弱光脅迫對番茄幼苗光合特性和根系生長的影響楊萬基

于錫宏+蔣欣梅+高歡+程瑤+張福+李揚(yáng)丹+孫冬雪

摘要：以番茄品種東農(nóng)722為試材，研究弱光[100～150 μmol/（m2·s）]脅迫對番茄幼苗光合特性和根系生長的影響。結(jié)果表明，弱光下葉綠素a+葉綠素b含量下降而葉綠素b相對含量上升，有利于番茄葉片有效地捕獲光能。凈光合速率（Pn）顯著下降，胞間CO2濃度（Ci）顯著上升，其中Pn下降是由非氣孔因素造成的。處理5 d，弱光下最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）顯著上升，說明弱光沒有使番茄葉片PSⅡ光化學(xué)活性受抑制，而是增加了原初光能轉(zhuǎn)化效率。光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和電子傳遞速率（ETR）顯著下降而調(diào)節(jié)性能量耗散Y（NPQ）顯著上升，表明弱光脅迫5 d的葉片不能進(jìn)行正常的光合作用，但通過自身調(diào)控未受損傷。弱光下處理10 d，非調(diào)節(jié)性能量耗散[Y（NO）]顯著上升，而根長、根表面積和根體積顯著下降，說明番茄葉片在弱光脅迫10 d時(shí)已受損傷，根系處于長期弱光脅迫中，細(xì)胞功能也受到一定的破壞。

關(guān)鍵詞：番茄；弱光脅迫；光合特性；根系形態(tài)；葉綠素；細(xì)胞功能

中圖分類號(hào)： S641.201文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0112-03

收稿日期：2017-03-15

基金項(xiàng)目：國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)（編號(hào)：CAR-25-C-08）；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（編號(hào)：GA15B104-2）。

作者簡介：楊萬基（1991—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，從事蔬菜栽培與生理研究。E-mail：916827209@qq.com。

通信作者：于錫宏，教授，博士生導(dǎo)師，從事蔬菜栽培與生理研究。E-mail：yxhong001@163.com。番茄（Lycopersicon esculentum L.）是我國北方反季節(jié)栽培的主要果菜之一。尤其入冬以后，日照時(shí)間短、光照弱，弱光常成為限制番茄幼苗生長的主要因子。迄今為止，有關(guān)弱光對植物光合特性方面的研究已屢見不鮮，但結(jié)果不盡相同[1-2]，且單一弱光條件下對番茄葉片葉綠素?zé)晒馓匦院透瞪L的報(bào)道很少。因此，以東農(nóng)722番茄品種為試材，研究弱光對番茄幼苗光合特性及根系形態(tài)的影響，為番茄保護(hù)地耐弱光栽培提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

供試番茄品種是東農(nóng)722，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)番茄課題組選育提供。試驗(yàn)于2016年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)連棟溫室內(nèi)進(jìn)行，種子采用溫湯浸種（55 ℃，30 min），置于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，再于恒溫（28 ℃）培養(yǎng)箱中催芽。70%種子露白后播于10 cm×10 cm的營養(yǎng)缽，采用體積比為2 ∶1的草炭、蛭石復(fù)合基質(zhì)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

當(dāng)幼苗4葉1心時(shí)移入2個(gè)人工氣候箱進(jìn)行試驗(yàn)，其條件：25 ℃/18 ℃（晝/夜），375～425 μmol/（m2·s）（對照）和100～150 μmol/（m2·s）（弱光）、光—暗周期12 h—12 h，空氣相對濕度60%。幼苗每天要進(jìn)行1次位置調(diào)換。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，每次重復(fù)10株，處理10 d。

1.3測定方法

1.3.1葉綠素含量參照張憲政的方法[3]，每個(gè)處理選5株。

1.3.2光合氣體交換參數(shù)選取距生長點(diǎn)第3張完全展開葉片，利用Li-6400XT的6400-40熒光葉室測定葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）。氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca（大氣CO2濃度）、水分利用效率WUE=Pn/Tr。通過便攜式光合儀菜單欄中的第2行設(shè)置光照度為400 μmol/（m2·s），CO2濃度為（625±5） μmol/mol，葉片溫度（25±1）℃，氣體流速300 μmol/（m2·s）。每個(gè)處理隨機(jī)選取5株。

1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)暗適應(yīng)30 min后，摘取距生長點(diǎn)第3張完全展開葉片，用熒光儀（IMAGING-PAM）測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)：最大光化學(xué)效率Fv/Fm、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率Y（Ⅱ）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP、qL）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN、NPQ）、電子傳遞速率（ETR）等參數(shù)，各參數(shù)均在選定模式下由系統(tǒng)自動(dòng)生成。每個(gè)處理測定5張葉片，所有操作均在夜間且黑暗的空教室內(nèi)進(jìn)行，飽和脈沖光光照度為 5 000 μmol/（m2·s），處理光光照度為 81 μmol/（m2·s），測量光光照度低于0.5 μmol/（m2·s）。

1.3.4形態(tài)指標(biāo)及根系形態(tài)學(xué)的測定常規(guī)測定幼苗干鮮質(zhì)量、根冠比、壯苗指數(shù)。將幼苗根系用水清洗干凈，利用根系分析儀（LA-S2400）掃描根長（cm）、表面積（cm2）、體積（cm3）、平均直徑（mm）等參數(shù)，每個(gè)處理隨機(jī)選取5株。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016和SAS 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用 one-way ANOVA進(jìn)行差異顯著分析。

2結(jié)果與分析

2.1弱光脅迫對番茄葉片葉綠素含量的影響

弱光下脅迫處理5 d，番茄葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+葉綠素b含量顯著下降，與對照相比分別下降1228%、10.96%、12.02%。弱光下脅迫處理10 d，番茄葉綠素a/葉綠素b顯著下降，表明葉綠體對2，6-二氯酚靛酚的還原能力增強(qiáng)，葉綠體的光合磷酸化活性提高（表1）。表1弱光脅迫下番茄葉片葉綠素含量的變化

脅迫時(shí)間

（d）處理葉綠素a含量

（mg/g）葉綠素b含量

（mg/g）葉綠素a+葉綠素b

含量（mg/g）葉綠素a/葉綠素b5對照1.124±0.052a0.356±0.013a1.481±0.065a3.157±0.051a弱光0.986±0.038b0.317±0.014b1.303±0.052b3.110±0.012a10對照1.091±0.051a0.344±0.012a1.436±0.062a3.172±0.057a弱光1.063±0.033a0.355±0.016a1.418±0.049a2.994±0.028b注：相同脅迫時(shí)間下同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在5%水平下差異顯著。下表同。endprint

2.2弱光脅迫對番茄葉片光合參數(shù)的影響

弱光脅迫下處理5、10 d，番茄葉片的Pn、Gs、Tr、Ls顯著降低；但Ci升高38.79%、343.41%，Ci的變化方向確定Pn的變化是由氣孔因素造成的，還是非氣孔因素造成的。弱光脅迫下處理5 d，番茄葉片的水分利用效率（WUE）顯著上升，而處理 10 d 時(shí)，WUE顯著下降（表2）。表2弱光脅迫下番茄葉片光合參數(shù)的影響

脅迫時(shí)間

（d）處理Pn

[μmol/（m2·s）]Gs

[mol/（m2·s）]Ci

（μmol/mol）Tr

[mmol/（m2·s）]LsWUE

（μmol/mmol）5對照10.774±0.055a0.059±0.013a316.308±61.778b1.693±0.342a0.506±0.101a6.565±1.417b弱光8.505±0.326b0.019±0.002b439.013±12.557a0.571±0.049b0.298±0.020b13.482±2.068a10對照8.313±0.549a0.037±0.006a170.426±20.858b1.140±0.171a0.680±0.025a6.821±0.313a弱光1.562±0.360b0.013±0.002b755.681±93.427a0.441±0.076b0.061±0.038b3.747±1.695b

2.3弱光脅迫對番茄葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

弱光脅迫下處理5 d，番茄葉片F(xiàn)v/Fm、Y（NPQ）、NPQ顯著增加，與對照相比分別增加22.93%、286.55%、411.86%，而非調(diào)節(jié)性能量耗散Y（NO）明顯下降。弱光脅迫下處理 10 d，Y（NO）增加3.95%。弱光脅迫處理5、10 d，番茄葉片PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率Y（Ⅱ）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP、qL）、電子傳遞速率（ETR）明顯降低；而非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）分別顯著增加128.96%、29.42%（表3）。表3弱光脅迫對番茄葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

脅迫時(shí)間（d）處理Fv/FmY（Ⅱ）Y（NPQ）Y（NO）qP5對照0.593±0.029b0.364±0.064a0.119±0.029b0.516±0.058a0.668±0.089a弱光0.729±0.007a0.160±0.065b0.460±0.040a0.385±0.019b0.279±0.010b10對照0.758±0.006a0.456±0.010a0.219±0.051a0.354±0.001b0.677±0.029a弱光0.759±0.009a0.285±0.071b0.348±0.069a0.368±0.012a0.465±0.082b脅迫時(shí)間（d）處理qLqNNPQETR5對照0.485±0.085a0.297±0.057b0.059±0.017a14.500±0.390a弱光0.145±0.061b0.680±0.010a0.302±0.006b5.733±2.382b10對照0.346±0.042a0.469±0.064b0.154±0.360a11.300±0.268a弱光0.256±0.041b0.607±0.068a0.201±0.039a6.933±1.749b

2.4弱光對番茄形態(tài)和根系生長的影響

弱光脅迫處理5 d，番茄幼苗的總干物質(zhì)量、壯苗指數(shù)明顯降低，與對照相比分別降低37.98%、26.09%，表明植株的生物產(chǎn)量分配較多地流向地上部。弱光脅迫下處理10 d，根冠比、干物質(zhì)量、壯苗指數(shù)、根長、表面積、體積、平均直徑與對照相比顯著下降8.77%、56.91%、66.67%、37.94%、38.77%、70.15%、4.91%（表4）。

3討論

弱光脅迫對植物光合作用的影響主要包括2個(gè)方面：一方面直接影響光合機(jī)構(gòu)的活性和結(jié)構(gòu)，如葉綠素含量的變化；另一方面影響植物體內(nèi)的一些生理過程， 從而間接影響光合作用，如氣體交換參數(shù)、根系生長[4]。葉綠素含量是反映光合作用能力的重要指標(biāo)之一。在本試驗(yàn)中， 弱光脅迫下處理表4弱光脅迫對番茄幼苗生理指標(biāo)和根系形態(tài)的影響

脅迫時(shí)間

（d）處理根冠比總干物質(zhì)量

（g）壯苗指數(shù)根長

（cm）表面積

（cm2）體積

（cm3）平均直徑

（mm）5對照0.151±0.060a1.788±0.230a0.023±0.002a267.520±69.817a52.531±12.114a1.570±0.371a0.641±0.030a弱光0.211±0.021a1.109±0.126b0.017±0.002b293.308±19.675a56.709±2.454a1.585±0.120a0.659±0.020a10對照0.114±0.003a2.381±0.229a0.030±0.002a433.325±49.782a85.343±8.783a2.603±0.471a0.631±0.053a弱光0.104±0.001b1.026±0.213b0.010±0.001b268.920±60.027b52.255±11.367b0.777±0.183b0.600±0.014b

5 d，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+葉綠素b含量均顯著下降，而王學(xué)文等發(fā)現(xiàn)弱光提高番茄的葉綠素含量[5]，唐韋華等發(fā)現(xiàn)弱光能降低番茄葉綠素含量[6]，這可能是由于處理時(shí)間、品種、取樣部位以及光照度不同導(dǎo)致的。本試驗(yàn)中葉綠素b相對含量增加，說明在弱光下藍(lán)紫光占優(yōu)勢，這有利于番茄葉片能夠有效地捕獲光能。

在弱光脅迫下處理5、10 d，番茄葉片Pn、Gs、Ls均顯著降低，而胞間CO2濃度增加，其中Pn的降低由非氣孔因素造成[5]，這與王學(xué)文等的研究結(jié)果[5，7-8]一致，致使葉片光合作用能力下降，從而阻礙了CO2的利用[9]。Pn顯著下降，可能是弱光脅迫影響了葉綠體光能潛力的發(fā)揮，也可能是番茄葉片PSⅡ光系統(tǒng)中心被破壞。endprint

Fv/Fm是反映PSⅡ活性中心光能轉(zhuǎn)化效率的重要參數(shù)。在本試驗(yàn)中，弱光脅迫下的Fv/Fm較對照顯著上升，表明弱光沒有使番茄葉片PSⅡ光化學(xué)活性受抑制，而是增加了原初光能轉(zhuǎn)化效率，與前人在辣椒[1，10]、黃瓜[11]上的研究結(jié)果一致，F(xiàn)v/Fm的增加也可能是由于該品種對弱光有一定的適應(yīng)性。光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）反映PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞活性和開放程度[12]，在本試驗(yàn)弱光脅迫下qP、qL、ETR、Y（Ⅱ）較對照均顯著下降，這與前人在辣椒[10]、水稻[13]、小麥[14]上的研究結(jié)果一致，由于番茄葉片PSⅡ電子傳遞活性并未減弱，因此ETR下降，這可能是由于PSⅠ電子傳遞受阻而導(dǎo)致CO2濃度同化下降，從而番茄葉片不能進(jìn)行正常的光合作用。調(diào)節(jié)性能量耗散Y（NPQ）是以熱形式來耗散PSⅡ吸收的光能，從而實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。在本試驗(yàn)中，弱光脅迫處理5 d，番茄葉片Y（NPQ）顯著上升，表明番茄幼苗可能通過自身調(diào)節(jié)來耗散掉過剩的光能從而實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，Y（NO）顯著下降，也再次證明番茄幼苗在這5 d中未受到傷害；而在弱光下脅迫處理10 d，Y（NO）顯著上升，表明番茄幼苗在脅迫10 d時(shí)已受損傷。

光通過調(diào)控光合產(chǎn)物的合成以及向根系運(yùn)輸和分配產(chǎn)物，從而影響根系生長[15-17]。在本試驗(yàn)中，弱光脅迫下干物質(zhì)量、壯苗指數(shù)都顯著下降，與前人的研究結(jié)果[5]一致，表明干物質(zhì)向地上部分配較多而向地下部分配較少，從而造成地下部與地上部生長不平衡。一般認(rèn)為，葉片通過光合作用為根系生長提供所需營養(yǎng)，同時(shí)根系又為葉片生長發(fā)育提供無機(jī)養(yǎng)分，因此葉片與根系是相互制約、相互影響的。在本試驗(yàn)中，弱光脅迫處理10 d，根長、根表面積和根體積顯著下降，表明根系處于長期弱光脅迫中，細(xì)胞功能受到一定的破壞，并再次說明地上部向地下部提供的干物質(zhì)較少，這可能是地上部在弱光下脅迫處理10 d時(shí)受損傷所致。

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