水楊酸對鋁脅迫下白苦瓜幼苗光合特性的影響

孟長軍，趙銀萍，杜喜春，谷勞亦真

（西安文理學院生物與環境工程學院，陜西 西安 710065）

白苦瓜（Momordica charantia）為葫蘆科苦瓜屬植物。因其潔白如玉的果實和清熱去火的功效深受消費者的青睞，種植面積正逐年擴大[1]。鋁（Al）是土壤中含量較為豐富的活潑金屬元素之一。土壤中的水溶性鋁和交換性鋁往往會抑制根系的伸長、減少根系的數目，使植物葉片黃化、紫化，進而抑制植物生長[2-3]。難溶性的鋁在土壤酸性增強的條件下亦會變成可溶性的鋁離子，從而對植物產生傷害[4]。隨著酸雨的頻繁發生，土壤中鋁的活化變得更為普遍，這對白苦瓜的生長也帶來更多的負面影響[5-6]。

光合作用是植物體內最重要的生化過程。光合作用的強弱不僅決定著植物自身生物量的多少，而且對于植物間的競爭也意義重大。研究發現，鋁脅迫能夠降低植物體內的葉綠素含量，抑制植物的光合作用，降低凈光合速率和光化學猝滅系數[7-8]。水楊酸（salicylic acid，SA）作為一種信號分子，可以誘導逆境相關基因的表達、調節細胞抗氧化機制，從而增強植物對生物和非生物脅迫的耐受性[9-11]。研究還發現，水楊酸可以影響到光合碳同化酶類活性、光合色素活性以及光合器官穩定性等[12-13]，并且認為光合作用對于水楊酸提高植物環境適應能力意義重大[14]。

關于SA緩解植物鋁毒害的研究近年來也有所報道。但需要指出的是，在對水楊酸緩解鋁害脅迫的機理進行研究時，多集中于抗氧化系統的研究[15]，以及氣體交換特性和光合色素的分析[16]，很少將葉綠素熒光技術和光合特性結合起來對SA緩解鋁害脅迫的光合機理進行研究。此外，水楊酸對植物生長發育的調節作用有明顯的環境效應，且具體的調節效果還會因植物種類而發生變化[14]。

水楊酸對鋁脅迫下白苦瓜光合作用影響的研究目前尚未展開。為此，本試驗設置了不同濃度梯度的SA，通過研究外源SA對白苦瓜光合特性、葉綠素熒光特性等指標的影響，以探明SA對白苦瓜鋁毒害緩解的光合機制，為酸性土壤中白苦瓜的抗鋁栽培提供一些理論和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試作物為純豐白苦瓜。

1.2 試驗設計

試驗在西安文理學院植物生長繁育單元文洛溫室內進行。選取大小一致的白苦瓜種子，播種于營養缽中，所用栽培基質為純沙。真葉出現后，用Hoagland營養液進行定時定量澆灌，保持栽培基質的濕潤。

待白苦瓜幼苗長到兩葉一心期時，以Hoagland營養液＋400 mg/L AlCl3脅迫為對照，設3個處理：T1.Hoagland 營養液＋400 mg/L AlCl3＋30 μmol/L SA；T2.Hoagland營養液＋400mg/LAlCl3＋60μmol/L SA；T3.Hoagland營養液＋400mg/LAlCl3＋90μmol/L SA。每個處理3次重復，每個重復20株幼苗。處理開始15 d后，每個處理任選5株進行指標測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 氣體交換參數和葉綠素熒光參數的測定在晴朗的天氣條件下，每天9:00—11：00使用美國LI-COR公司的Li-6400便攜式光合儀進行測量。

采用Li-6400光合測定系統測定胞間CO2濃度（Ci）和光響應曲線。光響應曲線測定時的參數：葉室溫度設定為25℃；相對濕度約70%；安裝CO2小鋼瓶，對CO2注入系統進行校準后，設定CO2濃度為400 μmol/mol；采用紅藍光源，光合有效輻射強度（PAR） 梯度為：1 500，1 200，1 000，800，500，250，120，100，60，30，0 μmol/（m2·s）。利用葉子飄的軟件擬合計算最大凈光合速率（Amax）、表觀量子效率（AQE）和暗呼吸速率（Rd）。

使用Li-6400熒光葉室測量最大光量子產量（Fv/Fm）、電子傳遞速率（ETR）、非光化學猝滅系數（NPQ）、光化學猝滅系數（qP）。設定測定溫度為25℃，濕度為70%。

1.3.2 葉綠素含量和葉氮含量的測定 從上往下數選取第2片葉子，使用TYS-3N型植物營養測定儀，測定白苦瓜的葉綠素含量和葉氮含量。

1.3.3 氣孔限制值 氣孔限制值（Ls）根據公式進行計算。

其中，Ca為大氣CO2濃度，Ci為胞間CO2濃度。

1.4 數據分析

采用Excel 2013和SPSS 16.0進行數據處理，各處理間采用Duncan法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度的SA處理對鋁脅迫下白苦瓜幼苗光合指標的影響

不同濃度的SA處理對鋁脅迫下白苦瓜幼苗光合指標的影響也不同。隨著SA濃度的增加，鋁脅迫下白苦瓜幼苗的最大凈光合速率（Amax）、表觀量子效率（AQE）均呈先升高后降低的趨勢（表1）。T2處理（60 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的最大凈光合速率、表觀量子效率均顯著高于CK，且達到最大值，分別為CK的1.34倍和1.35倍。

隨著SA濃度的增加，鋁脅迫下白苦瓜幼苗的暗呼吸速率（Rd）呈先降低再升高的趨勢。T1和T3處理下，白苦瓜幼苗的Rd均小于CK，但與CK間差異均不顯著。T2處理（60 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的Rd顯著小于CK，僅為CK的63.03%（表1）。

表1 不同濃度水楊酸處理對白苦瓜幼苗光合指標的影響

2.2 不同濃度的SA處理對鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉綠素含量的影響

由圖1可知，隨著SA濃度的增加，鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片中葉綠素的含量呈現先升高再下降的趨勢。T2處理（60 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的葉綠素含量最高，為CK葉綠素含量的1.40倍。T1處理（30 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的葉綠素含量亦顯著高于對照，為CK葉綠素含量的1.28倍。T3處理（90 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的葉綠素含量雖高于對照，但二者間差異不顯著。

2.3 不同濃度的SA處理對鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片葉綠素熒光特性的影響

從圖2可以看出，SA的濃度不同，對鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片葉綠素熒光特性的影響也不同。外施SA后，鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片的最大光量子產量（Fv/Fm）、電子傳遞速率（ETR）及光化學猝滅系數（qP）均高于CK；噴施SA后，鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片的非光化學猝滅系數均小于CK。T2處理下，鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片的Fv/Fm，ETR及qP均達到最大值，分別為CK的1.24倍、1.61倍和1.55倍。T2處理下，鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片的非光化學猝滅系數（NPQ）達到最小值，僅為CK的76.30%。

2.4 不同濃度的SA處理對鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片氣孔限制值的影響

隨著SA濃度的增加，鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片的氣孔限制值呈先降低后升高的趨勢（圖3）。T2處理下，白苦瓜幼苗的氣孔限制值最低，僅為CK氣孔限制值的64.71%。T1和T3處理下，白苦瓜幼苗的氣孔限制值亦小于CK，分別為CK氣孔限制值的78.43%和92.16%。

2.5 水楊酸對鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片氮素含量的影響

施用SA后，鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片的氮素含量均高于對照（圖4）。T1，T2，T3處理下，葉片氮素含量分別比對照高出5.97%，10.45%和2.99%，但處理間差異并不顯著。

3 討論與結論

光合作用是植物體內最重要的生化過程。光合作用的強弱不僅決定著植物自身生物量的多少，而且對于植物間的競爭也意義重大[17]。

本研究發現，外施SA后，鋁脅迫下白苦瓜的最大凈光合速率、表觀量子效率均有不同程度的提高。其中，T2處理的效果最佳。該處理下，白苦瓜幼苗的最大凈光合速率、表觀量子效率均高出CK（單獨鋁脅迫）30%以上，而暗呼吸速率（Rd）卻顯著小于CK，僅為CK的63.03%。這就表明，適宜濃度的SA處理可提高鋁脅迫下白苦瓜的光合潛力。

外施SA后，鋁脅迫下白苦瓜幼苗的氣孔限制值（Ls）均小于對照，且T2處理下的Ls下降幅度最大。這就表明適宜濃度的水楊酸可以有效緩解鋁脅迫對氣孔的負面影響。多項研究表明，外施SA可增加脅迫條件下植物體內的葉綠素含量[18-19]。本研究和他們的結果一致。SA處理下，葉綠素含量的增加可能與SA降低了脅迫下的葉綠素酶活性而促進了與葉綠素合成相關的原葉綠素酸酯還原酶復合體的生物合成有關[20]。

葉綠素熒光動力學技術可對植物的光合作用進行很好的補充說明。本研究中外施SA后，鋁脅迫下白苦瓜幼苗的最大光量子產量（Fv/Fm）、電子傳遞速率（ETR）及光化學猝滅系數（qP）均高于CK。T2處理下，鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片的Fv/Fm，ETR及qP均達到最大值，分別為CK的1.24倍、1.61倍和1.55倍。這就從熒光動力學的角度證明了，外施SA可促進鋁脅迫下植物的光合作用，這和SAHU等[21]的研究結果相近。添加SA后，鋁脅迫下白苦瓜的Fv/Fm有所增高。表明水楊酸能夠提高鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片PSⅡ反應中心的光能捕獲效率。噴施水楊酸后，鋁脅迫下白苦瓜幼苗的化學猝滅系數升高、非光化學猝滅系數下降。這就說明，外施SA后，逆境脅迫下的白苦瓜的PSⅡ反應中心維持著良好的開放狀態，光合系統的能量耗散得以減少，有更多的光能用于白苦瓜的光化學反應[22-23]。

氮素是植物體內遺傳物質、蛋白質、葉綠素以及一些關鍵代謝酶的基本組成元素[24-25]。因此，在研究光合作用時有必要對氮素變化情況進行研究。鋁對氮代謝的研究結果還不盡一致。鋁脅迫下三葉草（Trifolium repens）葉和根中的含氮量均有所上升[26]，但鋁脅迫下花生（Arachis hypogaea）5個品種的含氮量卻顯著降低[27]。本研究中，添加SA后，鋁脅迫下白苦瓜幼苗葉片的氮素含量均高于對照；但和CK相比，處理間的差異并不顯著。需要注意的是，特定時間下植物體內的氮素測定結果并不足以闡明水楊酸對鋁脅迫下氮素代謝的影響，還需對白苦瓜幼苗更多部位的N素進行監測，且在一定時間段內進行多次連續測量，以更好地探明SA對鋁脅迫下植物體內氮素代謝的影響。

總之，SA濃度不同，對鋁脅迫下白苦瓜幼苗光合特性的影響也存在差異；3個處理中，T2處理（60 μmol/LSA）的效果更佳。該處理下，鋁脅迫下白苦瓜幼苗的葉綠素含量得到顯著提高，鋁脅迫對氣孔的負面影響顯著降低，白苦瓜幼苗的光合作用顯著增強。本研究為白苦瓜鋁毒害的緩解提供了一些理論依據和技術支撐。