外源2,4-表油菜素內酯對NaCl脅迫下燕麥幼苗光合特性的影響

寇江濤

(1.宜春學院 生命科學與資源環(huán)境學院,江西 宜春 336000；2.江西省作物生長發(fā)育調控重點實驗室,江西 宜春 336000)

光合作用是植物生長發(fā)育和產量形成的基礎,也因此成為植物抗鹽生理研究的熱點問題[1]。鹽脅迫下,植物光合反應中心功能受損,光合色素合成受阻,進而降低碳同化效率和光合同化產物的積累[2]。同時,鹽脅迫還抑制植物葉片中葉綠素的生物合成,并破壞葉綠體中捕光色素蛋白復合體的機能,使得植物葉片PSⅡ功能被抑制,光合電子傳遞受阻[3],導致植物的光合效率降低,最終抑制植物的生長和發(fā)育[4]。

油菜素內酯(Brassinosteroids,BRs)被稱為第六大類植物激素,能夠參與植物的生長發(fā)育,調控植物的生理生化代謝過程,還能夠緩解植物的逆境脅迫[5-6]。研究表明,外源BRs能夠提高植物的光合速率,促進光合同化產物的積累,并調控碳水化合物的分配,增加植物對營養(yǎng)元素的吸收[7-8]。魏湜等[9]研究表明,施用外源BRs能夠調節(jié)玉米幼苗葉片中內源激素含量,提高植株光合能力。吳秀和陸曉民[10]研究表明,外源油菜素內酯能夠緩解亞適宜溫光鹽環(huán)境對黃瓜幼苗所造的氧化損傷,降低黃瓜幼苗的膜脂過氧化程度,提高其凈光合速率,促進黃瓜幼苗在亞適宜溫光鹽環(huán)境下的生長。馬梅等[11]研究表明,外源EBR能夠降低油菜的氣孔限制,提高凈光合速率和水分利用效率,增加生物量積累,從而提高油菜的耐鹽性。

燕麥(AvenasativaL.)是一種糧飼兼用型作物,具有抗寒、抗旱、耐貧瘠、耐鹽堿等特點,是鹽堿化和荒漠化土地改良的先鋒作物。孫仁國等[12]研究表明,鹽脅迫下,燕麥干物質積累量降低,生長受到抑制,且隨著脅迫濃度和時間的增加,其光合速率顯著下降。武俊英等[13]研究表明,鹽脅迫下,燕麥的凈光合速率和水分利用效率均下降,當鹽濃度大于0.5%時,其光合作用受阻,生長嚴重受到抑制。劉建新等[14]研究表明,鹽堿脅迫下,燕麥葉片光系統(tǒng)Ⅱ反應中心受損,這也是鹽堿脅迫導致燕麥光合性能降低的主要因素。

研究表明,外源BRs能夠明顯緩解NaCl脅迫對燕麥種子萌發(fā)所產生的抑制作用,并促進NaCl脅迫下燕麥幼苗的生長[15],而關于BRs調控鹽脅迫下燕麥光合作用的研究還未見報道。因此,研究鹽脅迫下BRs對燕麥幼苗光合作用的影響,對闡明燕麥的耐鹽機制具有重要的意義。本研究以加燕2號、青引2號燕麥為材料,在100 mmol/L NaCl脅迫下,研究外源2,4-表油菜素內酯(2,4-epibrassinolide,EBR)對燕麥幼苗光合色素含量、光合氣體交換參數(shù)、熒光動力學參數(shù)、光合電子傳遞速率及PSⅡ光能分配情況的影響,旨在明確外源BRs對鹽脅迫下燕麥光合作用的調控機理。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試燕麥品種為加燕2號(AvenasativaL. cv. Jiayan No. 2)和青引2號(AvenasativaL. cv. Qingyin No. 2),EBR購自Sigma公司(美國),Ruibio分裝。

1.2 試驗設計

將供試燕麥種子在HgCl2溶液(濃度0.1%)中消毒5 min,用清水沖洗干凈后,播種在裝有蛭石的培養(yǎng)缽(深度15 cm,上下口徑各為15 cm和10 cm)中。用1/2 Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng),待燕麥幼苗2葉期,每個培養(yǎng)缽中定植15株,轉移至光照室進行培養(yǎng),預培養(yǎng)21 d后正式開始試驗。

試驗設置4個處理：正常處理(對照,CK)、NaCl處理(100 mmol/L NaCl)、EBR處理(0.01 μmol/L EBR)、EBR+NaCl處理(100 mmol/L NaCl + 0.01 μmol/L EBR)。每個處理重復4次。試驗處理液均用1/2 Hoagland營養(yǎng)液配置,其中NaCl處理和EBR+NaCl處理的處理液含100 mmol/L NaCl,處理液每天更換1次,并間歇性通入空氣。試驗期間,每天8:30左右在EBR處理和EBR+NaCl處理的燕麥幼苗葉片表面均勻噴施等量的0.01 μmol/L EBR溶液(CK和NaCl處理噴施蒸餾水),噴到有液滴為止。

NaCl處理第10天,取樣測定燕麥幼苗葉片中的光合色素含量,同時測定光合氣體交換參數(shù)、熒光動力學參數(shù)和電子傳遞速率,并計算PSⅡ光能分配情況。

1.3 測定方法

1.3.1 光合色素含量測定 參照Arnon[16]的方法,將燕麥幼苗葉片均勻剪碎后置于25 mL帶塞試管中,用80%丙酮溶液遮光浸泡提取,測定葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和類胡蘿卜素(Chlx·c)含量。

1.3.2 光合氣體交換參數(shù)測定 參照寇江濤等[17]的方法,于9:00-11:00測定燕麥幼苗第2～3片旗葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci),并計算水分利用效率(WUE)。

1.3.3 葉綠素熒光動力學參數(shù)測定 參照寇江濤等[18]的方法,于9:00-11:00,選取燕麥幼苗第2～3片旗葉,利用Imaging-PAM調制葉綠素熒光儀(Walz,Germany)測定其初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)、光化學淬滅系數(shù)(qP)、PSⅡ實際光合效率(ФPSⅡ)和表觀光合電子傳遞速率(ETR),并計算PSⅡ原初光能轉化效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)和天線色素轉化效率(Fv′/Fm′)。

1.3.4 光能分配情況計算 參照胡文海等[19]的方法,計算燕麥幼苗葉片的PSⅡ光能分配情況,公式如下：光化學反應能(P)=qP×Fv′/Fm′,天線耗散能(D)=1-Fv′/Fm′,反應中心耗散能(E)=(1-qP)×Fv′/Fm′。

1.4 數(shù)據處理和分析

采用Excel 2003對試驗數(shù)據進行處理并繪制圖表,采用SPSS 16.0進行差異顯著性分析(LSD法),P<0.05表示各個處理間存在顯著差異。

2 結果與分析

2.1 不同處理下燕麥幼苗葉片中的光合色素含量

由表1可知,和正常處理(CK)相比較,100 mmol/L NaCl脅迫下,燕麥幼苗葉片中的光合色素(Chla、Chlb、Chla+b和Chlx·c)含量及Chla/Chlb顯著降低(P<0.05),Chl/Car顯著升高(P<0.05)。正常條件下,0.01 μmol/L EBR處理對燕麥幼苗葉片的光合色素含量、Chla/Chlb和Chl/Car均無顯著影響(P>0.05)。100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L EBR后顯著提高了燕麥幼苗葉片中的光合色素(Chla、Chlb、Chla+b和Chlx·c)含量(P<0.05),Chla/Chlb顯著升高(P<0.05),Chl/Car顯著下降(P<0.05)。

注：不同字母表示同一品種各個處理之間存在顯著差異 (P<0.05)。表2同。

Note: Different letters indicate significant differences between treatments in the same variety(P< 0.05). The same as Tab.2.

2.2 不同處理下燕麥幼苗葉片的光合氣體交換參數(shù)

由圖1可知,和正常處理(CK)相比較,100 mmol/L NaCl脅迫下,青引2號和加燕2號燕麥幼苗的Pn、Tr、Gs和WUE均顯著降低(P<0.05),Ci顯著升高(P<0.05),燕麥幼苗的光合能力顯著下降。正常條件下,0.01 μmol/L EBR處理對青引2號燕麥幼苗的Pn、Tr、WUE、Ci和加燕2號燕麥幼苗的WUE、Ci均無顯著影響(P>0.05),但顯著提高了加燕2號燕麥幼苗的Pn、Tr(P<0.05),同時顯著提高了青引2號和加燕2號燕麥幼苗的Gs(P<0.05)。100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L EBR后,青引2號和加燕2號的Pn、Tr、Gs和WUE均顯著升高(P<0.05),Ci顯著降低(P<0.05)。

不同字母表示同一品種各個處理之間存在顯著差異 (P<0.05)。圖2-3同。 Different letters on the column indicate that there are significant differences between different treatments in the same variety(P < 0.05). The same as Fig.2-3.

2.3 不同處理下燕麥幼苗葉片的葉綠素熒光動力學參數(shù)

由圖2可知,和正常處理(CK)相比較,100 mmol/L NaCl脅迫下,青引2號和加燕2號燕麥幼苗葉片的NPQ和Fo顯著升高(P<0.05),Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′、Fv/Fm、ФPSⅡ和qP均顯著降低(P<0.05),燕麥幼苗葉片PSⅡ活性顯著降低。正常條件下,0.01 μmol/L EBR處理對燕麥幼苗葉片PSⅡ活性無顯著影響(P>0.05)。100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L EBR后,青引2號和加燕2號燕麥幼苗葉片的NPQ和Fo顯著降低(P<0.05),Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、ФPSⅡ、Fv′/Fm′和qP均顯著升高(P<0.05)，燕麥幼苗片PSⅡ活性顯著提高。

圖2 不同處理下燕麥幼苗葉片的葉綠素熒光動力學參數(shù)Fig.2 Chlorophyll fluorescence kinetic parameters of oat seedling leaves under different treatments

2.4 不同處理下燕麥幼苗葉片光系統(tǒng)Ⅱ的ETR

由圖3可知,和正常處理(CK)相比較,100 mmol/L NaCl脅迫下,燕麥幼苗葉片光系統(tǒng)Ⅱ的ETR顯著降低(P<0.05)。正常條件下,0.01 μmol/L EBR處理顯著提高了燕麥幼苗葉片光系統(tǒng)Ⅱ的ETR(P<0.05)。100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L EBR后,青引2號和加燕2號燕麥幼苗葉片光系統(tǒng)Ⅱ的ETR均顯著升高(P<0.05)。

圖3 不同處理下燕麥幼苗葉片光系統(tǒng)Ⅱ的ETRFig.3 ETR of light system Ⅱ of oat seedling leaves under different treatments

2.5 不同處理下燕麥幼苗葉片吸收光能的分配情況

由表2可知,和正常處理(CK)相比較,100 mmol/L NaCl脅迫下,燕麥幼苗葉片吸收光能的分配情況發(fā)生了改變,青引2號和加燕2號燕麥幼苗葉片吸收的光能中,P顯著減少(P<0.05),D和E顯著增加(P<0.05)。正常條件下,0.01 μmol/L EBR處理對燕麥幼苗葉片吸收光能的分配情況無顯著影響(P>0.05)。100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L EBR后顯著促進了燕麥幼苗葉片吸收的光能向P部分的分配(P<0.05),顯著降低了向D部分和E部分的分配(P<0.05)。

表2 不同處理下燕麥幼苗葉片吸收光能的分配Tab.2 Distribution of light energy absorbed by oat seedling leaves under different treatments %

3 討論與結論

3.1 不同處理下燕麥幼苗葉片的光合色素含量及氣體交換參數(shù)

在植物光合系統(tǒng)中,Chla和Chlb是PSⅠ、PSⅡ的主要組成成分,具有光能吸收、電子傳遞的作用,二者含量的高低直接影響植物的碳同化效率[20-21]。Car在維持類囊體膜和色素-蛋白復合物的穩(wěn)定性、光能吸收、能量分配等方面起到重要作用[22]。逆境脅迫下,植物葉片中光合色素的含量和比例會發(fā)生改變,Chla/Chlb下降、Chl/Car升高,從而抑制植物對光能的吸收、轉化和利用效率[23]。本研究中,100 mmol/L NaCl脅迫下,燕麥幼苗葉片的光合色素含量顯著降低,Chla/Chlb顯著下降,Chl/Car顯著升高,說明NaCl脅迫抑制了燕麥幼苗葉片中Chl的合成代謝,導致Chl的降解加快,并對葉綠體類囊體結構及其垛疊程度造成破壞,致使PSⅠ、PSⅡ及外周天線受損,產生光抑制作用,從而抑制了燕麥幼苗葉片中的葉綠體對光能的吸收、轉化和利用效率,造成燕麥幼苗的光合效率顯著降低。在100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L外源EBR顯著提高了燕麥幼苗的光合色素含量,并提高了Chla/Chlb,降低了Chl/Car,說明外源EBR對保持燕麥幼苗葉片中葉綠體結構和功能的完整性、維持類囊體膜的穩(wěn)定性具有一定的作用,同時還有利于燕麥幼苗葉片中Chl的生物合成,能夠減輕NaCl脅迫對PSⅠ、PSⅡ及外周天線造成的損傷程度,提高光合電子傳遞效率,從而增強燕麥幼苗在NaCl脅迫下對光能的吸收、轉化和利用效率,這和李濤濤等[24]、李彩鳳等[25]、尹博等[26]在其他植物上的研究結果一致。

本研究中,100 mmol/L NaCl脅迫顯著降低了燕麥幼苗的Pn、Tr、Gs和WUE,但Ci顯著升高,說明NaCl脅迫所導致的非氣孔因素(Gs下降、Ci上升)[27]阻礙并降低了燕麥幼苗對CO2的利用效率,從而引起燕麥幼苗的Pn下降,光合能力顯著降低,這與吳雪霞等[28]在番茄上的研究結果一致。在100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L外源EBR顯著提高了燕麥幼苗的Pn、Tr、Gs和WUE,但Ci顯著降低,這和張永平等[29]、李寧等[30]、李蒙等[31-32]在甜瓜、番茄、黃心菜上的研究結果一致,說明在NaCl脅迫下,外源EBR能夠通過維持一定的氣孔導度,提高燕麥幼苗對CO2的利用效率,進而補償NaCl脅迫所造成的燕麥幼苗光合能力的下降。

3.2 不同處理下燕麥幼苗葉片光系統(tǒng)Ⅱ的功能及光能分配

Fo的大小和葉片中葉綠素含量有關[33],還和類囊體膜受損程度或PSⅡ反應中心遭受破壞程度有關[34]。Fm的大小能夠反映光系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞速率,還和光系統(tǒng)Ⅱ原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)有關[35]。本研究中,100 mmol/L NaCl脅迫下,燕麥幼苗葉片的類囊體膜結構遭到破壞,從而引起PSⅡ反應中心功能紊亂,QA的重新氧化受到抑制,最終導致PSⅡ的電子傳遞速率下降,所以燕麥幼苗葉片的Fo顯著提高,Fm顯著降低。添加0.01 μmol/L外源EBR可以減輕燕麥幼苗葉片類囊體膜結構和PSⅡ反應中心在100 mmol/L NaCl脅迫下的受損程度,促進燕麥幼苗葉片中QA還原態(tài)的重新氧化,進而提高燕麥幼苗葉片PSⅡ在鹽脅迫下的電子傳遞速率,所以Fo顯著下降,Fm顯著升高。

ФPSⅡ和植物碳同化量有關,能夠反映PSⅡ實際光化學效率的大小[36]。Fv/Fo和Fv/Fm的大小和光化學反應狀況有關[37],植物在遭受逆境脅迫時Fv/Fm一般會下降[34]。本研究中,100 mmol/L NaCl脅迫破壞了燕麥幼苗葉片PSⅡ反應中心的正常功能,導致激發(fā)能由LHC向PSⅡ的傳遞過程受阻,同時使得燕麥幼苗葉片中光合電子由PSⅡ反應中心向QA、QB及PQ庫的正常傳遞受阻,進一步增強了光抑制現(xiàn)象,使得激發(fā)能在PSⅠ和PSⅡ之間分配不均衡,導致燕麥幼苗的光合磷酸化效率、光能利用效率及碳同化效率降低,因此,燕麥幼苗葉片的ФPSⅡ、Fv/Fo、Fv/Fm顯著降低。在100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L外源EBR能夠明顯緩解燕麥幼苗PSⅡ的受破壞程度,減輕光抑制現(xiàn)象,因此,燕麥幼苗葉片的ФPSⅡ、Fv/Fo、Fv/Fm顯著升高,這和李淑葉等[38]在外源EBR調控棉花幼苗耐冷性的研究結果一致。

qP反映了QA的還原狀態(tài)[37],NPQ反映了光能的熱耗散情況[39]。本研究中,100 mmol/L NaCl脅迫下,燕麥幼苗葉片QA的還原效率降低,葉片吸收的光能中,用于熱耗散部分的比例顯著增加,從而顯著降低了燕麥幼苗的光能利用效率,因此,燕麥幼苗葉片的qP顯著降低,NPQ顯著提高。同時,100 mmol/L NaCl脅迫還阻礙了光能向PSⅡ反應中心的傳遞,降低燕麥幼苗葉片中光能的傳遞效率,導致光合碳同化所需的ATP、NADPH顯著下降,燕麥幼苗光抑制程度增加,因此,燕麥幼苗葉片的Fv′/Fm′和ETR顯著降低,這與Fv/Fo、Fv/Fm的變化結果一致,進而說明NaCl脅迫造成PSⅡ反應中心功能受損是燕麥幼苗光合效率降低的根本原因之一。在100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L外源EBR顯著提高了燕麥幼苗葉片中QA的還原效率,并降低了PSⅡ天線色素吸收的光能的天線熱耗散,顯著提高了燕麥幼苗的光能利用效率,有效緩解NaCl脅迫對燕麥幼苗葉片PSⅡ反應中心造成的損傷程度,從而提高NaCl脅迫下燕麥幼苗的光合效率,楊萬基等[40]在28-高蕓苔素內酯(28-HBR)緩解辣椒幼苗低溫弱光脅迫的研究中也得到了類似的結果。

在正常情況下,光合電子傳遞、葉綠素熒光發(fā)射和熱耗散是光能的3種主要消耗途徑[41],當植物遭受逆境脅迫時,植物葉片吸收光能的天線色素耗散能增加,導致光化學反應能減少,植物則通過光能重新分配來緩解過剩光能對其造成的傷害[28]。本研究中,100 mmol/L NaCl脅迫導致燕麥幼苗葉片PSⅡ天線色素吸收光能的耗散途徑發(fā)生了改變,用于PSⅡ光化學反應的光能顯著減少,而天線耗散能和反應中心耗散能顯著增加,說明NaCl脅迫導致燕麥幼苗對光能的利用效率降低,這與胡文海等[19]在辣椒上的研究結果一致。在100 mmol/L NaCl脅迫下,添加0.01 μmol/L外源EBR顯著提高了燕麥幼苗對光能的利用效率,使得天線熱耗散和反應中心過剩光能顯著降低(向D、E的分配),PSⅡ光化學反應能顯著增加(向P的分配),這與進一步平衡了激發(fā)能在PSⅠ、PSⅡ之間的分配,提高了PSⅡ光化學效率,有效緩解了NaCl脅迫對燕麥幼苗PSⅡ反應中心的結構和功能所造成的傷害有關,這與Li等[42]在外源EBR調控辣椒抗寒性的研究結果一致,說明外源能夠提高燕麥幼苗在NaCl脅迫下的光化學反應效率,從而提高其光合能力。

綜上所述,NaCl脅迫明顯抑制了燕麥幼苗葉片PSⅡ反應中心活性,導致燕麥幼苗PSⅡ光化學效率下降,Pn顯著降低。外源EBR能夠顯著提高NaCl脅迫下幼苗PSⅡ反應中心的實際光化學效率和光能捕捉效率,有效緩解NaCl脅迫對燕麥幼苗所產生的光抑制和PSⅡ反應中心損傷程度,提高燕麥幼苗的碳同化效率和光合能力。說明外源BRs對鹽脅迫下燕麥光合作用起到正向調控作用,能夠有效緩解鹽脅迫對燕麥幼苗所造成的傷害。