葉面噴施硅對鎘脅迫番茄葉片PSⅡ電子傳遞的影響

張澤錦，唐 麗*，李躍建

(1.四川省農業科學院園藝研究所/蔬菜種質與品種創新四川省重點實驗室，四川 成都 610066；2. 農業部西南地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室，四川 成都 610066)

【研究意義】近年來，隨著工業的逐漸發展和人為因素照成了嚴重的重金屬污染，其中鎘(Cd)因其高污染和可遷移性，受到了越來越多的關注。在全國土壤重金屬污染中，Cd的點位超標率最高，為7.0 %[1]。【前人研究進展】金立堅等[2](2012)抽取四川省21個市(州)，993份樣品中，土壤Cd含量超標的樣品占56.90 %。由此可見，土壤Cd污染在全國，特別是在四川地區已經成為不容忽視的問題。鎘主要會影響植物的形態，生化，光合作用和超微結構等方面[3-4]。此外，鎘被作物或者蔬菜吸收，從而進入人類食物鏈，從而導致危害人類的健康[5]。番茄是我國重要的大宗蔬菜之一，在輕度Cd脅迫下番茄果實的超標率將近20 %[6]，番茄屬于高Cd吸附類蔬菜，分析的4個四川地區常用番茄品種在Cd超限土壤中栽培，其果實Cd含量均超過國家Cd安全標準[7]。硅(Si)在地球巖石圈的含量豐富，分布廣泛，僅次于氧元素。合理施Si可顯著促進番茄植株生長，增強番茄的光合作用，提早開花，增加產量及果實品質，且有機Si比無機Si更能促進其生長[8-10]。除了促進生長外，Si可以減輕重金屬對植物生長的不利影響[11-12]。Si主要用過形成二氧化硅作為物理屏障和形成硅酸溶液進入植物體內開始行使生理生化功能[13-14]。光合作用是作物產量形成的主要生化反應之一，施Si能抑制Cd對葉片葉綠體超微結構的破壞，增強白菜葉片的光合作用能力[15]；穩定鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ的結構和功能，緩解鎘脅迫對煙草葉片光合機構的傷害[16]。【本研究切入點】已有的研究主要集中在高吸收Si的糧食作物上面，對于低吸收Si作物的番茄卻鮮有相關的研究[17]。利用葉綠素熒光動力學技術分析了噴施不同濃度Si對不同Cd濃度脅迫下番茄葉片光合電子傳遞中心的影響，探討硅在緩解番茄Cd脅迫下的光合生理機制。【擬解決的關鍵問題】本研究以期為番茄栽培過程中硅肥的合理施用、防治鎘污染提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

實驗于2018年1月至7月在四川省農業科學院現代農業示范園(新都)的塑料大棚進行。以番茄(品種：耐裂王)為實驗材料，采用盆栽法栽培。試驗采用完全隨機區組設計，10盆為1個重復，每個處理有3個重復，共計30盆。高鎘處理：CdCl2·2.5 H2O配成濃度203.14 mg/L；低鎘處理：CdCl2·2.5 H2O配成濃度50.79 mg/L。每盆裝有10 kg土后再向每個盆中澆入200 mL不同鎘溶液，模擬不同鎘含量土壤。采用土壤質量鉛鎘的測定方法(GB/T17141-1997)和土壤pH的測定(NNY/T1121.2-2006)對土壤進行測定，高鎘處理土壤(H)鎘含量為1.61 mg/kg，pH為5.49；低鎘處理土壤(L)鎘含量為0.41 mg/kg，pH為5.50；對照處理土壤(CK)鎘含量為0.22 mg/kg，pH為5.74。

參照薛高峰等[9](2012)方法，分別稱取0.7105、1.4210 及2.1315 g硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)溶于950 mL蒸餾水，加入20 mL無水乙醇混勻后攪拌，然后將20 mL無水乙醇與10 mL吐溫80的混合液緩慢滴入，然后充分攪拌，pH調至6.5，配制成2.5、5、7.5 mmol/L噴施Si制劑，對照則不添加硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)，其余配制同處理一樣。具體處理如表1。

在第二穗花盛花期進行葉面噴施。每隔7 d噴施1次，每次進行全株噴施，以硅溶液未滴落為宜，共噴4次。

1.2 葉片熒光參數的測定

最后一次噴施后5 d，選取第二穗花對面的葉片進行快速葉綠素熒光參數測定。

表1 試驗設置

圖1 外源Si對不同鎘濃度土壤栽培番茄葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的影響

參照張澤錦等(2018)[18]方法，利用雙通道熒光儀Dual-PAM-100(Walz，德國)進行葉片快速熒光誘導動力學曲線和PSII和PSI快速熒光響應曲線測定，JIP-test參數根據Strasser等(2000)計算得到[19]。根據Li等[20](2010)的方法計算相對可變熒光。Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)，ΔVt=Vt處理-Vt對照；WK=(Ft-Fo)/(F300μs-Fo)，ΔK- ΔJ-和ΔI-band分別為在300 μs、2 ms和30 ms處測定的ΔVt。

2 結果與分析

2.1 對葉片葉綠素熒光誘導動力學曲線的影響

如圖1～2可見，H處理，番茄葉片OJIP曲線發生形變，最小熒光產額(Fo)顯著高于CK和L處理，最大熒光產額(Fm)與對照和L處理無顯著差異；L處理，Fo與CK無顯著差異，Fm顯著高于CK，與H處理無顯著差異。葉面噴施了不同濃度Si后，曲線均能恢復到OJIP線性。

K點的出現和K相相對可變熒光(Vk)可以作為放氧復合體(OEC)遭受破壞和PSⅡ供體側的受損程度的標記[21-22]。如圖2相對可變熒光ΔVt的分析結果可知，不同濃度的Cd栽培番茄葉片在0.3 ms特征位點處出現K相，ΔK>0，此外ΔJ和ΔI均>0，這與高溫脅迫下番茄葉片響應一樣[23]，可能是由于水裂解系統被抑制和QA之前受體側的部分被抑制所造成的[22]。高Cd濃度下的ΔK和ΔJ高于低Cd濃度下的ΔK和ΔJ，說明高Cd濃度對供體側的破壞高于低Cd濃度。高Cd情況下，噴施高濃度Si番茄葉片ΔK<0，絕對值比H處理下降了106.8 %，中等和低濃度Si比H下降了92.6 %和92.5 %；在低Cd情況下，噴施高低度Si后ΔK<0，絕對值比L處理下降了133.6 %，高和中濃度Si比H下降了83.7 %和83.6 %。噴施Si以后，抑制了Cd對番茄葉片PSⅡ供體側的受損，這可能是由于Cd抑制了植物Mn的吸收[24]，噴施的Si可以提高植物對Mn的吸收[25]。Mn含量的提高有利于放氧復合體結構的恢復，降低受損程度，從而減輕PSⅡ供體側的傷害。

圖2 外源Si對不同鎘含量土壤栽培番茄幼苗葉片相對可變熒光 ΔVt的影響

圖3 外源Si對不同鎘濃度土壤栽培番茄葉片初始熒光和最大熒光的影響

由圖3可以看出，H處理，噴施不同濃度Si以后，葉片Fo顯著低于未噴施的H處理，噴施高濃度Si和中等濃度Si以后，Fo顯著低于CK和HL處理，但相互無顯著差異。L處理，噴施不同濃度Si以后，葉片Fo均顯著低于CK，除LL處理顯著低于L處理外，LH和LM處理與未噴施Si的L處理無顯著差異。由此可見，噴施高Si和中Si濃度，在高Cd和低Cd濃度處理下Fo無顯著差異，但噴施低Si濃度處理中，低Cd濃度處理下Fo顯著低于高Cd濃度處理。H處理，噴施Si以后，除HH處理外，其余兩處理與CK和未噴施Si的H處理無顯著差異。L處理，噴施Si以后Fm與CK無顯著差異，但均顯著低于未噴Si的L處理，不同Si濃度之間無顯著差異。噴施高Si和中Si濃度，在高Cd和低Cd濃度處理下Fm無顯著差異。鎘脅迫下番茄葉片Fo顯著增加，可能是Cd使葉片葉綠體呼吸作用加強，一部分QA發生還原作用，也可能是放氧復合體遭受破壞或捕光色素復合體三聚體低聚化，導致反應中心部分失活[26]。噴施Si后，能顯著的抑制番茄葉片反應中心失活。

圖4 外源Si對不同鎘濃度土壤栽培番茄幼苗葉片PSⅡ受體側參數的影響

圖5 外源Si對不同鎘濃度土壤栽培番茄幼苗葉片PSⅡ反應中心能量分配參數的影響

2.2 對番茄葉片PSⅡ受體側的影響

由圖4可知，高Cd條件下，J相相對可變熒光(VJ)和QA還原速率(MO)顯著高于CK，但與低Cd處理無顯著差異，噴施Si后VJ和MO有所下降，與CK無顯著差異；低Cd條件下，與CK無顯著差異，噴施Si后VJ和MO有所下降，但與CK和L處理無顯著差異。高Cd條件下，電子傳遞到電子傳遞鏈QA-下游的電子的概率(ψo)和用于電子傳遞的量子產額(φEo)顯著低于CK和L處理，噴施Si后ψo和φEo有所上升，與CK無顯著差異；低Cd條件下，ψo和φEo與CK無顯著差異，噴施Si后ψo和φEo有所上升，但與CK和L處理無顯著差異。

高Cd脅迫下，番茄葉片VJ和MO升高，但是ψo和φEo降低，說明Cd脅迫下電子傳遞受到抑制。這有可能番茄葉片在鎘脅迫下導致葉綠體內活性氧含量增加，使PSⅡ反應中心的D1蛋白受到影響，損傷光合機構[27]。低Cd脅迫下，以上4個參數均與CK無顯著差異，可見低鎘脅迫下并未對PSⅡ受體側電子傳遞產生影響。噴施Si以后，可能是由于Si具有降低植物體內活性氧的能力[28]，對于高鎘脅迫下的番茄葉片的PSⅡ受體側具有緩解作用。

2.3 對番茄葉片PSⅡ反應中心能量分配和光合性能指標的影響

由圖5顯示，在高Cd脅迫下，單位有活性反應中心吸收的光能(ABS/RC)、捕獲的光能(TRo/RC)和熱耗散的光能(DIo/RC)顯著增加，用于電子傳遞的能量(ETo/RC)減小。低Cd栽培下，以上4個指標與對照無顯著差異。ABS/RC與天線色素的大小有關，該值增加時，說明天線色素尺寸增大[26]，加之TRo/RC增高，說明番茄葉片天線色素吸收和捕獲的光能增加，但葉片用于電子傳遞的能量減少，可能是電子傳遞受阻，只能增加熱耗散，釋放多余的能量。高Cd脅迫下，噴施不同濃度Si，能顯著降低ABS/RC、TRo/RC及DIo/RC，提高ETo/RC，并于CK無顯著差異，不用Si濃度處理之間無顯著差異。低Cd脅迫下，噴施不同濃度Si能顯著降低ABS/RC、TRo/RC及ETo/RC，Si濃度越低，降低的越多。

由圖6顯示，高Cd和低Cd脅迫下，最大光化學效率(φPO)、光合反應中心數目(RC/ABS)及以吸收光能為基礎的光合性能指數(PIabs)均顯著低于CK，且高Cd處理以上參數均顯著低于低Cd處理。噴施Si后，高Cd處理以上參數均顯著上升，與CK無顯著差異，低Cd處理，噴施后，以上參數與高Cd處理情況一樣，均上升。其中RC/ABS，Si濃度越低，上升越高，LL顯著高于CK，其余2參數的LL處理與CK無顯著差異。

高Cd脅迫引起葉片單位反應中心吸收的光能和捕獲的光能增加，而用于電子傳遞的光能減少，同時結合快速葉綠素熒光動力學曲線K相的出現，進一步說明電子在QA處的大量積累。噴施Si后，促進QA向QB的電子傳遞，使得ψo和φEo增加。

光合性能指數(PIabs)能更好地反映脅迫對光合機構的影響[29]。本研究表明，高Cd脅迫下噴施Si后減少了ABS/RC，而PIabs顯著增加，并且提高了光合反應中心數目(RC/ABS)，從而緩解Cd對番茄葉片的傷害。

圖6 外源Si對不同鎘濃度土壤栽培番茄幼苗葉片光合性能參數的影響

表2 外源Si對不同鎘濃度土壤栽培番茄幼苗葉片光響應熒光參數的影響

2.4 對番茄葉片強光耐受力的影響

通過熒光響應曲線的測量，進行光響應曲線的擬合得到快速光曲線的初始斜率(α)、最大電子傳遞速率(ETRmax)及最小飽和光強(IK)。α反映光能利用效率，ETRmax和IK反映樣品對強光的耐受能力[30]。高Cd(H)和低Cd(L)處理下，番茄葉片PSII的ETRmax和IK與對照無顯著差異，但噴施不同濃度Si溶液后，均顯著的增高，不同Si濃度處理之間無顯著差異。PSI的ETRmax和IK與同樣與對照無顯著差異，高Cd(H)處理下噴施中等濃度Si溶液(HM)能顯著的增加番茄葉片ETRmax和IK；低Cd(L)處理下噴施低濃度Si溶液(LL)能顯著的增加番茄葉片ETRmax和IK。從熒光響應曲線這個角度看，高Cd(H)和低Cd(L)處理下，是否噴施Si溶液對番茄葉片光能利用效率(α)無顯著影響。

噴施Si能提高番茄葉片內的兩個光系統的最大電子傳遞速率，可能降低了由于供體側限制引起的PSI處非光化學能量耗散的量子產量，PSI具有接受更多的電子在供體側用于光合作用電子傳遞的能力，從而引起葉片的PSI和PSII的最小飽和光強(IK)增大[18]。此外，PSⅡ和PSI的最大電子傳遞速率的提升，更多的光能用于電子鏈中的電子傳遞，為葉片暗反應提供更多的能量，從而抑制了Cd對番茄葉片光合中心的損壞(表2)。

3 結 論

(1)在不同Cd濃度土壤栽培的番茄，番茄葉片PSⅡ供體側和受體側受到破壞，向下游提供電子的能力減弱，阻礙光合電子傳遞，最終引起葉片光合性能下降，濃度越高對番茄的光合性能指標由抑制作用越強。

(2)噴施2.5～7.5 mmol/L濃度的Si以后，能減輕Cd對番茄葉片PSⅡ供體側和受體側的傷害、抑制光合反應中心失活，降低熱耗散，增加用于電子傳遞的能量，增加光合反應中心數目，最終提高不同Cd濃度栽培中番茄葉片的光合性能指標，但本次試驗中的不同濃度的Si溶液無顯著差異。