NaCl脅迫對黃瓜幼苗生長及光合作用特征的影響

曾志鋒，閆小紅,2，胡文海,2

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NaCl脅迫對黃瓜幼苗生長及光合作用特征的影響

曾志鋒1，閆小紅1,2，*胡文海1,2

（1.井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西，吉安 343009; 2. 江西省生物多樣性與生態(tài)工程重點(diǎn)實驗室，江西，吉安 343009）

以碧春黃瓜為材料，研究了不同濃度NaCl處理對黃瓜幼苗生長、葉片光合作用特性、以及脯氨酸和丙二醛含量的影響。結(jié)果表明：10 mmol/L NaCl處理促進(jìn)了黃瓜幼苗生長，但高濃度NaCl（≥ 25 mmol/L）處理下，黃瓜幼苗的生物量、凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度( Gs)、胞間CO2濃度( Ci)、光系統(tǒng)II電子傳遞量子效率（ΦPSⅡ）和葉綠素含量均隨著濃度增加下降，氣孔限制值（LS）、MDA和脯氨酸含量則隨著濃度增加而上升；但NaCl處理對光化學(xué)效率（Fv/Fm）影響不大。由此說明，低濃度NaCl處理促進(jìn)了黃瓜幼苗的生長，且NaCl濃度低于100 mmol/L時也未引起黃瓜幼苗葉片光抑制的發(fā)生，其光合作用下降的主要原因是葉綠素含量下降以及氣孔限制，并且脯氨酸含量的增加也起到增強(qiáng)其抗性的作用。

NaCl脅迫；黃瓜；光合作用；葉綠素?zé)晒?；脯氨?/p>

近些年我國設(shè)施園藝發(fā)展迅速，但是與發(fā)達(dá)國家相比，我國設(shè)施園藝的發(fā)展水平還很低。由于缺乏科學(xué)管理，在多年連作的設(shè)施栽培中，土壤次生鹽漬化已成為制約作物高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的主要限制因素之一[1-2]。植物生長發(fā)育離不開光合作用，鹽脅迫抑制了植物光合作用的進(jìn)行[3]。研究表明，鹽脅迫可通過影響光合色素合成、光合器官結(jié)構(gòu)、光合作用過程等抑制植物的光合[4]。黃瓜葉片葉綠素含量隨鹽濃度上升而下降[5-6]；也有研究表明，葉肉細(xì)胞中葉綠體可能是感受鹽脅迫最敏感的細(xì)胞器，鹽脅迫導(dǎo)致類囊體排列紊亂、基粒排列方向改變、被膜破損甚至解體等葉綠體超微結(jié)構(gòu)的明顯變化[4]。目前對于鹽脅迫導(dǎo)致作物光合作用下降的原因仍不統(tǒng)一。在菠菜、小麥等研究中表明主要是氣孔限制為主，而在玉米、甜椒等研究中則表明非氣也氣孔因素占主導(dǎo)作用[4]。在甜瓜的研究中則表明，低鹽脅迫下以氣孔限制為主，而高鹽脅迫時由主要是非氣孔限制[7]。另有研究表明，鹽脅迫下植物細(xì)胞會發(fā)生滲透脅迫，而脯氨酸等滲透物質(zhì)具有調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。因此，鹽脅迫條件下，植物可通過生成與積累游離脯氨酸以緩解脅迫作用[8-9]。韓金龍等發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下玉米耐鹽品種脯氨酸含量遠(yuǎn)高于不耐鹽品種[10]，夏方山等研究表明堿地風(fēng)毛菊苗期脯氨酸含量隨鹽脅迫濃度增大含量上升[11]。

黃瓜是主要的溫室蔬菜作物，然而，黃瓜耐鹽性較差，尤其是在幼苗階段，一定程度的鹽脅迫會抑制其光合作用的進(jìn)行，導(dǎo)致其生長受阻，并最終影響到其產(chǎn)量和品質(zhì)，但目前有關(guān)鹽脅迫影響黃瓜光合作用作用機(jī)制的報道并不多。因此，本試驗以NaCl溶液模擬鹽脅迫，研究不同濃度鹽脅迫對黃瓜幼苗生長和光合作用的影響，以探索鹽脅迫導(dǎo)致其光合作用下降的作用機(jī)制以及黃瓜對鹽脅迫的適應(yīng)機(jī)制，為黃瓜設(shè)施生產(chǎn)提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以碧春黃瓜(L. vs）為材料。種子用0.4 %KMnO4消毒，發(fā)芽后播于沙盤中，第1 片真葉露出后，挑選生長一致的幼苗洗凈根部移入8 L培養(yǎng)盤中，每盤6 株，用1/2的改良Hogland營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，全營養(yǎng)液配方為（1L體系）：Ca(NO3)2·4(H2O) 945 mg/L，KNO3506 mg/L，NH4NO380 mg/L，KH2PO4136 mg/L，MgSO4493 mg/L，鐵鹽溶液 2.5 mL，微量元素液 5 mL，pH = 6.0。鐵鹽溶液：FeSO4·7(H2O) 2.78 g，EDTA.Na 3.73 g，蒸餾水 500 mL，pH = 5.5。微量元素液：KI 0.83 mg/L，H3BO36.2 mg/L，MnSO422.3 mg/L，ZnSO48.6 mg/L，Na2MoO4·2H2O 0.25 mg/L，CuSO40.025 mg/L，CoCl20.025 mg/L。幼苗適應(yīng)生長2天后，進(jìn)行NaCl處理（濃度分別為0、10、25、50、100 mmol/L）。試驗期間每天調(diào)1次pH值，5 d更換1 次營養(yǎng)液并利用氣泵進(jìn)行24 h通氣。每處理5次重復(fù)。處理后第10 天進(jìn)行光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。同時取頂端第一片功能葉進(jìn)行葉綠素、丙二醛（MDA）及脯氨酸（Proline）的含量測定。最后進(jìn)行植株生物量測定。

1.2 測定方法

用LI-6400XT便攜式光合儀熒光葉室在800 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)下測定葉片光合作用參數(shù)的同時，分別測定暗反應(yīng)下PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）和PSⅡ光合電子傳遞量子效率（ΦPSⅡ），并計算氣孔限制值（Ls = 1 - Ci/ Ca）。

生物量的測定先用電子天秤測定其鮮重，然后于120 ℃殺青1 h后，于80 ℃下烘干72 h，再測定其干重。葉綠素含量測定采用80 %丙酮浸提法，丙二醛采用硫代巴比妥酸（TBA）法，脯氨酸采用茚三酮比色法測定[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

以SPSS 11.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，差異顯著性采用最小顯著性差異（LSD）檢驗在< 0.05水平上進(jìn)行分析。不同小寫字母表示在5%水平上處理間具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl 處理對黃瓜幼苗生物量的影響

圖1 NaCl處理對黃瓜幼苗生物量的影響

隨NaCl處理濃度增加，植株總鮮重和總干重均呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢。10 mmol/L NaCl處理促進(jìn)了黃瓜幼苗鮮重和干重的增加，而當(dāng)NaCl濃度高于25 mmol/L時其鮮重和干重均隨著處理濃度的增加而顯著下降（圖1）。

2.2 NaCl 處理對黃瓜幼苗葉片光合作用、葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

隨著NaCl處理濃度上升，黃瓜幼苗葉片Pn、Gs和Ci均呈下降趨勢， Ls則隨處理濃度增加而增大（圖2）。葉綠素含量隨著NaCl處理濃度的增加而下降，但10 mmol/L NaCl并未引起葉綠素含量的明顯下降；雖然NaCl處理并未引起黃瓜幼苗葉片F(xiàn)v/Fm的下降，但當(dāng)NaCl處理濃度達(dá)50 mmol/L時，ΦPSⅡ值下降明顯（表1）。

表1 NaCl處理對黃瓜葉片葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

Table.1 Effects of NaCl treatment on chlorophyll content and chlorophyll fluorescence parameters in leaves of cucumber seedlings

圖2 NaCl 處理對黃瓜葉片光合作用參數(shù)的影響

2.3 NaCl 處理對黃瓜葉片MDA和脯氨酸含量的影響

10 mmol/LNaCl處理并未引起MDA和脯氨酸含量的變化，但當(dāng)處理濃度繼續(xù)增加時，MDA和脯氨酸含量則隨著NaCl 濃度的增加而上升，尤其是脯氨酸含量的增加更為明顯（圖3）。

圖3 NaCl處理對黃瓜幼苗葉片丙二醛和脯氨酸含量的影響

Fig. 3 Effects of NaCl treatment on MDA and Proline contents in leaves of cucumber seedlings

3 討論

雖然Na并不是植物的必需元素，但在植物組織中Na的含量并不低。有研究表明高濃度的Na+對植物生長有害，但植物生長也需要一定量的Na+，事實上施用Na+能提高大麥、菊芋、馬玲薯等多種作物的產(chǎn)量[13]。我們的實驗結(jié)果也表明，低濃度NaCl處理不但沒有傷害反而有促進(jìn)了植株生長，這與韓志平等在西瓜幼苗中的研究結(jié)果相一致，表明黃瓜和西瓜等幼苗的生長需要一定量Na+和Cl-[14]。

作物處于鹽脅迫下常導(dǎo)致光合作用的下降，最終引起生長受抑制。當(dāng)用高于25 mmol/L NaCl處理黃瓜功苗時，隨著處理濃度加大顯著引起植株光合速率和生長的下降，其中50 mmol/LNaCl脅迫下其凈光合速率和干重僅為對照的40.8%和54.9%。鹽脅迫作為一種滲透脅迫，常影響到作物根系吸水，進(jìn)而影響到氣孔開閉，最終對光合作用產(chǎn)生影響[15]。我們的研究結(jié)果表明NaCl降低凈光合速率的同時，葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)均隨鹽濃度上升而下降，氣孔限制值Ls隨NaCl濃度加大而增大，說明當(dāng)NaCl處理濃度低于100 mmol/L時，光合作用的下降主要是受氣孔限制因素的影響。也有研究表明鹽脅迫會降低黃瓜植株體內(nèi)葉綠素含量[6,16]，在我們的實驗中，黃瓜幼苗葉片葉綠素含量隨著NaCl處理濃度的增加而下降，說明，葉綠素含量降低也是光合作用下降的原因之一。

PSⅡ是光合電子傳遞鏈的重要組成部分，鹽脅迫對PSII活性的影響目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。Aro等[17]研究認(rèn)為鹽脅迫可以改善PSII的功能，而Everald等[18]則認(rèn)為鹽脅迫對PS II具有抑制作用；也有人認(rèn)為鹽脅迫對PSII無影響，這可能與各研究者所采用的實驗材料及植株生長所處發(fā)育時期有關(guān)[19]。在本研究中，黃瓜幼苗葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）隨鹽濃度增加變化很小，說明濃度低于100 mmol/L的NaCl脅迫并未引起葉片光抑制的產(chǎn)生，實驗結(jié)果與魏國強(qiáng)等人報道相符[39]。并且，低濃度NaCl處理（≤ 25 mmol/L）并未引起ΦPSⅡ值的變化，但隨著著處理濃度的增加ΦPSⅡ明顯下降，這說明較高濃度鹽脅迫導(dǎo)致了PSII的電子傳遞量子效率的降低。魏國強(qiáng)等人認(rèn)為NaCl脅迫下ΦPSⅡ下降阻止了同化力（ATP和NADPH）的產(chǎn)生，最終直接影響到光合作用的順利進(jìn)行[20]。但結(jié)合本研究中NaCl處理引起了葉綠素含量和下降和氣孔關(guān)閉，但未導(dǎo)致葉片光抑制的發(fā)生，因此我們認(rèn)為ΦPSⅡ的下降更有可能是由于NaCl脅迫首先引起葉片碳同化能力的下降，從而使得對同化力（ATP和NADPH）利用減少，最終反饋抑制了光合電子傳遞的進(jìn)行。

脅迫下光合電子傳遞受阻最終會導(dǎo)致過剩電子傳遞給分子氧并引起氧化脅迫。我們的實驗結(jié)果表明葉片丙二醛（MDA）含量隨NaCl脅迫濃度增加而增大, 這表明鹽脅迫加劇了細(xì)胞膜脂過氧化程度。然而，鹽脅迫下植物可通過增加可溶性物質(zhì)脯氨酸在體內(nèi)的積累以緩解脅迫傷害。在本實驗中，黃瓜葉片中脯氨酸含量隨著NaCl處理濃度的增加而急劇增加，說明脯氨酸的積累對黃瓜幼苗起到了保護(hù)作用，并與趙勇等在堿蓬、甜菜、大麥、小麥、大豆等中研究相一致，這些作物體內(nèi)的脯氨酸含量也隨著鹽濃度上升而增大[21]。

綜上所述：低濃度NaCl（10 mmol/L）促進(jìn)黃瓜幼苗生長，低于100 mmol/L的NaCl脅迫也未引起黃瓜幼苗光抑制的產(chǎn)生，但降低了葉綠素含量及ΦPSⅡ，誘導(dǎo)了氣孔的關(guān)閉，最終降低了植株的光合作用。隨著脅迫濃度加大，植株體內(nèi)游離脯氨酸含量顯著上升，對緩解鹽毒害具有重要意義。

致謝：感謝井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2009級生物技術(shù)專業(yè)劉耀、黃魯和余盼輝同學(xué)在實驗方面的幫助。

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EFFECTS OF NaCl STRESS ON PLANT GROWTH AND PHOTOSYNTHETIC CHARACTERISTICS IN THE CUCUMBER SEEDLING

ZENG Zhi-feng1, YAN Xiao-hong1,2,*HU Wen-hai1,2

(1. School of Life Sciences, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering, Ji’an, Jiangxi 343009, China)

Cucumber (L. Bichun) cultivars were grown in nutrient solutions with five NaCl levels（0,10,25,50,100 mmol·L-1）for the investigation of plant growth, photosynthetic and chlorophyll fluorescence parameters, and proline and MDA contents in seedling leaves. The results showed that 10 mmol/L NaCl treatment increased plant growth, high-level NaCl ( ≥ 25 mmol/L) treatment decreased the plant biomass, net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), intracellular CO2(Ci), quantum yield of PSII (ΦPSII) and chlorophyll content. Stomatal limitation(Ls), proline and MDA contents increased with NaCl treated concentration. However, photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm) was not affected by NaCl treatment. It is concluded that low-level NaCl treatment increased plant growth. However, the decrease of chlorophyll content and stomatal closure lead to the decrease of plant photosynthesis, but photosynthetic structure was not damaged by NaCl stress (≤ 100 mmol/L). Seedling of cucumber could improve the ability of salt tolerance by increasing proline content.

NaCl stress; cucumber; photosynthesis; chlorophyll fluorescence; proline

1674-8085(2014)01-0039-04

S651/Q945.3

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.01.008

2013-11-12；

2013-12-28

江西省教育廳科技計劃項目(GJJ13545)

曾志鋒（1990-），男，江西上饒人，井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物科學(xué)專業(yè)2009級本科生，現(xiàn)為西南大學(xué)碩士研究生(Email：zengzhifeng0808@163.com);

閆小紅（1977-），女，內(nèi)蒙古赤峰人，實驗師，碩士，主要從事植物生理生態(tài)方面的研究(E-mail：yanxiaohong325@126.com);

*胡文海（1973-），男，江西吉安人，教授，博士，主要從事植物逆境生理方面的研究(E-mail：huwenhai@jgsu.edu.cn).