基于FvCB模型分析盐分胁迫对棉花叶片光合作用的影响

为深入理解叶片光合特性对盐胁迫的响应机理,以棉花为试验材料,设置5个盐分(NaCl)浓度处理:0(CK)、50、100、150和200 mmol·L^-1,利用FvCB模型分析盐胁迫对棉花幼苗叶片光合特性的影响。结果表明:与CK相比,50和100 mmol·L^-1盐分处理增加了棉花叶片的最大羧化速率(V_{c max})和最大电子传递速率(J_max),但150和200 mmol·L^-1盐分处理显著降低了V_{c max}和J_max。叶片净光合速率(P_n)、叶肉导度(g_m)和暗呼吸速率(R_d)随盐分浓度升高而下降;与CK相比,50和100 mmol·L^-1盐分处理对g_m无显著影响,但P_n和R_d显著降低。150和200 mmol·L^-1盐分处理明显降低了P_n、g_m和R_d,且与0、50和100 mmol·L^-1盐分处理间存在显著差异;利用FvCB模型模拟了不同盐分胁迫下叶片净光合速率。与不考虑g_m的模拟结果相比,考虑g_m提高模拟值和实测值间的决定系数,并降低了平均绝对误差。棉花幼苗耐盐阈值为100～150 mmol·L^-1,随盐分浓度的增加,光合限制因素由叶肉因素转变为光合机构受损;引入g_m可以提高FvCB模型的模拟精度。     

海拔梯度对巴郎山奇花柳叶片δ13C的影响

2010年在四川卧龙自然保护区选择海拔为2350、2700、3150和3530 m的4个分布地点,研究了巴郎山海拔梯度对奇花柳叶片¹³C、光合、CO₂扩散导度、氮含量、光合氮利用效率(PNUE)和比叶面积(SLA)的影响.结果表明： 随着海拔的升高,目标树种叶片氮含量(尤其是单位面积氮含量)及PNUE增加,叶片¹³C值也随之显著增加,且海拔每升高1000 m,¹³C增加1.4‰;CO₂扩散导度(气孔导度和叶肉细胞导度)的增加,在一定程度上阻碍了叶片¹³C值随海拔升高,但不足以改变¹³C值随海拔升高的趋势;羧化能力是羧化位点与外界CO₂分压比(P_c/P_a),甚至¹³C的限制因子.在海拔2350～2700 m,奇花柳光合系统内部氮素分配主要受温度的影响,而2700～3530 m的光照作用可能更大.奇花柳的SLA随海拔无显著变化.     

减氮运筹对甘薯光合作用和叶绿素荧光特性的影响

光合性能是决定作物产量形成的关键,氮肥的合理施用是调控作物光合特性和产量形成的重要措施.于2016—2017年开展盆栽试验,研究了减氮和施肥方式对甘薯叶片光合作用和叶绿素荧光特性的影响.试验以常规习惯基施氮肥100 kg·hm^-2为对照(FP),在常规施氮量的基础上减氮20%,同时设置3种氮肥运筹方式:100%基施(JS)、100%移栽后35 d追施(KS)、50%基施+50%移栽后35 d追施(FS).结果表明:与常规基施氮肥100 kg·hm^-2相比,减氮条件下氮肥全部基施显著降低了全生育期甘薯光合性能,但追施处理显著提高了块根膨大期净光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)、胞间CO₂浓度(C_i)和叶绿素(Chl a+b)含量.不同处理下,P_n、g_s、C_i和Chl a+b均以50%基施+50%追施处理最高.减氮分施处理甘薯块根膨大期的PSⅡ实际光化学效率(Φ_PSⅡ)、光化学淬灭系数(q_P)、PSⅡ最大光化学效率(F_v/F_m)和PSⅡ潜在活性(F_v/F_o) 提高,而初始荧光(F_o)和非光化学淬灭系数(NPQ)则降低.氮肥分施通过提高PSⅡ的光化学效率和电子传递速率,降低光能的热耗散,提高了甘薯块根膨大期功能叶的光合速率.2个品种不同年际间表现相同.表明氮肥一次性基施或追施均不利于提高甘薯叶片光合性能.减氮20%水平下,50%基施+50%追施可减缓叶片早衰,延长叶片功能期,提高甘薯的光合生产能力和生物量,有利于产量形成.     

氮和土壤微生物对水曲柳幼苗生长和光合作用的影响

以长白山地区典型树种——水曲柳为研究对象,通过室外控制试验,分析了氮、微生物及其相互作用对水曲柳幼苗生物量分配、生长和光合作用的影响.于2017年6月采用二因素随机区组设计试验,共4个处理:对照(F)、加氮(FN)、灭菌(FS)、灭菌加氮(FSN),6个重复区组,每个区组内每处理3个重复,即每个处理有18株幼苗.2018年8月中旬进行光合指标的测定,并于同年9月初收获植物,测量生物量及生长指标.结果表明: 与F相比,FN使水曲柳幼苗的总干质量显著提高14%,基径提高9%,叶绿素含量、净光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)、蒸腾速率(T_r)分别显著提高75%、318%、231%、227%;FS使总干质量显著提高12%,基径提高9%,叶绿素含量、P_n、g_s、T_r分别显著提高34%、213%、120%、115%;FSN使总干质量显著提高23%,基径提高14%,叶绿素含量、P_n、g_s、T_r分别显著提高81%、672%、312%、273%.氮、土壤微生物及其交互作用对水曲柳幼苗的生物量、生长和光合作用有着显著作用,土壤微生物在一定程度上调控了水曲柳幼苗对氮的响应.     

四川巴郎山齿果酸模叶片氮素及其分配的海拔响应

在卧龙自然保护区, 按海拔梯度选择了齿果酸模(Rumex dentatus)的4个分布地点(2350、2700、3150和3530 m), 对各研究地点的齿果酸模进行了叶片光合、扩散导度、叶片碳稳定同位素组成(δ¹³C)、氮素含量、光合氮利用效率(PNUE)、比叶面积(SLA))等参数的测量, 以期揭示该植物叶片氮素、氮素分配情况及其他生理生态参数随海拔的响应趋势, 进而明确氮素及其分配在齿果酸模响应和适应海拔梯度环境的生物学过程中的作用。结果表明: 随着海拔的升高, 齿果酸模的叶片单位面积氮含量(N_area)随之增加, 进而光合能力随之增加。随着海拔升高而增加的扩散导度也在一定程度上促进了这一趋势, 这可能是落叶草本植物对于高海拔低温所导致的叶寿命缩短的适应结果。沿着海拔梯度, 植物叶片氮素和扩散导度均通过羧化位点与外界CO₂分压比(P_c/P_a)而间接影响叶片δ¹³C值, 且相比之下, 以氮素为基础的羧化能力对于P_c/P_a的作用更大些, 进而导致齿果酸模叶片δ¹³C随海拔增加; 随着海拔的升高, 齿果酸模叶片将更多的氮素用于防御性结构组织的建设, 这也是SLA和PNUE降低的主要原因; 在光合系统内部, 随着海拔的升高, 植物光合组织增加了用于捕光系统氮素的比例, 使得植物可以更好地利用随海拔升高而增强的光照资源, 进而促进了光合能力的增加。可见, 氮素及其在叶片各系统间(尤其是在光合系统与非光合系统间)的分配方式是齿果酸模适应和响应海拔梯度环境的关键。     

海拔梯度对巴郎山奇花柳叶片δ13C的影响

2010年在四川卧龙自然保护区选择海拔为2350、2700、3150和3530 m的4个分布地点,研究了巴郎山海拔梯度对奇花柳叶片13C、光合、CO2扩散导度、氮含量、光合氮利用效率( PNUE)和比叶面积(SLA)的影响.结果表明:随着海拔的升高,目标树种叶片氮含量(尤其是单位面积氮含量)及PNUE增加,叶片δ13C值也随之显著增加,且海拔每升高1000 m,δ13C增加1.4‰;CO2扩散导度(气孔导度和叶肉细胞导度)的增加,在一定程度上阻碍了叶片δ13C值随海拔升高,但不足以改变δ13C值随海拔升高的趋势;羧化能力是羧化位点与外界CO2分压比( Pc/Pa),甚至δ13C的限制因子.在海拔2350～2700m,奇花柳光合系统内部氮素分配主要受温度的影响,而2700～3530 m的光照作用可能更大.奇花柳的SLA随海拔无显著变化.     

外源褪黑素对高温胁迫下菊花光合和生理特性的影响

以切花菊品种‘神马'为试材,研究外源褪黑素(MT)对菊花抗高温胁迫的影响。将供试菊花叶面喷施200 μmol·L^-1的MT后,进行40 ℃(昼)/35 ℃(夜)高温胁迫,观察菊花叶片叶绿体和内囊体超微结构,测定光合和生理指标。结果表明:与常温对照(CK)相比,高温胁迫下菊花叶片叶绿体和类囊体受损,叶绿素含量和最大荧光(F_m)显著降低,OJIP曲线发生变化,K点和J点荧光升高,净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(g_s)均显著降低,胞间CO₂浓度(C_i)均显著增加;相对电导率(REC)、丙二醛(MDA)、活性氧(ROS)、渗透调节物质含量和抗氧化酶活性显著增加。外源喷施MT可维持高温胁迫下植株叶绿体和类囊体结构的完整性,明显降低OJIP曲线中K点和J点上升的幅度,F_m、P_n、g_s、T_r和光合色素含量显著提高,C_i显著下降,缓解了高温胁迫对菊花光合和荧光作用的抑制。同时,外源喷施MT处理显著降低了高温胁迫下菊花REC、MDA和ROS含量,增强了菊花叶片中渗透调节物质含量和抗氧化酶活性。可见,外源MT可通过保护菊花叶片叶绿体结构的完整性,增强光合作用,抑制高温胁迫下菊花植株体内ROS的过度产生,提高抗氧化酶系统的活性,降低膜质过氧化水平和保护脂膜的完整性,从而提高菊花植株抗高温胁迫能力。     

阴晴天条件下高CO2浓度对杂交稻光合作用影响的FACE研究

光和二氧化碳(CO₂)是绿色植物光合作用的两个基本条件.为了明确不同光照条件下,高CO₂浓度对不同杂交水稻光合特性的影响,2017年利用稻田大型FACE平台,以‘Y两优900’和‘甬优538’为供试材料,设置环境CO₂和高CO₂浓度(增200 μmol·mol^-1)两个水平,分别在拔节期和灌浆期同时测定阴、晴天气条件下顶部全展叶光合特性参数.结果表明: 高CO₂浓度使不同天气情况下两品种叶片的净同化率(P_n)均呈增加趋势,其中晴天条件下的增幅(31%)大于阴天(25%),拔节期的增幅(37%)大于灌浆期(21%),CO₂与天气、CO₂与生育期均存在显著的互作效应.叶片水分利用效率(WUE)对高CO₂浓度的响应趋势与P_n一致.高CO₂浓度环境下叶片气孔导度(g_s)、蒸腾速率(T_r)均呈下降趋势,晴天条件下的降幅略大于阴天.与晴天相比,阴天条件下叶片P_n、g_s、T_r、WUE和L_s平均分别下降41%、18%、41%、26%和27%,差异均达显著或极显著水平.相关分析表明,晴天P_n、g_s、T_r均与阴天时的参数呈极显著正相关关系.表明阴天使水稻生育中、后期叶片光合参数及其对高CO₂浓度的响应均大幅降低,且两品种表现一致.评估未来水稻产量潜力需要考虑天气条件.     

遮阴对闽楠叶绿素含量和光合特性的影响

为探讨闽楠对不同光环境的光合适应机制,以2年生闽楠幼苗为材料,设置3个光照处理(全光照、遮光率50%和遮光率78%),适应6个月后,测定其叶绿素含量、气体交换和叶绿素荧光同步数据,研究不同光环境处理对闽楠叶片叶绿素含量、叶绿素荧光参数和光合特性的影响.结果表明: 3种光照处理下,闽楠叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)和类胡萝卜素含量大小次序为78%遮光率>50%遮光率>全光照,但不同光照处理对闽楠叶绿素a/b值没有显著影响.遮阴条件下,闽楠叶片光补偿点(LCP)降低,光饱和点(LSP)和表观量子效率(AQY)升高,说明遮阴条件下闽楠叶片对弱光和强光的利用能力均有所提高;最大净光合速率(P_{n max})、光下暗呼吸速率(R_d)和最大电子传递速率(J_max)均增大.在不同处理间,闽楠叶片净光合速率(P_n)、CO₂气孔导度(g_sc)、胞间CO₂浓度(C_i)和叶肉导度(g_m)均存在显著差异.P_n和g_m的大小顺序为: 78%遮光率>50%遮光率>全光照.78%遮光率处理下g_sc显著大于全光照.50%遮光率条件和78%遮光率条件下C_i均显著小于全光照.78%遮光率条件下PSⅡ实际光量子产量(F_v′/F_m′)、PSⅡ光化学效率(Φ_PSⅡ)和电子传递速率(J)均显著大于50%遮光率条件和全光照.由此可知,在遮阴条件下闽楠可以通过增加叶绿素含量、AQY、J、g_sc和g_m来增大光合能力.     

涌泉根灌下水氮耦合对陕北山地苹果光合特性、产量和水氮利用的影响

以陕北山地7年生‘寒富’苹果树为试验材料,设置3个灌水水平[高水(W₁,85%～100%θ_f,θ_f为田间持水量)、中水(W₂,70%～85%θ_f)、低水(W₃,55%～70%θ_f)]和3个施氮水平[高氮(N₁,600 kg·hm^-2)、中氮(N₂,400 kg·hm^-2)、低氮(N₃,200 kg·hm^-2)],研究涌泉根灌条件下水氮耦合对山地苹果树光合特性、产量和水氮利用的影响。结果表明: 相同灌水条件下,随着施氮量的减少,苹果树叶片的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(g_s)和瞬时水分利用效率(WUE_i)降低,但胞间CO₂浓度(C_i)增加;相同施氮条件下,随着灌水量的减少,叶片P_n、T_r、g_s和WUE_i降低,而C_i增加。W₁N₁处理的P_n、T_r日均值最大,但与W₁N₁处理相比,W₂N₂处理的WUE_i最大。苹果产量、灌溉水利用效率(IWUE)和氮肥偏生产力(NPFP)受灌水和施氮量的显著影响,W₂N₂处理的产量最高(26761 kg·hm^-2),减小灌水量和增大施氮量使IWUE显著提高,而增大灌水量和降低施氮量使NPFP显著增加。回归分析表明,产量和IWUE同时获得最优解时,灌水量和施氮量组合最接近W₂N₂处理。因此,W₂N₂处理为涌泉根灌条件下陕北山地苹果最佳的水氮组合模式。     

全膜覆土下施有机肥对春小麦旗叶碳氮比、光合特性和产量的影响

于2016和2017年,以春小麦品种‘陇春27'为试验材料,在甘肃省中部半干旱雨养农业区设置定位试验,分析全膜覆土平作穴播(PMS)、全膜覆土平作穴播+有机肥(PMO)、裸地平作穴播(CK)3个处理春小麦抽穗至灌浆阶段土壤水分与群体冠层温度、净光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)、蒸腾速率(T_r)、旗叶C/N、旗叶全氮之间的相互关系,探讨不同处理对产量及其构成要素的影响。结果表明: 施用有机肥可提高小麦生育中后期土壤含水量,PMO抽穗至灌浆阶段0～300 cm土层土壤贮水量较PMS和CK分别提高4.6%和8.5%,群体冠层温度分别降低0.1～1.3 ℃和1.4～4.9 ℃,P_n分别提高9.3%和29.7%,g_s分别提高30.9%和103.8%,T_r分别提高5.1%和55.0%,全氮含量分别提高6.6%和18.9%,C/N分别降低6.4%和22.8%。收获后,PMO较PMS和CK显著促进穗粒数和千粒重增加,籽粒产量分别提高9.1%和53.7%。抽穗至灌浆阶段旗叶P_n和g_s与C/N呈负相关性;C/N与籽粒产量呈显著负相关。因此,半干旱区全膜覆土穴播条件下施有机肥可提高春小麦抽穗至灌浆阶段土壤含水量,促进旗叶光合作用,有利于降低生理干旱胁迫强度和旗叶氮吸收同化限制,促进穗粒数和粒重增加,使产量提升。     

控墒补灌对新疆春玉米产量和穗叶光合特性的影响

为探讨北疆绿洲区滴灌春玉米的高产栽培水分管理模式,以‘郑单958’(ZD958)和‘垦玉2号’(KY02)为试验材料,研究了控墒补灌对滴灌春玉米大喇叭口期(V12)至蜡熟期(R5)叶片SPAD值以及灌浆期(R3)穗叶色素、光合和荧光等参数的影响.结果表明: 土壤墒度过低或过高均会显著(P<0.05)降低V12-R3期叶片SPAD值,R5期宜保持在田间持水量的65%以上.灌浆期土壤墒度<75%时玉米叶绿素a、b及叶绿素总含量、类胡萝卜素、叶绿素a/b显著下降,但土壤墒度>85%时差异并不显著;土壤墒度<75%时玉米净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)及气孔导度(g_s)显著下降,胞间CO₂浓度(C_i)显著上升,但土壤墒度>85%时并未观察到g_s的降低.土壤墒度过高或过低均可显著降低最大光化学效率(F_v/F_m)、潜在活性(F_v/F_o)、PSⅡ实际光化学效率(Φ_PSⅡ)、光化学淬灭(q_P)和光合电子传递速率(rETR)等荧光参数,热耗散量子比率(F_o/F_m)、非光化学淬灭(NPQ)显著升高;通径分析发现,P_n降低主要由F_v/F_o和rETR的下降导致,最终表现为产量的降低.这表明各生育时期土壤墒度保持在V6>60%、V12 >70%、R1 >75%、R3 >80%、R5 >65%是本地区滴灌春玉米获得高产的最佳水分管理模式.     

控水条件下侧柏冠层气孔导度对土壤水的响应

建立了不同控水条件下(无降水、一半降水、自然降水和二倍降水)的侧柏样地,于2016年8月—2017年8月监测了样地土壤含水量(SWC)、降水量、液流密度(J_s)、叶面积指数(LAI)和水汽压亏缺(VPD)等因子,分析SWC对侧柏冠层气孔导度(g_s)的影响。结果表明: 一半、自然和二倍降水样地的SWC与降水量呈正相关,SWC变化范围分别为4.9%～16.0%、7.2%～22.9%、7.4%～29.6%,无降水样地的SWC在8—10月下降50%;7月的日g_s在14:00达到峰值(166.64 mmol·m^-2·s^-1),显著高于其他月份,且出现双峰现象, 1月的日g_s在12:00达到峰值(54.1 mmol·m^-2·s^-1);3个降水条件下,侧柏g_s与SWC呈负二次相关关系,且g_s达到峰值,对应的SWC分别为8.5%、12.5%和18.5%,均趋近于年平均SWC。不同控水样地内侧柏g_s对VPD的敏感性(δ)/参比冠层气孔导度(g_sref)均≥0.6,表明不同控水条件下土壤水分状况较适合侧柏蒸腾用水的需求。当SWC在3.7%～7.5%时,δ和g_sref值迅速增大,说明气孔调节能力更好,植物气孔对VPD的响应更敏感;当SWC上升到11%时,SWC变化对g_sref和g_s对VPD响应敏感性的影响不显著。可能存在侧柏产生适应状态的SWC阈值,植物体在自身的生命活动中关闭或减小气孔开度,降低叶片水势以适应过高的VPD,保护植物不会引起过度蒸腾,从而对蒸腾的调控更加有效。     

QTLs affecting morph-physiological traits related to drought tolerance detected in overlapping introgression lines of rice (Oryza sativa L.)

Plant photosynthetic traits such as net photosynthetic rate (P_n), stomata conductance (g_s), transpiration rate (T_r), and intercellular CO₂ concentration (C_i), are known to relate to drought tolerance in plants, but the genetic basis of these traits remains largely uncharacterized because of the difficulty in phenotyping physiological traits in a large mapping population. In this study, a set of 55 overlapping introgression lines (ILs) in the Teqing (indica) background were used to genetically dissect several morph-physiological traits and their relationship with grain yield under water stress and non-stress conditions. These traits included specific leaf weight (SLW), chlorophyll content (CC), leaf stomata frequency (SF), P_n, g_s, T_r, and C_i. A total of 40 QTLs affecting the measured traits were identified and mapped to 21 genomic regions in the rice genome. Clustered QTLs affecting P_n, g_s, T_r, and C_i in the same genomic regions suggest common genetic bases for the physiological traits. Low or no phenotypic correlations between leaf morphological traits and photosynthetic traits and between morph-physiological traits and grain yield (GY) appeared to be due to inconsistence in QTL effect for clustered QTLs, unlinked QTLs affecting different traits, and to possible epistasis that could not be adequately addressed in this study. Our results indicate that improving drought tolerant (DT) of rice by selecting any single secondary traits is not expected to be effective and the identified QTLs for GY and related morph-physiological traits should be carefully confirmed before to be used for improving DT in rice by MAS.     

粳稻生育后期剑叶光合日变化和光合色素对大气CO2浓度和温度升高的响应——FACE研究

为研究水稻叶片光合色素和光合日变化对大气CO₂浓度和气温升高的响应,我们采用在开放空气中控制升高CO₂浓度和温度的方法,以常规粳稻南粳9108为试验材料,设置了环境CO₂和高大气CO₂浓度(增加200 μmol·mol^-1)、环境温度和增温(增加1～2 ℃)交互的4个处理,测定了灌浆中期和后期水稻剑叶的光合日变化特征和光合色素含量.结果表明: 水稻剑叶净光合速率(P_n)为双峰曲线,发生了光合“午休”现象;大气CO₂浓度升高提高了剑叶P_n,灌浆中期和后期平均分别增加了47.6%和39.1%;高温有降低P_n的趋势,但相关性未达到显著水平.大气CO₂浓度和温度升高导致水稻剑叶生育后期气孔导度(g_s)平均分别降低了17.0%和11.8%.高CO₂浓度水稻剑叶生育后期蒸腾速率(T_r)、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素和叶绿素a/b值显著降低,平均降幅分别为5.9%、50.4%、21.3%、41.4%、39.4%和21.4%,明显增加了剑叶水分利用率(WUE),平均增幅达47.9%.与之相反,生育后期增温使水稻剑叶T_r增加了10.2%,使WUE平均降低了20.4%.综上所述,大气CO₂浓度升高对粳稻生育后期剑叶P_n、g_s和光合色素含量的影响明显大于增温效应.因此,应重视大气CO₂浓度和温度对水稻光合作用和光合色素的综合效应,减弱增温的负效应.