黄化对吐鲁番葡萄叶片光合及叶绿素荧光特性的影响

（1.新疆农业大学 林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.吐鲁番现代农业科技开发中心，新疆 吐鲁番 838000）

葡萄Vitis viniferaL.是葡萄科葡萄属植物，它是世界上重要的鲜食果品和加工原料，深受人们的欢迎，葡萄果实产量和品质一直是葡萄加工生产和科学研究的重点[1-2]。叶幕微气候作用于葡萄的整体生产过程中，对葡萄的生长发育和果实产量有着直接的影响[3]。近年来新疆吐鲁番地区无核葡萄出现大面积叶片黄化现象，黄化轻微时叶片淡黄，严重时葡萄不仅整株叶片黄化，甚至还会造成树体死亡。叶片作为光合作用的主要器官，光系统Ⅱ（PSⅡ）起着至关重要的作用，光合速率的变化与光合电子传递有关。叶绿素荧光参数早已成为衡量植物抗逆的重要指标[4]。因此，研究葡萄植株在黄化状态下叶片光合及叶绿素荧光参数的变化，对研究葡萄叶片生长发育规律起到重要指导作用。光合作用与叶绿素荧光相结合可以更系统、更全面地反映出逆境胁迫对植物叶片光合的损伤机理[5]。近年来，国内外学者对葡萄的光合特性及荧光参数进行了许多探讨。王振兴等[6]研究不同盐胁迫程度对2种山葡萄品种光合特性及PSⅡ活性的影响，结果表明盐碱胁迫对山葡萄‘双优’的叶片净光合速率、PSⅡ对光能的吸收和传递效率均大于‘左山一’，而‘左山一’的耐盐碱性更强。贾杨等[7]研究比较6个葡萄品种在高温强光下光合及荧光参数的变化，认为‘无核白’和‘淑女红’对高温和强光的适应性较强，而对高温强光适应性较弱的却是‘巨峰’和‘红地球’。黎冰等[8]通过研究不同配比的硝态氮和铵态氮对‘赤霞珠’葡萄新梢生长和叶片光合特性的影响，发现配施能提高‘赤霞珠’葡萄叶片光合特性。新疆葡萄黄化病的发生主要分布在北疆及吐鲁番地区，早在1993年吐鲁番胜金乡‘无核白’葡萄就开始发生黄化病并逐渐蔓延。目前，对叶片生长发育、光合特性及叶绿素荧光参数等研究机理主要集中在文冠果[9]、枣[10]、银杏[11]等植物上，而在葡萄方面的研究相对较少[12-13]。本试验以葡萄正常株和黄化株‘无核白’（Thompsons seedless）和‘无核白鸡心’（Centennial seedless）为研究对象，研究不同黄化程度对葡萄园小气候、叶片光合特性及叶绿素荧光参数的影响，以期为今后葡萄优质生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以吐鲁番市高昌区胜金乡色格孜库勒村的葡萄黄化园生长的‘无核白’和‘无核白鸡心’为试材，葡萄园树龄8 a，倾斜式小棚架栽培，株行距为4 m×4.5 m（见图1）。

图1 吐鲁番葡萄黄化园与正常园Fig.1 Yellowing and normal orchard of Turpan grape

1.2 葡萄黄化程度的划分

葡萄黄化病的程度划分参考晁无疾[12]的方法，根据试验地葡萄新梢叶片的黄化程度依次划分为正常叶（CK）、轻度黄化叶、中度黄化叶和重度黄化叶4个等级。

1.3 方 法

1.3.1 葡萄园小气候观测方法

于2017年7月，采用手持式农业环境检测仪对‘无核白’和‘无核白鸡心’葡萄黄化园和正常园进行田间小气候观测，采用定点定位观测方法，在棚架下植株行间中线上布设5个测量点，于各点处选择植株长势一致的葡萄5株，记录时间为10:00—12:00。测定pH值、光合有效辐射（μmol·m-2s-1）、土壤温度（℃）、土壤水分含量（%）和空气温度（℃）、相对湿度（%）、CO2浓度（μmol·mol-1）等，并计算其平均值。

1.3.2 光合参数测定方法

于2017年7月16日上午10:00—12:00，采用美国LI-6400便携式光合仪对葡萄正常株和黄化株叶片光合特性进行了测定。选取供试品种‘无核白’和‘无核白鸡心’生长中庸、无病虫害且生长势基本一致的植株5株，每样株随机选取5个结果枝，从每个结果枝的向阳处各选取5片叶测定，每叶片重复3次。测定光合参数包括净光合速率（Pn）、光合有效辐射（PAR）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO2浓度（Ci）等。

1.3.3 荧光参数测定方法

测定光合参数的同时测定叶绿素荧光参数，采用FMS-2便携脉冲调制式荧光仪进行荧光参数的测定。将选好的叶片经过充足自然光适应，并用暗适应夹夹好，测定自然光下叶片叶绿素荧光参数的变化，并算出实际光化学效率（ΦPSⅡ）。叶片被暗适应30 min后，测定暗适应下叶片初始荧光值（Fo）、最大荧光值（Fm）、PSⅡ最大光能转化效率（Fv/Fm）等荧光参数，并计算其非光化学猝灭系数（NPQ）。

1.4 数据处理

试验数据处理和绘图采用Excel软件完成，采用SPSS19.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）。

2 结果与分析

2.1 黄化对葡萄园小气候的影响

植株的生长发育与气候变化有着密切的联系，见表1。由表1可知，2种葡萄正常园的光合有效辐射、土壤水分和CO2浓度均显著大于黄化园，而土壤温度之间差异不显著。无核白和无核白鸡心葡萄正常园土壤水分含量分别是黄化园的1.08、1.16倍。无核白黄化园田间温度、相对湿度分别是正常园的1.05、1.15倍，显著大于正常园。关于田间CO2浓度，2种葡萄品种正常园均显著大于黄化园，分别是黄化园的1.07、1.27倍。

表1 黄化对葡萄园小气候的影响†Table 1 Effects of yellowing on the microclimate of vineyards

2.2 不同黄化程度对葡萄叶片光合特性的影响

对不同黄化程度葡萄叶片光合特性变化进行分析，见图2。由图2可知，随着黄化程度的不断加深，2种葡萄黄化株叶片净光合速率（Pn）均显著低于正常株，无核白和无核白鸡心Pn均是正常株的95.71%和96.45%；叶片黄化还引起植株叶片气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）显著降低，而胞间CO2浓度（Ci）则显著上升。随着黄化程度的不断增加，无核白不同黄化程度叶片Gs值分别比正常株降低了23.80%、71.42%、85.71%，差异达到极显著水平；2种葡萄重度黄化叶片Tr值均显著低于正常叶片，达到极显著差异水平，但轻度黄化和中度黄化之间无显著差异；无核白和无核白鸡心重度黄化株叶片Ci分别比正常株提高了20.74%和9.23%，达到显著差异水平。

2.3 不同黄化程度对葡萄叶片叶绿素荧光参数的影响

随着黄化程度的不断加重，2种葡萄的最大光化学转化效率（Fv/Fm）、最大荧光（Fm）及非光化学猝灭（NPQ）均显著降低，而初始荧光（Fo）显著高于正常株，见图3。由图3可知，无核白和无核白鸡心正常株Fv/Fm分别比重度黄化叶高97.62%和164.29%，轻度黄化与中度黄化叶之间则无显著差异；葡萄正常株叶片Fo值显著低于重度黄化叶，而Fm值则相反，两者均达到极显著差异水平。

非光化学猝灭系数(NPQ)＝(Fm-Fm′)/Fm′是反映PSⅡ吸收的光被用于光合电子传递而以热耗散的形式释放出来的光能部分，是光合机构的一种保护机制[14]。无核白不同黄化程度叶片NPQ值之间差异不显著，而无核白鸡心植株正常叶NPQ值降幅却大于黄化叶，正常叶NPQ值分别比轻度黄化叶、中度黄化叶和重度黄化叶大0.45、1.46和1.57，差异达到显著水平。

图2 不同黄化程度对葡萄叶片光合特性的影响Fig.2 Effect of different yellowing degree on photosynthetic characteristics of grape leaf

2.4 环境因子与葡萄黄化叶片光合和荧光参数间的相关性研究

葡萄园各环境因子与叶片光合和荧光参数的相关性分析见表 2。由表2可知，葡萄各环境因子与黄化叶片光合及荧光参数均呈一定的相关性。光合有效辐射、CO2浓度、土壤温度与葡萄黄化株Fo、Fm、NPQ呈极显著正相关；而CO2浓度与黄化株Tr、Fv/Fm呈显著负相关，相关系数分别为-0.645、-0.732；土壤水分与叶片Fm、NPQ呈显著正相关，相关系数分别为0.700、0.641；土壤温度、pH值分别与黄化株叶片Gs、Tr呈显著负相关，相关系数分别为-0.897、-0.892和-0.782、-0.741；pH值与叶片Fo、Fm、NPQ呈显著正相关，而空气温度、空气湿度与其他光合及荧光参数间无显著相关。

3 讨 论

3.1 黄化与葡萄叶片光合及叶绿素荧光参数的关系

光合特性与叶绿素荧光特性紧密相关，任何环境因素的变化对光合作用的影响都可以通过叶绿素荧光特性反映出来[15]。叶绿素荧光参数中Fv/Fm（PSⅡ最大光能转化效率）是衡量植物没有受到光抑制的重要指标，是一种非常良好的探针[16-17]。而非光化学猝灭系数（NPQ）是植物光合机构的一种自我保护机制。前人对黄化病的研究多集中在香梨、桃树、槟榔等果树上，本研究发现无核白葡萄重度黄化叶Fv/Fm、Fm及NPQ均显著低于正常株，分别比正常株降低了49.40%、17.54%和20.77%。关于这一方面，王志军等[18]研究黄化对水稻剑叶叶绿素荧光参数的影响时发现正常剑叶的Fv/Fm、Fm、qP（光化学速率）等值均显著高于黄绿、绿黄叶片。熊博等[19]通过分析柑橘幼苗叶片光合及叶绿素荧光参数的关系时也发现柑橘黄化苗的Fv/Fm、qP和NPQ均显著低于绿叶苗。这些论断和本研究一致。分析认为试验地吐鲁番作为无核白葡萄之乡，葡萄发生黄化易导致叶片光合速率降低，PSⅡ反应中心部分失活，光合电子的传递受到影响，从而阻碍叶片进行正常的光合作用。葡萄黄化病是多因子复合叠加产生的后果，如何通过研究和对比分析确定吐鲁番地区葡萄黄化病的主要致病因子，从而有针对性地制定矫正措施是本研究后期努力的方向。

图3 不同黄化程度对葡萄叶片叶绿素荧光参数的影响Fig.3 Effect of different degrees of etiolation on chlorophyll fluorescence parameters of grape leaves

表2 各环境因子与葡萄叶片光合和荧光参数间的相关性†Table 2 Correlation of environmental factors with grape leaf photosynthetic and fluorescent parameters

3.2 各环境因子与光合及荧光参数的相关分析

植株的光合特性不仅受遗传控制，还受环境因子的影响，然而影响光合速率的因子又是复杂多样的。孟凡超等[20]研究表明，大气CO2浓度升高可提高玉米的最大净光合速率、光饱和点和干物质积累量，增加植株产量。而王慧等[21]通过研究大气CO2浓度与短花针茅光合特性的关系发现，大气CO2浓度升高可引起叶片Pn上升，Gs和Tr下降。本研究发现大气CO2浓度与葡萄黄化株Fo、Fm、NPQ、Tr呈显著相关，相关系数分别为0.937、0.925、0.884、-0.645。初步分析认为CO2是植物进行光合作用的底物，然而由于植株黄化后光合能力降低，导致叶片吸收大气CO2减少。此外研究还发现，环境因子中温度与这些参数变化也相关，土壤温度与Fo、Fm、NPQ呈极显著正相关，相关系数分别为0.937、0.881、0.857。关于这一方面，赵爽等[15]通过分析‘绿岭’核桃叶片光合和荧光参数的相关性发现，叶片Tr与PAR、空气温度、Fo呈显著正相关；匡经舸等[22]研究冬樱花和日本晚樱光合特性与环境因子的关系时也发现，光合有效辐射、大气温度、空气相对湿度与冬樱花Pn均呈显著相关性。究其原因可能是吐鲁番夏季（6—8月）气温高于40 ℃，而植株光合作用是由酶系统参与的生物化学过程，酶的活性受到外界高温影响，加大了酶活性催化效率，使植株光合速率得到有效提升[23]。

4 结 论

通过对吐鲁番葡萄黄化园、正常园环境因子与叶片光合特性及叶绿素荧光参数的相关性分析发现，各指标之间关系密切，环境因子中大气CO2浓度、PAR、土壤温度与葡萄叶片Fo、Fm、NPQ呈极显著相关关系，而空气温度、空气湿度与其他光合及荧光参数无显著相关。光合及荧光参数分析表明：随着黄化程度的不断加深，2种葡萄叶片Pn、Gs、Fv/Fm、Fm、NPQ值均显著降低，正常株显著大于黄化株，而Ci则显著增加。

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