外源乙酸對‘玫瑰香’葡萄非生物脅迫抗性的影響

郗慧茹，張一凡，張世昊，王京華，姚玉新*

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018）

干旱、鹽堿等非生物脅迫是限制葡萄生產(chǎn)的主要因素，嚴(yán)重影響了葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)。干旱脅迫下植物體內(nèi)發(fā)生各種生理生化反應(yīng)，使植物組織生理失水、光合受阻、呼吸紊亂、代謝異常、功能和結(jié)構(gòu)蛋白變性，直至衰亡[1]。鹽脅迫主要通過滲透脅迫和離子毒害對植株造成傷害[2]，使植物根系滲透勢降低，水分吸收能力下降，葉綠體受損，光合作用減弱，進而抑制植株生長[3]。堿性鹽對植物造成的危害要比中性鹽更大，這是由于堿性鹽不僅導(dǎo)致滲透脅迫和離子毒害，而且還產(chǎn)生pH脅迫，使得植物細(xì)胞內(nèi)離子失衡，膜系統(tǒng)損害[4-5]。

乙酸（Acetic acid，AC），又名醋酸、冰醋酸，是一種簡單的化合物，參與植物的基本代謝，如脂肪酸生物合成。在鹽脅迫條件下，葡萄根系會分泌多種有機酸來改變其生長環(huán)境，以抵御脅迫帶來的不良影響，包括乙酸[6-7]。乙酸等酸性物質(zhì)能夠改變鹽堿土壤的理化性狀，降低土壤pH[8-10]，為植物正常生長提供良好的理化條件。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度乙酸可以減少一些作物的水分損失，如擬南芥、油菜、玉米、水稻和小麥等[11-12]。本研究主要評價外源乙酸處理對葡萄干旱、NaCl和NaHCO3脅迫抗性的影響，為維持干旱和鹽堿條件下的葡萄正常生長提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及處理

以‘玫瑰香’葡萄為試材，定植于直徑17 cm、高25 cm的花盆中，每盆1株，基質(zhì)比例為土∶沙∶基質(zhì)＝1∶1∶1，期間進行正常水肥管理。待植株生長至8～10片葉時，選用長勢一致的盆栽苗先用AC進行預(yù)處理，具體試驗方案見表1。除干旱為田間自然干旱外，其余處理于每天下午進行，將土壤澆至飽和。待有輕微表型時，即干旱、NaCl、NaHCO3處理分別于第8、10、13天取樣，測定生理指標(biāo)，每個處理取6株，余下的植株進行后續(xù)表型觀察及拍照，不再進行處理。乙酸處理濃度為15 mmol·L-1；NaCl處理濃度為100 mmol·L-1；NaHCO3處理濃度為100 mmol·L-1，處理7 d后，改用150 mmol·L-1處理3 d，再用200 mmol·L-1處理3 d。每個處理3個重復(fù)，每個重復(fù)包含3株葡萄苗。

表1 試驗處理具體流程Table 1 Specific process of test treatment

1.2 測定項目及測定方法

選取植株中部健壯葉片和幼嫩根系，清洗干凈后用濾紙小心吸干表面的水分，參照趙世杰等[13]的方法立刻用于生理指標(biāo)的測定。根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，葉綠素（Chl）含量采用分光光度法進行測定。

選擇晴朗天氣于取樣前1～2 d，使用CIRAS-3光合作用儀（PP-Systems，美國）測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）。

選擇晴朗天氣于取樣前1～2 d利用上午時間使用FMS-2型熒光儀（Hansatech，英國）測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括最大熒光（Fm）、光下最大熒光（Fm'）、最小熒光（Fo）、光下最小熒光（Fo'）、穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）、表觀電子傳遞速率（ETR）。計算求得：可變熒光（Fv-Fm-Fo）、光化學(xué)猝滅系數(shù)[qP=(Fm'-Fs)/(Fm'-Fo')]、PSII電子傳遞量子效率[ΦPSII=(Fm'-Fs)/Fm']、PSII最大光化學(xué)效率[Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm]、PSII潛在光化學(xué)效率（Fv/Fo）。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與整理，使用SPSS軟件進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙酸預(yù)處理提高了葡萄非生物脅迫抗性

與對照相比，干旱處理后，葡萄葉片萎蔫，頂部幼葉干枯；NaCl處理后導(dǎo)致葡萄葉片，尤其是上部葉片萎蔫、失綠和部分脫落；NaHCO3處理后觀察到葡萄葉片、尤其是下部葉片變黃和脫落；表明3種脅迫均對葡萄產(chǎn)生較大傷害。相比之下，表型觀測表明乙酸預(yù)處理降低了脅迫傷害程度（圖1）。

圖1 不同處理條件下的葡萄表型Figure 1 Grapevine phenotypes under different treatments

2.1.1 乙酸預(yù)處理對根系活力和電導(dǎo)率的影響

由圖2可知，與對照（CK1、CK2、CK3）相比，干旱、NaCl、NaHCO3三種脅迫下，‘玫瑰香’葡萄根系活力分別降低了72%、53%、66%，而經(jīng)過乙酸預(yù)處理的葡萄植株根系活力僅降低了43%、27%、45%。以上數(shù)據(jù)表明，外源乙酸處理后，能夠顯著提高‘玫瑰香’葡萄植株對非生物脅迫的抵抗力。干旱、NaCl、NaHCO3三種脅迫下，‘玫瑰香’葡萄電導(dǎo)率與對照相比差異明顯，分別升高了2.27、0.64、2.10倍，經(jīng)過乙酸預(yù)處理的葡萄植株根系電導(dǎo)率僅升高了0.82、0.27、0.62倍，顯著減緩了上升趨勢，以上數(shù)據(jù)表明，外源乙酸處理能夠顯著緩解胞內(nèi)物質(zhì)外滲，從而提高葡萄植株對非生物脅迫的抵抗力。

圖2 不同處理條件下葡萄根系活力和電導(dǎo)率的變化Figure 2 Changes of root activity and electrical conductivity of grape under different treatment conditions

2.1.2 乙酸預(yù)處理后不同脅迫對丙二醛的影響

與對照相比，在干旱、NaCl、NaHCO3三種脅迫下‘玫瑰香’葡萄葉片MDA分別升高了14%、113%、43%；根系MDA升高了63%、114%、136%。而經(jīng)過乙酸預(yù)處理的干旱脅迫下葡萄葉片MDA降低5%，經(jīng)乙酸預(yù)處理的NaCl、NaHCO3脅迫下葡萄葉片MDA僅提高了58%、14%；根系僅提高了43%、11%、66%（表2）。MDA是膜脂過氧化產(chǎn)物，體現(xiàn)了細(xì)胞膜受損程度。這些數(shù)據(jù)表明，外源乙酸處理后，能夠顯著的減緩細(xì)胞膜受損，從而提高葡萄植株對非生物脅迫的抵抗力。

表2 不同處理條件下葡萄丙二醛含量的變化Table 2 Changes of malondialdehyde content in grapevine under different treatment conditions

2.2 乙酸預(yù)處理對不同脅迫下葉片光合能力的影響

由圖3 得知，與對照相比，干旱、N a C l 和NaHCO3三種脅迫處理使得葉綠素含量分別下降64%、54%、74%，大幅度降低了葡萄葉片的葉綠素含量，進而影響葉片光合能力；相比之下，乙酸預(yù)處理后上述變化分別為10%、17%、43%，緩解了葉綠素含量的下降趨勢，從而維持了正常生理生化活動。

圖3 不同處理條件下葡萄葉片葉綠素含量Figure 3 Chlorophyll content of grape leaves under different treatments

由表3可以看出，干旱、NaCl和NaHCO3三種脅迫處理均大幅度降低了Pn、Tr和Gs。3種脅迫處理‘玫瑰香’葡萄葉片凈光合速率僅為對照的2%、13%和10%；蒸騰速率僅為對照的5%、20%、8%；氣孔導(dǎo)度僅為對照的3%、15%、5%。相比之下，乙酸預(yù)處理后，以上數(shù)值為39%、43%、43%；60%、35%、42%；50%、29%、26%，顯著緩解了以上3個光合參數(shù)在脅迫條件下的下降。同時，3種脅迫處理不同程度提高了Ci參數(shù)，分別提高了82%、39%、207%；但是乙酸預(yù)處理降低了Ci的上升幅度，分別上升35%、10%、128%。以上結(jié)果表明，乙酸預(yù)處理有助于維持脅迫條件下葉綠素水平和光合能力。

表3 不同脅迫處理下光合參數(shù)的變化Table 3 Changes in photosynthetic parameters under different treatments

2.3 乙酸預(yù)處理對不同脅迫條件下葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表4可以看出，‘玫瑰香’葡萄葉片的Fv/Fm、Fv'/Fm'和ΦPSII在不同脅迫處理后的變化趨勢相似，均呈現(xiàn)顯著降低。在干旱脅迫下，3個參數(shù)分別降低了22%、23%、24%；NaCl脅迫下，3個參數(shù)分別降低了17%、24%、21%；NaHCO3脅迫下，3個參數(shù)分別降低了18%、37%、28%。相比之下，乙酸預(yù)處理后，上述數(shù)據(jù)變?yōu)?2%、11%、8%；4%、9%、11%；5%、15%、10%，顯著緩解了以上數(shù)值的下降，有效減輕了非生物脅迫對‘玫瑰香’葡萄光合能力的傷害。

表4 不同處理條件下葡萄葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Table 4 Chlorophyll fluorescence parameters of grape leaves under different treatment conditions

3 討論與結(jié)論

乙酸是一種可在植物體內(nèi)合成的小分子化合物，有關(guān)其調(diào)節(jié)葡萄非生物脅迫耐受性方面的研究非常有限。已有研究表明，外源乙酸可以觸發(fā)從糖酵解到乙酸合成的動態(tài)代謝流轉(zhuǎn)換，通過促進茉莉酸的合成和組蛋白H4乙酰化的富集，最終提高擬南芥、油菜、小麥等作物的干旱脅迫耐受性[11]。鹽脅迫下，乙酸鹽處理后扁豆幼苗的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量顯著高于對照，減少了氧化和膜損傷，并降低幼苗體內(nèi)Na+的積累[14]。乙酸還可通過調(diào)節(jié)K+、Na+平衡、促進活性氧清除、激活抗逆激素合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等途徑緩解鹽脅迫[15]。堿性鹽脅迫下，葡萄砧木品種‘A15’中草酸鹽、琥珀酸鹽和乙酸鹽的合成顯著增加[16]；而在‘AB11’葡萄品種中只有乙酸鹽顯著增加，因此，乙酸可能在葡萄非生物脅迫中起著重要作用[17]。還有研究發(fā)現(xiàn)，乙酸通過促進水楊酸合成來增強葡萄對NaHCO3的耐受性[17]。以上研究表明，乙酸通過修飾不同的信號通路來調(diào)節(jié)不同非生物脅迫條件下的耐受性。本研究通過分析根活、電導(dǎo)率、丙二醛、葉綠素和葉綠素參數(shù)等生理指標(biāo)，進一步揭示了乙酸預(yù)處理可以提高葡萄非生物脅迫的耐受性。

當(dāng)非生物脅迫發(fā)生時，根系最先受到感應(yīng)，表現(xiàn)為根系細(xì)胞膜通透性增大，細(xì)胞活性降低，幼嫩根系生長受阻，老根發(fā)生褐化，吸收能力逐漸變?nèi)鮗18-19]。為應(yīng)對脅迫，根系會在形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化層面做出相應(yīng)的調(diào)整[20]，同時導(dǎo)致細(xì)胞膜的選擇透性發(fā)生改變甚至喪失，造成胞內(nèi)物質(zhì)滲出，組織浸出液電導(dǎo)率增加[21-24]。MDA是膜脂過氧化產(chǎn)物，當(dāng)其含量增大到一定程度時能夠給細(xì)胞膜帶來損傷[25]。

葉綠素是影響光合作用速率的主要因素，其與植物葉片光合能力密切相關(guān)，是衡量植物脅迫耐受性的重要生理指標(biāo)之一[26-27]。當(dāng)干旱、鹽堿等非生物脅迫發(fā)生時，會造成葉綠體質(zhì)膜溶解、類囊體解體和片層紊亂等現(xiàn)象[28-29]。本研究結(jié)果與前人的結(jié)果一致，經(jīng)過乙酸預(yù)處理后，葡萄植株表型的受損程度得到了明顯緩解，降低了植株萎蔫、黃化及葉片脫落的程度；從生理指標(biāo)來看，在干旱脅迫下，根系活力和葉綠素含量比對照下降72%和64%，根系電導(dǎo)率和MDA增加2.27倍和63%；而乙酸預(yù)處理后，以上指標(biāo)變化幅度分別為43%、10%、0.82倍和43%。

綜上所述，外源乙酸處理后，能顯著提高葡萄的耐旱、耐NaCl和NaHCO3的能力，維持葡萄植株的正常生理代謝和系統(tǒng)平衡。然而對于乙酸提高葡萄非生物脅迫的生理生化作用機制和信號傳導(dǎo)途徑有待進一步研究。