高温胁迫对中棉所63及其亲本叶绿素荧光参数的影响

李传宗，刘丽媛，韩迎春

（棉花生物学国家重点实验室/中国农业科学院棉花研究所，河南安阳455000）

随着工业化进程的加剧，大量温室气体排到大气中，全球温度正逐年上升[1]。据报道，最高气温达到35℃以后，每升高1℃，就会造成棉花减产110 kg·hm－2[2]。在我国长江流域棉区，7－8月的高温会引起棉花产量和品质的下降[3]。例如，2013年7－8月的极端高温达到38～40℃，热害加上干旱导致蕾铃脱落多，成铃少，衣分极低，短绒率增加，品质极差[4]。高温热害已成为影响长江流域棉区高产、稳产的主要影响因素之一[5]。

高温胁迫对光合作用的影响一般是对气孔导度的限制和CO2羧化的限制[6]，尤其是对Rubisco活化酶的抑制作用[7]。另外，PSⅡ对高温敏感[8]，高温胁迫抑制PSⅡ的电子传递，导致光化学效率低下[9]。叶绿素荧光作为1种测量PSⅡ功能的技术被广泛用于研究逆境条件对植物光合作用的影响[10]。本文通过对中棉所63及父、母本在高温条件下叶绿素荧光参数变化的分析，为中棉所63在长江流域棉区的推广提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料及处理

试验于2016年在中国农业科学院棉花研究所东场高温生长箱进行。供试材料中棉所63、中棉所63母本（9053）和中棉所 63父本（sGK9078）由中国农业科学院棉花研究所育种室提供。供试材料于4月25日播种，5月15日定苗。中棉所63及父、母本各选择长势均匀、发育正常的盆栽20盆，每盆3株。7月5日，中棉所63及其父、母本进入花期，连盆移至高温生长箱中进行处理（10：00—16：00，42 ℃；16：00—次日 10：00，28 ℃），处理 7 d，然后再连盆移入28℃的正常生长环境下让其生长。高温处理期间，每个品种施用等量的水、肥，尽量控制其他因素对试验的影响。

1.2　叶绿素荧光动力学参数的测定

在高温处理期间，每天15：30进入高温生长箱，分别选取中棉所63及父、母本3株生长发育正常的棉株，然后从选取的棉株上挑选完全伸展的健康倒4功能叶片，用暗适应夹在靠近主叶脉的叶片上，暗适应30 min。用PAM-2500（德国WALZ公司）测定倒4功能叶的叶绿素荧光动力学参数。参照 Genty等[11]的方法测量初始荧光（F0）、最大荧光（Fm），参照 Rohacek[12]公式得到最大可变荧光Fv=Fm－F0，并且由此得到光化学效率（Fv/Fm）。 测得光下叶片的实际光能转化效率（Yield）、光化学猝灭系数（qP）、非光化学猝灭系数（NPQ）、光合电子传递速率（ETR）。测定结果均为每个品种3次测量值的均值。

2　结果与分析

2.1　高温胁迫对中棉所63及其亲本Fv/Fm和Yield的影响

Fv/Fm是指PSⅡ最大光能转化率。如图1A，在受到高温胁迫后，中棉所63及其父、母本的Fv/Fm值均有所降低。其中，在高温胁迫的第4天，中棉所63及其父、母本的Fv/Fm值达到最小。中棉所63的Fv/Fm值，第4天较第1天下降了1.3%，中棉所63母本下降了2.5%，中棉所父本下降了1.4%。高温胁迫结束后，中棉所63杂交种、中棉所63母本、中棉所63父本Fv/Fm均有所恢复。在整个高温胁迫期间，中棉所63的Fv/Fm均显著高于其父、母本，且最低值在0.80以上，中棉所63母本的Fv/Fm高于其父本。这一结果表明，在高温胁迫下，棉花的PSⅡ最大光能转化率有所降低，光合传递过程受到一定的影响。中棉所63的PSⅡ系统的耐高温能力高于其父、母本。

Yield是指光下PSⅡ反应中心部分关闭的条件下的实际光能转化效率。中棉所63及其父、母本在遇到高温胁迫以后都呈现先下降再缓慢上升的趋势（图1B）。在高温胁迫的第4天，Yield达到最低值，相比高温胁迫的第1天，中棉所63、母本、父本分别降低了6.7%、17.5%、18.5%。整个高温胁迫期间，中棉所63的Yield在0.60～0.65，中棉所63母本的Yield在 0.48～0.57，中棉所 63父本的Yield在0.44～0.54。中棉所63的Yield均高于其父、母本。

图1　高温胁迫对中棉所63及其亲本Fv/Fm和Yield的影响

2.2　高温胁迫对中棉所63及其亲本qP和NPQ的影响

光化学猝灭系数qP值反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学反应的比率，qP值体现PSⅡ电子传递和QA的还原状态。中棉所63的qP值高于其父、母本的qP值，且稳定在0.82～0.85（图2A）。整个高温胁迫期间，中棉所63的qP值呈“W”型的变化趋势。中棉所63母本qP值高于中棉所63父本的qP值，且中棉所63母本变化趋势与中棉所63的变化趋势一致。中棉所63父本的qP值呈逐渐减小后逐渐平稳的变化趋势。

非光化学猝灭系数NPQ反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能中不能用于光化学反应，而以热能形式散失掉的部分[13]。非光化学猝灭是植物遇到胁迫条件，自身的一种自我保护机制[14]。如图2B，在遇到高温胁迫后，中棉所63及其父、母本的NPQ值均呈现先降低再升高再下降的一个趋势。整个高温胁迫期间，NPQ值在第4天降到最低，中棉所63、母本、父本分别下降了19.6%、43.4%、36.9%。在高温胁迫的第5天，中棉所63及其父、母本的NPQ值均出现了较明显的上升趋势。整个胁迫期间，中棉所63的NPQ值均高于其父、母本，中棉所63母本的NPQ值高于中棉所63父本。

图2　高温胁迫对中棉所63F1及其亲本qP和NPQ的影响

2.3　高温胁迫对中棉所63及其亲本ETR的影响

光合电子传递速率ETR代表在无光抑制时叶片光合作用的最大潜在能力[15]。中棉所63的光合电子传递速率在整个高温胁迫期间均高于其亲本（图3）。整个高温胁迫期间，中棉所63及父、母本的ETR变化趋势基本一致，在第5天达到最低值，与高温胁迫的第1天相比中棉所63、母本、父本分别降低了7.4%、20.5%、11.2%。中棉所63母本的ETR高于中棉所63父本的ETR。

3　结论与讨论

极度的高温对植物的生长是不利[16]。高温胁迫过程中，植物体内的结构会因外界的高温胁迫发生很多的生理生化变化[17]，以提高自身对胁迫环境的适应性[18]。高温胁迫对于植物的光合系统具有多方面的影响，不仅破坏了内部的光合机构，还影响了光和磷酸化、光合电子传递等过程[19-20]。

本研究表明，在高温胁迫下中棉所63及父、母本Fv/Fm和Yield值均呈现先下降后逐渐恢复的趋势。但是，在这个过程中，中棉所63的Fv/Fm和Yield值与父母本的Fv/Fm和Yield值存在显著性差异。这说明，在同一高温胁迫条件下，中棉所63父、母本的叶片光能过剩，出现了光破坏或光抑制的现象。中棉所63在高温胁迫条件下仍保持了较高的光化学活性。高温胁迫条件下，中棉所63的qP值均高于父、母本，表明中棉所63的PSⅡ电子传递和QA的还原状态受高温影响低于父、母本。在高温胁迫条件下，中棉所63的NPQ值高于其亲本，且在高温胁迫过程中，中棉所63的NPQ波动较小。这个过程表明，中棉所63的自我保护机制强于其亲本，光合能力优于亲本。在高温胁迫条件下，中棉所63的光合电子传递速率较为平稳，且在高温胁迫后期逐渐恢复到高温第1天的水平。中棉所63表现出了高于父、母本的耐高温能力。

图3　高温胁迫对中棉所63F1及其亲本ETR的影响

综上所述，中棉所63较其亲本有较好的耐热性。在高温胁迫条件下，中棉所63的叶绿素荧光参数 Fv/Fm、Yield、qP、NPQ、ETR 等均高于亲本。 以上研究结果可以为中棉所63在长江流域棉区的推广提供理论依据。

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