初花后短日照诱导对小豆叶片生理参数的影响

董伟欣1,尹宝重2,张彦丽2,张月辰2

(1.河北广播电视大学,河北 石家庄 050080;2. 河北农业大学 农学院,河北省作物生长调控重点实验室,河北 保定 071001)

摘要为了明确初花后短日照诱导对小豆叶片生理参数的影响,以中熟品种冀红9218和晚熟品种唐山红小豆为试验材料,分别在初花-初荚(EF-EP)、初荚-初粒(EP-ES)和初花-初粒(EF-ES)3个生育时期进行短日照诱导,研究其对小豆叶片生理参数的影响。结果表明,初花后短日照诱导降低2个小豆品种的叶绿素含量,同时,净光合速率也呈现降低趋势,从而导致最大光化学量子产量(Fv/Fm)降低;可溶性糖和可溶性蛋白含量在12 h的EF-ES处理下受短日照诱导的影响较大,导致碳氮代谢速度减慢,此时,蔗糖合成酶(SS)活性呈现降低趋势,可见,碳代谢的速度与蔗糖合成酶(SS)活性有关,但2个品种的蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性在短日照诱导下的变化却不同,冀红9218的SPS活性在3个时期较对照升高,而唐山红小豆却降低,这与品种的熟性有关;而谷草转氨酶(GOT)和谷丙转氨酶(GPT)的活性受短日照的影响不大。初花后短日照诱导效应较开花前减弱,但还具有一定的调控作用,小豆叶片内的生理参数通过短日照诱导而被削弱,进而影响小豆的生长发育。

关键词小豆;初花后;短日照;叶片;生理参数

光照是决定作物生长发育的关键环境因子之一,叶片是感受光照的主要器官,叶片内生理参数的变化直接或间接地影响作物后期的生长发育。小豆对光照敏感,晚熟品种尤为明显,河北省作物生长调控重点实验室前期的研究发现,初花前短日照诱导使小豆的花期提前,提早成熟,通过短日照诱导可以调整播期,提高产量,指导农业实践,在引种和育种方面也起到一定的积极作用,因小豆营养生长和生殖生长并进时间长,花荚同步,而作物都存在光周期效应,所以,初花后短日照诱导对小豆叶片生理参数的变化也具有一定的研究意义。

开花后短日照诱导对叶片生理参数的影响在其他植物上也有较多的研究,如任万军等[1]认为,在始穗后短日照使水稻叶片的叶绿素含量提高,但降低了叶绿素a/b的值。刘科等[2]的研究也发现,超级杂交稻在齐穗后短日照其叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量均有所提高,其中,叶绿素b含量增加的幅度高于叶绿素a。牟会荣等[3]研究表明,小麦在拔节至成熟期短日照后可使小麦旗叶的Pn降低,同时ΦPSⅡ降低,而提高了光系统Ⅱ的Fo和Fv/Fm,短日照处理使鸡爪槭叶绿素荧光参数Fv/Fm也增加[4]。而战吉成等[5]的研究却认为,短日照诱导使葡萄叶片的Fv/Fm降低。短日照诱导使桃叶PSⅡ的光化学效率也降低,且后期降低幅度较大[6]。徐建堂等[7]研究发现,短日照诱导使麻类植物叶片中的可溶性糖和蛋白含量出现先降低之后升高而后又降低的趋势。郝建博[8]通过对桃品种燕红和保佳红进行短日照发现,2个品种叶片的可溶性糖含量降低,而尹淑丽等和李娅莉[9-10]研究表明,短日照诱导对小豆叶片的可溶性糖和蛋白含量没有明显的影响。符冠富等[11]在水稻灌浆期进行短日照诱导后发现,蔗糖合成酶的活性降低,从而导致籽粒蔗糖含量降低。

以上可见,其他作物在开花后以及小豆在初花前通过短日照诱导对叶片生理参数影响都有相关的研究,但关于初花后短日照诱导引起小豆叶片内生理参数的变化却未见报道。

本研究以中熟品种冀红9218和晚熟品种唐山红小豆为试材,分时期在初花后进行短日照诱导,测定叶片生理参数对短日照的响应,为小豆叶片生理参数对初花后短日照诱导的响应提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验选用中熟品种冀红9218和晚熟品种唐山红小豆作为试验材料,在河北农业大学保定教学实验基地进行。

1.2 供试土壤肥力测定

经测定,试验小区(0~20 cm)的有机质含量为16.025 mg/g,全氮含量为1.023 mg/g,碱解氮、有效磷和速效钾的含量分别是91.750,66.075,126.400 mg/kg。由此可见,试验小区土壤肥沃,有利于小豆良好生长。

1.3 试验设计

本试验设置10 h光/14 h暗(10 h L/14 h D)和12 h光/12 h暗(12 h L/12 h D)2种日照长度,分别在初花-初荚(EF-EP)、初荚-初粒(EP-ES)和初花-初粒(EF-ES)3个时期进行短日照处理,以自然光作为对照(CK)。

试验每年于6月24日播种,小区面积为5 m×1 m,每小区采用点播种植2行,行距为40 cm,株距为15 cm,每个处理3次重复,试验设计采用随机区组排列,遮光处理是每天用不透光的黑红布在18:00和19:00进行遮光,次日早晨8:00和7:00揭开,遮光结束后在自然条件下生长至成熟。

1.4 试验方法

叶片生理参数测定:①叶绿素含量参照邹琦[12]的方法测定。②使用便携式光合仪(Li-6400)在晴天无云的上午9:30-11:00时选取中间叶片测定净光合速率(Pn)。③采用英国Hansatech公司FMS-2调制叶绿素荧光仪,选取中间叶片测定PS Ⅱ原初光能转化效率Fv/Fm。④可溶性蛋白含量参照Read等[13]的方法测定。⑤可溶性糖含量采用白宝璋等[14]的方法测定。⑥蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性测定步骤、测定方法和计算方法见试剂盒使用说明(由南京建成生物工程研究所提供)。⑦参照植物生理实验手册测定谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT)和谷氨酸丙酮酸转氨酶(GTP)的活性。

1.5 数据分析

所有数据采用Excel 2013整理,使用SPSS 17.0和SAS 9.4软件在α=0.05水平上进行方差分析及多重比较。

2 结果与分析

2.1 初花后短日照诱导对小豆叶绿素含量和叶绿素a/b值的影响

由表1可知,在10,12 h下,冀红9218的叶绿素总量在开花期的EF-EP处理下稍有升高,而EP-ES和EF-ES却显著降低,结荚期在EF-ES处理下分别降低10.42%和3.47%,12 h下的EF-EP和EP-ES都显著升高4.00%,鼓粒期的各个处理较对照都显著降低。唐山红小豆在开花期的EF-EP(10 h)和EF-EP(12 h)较对照升高,其余处理都降低,结荚期和鼓粒期也都呈现降低趋势,且以EF-ES处理降低尤为明显。

叶绿素含量的变化会影响叶绿素a/b值的波动,冀红9218的叶绿素a/b值在开花期的EP-ES(10 h)、EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)处理下较对照分别显著升高16.76%,18.95%和11.49%,结荚期的EP-ES(10 h)、EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)处理分别显著升高7.28%,17.16%和7.89%,鼓粒期的3个处理较对照都显著升高。唐山红小豆开花期的EF-ES(10 h)、EP-ES(12 h)和EF-ES(12 h)处理较对照分别显著升高22.40%,21.58%和24.75%,而在结荚期和鼓粒期总体呈现升高趋势,在结荚期EF-EP (10 h)处理下较对照升高3.23%,EP-ES (10 h)和EF-ES(10 h)显著升高6.83%和16.67%,12 h下的3个处理分别显著升高6.25%,7.41%和12.28%,鼓粒期10 h和12 h下较对照分别显著升高9.84%,17.92%,12.56%,8.42%,17.54%和13.86%。说明初花后短日照对叶绿素含量也有影响,进而影响小豆的发育。

表1 初花后短日照诱导对叶绿素含量和叶绿素a/b的影响
Tab.1 Effects of short day photoperiod inducement after early flowering on chlorophyll content and chlorophyll a/b

注:均值±SE,每列不同的小写字母表示在α=0.05水平上的统计显著性。表2同。
Note:Values are means ± SE,each column with different lowercase letters indicates statistical significance at the level of α=0.05. The same as Tab.2.

2.2 初花后短日照诱导对小豆净光合速率(Pn)和最大光化学量子产量(Fv/Fm)的影响

由表2可见,初花后短日照诱导使2个小豆品种的Pn在开花期和鼓粒期较对照都降低,结荚期2个品种的EP-ES (10 h)处理较对照稍有升高,其余处理都降低,在3个时期中呈现短日照诱导时间越长,降低就越多的趋势。

冀红9218的Fv/Fm在开花期的EF-EP(10 h)处理较对照显著降低13.51%,结荚期降低均不明显,鼓粒期10 h下的3个处理分别显著降低9.88%,8.64%和8.64%,而12 h下的3个处理降低不明显。唐山红小豆在开花期和结荚期的各个处理较对照降低都不明显,鼓粒期EF-ES(10 h)较对照显著降低7.69%,其余处理降低不明显。说明2个供试小豆品种均未受到光抑制。这与PS Ⅱ反应中心可能发生可逆性失活、短日诱导仅减弱小豆光能利用有关。在短日照诱导结束后,小豆能恢复或加强对光能的利用,在生殖发育时期能够提供更多的营养物质来维持植株生长需要。

表2 初花后短日照对净光合速率和最大光化学量子产量的影响
Tab.2 Effectsof short-dayphotoperiod after early flowering on net
photosynthetic rate and maximum photochemical quantum yield

2.3 初花后短日照诱导对小豆可溶性蛋白含量的影响

从图1可看出,在10,12 h,2个品种的可溶性蛋白含量在3个时期较对照呈现降低趋势。冀红9218开花期在EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)处理下分别显著降低17.92%和31.36%,在结荚期略有降低,鼓粒期10 h下的EF-ES处理降低22.00%,12 h下的3个处理较对照都显著降低(图1-A)。

而唐山红小豆在开花期的EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)处理显著降低16.96%和10.69%,其余处理降低不明显,结荚期EP-ES(10 h)和EP-ES(12 h)较对照显著升高18.74%和13.56%,其余处理使叶片的可溶性蛋白含量降低,而在鼓粒期的各个处理较对照显著降低(图1-B)。

均值±SE,每个图注上不同的小写字母表示在α=0.05水平上的统计显著性。图2-6同。
Values are means ± SE,each bar with different lowercase letters indicates statistical significance at the level of α=0.05. The same as Fig.2-6.

图1 初花后短日照对可溶性蛋白含量的影响
Fig.1 Effects of short-day photoperiod after early flowering on soluble protein

2.4 初花后短日照诱导对小豆可溶性糖含量的影响

由图2可见,冀红9218的可溶性糖含量在3个时期对照总体呈现降低趋势,其中,开花期的EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)处理较对照分别显著降低36.04%和26.16%,而EP-ES(12 h)处理显著升高17.51%,结荚期的EF-ES(10 h)显著降低43.01%,鼓粒期的EF-ES(12 h)处理显著降低32.60%,其余处理降低都不明显(图2-A)。唐山红小豆在开花期和结荚期的各个处理较对照都无明显变化且差异都未达到显著水平,鼓粒期10 h下的3个处理较对照分别显著升高27.21%,33.36%和23.77%,12 h下的EP-ES处理显著升高22.35%,其余2个处理升高不明显(图2-B)。以上可见,初花后不同时期遮光使小豆叶片内可溶性糖含量变化因品种而异。

图2 初花后短日照对可溶性糖含量的影响
Fig.2 Effects of short-day photoperiod after early flowering on soluble sugar

2.5 初花后短日照诱导对小豆蔗糖合成酶(SS)活性的影响

由图3可见,冀红9218在开花期和结荚期较对照呈现降低趋势,其中结荚期的EP-ES(10 h)、EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)处理较对照分别显著降低9.64%,6.17%和9.49%,其余处理降低程度未达到显著水平,鼓粒期与对照相比变化不大(图3-A)。唐山红小豆在3个时期的各个处理较对照都无明显变化且2个时间点之间变化也不大(图3-B)。

图3 初花后短日照对蔗糖合成酶(SS)活性的影响
Fig.3 Effects of short-dayphotoperiod after early flowering on SS activity

2.6 初花后短日照诱导对小豆蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影响

由图4可见,冀红9218在3个时期较对照总体呈现升高趋势,其中,开花期的EF-EP(10 h)较对照显著升高36.04%,鼓粒期的EF-EP(12 h)较对照显著升高48.37%,其余处理升高不明显,结荚期较对照差异都未达到显著水平(图4-A)。唐山红小豆在开花期和结荚期降低,鼓粒期的EF-ES (10 h)和EF-ES (12 h)处理较对照降低,其余处理都升高,但差异都不明显,且2个时间点之间变化也较小(图4-B)。以上可见,SS和SPS活性总体呈现降低趋势,说明初花后不同时期短日照诱导使小豆叶片的蔗糖合成能力降低,能源物质降低,由此可能对产量形成产生不利影响。

2.7 初花后短日照诱导对小豆谷草转氨酶(GOT)活性的影响

由图5可见,初花后不同时期短日照诱导对2个小豆品种叶片内GOT的影响不大。冀红9218开花期的各个处理较对照都稍有降低,差异较对照都不明显,结荚期EF-EP(10 h)处理较对照显著升高8.02%,其余处理较对照变化不大,鼓粒期呈现降低趋势,但与对照相比都未达到显著水平(图5-A)。唐山红小豆在开花期和结荚期的各个处理较对照稍有降低,鼓粒期升高,但都未达到显著水平,2个品种在开花期、结荚期和鼓粒期的变化也不大。(图5-B)。

图4 初花后短日照对蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影响
Fig.4 Effects of short-day photoperiod after early flowering on SPS activity

图5 初花后短日照对谷草转氨酶(GOT)活性的影响
Fig.5 Effects of short-day photoperiod on GOT activity after early flowering

2.8 初花后短日照诱导对小豆谷丙转氨酶(GPT)活性的影响

由图6可见,初花后不同时期短日照诱导对2个小豆品种叶片内GPT酶活性的影响与GOT类似。冀红9218在开花期、结荚期和鼓粒期的各个处理较对照都呈现降低趋势,但差异都未达到显著水平(图6-A)。唐山红小豆在开花期的EF-EP(10 h)和EP-ES(12 h)处理较对照分别显著降低5.75%和4.60%,结荚期稍有升高,鼓粒期EF-EP (10 h)和EF-ES (10 h)稍有升高,其余处理降低,但与对照相比差异都不明显,2个品种相比差异变化也不大(图6-B)。由此可见,短日照诱导对GOT和GPT的影响不大,这2种酶在小豆植株体内保持稳定状态。因此,短日照诱导对小豆叶片内的转氨基代谢调控效应较小。

图6 初花后短日照对谷丙转氨酶(GPT)活性的影响
Fig.6 Effects of short-day photoperiod after early flowering on GPT activity

3 讨论与结论

叶片是感受光周期的主要部位,在不同的光周期诱导下,叶片内生理参数的变化会影响作物的生长发育过程。叶绿素作为光合作用的重要色素,日照长度的改变会影响叶绿素的含量,进而影响光合作用。如短日照条件下臭牡丹的叶绿素b以及总叶绿素含量低于对照[15]。而姜楠等[16]的研究发现,短日照均导致了不同穗型粳稻品种叶绿素含量的增加。紫叶加拿大紫荆叶片的Pn在短日照诱导条件下呈现下降趋势且日变化均呈单峰曲线[17]。短日照处理枫香叶片的Pn和Fv/Fm较对照降低[18],花后遮光渍水也会导致冬小麦的Pn下降[19]。而缴丽莉等[20]研究表明,在短日照诱导条件下,青榨槭叶片色素含量增加,叶绿素a/b减小,Pn和Fv/Fm增加。本研究表明,初花后短日照诱导使2个小豆品种的叶绿素含量、光合速率和PSⅡ最大光化学量子产量呈现降低趋势且在EF-ES处理降低幅度最大,与前人研究略有差异,可能与品种对光照的感受以及感受的时期不同有关,叶绿素含量下降导致叶片对光的捕捉和利用能力降低,使捕获和传递给PS Ⅱ反应中心的光能减少,进而影响原初反应,PSⅡ光化学反应活性的降低影响了电子传递速率。然而,初花后短日照诱导使电子传递速率降低是光合作用下降的部分原因,至于是否影响光合磷酸化和碳同化阶段而造成产量降低,有待进一步深入研究。

碳氮代谢是反映叶片生理功能的主要指标,光照改变会影响作物体内碳氮代谢的平衡。如尹宝重等[21]研究发现,短日照诱导使小豆叶片内的可溶性糖和蛋白含量降低。宋艳霞等[22]研究表明,短日照诱导使大豆功能叶片中的蛋白质含量显著降低,降低程度因品种而异,耐阴品种中可溶性蛋白含量的变化不大,而不耐阴品种中可溶性蛋白含量降低幅度较大。李天等[23]研究发现,短日照诱导使日本睛和IR72籽粒内蔗糖和淀粉含量均呈现显著的降低趋势。本研究发现,初花后短日照诱导使小豆叶片内的可溶性糖和蛋白含量呈现降低趋势且在EF-ES处理降低最多,这与前人研究结果相一致。说明光照与作物碳氮代谢具有明显的相关性,短日照条件下NO3-的还原能力减弱,碳水化合物供应减少;而恢复光照时,碳氮供应能力增强,也与碳氮的利用率有关,由此可见,光照长度和碳氮代谢协同互作影响植物的生长发育、物质生产和分配。

短日照会影响保护酶的活性[24]。进一步测定了相关酶活性后发现,初花后短日照诱导使小豆叶片的SS和SPS酶活性呈现降低趋势且EF-ES处理降低最多,GOT和GPT酶活性受光照的影响不大。在其他作物上,玉米在生育后期进行短日照诱导后使SS活性降低[25]。水稻灌浆期经过短日照诱导后SS和SPS的活性也降低,从而导致籽粒蔗糖含量降低[11]。这与前人在其他作物上的研究结果相一致。说明伴随着植株的不断衰老,在短日照诱导后植株的代谢能力缓慢,自我调节能力下降,抗氧化酶的能力降低,细胞膜透性加强,植株提前成熟,但其内部机理非常复杂,有关短日照诱导时期及处理调控小豆的生化代谢机制仍有待进一步探讨。

通过本研究发现,初花后短日照诱导也明显影响小豆叶片的生理参数,且在EF-ES(初花-初粒)处理下的影响较大,在EF-EP(初花-初荚)处理下的影响较小,即处理时间越长,影响越大,进而影响小豆的生长发育,说明小豆的一生对光照都有感应,只是花前更为敏感,本研究通过初花后短日照诱导阐述了叶片生理参数的变化,进一步了解初花后短光照诱导对小豆生理参数的影响,为初花后光照变化对小豆籽粒品质的影响研究奠定了基础。

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Effects of Short-day Photoperiod Inducement after Early Flowering on Physiological Parameters in Adzuki Bean Leaves

DONG Weixin1,YIN Baozhong2,ZHANG Yanli2,ZHANG Yuechen2

(1.Hebei Radio and TV University,Shijiazhuang 050080,China;2.College of Agronomy,Hebei Agricultural University,Key Laboratory of Crop Growth Regulation of Hebei Province,Baoding 071001,China)

AbstractIn order to clarify the effects of short-day photoperiod inducement after early flowering on physiological parameters in adzuki bean,medium maturing variety Jihong 9218 and late maturing variety Tangshanhongxiaodou were treated by different short-day photoperiod at Early Flowering-Early Podding(EF-EP),Early Podding-Early Seed(EP-ES)and Early Flowering-Early Seed(EF-ES)three stages,to investigate the effects of short-day photoperiod inducement on physiological parameters in adzuki bean leaves. Short-day photoperiod inducement decreased the chlorophyll content of two adzuki bean varieties,net photosynthetic rate also showed a decreasing trend at the same time.Which leads to decreased the maximum photochemical quantum yield(Fv/Fm);Soluble sugar and soluble protein content of two adzuki bean varieties were decreased by short-day photoperiod inducement after early flowering,and 12 h short-day photoperiod inducement had a greater influence at the EF-ES stage,and then leading to slower carbon and nitrogen metabolism,meanwhile,sucrose synthetase(SS)activity showed a decreasing trend,it was thus clear that the rate of carbon metabolism was related to SS activity,but the activities of sucrose phosphate synthase(SPS)in two varieties were different,sucrose phosphate synthase(SPS)activity of Jihong 9218 increased at three stages compared with CK while Tangshanhongxiaodou decreased,which might be related to the ripening of varieties;glutamic-oxalacetic transaminase(GOT)and glutamic-pyruvic transaminase(GPT)activity were not affected by photoperiod. The induction effect of short-day induction effect after anthesis was weaker than that before anthesis,but it also had a certain control effect,physiological parameter in adzuki bean could be regulated by short-day photoperiod inducement after early flowering,thereby affecting the growth and development of adzuki bean.

Key words:Adzuki bean;After early flowering;Short-day photoperiod;Leaves;Physiological parameters

中图分类号S521.01

文献标识码:A

文章编号:1000-7091(2018)04-0139-08

doi:10.7668/hbnxb.2018.04.020

收稿日期2018-03-15

基金项目国家自然科学基金项目(31271653);河北省自然科学基金项目(C2015204095)

作者简介董伟欣(1983-),女,河北石家庄人,讲师,博士,主要从事作物栽培生理学研究。

通讯作者张月辰(1964-),男,河北沧州人,教授,博士,博士生导师,主要从事小豆栽培生理研究。