外源硅對干旱脅迫下大葉女貞光合作用及葉綠素熒光特性的影響

李爽

摘要：以盆栽大葉女貞幼苗為試材，研究在1% PEG-6000模擬干旱脅迫條件下，分別添加0、0.2、0.4、 0.6 g/kg外源硅（SiO2）對大葉女貞光合作用及葉綠素熒光特性的影響。結果表明，隨著干旱脅迫時間的延長，不同硅水平處理的大葉女貞葉片相對含水量（RWC）、光合色素含量、凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、最大光化學效率（Fv/Fm）、實際光化學效率（ΦPSⅡ）及光化學淬滅系數（qP）等均逐漸下降，水分自然飽和虧（NSD）、非光化學淬滅系數（NPQ）逐漸上升，胞間二氧化碳濃度（Ci）則先降低后升高，且不同硅水平處理的變化幅度存在顯著差異，以 0.4 g/kg 硅水平處理效果最佳。脅迫12 d時，0.4 g/kg硅水平處理的大葉女貞RWC、葉綠素含量、類胡蘿卜素含量、Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、ΦPSⅡ及qP分別較0 d降低15.4%、52.34%、17.83%、34.65%、38.43%、21.84%、21.84%、23.33%和32.00%，而NSD、NPQ及Ci分別較0 d提升20.68%、66.18%和6.71%。脅迫12 d時，0.4 g/kg硅水平處理的大葉女貞株高、莖粗及干質量分別較對照提升41.66%、15.09%和35.08%。綜上所述，1% PEG-6000模擬干旱條件下，外源添加0.4 g/kg的SiO2可明顯改善大葉女貞的葉片水分狀況，抑制光合色素降解，提高葉片的光合作用速率，減輕光抑制程度，促進大葉女貞生長。

關鍵詞：大葉女貞;模擬干旱;硅;光合作用;熒光參數

中圖分類號：X173;S718.43 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0174-05

干旱是我國較為常見的氣象災害之一，嚴重影響植物的生長發(fā)育，其危害程度在非生物逆境中占據首位[1]。據統(tǒng)計，我國干旱和半干旱地區(qū)主要集中于北方，約占國土總面積的56%，而南方地區(qū)也因降水不均勻而常導致臨時性干旱發(fā)生，干旱脅迫已成為限制園林植物生長發(fā)育的主要障礙因子，如何提高園林植物的耐旱性已成為當前亟待解決的關鍵問題之一[2-3]。硅（Si）是植物生長發(fā)育不可或缺的元素之一，在土壤中含量非常豐富，但常以不溶性硅酸鹽形式存在，因此，土壤中可被植物吸收利用的硅含量往往較低[4-5]。目前，關于外援施硅對逆境下植物生長發(fā)育的影響，前人進行了大量的研究。吳淼等研究表明，外援施硅可提高干旱脅迫下紫花苜蓿種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和胚根長，POD、SOD和CAT活性增加，MDA含量明顯降低，耐旱性提高[6];楊慧穎等研究表明，外源施硅可使干旱脅迫下的肥皂草POD、SOD和CAT活性提高30%以上，相對電導率和MDA含量降低20%以上，有效提升了肥皂草的抗氧化能力，減緩干旱脅迫對細胞膜造成的破壞[7];鄭世英等研究表明，外源施用一定濃度的硅可有效促進干旱脅迫下野生大豆幼苗的生長，抗氧化酶活性明顯提升，細胞膜透性明顯降低，可在一定程度上緩解其因干旱脅迫造成的傷害，提高其抗旱能力[8];曹逼力等研究表明，外源添加1.2 mmol/L Na2SiO3·9H2O可明顯改善1% PEG-6000模擬干旱脅迫條件下的番茄葉片水分狀況，提高光合色素的含量和光化學效率，緩解因干旱脅迫造成的光抑制，有助于維持番茄葉片在干旱脅迫下的高光合速率[9];孫山等研究表明，外源硅處理可明顯降低干旱脅迫對甜茶葉片的PSⅠ和PSⅡ傷害程度，通過提高光合系統(tǒng)活性來促進PSⅠ環(huán)式電子傳遞，甜茶幼苗的耐旱性得到顯著提高[10];林麗果等研究表明，外源添加硅可顯著提高鹽脅迫下高羊茅的出苗率、生物量、光合速率（Pn）和氣孔導度（Gs），降低蒸騰速率（Tr）和胞間二氧化碳濃度（Ci），提高其耐鹽性[11];李天哲等研究表明，外援施硅可明顯促進鎘脅迫下水稻幼苗的生長，抗氧化防御體系顯著提升，細胞超微結構得到明顯改善，鎘脅迫抗性顯著提升[12]。綜上所述，外源硅可以緩解植物因逆境脅迫而造成的傷害，提高植物抗逆性。

大葉女貞（Ligustrun lucidum Ait）又稱冬青，屬木犀科女貞屬，其葉片有較強的滯塵抗煙及隔音功能，且四季常青，已成為我國各地園林綠化的主要樹種之一[13]。目前，關于大葉女貞的研究主要集中在抗寒性[14]、耐旱性[15]、重金屬富集[16]、滯塵效應[17]及耐鹽性[18]等方面，但是關于提高大葉女貞耐旱性的栽培措施鮮有相關報道，尤其是外源施硅對干旱脅迫下大葉女貞光合作用及葉綠素熒光特性方面的研究更是尚未見相關報道。鑒于上述背景，本試驗以大葉女貞為試驗材料，從大葉女貞葉片水分狀況、光合色素含量、光合作用、葉綠素熒光特性及生物量5個方面入手，研究外源施硅對干旱脅迫下大葉女貞生長及光合生理指標的影響，篩選最佳的外源硅添加濃度，以期為大葉女貞的節(jié)水抗旱栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年4月在湖北省武漢市洪山區(qū)林業(yè)局苗圃進行。以大葉女貞幼苗為試驗材料進行盆栽試驗，花盆規(guī)格為35 cm×45 cm，每盆裝草炭土7 kg，定植1株，緩苗期1個月，緩苗期間進行正常的水肥管理及病蟲害防治。2017年5月從恢復苗中選取大小、長勢一致的苗木進行干旱脅迫試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 干旱脅迫試驗采用PEG-6000模擬方法進行，在2016年預試驗的基礎上確定PEG-6000處理濃度為1%，每隔4 d澆灌1次，處理時間為12 d。試驗設4個硅處理水平，即施硅（SiO2）量分別為0、0.2、0.4、0.6 g/kg，分別用CK、T1、T2、T3表示，以不添加PE-G6000和SiO2為CK0，共5個處理。每個處理30盆，隨機區(qū)組，3次重復。分別于試驗處理后0、3、6、9、12 d的10：00和11：00測定葉片水分狀況、光合色素含量、光合參數及葉綠素熒光參數;于試驗處理的12 d測定大葉女貞植株的生長指標。

1.2.2 測定指標及方法 （1）葉片水分狀況測定。選取各處理植株的第3張至第4張展開葉，稱其鮮質量（mf），然后將其在蒸餾水中浸泡24 h，用吸水紙將其表面水分吸干，稱量其飽和鮮質量（mt），最后在干燥箱內105 ℃殺青30 min并于75 ℃烘干至恒質量，稱量其干質量（md），按照如下公式計算葉片相對含水量（RWC）=（mf-md）/（mt-md）、自然飽和虧缺（NSD）=（mt-mf）/（mt-md）。（2）光合參數測定。光合色素含量測定采用丙酮比色法。選取各處理植株的第3張功能葉，用Li-6400XT型便攜式光合作用儀（美國LI-COR公司）進行凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、細胞間隙CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）測定。（3）葉綠素熒光參數測定。選取各處理植株的第3張功能葉，用FMS-2型便攜脈沖調制式熒光測定儀進行測定，具體方法為：在測定前將植株暗適應20 min，然后在Fv/Fm模式下用0.12 μmol/（m2·s）光進行照射并測定初始熒光Fo;然后用4 000 μmol/（m2·s）強飽和脈沖光進行激發(fā)并進行最大熒光Fm測定，脈沖時間為 0.7 s;在自然光照射后，用4 000 μmol/（m2·s）強飽和脈沖光進行激發(fā)，測定光適應下的最大熒光Fm′;關閉自然光后，立即用遠紅光進行照射，測定穩(wěn)態(tài)熒光Fs及光適應下的初始熒光Fo′，按如下公式計算各參數：PSⅡ最大原初光能轉化效率（Fv/Fm）=1-Fo/Fm;PSⅡ實際光能轉化效率（ΦPSⅡ）=1-Fs/Fm′;光化學猝滅系數（qP）=（Fm′-Fs）/（Fm′-Fo′）;非光化學猝滅系數qN=Fm/Fm′-1。

1.2.3 數據分析 采用Microsoft Excel 2013軟件進行數據處理和作圖，采用SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 外源硅對干旱脅迫下大葉女貞葉片水分狀況的影響

由圖1-a可知，隨著干旱脅迫時間的延長，4種處理的葉片相對含水量均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，且不同處理的降低幅度存在明顯差異。在干旱脅迫12 d時，CK0的相對含水量較0 d不存在明顯差異，而CK、T1、T2及T3處理的相對含水量分別較0 d降低39.94、25.75、15.4、36.41百分點;由圖1-b 可知，隨著干旱脅迫時間的延長，4種處理的葉片水分自然飽和虧變化趨勢與相對含水量相反，且降低幅度因處理不同而存在明顯差異。在干旱脅迫12 d時，CK0的水分自然飽和虧與0 d變化不大，而CK、T1、T2及T3處理的水分自然飽和虧分別較0 d提升46.2、28.49、20.68、39.83百分點。這說明外源施硅可明顯提升干旱脅迫下大葉女貞葉片的保水能力，且提升幅度以0.4 g/kg處理效果最佳。

2.2 外源硅對干旱脅迫下大葉女貞葉片光合色素含量的影響

由圖2-a可知，CK0處理的大葉女貞葉片葉綠素含量無顯著變化， 而CK、T1、T2及T3處理的葉綠素含量均隨著干旱脅迫處理時間的延長而顯著降低，且不同處理間的降低幅度存在明顯差異。脅迫12 d時，CK、T1、T2及T3較0 d分別降低72.08%、56.72%、52.34%和67.35%;類胡蘿卜素含量變化趨勢與葉綠素明顯不同，T1及T2處理的類胡蘿卜素含量隨著干旱脅迫時間的延長而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而CK及T3處理則逐漸降低。干旱脅迫3 d時，T1及T2處理的類胡蘿卜素含量分別較0 d提升3.47%和6.59%;干旱脅迫 12 d 時，CK、T1、T2及T3較0 d分別降低51.16%、24.32%、17.83%和39.06%。這說明外源施硅可明顯減緩因干旱脅迫而造成的大葉女貞葉片光合色素降解，且以 0.4 g/kg 處理效果最佳，濃度過高或過低均可對緩解效應產生顯著影響。

2.3 外源硅對干旱脅迫下大葉女貞光合參數的影響

由圖3-a可知，干旱脅迫可顯著降低大葉女貞葉片的凈光合速率（Pn），且降低幅度隨著脅迫時間的延長逐漸變大;同時，硅處理可明顯提升干旱脅迫下大葉女貞Pn，提升幅度因濃度大小而存在明顯差異。干旱脅迫6 d時，CK、T1、T2及T3較0 d分別降低31.27%、19.21%、13.44%和27.15%;而干旱脅迫12 d時，CK、T1、T2及T3較0 d分別降低 73.96%、44.42%、34.65%和59.83%。干旱脅迫條件下，大葉女貞葉片氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）的變化趨勢與Pn變化一致，硅處理可明顯緩解干旱脅迫對Gs和Tr的影響（圖3-b、圖3-d）。干旱脅迫12 d時，CK、T1、T2及T3處理的Gs較 0 d 分別降低76.23%、43.08%、38.43%和61.65%;CK、T1、T2及T3處理的Tr較0 d分別降低50.85%、27.07%、21.84% 和38.24%。由圖3-c可知，隨著干旱脅迫時間的延長，大葉女貞葉片的胞間二氧化碳（Ci）濃度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢;同時，硅處理可明顯降低干旱脅迫下大葉女貞葉片Ci，降低幅度因濃度大小而存在明顯差異。干旱脅迫3 d 時，CK、T1、T2及T3較0 d分別降低26.83%、16.35%、21.73%和25.13%;而干旱脅迫12 d時，CK、T1、T2及T3較0 d 分別提升16.39%、8.78%、6.71%和12.57%。這說明外源施硅可明顯提升干旱脅迫下大葉女貞葉片的光合性能，以0.4 g/kg處理效果最佳，濃度過高或過低均可影響提升效果。

2.4 外源硅對干旱脅迫下大葉女貞葉綠素熒光參數的影響

由圖4-a、圖4-b可知，隨著干旱脅迫時間的延長，大葉女貞葉片的PSⅡ最大光合效率（Fv/Fm）及PSⅡ實際光合效率（ΦPSⅡ）均逐漸降低;同時，外源施硅可顯著提升干旱脅

迫下的大葉女貞葉片F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ，且提升幅度因濃度不同而存在明顯差異。干旱脅迫12 d時，CK、T1、T2及T3的 Fv/Fm 較0 d分別降低39.53%、25.88%、21.84%和32.94%，而CK0較0 d無明顯變化;CK、T1、T2及T3的ΦPSⅡ較0 d分別降低54.1%、32.2%、23.3%和45.9%，而CK0較0 d無明顯變化。這說明干旱脅迫會對大葉女貞的光合作用系統(tǒng)Ⅱ造成損害，進而降低其Fv/Fm和ΦPSⅡ，而外源施硅可明顯緩解干旱脅迫造成的損害，以0.4 g/kg處理效果最佳，濃度過高或過低均降低緩解效應。由圖4-c、圖4-d可知，隨著干旱脅迫時間的延長，大葉女貞葉片的光化學淬滅（qP）逐漸降低，而非光化學淬滅（NPQ）則呈現(xiàn)逐漸上升趨勢;外源施硅可顯著提升干旱脅迫下的大葉女貞葉片qP、顯著降低NPQ，且提升（或降低）幅度因濃度而存在明顯差異。干旱脅迫12 d時，CK、T1、T2及T3的qP較0 d分別降低58.11%、37.33%、32.00%和48.65%，而CK0較0 d無明顯變化;CK、T1、T2及T3的NPQ較0 d分別提升122.06%、76.81%、66.18%、100%，而CK0較0 d無明顯變化。這說明干旱脅迫會導致qP降低和NPQ提升，大葉女貞葉片通過熱散耗的形式來消耗更多的能量，而外源施硅可明顯提升干旱脅迫下的大葉女貞qP，降低NPQ，以0.4 g/kg處理效果最佳，濃度過高或過低均會降低緩解效應。

2.5 外源硅對干旱脅迫下大葉女貞生長的影響

由表1可知，干旱脅迫顯著影響大葉女貞生長，而外源施硅可明顯提升干旱脅迫下的大葉女貞的株高、莖粗及干質量。干旱脅迫12 d時，CK處理的大葉女貞株高、莖粗及干質量分別為16.25 cm、1.06 cm和3.05 g，CK0、T1、T2及T3的株高分別較CK增高56%、24.62%、41.66%和10.52%，莖粗分別較CK增粗27.36%、7.55%、15.09%和4.72%，干質量分別較CK增質量42.95%、23.28%、35.08%和5.57%。這說明干旱脅迫對大葉女貞的生長造成顯著影響，而外源施硅可明顯提升干旱脅迫下的大葉女貞的株高、莖粗及干質量，以 0.4 g/kg 處理效果最佳，濃度過高或過低均降低提升效果。

3 結論與討論

相對含水量（RWC）和飽和水分虧缺（NSD）是反映植物葉片水分狀況的重要指標。本研究結果表明，隨著干旱程度的加劇，大葉女貞葉片RWC逐漸降低，NSD則逐漸升高;外源添加適量硅可明顯降低干旱脅迫下大葉女貞葉片的RWC，提升其NSD，其中以0.4 g/kg處理效果最佳，RWC和NSD分別較0 d降低15.4%和提升20.68%，本結果與曹逼力等的研究結果[9]較為一致。這說明外源添加適量硅可明顯改善干旱脅迫下植物葉片的水分狀況，其可能是由于外源硅可在植物非生理活性部位形成“硅-角雙層”結構，明顯減少水分散失，進而提高植物保水能力。

光合作用對植物的生長發(fā)育具有重要影響，而葉片光合色素含量則是決定光合作用強弱的重要因素之一。本研究中，隨著干旱脅迫程度的加劇，大葉女貞葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢;外源添加適量硅，可明顯緩解大葉女貞因干旱脅迫而造成的光合色素降解，其中以 0.4 g/kg 處理效果最佳，葉綠素和類胡蘿卜素含量分別較0 d降低52.34%和17.83%;凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間二氧化碳（Ci）是衡量光合作用的重要參數。本研究中，隨著干旱脅迫程度的加劇，大葉女貞葉片Pn、Gs和Tr逐漸降低，而Ci則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;與對照相比，外源添加適量硅可明顯提升干旱脅迫下大葉女貞葉片光合參數Pn、Gs、Tr，降低Ci，其中以0.4 g/kg處理效果最佳，Pn、Gs、Tr分別較0 d降低34.65%、38.43%和 21.84%，Ci較0 d提升6.71%;本結果與曹逼力等的研究結果[9-10]較為一致。這說明外源添加適量硅可明顯提升干旱脅迫下大葉女貞的光合色素含量及光合強度，其原因可能是：一方面，外源適量硅可明顯緩解大葉女貞因干旱脅迫而造成光合色素降解，進而提高光合速率;另一方面，外源適量硅可減少干旱脅迫下大葉女貞葉片水分散失，避免因過度失水而造成大葉女貞葉片的Gs過度降低，進而提升干旱脅迫下大葉女貞的凈光合速率和蒸騰速率。

Fv/Fm和ΦPSⅡ是衡量植物光合作用受抑制程度的重要指標[19-20]。本研究中，隨著干旱脅迫程度加劇，大葉女貞葉片的Fv/Fm及ΦPSⅡ均呈現(xiàn)逐漸降低趨勢;外源添加適量硅可明顯提升干旱脅迫下大葉女貞葉片的Fv/Fm及ΦPSⅡ，其中以0.4 g/kg處理效果最佳，F(xiàn)v/Fm及ΦPSⅡ分別較0 d降低21.84%和31.33%;qP是反映用于光化學電子傳遞的能量的指標，而NPQ則是反映以熱耗散形式散發(fā)的能量的指標[20]。本研究中，隨著干旱脅迫程度加劇，大葉女貞葉片的qP逐漸降低，而NPQ則呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢;外源添加適量硅可明顯提升干旱脅迫下大葉女貞葉片的qP，降低其NPQ，其中以0.4 g/kg處理效果最佳，qP較0 d降低32.00%，而NPQ則較0 d提升66.18%;這說明外源添加適量硅可明顯減輕干旱脅迫對大葉女貞葉片光合系統(tǒng)的破壞，提升干旱脅迫下大葉女貞葉片的PSⅡ活性，提高其光能利用率。

干旱脅迫可對植物的生長發(fā)育產生顯著影響。本研究結果表明，隨著干旱脅迫程度加劇，大葉女貞株高、莖粗及干質量明顯降低，而外源添加適量硅可明顯提升干旱脅迫下大葉女貞的株高、莖粗及干質量。其中，以0.4 g/kg處理效果最佳，株高、莖粗及干質量分別較CK提升41.66%、15.09%和35.08%。這說明外源添加適量硅可明顯促進干旱脅迫下大葉女貞的生長，其可能是由于外源添加適量硅可顯著增強干旱脅迫下大葉女貞的光合速率所致。

綜上所述，1% PEG-6000模擬干旱條件下，外源添加 0.4 g/kg SiO2可明顯改善大葉女貞的葉片水分狀況，抑制光合色素降解，提高葉片的光合作用速率，減輕光抑制程度，促進大葉女貞生長。

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