堿處理對(duì)‘中山杉406’幼苗葉片光合特性和生理的影響

王紫陽(yáng)， 楊 穎， 華建峰， 施 欽， 殷云龍， 於朝廣

〔江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園) 江蘇省落羽杉屬樹木種質(zhì)創(chuàng)新與繁育工程研究中心， 江蘇 南京210014〕

本研究以‘中山杉406’(T. ‘Zhongshanshan 406’)幼苗為研究對(duì)象，研究不同濃度Na2CO3和NaHCO3混合溶液處理下‘中山杉406’幼苗葉片的光合和生理響應(yīng)，以期為‘中山杉’耐堿機(jī)制研究及耐堿新品種的選育和推廣提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

2018年4月，選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的‘中山杉406’1年生扦插苗，栽植于高25 cm、直徑30 cm的培養(yǎng)盆，每盆1株。每盆裝4 kg栽培基質(zhì)〔V(泥炭土)∶V(珍珠巖)=1∶1〕。室外培養(yǎng)2個(gè)月后移入溫室緩苗2周，正常澆水。

1.2 方法

1.2.1 堿處理方法 2018年6月下旬，分別用濃度0(CK)、20、60、100、140和180 mmol·L-1堿溶液〔n(Na2CO3)∶n(NaHCO3)=1∶1〕進(jìn)行灌根處理，每處理4次重復(fù)，每重復(fù)3盆。為避免堿沖擊現(xiàn)象，采取逐級(jí)遞增的方式[13]澆灌，即第1天CK組澆灌自來水，其余堿處理組澆灌20 mmol·L-1堿溶液，第2天CK組澆灌自來水，20 mmol·L-1堿處理組澆灌20 mmol·L-1堿溶液，其余堿處理組澆灌60 mmol·L-1堿溶液，之后每天遞增40 mmol·L-1，以此類推，直至達(dá)到設(shè)定濃度，之后每隔2 d澆灌1次相應(yīng)濃度的堿溶液，持續(xù)處理50 d。澆灌量為盆栽苗持水量的2倍，澆灌時(shí)約2/3的溶液流出，從而將盆中的積余堿沖掉，以保持各堿處理組的堿濃度恒定。

1.2.2 光合指標(biāo)測(cè)定 處理第50天，每處理各株選取葉位一致的成熟葉片，采用乙醇提取法[14]134-137測(cè)定葉綠素含量。參考文獻(xiàn)[15]的方法，選擇葉位、大小、受光方向基本一致的成熟葉片3～5枚，于上午9：00至11：00使用LI-6400光合儀(美國(guó)LI-COR公司)測(cè)定凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和水分利用效率。測(cè)定時(shí)，采用紅藍(lán)光源，光照強(qiáng)度1 200 μmol·m-2·s-1，溫度(33±2) ℃，空氣相對(duì)濕度60%～70%，葉室CO2濃度380 μmol·mol-1。所有指標(biāo)重復(fù)測(cè)定4次。

1.2.3 生理指標(biāo)測(cè)定 處理第50天，每處理每重復(fù)選取葉位一致的成熟葉片3～5枚，用錫箔紙包裹并放入自封袋，迅速保存于-80 ℃冰箱，用于生理指標(biāo)測(cè)定，其中，可溶性糖含量采用蒽酮比色法[14]195-197測(cè)定，可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[14]184-185測(cè)定，超氧化物歧化酶活性采用氮藍(lán)四唑法[14]167-169測(cè)定。所有指標(biāo)重復(fù)測(cè)定4次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2007和SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果和分析

不同濃度堿處理下‘中山杉406’幼苗葉片光合和生理指標(biāo)的比較結(jié)果見表1。

2.1 對(duì)光合指標(biāo)的影響

由表1可見：隨著堿濃度的提高，‘中山杉406’幼苗葉片葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度先明顯降低后趨于穩(wěn)定，凈光合速率、蒸騰速率和胞間CO2濃度總體上逐漸降低，水分利用效率逐漸升高。與CK(0 mmol·L-1堿溶液)組相比，60、100、140和180 mmol·L-1堿處理組的葉綠素含量顯著(P<0.05)降低，但不同濃度堿處理組間葉綠素含量無顯著差異；5個(gè)堿處理組的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均顯著降低；100、140和180 mmol·L-1堿處理組的胞間CO2濃度顯著降低；140和180 mmol·L-1堿處理組的水分利用效率顯著升高。

表1 不同濃度堿處理下‘中山杉406’幼苗葉片光合和生理指標(biāo)的比較Table 1 Comparison on photosynthetic and physiological indexes of leaves of Taxodium ‘Zhongshanshan 406’ seedlings under alkali treatments with different concentrations

2.2 對(duì)生理指標(biāo)的影響

由表1還可見：隨著堿濃度的提高，‘中山杉406’幼苗葉片可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量呈波動(dòng)升高的趨勢(shì)。與CK(0 mmol·L-1堿溶液)組相比，20 mmol·L-1堿處理組的可溶性糖含量顯著(P<0.05)降低，60和100 mmol·L-1堿處理組的可溶性糖含量無顯著差異，140和180 mmol·L-1堿處理組的可溶性糖含量顯著升高，分別增加了34.65%和44.09%；5個(gè)堿處理組的可溶性蛋白質(zhì)含量均顯著升高，分別為CK組的3.31、2.89、3.86、3.88和4.90倍。隨著堿濃度的提高，‘中山杉406’葉片超氧化物歧化酶活性先升高后降低。與CK組相比，20、60和100 mmol·L-1堿處理組的超氧化物歧化酶活性顯著升高，分別增加了38.04%、38.77%和31.02%，140和180 mmol·L-1堿處理組的超氧化物歧化酶活性無顯著差異。

3 討論和結(jié)論

光合作用是植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，受光照、水分和溫度等環(huán)境因子的影響，而氣孔作為植物葉片與外界聯(lián)系的通道，直接影響植物的光合作用[3]。脅迫條件下葉片氣孔開度會(huì)減小甚至關(guān)閉以降低凈光合速率和蒸騰速率，而水分利用效率往往會(huì)隨著脅迫強(qiáng)度的增加而升高，從而減少脅迫傷害，使植物能夠更好地適應(yīng)逆境環(huán)境[3，15]。楊翼飛等[16]和Farquhar等[17]認(rèn)為，逆境脅迫下植物凈光合速率降低時(shí)，若氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度降低，表明凈光合速率的降低由氣孔限制因子引起；反之，若氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度未同時(shí)降低，則表明凈光合速率的降低是由非氣孔限制因子所致。本研究中，堿處理后‘中山杉406’幼苗葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度均降低，推測(cè)氣孔限制因子是導(dǎo)致‘中山杉406’幼苗葉片凈光合速率降低的主要原因。60～180 mmol·L-1堿處理組‘中山杉406’幼苗葉片水分利用效率逐漸升高，說明‘中山杉406’對(duì)于處理自身水分消耗與碳同化之間的關(guān)系具有一定的調(diào)控能力，這對(duì)于其適應(yīng)逆境具有重要意義。除濃度較低的20 mmol·L-1堿處理組外，60～180 mmol·L-1堿處理組‘中山杉406’幼苗葉片葉綠素含量較CK(0 mmol·L-1堿溶液)組顯著降低，說明較高濃度的堿處理對(duì)其葉綠素合成具有顯著的抑制作用。

可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)是植物抵御逆境脅迫的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可溶性糖可提高原生質(zhì)的保護(hù)能力和細(xì)胞保水能力[18]，可溶性蛋白質(zhì)對(duì)于維持細(xì)胞滲透壓和生理活動(dòng)平衡有重要作用[19]，當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)會(huì)大量積累可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)，保證細(xì)胞和外部環(huán)境處于正常的滲透平衡狀態(tài)。隨著堿濃度的提高，‘中山杉406’幼苗葉片可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量波動(dòng)升高，并在堿濃度最高時(shí)達(dá)到最大值，說明二者參與堿脅迫的生理響應(yīng)，其含量升高一定程度上有利于緩解堿脅迫對(duì)‘中山杉406’的傷害。隨著堿濃度的提高，‘中山杉406’幼苗葉片超氧化物歧化酶活性先升高后降低，這可能是由于低濃度堿處理下超氧化物歧化酶可高效清除細(xì)胞內(nèi)的自由基，但隨著堿濃度的繼續(xù)提高，細(xì)胞內(nèi)活性氧積累到一定程度后，細(xì)胞膜脂嚴(yán)重受損，細(xì)胞功能衰退，超氧化物歧化酶的合成受阻，表達(dá)活性開始降低[5]。

綜上所述，堿處理對(duì)‘中山杉406’幼苗葉片的光合作用有明顯的抑制作用，20～100 mmol·L-1堿處理下，‘中山杉406’通過積累大量的可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)來維持細(xì)胞滲透平衡，通過提高超氧化物歧化酶活性減少活性氧對(duì)細(xì)胞的氧化傷害，進(jìn)而應(yīng)對(duì)和適應(yīng)堿脅迫環(huán)境。