不同水分条件下硫肥对玉米幼苗叶片光合特性的影响

孙旭东+张慧+薛艳芳

摘要：为探究不同水分条件下硫素对玉米苗期叶片光合特性的影响，以玉米品种农大108为供试材料，硫处理用4个硫浓度梯度的Hoagland营养液进行培养；水分处理用正常供水和30%PEG-6000模拟干旱胁迫，3叶期进行硫素和水分处理，测定苗期玉米叶片叶绿素含量、光合速率和叶绿素荧光动态变化。结果表明：施硫可以显著提高玉米叶绿素含量，通过非气孔因素显著提高叶片净光合速率，改善光系统Ⅱ反应中心活性；干旱可以明显减少叶绿素含量，降低光合能力，对PSⅡ反应中心造成损伤，但随着硫浓度提高可有效缓解干旱对玉米苗期叶片损伤，4 mmol/L硫浓度处理缓解效果最好。

关键词：硫；玉米幼苗；光合特性；干旱胁迫

中图分类号：S513.01 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）11-0029-05

Abstract In order to explore the influences of sulfur levels on photosynthetic characteristics of maize seedling leaves under different water conditions， four sulfur treatments with different sulfur concentrations in Hoagland nutrient solution and water treatments with control and 30% PEG-6000 simulated drought were designed using Nongda 108 as tested maize variety. The sulfur and water treatments were conducted from the third leaf stage of corn， and then we measured the chlorophyll content， net photosynthetic rate and chlorophyll fluorescence dynamic change within 8 days. The results showed that sulfur fertilizer could significantly increase the chlorophyll content， remarkably increase the net photosynthetic rate by non-stomatal factors， and improve the activity of photosystem Ⅱ reaction center. Drought could significantly reduce the chlorophyll content， decrease the photosynthetic capacity， and cause damage to PSⅡ reaction center. However， the increase of sulfur concentration could effectively alleviate the damage caused by drought to maize seedling leaves， and 4 mmol/L sulfur had the best effects.

Keywords Sulfur；Maize seedling；Photosynthetic capacity；Drought stress

水、肥是农业生产中保证作物生长发育的主要因素。硫素属于植物必需的中量元素之一，已经被公认为是植物所必需的第四位营养元素。硫素主要参与氨基酸（如胱氨酸、半胱氨酸、丝氨酸等）及蛋白质的组成，参与维生素与酶的合成，影响作物光合与呼吸作用，合成次级代谢产物调控作物生长发育[1]。前人研究[2]表明硫对光合的影响通过硫脂形式组成叶绿体基粒片层，稳定叶绿体内部结构。低硫胁迫使叶片叶绿体结构肿胀，基粒片层松弛散乱，细胞器减少；高硫使叶片叶绿体基粒片层致密、浓缩无规则化。硫参与硫氧还蛋白半胱氨酸-SH在光合作用中电子传递的过程，在硫胁迫下铁硫蛋白（FeS）的合成受到抑制，光合电子传递速率变慢，影响光合磷酸化反应和ATP合成[3]。在暗反应中硫参与形成的铁硫中心参与CO2的还原过程，作为铁氧还蛋白的重要组分在光合作用及氧化物如硝酸银的还原中起电子转移作用[4]。而水分是作物主要构成成分，其生理作用是支撑作物生命活动，干旱等缺水条件对植株叶片损伤主要体现在提高叶片细胞电解质渗透率、减少细胞渗透调节能力[5]、膜酯过氧化、不饱和脂肪下降、膜酯过氧化物增加[6]、光合电子传递受抑、叶绿素合成减少、活性氧在植物体内积累[7]等，严重影响作物产量和品质。

目前就水分因素和硫肥单因素对玉米生长特性和籽粒产量品质影响的研究较多，但水分和硫肥的互作效应对玉米叶片光合特性影响的研究报道较少。因此本研究通过苗期水培试验，探讨不同水分条件下施硫对玉米苗期叶片光合特性的影响，为探究硫素对玉米叶片光合和逆境下的生理作用提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014-2015年在山东省农业科学院小麦玉米国家重点实验室进行。供试材料为玉米品种农大108。采用温室水培方式。硫浓度设置4个梯度水平：（1）0、（2）2 mmol/L、（3）4 mmol/L、（4）8 mmol/L；水分处理设置2个水平：正常供水（C）和30%PEG-6000干旱胁迫（T），总共8个处理。培养初期玉米种子用5%NaClO表面消毒10 min，洗净、吸胀24 h，均匀摆在培养皿中，放于30℃恒温箱中萌发后，用1/2完全Hoagland营养液进行培养，每3 d更换一次营养液并通气。待幼苗长至3叶期时，选出长势均衡健壮的幼苗开始进行硫素和干旱处理，处理后每2 d测定第3叶相关指标，共计测定4次。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 叶片光合参数测定 采用美国LI-COR 公司生产的Li-6400便携式光合测定系统，人工光源设定为1 500 μmol/（m2·s），CO2浓度为大气CO2浓度，叶室温度为25℃，在9∶00-12∶00测定玉米幼苗第三叶净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。每处理重复测定3次。

1.2.2 叶片叶绿素荧光参数测定 采用PAM-2100荧光仪（WALZ，Germany） 测定叶绿素荧光相关参数。在9∶00-11∶00进行，先暗适应30 min，测定暗适应下的初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）；之后给予叶片饱和光照射，测定光适应下的最大荧光（Fm′）、最小荧光（Fo′）、稳态荧光（Fs）等荧光参数。参照Demming-Adams 等[8]方法，PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm，实际量子产量φPSⅡ=（Fm-Fs）/Fm′；光化学猝灭系数qP=（Fm′-Fs）/（Fm′-Fo′）；非光化学猝灭系数NPQ。每处理重复测定5 次。

1.2.3 叶绿素SPAD含量测定 叶绿素测定用日本产Mini叶绿素计进行测定，以SPAD值表示叶绿素含量。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理和作图，采用DPS 10.0统计软件进行方差分析和LSD法多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水分条件下硫对叶片叶绿素含量影响

由表1看出，不同水分条件下随着处理时间延长玉米苗期叶绿素含量呈逐渐降低趋势，随硫浓度的增加叶绿素含量则逐渐增加。前6 d干旱条件下T-1的SPAD显著低于其它处理；处理4～8 d，T-3和T-4的SPAD值差异不显著。处理8 d后T-2、T-3和T-4较T-1的SPAD分别提高12.70%、37.73%和47.93%。T-1、T-2、T-3和T-4处理8 d后SPAD降幅分别为23.16%、20.73%、9.16%和14.81%，平均降幅达到17.0%。正常供水条件下硫素处理6 d后C-1处理的 SPAD值显著低于其它处理，处理8 d后C-2、C-3和C-4较C-1的SPAD分别提高16.97%、24.75%和26.99%，但三者之间没有显著差异。与处理2 d比较，C-1、C-2、C-3和C-4处理8 d的SPAD降幅分别为19.97%、9.40%、5.28%、7.39%，平均降幅为10.51%。

2.2 不同水分条件下硫对叶片光合参数的影响

从图1看出，玉米叶片净光合速率受硫浓度和水分影响显著，不同水分条件下随硫浓度的增加玉米叶片Pn呈先增加后降低趋势。干旱条件下处理6 d的净光合速率大小依次为T-1

由图2可以看出，干旱条件下，胞间CO2浓度在处理2 d时T-1显著低于其他处理，6 d后T-1显著高于其他处理，8 d后T-2、T-3和T-4较T-1处理的Ci降低26.34%、44.56%、34.46%。正常供水条件下，各处理Ci变化趋势与干旱各处理相近，6 d后各处理间差异显著，8 d后C-4的Ci最高，较C-1提高15.71%，C-3、C-2较C-1的Ci降低 38.39%、22.96%。

由图3看出，干旱条件下，随硫浓度的提高各处理气孔导度呈先升后降变化趋势，至硫浓度为4 mmol/L时气孔导度达最高值；随着处理时间延长气孔导度逐渐下降，8 d后T-1、 T-2、T-3和T-4的气孔导度下降幅度分别达81.01%、76.34%、67.50%、71.28%；T-2、T-3和T-4较T-1分别提高43.89%、158.49%和81.74%。正常供水条件下6 d后各处理气孔导度均增大，8 d后快速下降，C-2、C-3和C-4较C-1气孔导度增大35.45%、41.59%和15.63%。干旱条件下气孔导度下降速度明显快于正常水分处理。

由图4看出，玉米叶片蒸腾速率受硫浓度和水分影响显著，干旱条件下处理6 d蒸腾速率明显下降，而正常供水处理蒸腾速率在8 d内变化不大。干旱条件下，随硫浓度增加各处理蒸腾速率呈先增加后下降趋势，至硫浓度为4 mmol/L时达最高值；处理8 d后T-2、T-3和T-4较T-1的蒸腾速率提高45.99%、156.68%和69.36%。正常供水条件下，处理8 d后C-2、C-3和C-4较C-1蒸腾速率提高48.26%、64.28%和32.11%。干旱条件下处理8 d蒸腾速率平均降幅达到58.26%，而正常供水处理Tr降幅只有5.85%。

2.3 干旱胁迫下硫对叶片叶绿素荧光参数的影响

图5显示，干旱条件下不同浓度硫对Fv/Fm影响差异显著。施硫量在0～4 mmol/L之间Fv/Fm逐渐提高，超过后Fv/Fm有明显降低，处理8 d后T-2、T-3和T-4较T-1的Fv/Fm提高8.79%、18.04%和16.83%。正常供水条件下随处理时间的延长Fv/Fm各硫处理差异不大，处理8 d后C-2、C-3和C-4较C-1的Fv/Fm提高2.86%、3.93%和1.53%。

相对电子传递速率（ETR）受硫浓度和水分影响如图6所示。干旱条件下ETR逐渐降低，而正常供水处理ETR逐渐升高。施硫量在0～4 mmol/L之间ETR逐渐提高，超过此范围ETR明显降低。干旱处理8 d后T-2、T-3和T-4较T-1的ETR提高了38%、82.63%和70.82%，T-3和T-4在8 d内差异不明显。正常供水条件下C-2、C-3和C-4较C-1的ETR提高3.68%、11.70%和5.41%。

图7显示实际量子产量（ΦPSⅡ）受水分和硫浓度影响明显，干旱胁迫下显著降低叶片ΦPSⅡ，随着处理时间延长ΦPSⅡ逐渐降低。施硫量在0～4 mmol/L范围内ΦPSⅡ逐渐提高，超过范围ΦPSⅡ明显降低。处理8 d后T-2、T-3和T-4较T-1的ΦPSⅡ提高38.01%、82.63%和74.06%。正常供水条件下ΦPSⅡ随着处理时间延长逐渐增大，8 d后C-2、C-3和C-4较C-1的ΦPSⅡ提高3.73%、11.76%和5.46%。

不同水分不同硫浓度对光化学猝灭系数qP的影响如图8所示，随着处理时间增长，干旱条件下各处理qP呈降低趋势，而正常供水条件下qP变化不大。施硫量在0～4 mmol/L之间qP逐渐提高，超过范围qP明显降低。处理8 d后T-2、T-3和T-4较T-1的qP提高38.17%、80.06%、54.05%，C-2、C-3和C-4较C-1的qP提高7.06%、14.19%、7.69%。

不同水分不同硫浓度处理对非光化学猝灭系数NPQ的影响如图9所示。干旱条件下各处理NPQ呈升高趋势，而正常供水处理NPQ变化不大。干旱胁迫下施硫量在0～4 mmol/L之间随着硫浓度的提高NPQ显著降低，超过范围NPQ明显升高，处理8 d后T-2、T-3和T-4较T-1的NPQ降低20.79%、42.84%和30.33%。正常供水条件下处理8 d后，C-2、C-3和C-4较C-1的NPQ降低3.01%、34.15%和1.06%，其中C-3显著低于其他硫处理。

3 讨论与结论

叶绿素含量高低影响叶片光合能力，前人研究[9-12]表明硫可以提高叶绿素a、b含量，促进叶绿素合成。干旱条件可能使叶绿素合成受阻或促进叶绿素降解而降低玉米叶绿素含量[13]。本试验表明施硫会提高玉米苗期叶片SPAD，并减少干旱对叶片SPAD的影响，使玉米叶片在干旱环境下仍有较高叶绿素含量，在硫浓度为4～8 mmol/L条件下可以保持较高SPAD值。

光合速率受气孔和非气孔因素影响，干旱导致叶片气孔关闭减少CO2进入[14]。玉米苗期光合随干旱加强而下降显著，轻中度干旱主要是气孔因素影响光合作用，非气孔因素是严重干旱下主要影响因素[15]。本试验结果表明，干旱条件下施硫可明显提高叶片净光合速率，其中4 mmol/L硫处理净光合速率最高。正常供水条件下胞间CO2浓度降低、气孔导度增大，表明施硫提高叶片净光合速率主要是受到非气孔因素的影响。干旱条件下施硫，前期胞间CO2浓度的提高伴随着气孔导度的增大，表明干旱胁迫前期施硫提高净光合速率是受到气孔因素的影响，干旱4 d后胞间CO2浓度随着气孔导度的增大而减小，表明此时非气孔因素是制约净光合速率的主要因素。

叶绿素荧光动力学技术可以测定叶片对光能的吸收、传递、耗散和分配等，可以当作快速无损测定叶片光合荧光功能的探针[16]。干旱胁迫对光合系统造成了一定损伤，降低了光能利用效率[17]，对光系统Ⅱ损伤较大，光系统Ⅱ通过热耗散和减少过剩光能产生来减少对光合机构的损伤[18]。本试验条件下干旱胁迫显著降低了玉米叶片的Fv/Fm、ETR、ΦPSⅡ和qP，增大了其热耗散系数NPQ，表明干旱胁迫降低PSⅡ反应中心开放程度，减少PSⅡ最大电子转化效率，减慢电子传递速率，实际量子产量减少，过剩光能提高从而热耗散加强。施硫可有效提高玉米叶片Fv/Fm、ETR、ΦPSⅡ和qP，减少NPQ，尤其硫浓度在4 mmol/L下可以有效减少干旱对叶片PSⅡ损伤，保持PSⅡ反应中心有较高开放程度，提高PSⅡ反应中心活性，改善效果随胁迫时间增长而显著。

干旱胁迫对苗期玉米叶片光合损伤前期主要是气孔因素，后期主要通过减少PSⅡ反应中心能力等非气孔因素使光合能力下降，施硫可以提高叶片叶绿素含量，通过提高PSⅡ反应中心活性等非气孔因素来提高玉米苗期叶片光合性能，在干旱条件下施硫浓度为4 mmol/L时有较好表现。

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