高温胁迫对玉米结实期光合作用的影响及恢复机制研究

《BMC Plant Biology》：High temperature effects on maize photosynthesis during stress and recovery phase at the seed setting stage

为探究高温（HT）去除后玉米光合作用的变化，中国农业大学等研究人员以不同热敏感性的玉米品种为材料开展实验。结果表明，HT 抑制玉米光合作用，且去除 HT 后仍有持续影响，这为应对高温胁迫、保障玉米产量提供理论依据。

　　在全球气候变暖的大背景下，高温天气就像一场来势汹汹的 “热风暴”，频繁地侵袭着农业领域，给农作物的生长带来了巨大挑战。玉米，作为全球重要的粮食作物之一，自然也难以幸免。高温胁迫对玉米的产量有着严重的影响，而光合作用是玉米产量形成的基础，它对高温十分敏感。以往，大量研究聚焦于高温期间玉米光合作用的变化，然而对于高温去除后光合作用的恢复情况，相关研究却相对不足。但实际上，了解高温去除后玉米光合作用的恢复过程至关重要，这不仅关乎玉米植株能否 “重焕生机”，继续健康生长，还对保障全球粮食安全意义重大。

为了深入探究这一问题，中国农业大学的研究人员挺身而出，开展了一项极具价值的研究。他们在可控温的温室中，精心设计了一系列实验，选用了不同热敏感性的玉米品种，如金海 5 号（JH）和先玉 335（XY），模拟不同的高温环境，对玉米结实期进行高温处理，并在高温胁迫期间和恢复阶段，详细测量了玉米的光合作用及相关生理参数。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是盆栽实验，在可控温的温室环境中种植玉米，精准控制实验条件；其次，利用 Li - Cor 6400 便携式系统测量叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率；还使用便携式叶绿素荧光仪 MINI - PAM II 测定叶绿素荧光参数；通过测定丙二醛（MDA）含量评估脂质过氧化程度，并检测过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性；最后借助透射电子显微镜观察叶肉细胞的超微结构。

研究结果如下：

1. 不同温度处理下的光合作用：在 2021 年和 2022 年的实验中，两个玉米品种在高温胁迫及胁迫解除后的光合作用均受到温度处理的显著影响。2021 年，JH 在高温处理下光合作用显著降低，且在高温去除后 2 天仍未恢复；2022 年，XY 在高温去除后 5 天光合作用仍未恢复，且比对照组低 11.2% 。这表明高温对玉米光合作用的抑制作用在胁迫解除后依然存在，且不同品种恢复时间存在差异。
2. 叶绿素荧光参数：高温对叶绿素荧光参数影响显著，在高温胁迫期间，各参数变化明显，且对 JH 的影响大于 XY。高温胁迫解除后，JH 的叶绿素荧光参数迅速恢复到正常水平甚至优于对照组，而 XY 的部分参数在高温去除后 1 天仍显著异常，3 - 5 天才逐渐恢复。这说明高温对不同品种叶绿素荧光参数的影响不同，且恢复情况也存在差异。
3. 脂质过氧化和抗氧化活性：高温处理下，玉米叶片中 MDA 含量增加，POD 和 SOD 活性也显著升高，且在高温去除后 2 天，这些指标仍保持较高水平，4 天后才无显著差异。这表明高温导致玉米叶片发生脂质过氧化，且抗氧化系统在高温胁迫及恢复阶段都发挥着重要作用。
4. 叶肉细胞超微结构：高温显著改变了叶肉细胞中叶绿体的排列和形态，从 32℃到 38℃，叶绿体形状从梭形变为球形，且在高温去除后 4 天仍未恢复。这说明高温对叶绿体结构造成了不可逆的损伤，进而影响了光合作用。
5. 籽粒产量和产量构成：2021 年对 JH 的研究发现，高温处理显著降低了籽粒重量和数量，尽管高温下籽粒大小有所增加，但仍无法弥补数量的减少，最终导致产量下降。这表明高温在玉米结实期对产量有负面影响。

研究结论和讨论部分指出，高温对玉米光合作用的抑制不仅体现在胁迫过程中，在胁迫解除后依然存在。叶绿素荧光参数、叶肉细胞超微结构和膜脂过氧化（MDA）等都是限制高温下玉米光合作用的重要因素。高温解除后，玉米光合作用的恢复需要 3 - 5 天，这一过程受到膜系统异常和细胞氧化状态的影响。此外，高温在玉米结实期会减少同化产物的供应，从而降低籽粒数量和重量，最终影响产量。根据不同品种在高温和恢复阶段的表现，培育抗高温品种是应对高温胁迫、维持玉米产量稳定的重要途径。

这项研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，它为我们深入了解高温胁迫对玉米的影响提供了宝贵的信息，也为农业生产中应对高温挑战提供了重要的理论依据，对保障全球粮食安全具有重要意义。