鈣離子濃度對NaCl脅迫下嫁接黃瓜幼苗光合與熒光特性的影響

劉 馨,游詩堯,周海霞,祁娟霞,張雪艷

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培作為一種高效的生產(chǎn)模式，在反季節(jié)經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，因此得到大面積的推廣[1]，但由于其具有封閉性，土壤長期得不到雨水淋洗，又隨著種植年限的增加和生產(chǎn)過程中水肥管理的不當(dāng)，由此引發(fā)的土壤鹽漬化問題十分普遍[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球大約有9.54億hm2的土壤受到鹽漬化的影響，而我國約有鹽漬化土地1億hm2[3]。土壤鹽漬化起主要毒害作用的是Na+和Cl-，其大量累積造成植物體內(nèi)水分虧缺、營養(yǎng)失衡、PSⅡ活性降低[4]，為了保持葉肉細(xì)胞相對較高的水勢，植物葉片將氣孔關(guān)閉，但這同時(shí)也嚴(yán)重阻礙了CO2進(jìn)入葉肉細(xì)胞，進(jìn)而降低了植物的光合作用[5]，引起植物生長受阻，產(chǎn)量降低。光合作用是植物最基本的生命活動(dòng)，是植物合成有機(jī)物質(zhì)和獲得能量的根本源泉[6]，葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)是研究植物光合作用強(qiáng)弱與環(huán)境關(guān)系的探針[7]，被廣泛應(yīng)用在探索植物逆境生理方面，任何環(huán)境因子對光合作用的影響均可通過對葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)的分析，直接或間接判斷植株受害程度。

黃瓜(CucumissativusL.)作為我國設(shè)施栽培的主要蔬菜之一，同樣遭受著鹽漬化的威脅，現(xiàn)已嚴(yán)重影響了黃瓜的生產(chǎn)。研究表明，嫁接黃瓜可明顯增強(qiáng)其抗性，鹽脅迫下嫁接黃瓜根系活力及抗性較強(qiáng)，從而增強(qiáng)了黃瓜幼苗在逆境中的各種生理特性[8]。嫁接黃瓜強(qiáng)大的根系，可以增強(qiáng)其對營養(yǎng)及水分的吸收能力，對作物的生長具有促進(jìn)作用[9]，采用嫁接的方式可以降低由鹽害引起的作物品質(zhì)下降、產(chǎn)量損失等問題。鈣是植物生長所需的重要礦質(zhì)元素之一，對細(xì)胞壁具有支持和加固的作用，鈣離子在植物抗逆機(jī)制中作為第二信使，參與胞內(nèi)穩(wěn)定和植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)過程[10]。細(xì)胞內(nèi)Ca+的平衡失調(diào)是鹽脅迫的原初反應(yīng)[11]，因此，一定濃度范圍內(nèi)的鈣可以起到保護(hù)高鹽對植物組織的傷害作用，但其過量則會(huì)加重鹽害的發(fā)生[12]。

目前針對黃瓜實(shí)生苗耐鹽機(jī)理的研究已有初步進(jìn)展，但采用嫁接黃瓜幼苗添加Ca2+來緩解耐鹽性的研究鮮有報(bào)道。因此本文以耐鹽嫁接黃瓜為材料，在NaCl為100 mmol·L-1的臨界濃度下，研究不同Ca2+調(diào)控濃度對嫁接黃瓜光合與熒光的影響。以期探究合理的外源Ca2+調(diào)控濃度，為提高黃瓜在鹽漬化土壤中的生長能力和持續(xù)高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年7月1-12日在寧夏大學(xué)農(nóng)科實(shí)訓(xùn)基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行，供試黃瓜品種為“德爾99”，選用云南黑籽南瓜作為嫁接砧木。試驗(yàn)選取籽粒飽滿、整齊一致的黃瓜種子進(jìn)行室溫浸泡4 h，在28℃恒溫催芽1 d后播種于裝有基質(zhì)的育苗盤中進(jìn)行育苗，待黃瓜子葉展平后，室溫浸泡南瓜種子8 h，28℃恒溫催芽2 d后播種。待南瓜幼苗長到一葉一心時(shí)開始采用插接法嫁接，嫁接后清水澆灌，嫁接14 d后轉(zhuǎn)入1/2倍營養(yǎng)液(黃瓜山崎營養(yǎng)液)進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)1周后轉(zhuǎn)入1倍營養(yǎng)液，待黃瓜幼苗為3葉1心時(shí)進(jìn)行處理。本試驗(yàn)設(shè)定7個(gè)處理，每個(gè)處理2組重復(fù)，每組重復(fù)100株幼苗，其中以不加NaCl和CaCl2的處理為無鹽對照處理，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。試驗(yàn)每2天更換1次營養(yǎng)液，同時(shí)更換NaCl與CaCl2。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

1.2 測定指標(biāo)及方法

每個(gè)處理取5株代表性植株，利用ADC BioScientific LCi Analyser Serial No. 32498光合儀進(jìn)行光合指標(biāo)的測定。當(dāng)光合有效輻射穩(wěn)定在1 500～2 000 μmol·m-2·s-1，溫度在25～30℃之間，環(huán)境CO2濃度在380～400 μmol·m-2·s-1，相對濕度為30%～32%時(shí)，于鹽處理后的第0天、第3天、第7天、第11天的早晨9∶00-12∶00測定葉片的光合作用參數(shù)；用美國OSI-FL便攜式葉綠素?zé)晒鈨x于第0天、第3天、第7天、第11天的早晨9∶00-12∶00間測定葉片的熒光參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)處理測定5個(gè)平行樣本，結(jié)果取其平均值，數(shù)據(jù)用SPSS 17.0軟件采用LSD方法在P<0.05水平進(jìn)行單因素顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Ca2+濃度對NaCl脅迫下嫁接黃瓜幼苗光合指標(biāo)的影響

植物光合特性中凈光合速率(Pn)作為重要的參數(shù)之一，可反映植物同化CO2的能力，進(jìn)而反映出植株的生長狀況[13]。由圖1a知，第0天時(shí)，各處理間無顯著性差異；處理后第3、7、11天時(shí)，30 mmol·L-1Ca2+處理凈光合速率較低，處理后第3天，CK凈光合速率(21.19 μmol·m-2·s-1)顯著高于其他處理，其次為0、5 mmol·L-1Ca2+處理；第7天，5～20 mmol·L-1Ca2+處理的光合速率顯著高于0 mmol·L-1Ca2+處理，但30 mmol·L-1Ca2+處理仍然較低，并與0 mmol·L-1Ca2+處理無顯著性差異；第11天時(shí)，相對于其他鈣離子濃度處理，0 、10、15 mmol·L-1Ca2+處理的光合速率較高，為其他三組處理的3～4倍，各處理凈光合速率隨著時(shí)間推進(jìn)而逐漸降低。

CO2為光合作用提供直接的碳源，因此胞間CO2濃度(Ci)是影響植物光合作用的重要因素[14]。由圖1b可知，第0天，各處理胞間CO2濃度無明顯差異；處理第3天時(shí)，0、5 mmol·L-1Ca2+處理的胞間CO2濃度顯著高于其他處理，但低于CK；第7天時(shí)，0、30 mmol·L-1Ca2+處理的胞間CO2濃度為322 μmol·mol-1與339 μmol·mol-1，顯著高于其他處理并接近于CK，0～30 mmol·L-1Ca2+處理胞間CO2濃度出現(xiàn)先降低后增長的趨勢；處理第11天時(shí)，0、5 mmol·L-1Ca2+處理胞間CO2濃度顯著高于CK，20、30 mmol·L-1Ca2+處理與CK無顯著差異，但10 mmol·L-1與15 mmol·L-1Ca2+處理相對較低，較CK分別減少24.1 μmol·mol-1與136.5 μmol·mol-1。

注：不同小寫字母表示在P<0.05下差異顯著。下同。Note: Different letters indicate significant difference (P<0.05). The same below.圖1 不同Ca2+濃度對嫁接黃瓜幼苗光合速率與胞間CO2濃度的影響Fig.1 Effect of Ca2+ concentration on photosynthetic rate and intercellular CO2 concentration of grafted cucumber seedlings

蒸騰速率(Tr)反映植物蒸騰作用的強(qiáng)弱，強(qiáng)烈的蒸騰往往超過作物根部對水分的吸收速度，從而造成作物的萎蔫，最終導(dǎo)致死亡[15]。由圖2a可知，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，植物蒸騰速率逐漸減緩，第0天時(shí)，各處理間Tr無顯著差異；第3天時(shí)，各處理間差異較顯著，不同Ca2+濃度處理均顯著低于CK，且10、15、30 mmol·L-1Ca2+處理相對于0 mmol·L-1Ca2+處理分別降低40.02%、36.19%、38.18%；第7天時(shí)，外源Ca2+處理均顯著降低了黃瓜幼苗的蒸騰速率，其蒸騰速率僅為0.87～1.45 mmol·m-2s-1；第11天，0 mmol·L-1Ca2+處理蒸騰速率與CK無顯著差異，但其他鈣離子濃度處理顯著低于CK，10、15、30 mmol·L-1Ca2+處理Tr均相對較低。

氣孔導(dǎo)度(Gs)可反映水汽與CO2通過氣孔的難易程度。由圖2b知，第0天時(shí)，各處理間無顯著差異；處理第3、7、11天時(shí)，CK處理氣孔導(dǎo)度顯著高于其他處理，第3天時(shí)0 mmol·L-1與5 mmol·L-1Ca2+處理相對高于其他濃度處理，但僅為CK的1/4左右；第7天，各處理間差異不顯著，但15 mmol·L-1Ca2+處理相對較低(0.065 mmol·m-2·s-1)；第11天時(shí)，隨著Ca2+濃度的增大植株氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)先降低后增長的趨勢，15 mmol·L-1Ca2+處理植株氣孔導(dǎo)度最低，為該趨勢的拐點(diǎn)，0 mmol·L-1Ca2+處理顯著高于其他濃度處理。

水分利用率(WUE)在一定程度上反映了植物的耗水性，同時(shí)也是評價(jià)植物在水分虧缺條件下生長適宜程度的一個(gè)重要生理生態(tài)指標(biāo)[16]。處理第0天時(shí)，各處理間WUE無顯著差異，第3天，0～10 mmol·L-1Ca2+處理水分利用率與CK無顯著差異，15～30 mmol·L-1Ca2+處理水分利用效率顯著低于CK；處理第7天時(shí)，0、30 mmol·L-1Ca2+處理的水分利用率顯著低于其他鈣離子處理，僅為2.16 μmol·mmol-1與2.39 μmol·mmol-1，20 mmol·L-1Ca2+處理水分利用效率最高，其次為10 mmol·L-1Ca2+處理；第11天時(shí)，各處理間差異較顯著，經(jīng)鈣離子處理后，10、15 mmol·L-1Ca2+處理的水分利用率顯著增大，分別為不添加鈣離子處理的11.76倍與1.56倍，0、30 mmol·L-1Ca2+處理差異不顯著，5、20 mmol·L-1Ca2+處理水分利用率最低(圖2c)。

圖2 不同Ca2+濃度對嫁接黃瓜幼苗蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度與水分利用率的影響Fig.2 Effect of Ca2+ concentration on transpiration rate,stomatal conductance and water use efficiency of grafted cucumber seedlings

2.2 不同Ca2+濃度對NaCl脅迫下嫁接黃瓜幼苗熒光指標(biāo)的影響

Fo代表不參與PSII光化學(xué)反應(yīng)的光能輻射部分，其反映PSII反應(yīng)中心完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)量[17]。一般認(rèn)為，PSII天線色素的熱耗散增加導(dǎo)致Fo的降低，而Fo的升高則表明PSII反應(yīng)中心受到傷害。由圖3a可知，處理第0天，各處理無明顯差異，處理第3天，相對于CK與30 mmol·L-1Ca2+處理，其他各處理Fo均有明顯下降的趨勢，10 mmol·L-1Ca2+處理Fo顯著低于其他處理，相對于CK下降了16.02%；處理第7天，CK低于20、30 mmol·L-1Ca2+處理，0 mmol·L-1Ca2+處理的Fo最高；處理第11天，除10 mmol·L-1Ca2+處理外，其他處理Fo均呈上升趨勢，10 mmol·L-1Ca2+處理的Fo值最低，僅為787.4，0 mmol·L-1Ca2+處理的Fo最高，為1 163.8。

最大熒光產(chǎn)量(Fm)是PSII反應(yīng)中心處于關(guān)閉時(shí)的熒光產(chǎn)量[18]，可反映通過PSII的電子傳遞情況。如圖3b所示，第0天，各處理間Fm無明顯變化，當(dāng)處理第3天，10、15、20 mmol·L-1Ca2+處理的Fm均表現(xiàn)出下降趨勢，并顯著低于CK；第7天，CK顯著高于其他處理，其次為10 mmol·L-1>30 mmol·L-1>0 mmol·L-1>5 mmol·L-1>15 mmol·L-1>20 mmol·L-1Ca2+處理；第11天時(shí)，5、10、30 mmol·L-1Ca2+處理的Fm與其他各處理間差異顯著，并顯著高于其他濃度鈣離子處理，但低于CK。

Fv/Fm是研究植物脅迫程度常用的參數(shù)，在非脅迫條件下該參數(shù)變化極小，不受物種和生長條件的影響，但在脅迫條件下該參數(shù)明顯下降[19]。處理后第0、3、7天，各處理無顯著差異；當(dāng)處理第11天時(shí)，各處理間差異顯著，相對于其他濃度鹽脅迫處理，10 mmol·L-1Ca2+處理的Fv/Fm顯著增大，分別為其他5個(gè)濃度處理的17.69、1.33、1.66、2.82倍與1.22倍，但低于CK，0 mmol·L-1Ca2+處理的Fv/Fm最低并接近于0(圖3-c)。

圖3 不同處理對嫁接黃瓜幼苗Fo、Fm與Fv/Fm的影響Fig.3 Effect of different treatments on Fo, Fm and Fv/Fm in grafted cucumber seedlings

PSII反應(yīng)中心的光化學(xué)猝滅通常用光化學(xué)猝滅系數(shù)qP表示，qP反映了PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的多少，同時(shí)也反映了PSII反應(yīng)中心的開放程度[20]。如圖4a，處理第0、3天，各處理間無顯著差異；第7天，10、20 mmol·L-1Ca2+處理的qP與CK無顯著差異，0和30 mmol·L-1Ca2+處理qP顯著低于其他處理，15 mmol·L-1Ca2+處理qP分別較10、20、30 mmol·L-1Ca2+處理增長43.56%、54.26%、210.71%；當(dāng)處理第11天，各處理qP值均出現(xiàn)上升的趨勢，5、10 mmol·L-1Ca2+處理的qP無顯著差異且接近于CK，約為0.52～0.71，0、20 mmol·L-1Ca2+處理的qP較高，分別為0.992與0.802。

qN表示PSⅡ反應(yīng)中心的非光化學(xué)猝滅系數(shù)，當(dāng)PSⅡ反應(yīng)中心天線色素吸收了過量的光能時(shí)，若不能及時(shí)耗散將對光合機(jī)構(gòu)造成傷害，所以非光化學(xué)猝滅是PSⅡ的重要保護(hù)機(jī)制，對光合機(jī)構(gòu)起一定的保護(hù)作用[21]。由圖4b可知，當(dāng)處理第0、3、7天，各處理間的qN無顯著差異；第11天時(shí)，0 mmol·L-1Ca2+處理的qN值略高于其他處理，其次分別為5與10 mmol·L-1Ca2+處理，15 mmol·L-1Ca2+處理的qN顯著低于其他處理。

由圖4c可知，處理第0天和第3天，各處理間表觀光合電子傳遞速率(ETR)無顯著差異；當(dāng)?shù)?天時(shí)，CK處理ETR值較高，除0 mmol·L-1Ca2+處理外，其他各處理隨著鈣離子濃度增大，ETR值逐漸減小，5、10 mmol·L-1Ca2+處理ETR值相對較大，30 mmol·L-1Ca2+處理最?。坏?1天，各處理間具有顯著差異，0 mmol·L-1Ca2+處理的ETR接近于0，10 mmol·L-1Ca2+處理的ETR顯著高于其他處理，但與CK無顯著差異。

圖4 不同處理對嫁接黃瓜幼苗猝滅系數(shù)、光化學(xué)量子產(chǎn)量與光合電子傳遞速率的影響Fig.4 Effect of different treatments on the quenching coefficient, photochemical quantum yield and photosynthetic electron transfer rate of grafted cucumber seedlings

3 討論與結(jié)論

土壤次生鹽漬化不但破壞了土壤環(huán)境，同時(shí)也危害了作物的生長。鹽漬化土壤中高濃度的鹽含量使土壤水勢大幅度降低，植物吸水困難，導(dǎo)致植物體內(nèi)離子失衡，植物生理代謝紊亂，使得植物光合作用能力下降，生長受阻[22]。White等研究表明，鹽脅迫后，植物體內(nèi)大量Na+與Cl-的累積，使得植物光合作用受到抑制[23]；Everard等對芹菜和玉米的研究表明，鹽脅迫破壞了葉綠體的光合機(jī)構(gòu)，抑制了光合作用的原初反應(yīng)，阻礙了光合電子傳遞過程[24]；裘麗珍等研究表明，由于植物受鹽脅迫后，植株體內(nèi)的葉綠素酶活性增強(qiáng)，促進(jìn)了葉綠素的降解，最終導(dǎo)致了葉綠素含量降低，光合速率下降[25]。植物活體葉綠素發(fā)出的熒光信號(hào)包含的光合信息十分豐富，其在測定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨(dú)特的作用[26]，葉綠素?zé)晒獾淖兓稍谝欢ǔ潭壬戏从衬婢硨χ参锏挠绊?，因此通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)分析可深入了解鹽脅迫對植株的影響。嫁接條件下，砧木根系可減少或者阻止Na2+和Cl-離子的向上運(yùn)輸，外加鈣可促進(jìn)根系對K+的選擇吸收和運(yùn)輸，降低鹽害并增加葉片的光合作用[27]。

本試驗(yàn)研究表明，不同鈣離子濃度處理第11天，植株葉片凈光合速率、蒸騰速率以及氣孔導(dǎo)度與CK和0 mmol·L-1Ca2+處理相比顯著降低，此結(jié)果與楊淑萍通過鹽脅迫對不同基因型海島棉光合作用的影響研究結(jié)果一致[28]。這是因?yàn)槎唐诘柠}脅迫造成了植物水分的虧缺,植物葉片細(xì)胞程序性死亡、輸導(dǎo)組織受損[29]，光合作用能量及電子傳遞受到抑制，引起氣孔關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度受阻，胞間CO2濃度降低，CO2擴(kuò)散受到限制，同時(shí)蒸騰速率下降，最終導(dǎo)致植物光合速率下降[30]；0、5 mmol·L-1Ca2+處理胞間CO2濃度相對較高，10 mmol·L-1Ca2+處理胞間CO2濃度相對適中。另外鹽處理第11天時(shí)，10 mmol·L-1Ca2+處理的水分利用率顯著高于其他處理，并接近于CK，說明10 mmol·L-1Ca2+處理后植物凈光合速率的下降幅度小于蒸騰速率的下降，因此表現(xiàn)為水分利用率的相對上升，這是植物抵御不良環(huán)境的生理反應(yīng)，表明10 mmol·L-1Ca2+處理對嫁接黃瓜幼苗的光合作用影響較小。整體可知，在100 mmol·L-1NaCl脅迫條件下，外源施加適當(dāng)濃度的鈣離子(10 mmol·L-1)，不但沒有加重鹽害，反而表現(xiàn)緩解鹽害的作用(在光合特性方面)，這是由于高濃度的Na+造成細(xì)胞內(nèi)Ca2+的減少，破壞了質(zhì)膜上Ca2+的正常運(yùn)輸系統(tǒng)[31]，引起葉細(xì)胞環(huán)境的改變，而一定濃度外源Ca2+的添加可減少細(xì)胞壁和質(zhì)膜對Na+的吸附，減少Na+在植株體內(nèi)的累積，消除Na+對胞內(nèi)Ca2+的不利影響；在鹽脅迫條件下，Ca2+也可增加組織內(nèi)鈣調(diào)素的含量，活化ACC合成酶，促進(jìn)乙烯合成，提高植物的抗鹽性[32]。

葉綠素?zé)晒獾淖兓梢苑从吵鲋参锸苊{迫的情況[33]，鹽脅迫可以使PSⅡ受到損害，進(jìn)而影響到植株的光合作用過程。試驗(yàn)處理第11天，10 mmol·L-1Ca2+處理的黃瓜幼苗的Fo最低且更接近于CK，F(xiàn)o的大小與PSⅡ的受損狀況有關(guān)，F(xiàn)o的降低，說明PSⅡ受體電子傳遞的受害程度較輕；而黃瓜幼苗的Fm與Fv/Fm均呈現(xiàn)下降趨勢，其中0 mmol·L-1Ca2+處理降低的幅度最大，10 mmol·L-1Ca2+處理相比其他處理下降較少并接近于CK，這說明在10 mmol·L-1Ca2+處理下能較好地保持PSⅡ的光化學(xué)活性，同時(shí)能夠通過將過量的光能轉(zhuǎn)化成熱能并散失掉，保護(hù)了光合結(jié)構(gòu)，避免了光合速率過度下降。鹽處理第11天，黃瓜幼苗的qP突然增大，同時(shí)qN也略有增加，并且10 mmol·L-1Ca2+處理的黃瓜幼苗的qP與qN均更接近CK，說明10 mmol·L-1Ca2+處理可減小鹽脅迫下過剩光能對其光系統(tǒng)的破壞[22]，PSII的電子傳遞活性增強(qiáng)，葉片捕獲的激發(fā)能中用于推動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)的部分所占比例上升[34]。外源鈣處理第3天后黃瓜幼苗ETR逐漸下降，第3天與第7天時(shí)10 mmol·L-1Ca2+處理的黃瓜幼苗ETR相對其他降低較小接近于CK，鹽處理11天后，外源鈣處理與對照相比均顯著降低了黃瓜幼苗的ETR，但10 mmol·L-1Ca2+處理的ETR降低緩慢，說明通過熒光指標(biāo)比較可知，10 mmol·L-1Ca2+處理對嫁接黃瓜幼苗的光合作用影響較小。劉曉龍等研究鹽脅迫下水稻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下兩種水稻的Fv/Fm、ETR、光化學(xué)猝滅(qP) 均下降，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致[35]。

綜上可知，通過嫁接黃瓜葉片相關(guān)光合與熒光指標(biāo)分析表明，10 mmol·L-1Ca2+處理可更有效地緩解鹽害對嫁接黃瓜幼苗的傷害。