草莓葉片光合及葉綠素熒光特性對噴鈣的響應

摘要：為探究草莓葉面噴鈣對礦質元素含量、光能利用效率的影響，選取草莓品種章姬為研究對象，以葉面噴施清水為對照（CK），設置了4個CaCl2噴施濃度，分別為0.25%、0.50%、1.00%及2.00%。噴施2次后，先對草莓葉片進行光合參數、葉綠素熒光參數的測定；隨后進行破壞性取樣，測定葉片葉綠素含量及礦質元素含量。結果表明，草莓葉片鈣元素含量隨噴施濃度增加而增加。在礦質元素含量方面，隨草莓葉片鈣元素含量的增加，鉀、錳、硼3種元素含量降低，鋅元素含量增加，鎂、鐵、硼3種元素含量無顯著變化。在光合特性方面，葉面噴施2% CaCl2溶液顯著降低了葉片的各項光合參數。在葉綠素熒光特性方面，2% CaCl2溶液處理的Fv/Fm顯著降低，能量耗散顯著升高；0.25%～0.50%鈣濃度處理的草莓葉片增加了用于還原QA和電子傳遞的能量。在葉綠素含量方面，葉面噴施CaCl2溶液顯著降低了葉片的葉綠素含量。綜上，噴施2% CaCl2溶液顯著降低了草莓葉片光合、葉綠素熒光特性；0.25%～0.50%的鈣濃度可增加草莓葉片單位反應中心吸收的光能，促進捕獲的能量用于還原QA和電子傳遞鏈；葉面施鈣引發的鋅元素富集是抑制葉綠素合成的主要因素。

關鍵詞：草莓；噴鈣；礦質元素；光合特性；葉綠素熒光

中圖分類號：S668.404""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）22-0174-05

植物通過光合作用將光能轉化為化學能獲得光合產物，保障自身生長發育^［1］。光合作用受多種環境因素及農藝措施影響^［2-5］。其中，農藝措施如礦質元素的補充，對光合作用影響尤為明顯^［6-8］。礦質元素作為光合作用中的關鍵參與者，能確保光合作用高效進行。一方面，礦質元素是光合作用中關鍵酶的組成部分，起催化作用。如鎂離子（Mg²⁺）是葉綠體中葉綠素分子的關鍵離子，也是光合作用過程中ATP合成酶和其他酶的輔助因子^［9-10］。鎂元素的存在對于光合作用過程中的光能捕獲和轉化至關重要。另一方面，礦質元素還影響葉綠素分子的合成和穩定性。鐵（Fe）是葉綠素分子中賴氨酸在合成過程中必需的元素，缺乏鐵會影響葉綠素的正常合成；其他微量元素如錳（Mn）、銅（Cu）、鋅（Zn）等也參與到葉綠素分子的合成和穩定過程中^［11-12］。此外，銅離子（Cu²⁺）和鐵離子（Fe²⁺/Fe³⁺）還參與到光合作用過程中的電子捕獲和轉移中，確保電子傳遞的運行正常^［13］。

鈣屬于植物體內不易移動的一類元素^［14］。近年來，設施草莓在種植過程中缺鈣現象頻頻發生，表現為新葉頂端及萼片邊緣變褐干枯，葉片無法正常生長^［15］。目前，施加鈣肥成為緩解草莓葉片缺鈣癥狀的主要措施^［16］。前人的研究表明，田間噴施醋酸鈣顯著影響草莓葉片礦質元素的吸收利用，且對噴鈣對植物光合作用的影響已開展了大量研究^［17-21］。但噴鈣引起的礦質元素含量變化是否影響草莓葉片光能利用效率有待進一步研究。本研究通過對章姬草莓噴施不同濃度的氯化鈣（CaCl2）溶液，測定葉片礦質元素含量、光能利用參數，提出2個科學假設：（1）高鈣處理會抑制光合作用；（2）噴鈣通過改變葉片礦質元素比例影響光合特性。本研究將有助于了解噴鈣引起的礦質元素變化對草莓葉片光能利用效率的影響，為緩解草莓缺鈣癥狀、提高光能利用效率提供參考依據。

1"材料與方法

1.1"試驗地點及材料

試驗于2022年11月25日至12月9日在江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所銅山試驗站溫室內進行。供試草莓品種為章姬，供試葉面肥為氯化鈣（分析純）。

1.2"試驗處理

選取長勢均一、生長良好的100株草莓作為一個試驗小區。試驗小區草莓成行栽植于種植槽中，統一常規施肥管理，于花期葉面噴施不同濃度CaCl2。設置CaCl2噴施濃度為0.25%、0.50%、1.00%及2.00% 4個處理，以噴施清水為對照（CK）。噴施時間為晴天15：00—16：00。每隔7 d噴施1次。噴施2次后進行指標測定。

1.3"試驗方法

1.3.1"光合參數的測定

采用LI-6400XT光合測定儀（LI-COR，美國）測定處理14 d的草莓倒3葉光合參數，設置PAR為1 000 μmol/（m²·s），CO2濃度為400 μmol/mol。并收集測定的倒3葉進行葉綠素含量的測定及礦質元素含量的測定。

1.3.2"葉綠素含量的測定

葉綠素a（Chlorophylls a，Chla）和葉綠素b（Chlorophylls b，Chlb）含量測定參照Hossain等的方法^［22］。稱取0.1 g葉片剪碎后置于95% （體積分數）乙醇中，黑暗條件下浸泡 72 h，采用分光光度計（島津，日本）測定663 nm、645 nm處的吸光度。計算公式如下：

Chla（mg/g FW）=（12.7×D663 nm-2.69×D645 nm）×V/（1 000×W）；

Chlb（mg/g FW）=（22.9×D645 nm -4.68×D663 nm）×V/（1 000×W）。

1.3.3"礦質元素含量的測定

收集的葉片用蒸餾水表面漂洗，擦干后將葉片置于65 ℃烘干 72 h。稱取0.5 g干樣于消煮管，加入8 mL濃硝酸，采用MARS 6全自動微波消解萃取系統（CEM，美國），800 W、180 ℃消煮20 min。冷卻后，用純水定容至50 mL，取10 mL用于Avio 200 ICP-OES（Perkin Elmer，美國）測定。

1.3.4"葉綠素熒光參數的測定

采用Fluor Pen FP 100手持式葉綠素熒光儀（PSI，捷克）測定葉綠素熒光參數。用葉片夾（避開葉片的主葉脈）夾住草莓植株的倒3葉暗適應10～15 min，隨后對葉片的OJIP曲線進行測定，閃光脈沖設置為30%，相對熒光強度分別以Fo、Fj、Fi和Fm表示。

1.4"數據處理

以上分析均設3個重復。采用Excel進行數據整理和作圖。使用SPSS 20.0軟件進行相關性分析，利用Duncan^，s新復極差法進行多重比較。使用Photoshop CS2進行圖片的拼接。采用ChiPlot 軟件繪制熱圖。

2"結果與分析

2.1"施鈣對草莓葉片礦質元素含量的影響

由圖1可知，鈣處理顯著影響草莓葉片礦質元素的含量，但效應因元素種類而異。根據鈣對葉片礦質元素含量的正負效應，所涉及的7種元素分為3類效應：（1）抑制效應，包括K、Mn、B等3種。隨著噴施鈣濃度的提升，K、Mn、B的含量顯著降低，其中，K為相關系數-0.66，Mn為-0.68，B為 -0.66。（2）促進效應，為Zn元素。Zn元素隨噴施鈣濃度的提升呈現升高趨勢，相關系數高達0.82。（3）無明顯效應，即葉片中鈣含量與元素含量無顯著相關效應，包括Mg、Fe、Cu等3種。綜上，噴鈣抑制了鉀、錳、硼元素的吸收，促進了鋅元素的吸收利用。

2.2"噴鈣對草莓葉片光合特性的影響

葉片光合特性參數可直觀反映植物光合作用情況。由圖2可知，葉面噴施2.00% CaCl2 溶液顯著降低了葉片的凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr及氣孔導度Gs，在其他處理中Pn、Tr、Gs數值差異不顯著（Pgt;0.05）。此外，胞間CO2濃度Ci在1.00% CaCl2處理時為36.9 μmol/mol（Plt;0.05），在2% CaCl2處理時為9.3 μmol/mol（Plt;0.05）。

由此可見，噴施2.00% CaCl2溶液抑制了草莓葉片光合作用。

2.3"噴鈣對草莓葉片葉綠素含量的影響

礦質元素的豐缺往往會影響葉綠素的形成或降解。由圖3可知，與CK相比，葉面噴施CaCl2 溶液降低了葉綠素a（Chla）和葉綠素b（Chlb）的含量。Chla含量在0.25%～2.00% CaCl2溶液處理時顯著低于CK（Plt;0.05），其中，2.00% CaCl2 溶液處理降低了22.4%。Chlb含量在0.25%～2.00% CaCl2溶液處理時均顯著低于CK（Plt;0.05）。

2.4"噴鈣對草莓葉片光合中心（PSⅡ）效率的影響

OJIP曲線特征點可以表征植物葉片PSⅡ結構和狀態^［23］。由圖4可知，不同鈣處理條件下，草莓葉片OJIP曲線特征點存在明顯差異。2.00% CaCl2溶液處理的Fj、Fi、Fm均明顯低于其他處理組，Fo值高于其他處理；0.25% CaCl2溶液處理的Fj、Fi、Fm最高；0.50%～1.00% CaCl2溶液處理的Fm值高于CK。PSⅡ 最大光合效率（Fv/Fm）可以表征光系統Ⅱ（PSⅡ）的化學活性。光能主要由葉綠素吸收用于光合作用、葉綠素自發熒光及熱能的耗散。結果（表1）表明，2.00% CaCl2溶液處理時，Fv/Fm值顯著降低（Plt;0.05），單位PSⅡ捕獲的光能（ABS/RC）顯著升高，但能量耗散明顯（DI0/RC）（Plt;0.05），造成還原QA（TR0/RC）的效率下降，電子傳遞（ET0/RC）不暢。隨著鈣肥濃度的增加，表征PSⅡ反應中心活性的參數ABS/RC、TR0/RC、ET0/RC和DI0/RC均呈現上升趨勢。由于0.25%～0.50%鈣濃度處理能量耗散少，吸收光能多，因此光能的利用效率更高。綜上，0.25%～0.50%的鈣濃度可以增加草莓葉片單位反應中心吸收的光能，促進捕獲的能量用于還原QA和電子傳遞鏈。

3"討論與結論

本研究發現，噴施濃度為2.00% CaCl2溶液顯著降低了草莓葉片的Pn、Tr、Ci和Gs。在2.00% CaCl2 溶液處理后，OJIP曲線的Fj、Fi、Fm均明顯低于CK，Fo值高于CK。前人研究表明，植物葉片 PSⅡ 反應中心破壞或類囊體薄膜受損會導致Fo增加^［24］。Fv/Fm值的顯著降低，表明草莓葉片在2.00% CaCl2 溶液處理后受到了脅迫。Fv/Fm作為植物響應光照變化的敏感指標，植物在正常生長條件下該值一般介于0.75～0.85之間，且植物光合效率越高，數值越高^［25］。在本研究中，Fv/Fm值變化趨勢與光合參數一致，隨CaCl2噴施濃度的增加呈現下降趨勢。在2.00% CaCl2 溶液處理后，PSⅡ反應中心比活性參數均增加。前人研究發現，受到脅迫的葉片會出現部分反應中心失活的現象，提高剩余PSⅡ效率，表現為單位反應中心光能吸收增加，激發能增加，即ABS/RC和TR0/RC的增加是對反應中心失活的補償效應，又因為該能量不用于電子傳遞（ET0/RC）［（ET0/RC）增幅不明顯］，而熱能耗散（DI0/RC）顯著增加，導致過量吸收的光能主要以熱量的形式耗散^［26］。熱耗散是一種常見的植物自我保護機制。由此推測，噴施2.00% CaCl2溶液對草莓葉片PSⅡ反應中心造成損害，電子傳遞不暢，熱耗散大幅增加。

在本研究中，CaCl2溶液處理的草莓葉片葉綠素a、葉綠素b含量均顯著低于CK處理（Plt;0.05），而噴施濃度為0.25%～0.50% CaCl2溶液對草莓葉片光合參數無顯著影響。該結果表明，葉綠素含量的小幅度下降對草莓葉片光能利用無顯著影響^{［13，21，27］}。由此推測，施用0.25%～0.50% CaCl2溶液未對草莓葉片葉綠體、類囊體等結構產生破壞。而噴鈣后草莓葉片葉綠素含量降低的原因究竟是什么？對此本研究做了進一步探究。

植物的生長發育期間各礦質元素關系復雜，相互促進又相互制約^［28］。葉面噴鈣作為一項重要的農藝措施，這一措施往往會打破各礦質元素間的平衡，進而擾亂植物的正常生理活動。前人研究發現，鈣元素含量過高會抑制其他元素（如K、Mg、Mn）的吸收，鈣硼之間的相互作用往往呈現出拮抗效應^［29-33］。本研究結果顯示，葉面噴鈣增加了草莓葉片中鈣元素的含量，同時發現鈣元素與鉀、錳、硼元素呈現顯著負相關；與Zn元素呈顯著正相關，與陳麗璇等的研究結果^［17］一致。這表明草莓葉片鈣元素的吸收抑制了鉀、錳、硼元素的吸收，促進了鋅元素的吸收利用。

已有研究表明，葉片鋅元素的富集會顯著降低葉綠素a和葉綠素b的含量，當鋅離子積累在葉片組織中，會干擾葉綠素分子的正常合成和功能^［34-36］。鋅元素過多會干擾葉綠素合成途徑中多個關鍵酶的催化活性，使葉綠素的合成速率減慢；此外，過量的鋅元素還可能干擾葉綠素分子的組裝過程，導致葉綠素復合物的穩定性下降^［37］。本研究結果中，鋅元素與鈣元素相關性高達0.82，為強相關，表明CaCl2處理致使草莓葉片富集大量鋅元素。由此可見，草莓葉片噴鈣致使鋅元素富集，進而導致葉片葉綠素含量降低。

綜上所述，噴施2.00% CaCl2溶液顯著降低了草莓葉片的光合速率及光能轉換效率Fv/Fm，致使部分PSⅡ反應中心失活，電子傳遞受阻，熱耗散大幅增加。0.25%～0.50%的鈣濃度可以增加草莓葉片單位反應中心吸收的光能，促進捕獲的能量用于還原QA和電子傳遞鏈。草莓葉片鈣元素的增加抑制了鉀、錳、硼元素的吸收，促進了鋅元素的富集，致使葉綠素含量降低。

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