外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺光合作用影響

閆永慶，高彥博，劉　威，杜玉玲，趙奕翔（東北農(nóng)業(yè)大學園藝學院，哈爾濱　150030）

外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺光合作用影響

閆永慶，高彥博，劉威，杜玉玲，趙奕翔
（東北農(nóng)業(yè)大學園藝學院，哈爾濱150030）

為探究Ca2+對鹽生植物耐鹽調(diào)節(jié)機理，以唐古特白刺（Nitraria tangutorum）為試驗材料，研究施加不同濃度外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺光合作用影響。結(jié)果表明，鹽濃度不高于300mmol·L-1時，施加一定濃度Ca2+（≤15mmol·L-1）可增加唐古特白刺葉片相對含水量、葉綠素含量，提升凈光合速率，增大氣孔導度，降低胞間CO2濃度，同時提高PSⅡ最大光化學效率、PSⅡ?qū)嶋H光化學效率及光化學猝滅系數(shù)，且這種趨勢隨Ca2+濃度增加而增加，而高濃度Ca2+（>15mmol·L-1）對鹽脅迫下唐古特白刺光合作用表現(xiàn)不同程度抑制作用。說明鹽濃度低于300mmol·L-1時，施加一定濃度Ca2+能有效緩解鹽脅迫對唐古特白刺光合作用影響；鹽濃度超過300mmol·L-1時，外施Ca2+調(diào)節(jié)作用不明顯，高濃度Ca2+甚至對光合作用表現(xiàn)抑制作用。

鹽脅迫；Ca2+；光合作用；唐古特白刺

閆永慶,高彥博,劉威,等.外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺光合作用影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2016,47(4):57-64.

Yan Yongqing,Gao Yanbo,Liu Wei,et al.Effect of exogenous Ca2+on photosynthesis ofNitraria tangutorumduring salt stress[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(4):00-00.(in Chinese with English abstract)

網(wǎng)絡出版時間2016-4-22 10:01:17[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160422.1001.018.html

土壤鹽漬化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境的全球性問題，是土地資源利用與開發(fā)主要障礙之一[1]，次生鹽漬化土壤面積及潛在鹽堿土壤面積擴大，抑制植物生長，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來重大影響[2]。因此，加強鹽堿土改良，研究植物抗鹽性對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

鈣是生物體不可或缺的礦物質(zhì)元素，是偶聯(lián)細胞外信號的第二信使，在維持細胞膜結(jié)構(gòu)及細胞膜結(jié)合蛋白穩(wěn)定性，調(diào)控多種酶活性方面具有重要作用[3-4]。研究表明，鹽脅迫通過抑制光合作用影響植物生長發(fā)育，且濃度越高，時間越長，效果越明顯[5-6]。NaCl脅迫下鹽敏感型高粱光合速率大幅下降，顯著大于耐鹽品種[7]。營養(yǎng)液中施加外源Ca2+能有效防護鹽脅迫所致氧化損傷，維持較高酶活性，保護光系統(tǒng)Ⅱ功能，保持較高光合效率[8]。外源Ca2+還能增強細胞膜透性，改善水稻光合能力[9]。外施Ca2+對鹽脅迫的調(diào)節(jié)作用主要因Ca2+能穩(wěn)定質(zhì)膜結(jié)構(gòu)[10]，降低植物對Na+吸收，促進K+吸收[11-12]，對一些酶類物質(zhì)起保護作用[13]，改善植物光合能力。但外源Ca2+調(diào)節(jié)作用也存在局限，適宜Ca2+能促進植物生長，緩解脅迫，Ca2+濃度過高，促進作用減弱，甚至抑制植物生長[14]。目前，外源Ca2+對光合作用調(diào)控多見于非鹽生植物[15-16]，針對鹽生植物鮮見報道。本研究以唐古特白刺（Nitraria tangutorum）為材料，探究不同濃度鹽脅迫對唐古特光合作用的影響及Ca2+對光合作用的調(diào)控，為后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1材料培養(yǎng)與處理

唐古特白刺（Nitraria tangutorum Bobr.）一年生實生苗。2014年3月將種子浸泡24 h后，東北農(nóng)業(yè)大學溫室中播種于裝有純凈河沙的育苗盤中，幼苗長至3～5片真葉后，定植到口徑為15 cm塑料花盆中，栽培基質(zhì)為園土?蛭石=1 ? 1。2015年5月選取長勢一致，葉片充分展開的唐古特白刺，蒸餾水清洗根部，栽植于口徑為20 cm塑料花盆中，栽培基質(zhì)為純凈河沙，每盆1株，1/2濃度Hoagland營養(yǎng)液澆灌培養(yǎng)，待緩苗充分后，鹽脅迫處理。

對唐古特白刺脅迫處理，NaCl溶液濃度設為100、200、300、400mmol·L-1，CaCl2溶液濃度設0、5、10、15、20mmol·L-1，采用完全隨機試驗設計，模擬20個鹽濃度及Ca2+混合處理，每個處理設3個重復，共60盆。為防止鹽激效應，每盆均以Hoagland全營養(yǎng)液+50mmol·L-1NaCl作起始鹽濃度澆灌，每天遞增50mmol·L-1NaCl濃度[17]，達到預設濃度后，再分別用預設濃度的CaCl2溶液澆灌，連續(xù)7 d，為保持鹽濃度恒定，澆灌量為每盆300mL，其中約2/3溶液滲出，將前1 d累積于細沙中的鹽分沖洗掉。處理結(jié)束后于次日早9:00取樣測定。

1.2相關(guān)指標測定

參照高俊鳳烘干稱重法[18]，測定葉片相對含水量；丙酮乙醇1 ? 1混合法測定葉綠素含量；于晴天上午9:00～11:00，用便攜式光合速率測定儀（Li-6400型；Li-Cor公司，美國），測定完全展開功能葉片凈光合速率（Pn），氣孔導度（Gs）和胞間二氧化碳濃度（Ci）；用德國Walz公司生產(chǎn)便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀PAM2500測量并計算PSⅡ最大光化學效率Fv/Fm，PSⅡ?qū)嶋H光化學效率ΦPSⅡ，光化學淬滅系數(shù)qP。

運用SPSS 19.0作數(shù)據(jù)顯著性分析，Excel 2010作數(shù)據(jù)處理和繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺相對含水量影響

由圖1可知，隨外源Ca2+濃度升高，葉片相對含水量增加，且趨勢隨鹽濃度升高而減弱。NaCl濃度為400mmol·L-1時，葉片相對含水量隨Ca2+濃度增加呈升降升波動性變化，Ca2+濃度為15mmol·L-1時降到最低61.85%，之后又上升。NaCl濃度分別為100、200、300mmol·L-1時，葉片相對含水量在Ca2+濃度為20mmol·L-1時達到最大，且均與不施加Ca2+相比差異顯著（P<0.05），與其他處理間差異不顯著。說明一定濃度外源Ca2+能提高鹽脅迫（NaCl<300mmol·L-1）下唐古特白刺葉片相對含水量。

2.2外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺葉綠素含量影響

由圖2可知，葉片葉綠素含量隨鹽濃度升高呈先增后降趨勢，鹽濃度為300mmol·L-1時達到最大值，且與其他鹽處理相比差異顯著（P<0.05）。施加Ca2+情況下，當鹽濃度≤200mmol·L-1時，葉片葉綠素含量隨外源Ca2+濃度增加呈增長趨勢，Ca2+濃度為20mmol·L-1時達最大值，100、200mmol· L-1下分別比不施加Ca2+時增加32.3%和37.8%；鹽濃度不低于300mmol·L-1時，葉片葉綠素含量則隨外源Ca2+濃度增加呈先升后降趨勢，且Ca2+濃度達到15mmol·L-1時，葉綠素含量達到最大值，分別比不施Ca2+時增加28.1%和22.3%，隨后降低。說明施加適宜濃度外源Ca2+可促進白刺葉片葉綠素合成。

圖1　外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺葉片相對含水量影響Fig.1　Effects of exogenous Ca2+on the leaf relative water content of N.tangutorum under salt stress

2.3外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺氣體交換參數(shù)影響

外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺氣體交換參數(shù)影響見圖3。

圖3　外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺氣體交換參數(shù)影響Fig.3　Effects of exogenous Ca2+on the gas exchange characteristic ofN.tangutorumunder salt stress

2.3.1凈光合速率

由圖3可知，隨NaCl濃度增加，凈光合速率（Pn）呈先升后降趨勢，NaCl濃度為300mmol·L-1時達到最大值，隨后降低。當外源Ca2+濃度增加時，凈光合速率有不同程度增加，100、200、300mmol·L-1鹽處理下均在Ca2+濃度為15mmol·L-1時分別比不添加Ca2+對照組增加73.9%、54.3%、66.9%，400mmol·L-1鹽處理后，Pn則在Ca2+濃度為10mmol·L-1時升至4.7 μmol·m-2·s-1，隨后降低。說明施加適宜濃度Ca2+可提高唐古特白刺凈光合速率，促進光合作用。

2.3.2氣孔導度

由圖3可知，氣孔導度（Gs）隨Ca2+濃度升高，呈先升后降趨勢。當NaCl濃度為400mmol·L-1時，Gs下降明顯，與其他鹽濃度處理相比差異顯著（P<0.05），其他鹽濃度處理間則無顯著變化。當NaCl濃度≤300mmol·L-1時，Gs在Ca2+濃度15mmol·L-1時達到最大值，隨后降低。說明唐古特白刺在鹽濃度≤300mmol·L-1時有較強抗性，而一定濃度Ca2+（≤15mmol·L-1）可緩解鹽脅迫，調(diào)節(jié)氣孔開度。

2.3.3胞間CO2濃度

由圖3可知，隨NaCl濃度和外源Ca2+濃度升高，Ci先降后升，當外源Ca2+濃度達到15mmol·L-1時，Ci降到最低值，隨后升高。當NaCl濃度達到400mmol·L-1時，Ci顯著升高，超過其他鹽濃度處理（P<0.05），說明當鹽濃度超過300mmol·L-1時，唐古特白刺Ci顯著上升，使植物氣孔內(nèi)外CO2濃度差減小，氣孔吸收CO2量減少，光合速率降低。而一定濃度外源Ca2+可緩解鹽脅迫，降低Ci，最適濃度為15mmol·L-1。

2.4外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺葉綠素熒光參數(shù)影響

圖4　外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺葉綠素熒光參數(shù)影響Fig.4　Effects of exogenous Ca2+on the chlorophyll fluorescence parameters ofN.tangutorumunder salt stress

外源Ca2+對鹽脅迫下唐古特白刺葉綠素熒光參數(shù)影響見圖4。

2.4.1最大光化學效率

由圖4可知，隨NaCl濃度升高，PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）呈先升后降趨勢。200、300mmol·L-1NaCl處理下Fv/Fm顯著高于100、400mmol·L-1NaCl濃度處理，說明唐古特白刺能適應一定NaCl濃度（<300mmol·L-1）脅迫，通過自身調(diào)節(jié)提高光能利用效率對抗鹽脅迫。100、200mmol·L-1NaCl處理下，F(xiàn)v/Fm在Ca2+濃度為15mmol·L-1時達到最大值，300、400mmol·L-1Na?Cl處理下Fv/Fm在Ca2+濃度為10mmol·L-1時達到峰值，后又下降，且各鹽濃度下，Ca2+濃度為10、15mmol·L-1時Fv/Fm顯著高于其他處理（P< 0.05）。說明一定濃度外源Ca2+可提升PSⅡ最大光能利用效率，以10、15mmol·L-1為最佳濃度。

2.4.2實際光化學效率

由圖4可知，隨鹽濃度升高，PSⅡ?qū)嶋H光化學效率（ΦPSⅡ）呈先升后降趨勢，NaCl濃度為100、200mmol·L-1時，ΦPSⅡ在Ca2+濃度為15mmol·L-1時達到最大，300mmol·L-1NaCl處理則在10mmol· L-1時達到最大，這與Fv/Fm值相似，當NaCl濃度為400mmol·L-1時，隨Ca2+濃度升高，ΦPSⅡ呈升降升波動性變化。結(jié)果表明，過高的鹽濃度嚴重損傷光反應系統(tǒng)，降低光化學效率。而一定濃度外源Ca2+（≤15mmol·L-1）可緩解鹽脅迫，提升植物在PSⅡ階段反應中心原初光能捕獲效率；過高Ca2+（> 15mmol·L-1）濃度則會對PSⅡ反應起抑制作用。

2.4.3光化學猝滅系數(shù)

光化學猝滅系數(shù)（qP）在一定程度上反映PSⅡ反應中心開放程度，其值表示PSⅡ天線色素吸收光能用于光化學反應電子傳遞的份額，值越大說明PSⅡ電子傳遞越活躍。由圖4可知，隨Ca2+濃度升高，不同鹽濃度處理下qP先升后降，100、200mmol·L-1NaCl處理下，qP在Ca2+濃度為15mmol· L-1時達到最大值，300、400mmol·L-1NaCl處理下則是在10mmol·L-1時達到最大值，后又下降，且各處理間差異顯著（P<0.05）。說明外源Ca2+能有效提升PSⅡ電子傳遞活躍程度，提升植物光合效率，而Ca2+濃度以10、15mmol·L-1為最佳。

3　討論與結(jié)論

Shabala等指出，鈣離子可改善細胞內(nèi)外環(huán)境，減輕鹽脅迫中鈉離子對植物毒害作用[19]，當植物受到鹽脅迫時，植物體內(nèi)鈣離子不足，與鹽脅迫抑制植物對鈣離子吸收和利用有關(guān)[20]。光合作用是植物有機物合成最主要途徑，光合能力與植物對有機物積累直接相關(guān)。鹽脅迫影響光合作用碳同化進程，降低碳同化效率和植物有機物積累。因此，施加一定濃度鈣離子可調(diào)節(jié)因鈣缺失所致植物非正常生長發(fā)育，通過維持鈣信號系統(tǒng)正常發(fā)生和傳遞，調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性，改善植物光合能力。

本研究結(jié)果表明，唐古特白刺遇到鹽脅迫時，通過細胞內(nèi)生理生化代謝反應，調(diào)節(jié)自身酶活性，抵御一定濃度鹽脅迫。外源Ca2+可增加唐古特白刺葉片葉綠素含量，隨鹽濃度升高，葉片葉綠素含量先升后降。施加一定濃度外源Ca2+后，各鹽濃度下葉綠素含量均有不同程度增加，與袁曉婷等研究結(jié)果一致[21]。

凈光合速率（Pn）值反映植物同化作用強弱，并決定產(chǎn)量積累，逆境下植物Pn降低因素有兩種：氣孔限制和非氣孔限制，而氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）則是判斷氣孔與非氣孔限制的重要因素[22]。隨鹽濃度升高，唐古特白刺Pn和Gs先升后降，而Ci先降后升，當鹽濃度為400mmol· L-1時，Pn和Gs顯著下降，而Ci顯著上升，說明此時影響光合速率的因素由氣孔轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩兀cFarquhar等觀點相同[23]。當鹽濃度<300mmol· L-1時，施加外源Ca2+，Pn和Gs隨Ca2+濃度先升后降，Ci則先降后升，說明適宜Ca2+濃度可顯著提高植物凈光合速率，過高Ca2+濃度可能形成離子毒害，對植物產(chǎn)生脅迫[24]，抑制光合作用。

葉綠素熒光參數(shù)是研究植物光合生理對周圍環(huán)境因子變化響應的重要參數(shù)[25-26]，F(xiàn)v/Fm是葉片暗適應后，PSⅡ反應中心處于開放狀態(tài)下的最大光化學效率，是研究光抑制或環(huán)境脅迫對PSⅡ影響的重要指標[27]，ΦPSⅡ為在環(huán)境脅迫時部分關(guān)閉情況下的實際原初光能捕獲效率，反映PSⅡ反應中心實際光化學反應效率[28]。本研究表明，鹽脅迫不高于300mmol·L-1時Fv/Fm和ΦPSⅡ均隨Ca2+濃度升高呈先升后降趨勢，在Ca2+最適濃度時與不施加Ca2+差異顯著，說明一定濃度Ca2+可有效調(diào)節(jié)鹽脅迫造成的光抑制現(xiàn)象，提高原初光能捕獲效率，保護光合器官免遭破壞，提升光合效率。

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Effect of exogenous Ca2+on photosynthesis ofNitraria tangutorumdur?ing salt stress

YAN Yongqing,GAOYanbo,LIU Wei,DUYuling,ZHAOYixiang(School of Horticulture,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to investigate the regulating effect of calcium against salt tolerance of halophytes,Nitraria tangutorumwas used to study the effects of different concentrations exogenous calcium on the photosynthesis during salt stress.The results showed that application of appropriate calcium(≤15mmol·L-1),with NaCl concentration no higher than 300mmol·L-1,was able to increase the leaf relative water content and chlorophyll content,enhance net photosynthetic rate and stomatal conductance,reduce intercellular carbon dioxide concentration,as well as increasedmaximal photochemical efficiency,actual photochemical efficiency and photochemical quenching coefficient.The trend under these conditions increased with rising of calcium concentrations.However,high concentration of calcium(>15mmol·L-1)was shown to inhibit the photosynthetic ofNitraria tangutorum,affecting the normal photosynthetic activity.The results suggested that appropriate calcium,with NaCl concentration no higher than 300mmol·L-1,could effectivelymediate the photosynthesis ofNitraria tangutorum. With NaCl concentration higher than 300mmol·L-1,exogenous calcium was not obvious and high concentration calcium was even shown to inhibit photosynthesis.

salt stress;calcium;photosynthesis;Nitraria tangutorum

S793.9；Q945.78

A

1005-9369（2016）04-0057-08

2015-11-03

黑龍江省自然科學基金項目（C201427）；東北農(nóng)業(yè)大學科技人才啟動基金項目（2012RCB63）

閆永慶（1966-），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為園林植物逆境生理生態(tài)。E-mail:yanyongqing1966@163.com