外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗光合、熒光及抗氧化酶活性的影響

李笑佳，張 倩，張淑英

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】棉花(GossypiumhirsutumL)是世界范圍內(nèi)重要的經(jīng)濟(jì)作物。我國(guó)是世界最大的棉花生產(chǎn)國(guó)，亦是最大的棉花消費(fèi)國(guó)，而新疆是我國(guó)最大的產(chǎn)棉區(qū)，新疆主產(chǎn)棉區(qū)中棉花種植面積甚至占耕地面積的70%～80%。可見(jiàn)，棉花生產(chǎn)在新疆經(jīng)濟(jì)中占據(jù)非常重要的地位[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球約有 1.0×109hm2的土地存在不同程度的鹽漬化，且世界鹽漬土地面積超過(guò)9×108hm2，占陸地面積的 7%[2-3]，其中中國(guó)總面積超過(guò)3 600×104hm2，占現(xiàn)有耕地的1/4[4]，而鹽脅迫環(huán)境對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)產(chǎn)生一系列不利影響，最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。【前人研究進(jìn)展】近年來(lái)研究表明，鹽脅迫會(huì)引起植物光合作用下降，氣孔關(guān)閉，胞間CO2濃度(Ci)下降，葉綠素含量降低，嚴(yán)重影響植株的生長(zhǎng)[5-6]。鹽脅迫降低了棉花幼苗第一片真葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)，使Ci上升[7]。邢慶振等[8]對(duì)葡萄幼苗進(jìn)行不同鹽濃度處理發(fā)現(xiàn)，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，葡萄幼苗Pn、Tr、Gs均降低,最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)、最大量子產(chǎn)額(Yield)、光合電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)也同時(shí)下降，Ci先降后升，而非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)則逐步上升。硅(Si)是地殼中第二大豐富元素，可提高多種植物對(duì)生物脅迫(病、蟲(chóng)害等)和非生物脅迫(干旱、重金屬、冷害等)的抗性[9]。外源硅可提高鹽脅迫下小麥幼苗葉綠素總量(Chla+b)、葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)含量、Pn及Gs，而使Ci下降、氣孔限制值(Ls)先升后降[10]。外源硅能提高鹽脅迫下加工番茄的Pn和耐鹽能力[11]，緩解鹽脅迫對(duì)柳枝稷葉片的傷害，改善葉綠素的構(gòu)成，提高光合氣體交換的能力[12]。鄭世英等[13]研究表明，硅顯著提高了黃瓜葉片抗氧化酶活性，與不施硅鹽脅迫處理相比，超氧化物歧化酶(SOD)活性、過(guò)氧化物酶(POD)活性以及過(guò)氧化氫酶(CAT)活性均有所增加。另外，外源硅處理還可緩解鹽脅迫對(duì)黃瓜幼苗光合器官結(jié)構(gòu)和功能的傷害,促進(jìn)黃瓜幼苗生長(zhǎng)，有助于增強(qiáng)黃瓜對(duì)鹽脅迫的抗性[14]。【本研究切入點(diǎn)】硅對(duì)鹽脅迫下作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響已進(jìn)行了研究(主要集中在硅積累量高的單子葉植物)，但針對(duì)雙子葉植物，尤其對(duì)硅能否提高棉花抗鹽能力報(bào)道較少。研究外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及抗氧化酶活性的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】分析外源硅是否能提高棉花對(duì)鹽脅迫的抗性。為外源硅提高棉花幼苗的抗鹽機(jī)制提供理論依據(jù)，為新疆鹽漬土壤地區(qū)棉花高產(chǎn)栽培提供可借鑒的苗期調(diào)控技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2017年4月在石河子大學(xué)試驗(yàn)站溫室內(nèi)進(jìn)行。供試棉花材料為新陸早45號(hào)，由石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供；化學(xué)試劑：外源硅(K2SiO3分析純)，營(yíng)養(yǎng)液預(yù)先配制母液，使用時(shí)稀釋為所需濃度。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試棉花品種為新陸早45號(hào)。種子經(jīng)消毒后在(25±1)℃的培養(yǎng)箱內(nèi)催芽，將發(fā)芽一致的種子播種于裝有蛭石的營(yíng)養(yǎng)缽中育苗，每缽留苗2株。試驗(yàn)在溫室內(nèi)采用盆栽試驗(yàn)的方法，從棉花播種至出苗60 d左右(以棉花苗期為主要研究階段)。試驗(yàn)設(shè)2個(gè)因素，分別為硅(K2SiO3分析純，0、262.3 mg/L)、鹽分(0、100、200 mmol/L)，共6個(gè)處理，用總氮水平為5 mmol/L的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，各處理設(shè)置3次重復(fù)，每重復(fù)24個(gè)營(yíng)養(yǎng)缽于一培養(yǎng)箱中。營(yíng)養(yǎng)液于每日18：00以葉面噴施的方式噴施一次，每處理約1 000 mL，對(duì)應(yīng)硅和鹽分在使用時(shí)直接溶于營(yíng)養(yǎng)液中，出苗12 d后進(jìn)行鹽分處理，18 d后進(jìn)行抗鹽硅處理。營(yíng)養(yǎng)液中大量元素配方采用略加修改的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，微量元素參照Hammer et al.(Hammer P Aetal., 1989)的方法配制。出苗60 d左右取棉苗倒三、倒四葉樣品測(cè)定各指標(biāo)。表1

表1 試驗(yàn)處理和編號(hào)
Table 1 Treatment and serial number of experiment

處理編號(hào)鹽分(NaCl)硅(K2SiO3)Ⅰ(CK)00Ⅱ100 mmol/L0Ⅲ200 mmol/L0Ⅳ0262.3 mg/LⅤ100 mmol/L262.3 mg/LⅥ200 mmol/L262.3 mg/L

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

葉綠素含量采用丙酮-乙醇混合法[15]測(cè)定；運(yùn)用CIRAS-3便攜式植物光合作用測(cè)定儀(美國(guó))測(cè)定各處理棉花幼苗葉片的Pn、Tr、Gs、Ci；使用Imagine-PAM調(diào)制熒光儀(德國(guó)Walz公司)測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)[NPQ(qN)]、PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額[Y(NPQ)]、PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額[Y(NO)]；SOD活性采用氮藍(lán)四唑法[16]測(cè)定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚比色法[17]測(cè)定，CAT活性采用分光光度計(jì)法[18]測(cè)定，每次測(cè)定均重復(fù)4次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析用Microsoft Excel 2010軟件，采用SPSS19.0軟件進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(Duncan法)，使用Sigmaplot 1軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量的影響

研究表明，無(wú)外源硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)條件下，棉花幼苗Chla含量隨著鹽濃度增大逐漸減少，處理Ⅱ、Ⅲ分別比CK(處理Ⅰ)降低了32.64%、40.02%。棉苗Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素含量與Chla含量變化保持一致。與CK相比，處理Ⅲ棉花幼苗Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素含量分別減少了45.31%、41.58%和63.61%。相同鹽濃度條件下，加硅處理(處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)比對(duì)應(yīng)鹽濃度不加硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)棉花幼苗光合色素(Chla、Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素)含量均呈上升趨勢(shì)，如處理Ⅴ棉苗Chla、Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素含量分別比處理Ⅱ升高了35.32%、24.93%、32.18%和6.66%；處理Ⅵ棉苗Chla、Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素含量分別比處理Ⅲ升高了19.23%、26.31%、21.17%和55.96%。方差分析表明，鹽脅迫下棉花幼苗光合色素(Chla、Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素)含量均隨著鹽濃度增加顯著減少(P<0.01)；而硅和鹽脅迫交互作用下，光合色素含量各處理間差異顯著(P<0.01)。硅可延緩鹽脅迫對(duì)棉花幼苗光合色素生物合成的抑制作用。圖1

注：不同小寫字母表示鹽硅互作處理間差異達(dá)5%顯著水平(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters means significant difference among different salt-silicon interaction treatments at 0.05 level , the same as below

圖1 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量變化
Fig. 1 Effects of exogenous silicon on the content of photosynthetic pigments in cotton seedlings under salt stress

2.2 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗光合氣體交換參數(shù)的影響

研究表明，僅有鹽脅迫處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)條件下，棉花幼苗Pn隨鹽濃度增大顯著減少(P<0.01)，處理Ⅱ、Ⅲ棉苗Pn分別比CK降低了37.86%、62.14%。同樣，棉苗Tr、Gs、Ci與CK相比，處理Ⅱ棉花幼苗Tr、Gs、Ci分別減少了24.83%、38.43%、21.68%，鹽分處理棉苗Tr、Gs、Ci與CK間差異顯著(P<0.01)。但相同鹽濃度條件下，添加外源硅(處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)比相應(yīng)鹽濃度無(wú)硅(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)棉苗Pn、Tr、Gs和Ci均呈上升趨勢(shì)，如處理Ⅴ棉苗Pn、Tr、Gs、Ci分別比處理Ⅱ升高了62.50%、113.50%、29.70%和56.53%。硅和鹽分脅迫交互作用方差分析表明，棉花幼苗Pn、Tr、Gs和Ci各處理間差異顯著(P<0.01)。圖2

圖2 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗光合氣體交換參數(shù)變化
Fig. 2 Effects of exogenous silicon on the photosynthetic parameters of cotton seedlings under salt stress

2.3 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

研究表明，鹽脅迫處理(處理Ⅱ、Ⅲ)降低了棉花幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)[qP、qN、Y(NPQ)和Y(NO) ]值，且鹽濃度越大，其值越低，如處理Ⅱ棉苗qP、qN、Y(NPQ)和Y(NO) 與CK相比分別減少了4.85%、36.68%、14.29%和35.62%。而相同鹽脅迫條件下，外源硅(處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)比對(duì)應(yīng)鹽濃度無(wú)硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)棉苗qP、qN、Y(NPQ)和Y(NO)均明顯增加，如處理Ⅴ棉苗qP、qN、Y(NPQ)和Y(NO)分別比處理Ⅱ升高了9.25%、61.15%、58.02%和41.88%。方差分析表明，鹽脅迫導(dǎo)致棉苗qP、Y(NO) 顯著降低(P<0.05)；但鹽分與硅交互作用，各處理與CK間并未達(dá)到顯著水平，說(shuō)明鹽脅迫對(duì)棉花幼苗葉綠素?zé)晒庥胸?fù)效應(yīng)，但外源硅對(duì)緩解鹽脅迫抑制效應(yīng)并不顯著。表2

表2 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化
Table 2 Effects of exogenous silicon on the chlorophyll fluorescence parameters of cotton seedlings under salt stress

Si質(zhì)量濃度/(mg/L)NaCl摩爾濃度/(mmol/L)qPqNY(NPQ)Y(NO)0 (CK)00.89±0.04a0.59±0.00a0.13±0.07a0.61±0.05a1000.84±0.00a0.37±0.04a0.11±0.03a0.39±0.04a2000.78±0.07a0.27±0.03a0.10±0.01a0.34±0.03a262.300.92±0.08a0.60±0.00a0.17±0.06a0.56±0.04a1000.90±0.02a0.39±0.02a0.10±0.06a0.53±0.11a2000.86±0.02a0.36±0.05a0.12±0.02a0.37±0.05Va

注：不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters means significant difference among different treatments at the 5% level，the same as below

2.4 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗抗氧化酶活性的影響

研究表明，無(wú)外源硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)間比較，隨鹽濃度增大，棉花幼苗SOD、POD、CAT活性逐漸減弱，如處理Ⅱ、Ⅲ棉苗SOD活性分別比CK降低了29.4%和51.5%；POD活性分別降低了9.9%和29.6%；CAT活性分別降低了44.3%和60.0%。與無(wú)外源硅處理相比，外源硅處理(處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)棉苗SOD活性比對(duì)應(yīng)鹽濃度無(wú)硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)增強(qiáng)，如處理Ⅴ棉苗SOD活性比處理Ⅱ增強(qiáng)了61.7%；處理Ⅵ棉苗SOD活性比處理Ⅲ增強(qiáng)了37.0%。同樣，鹽脅迫下施用外源硅處理也增強(qiáng)了POD、CAT的活性。方差分析表明，鹽脅迫導(dǎo)致棉花幼苗SOD活性顯著下降(P<0.05)；硅與鹽互作條件下，相應(yīng)鹽濃度施硅比不施硅棉花幼苗葉片SOD活性均顯著增加(P<0.05)，POD與CAT活性也均有所增加，但差異不顯著(P>0.05)。說(shuō)明外源施硅在一定程度上能緩解鹽分脅迫對(duì)棉花幼苗抗氧化酶活性的抑制作用，并促進(jìn)其活性的增長(zhǎng)。表3

表3 鹽脅迫下外源硅對(duì)棉花幼苗抗氧酶活性變化
Table 3 Effects of exogenous silicon on activities of antioxidant enzymes in cotton seedlings under salt stress

Si質(zhì)量濃度(mg/L)NaCl摩爾濃度(mmol/L)SOD活性(U/g)POD活性(U/g·min)CAT活性(U/g·min)0 (CK)0363.15±13.86ab28.98±2.43a1.58±0.06a100256.08±10.30ab26.12±2.48a0.88±0.04a200176.13±12.24b20.40±0.91a0.68±0.03a262.30512.10±22.94a37.33±2.69a5.06±6.37a100414.10±13.14ab30.75±1.76a3.24±2.22a200279.78±18.55ab22.84±2.07a2.65±1.94a

3 討 論

3.1 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量的影響

鹽脅迫對(duì)植物光合作用影響最顯著，而葉片光合色素含量的高低是影響光合作用能力的最重要因素之一[12]。王立紅等[19]研究表明,鹽脅迫降低了棉花幼苗Chla、Chlb和Chla+b含量。陳罡等[14]對(duì)黃瓜研究發(fā)現(xiàn)，外源硅處理明顯抑制鹽脅迫下黃瓜幼苗Chla、Chlb和Chla+b含量降低。試驗(yàn)在單一鹽分處理下棉花幼苗Chla、Chlb、Chla+b和類胡蘿卜素含量均隨鹽濃度的升高而降低，可能因?yàn)辂}脅迫增強(qiáng)了植株體內(nèi)葉綠素氧化酶活性，加速了光合色素降解[20-21]。相同鹽濃度條件下，外源硅處理棉苗光合色素含量比對(duì)應(yīng)鹽濃度不加硅處理明顯升高，這與陳罡等[14]的研究結(jié)果一致，表明外源硅確實(shí)提高了鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量。

3.2 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗光合氣體交換參數(shù)的影響

鹽脅迫對(duì)植物光合作用的抑制，常表現(xiàn)在鹽脅迫下植物葉片失水，繼而引起氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致光合反應(yīng)降低，從而影響CO2同化[22]。王立紅等[23]對(duì)鹽脅迫下棉花光合作用研究顯示，鹽脅迫降低了棉花幼苗Pn、Gs和Ci的含量；李菁等[12]研究發(fā)現(xiàn)，外源硅可緩解鹽脅迫下小麥幼苗Pn、Gs和Ci的降低。研究結(jié)果表明，單一鹽處理?xiàng)l件下，棉花幼苗Pn、Tr、Gs和Ci均隨鹽濃度升高而逐漸下降，說(shuō)明鹽脅迫造成Pn下降，其主要原因可能是氣孔因素[22]，這與Farquhar等[24]的說(shuō)法一致，而與陳罡等[14]的研究結(jié)果不同，其可能原因是不同種類植物對(duì)鹽脅迫應(yīng)激反應(yīng)不同而導(dǎo)致的差異。試驗(yàn)施加外源硅比相應(yīng)鹽濃度未施硅處理棉花幼苗Pn、Tr、Gs和Ci均明顯升高，這與李菁等[12]研究結(jié)果相一致，說(shuō)明外源硅提高鹽脅迫下棉花幼苗光合速率主要涉及氣孔因素調(diào)節(jié)。

3.3 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

qP反映PSII吸收光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額。qP愈大，即PSII電子傳遞活性愈大[25]。吳雪霞等[26]研究表明,鹽脅迫降低了茄子幼苗qP、qN值且隨鹽濃度升高而逐漸降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，棉花幼苗qP、qN、Y(NPQ)、Y(NO)隨鹽濃度升高而降低，鹽脅迫降低了棉花幼苗葉片的光能利用效率，這與吳雪霞等[26]研究結(jié)果一致，但鄭州元等[27]研究結(jié)果顯示,隨鹽脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，NPQ顯著增加，NO無(wú)明顯變化，其原因可能是供試材料不同導(dǎo)致的差異。試驗(yàn)外源硅處理提高了棉花幼苗qN、qN、NPQ、NO值，說(shuō)明外源硅能有效緩解鹽脅迫誘導(dǎo)的生長(zhǎng)抑制，增強(qiáng)了棉苗光能利用率，并及時(shí)耗散掉過(guò)剩光能，改善PSII光化學(xué)活性，有利于光合作用順利進(jìn)行。

3.4 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗抗氧化酶活性的影響

在植物系統(tǒng)進(jìn)化過(guò)程中，植物細(xì)胞為保護(hù)自身免受活性氧傷害形成了清除活性氧的抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)，如SOD、POD、CAT等。抗氧化酶通過(guò)清除活性氧自由基，防止其過(guò)度積累，減輕或避免活性氧對(duì)膜脂的傷害[28]，維持活性氧自由基產(chǎn)生與清除系統(tǒng)的平衡[29]。李付廣等[30]的研究結(jié)果顯示，鹽脅迫下棉花幼苗子葉部位的SOD、POD活性均下降,研究結(jié)果顯示，在鹽脅迫下，SOD、POD活性隨鹽濃度的升高明顯降低，對(duì)植物的保護(hù)機(jī)能受到抑制，這與李付廣等[31]的研究結(jié)果一致。棉苗CAT活性同樣隨鹽濃度的升高而下降，這與孫小芳等[32]的研究相一致，可能是由于鹽脅迫降低了儲(chǔ)藏物質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化速率,也造成活性氧產(chǎn)生和清除系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的破壞,啟動(dòng)膜脂過(guò)氧化或脫脂作用,損傷膜脂和膜蛋白,從而破壞膜結(jié)構(gòu)[33]。在施加外源硅條件下，與對(duì)應(yīng)鹽濃度無(wú)硅處理相比，外源硅的加入均使棉苗SOD、POD、CAT活性增加，說(shuō)明施用外源硅增強(qiáng)了抗氧化酶活性，進(jìn)一步增強(qiáng)植株清除活性氧能力，維持活性氧產(chǎn)生與消除動(dòng)態(tài)平衡，緩解鹽脅迫造成的儲(chǔ)藏物質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化速率的降低，同時(shí)抑制鹽脅迫對(duì)膜脂和膜蛋白造成的損傷與對(duì)膜結(jié)構(gòu)的破壞，從而起到保護(hù)光合作用機(jī)構(gòu)的作用，為提高棉花幼苗的耐鹽性奠定了生理基礎(chǔ)。不同棉花品種抗鹽性不同，同一品種不同生育期抗鹽性也不相同，外源施硅對(duì)不同品種及棉花不同生育期的影響還有待于進(jìn)一步的探究。

4 討 論

外源硅可緩解鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量、光合氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性的降低。植物耐鹽性的產(chǎn)生是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程[29]，棉花雖然是耐鹽性較強(qiáng)作物，但在幼苗期對(duì)鹽分還是相當(dāng)敏感的，因此，對(duì)棉花苗期鹽害的管理和治理尤為重要。基于研究結(jié)果推測(cè)，外源硅可提高鹽脅迫下棉花幼苗的光合色素含量、光合速率以及光能利用率，增強(qiáng)植株清除活性氧能力，維持活性氧產(chǎn)生與消除動(dòng)態(tài)平衡，保護(hù)光合機(jī)構(gòu)，進(jìn)而提高棉苗抗鹽性，促進(jìn)棉苗生長(zhǎng)發(fā)育。