海藻糖對高溫下番茄幼苗葉片光合作用的調控作用

龐椿朋　葉亮　馬健　路濤　楊宗藝　齊明芳

摘要：高溫逆境是影響設施番茄產量與質量的重要因素，以番茄（Lycopersicon esculentum Mill ‘Ailsa Craig）6葉幼苗為試驗材料，于40 ℃高溫處理下，在番茄葉片上噴施05%（T05）、10%（T10）、15%（T15）3種濃度的海藻糖溶液，以噴施清水作為對照（CK），9 d后測定海藻糖對高溫下番茄葉片光合作用的調控作用。結果表明，T10海藻糖處理顯著提高了高溫逆境脅迫中葉片的葉綠素a含量（P<005），極顯著提高了總葉綠素含量（P<001）；顯著提高了葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）（P<005），極顯著提高了胞間CO2濃度（P<001）；顯著或極顯著提高了PSⅡ最大光化學效率（FvFm）及量子產量Y（Ⅰ）]、光合電子傳遞速率ETR（Ⅱ）]，顯著或極顯著降低了PSⅡ調節(jié)性能量耗散的量子產量Y（NPQ）]、非調節(jié)性能量耗散的量子產量Y（NO）]、非光化學淬滅（qN）；極顯著降低了由于供體側限制引起的PSⅠ處非光化學能量耗散的量子產量Y（ND）]（P<001），極顯著升高了由受體側限制引起的PSⅠ處非光化學能量耗散的量子產量Y（NA）]；極顯著降低了葉片丙二醛（MDA）含量（P<001）。以上結果表明，海藻糖對高溫逆境下番茄葉片的光合作用具有重要的促進作用，且10%海藻糖是較適宜的海藻糖處理濃度。

關鍵詞：海藻糖；番茄；光合作用；高溫脅迫；光合作用；調控作用

中圖分類號： S641201文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0143-04

收稿日期：2016-10-26

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFD0201004）。

作者簡介：龐椿朋（1993—），男，黑龍江佳木斯人，主要從事設施園藝與蔬菜生理等方面的研究。E-mail：925605624@qqcom。

通信作者：齊明芳，博士，教授，主要從事設施園藝與蔬菜生理等方面的研究。E-mail：qimingfang@126com。

番茄（Lycopersicon esculentum Mill）是世界上栽培最為普遍的蔬菜作物之一。聯(lián)合國糧農組織公布的數據顯示，2012年全世界番茄產量達16億t，產值591億美元，產量與產值均居園藝作物的第1位，其中，我國番茄產量達05億t，產值18478億美元，我國為番茄生產第一大國。我國番茄栽培主要以設施栽培為主，在夏秋季節(jié)中午前后常常受到高溫逆境的脅迫而導致葉片光合物質生產受到抑制，進而影響番茄產量與品質1]。因此，研究高溫對番茄葉片光合作用的影響及調控機制，具有重要的理論與實踐意義。

大量的研究結果表明，植物的光合作用是對高溫響應最敏感的生理過程，其中光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）活性降低、光合碳同化過程中酶的失活以及類囊體膜完整性損傷是引起葉片光合降低的主要原因2-4]。糖類物質作為植物光合作用的產物，參與了碳素積累及能量供應等基礎的生理與生化過程，同時，也作為一種重要的信號分子，對植物的生長發(fā)育及逆境抗性起到了重要的調控作用。海藻糖是一種廣泛存在于生物體中的非還原性二糖，直接參與了植物的代謝，也參與了一些信號調節(jié)過程5-6]。研究表明，海藻糖具有提高植物的抗鹽性7-9]、抗旱性10-12]、抗寒性13-14]等作用。而關于海藻糖對植物高溫下光合作用的調控作用研究較少，尤其是海藻糖對2個光系統(tǒng)調控作用的研究尚未見報道。本試驗以番茄（Lycopersicon esculentum Mill ‘Ailsa Craig）6葉幼苗為試驗材料，于40 ℃高溫處理下，在番茄葉片上噴施不同濃度的海藻糖溶液，探討海藻糖對高溫下番茄葉片光合作用及2個光系統(tǒng)活性的調控作用。

1材料與方法

11試驗設計

試驗于2015年7月在沈陽農業(yè)大學園藝學院蔬菜基地的日光溫室內進行。供試番茄品種為Ailsa Craig，穴盤育苗，當幼苗長至6張真葉時，移入日光型人工氣候室中，進行2 d緩苗處理（晝、夜溫度分別為25、15 ℃），選取長勢一致且健壯的幼苗進行高溫處理。

高溫處理的溫度設置：06：00—09：00為35 ℃，09：00—15：00 為40 ℃，15：00—18：00為35 ℃，18：00至次日06：00為15 ℃，相對濕度為65%。在高溫處理的前1 d傍晚進行海藻糖噴施處理，處理濃度分別為0（CK）、05%（T05）、1 0%（T10）、15%（T15）。每個處理3次重復，在處理的第9天測量番茄植株葉片中葉綠素含量、光合參數及丙二醛（MDA）含量。

12分析測定方法

121葉綠素含量測定

根據陳建勛等的丙酮法15]測定番茄葉片中葉綠素的含量。

122葉片光合參數測定

選取處理過的功能葉片，暗適應20 min，將熒光分析儀（Dual-PAM 100，購自德國WALZ公司）與便攜式光合作用分析儀（GFS-3000，購自德國WALZ公司）聯(lián)用，同步分析葉綠素熒光、光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）活性及葉片光合氣體交換參數。葉室溫度根據待測幼苗分別設置為25、40 ℃，空氣流量為400 μmols，光合有效輻射值（PAR）為 435 μmol（m2·s），測定葉片面積為13 cm2。

待測定的光合氣體交換參數主要有凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、以及胞間CO2濃度（Ci）。

PSⅡ的熒光參數主要包括初始熒光（Fo）、量子產量Y（Ⅱ）]、光合電子傳遞速率ETR（Ⅱ）]、非調節(jié)性能量耗散的量子產量Y（NO）]、調節(jié)性能量耗散的量子產量Y（NPQ）]、非光化學淬滅（qN）及光化學淬滅（qP）等，并根據如下公式計算PSⅡ最大熒光效率：FvFm=（Fm-Fo）Fm。endprint

PSⅠ 的光系統(tǒng)活性參數包括PSⅠ量子產量Y（Ⅰ）]、光合電子傳遞的相對速率ETR（Ⅰ）]、由于供體側限制引起的PSⅠ處非光化學能量耗散的量子產量Y（ND）]以及由于受體側限制引起的PSⅠ處非光化學能量耗散的量子產量Y（NA）]。

123MDA含量的測定

根據陳建勛等的方法15]測定番茄葉片中MDA的含量。

13統(tǒng)計分析

采用Excel 2007整理數據，并用DPS軟件中LSD法對數據進行方差分析和差異性檢驗。

2結果與分析

21不同濃度海藻糖處理對高溫下番茄葉片葉綠素含量的影響

由圖1可知，不同濃度的海藻糖處理顯著或極顯著提高了高溫處理下番茄葉片中總葉綠素的含量，尤其是T10、T15處理極顯著地提高了總葉綠素的含量（P<001）。而從葉綠素a與葉綠素b含量來看，兩者并不是同步提高，不同濃度海藻糖處理具有提高葉綠素a含量的趨勢，T10、T15處理均顯著提高了葉綠素a的含量（P<005），而3種濃度海藻糖處理對葉綠素b含量的影響均沒有達到顯著水平；T10、T15處理均明顯地提高了葉綠素a與葉綠素b含量的比值。以上結果表明，不同濃度的海藻糖具有維持番茄葉片高溫逆境下較高葉綠素含量的能力，且主要是提高了葉綠素a的含量，T10、T15處理效果較好。

22不同濃度海藻糖處理對高溫下番茄葉片光合氣體交換參數的影響

由圖2可知，不同濃度的海藻糖處理均表現出對高溫逆境下番茄葉片凈光合速率的促進作用，其中T10處理的效果達到了顯著水平（P<005）。同時，T10處理也顯著提高了葉片的蒸騰速率（P<005），而T05、T15處理與對照無顯著差異。葉肉細胞間CO2濃度與凈光合速率呈相同趨勢，且海藻糖處理顯著或極顯著提高了細胞間CO2濃度。不同濃度的海藻糖處理對氣孔導度無顯著影響。以上結果表明，海藻糖具有提高番茄葉片高溫逆境下光合氣體交換速率的能力。

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23不同濃度海藻糖處理對高溫下番茄葉片熒光參數的影響

231不同濃度海藻糖處理對高溫下番茄葉片PSⅡ熒光參數的影響

PSⅡ熒光參數是目前表征植物受逆境脅迫程度的重要指標之一。由圖3可知，從PSⅡ最大光化學效率（FPSⅡ）來看，高溫處理下，CK的FPSⅡ值約為076，明顯低于正常葉片的FPSⅡ值范圍（080～084），而不同濃度的海藻糖處理不同程度地提高了FPSⅡ值，其中T05、T10處理的FPSⅡ值顯著高于CK的FPSⅡ值。說明海藻糖對高溫逆境下葉片的光合機構具有一定的保護作用。

由圖4可知，從PSⅡ的各項熒光參數來看，不同濃度海藻糖處理提高了高溫逆境下葉片PSⅡ的量子產量Y（Ⅱ）]與電子傳遞速率ETR（Ⅱ）]，其中，T15、T10處理達到極顯著水平（P<001）。同時，不同濃度海藻糖處理均顯著降低了調節(jié)性能量耗散的量子產量Y（NPQ）]（P<005），極顯著降低了非調節(jié)性能量耗散的量子產量Y（NO）]（P<001），顯著降低了非光化學淬滅（qN）（P<005），一定程度上提高了光化學淬滅（qP）。以上結果表明，海藻糖處理增強了高溫逆境下番茄葉片PSⅡ的電子傳遞能力，保護了PSⅡ的光系統(tǒng)活性，并促使更多的光合電子用于光合作用

232不同濃度海藻糖處理對高溫下番茄葉片PSⅠ熒光參數的影響

熒光分析儀（Dual-PAM 100）能夠同時分析 PSⅡ 與PSⅠ的熒光參數，與PSⅡ熒光參數類似，PSⅠ的參數主要有PSⅠ的光化學效率Y（Ⅰ）]與電子傳遞速率ETR（Ⅰ）]，以及由供體側限制引起的PSⅠ處非光化學能量耗散的量子產量Y（ND）]與由受體側限制引起的PSⅠ處非光化學能量耗散的量子產量Y（NA）]。由圖5可知，高溫逆境下，不同濃度海藻糖處理對Y（Ⅰ）、ETR（Ⅰ）無顯著影響，但顯著或極顯著降低了Y（ND），極顯著提高了Y（NA）（P<001）。以上結果表明，海藻糖對高溫下PSⅠ光系統(tǒng)活性也有一定影響。

24不同濃度海藻糖處理對高溫下番茄葉片MDA含量的影響

MDA是常用的膜脂過氧化指標。由圖6可知，不同濃度的海藻糖處理均極顯著地降低了葉片中MDA的含量（P<001），說明海藻糖可以降低高溫逆境下細胞膜脂過氧化作用，減輕膜脂過氧化對細胞的傷害。

3討論與結論

海藻糖在植物生長發(fā)育及逆境響應中起著重要作用，但對于其詳細的作用機制及相應的信號傳導過程仍不清楚16]，大量研究表明，海藻糖由于其自身的特性，對植物的組織結構起到重要保護作用，同時其合成前體物質在信號傳導中起重要作用。Fernandez等認為海藻糖在植物逆境的功能主要有以下幾個方面：保護根的完整性、降低鈉的積累、降低葉綠素降解、抑制生長、誘導逆境相關基因與蛋白表達等17]。本研究通過在番茄葉面噴施海藻糖，研究了其在番茄抗高溫逆境中的作用，結果表明，海藻糖顯著或極顯著提高了高溫逆境下葉綠素的含量，維持了PSⅡ較高的光系統(tǒng)活性，這可能與海藻糖的保護功能有關。另外，海藻糖極顯著降低了葉片中MDA的含量（P<001），進一步說明其在保護細胞膜功能方面具有重要作用。這些結果與王迪等通過外源海藻糖提高小麥抗高溫的結果18]基本一致。

植物葉片的光合作用是對逆境響應最敏感的生理過程，番茄葉片在40 ℃高溫逆境下，PSⅡ與PSⅠ 2個光系統(tǒng)的活性顯著降低，光合氣體交換過程也受到抑制19-20]。本試驗結果表明，葉片表面噴施不同濃度的海藻糖溶液，不同程度地提高了PSⅡ光系統(tǒng)的活性，而對PSⅠ光系統(tǒng)活性的影響不大。同時，海藻糖在提高PSⅡ電子傳遞的同時，并沒有提高調節(jié)性能量耗散的量子產量， 但非調節(jié)性能量耗散的量子產量降低較明顯。說明海藻糖并不是通過提高熱耗散來保護光合器官，可能是通過維護光合器官結構來提高光系統(tǒng)活性。endprint

從海藻糖3個濃度處理的效果來看，T10、T15的處理效果明顯優(yōu)于T05處理，而T10處理總體上又優(yōu)于T15處理，說明在一定范圍內提高海藻糖濃度可以提高番茄葉片的高溫抗性，但高濃度的海藻糖反而起到一定的抑制作用。這與Fernandez等的觀點17]一致，不能僅將海藻糖看作是一種保護性糖，它也具有負面影響。對于其在逆境中的詳細作用機制，還需要更加深入的研究。

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