不同水分條件下硫肥對玉米幼苗葉片光合特性的影響

孫旭東+張慧+薛艷芳

摘要：為探究不同水分條件下硫素對玉米苗期葉片光合特性的影響，以玉米品種農大108為供試材料，硫處理用4個硫濃度梯度的Hoagland營養液進行培養；水分處理用正常供水和30%PEG-6000模擬干旱脅迫，3葉期進行硫素和水分處理，測定苗期玉米葉片葉綠素含量、光合速率和葉綠素熒光動態變化。結果表明：施硫可以顯著提高玉米葉綠素含量，通過非氣孔因素顯著提高葉片凈光合速率，改善光系統Ⅱ反應中心活性；干旱可以明顯減少葉綠素含量，降低光合能力，對PSⅡ反應中心造成損傷，但隨著硫濃度提高可有效緩解干旱對玉米苗期葉片損傷，4 mmol/L硫濃度處理緩解效果最好。

關鍵詞：硫；玉米幼苗；光合特性；干旱脅迫

中圖分類號：S513.01 文獻標識號：A 文章編號：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、肥是農業生產中保證作物生長發育的主要因素。硫素屬于植物必需的中量元素之一，已經被公認為是植物所必需的第四位營養元素。硫素主要參與氨基酸（如胱氨酸、半胱氨酸、絲氨酸等）及蛋白質的組成，參與維生素與酶的合成，影響作物光合與呼吸作用，合成次級代謝產物調控作物生長發育[1]。前人研究[2]表明硫對光合的影響通過硫脂形式組成葉綠體基粒片層，穩定葉綠體內部結構。低硫脅迫使葉片葉綠體結構腫脹，基粒片層松弛散亂，細胞器減少；高硫使葉片葉綠體基粒片層致密、濃縮無規則化。硫參與硫氧還蛋白半胱氨酸-SH在光合作用中電子傳遞的過程，在硫脅迫下鐵硫蛋白（FeS）的合成受到抑制，光合電子傳遞速率變慢，影響光合磷酸化反應和ATP合成[3]。在暗反應中硫參與形成的鐵硫中心參與CO2的還原過程，作為鐵氧還蛋白的重要組分在光合作用及氧化物如硝酸銀的還原中起電子轉移作用[4]。而水分是作物主要構成成分，其生理作用是支撐作物生命活動，干旱等缺水條件對植株葉片損傷主要體現在提高葉片細胞電解質滲透率、減少細胞滲透調節能力[5]、膜酯過氧化、不飽和脂肪下降、膜酯過氧化物增加[6]、光合電子傳遞受抑、葉綠素合成減少、活性氧在植物體內積累[7]等，嚴重影響作物產量和品質。

目前就水分因素和硫肥單因素對玉米生長特性和籽粒產量品質影響的研究較多，但水分和硫肥的互作效應對玉米葉片光合特性影響的研究報道較少。因此本研究通過苗期水培試驗，探討不同水分條件下施硫對玉米苗期葉片光合特性的影響，為探究硫素對玉米葉片光合和逆境下的生理作用提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2014-2015年在山東省農業科學院小麥玉米國家重點實驗室進行。供試材料為玉米品種農大108。采用溫室水培方式。硫濃度設置4個梯度水平：（1）0、（2）2 mmol/L、（3）4 mmol/L、（4）8 mmol/L；水分處理設置2個水平：正常供水（C）和30%PEG-6000干旱脅迫（T），總共8個處理。培養初期玉米種子用5%NaClO表面消毒10 min，洗凈、吸脹24 h，均勻擺在培養皿中，放于30℃恒溫箱中萌發后，用1/2完全Hoagland營養液進行培養，每3 d更換一次營養液并通氣。待幼苗長至3葉期時，選出長勢均衡健壯的幼苗開始進行硫素和干旱處理，處理后每2 d測定第3葉相關指標，共計測定4次。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 葉片光合參數測定 采用美國LI-COR 公司生產的Li-6400便攜式光合測定系統，人工光源設定為1 500 μmol/（m2·s），CO2濃度為大氣CO2濃度，葉室溫度為25℃，在9∶00-12∶00測定玉米幼苗第三葉凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。每處理重復測定3次。

1.2.2 葉片葉綠素熒光參數測定 采用PAM-2100熒光儀（WALZ，Germany） 測定葉綠素熒光相關參數。在9∶00-11∶00進行，先暗適應30 min，測定暗適應下的初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）；之后給予葉片飽和光照射，測定光適應下的最大熒光（Fm′）、最小熒光（Fo′）、穩態熒光（Fs）等熒光參數。參照Demming-Adams 等[8]方法，PSⅡ最大光化學效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm，實際量子產量φPSⅡ=（Fm-Fs）/Fm′；光化學猝滅系數qP=（Fm′-Fs）/（Fm′-Fo′）；非光化學猝滅系數NPQ。每處理重復測定5 次。

1.2.3 葉綠素SPAD含量測定 葉綠素測定用日本產Mini葉綠素計進行測定，以SPAD值表示葉綠素含量。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2007進行數據處理和作圖，采用DPS 10.0統計軟件進行方差分析和LSD法多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同水分條件下硫對葉片葉綠素含量影響

由表1看出，不同水分條件下隨著處理時間延長玉米苗期葉綠素含量呈逐漸降低趨勢，隨硫濃度的增加葉綠素含量則逐漸增加。前6 d干旱條件下T-1的SPAD顯著低于其它處理；處理4～8 d，T-3和T-4的SPAD值差異不顯著。處理8 d后T-2、T-3和T-4較T-1的SPAD分別提高12.70%、37.73%和47.93%。T-1、T-2、T-3和T-4處理8 d后SPAD降幅分別為23.16%、20.73%、9.16%和14.81%，平均降幅達到17.0%。正常供水條件下硫素處理6 d后C-1處理的 SPAD值顯著低于其它處理，處理8 d后C-2、C-3和C-4較C-1的SPAD分別提高16.97%、24.75%和26.99%，但三者之間沒有顯著差異。與處理2 d比較，C-1、C-2、C-3和C-4處理8 d的SPAD降幅分別為19.97%、9.40%、5.28%、7.39%，平均降幅為10.51%。

2.2 不同水分條件下硫對葉片光合參數的影響

從圖1看出，玉米葉片凈光合速率受硫濃度和水分影響顯著，不同水分條件下隨硫濃度的增加玉米葉片Pn呈先增加后降低趨勢。干旱條件下處理6 d的凈光合速率大小依次為T-1

由圖2可以看出，干旱條件下，胞間CO2濃度在處理2 d時T-1顯著低于其他處理，6 d后T-1顯著高于其他處理，8 d后T-2、T-3和T-4較T-1處理的Ci降低26.34%、44.56%、34.46%。正常供水條件下，各處理Ci變化趨勢與干旱各處理相近，6 d后各處理間差異顯著，8 d后C-4的Ci最高，較C-1提高15.71%，C-3、C-2較C-1的Ci降低 38.39%、22.96%。

由圖3看出，干旱條件下，隨硫濃度的提高各處理氣孔導度呈先升后降變化趨勢，至硫濃度為4 mmol/L時氣孔導度達最高值；隨著處理時間延長氣孔導度逐漸下降，8 d后T-1、 T-2、T-3和T-4的氣孔導度下降幅度分別達81.01%、76.34%、67.50%、71.28%；T-2、T-3和T-4較T-1分別提高43.89%、158.49%和81.74%。正常供水條件下6 d后各處理氣孔導度均增大，8 d后快速下降，C-2、C-3和C-4較C-1氣孔導度增大35.45%、41.59%和15.63%。干旱條件下氣孔導度下降速度明顯快于正常水分處理。

由圖4看出，玉米葉片蒸騰速率受硫濃度和水分影響顯著，干旱條件下處理6 d蒸騰速率明顯下降，而正常供水處理蒸騰速率在8 d內變化不大。干旱條件下，隨硫濃度增加各處理蒸騰速率呈先增加后下降趨勢，至硫濃度為4 mmol/L時達最高值；處理8 d后T-2、T-3和T-4較T-1的蒸騰速率提高45.99%、156.68%和69.36%。正常供水條件下，處理8 d后C-2、C-3和C-4較C-1蒸騰速率提高48.26%、64.28%和32.11%。干旱條件下處理8 d蒸騰速率平均降幅達到58.26%，而正常供水處理Tr降幅只有5.85%。

2.3 干旱脅迫下硫對葉片葉綠素熒光參數的影響

圖5顯示，干旱條件下不同濃度硫對Fv/Fm影響差異顯著。施硫量在0～4 mmol/L之間Fv/Fm逐漸提高，超過后Fv/Fm有明顯降低，處理8 d后T-2、T-3和T-4較T-1的Fv/Fm提高8.79%、18.04%和16.83%。正常供水條件下隨處理時間的延長Fv/Fm各硫處理差異不大，處理8 d后C-2、C-3和C-4較C-1的Fv/Fm提高2.86%、3.93%和1.53%。

相對電子傳遞速率（ETR）受硫濃度和水分影響如圖6所示。干旱條件下ETR逐漸降低，而正常供水處理ETR逐漸升高。施硫量在0～4 mmol/L之間ETR逐漸提高，超過此范圍ETR明顯降低。干旱處理8 d后T-2、T-3和T-4較T-1的ETR提高了38%、82.63%和70.82%，T-3和T-4在8 d內差異不明顯。正常供水條件下C-2、C-3和C-4較C-1的ETR提高3.68%、11.70%和5.41%。

圖7顯示實際量子產量（ΦPSⅡ）受水分和硫濃度影響明顯，干旱脅迫下顯著降低葉片ΦPSⅡ，隨著處理時間延長ΦPSⅡ逐漸降低。施硫量在0～4 mmol/L范圍內ΦPSⅡ逐漸提高，超過范圍ΦPSⅡ明顯降低。處理8 d后T-2、T-3和T-4較T-1的ΦPSⅡ提高38.01%、82.63%和74.06%。正常供水條件下ΦPSⅡ隨著處理時間延長逐漸增大，8 d后C-2、C-3和C-4較C-1的ΦPSⅡ提高3.73%、11.76%和5.46%。

不同水分不同硫濃度對光化學猝滅系數qP的影響如圖8所示，隨著處理時間增長，干旱條件下各處理qP呈降低趨勢，而正常供水條件下qP變化不大。施硫量在0～4 mmol/L之間qP逐漸提高，超過范圍qP明顯降低。處理8 d后T-2、T-3和T-4較T-1的qP提高38.17%、80.06%、54.05%，C-2、C-3和C-4較C-1的qP提高7.06%、14.19%、7.69%。

不同水分不同硫濃度處理對非光化學猝滅系數NPQ的影響如圖9所示。干旱條件下各處理NPQ呈升高趨勢，而正常供水處理NPQ變化不大。干旱脅迫下施硫量在0～4 mmol/L之間隨著硫濃度的提高NPQ顯著降低，超過范圍NPQ明顯升高，處理8 d后T-2、T-3和T-4較T-1的NPQ降低20.79%、42.84%和30.33%。正常供水條件下處理8 d后，C-2、C-3和C-4較C-1的NPQ降低3.01%、34.15%和1.06%，其中C-3顯著低于其他硫處理。

3 討論與結論

葉綠素含量高低影響葉片光合能力，前人研究[9-12]表明硫可以提高葉綠素a、b含量，促進葉綠素合成。干旱條件可能使葉綠素合成受阻或促進葉綠素降解而降低玉米葉綠素含量[13]。本試驗表明施硫會提高玉米苗期葉片SPAD，并減少干旱對葉片SPAD的影響，使玉米葉片在干旱環境下仍有較高葉綠素含量，在硫濃度為4～8 mmol/L條件下可以保持較高SPAD值。

光合速率受氣孔和非氣孔因素影響，干旱導致葉片氣孔關閉減少CO2進入[14]。玉米苗期光合隨干旱加強而下降顯著，輕中度干旱主要是氣孔因素影響光合作用，非氣孔因素是嚴重干旱下主要影響因素[15]。本試驗結果表明，干旱條件下施硫可明顯提高葉片凈光合速率，其中4 mmol/L硫處理凈光合速率最高。正常供水條件下胞間CO2濃度降低、氣孔導度增大，表明施硫提高葉片凈光合速率主要是受到非氣孔因素的影響。干旱條件下施硫，前期胞間CO2濃度的提高伴隨著氣孔導度的增大，表明干旱脅迫前期施硫提高凈光合速率是受到氣孔因素的影響，干旱4 d后胞間CO2濃度隨著氣孔導度的增大而減小，表明此時非氣孔因素是制約凈光合速率的主要因素。

葉綠素熒光動力學技術可以測定葉片對光能的吸收、傳遞、耗散和分配等，可以當作快速無損測定葉片光合熒光功能的探針[16]。干旱脅迫對光合系統造成了一定損傷，降低了光能利用效率[17]，對光系統Ⅱ損傷較大，光系統Ⅱ通過熱耗散和減少過剩光能產生來減少對光合機構的損傷[18]。本試驗條件下干旱脅迫顯著降低了玉米葉片的Fv/Fm、ETR、ΦPSⅡ和qP，增大了其熱耗散系數NPQ，表明干旱脅迫降低PSⅡ反應中心開放程度，減少PSⅡ最大電子轉化效率，減慢電子傳遞速率，實際量子產量減少，過剩光能提高從而熱耗散加強。施硫可有效提高玉米葉片Fv/Fm、ETR、ΦPSⅡ和qP，減少NPQ，尤其硫濃度在4 mmol/L下可以有效減少干旱對葉片PSⅡ損傷，保持PSⅡ反應中心有較高開放程度，提高PSⅡ反應中心活性，改善效果隨脅迫時間增長而顯著。

干旱脅迫對苗期玉米葉片光合損傷前期主要是氣孔因素，后期主要通過減少PSⅡ反應中心能力等非氣孔因素使光合能力下降，施硫可以提高葉片葉綠素含量，通過提高PSⅡ反應中心活性等非氣孔因素來提高玉米苗期葉片光合性能，在干旱條件下施硫濃度為4 mmol/L時有較好表現。

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