干旱和高溫對4個冬小麥基因型光合特性的聯(lián)合效應研究
摘要
未來，陸地生態(tài)系統(tǒng)將經(jīng)歷更強烈、更長時間的干旱和熱浪。然而，這些環(huán)境因素及其相互作用如何影響光合活性和水分利用效率仍然是一個懸而未決的問題。由于光合活性決定產(chǎn)量反應，我們研究了四個冬小麥品種旗葉的氣體交換和葉綠素熒光特性，包括兩個在中歐廣泛種植的基因型和兩個被認為耐旱的基因型。盆栽植物在自然田間條件下栽培，直到開花（DC 61）。隨后，使用實驗室生長室，將這些植物暴露在一組最高日溫度為26–41°C（溫度處理）和最大土壤持水量高于70%和低于30%（干旱處理）的溫度條件下。馴化7天和14天后的主要光化學反應（以光系統(tǒng)II光化學的最大量子產(chǎn)率和總葉綠素含量測量）顯示了溫度和水有效性的典型相互作用，導致在干旱和35°C以上溫度的聯(lián)合影響下產(chǎn)生放大反應。相比之下，干旱和溫度處理對表皮黃酮醇含量的影響較小。干旱超溫對氣孔導度（GSmax）有顯著影響。雖然發(fā)現(xiàn)了大量的基因型特異性反應，但氣孔導度降低導致所有研究基因型的光飽和CO2同化率（Amax）顯著降低。然而，GSmax–Amax關系表明，在高于32°C的溫度下，其他非氣孔過程對CO2的吸收受到限制，尤其是在敏感基因型中。干旱和溫度聯(lián)合處理對水分利用效率（WUE）有較強的交互作用。水分虧缺時，水分利用效率隨溫度升高而下降的幅度比所有研究基因型的水分充足植株都要大。因此，我們的結果證明了高溫和干旱對光合碳吸收的強烈交互作用。檢測到的對干旱和熱脅迫的敏感性閾值將有助于改進未來預期氣候條件下小麥生長和生產(chǎn)的建模。
Combined effects of drought and high temperature on photosynthetic characteristics in four winter wheat genotypes
Abstract
Terrestrial ecosystems are expected to experience more intense and longer drought and heat-waves in the future. How these environmental factors and their interaction influence photosynthetic activity and water use efficiency remains, however, an open question. Since the photosynthetic activity determines yield response, we investigated gas-exchange and chlorophyll fluorescence traits of flag leaves in four winter wheat cultivars, including two genotypes widely grown in Central Europe and two genotypes considered as drought tolerant. Pot-grown plants were cultivated under natural field conditions until anthesis (DC 61). Subsequently, the plants were exposed to a set of temperature regimes with daily maxima of 26–41 °C (temperature treatment) and maximum soil water holding capacity above 70% and below 30% (drought treatment) using laboratory growth chambers. Primary photochemical reactions after 7 and 14 days of acclimation, measured as maximum quantum yield of photosystem II photochemistry and total chlorophyll content, showed typical interactions of temperature and water availability resulting in an amplified response under combined influence of drought and temperatures above 35 °C. In contrast, drought and temperature treatment had only minor effects on content of epidermal flavonols. A dominant effect of drought over temperature on stomatal conductance (GSmax) was observed. Although substantial genotype-specific responses were found, reduced stomatal conductance resulted in significant decrease in light-saturated rates of CO2 assimilation (Amax) in all genotypes studied. The GSmax–Amax relationship, however, revealed limitation of CO2 uptake by other, non-stomatal processes at temperatures above 32 °C, particularly in the sensitive genotypes. Strong interaction of combined drought and temperature treatments was found on water use efficiency (WUE). Decline in WUE with increasing temperature was steeper in water-deficit than well-watered plants of all genotypes studied. Our results thus document a strong interactive effect of elevated temperature and drought on photosynthetic carbon uptake. Detected thresholds of sensitivity to combined drought and heat stress will contribute to improved modelling of wheat growth and production under expected future climate conditions.
Dualex是一款源自于法國國家科學院 (CNRS)及巴黎第十一大學技術，由奧地利PESSL公司生產(chǎn)（原法國Force-A公司）開發(fā)的新型多功能葉片測量儀。它可同時準確測量葉片的葉綠素含量、葉片表層的類黃酮和花青素含量，適用于植物生理學和農(nóng)學（如水稻葉綠素濃度，玉米氮素狀況，葡萄藤等）相關研究。
其測量對象可以是單子葉植物，雙子葉植物或多年生植物。這款設備簡單易用，可進a行實時和非破壞性測量。由于不需要校準標定和事先的樣品制備，測量工作可在實驗室或現(xiàn)場完成。此外，該設備在各種溫度的和環(huán)境光照條件下均可正常使用。系統(tǒng)采用專利設計，光學傳感器可進行簡單、快速、無損測量葉片中的葉綠素、多酚以及花青素。
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