 后 的 材 料 用 LKB 型 超 薄 切 片 机 切 片, 经 醋 酸 双 氧 铀 和 柠 檬 酸 铅 染 色 后, 于 JEM-1010 型 电 镜 下 观 察 拍 照, 然 后 用 Photoshop 测 量 叶 绿 体 到 细 胞 壁 的 距 离 ( 叶 绿 体 两 端, 中 部 及 其 左 右 各 1/2 处 到 细 胞 壁 距 离 的 平 均 值 ) 以 及 叶 绿 体 的 长 度 ( 纵 向 最 远 端 两 点 之 间 距 离 ) 和 厚 度 ( 叶 绿 体 横 向 中 部 及 其 左 右 各 1/4 处 三 个 厚 度 的 平 均 值 ), 每 个 处 理 随 机 选 择 叶 绿 体 数 目 不 少 于 25 个 1.4 数 据 分 析 方 法 采 用 MicrosoftExcel2013 软 件 计 算 和 处 理 数 据, 用 SPSS18.0 进 行 统 计 分 析,t 法 检 验 钾 胁 迫 处 理 和 正 常 供 钾 处 理 两 者 之 间 的 差 异 显 著 性 (P<0.05) 2 结 果 与 分 析 2.1 缺 钾 对 油 菜 生 长 的 影 响 缺 钾 胁 迫 抑 制 了 油 菜 的 生 长 与 正 常 供 钾 处 理 相 比, 钾 胁 迫 处 理 单 株 干 重 叶 片 干 重 和 叶 面 积 均 明 显 降 低, 分 别 下 降 了 19.8% 27.0% 和 6.2% ( 表 1), 单 纯 依 靠 土 壤 的 钾 素 供 应 无 法 满 足 油 菜 的 正 常 生 长 缺 钾 胁 迫 油 菜 叶 片 生 长 受 到 抑 制 的 同 时, 其 钾 含 量 和 叶 绿 素 含 量 均 明 显 降 低, 只 有 正 常 供 钾 处 理 的 71.7% 和 76.6% 在 此 情 况 下, 越 冬 期 油 菜 叶 片 光 合 速 率 明 显 受 到 抑 制, 缺 钾 胁 迫 处 理 油 菜 叶 片 光 合 速 率 为 11.1μmolCO 2 m -2 s -1, 仅 为 正 常 供 钾 处 理 的 54.7% 表 1 缺 钾 胁 迫 对 越 冬 期 油 菜 形 态 生 理 特 征 的 影 响 Table1 Efectsofpotasium deficiencyonleafmorphologicalandphysiological characteristicsofwinteroilseedrapeduringover-winteringperiod 叶 片 面 积 Leafarea /cm 2 叶 片 干 重 Leafdryweight /g 单 株 干 重 Shootdryweight /g 叶 绿 素 Chl /(mg g -1 ) 叶 片 钾 含 量 LeafKconcentration /% 净 光 合 速 率 P n /(μmolco 2 m -2 s -1 ) -K 287±4b 1.16±0.054b 7.31±0.26b 1.51±0.081b 1.67±0.11b 11.1±1.4b +K 306±3a 1.59±0.089a 9.11±0.18a 1.97±0.060a 2.33±0.042a 20.3±1.1a 注 : 表 中 数 据 为 平 均 值 及 标 准 误, 不 同 字 母 表 示 处 理 间 差 异 达 5% 显 著 水 平, 下 同 Note:Valuesfolowedbydiferentletersinacolumnaresignificantamongtreatmentsat5% level,valuesaremeans±se.sameasbelow
潘 勇 辉 等 : 缺 钾 对 越 冬 期 油 菜 光 合 特 性 和 叶 绿 体 超 微 结 构 的 影 响 691 2.2 缺 钾 对 油 菜 叶 片 光 合 特 性 的 影 响 2.2.1 气 体 交 换 参 数 从 油 菜 叶 片 的 气 体 交 换 参 数 可 以 发 现, 缺 钾 胁 迫 下 油 菜 叶 片 g s 下 降 了 25.5% ( 表 2), 说 明 气 孔 传 导 CO 2 的 能 力 下 降, 但 叶 片 C i 并 没 有 因 为 气 孔 导 度 的 降 低 而 下 降, 相 反 与 正 常 供 钾 处 理 相 比 胞 间 CO 2 浓 度 增 加 了 66μmolCO 2 mol -1, 进 一 步 计 算 得 到 的 气 孔 限 制 值 (L s ) 减 小 了 45.7%, 由 此 可 见 气 孔 因 素 并 非 缺 钾 胁 迫 导 致 油 菜 叶 片 光 合 速 率 下 降 的 主 要 原 因 表 2 缺 钾 胁 迫 对 油 菜 越 冬 期 叶 片 气 体 交 换 参 数 的 影 响 Table2 Efectsofpotasium deficiencyonleafgasexchangeparametersofwinteroilseedrapeduringover-winteringperiod 处 理 Treatment 气 孔 导 度 g s /(molh 2 O m -2 s -1 ) 胞 间 CO 2 浓 度 C i /(μmolco 2 mol -1 ) 气 孔 限 制 值 L s /% -K 0.181±0.011b 326±5a 0.19±0.012b +K 0.243±0.011a 260±4b 0.35±0.010a 2.2.2 油 菜 叶 片 荧 光 参 数 的 影 响 叶 绿 素 荧 光 是 衡 量 光 系 统 I 运 转 效 率 的 有 效 探 针 [25] 从 油 菜 越 冬 期 叶 片 叶 绿 素 荧 光 参 数 可 以 看 出 ( 表 3), 缺 钾 胁 迫 下 潜 在 的 光 化 学 效 率 Fv/Fm 实 际 光 化 学 效 率 ΦPSI 均 明 显 降 低, 分 别 下 降 了 10.2% 和 45.2%, 说 明 此 时 油 菜 叶 片 的 光 系 统 已 受 损 缺 钾 胁 迫 条 件 下 光 化 学 猝 灭 系 数 qp 只 有 正 常 供 钾 条 件 下 的 71.0%, 大 量 质 体 醌 Q A 处 于 还 原 态, 无 法 传 递 电 子,PSI 通 过 加 大 反 应 中 心 关 闭 的 比 例 以 减 少 同 化 力 的 生 成, 这 也 进 一 步 导 致 光 合 电 子 传 递 速 率 ETR 降 低, 使 得 植 株 无 法 充 分 利 用 光 能, 产 生 光 能 过 剩, 植 株 叶 片 通 过 热 耗 散 等 能 量 耗 散 途 径 消 耗 过 剩 的 光 能, 因 而 非 光 化 学 猝 灭 系 数 (NPQ) 上 升 了 30.1% 表 3 缺 钾 胁 迫 对 油 菜 越 冬 期 叶 片 荧 光 参 数 的 影 响 Table3 Efectsofpotasium deficiencyonleafchlorophylfluorescenceofwinteroilseedrapeduringover-winteringperiod 处 理 Treatment F v /F m ΦPSI qp NPQ ETR -K 0.696±0.026b 0.188±0.020b 0.445±0.050b 1.803±0.093a 98.4±10.5b +K 0.775±0.0089a 0.343±0.019a 0.627±0.033a 1.386±0.071b 180.0±9.7a 2.3 缺 钾 对 油 菜 叶 片 叶 绿 体 超 微 结 构 的 影 响 钾 在 改 善 叶 绿 体 结 构 方 面 发 挥 着 重 要 的 作 用, 不 同 钾 营 养 条 件 下 叶 绿 体 超 微 结 构 存 在 明 显 差 异 正 常 供 钾 条 件 下 叶 绿 体 发 育 良 好, 结 构 完 整, 呈 梭 形, 片 层 结 构 清 晰, 片 层 数 目 较 多, 紧 贴 细 胞 壁 ( 图 1B), 而 在 缺 钾 条 件 下, 叶 绿 体 受 损 严 重, 内 部 结 构 解 体, 近 乎 圆 形, 片 层 结 构 模 糊, 嗜 锇 体 数 目 增 加, 并 且 有 较 多 的 淀 粉 粒 累 积 ( 图 1A) 通 过 对 叶 绿 体 结 构 的 分 析 发 现, 缺 钾 胁 迫 下, 叶 绿 体 到 细 胞 壁 的 距 离 由 原 来 的 0.41μm 变 为 0.64μm, 增 加 了 56.1%( 图 2A), 叶 绿 体 的 长 度 由 原 来 的 6.90μm 变 为 5.86μm, 降 低 了 15.1% ( 图 2B), 叶 绿 体 厚 度 也 由 原 来 的 2.42μm 提 高 到 2.97μm, 增 加 了 22.7%( 图 2C) 注 :A: 缺 钾 叶 绿 体 ;B: 正 常 供 钾 叶 绿 体 Tl: 类 囊 体 片 层 ;Pg: 嗜 锇 体 ;Sg: 淀 粉 粒 ;Cw: 细 胞 壁 Note:A:Chloroplastultrastructureunderpotasiumdeficiency;B:Chloroplastultrastructureundersuficientpotasiumsupply; Tl:Thylakoidlamela;Pg:Plastoglobulus;Sg:Starchgrain;Cw:Celwal 图 1 缺 钾 对 越 冬 期 油 菜 叶 片 叶 绿 体 超 微 结 构 的 影 响 Fig.1 Efectsofpotasium deficiencyonchloroplastultrastructureofwinteroilseedrapeduringover-winteringperiod
692 中 国 油 料 作 物 学 报 2015,37(5) 图 2 缺 钾 对 越 冬 期 油 菜 叶 绿 体 到 细 胞 壁 距 离 (A) 以 及 叶 绿 体 长 度 (B) 和 叶 绿 体 厚 度 (C) 的 影 响 Fig.2 Efectsofpotasium deficiencyondistancefrom chloroplasttocelwal(a),chloroplast length(b)andchloroplastthicknes(c)ofwinteroilseedrapeinover-winteringperiod 3 讨 论 在 本 试 验 中 缺 钾 明 显 抑 制 了 油 菜 越 冬 期 叶 片 的 光 合 速 率, 进 而 影 响 作 物 的 正 常 生 长, 缺 钾 处 理 油 菜 的 单 株 干 重 叶 片 干 重 和 叶 面 积 均 明 显 降 低 与 正 常 供 钾 处 理 相 比, 缺 钾 胁 迫 下 油 菜 叶 片 的 g s 明 显 降 低, 但 其 胞 间 CO 2 浓 度 明 显 增 加, 显 然 油 菜 叶 片 内 CO 2 传 递 和 利 用 可 能 出 现 问 题, 进 入 叶 片 细 胞 内 CO 2 并 没 有 得 到 有 效 的 利 用, 从 而 导 致 胞 间 CO 2 浓 [26] 度 的 增 加 孙 骏 威 在 水 稻 研 究 中 也 发 现 同 样 的 问 题, 尽 管 气 孔 导 度 明 显 降 低, 但 胞 间 CO 2 浓 度 却 [21] 明 显 增 加 根 据 许 大 全 的 研 究, 我 们 认 为 叶 肉 导 度 或 者 光 合 碳 同 化 能 力 等 非 气 孔 因 素 限 制 了 缺 钾 油 菜 叶 片 的 光 合 速 率 进 一 步 叶 绿 素 荧 光 的 测 定 结 果 恰 好 佐 证 了 这 一 看 法, 可 能 由 于 越 冬 期 低 温 影 响 了 正 常 供 钾 条 件 下 油 菜 叶 片 潜 在 光 化 学 效 率 (F v /F m ), 它 的 值 略 低 于 正 常 情 况 [27], 而 缺 钾 胁 迫 进 一 步 加 剧 了 油 菜 叶 片 潜 在 光 化 学 效 率 的 降 低, 它 的 F v /F m 值 明 显 低 于 正 常 供 钾 处 理, 表 明 缺 钾 胁 迫 下 油 菜 光 系 统 受 损, 叶 片 光 能 转 换 效 率 降 低 此 外, 缺 钾 胁 迫 下 油 菜 叶 片 的 电 [28] 子 传 递 效 率 ETR 降 低, 产 生 光 能 过 剩, 李 兴 涛 等 在 大 豆 上 的 研 究 发 现, 缺 钾 条 件 下 植 物 为 了 避 免 产 生 光 抑 制, 热 耗 散 NPQ 增 加, 本 试 验 同 样 发 现 了 这 一 现 象 在 本 研 究 中 同 时 也 发 现 缺 钾 条 件 下 油 菜 叶 [29] 绿 体 结 构 受 损,Zhao 等 在 棉 花 研 究 中 也 发 现 缺 钾 导 致 棉 花 叶 片 叶 绿 体 结 构 受 损 在 本 研 究 中, 与 正 常 供 钾 处 理 的 梭 形 叶 绿 体 相 比, 钾 胁 迫 条 件 下 叶 绿 体 变 成 圆 球 体, 叶 绿 体 的 厚 度 显 著 增 加, 叶 绿 体 到 细 胞 壁 的 距 离 增 加, 这 可 能 增 大 了 CO 2 由 叶 绿 体 面 向 细 胞 间 隙 的 一 端 传 输 到 背 离 细 胞 间 隙 一 端 的 距 离 [30], 导 致 叶 肉 阻 力 增 加, 影 响 CO 2 在 细 胞 内 传 递 [31] 和 利 用, 进 而 影 响 光 合 速 率 在 水 稻 和 拟 南 [32] 芥 研 究 中 都 发 现 叶 绿 体 变 小 或 数 目 减 少 会 降 低 叶 肉 导 度 最 终 抑 制 光 合 速 率 此 外, 缺 钾 条 件 下 油 菜 叶 片 叶 绿 体 体 内 淀 粉 粒 的 积 累 必 然 会 增 加 CO 2 的 传 导 距 离 [33], 从 而 导 致 叶 片 光 合 速 率 的 降 低 由 此 可 见, 缺 钾 导 致 的 叶 绿 体 结 构 变 化, 光 系 统 受 损 等 非 气 孔 因 素 是 限 制 光 合 速 率 的 主 要 原 因 尽 管 本 研 究 结 果 表 明 非 气 孔 限 制 是 导 致 油 菜 叶 片 光 合 速 率 降 低 的 主 要 因 素, 但 是 作 物 利 用 CO 2 进 行 光 合 作 用 是 一 个 连 续 的 过 程, 气 孔 和 非 气 孔 因 素 [29] 并 非 两 个 绝 对 孤 立 的 过 程 Zhao 等 的 研 究 发 现 在 轻 度 缺 钾 条 件 下 首 先 由 气 孔 限 制 导 致 光 合 速 率 下 降, 随 着 缺 钾 程 度 的 加 深, 非 气 孔 限 制 占 据 主 导 地 位, 可 见 气 孔 限 制 和 非 气 孔 限 制 是 相 互 联 系 的, 但 是 对 于 气 孔 限 制 是 如 何 向 非 气 孔 限 制 转 变 的 过 程 和 机 制 目 前 尚 不 明 确, 因 此 深 入 研 究 缺 钾 胁 迫 下 作 物 气 孔 和 非 气 孔 限 制 的 转 化 对 于 进 一 步 理 解 钾 素 对 作 物 光 合 作 用 的 影 响 具 有 重 要 的 意 义 参 考 文 献 : [1] R mheldv,kirkbyea.researchonpotasiuminagri culture:needsandprospects[j].plantandsoil,2010, 335:155-180. [2] 邹 娟, 鲁 剑 巍, 陈 防, 等. 我 国 冬 油 菜 区 土 壤 肥 力 变 化 及 施 肥 效 果 演 变 [J]. 中 国 油 料 作 物 学 报,2011, 33(3):275-279. [3] 鲁 剑 巍, 陈 防, 张 竹 青, 等. 磷 钾 肥 配 合 施 用 对 油 菜 产 量 及 养 分 积 累 的 影 响 [J]. 中 国 油 料 作 物 学 报, 2003,25(2):52-55. [4] 高 祥 照, 马 文 奇, 崔 勇, 等. 我 国 耕 地 土 壤 养 分 变 化 与 肥 料 投 入 状 况 [J]. 植 物 营 养 与 肥 料 学 报,2000,6 (4):363-369. [5] 张 学 昆, 张 春 雷, 廖 星, 等.2008 年 长 江 流 域 油 菜 低 温 冻 害 调 查 分 析 [J]. 中 国 油 料 作 物 学 报,2008,30 (1):122-126. [6] 刘 后 利. 实 用 油 菜 栽 培 学 [M]. 上 海 : 上 海 科 学 技 术 出 版 社,1987.373-375. [7] PetigrewW T.Potasiuminfluencesonyieldandquality productionformaize,wheat,soybeanandcoton[j]. PhysiologiaPlantarum,2008,133(4):670-681.
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