低溫下外源腐胺對(duì)黑皮果蔗拔地拉光合性能的影響

朱俊杰，王天順，牙 禹，閆飛燕

(1.廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004；2. 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測(cè)技術(shù)研究所，廣西 南寧 530007)

【研究意義】黑皮果蔗拔地拉 (SaccharumofficinarumL.cv. Badila)居目前我國(guó)果蔗種植面積的首位[1]，由于是熱帶地區(qū)起源的原種，缺乏抗冷的遺傳基礎(chǔ)，引進(jìn)到我國(guó)幾十年來(lái)其抗冷性一直沒(méi)有根本性的改善，嚴(yán)重影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。過(guò)去果蔗生產(chǎn)中曾廣泛采用化學(xué)調(diào)控手段增加產(chǎn)量和改善其品質(zhì)[2]，但近年來(lái)人們對(duì)合成類的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)的使用有所顧忌和排斥。開發(fā)拔地拉內(nèi)生調(diào)節(jié)物質(zhì)顯得尤為重要，不但可為果蔗化學(xué)調(diào)控提供新手段，還可為果蔗抗冷育種和抗寒栽培措施的制定供理論參考?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】多胺是生物體中一類低分子脂肪族含氮堿，主要有腐胺(Put)、亞精胺 (Spd)、精胺(Spm)、尸胺(Cad)及鮮精胺(Agm)等，具有陽(yáng)離子性質(zhì)[3]，能夠和核酸、多肽及蛋白質(zhì)等帶負(fù)電荷的大分子結(jié)合，對(duì)維持細(xì)胞酸堿平衡，穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)起重要作用[4]。同時(shí)，多胺本身具有較高的生物活性，是植物內(nèi)生的一類生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有參與植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[5]，調(diào)控細(xì)胞分裂、生長(zhǎng)、分化及衰老死亡[6]，增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)外界逆境脅迫的抗性等功效[7]，長(zhǎng)期以來(lái)都是植物生理、植物營(yíng)養(yǎng)等學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)重要和活躍的研究領(lǐng)域[8]。C4植物通常比C3植物有更強(qiáng)的光合同化能力，在高溫和缺水環(huán)境中更是如此，但在低溫條件下，后者的光合優(yōu)勢(shì)更明顯。因此，如何增強(qiáng)C4植物的低溫光合耐受力長(zhǎng)期以來(lái)一直是植物光合生理生態(tài)研究的重要問(wèn)題。近二十多年來(lái)，隨著光合氣體交換和葉綠素?zé)晒獾燃夹g(shù)的突破性進(jìn)展，C4植物低溫光合生理生態(tài)機(jī)制獲得一些新認(rèn)識(shí)：低溫下C4植物量子效率明顯低于C3植物[9]，加之C4光合酶對(duì)低溫敏感[10]，更易遭受低溫光抑制[11-12]，整體光合效率低于C3植物；C4植物低溫光合表現(xiàn)種間差異大，耐受機(jī)制也有差異[13]，需結(jié)合特定環(huán)境開展相應(yīng)的研究。如前所述，多胺具有活性高、功能多、成本低等優(yōu)勢(shì)，是植物內(nèi)生調(diào)節(jié)物質(zhì)選擇時(shí)優(yōu)先考慮對(duì)象之一?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】多胺對(duì)植物抗寒(冷)性的作用效果因植物種類的不同表現(xiàn)出明顯差異，例如多胺可以增強(qiáng)一些植物的抗冷能力[14-15]，但對(duì)部分植物卻沒(méi)有效果[16]。生產(chǎn)實(shí)踐中使用的多胺通常包括腐胺、精胺和亞精胺，植物體經(jīng)代謝反應(yīng)可以從腐胺得到精胺和亞精胺。鑒于果蔗方面鮮見多胺抗冷(寒)性效果的報(bào)道，另外考慮到甘蔗中95 %以上的干物質(zhì)來(lái)源于光合作用，因此本研究側(cè)重于拔地拉低溫光合對(duì)外源腐胺的響應(yīng)研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】探尋低溫條件下外施腐胺對(duì)拔地拉光合作用的作用效果和機(jī)制，為C4植物低溫光合抗性研究提供新資料，為果蔗生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)選用提供新參考，同時(shí)也為果蔗抗性栽培和育種措施的制定提供理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以黑皮果蔗拔地拉為材料，選取中上部芽體完好莖段，單芽種植于塑料花盆中(直徑15 cm)，再置于培養(yǎng)箱內(nèi)28 ℃ /20 ℃(白天/夜間)，85 %相對(duì)濕度下萌發(fā)出苗。待所有幼苗第1片完全葉長(zhǎng)出后開啟人工白光光源，葉片表面平均光量子通量密度(PPFD)為700 μmol m-2s-1，光周期11 h，溫度調(diào)節(jié)為25 ℃/20 ℃，相對(duì)濕度下調(diào)至70 %。至所有幼苗均長(zhǎng)出4片完全展開葉時(shí)分為3組，每組5～10株。第1組為對(duì)照，一直保持在上述環(huán)境條件下繼續(xù)生長(zhǎng)8 d；第2組為低溫處理組，在7 ℃/4 ℃生長(zhǎng)4 d，其他環(huán)境條件同上，然后緩慢升溫至25 ℃/20 ℃生長(zhǎng)4 d，其他環(huán)境條件同上；第3組為腐胺結(jié)合低溫處理，即在低溫處理前用1 mmol L-1腐胺噴施于拔地拉苗葉片上，以葉片上下表面水滴均勻附著不下滴為度，轉(zhuǎn)入低溫處理時(shí)生長(zhǎng)條件同第2組。此外，在第3組噴施腐胺的同時(shí)，第1～2組需噴施清水處理。上述處理后的第5和8天，每組選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株3～5株測(cè)定+ 1葉的光合參數(shù)。整個(gè)試驗(yàn)從頭重復(fù)2次，數(shù)據(jù)取2次重復(fù)的平均值。

1.2 光合氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

蔗苗經(jīng)常溫和冷適應(yīng)處理后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)夜晚的暗適應(yīng)，于第二天早上5: 30和8: 00用于測(cè)定。早上5: 30 用2臺(tái)LI-6400 (LI-Cor公司，美國(guó)) 光合測(cè)定系統(tǒng)儀 (帶LCF 熒光探頭，LI-6400-40) 測(cè)定最小初始熒光Fo和最大熒光Fm等參數(shù)，儀器自動(dòng)計(jì)算Fv/Fm。早上8: 00 對(duì)照植株葉片在LED植物冷光源 (上海三澎機(jī)電有限公司) (PPFD，2000 μmol m-2s-1，紅光/藍(lán)光小燈數(shù)量組成為8∶1) 下活化25～30 min，低溫適應(yīng)處理植株活化45～75 min，氣孔導(dǎo)度穩(wěn)定后測(cè)定熒光光響應(yīng)曲線和Ci-Pn響應(yīng)曲線。光合氣體交換參數(shù)和熒光參數(shù)同時(shí)測(cè)量。所用PPFD 梯度為2000、1600、1200、800、500、300、150、100、50、25 和0 μmol m-2s-1；最小等待時(shí)間為2 min，最大等待時(shí)間為5 min；葉室測(cè)定溫度分別控制為(20 ± 1)℃；藍(lán)光吸收系數(shù)為0.92，紅光吸收系數(shù)0.87。Ci-Pn響應(yīng)曲線CO2濃度梯度為400、300、200、100、50、400、400、600、800、1000和1200 μmol L-1，光照條件為2000 μmol m-2s-1，溫度條件同上。測(cè)定完畢后，儀器自動(dòng)記錄的部分熒光參數(shù)需重新計(jì)算。PSⅡ?qū)嶋H電子傳遞量子效率ΦPSⅡ= (Fm′-Fs)/Fm′，公式中Fm′和Fs均為儀器測(cè)定值[17]；碳同化量子效率ΦCO2= (Pn-Rd)/(PPFD·а)[18]，其中，Pn為凈光合速率，Rd為光下暗呼吸速率，其值為光響應(yīng)曲線和縱坐標(biāo)的交叉點(diǎn)之值，а為吸光系數(shù)，其值取0.89(用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)大批量測(cè)定所獲平均值)；光化學(xué)淬滅系數(shù)qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′) ，其中，F(xiàn)m′、Fs和Fo′ 均為儀器測(cè)定值[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013和Sigmaplot 12.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫及其結(jié)合腐胺處理對(duì)拔地拉最大(潛在)光化學(xué)效率的影響

低溫處理前3組拔地拉均表現(xiàn)出穩(wěn)定的最大光化學(xué)效率 (Fv/Fm) 值，無(wú)光抑制跡象(圖1)。和常溫對(duì)照組相比，低溫處理3 d后，低溫處理組和低溫結(jié)合腐胺處理組Fv/Fm急劇下降，表現(xiàn)出明顯的光抑制，二者Fv/Fm的平均值雖有明顯差異，但低溫處理組標(biāo)準(zhǔn)差較大，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，低溫處理組和低溫結(jié)合腐胺處理組Fv/Fm值沒(méi)有顯著差異。低溫處理結(jié)束后逐步回升至常溫條件，經(jīng)4 d適應(yīng)后低溫處理組及低溫結(jié)合腐胺處理組Fv/Fm值基本恢復(fù)到對(duì)照組的水平，三者無(wú)顯著差異。

2.2 低溫及其結(jié)合腐胺處理對(duì)拔地拉光響應(yīng)曲線特征的影響

常溫下，拔地拉幼苗光響應(yīng)曲線顯示出典型的C4光合特性 (圖2)，沒(méi)有明顯的光飽和點(diǎn)，光補(bǔ)償點(diǎn)低。從發(fā)育的角度看，成熟的+1葉經(jīng)過(guò)8 d的生長(zhǎng)，其光合凈同化能力 (Pn) 沒(méi)有明顯變化，表明其光合特性已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定。低溫處理后，葉片Pn大幅下降，光響應(yīng)曲線趨于平緩，光補(bǔ)償點(diǎn)降低 (數(shù)值未顯示)，冷敏性明顯。在低光下，低溫結(jié)合腐胺處理和低溫單獨(dú)處理相比，二者光響應(yīng)曲線沒(méi)有明顯差別；在高光下，雖然兩者Pn絕對(duì)值差別不大，但后者隨光強(qiáng)梯度變化趨勢(shì)明顯優(yōu)于前者，顯示出更強(qiáng)的高光耐受能力。低溫處理的蔗株經(jīng)4 d常溫恢復(fù)，Pn值和對(duì)照相比，仍有一定差別，部分光合機(jī)構(gòu)很可能已經(jīng)受到破壞，仍未完全修復(fù)；和低溫單獨(dú)處理相比，腐胺結(jié)合低溫處理Pn恢復(fù)狀況優(yōu)勢(shì)明顯 (圖2)。

圖1 常溫、4 ℃低溫處理4 d及常溫恢復(fù)4 d條件下黑皮果蔗拔地拉凌晨最大光化學(xué)量子效率變化狀況Fig.1 Changes of predawn maximal photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm) in the chewing cane Badila under normal, chilling stress and recovery from chill conditions for detail see materials and methods

2.3 低溫及其結(jié)合腐胺處理對(duì)拔地拉Ci-Pn響應(yīng)曲線特征的影響

和光響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)相似，常溫下拔地拉葉片Ci-Pn響應(yīng)曲線表現(xiàn)出典型的C4植物特征，CO2補(bǔ)償點(diǎn)低 (圖3)，表明其光呼吸微弱。發(fā)育對(duì)葉片Ci-Pn響應(yīng)曲線的影響不明顯。和對(duì)照相比，低溫處理后CO2補(bǔ)償點(diǎn)略有提高 (數(shù)值未顯示)，但CO2飽和點(diǎn)大幅下降，超過(guò)CO2補(bǔ)償點(diǎn)后的各Ci梯度下Pn值均大幅下降；腐胺結(jié)合低溫處理和低溫單獨(dú)處理相比，葉片Ci-Pn響應(yīng)曲線特征相似，CO2補(bǔ)償點(diǎn)差別不大，CO2飽和點(diǎn)略有提高，Pn值有一定程度的增加，但差異不顯著。經(jīng)4 d常溫恢復(fù)處理，低溫單獨(dú)處理和腐胺結(jié)合低溫處理蔗株CO2飽和點(diǎn)和對(duì)照比仍有一定差別，腐胺結(jié)合低溫處理比低溫單獨(dú)處理恢復(fù)狀況更好。

A：常溫下；B低溫下；C:低溫結(jié)束后恢復(fù)，下同A. Normal condition; B. Chilling stress; C. Recovery from chilling stress, the same as below圖2 不同處理?xiàng)l件下拔地拉光響應(yīng)曲線的變化狀況Fig.2 Changes in the light curves in the chewing cane Badila under different conditions

圖3 不同處理?xiàng)l件下拔地拉胞間CO2響應(yīng)曲線的變換狀況Fig.3 Changes in the Ci-Pn curves in the chewing cane Badila under different conditions

2.4 低溫及其結(jié)合腐胺處理對(duì)拔地拉ΦPSII光響應(yīng)曲線特征的影響

光系統(tǒng)II電子傳遞量子效率ΦPSII值在常溫下隨光強(qiáng)的增加呈指數(shù)下降趨勢(shì)，其值在8 d的葉片發(fā)育中變化較小 (圖4)。4 ℃低溫處理后4 d后，即使在低光條件下，ΦPSII值也出現(xiàn)大幅下降，在高光下逐漸下降至接近0；腐胺結(jié)合低溫處理與低溫單獨(dú)處理蔗株葉片ΦPSII值沒(méi)有明顯差異。經(jīng)過(guò)4 d常溫下的恢復(fù)后，腐結(jié)合低溫處理與低溫單獨(dú)處理蔗株葉片ΦPSII值均接近對(duì)照值，前者略優(yōu)于后者。

2.5 低溫及其結(jié)合腐胺處理對(duì)拔地拉NPQ光響應(yīng)曲線特征的影響

葉片NPQ值在常溫下隨光強(qiáng)的增加呈冪函數(shù)增加，8 d的發(fā)育對(duì)其影響不大 (圖5)。與對(duì)照相比，低溫處理后，各個(gè)光強(qiáng)梯度下NPQ值均急劇增加，對(duì)耗散葉片多余激發(fā)能可能起了重要作用；與低溫單獨(dú)處理相比，腐胺結(jié)合低溫處理蔗葉NPQ在低光階段上升緩慢，但在高光下則增幅明顯。經(jīng)4 d常溫恢復(fù)后，低溫處理和腐胺結(jié)合低溫處理蔗葉NPQ均回落，但仍明顯高于對(duì)照，腐胺結(jié)合低溫處理的回落幅度更大 (圖5)。

圖4 不同處理?xiàng)l件下拔地拉光系統(tǒng)II電子傳遞量子效率響應(yīng)曲線的變換狀況Fig.4 Changes in the ΦPSII-PPFD curves in the chewing cane Badila under different conditions

圖5 不同處理?xiàng)l件下拔地拉NPQ響應(yīng)曲線的變換狀況Fig.5 Changes in the NPQ-PPFD curves in the chewing cane Badila under different conditions

圖6 不同處理?xiàng)l件下拔地拉CO2量子效率響應(yīng)曲線的變換狀況Fig.6 Changes in the ΦCO2-PPFD curves in the chewing cane Badila under different conditions

2.6 低溫及其結(jié)合腐胺處理對(duì)拔地拉ΦCO2響應(yīng)曲線特征的影響

拔地拉葉片CO2同化量子效率ΦCO2常溫下隨光強(qiáng)的增加呈指數(shù)衰減(圖6)，和ΦPSII的變化趨勢(shì)相似(圖4)，同樣，發(fā)育對(duì)ΦCO2值的影響不明顯。低溫處理后，ΦCO2值也是大幅下降；腐胺結(jié)合低溫處理與低溫單獨(dú)處理相比，ΦCO2值差異不明顯。常溫恢復(fù)4 d處理后，低溫單獨(dú)處理和腐胺結(jié)合低溫處理葉片ΦCO2值沒(méi)有明顯差異，兩者均接近完全恢復(fù)狀態(tài)。

3 討 論

從低溫處理前后光合氣體交換參數(shù)值和葉綠素?zé)晒鈪?shù)值的變化狀況看，拔地拉表現(xiàn)出明顯的光合冷敏性。如前所述，拔地拉是熱起源原種，沒(méi)有抗冷的遺傳基礎(chǔ)，其光合機(jī)構(gòu)也未能幸免。國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于冷敏植物光合特性的報(bào)道，低溫可以影響光合機(jī)構(gòu)從光能吸收轉(zhuǎn)化、電子傳遞、碳同化到光合產(chǎn)物輸出的所有過(guò)程[17-19]，本研究發(fā)現(xiàn)低溫下拔地拉的光化學(xué)效率、電子傳遞量子效率及碳同化能力都有所下降，與前人試驗(yàn)結(jié)果相符。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，低溫下拔地拉光補(bǔ)償點(diǎn)降低，表明其利用弱光的能力增強(qiáng)，而從光化學(xué)效率大幅下降和低溫解除經(jīng)一段時(shí)間恢復(fù)后光響應(yīng)曲線未完全復(fù)原的情況看，光合機(jī)構(gòu)的天線系統(tǒng)及2個(gè)光系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系很可能有一定程度的調(diào)節(jié)，當(dāng)然這還需要進(jìn)一步用生物物理和生物化學(xué)的手段加以驗(yàn)證。從低溫前后Ci-Pn曲線的變化狀況分析，低溫嚴(yán)重削弱了Rubisco酶的羧化效率，對(duì)RuBP的再生影響也較大，而對(duì)磷再生限制的影響較小。從這些結(jié)果看，顯然低溫影響到光合酶的活性。也有關(guān)于其它一些冷敏感植物在低溫下光合酶活性急劇降低的報(bào)道[20-22]，這是其低溫光抑制產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。如甘蔗在干旱等逆境脅迫下光抑制造成光系統(tǒng)損傷[23]，低溫光抑制對(duì)拔地拉極可能有類似影響。拔地拉為了應(yīng)付低溫光抑制，其NPQ值在低溫各個(gè)光梯度下都大幅增加，彌補(bǔ)了低活性的光化學(xué)途徑耗散光合機(jī)構(gòu)多余激發(fā)能較少的不足，這個(gè)結(jié)果也進(jìn)一步印證了前述低溫下光合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)調(diào)整的假設(shè)。

與單獨(dú)低溫處理的結(jié)果相對(duì)比，腐胺結(jié)合低溫處理除了對(duì)ФPSII影響很小外，對(duì)其它光合參數(shù)值都有不同程度的提升，表明外源腐胺可增強(qiáng)拔地拉對(duì)低溫的抗性。分析這些結(jié)果，不難看出，低溫下腐胺的影響主要表現(xiàn)在碳同化方面，而不在電子傳遞上，該結(jié)果與其他植物中降低電子傳遞速率的報(bào)道相反[24]，可能與植物種類的特異性有關(guān)，需進(jìn)一步研究。有研究指出，逆境條件下，多胺可以和部分光合酶如Rubisco酶結(jié)合后增強(qiáng)其穩(wěn)定性[25]，這極可能是腐胺在低溫下維持和提升甘蔗碳同化效率的主要機(jī)制。也有報(bào)道指出，逆境下多胺可以維持抗氧化酶的穩(wěn)定，增加抗氧化酶活性[26]，間接增進(jìn)光合效率。從本研究結(jié)果中電子傳遞量子效率和CO2同化量子效率的變化趨勢(shì)看，這種方式可能不是果蔗中腐胺作用的主要機(jī)制。

腐胺結(jié)合低溫處理對(duì)拔地拉最顯著的效果是促進(jìn)了低溫解除后光合效能的及時(shí)恢復(fù)，其它植物中類似報(bào)道還較少。從機(jī)制上分析，低溫期間腐胺對(duì)光合器官及其組織結(jié)構(gòu)完整性的維護(hù)，對(duì)光合酶活性的穩(wěn)定等都有利于光合效能的保持，因此在低溫解除后具有相對(duì)光合優(yōu)勢(shì)。此外，多胺是否對(duì)低溫期間光合機(jī)構(gòu)的滲透調(diào)節(jié)和氣孔開閉也起到一定的作用還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。低溫期間腐胺處理對(duì)電子傳遞和光能耗散作用并不明顯，因此對(duì)急劇低溫和霜凍后強(qiáng)光引起的低溫光抑制效果可能并不理想，而在冬季自然溫度逐步降低時(shí)使用腐胺效果可能更好，甘蔗生產(chǎn)中使用多胺時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的低溫情況進(jìn)行綜合考慮。

4 結(jié) 論

外施腐胺對(duì)拔地拉低溫光合性能有一定程度的穩(wěn)定作用，且能夠明顯增強(qiáng)其碳同化能力，更重要的是，外施腐胺可以明顯加速低溫解除后拔地拉光合性能的恢復(fù)。該研究結(jié)果對(duì)果蔗栽培措施的制定和栽培策略的選擇有理論參考價(jià)值，對(duì)果蔗低溫抗性能力的提高提供了一種有潛力的參考調(diào)控方式。