CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合特性及活性氧代謝的影響

厲書豪,李 曼,張文東,李儀曼,艾希珍,,劉彬彬,李清明,,3,*

1 山東農業大學園藝科學與工程學院,泰安 2710182 作物生物學國家重點實驗室,泰安 2710183 農業部黃淮海設施農業工程科學觀測實驗站,泰安 271018

全國各類鹽漬土總面積約9913.3萬hm2,約占全國土壤總面積的13.4%[1]。鹽對作物產生的毒害除了滲透脅迫和離子毒害,還會引起養分虧缺、活性氧傷害等一系列次生脅迫[2],最終抑制植物生長。近年來,我國設施栽培面積不斷擴大,但由于設施環境相對密閉的特點,土壤常年得不到雨水淋洗,加之周年生產,鹽分在土壤表層累積,土壤鹽漬化已經成為制約作物生長的主要非生物脅迫之一[3]。并且設施自身相對密閉性,除了易造成設施土壤鹽漬化,還常使作物處于CO2饑餓狀態,成為限制光合作用及產量的重要因素之一[4]。與此同時,隨著世界人口持續增長和經濟活動的增加,目前大氣CO2濃度已達到400 μmol/mol,預計2100年將上升至730—1020 μmol/mol[5]。對C3植物來說,最適CO2濃度約為1000 μmol/mol,在現有條件下其光合速率受到限制,因此CO2濃度升高對C3植物而言具有顯著的“CO2施肥效應”。CO2作為植物光合作用的原料,其濃度高低直接影響Rubisco催化活性和方向、調節電子傳遞速率,進而影響植物光合速率和活性氧代謝[6]。黃瓜(CucumissativusL.)是我國栽培面積最大的蔬菜作物之一,對鹽分十分敏感,鹽脅迫抑制黃瓜幼苗植株的生長及光合電子傳遞、降低葉片凈光合速率[7],嚴重加劇膜脂過氧化程度[8]。前人研究結果表明,高CO2濃度可顯著促進鹽脅迫下大麥、花椰菜和甜椒植株生長[9- 11],提高植株水分利用效率[12]及葉片抗氧化酶活性、降低丙二醛(MDA)含量[13-14],從而對鹽脅迫造成的損傷具有一定緩解作用。但高CO2濃度對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合特性及活性氧代謝的影響,鮮見報道。本文以黃瓜幼苗為研究對象,在CO2加富和鹽脅迫條件下,對其生長、光合特性和活性氧代謝相關酶進行了研究,以期進一步闡明CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗氧化損傷的緩解機理,為設施CO2施肥在土壤次生鹽漬化引起的連作障礙中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

試驗于2017年3—5月在山東農業大學園藝實驗站進行,以‘津優35號’黃瓜(CucumissativusL.)為試材。種子經浸種催芽后,播于穴盤中育苗,基質以草炭、蛭石、珍珠巖按3∶1∶1比例配制。待幼苗第1片真葉完全展開時,選擇整齊一致的幼苗定植于內徑為37.5 cm×29 cm、高為12 cm的涂黑的塑料盆中進行水培,每盆6株。營養液為1個劑量的山崎黃瓜營養液配方,試驗期間,營養液用氣泵通氣,每3 min通氣30 s,4 d更換1次營養液。

試驗采用裂區設計,主區因素為CO2濃度處理,設大氣CO2濃度(400 μmol/mol)和CO2加富[(800±40) μmol/mol]2個CO2濃度水平,裂區因素為鹽脅迫處理,用NaCl模擬鹽脅迫,設對照(0 mmol/L NaCl)、鹽脅迫(80 mmol/L NaCl)2個鹽分水平。每處理重復10次,每個重復1盆,待幼苗長至2葉1心時進行處理。試驗在自行設計的頂通風式塑料拱棚(長6 m,寬6 m,脊高2.6 m)內進行,棚內裝有環境控制系統,加富處理的CO2由液態CO2鋼瓶供給。CO2濃度由自動控制系統控制(Auto 2000,北京奧托),當監測系統監測到CO2濃度低于設置的下限值時,開啟電磁閥補氣,使其濃度保持在(800±40) μmol/mol。

1.2 測定指標與方法

處理第8天,取從下往上數第3片功能葉測定各項生理指標,重復3次。

株高：用直尺測定從子葉下方到生長點的距離；莖粗：用游標卡尺測定子葉下方基部的直徑；葉面積：用直尺測定完全展開葉的單葉葉長(LL),用公式SL=LL2計算單葉葉面積[15],單株葉面積為所有完全展平葉葉面積之和。鮮干重：用去離子水沖洗干凈并吸干水分,從根莖結合處剪斷,分別稱得地上、地下部鮮重；105℃殺青15 min,80℃烘至恒重,稱得干重。

采用美國LI-COR公司生產的LI- 6400XT便攜式光合測定系統測定光合參數。測定條件為：光強1000 μmol m-2s-1,CO2氣體利用緩沖瓶采自相對穩定的3—4 m高的空氣,濃度約為400±10 μmol/mol。

采用英國Hansatech公司生產的FM- 2型調制式葉綠素熒光儀測定葉綠素熒光參數。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2007和DPS軟件對數據進行處理、顯著性分析(Duncan′s 多重極差檢驗,α=0.05),并采用SigmaPlot 10.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗生長的影響

由表1可以看出,鹽脅迫抑制了黃瓜幼苗的生長,差異達顯著水平。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其株高、莖粗、葉面積、地上、地下部鮮干重較對照分別降低了45.0%、24.4%、54.2%、44.1%、35.3%、42.3%、35.6%；而CO2加富可在一定程度上緩解鹽脅迫對黃瓜幼苗植株的抑制作用。具體表現在,鹽脅迫下CO2加富使其各指標較大氣CO2濃度分別增加了13.1%、5.9%、10.5%、31.5%、15.9%、36.1%、8.9%,除地上部干重和地下部鮮干重外,差異均達顯著水平。

2.2 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片色素含量的影響

由表2可以看出,鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素(a+b)含量降低,差異達顯著水平,但對葉綠素a/b影響不大。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素(a+b)含量較對照分別降低了8.7%、10.6%、12.0%、9.3%；而CO2加富使鹽脅迫下葉片葉綠素a含量顯著下降,其他色素含量均未達顯著水平。

表1 CO2加富對鹽脅迫下加富對黃瓜幼苗生長的影響

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

表2 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片色素含量的影響

FW:鮮重Fresh weight

2.3 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片核酮糖- 1,5-二磷酸羧化酶活性的影響

圖1 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片RuBPCase活性的影響 Fig.1 Effects of CO2 enrichment on RuBPCase activity in leaves of cucumber seedlings under salt stressFW:鮮重Fresh weight

由圖1可以看出,鹽脅迫抑制了黃瓜幼苗葉片核酮糖- 1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性,差異達顯著水平。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其羧化酶活性較對照下降22.9%；而CO2加富提高了鹽脅迫下羧化酶活性,差異達顯著水平。

2.4 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合氣體交換參數的影響

由表3可以看出,鹽脅迫抑制了黃瓜幼苗葉片光合作用,差異達顯著水平。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)較對照分別下降了13.7%、31.3%、2.8%、11.3%；而鹽脅迫下CO2加富使其Pn較對照增高了8.7%,Gs、Ci、Tr分別下降了16.1%、6.2%、13.0%,除Ci外,差異均達顯著水平。說明CO2加富可降低葉片氣孔導度,從而減少水分耗散,同時增強凈光合速率,進而提高光合水分利用率,以此適應鹽脅迫。

2.5 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片葉綠素熒光參數參數的影響

由表4可以看出,鹽脅迫使黃瓜幼苗葉片非光化學淬滅系數(NPQ)顯著上升,PSII實際光化學效率(ΦPSII)、表觀電子傳遞速率(ETR)、光化學淬滅系數(qP)顯著下降。80 mmol/L NaCl處理時,在大氣CO2濃度下,NPQ較正常條件下上升了75.4%,PSII最大光化學效率(Fv/Fm)、ΦPSII、ETR、qP則分別下降了2.7%、15.4%、15.4%、7.8%；而CO2加富可提高鹽脅迫下黃瓜葉片ΦPSII,恢復光系統II(PSII)光化學活性,使其ΦPSII、ETR、qP較大氣CO2濃度分別上升7.8%、7.8%、3.3%,NPQ下降21.6%,除qP、NPQ外,差異均達顯著水平,但對Fv/Fm影響不大。

表3 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合氣體交換參數的影響

2.6 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片脯氨酸、丙二醛、活性氧的影響

圖2 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片脯氨酸和H2O2的影響Fig.2 Effects of CO2 enrichment on contents of Pro,MDA,H2O2 and rate of production in leaves of cucumber seedlings under salt stress

2.7 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由圖3可以看出,鹽脅迫對黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性影響顯著。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)活性較對照分別提高了10.3%、34.2%,但過氧化物酶(POD)活性下降了50.7%；而CO2加富進一步提高了鹽脅迫下SOD、CAT活性,與此同時也提高了POD活性,使其SOD、POD、CAT活性較大氣CO2濃度分別提高了8.2%、62.9%、24.9%,差異達顯著水平。說明CO2加富可通過提高黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性,清除活性氧累積,從而緩解鹽脅迫對膜造成的損傷。

圖3 CO2加富對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effects of CO2 enrichment on antioxidative enzyme activity in leaves of cucumber seedlings under salt stress

3 討論

鹽脅迫會影響植物生長發育過程,抑制植株生長,導致生物量減少[21]。本試驗結果表明,80 mmol/L NaCl處理抑制了黃瓜幼苗的生長水平(表1),而CO2加富緩解了鹽脅迫對黃瓜幼苗植株地上部的抑制作用,這與前人在黃瓜和花椰菜上的研究結果類似[22-23]。

葉綠體是植物進行光合作用的場所,其色素含量及組分直接影響光合作用。本試驗結果表明,80 mmol/L NaCl處理降低了黃瓜幼苗葉片色素含量(表2),這與楊鳳軍等人在番茄上的研究結果一致[24]。前人研究認為,滲透脅迫降低植株葉片色素含量的主要原因是活性氧(ROS)的氧化作用[25],鹽脅迫增加了ROS的積累(圖2),從而促進色素的降解。有研究表明CO2加富提高了小麥和枇杷葉片色素含量[26-27],但本試驗結果顯示,CO2加富降低了黃瓜幼苗葉片色素含量,這與Pérez-López、寶俐、袁嫚嫚等人研究結果一致[28- 30],究其原因可能主要與CO2加富下葉面積增大(表1)引起的“稀釋效應”有關。

光合作用是構成作物生產力的基礎,鹽脅迫抑制作物光合作用引起Pn下降,影響光合碳同化,不利作物生長。本試驗結果表明,80 mmol/L NaCl處理,在降低黃瓜幼苗葉片Pn和Gs(表3)的同時,提高了H2O2含量(圖2)。植物細胞H2O2水平升高,可促進保衛細胞K+外流和胞外Ca2+內流,引起氣孔關閉[31],限制大氣CO2進入葉片葉綠體,從而引起氣孔限制。與此同時,對葉綠素熒光參數分析得知,80 mmol/L NaCl處理,顯著降低了ΦPSII、ETR和qP(表4),說明鹽脅迫抑制了光合電子傳遞及光合磷酸化的正常進行,阻止同化力的生成,從而影響碳同化。而CO2加富雖然降低了Gs,但同時也提高了CO2擴散動力(即大氣CO2與葉綠體CO2濃度差),因此在測定條件下,并未發現Ci有明顯變化；并且RuBPCase作為光合碳同化的關鍵酶,CO2加富提高了其活性(圖1),與此同時,提高了ΦPSII、ETR,并在一定程度上提高了qP,降低了NPQ,從而促進光化學效率和電子傳遞速率,保證同化力的正常生成,進而提高了Pn,從而為植物體提供更多的糖源,促進植株生長,削弱了鹽脅迫對其光合和生長產生的不利影響,這與Zaghdoud和Piero等人研究結果一致[9-10]；并降低了Tr,提高光合用水效率,但Gs降低的節水效應會被葉面積增加和CO2加富后期葉溫增高的耗水作用所抵消。

另外,結合表2發現,CO2加富提高葉片Pn的同時,降低了葉綠素含量,這一結果似乎與常識相悖。事實上,只有在弱光條件下,葉片Pn才與葉綠素含量存在良好的正相關性,而飽和光強下葉片Pn通常與葉綠素含量無直接關系[32]。并且Pn是在飽和光強下測得,此時主要的限制因子應該是CO2濃度,而非葉綠素含量。Chen等人通過對兩種不同基因型水稻的研究發現,雖然黃綠葉突變體水稻的葉綠素含量僅為野生型1/3,但在飽和光強下,兩者Pn一樣[33]。說明由于葉綠素含量的不足引起的對光合作用的不利影響可以通過增加光強得以彌補。本試驗中,CO2加富雖然在一定程度上降低了葉片葉綠素含量,但對葉綠素a/b比值并無明顯影響,表明捕光能力并未受到影響[29],同時CO2加富提高了Rubisco羧化效率,因此在葉綠素含量相對較低的情況下表現出較高的Pn。