谷子和玉米叶片光合荧光参数对烟嘧磺隆胁迫的响应差异

高 鹏 郭美俊 杨雪芳 董淑琦 温银元 郭平毅 原向阳

（1山西农业大学农学院，030801，山西晋中；2晋中学院，030600，山西晋中）

烟嘧磺隆（nicosulfuron）属于磺酰脲类除草剂，具有广谱、用量低、高效和强选择性等特点，在多种作物（玉米和小麦等）田中广泛应用[1-3]，但是烟嘧磺隆的推荐剂量会对谷子造成严重伤害[4]。光合作用是植物生长发育的基础[5]，研究烟嘧磺隆对谷子和玉米光合荧光参数的影响具有重要意义。

大量研究发现，喷施推荐剂量（有效成分60g/hm2）烟嘧磺隆后的7～14d，玉米幼苗受害较为严重，受害程度依次为普通玉米＜糯玉米＜甜玉米[6-8]，其中普通玉米（吉单522和郑单958等）的农艺性状和光合色素含量均与对照差异不显著[9]。然而糯玉米（沈糯509-感）在80mg/kg烟嘧磺隆处理下，植株的农艺性状、叶绿素含量、净光合速率和实际光化学效率等均显著降低，胞间二氧化碳浓度和非光化学猝灭系数等均显著升高[10]。对于谷子来说，推荐剂量的烟嘧磺隆显著降低了株高、叶面积和光合色素含量，最终导致其死亡[4]。虽然烟嘧磺隆作用靶标ALS酶的活性，但光合作用受到抑制也是植物受害或死亡的主要原因。同时作为C4植物的禾本科作物，谷子和玉米对烟嘧磺隆的敏感性差异显著。因此研究烟嘧磺隆对谷子和玉米光合荧光参数的影响，可为阐述谷子和玉米对烟嘧磺隆胁迫差异的光合生理机制提供理论依据。在谷子和玉米苗期进行烟嘧磺隆胁迫，研究其对农艺性状、叶绿素含量、光合参数和叶绿素荧光参数的影响，旨在从光合荧光等角度阐明谷子和玉米对烟嘧磺隆敏感性差异的光合生理机制。

1 材料与方法

1.1 供试材料

谷子：张杂10号（高产杂交谷）由河北省张家口市农业科学院提供，晋谷21号（优质常规谷）由山西农业大学经济作物研究所提供。玉米：农大108号（常规杂交种）由山东登海华玉种业有限公司提供；迪甜8号（甜玉米品种）由山西农业大学玉米研究所提供。张杂10号、晋谷21号和迪甜8号均对烟嘧磺隆比较敏感，农大108号对烟嘧磺隆的抗性较强。

1.2 试验药剂

4%烟嘧磺隆可分散油悬浮剂，由中国农业科学院植物保护研究所廊坊农药中试厂生产。

1.3 试验设计

采用完全随机区组设计，将谷子和玉米种于规格11.0cm×11.5cm装有基质的营养钵中[基质营养成分为硝态氮39g/m3、氨态氮28g/m3、磷（P2O5）76g/m3、钾（K2O）132g/m3、镁（MgO）14g/m3、硼（B）0.3g/m3、钼（Mo）1.1g/m3、铜（Cu）1.2g/m3、锰（Mn）2.1g/m3、锌（Zn）0.7g/m3和离子（铁）8g/m3，pH 5.5]，于光照培养箱培养，白天光照时间16h，温度25℃，湿度40%，黑暗处理时间8h，温度25℃，湿度60%。待幼苗长至3～5叶期时，选取长势整齐一致的幼苗，用不同浓度的烟嘧磺隆进行处理，设5个剂量（表1），其中1X是推荐剂量，清水作为对照（CK），于处理后7d和15d测定各项指标。

表1 谷子和玉米的烟嘧磺隆处理浓度Table 1 The concentration of nicosulfuron in foxtail millet and maize g/hm2

1.4 测定指标与方法

1.4.1 株高、叶面积和叶绿素SPAD值 在药后7d和15d，选取长势一致的谷子和玉米植株，用直尺测量株高，使用CI-203手持式激光叶面积仪测定叶面积（谷子和玉米倒2叶的叶面积），使用SPAD仪器测定叶绿素含量。

1.4.2 光合参数 于晴天10:00-11:00用便携式光合仪（CI-340，美国思爱迪生态科学仪器有限公司）测定谷子和玉米倒2叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间 CO2浓度（Ci）。

1.4.3 叶绿素荧光参数 采用DUAL-PAM-100叶绿素荧光仪（德国WALZ公司）测定荧光参数，测定前谷子和玉米叶片先进行30min暗处理，测定叶绿素荧光动力学参数。叶绿素荧光动力学参数包括最大光化学产量（Fv/Fm）、实际光化学效率[Y(Ⅱ)]、非光化学猝灭系数（NPQ）和光化学猝灭系数（qP）等。

1.5 数据分析

利用Excel 2019和SPSS 23.0软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 烟嘧磺隆对谷子和玉米农艺性状的影响

由表2可知，随着烟嘧磺隆喷施剂量的增加，张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的株高和叶面积均呈下降趋势，均在60.0g/hm2（推荐剂量）时达到最小值，而农大108号的株高和叶面积均与对照无显著差异。与CK相比在60g/hm2处理下，张杂10号与晋谷21号的株高在用药后7d显著下降了27.96%、50.70%，叶面积下降了68.91%和55.34%，处理后15d时株高显著下降了42.76%和49.18%，叶面积下降了64.46%和59.51%，烟嘧磺隆对张杂10号和晋谷21号影响较大且谷子品种之间差异不显著；迪甜8号的株高和叶面积在药后7d显著下降28.81%和36.84%，处理后15d时显著下降36.84%和33.41%；而农大108号的株高和叶面积在药后7d和15d时均与CK无显著差异；农大108号对烟嘧磺隆抗性强于迪甜8号。综上所述，在烟嘧磺隆胁迫7d和15d后，谷子株高和叶面积与对照相比下降幅度均大于迪甜8号，可得出玉米对烟嘧磺隆抗性强于谷子。

表2 烟嘧磺隆对谷子和玉米农艺性状的影响Table 2 Effects of nicosulfuron on agronomic characters of foxtail millet and maize

2.2 烟嘧磺隆对谷子和玉米SPAD值的影响

由图1可知，随着烟嘧磺隆喷施剂量的增加，张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的SPAD值呈下降趋势，均在60.0g/hm2处理下达到最小值，而农大108号的SPAD值均与对照无显著差异。在60.0g/hm2处理下，张杂10号和晋谷21号的SPAD值在处理后7d显著下降了48.04%和52.67%，处理后15d显著下降了51.70%和57.79%，烟嘧磺隆对张杂10号和晋谷21号影响较大且谷子品种之间差异不显著；迪甜8的SPAD值在用处理后7d显著下降了16.67%，处理后15d显著下降了11.70%；而农大108号的SPAD值在用药后7d和15d均与对照无显著差异，农大108号对烟嘧磺隆抗性强于迪甜8号。综上所得，在烟嘧磺隆胁迫7d和15d后，谷子SPAD值与对照相比下降幅度均大于迪甜8号，可得出玉米对烟嘧磺隆抗性强于谷子。

图1 烟嘧磺隆胁迫下谷子和玉米SPAD的影响Fig.1 Effects of nicosulfuron on SPAD of foxtail millet and maize

2.3 烟嘧磺隆对谷子和玉米光合气体交换参数的影响

2.3.1 对Pn的影响 由图2可知，随着烟嘧磺隆喷施剂量的增加，张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的Pn呈下降趋势，均在60.0g/hm2处理下达到最小值，而农大108号的Pn均与对照无显著差异。在60.0g/hm2处理下，张杂10号和晋谷21号的Pn在处理后7d显著下降了96.17%和92.86%，用药后15d显著下降了89.91%和91.00%，烟嘧磺隆对张杂10号和晋谷21号影响较大且谷子品种之间差异不显著；迪甜8的Pn在处理后7d显著下降了26.95%，处理后15d显著下降了21.60%；而农大108号所有处理的Pn在处理后7d和15d与对照无显著差异，农大108号对烟嘧磺隆抗性强于迪甜8号。综上所得，在烟嘧磺隆胁迫7d和15d后，谷子Pn与对照相比下降幅度均大于迪甜8号，得出玉米对烟嘧磺隆抗性强于谷子。

图2 烟嘧磺隆对谷子和玉米Pn的影响Fig.2 Effects of nicosulfuron on Pnof foxtail millet and maize

2.3.2 对Gs、Tr和Ci的影响 由图3、4、5可知，随着烟嘧磺隆喷施剂量的增加，张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的Gs和Tr均呈下降趋势，而Ci呈上升趋势，均在60.0g/hm2处理差异达到最显著，而农大108号的Gs、Tr和Ci均与对照无显著差异。与CK相比，在60.0g/hm2处理下，张杂10号和晋谷21号的Gs在处理后7d显著下降了57.32%和46.47%，Tr显著下降了66.67%和57.66%，处理后15dGs显著下降了82.46%和79.65%，Tr显著下降了78.64%和77.63%，而Ci在用药后7d显著上升33.83%和28.74%，处理后15d显著上升了31.95%和28.78%，烟嘧磺隆对张杂10号和晋谷21号影响较大且谷子品种之间差异不显著；迪甜8号的Gs和Tr在处理后7d显著下降了39.07%和26.01%，处理后15d显著下降了35.46%和28.36%，而Ci在处理后7d显著上升了35.25%，药后15d显著上升了29.30%；而农大108号的所有处理Gs、Tr和Ci在处理后7d和15d与对照无显著差异，农大108号对烟嘧磺隆抗性强于迪甜8号。综上所述，在烟嘧磺隆胁迫7d和15d后，谷子Gs和Tr与CK相比下降幅度均大于迪甜8号，而Ci呈相反趋势，得出玉米对烟嘧磺隆抗性强于谷子。

图3 烟嘧磺隆胁迫对谷子和玉米Gs的影响Fig.3 Effects of nicosulfuron onGsof foxtail millet and maize

图4 烟嘧磺隆胁迫对谷子和玉米Tr的影响Fig.4 Effects of nicosulfuron on Trof foxtail millet and maize

图5 烟嘧磺隆胁迫对谷子和玉米Ci的影响Fig.5 Effects of nicosulfuron onCiof foxtail millet and maize

2.4 烟嘧磺隆对谷子和玉米叶绿素荧光参数的影响

2.4.1 对Fv/Fm的影响 由图6可知，随着烟嘧磺隆喷施剂量的增加，张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的Fv/Fm呈下降趋势，均在60.0g/hm2处理下达到最小值，而农大108号的Fv/Fm均与对照无显著差异。与CK相比，在60.0g/hm2处理下，张杂10号和晋谷21号的Fv/Fm在处理后7d显著下降了33.77%和32.47%，处理后15d显著下降了25.00%和31.58%，烟嘧磺隆对张杂10号和晋谷21号影响较大且二者之间差异不显著；迪甜8号的Fv/Fm在处理后7d显著下降了25.00%，处理后15d显著下降了14.47%，而农大108号所有处理的Fv/Fm在处理后7d和15d与CK无显著差异，农大108号对烟嘧磺隆抗性强于迪甜8号。综上所得，在烟嘧磺隆胁迫7d和15d后，谷子的Fv/Fm与CK相比，下降幅度均大于迪甜8号，得出玉米对烟嘧磺隆抗性强于谷子。

图6 烟嘧磺隆对谷子和玉米Fv/Fm的影响Fig.6 Effects of nicotinsulfuron on Fv/Fmof foxtail millet and maize

2.4.2 对Y(Ⅱ)的影响 由图7可知，随着烟嘧磺隆喷施剂量的增加，张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的Y(Ⅱ)呈下降趋势，均在60.0g/hm2处理下达到最小值，而农大108号的Y(Ⅱ)均与对照无显著差异。在60.0g/hm2处理下，张杂10号和晋谷21号的Y(Ⅱ)在处理后7d显著下降了30.69%和26.42%，处理后15d显著下降了69.51%和37.39%，烟嘧磺隆对张杂10号和晋谷21号影响较大且谷子品种之间差异不显著；迪甜8号的Y(Ⅱ)在处理后7d显著下降了50.09%，药后15d显著下降了43.48%；农大108号所有处理的Y(Ⅱ)在处理后7d和15d与对照无显著差异，农大108号对烟嘧磺隆抗性强于迪甜8号。综上所得，在烟嘧磺隆胁迫7d和15d后，谷子Y(Ⅱ)与对照相比下降幅度均大于迪甜8号，得出玉米对烟嘧磺隆抗性强于谷子。

图7 烟嘧磺隆对谷子和玉米Y(Ⅱ)的影响Fig.7 Effects of nicotinsulfuron on Y(Ⅱ)of foxtail millet and maize

2.4.3 对qP和NPQ的影响 随着烟嘧磺隆喷施剂量的增加，张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的qP呈下降趋势，而NPQ则呈上升趋势，均在60.0g/hm2处理达显著差异，而农大108号的qP和NPQ均与对照无显著差异（图8）。在60.0g/hm2处理下，张杂10号和晋谷21号qP值在处理后7d显著下降了45.83%和45.83%，处理后15d显著下降了0.71%和36.36%，而NPQ在处理后7d显著上升了31.74%和21.32%，处理后15d显著上升了28.64%和29.13%，烟嘧磺隆对张杂10号和晋谷21号影响较大且谷子品种之间差异不显著；迪甜8号的qP值在处理后7d显著下降了53.66%，处理后15d显著下降了36.36%，而NPQ在处理后7d显著上升了22.56%，处理后15d显著上升了28.57%，而农大108号所有处理的qP和NPQ在处理后7d和15d与对照无显著差异，农大108号对烟嘧磺隆抗性强于迪甜8号。综上所得，在烟嘧磺隆胁迫7d和15d后，谷子qP与对照相比下降幅度均大于迪甜8号，而NPQ呈相反趋势，得出玉米对烟嘧磺隆抗性强于谷子。

图8 烟嘧磺隆胁迫对谷子和玉米qP和NPQ的影响Fig.8 Effects of nicotinsulfuron on qPand NPQ of foxtail millet and maize

3 讨论

农艺性状是判断植物生长状况的重要指标，其变化情况可以直接反映作物生长是否良好[11-13]。高贞攀[4]研究发现，烟嘧磺隆胁迫对谷子的株高和叶面积有抑制作用，而董晓雯等[14]研究发现，烟嘧磺隆胁迫下玉米农艺性状与对照无显著差异。本试验中，随着烟嘧磺隆喷施剂量的增加，张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的株高和叶面积在药后7～15d均呈现出降低趋势，可能与除草剂施用后植株体内的丙二醛含量升高有关[15]。而农大108号的株高和叶面积在用药后7d和15d均与对照无显著差异，可能是由于体内抗氧化酶活性的变化所致[14]。

光合作用是植物体内各种生理生化活动的物质基础，也是绿色植物制造养料的主要生理生化过程[16]。喷施除草剂后植物叶片中的光合色素含量会明显降低[15,17-19]，影响光合作用的正常进行。磺酰脲类除草剂中苯磺隆和单嘧磺隆会降低张杂10号和晋谷21号的叶绿素含量和光合速率[20]，最终影响产量。本试验中60.0g/hm2的烟嘧磺隆显著降低了张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的SPAD、Pn、Tr及Gs，却增加了Ci。Pn和Tr的降低与Gs的减小有关；而Gs的减小伴随Ci的增加，说明叶肉细胞对CO2的同化能力下降[21]；并且Pn下降伴随着叶绿素含量的减少及Ci的升高，说明叶绿素含量及非气孔因素共同影响谷子和玉米叶片的Pn，与高贞攀等[20]的研究结果相似。而对于烟嘧磺隆胁迫下沈糯509-抗的叶绿素含量和光合参数均与对照无显著差异[14,22]。本试验中，在120.0g/hm2烟嘧磺隆处理下，农大108号的叶绿素含量和光合参数在7d和15d均与对照无显著差异，可能与靶标酶、谷胱甘肽转移酶和细胞色素P450活性的提高有关[23]。

光合荧光作为光合作用的灵敏探针，能很好地反映逆境因子对光合作用的影响[22,24]。其中叶绿素荧光参数Fm代表PSⅡ反应中心原初电子受体全部还原时的荧光。本试验中60.0g/hm2的烟嘧磺隆显著降低张杂10号、晋谷21号和迪甜8号的Fm，说明光合机构（PSⅡ反应中心）可逆失活，甚至遭到破坏。Fv/Fm用于度量植物叶片PSⅡ原初光能转换效率，Y(Ⅱ)用于激发能用于光化学的量，qP反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光合电子传递的光能部分，而NPQ反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分[25-27]。烟嘧磺隆胁迫下Fv/Fm、Y(Ⅱ)和qP降低，NPQ升高，说明PSⅡ利用光能的能力降低，导致碳固定的电子传递效率降低，过剩的光能主要以热耗散的形式损失掉。在烟嘧磺隆胁迫下农大108号的Fv/Fm、Y(Ⅱ)、qP和NPQ值与对照无显著差异，与董晓雯[28]研究结果一致。

4 结论

谷子对烟嘧磺隆的抗性弱于玉米，品种间也存在差异，部分原因是烟嘧磺隆显著降低了敏感品种叶片的叶绿素含量，虽然增加了光能热耗散，但PSⅡ功能还是受到抑制，进而导致光合能力下降。