硅對低溫脅迫后檀香紫檀苗木生長和光合生理的影響

徐呈祥, 馬艷萍, 旦書艷, 鄒燕, 陳玉林, 余順敏

?

硅對低溫脅迫后檀香紫檀苗木生長和光合生理的影響

徐呈祥, 馬艷萍, 旦書艷, 鄒燕, 陳玉林, 余順敏

(肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

為探究硅(Si)對檀香紫檀()抗寒性的影響，對1年生苗木施Si后經(jīng)(–3±0.5)℃脅迫24 h恢復(fù)栽培90 d的生長、葉片光合參數(shù)和4種碳同化關(guān)鍵酶活性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，施Si的檀香紫檀苗木發(fā)育健壯，抗寒性提高，顯著促進(jìn)低溫脅迫后的生長恢復(fù)；施Si顯著抑制低溫脅迫導(dǎo)致的檀香紫檀苗木葉綠素含量降低和葉綠素a/b減小，促進(jìn)表觀光合電子傳遞速率(ETR)、實(shí)際光量子效率Y(Ⅱ)和PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)，降低PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)和非光化學(xué)熒光淬滅(NPQ)；施Si提高受低溫脅迫檀香紫檀苗木的光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和水分利用效率(WUE)；施Si的檀香紫檀苗木在低溫脅迫后，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)、果糖-1,6-二磷酸酶(FBP)、果糖-1,6-二磷酸醛縮酶(Ald)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性顯著提高。適量施Si有利于保持低溫脅迫下苗木光合膜結(jié)構(gòu)的完整性和生理功能的穩(wěn)定性，是提高檀香紫檀苗木抗寒性、有效應(yīng)對低溫脅迫的營養(yǎng)管理措施。

檀香紫檀；抗寒性；硅；碳同化

檀香紫檀()是蝶形花科(Papilionaceae)紫檀屬喬木，是《瀕危野生動(dòng)植物物種國際貿(mào)易公約》和《世界自然保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄》中的瀕危級(jí)植物種，自然分布在熱帶原始森林，主產(chǎn)印度卡納塔克邦、安得拉邦及緬甸聯(lián)邦[1]。這些國家和地區(qū)，不僅對檀香紫檀木材嚴(yán)格限制出口，對其種子的管制也十分嚴(yán)厲。在中國紅木國家標(biāo)準(zhǔn)中，檀香紫檀心材是唯一被稱為“紫檀木”的木材，位居第一，十分珍貴[2]。中國沒有檀香紫檀自然分布，目前僅在海南島有少量引種栽培,表現(xiàn)優(yōu)良，值得在熱帶南亞熱帶地區(qū)推廣[3–4]，但較長時(shí)間的0℃低溫即可對其產(chǎn)生顯著傷害[5]。

硅(Si)是地殼中僅次于氧(O)的第2大化學(xué)元素,在自然界的存在形式主要是氧化物和硅酸鹽, 以SiO2及類似化合物最穩(wěn)定，溶解度很低。雖然土壤中SiO2含量達(dá)50%~70%，但植物可利用的Si主要是H4SiO4，在土壤中的含量很低[6–7]。通常認(rèn)為Si是植物的有益元素，目前只在硅藻門(Bacillario- phyta)、禾本科(Gramineae)、木賊科(Equisetaceae)等少數(shù)植物中認(rèn)定Si是必需的礦質(zhì)元素[8]。導(dǎo)致這種情形的主要原因在于無法創(chuàng)造無Si環(huán)境，即使純度極高的水也含一定量Si。越來越多的研究表明，植物對Si的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)是一個(gè)主動(dòng)過程，植物體內(nèi)存在Si大量涌入的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[9–11]；植物對Si的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)存在主動(dòng)和被動(dòng)過程，相對重要性取決于植物種類和供Si濃度[12–13]；Si參與植物的許多生理活動(dòng)和代謝作用，對植物生理生態(tài)具重要功能[14]。施Si可改善一些植物的葉片著生方式和冠層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)莖稈機(jī)械強(qiáng)度、降低倒伏率[15–16]，緩解金屬及類金屬離子毒害[17–18], 緩解鹽脅迫[19–21]，增強(qiáng)抗旱性[22]、抗病性[23–24]和抗蟲性[25–26]。施Si也促進(jìn)一些植物生殖器官的形成和發(fā)育，從而提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和質(zhì)量[27–28]。

有關(guān)改善Si營養(yǎng)在提高植物抗寒性中的作用研究很少，如短期低溫脅迫下Si與抗寒性不同的兩個(gè)小麥()品種若干生理參數(shù)的響應(yīng)特性[29–30]，以及Si對低溫脅迫下黃瓜()生長抑制的緩解作用[31]。低溫脅迫是限制我國引種栽培紅木樹種的關(guān)鍵生態(tài)因子[32]。為探究施Si對檀香紫檀抗寒性的影響，基于前期的相關(guān)研究，本文設(shè)計(jì)4種施Si量，研究了Si對(-3±0.5)℃脅迫24 h (模擬南亞熱帶地區(qū)較重的寒凍災(zāi)害)后檀香紫檀苗木生長恢復(fù)、葉片光合速率及碳同化相關(guān)酶活性等生理參數(shù)的影響，為幼林階段的抗寒營養(yǎng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料培養(yǎng)

試驗(yàn)用檀香紫檀苗木為實(shí)生苗，種子采自海南熱帶植物園，穴播，出苗率為6.5% (30 d，依翅果個(gè)數(shù)計(jì))，培育至10月齡(自播種后30 d始)時(shí)移入塑料盆中栽植。栽培基質(zhì)為耕作土+150 g kg–1草炭+ 50 g kg–1河沙，含有機(jī)質(zhì)17.2 g kg–1，速效氮、速效磷、速效鉀分別為55.6、32.5和115.8 mg kg–1, pH 6.5。6月上旬完成盆栽，每盆裝7.5 kg (干質(zhì)量為5.85 kg)基質(zhì)。栽植后，每盆分別追施尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀0.3、0.2和0.25 g kg–1。溫室中盆栽60 d后施Si處理。

以K2SiO3·H2O為Si源，設(shè)計(jì)4種施Si量：0、0.75、1.50、2.25 mmol kg–1，由K2SiO3·H2O引入的鉀(K)量從硫酸鉀中扣除。施Si后培養(yǎng)180 d進(jìn)一步選擇苗木，在低溫室中(光強(qiáng)150mol m–2s–1,照光時(shí)間10 h d–1)進(jìn)行24 h (–3±0.5)℃低溫脅迫。每處理20株，3次重復(fù)。達(dá)到(–3±0.5)℃前的降溫過程是10℃ 24 h、5℃ 48 h、1℃ 12 h，低溫脅迫結(jié)束后運(yùn)回溫室前的升溫過程是1℃ 12 h、5℃ 48 h、10℃ 24 h。以不施Si不經(jīng)低溫脅迫為對照。

1.2 方法

低溫脅迫前，測定各處理苗木的株高、地徑、葉片數(shù)量和形態(tài)參數(shù)，對葉片表面超微形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。低溫脅迫結(jié)束后，在溫室中繼續(xù)培育90 d (苗木整體上明顯恢復(fù))，再次測量各處理苗木的株高、地徑、葉片數(shù)量和形態(tài)參數(shù)，測定各處理苗木葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)和氣體交換參數(shù)及4種碳同化關(guān)鍵酶的活性(3次重復(fù))。

葉表面超微結(jié)構(gòu)觀察 用鋒利刀片切取葉片主脈基部2 mm×2 mm的部分，用2.5%戊二醛于4℃冰箱中固定3 h，用0.1 mol L–1磷酸緩沖液(pH 6.8)沖洗3次(每次10 min)，分別用50%、70%、80%、90%乙醇脫水(每次15 min)，用無水乙醇脫水3次(每次15 min)，純叔丁醇浸滲15 min，真空冷凍干燥，SU8010型冷場發(fā)射掃描電鏡，最大加速電壓15.00 kV，樣品傾斜0°，樣品與探針間呈35°[33]。

葉片光合色素含量測定 每處理選擇3片葉,蒸餾水清洗表面。避開中央葉脈，在葉片中部用直徑9 mm打孔器取6個(gè)葉圓片，稱重后置15 mL試管中，用10 mL 80%丙酮和無水乙醇混合液(1∶1)在25℃室溫下避光浸提24 h，至葉圓片完全變白后分別測量663、645、440 nm處的光密度值，計(jì)算葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量[34–35]。

葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定 采用OS1P型調(diào)制熒光儀。非化學(xué)淬滅(NPQ)模式，測定時(shí)間每次1 min，每處理測試5株，每株測試4片葉。設(shè)備自動(dòng)計(jì)算表觀電子傳遞速率[ETR=Y(II)×PAR× 0.84×0.5]，非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)(NPQ=Fm/Fm?? 1), Y(II)=(Fm???/m?)，PSII調(diào)節(jié)性能量耗散比例[Y(NPQ)=F?/Fm??F?/Fm]，及PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散比例[Y(NO)=F?/m]，式中，Y(II)為PSII實(shí)際光化學(xué)效率，PAR為光合有效幅射，F(xiàn)m為最大熒光，F(xiàn)m?為光下最大熒光，F(xiàn)?為實(shí)際熒光。

葉片氣體交換參數(shù)測定 采用LI-6400型便攜式光合作用測定儀。于上午9:30–11:30，下午2:00–4:00測量，每處理測5株，每株測4片葉, 測定葉片凈光合速率(Pn,mol m–2s–1)、氣孔導(dǎo)度(Gs, mol m–2s–1)、胞間CO2濃度(Ci,mol mol–1)、蒸騰速率(Tr, mmol m–2s–1)。氣孔限制值(Ls, %)=1-Ci/Ca× 100，水分利用效率(WUE,mol mmol–1)=Pn/Tr, 式中，Ca為大氣CO2濃度。

Rubisco (RuBP羧化酶)活性測定 參照Liley等[36]的方法。研磨液為33 mmol L–1Tris-HCl (pH 7.5)緩沖液，內(nèi)含0.67 mmol L–1Na2-EDTA,33 mmol L–1MgCl2和10 mmol L–1NaHCO3。反應(yīng)體系含100 mmol L–1Tris-HCl (pH 8.0)，2 mmol L–1Na2-EDTA，20 mmol L–1MgCl2，10 mmol L–1DTT，10 mmol L–1ATP，0.4 mmol L–1NADH，140 mmol L–1NaHCO3，1 U 3-磷酸甘油激酶，2.5 U 3-磷酸甘油醛脫氫酶，0.06 mmol L–1RuBP和25L酶液。在340 nm處檢測3 min內(nèi)吸光值的變化。

果糖-1,6-二磷酸酶(FBP)活性測定 用酶聯(lián)免疫試劑盒法測定。研磨液為50 mmol L–1Tris-HCl (pH 8.0)緩沖液，內(nèi)含100 mmol L–14-羥乙基哌嗪乙磺酸鈉。12 000×離心提取液5 min，上清液在340 nm處檢測1 min內(nèi)吸光值的變化。

果糖-1,6-二磷酸醛縮酶(Ald)活性測定 參照Mustroph等[37]的方法測定。研磨液為50 mmol L–1Tris-HCl (pH 6.8)緩沖液(內(nèi)含5 mmol L–1MgCl2、5 mmol L–1-巰基乙醇、15%甘油、1 mmol L–1EDTA、1 mmol L–1EGTA，0.1 mmol L–1PMSF)。粗提液12 000×離心20 min，取上清液在4℃下透析24 h獲得酶液。透析液組成：10 mmol L–1Tris-HCl (pH 6.8)，1 mmol L–1EDTA。反應(yīng)體系含0.4 mL100 mmol L–1Tris-HCl (pH 7.2，內(nèi)含2 mmol L–1EDTA)、0.1 mL 1.4 mmol L–1NADH、0.1 mL 10 U磷酸丙糖異構(gòu)酶、0.1 mL 10 U NAD-葡萄糖3-磷酸脫氫酶、100L酶液，加入200L 5 mol L–1d-果糖1,6-二磷酸啟動(dòng)反應(yīng)，在340 nm處檢測吸光值。

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性測定 參照Blanke等[38]的方法測定。葉樣0.50 g，加入3 mL預(yù)冷的提取介質(zhì)研磨，濾液在4℃下15 000×離心20 min，上清液為酶粗提液。試管中依次加入反應(yīng)緩沖液1.0 mL，40 mmol L–1PEP，1 mg mL–1NADH (pH 8.9)，10g mL–1蘋果酸脫氫酶(MDH)和酶提取液各0.1 mL，超純水1.5 mL，保溫10 min，在340 nm處測定吸光值(OD0)，加入100 mmol L–1NaCO30.1 mL啟動(dòng)反應(yīng)，每隔20 s測定1次吸光值(OD1)，測定3 min內(nèi)吸光值的變化。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Office Excel 2013軟件進(jìn)行用平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算及作圖，用鄧肯氏(Duncan’s)新復(fù)極差法對不同處理平均數(shù)間的差異顯著性進(jìn)行多重比較分析(<0.05)。

2 結(jié)果和分析

2.1 Si對低溫脅迫后苗木生長的影響

隨施Si量增大，苗木株高降低，地徑增大，葉片數(shù)增多，但處理間差異不顯著，均與對照無顯著差異。(–3±0.5)℃低溫脅迫后，未施Si苗木的生長顯著受到抑制，雖經(jīng)歷90 d的恢復(fù)，株高、地徑、葉片數(shù)量均顯著小于對照。但施Si量不同，受低溫脅迫苗木的生長恢復(fù)情況存在差異：施0、0.75 mmol kg–1Si，株高、地徑、葉片數(shù)量均顯著小于對照，且處理間差異顯著；施1.5、2.25 mmol kg–1Si的株高、地徑、葉片數(shù)量均顯著大于前2種處理且與對照均無顯著差異。這表明栽培基質(zhì)中施1.5 mmol kg–1Si即可顯著促進(jìn)檀香紫檀苗木有效抵御低溫脅迫產(chǎn)生的生長抑制(圖1)。

圖1 Si對低溫脅迫后檀香紫檀苗木生長的影響。柱上不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下圖同。

2.2 Si對低溫脅迫后葉片的影響

未施Si苗木，經(jīng)(-3±0.5)℃低溫脅迫后，雖歷經(jīng)90 d的生長恢復(fù)，葉片大小、形態(tài)和質(zhì)量參數(shù)的值仍小于對照。隨施Si量增大，葉長減小，葉寬增大, 葉片長/寬減小，單葉面積、重量和比葉重增大；施1.5、2.25 mmol kg–1Si的差異不明顯(圖2)。掃描電鏡觀察表明，隨施Si量增大，苗木葉片表面由蠟質(zhì)晶體構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯變得比較致密、厚實(shí)(圖3)。

2.3 Si對低溫脅迫后葉片光合色素的影響

不施Si苗木經(jīng)(–3±0.5)℃低溫脅迫后90 d, 葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素a+b、類蘿卜素含量、葉綠素+類蘿卜素和葉綠素a/b均顯著小于對照；施Si處理，葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素a+b、類蘿卜素含量、葉綠素+類蘿卜素和葉綠素a/b均大于不施Si但經(jīng)低溫脅迫的苗木，施1.5 mmol kg–1Si處理的葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素a+b、類蘿卜素含量、葉綠素+類蘿卜素均顯著大于對照，葉綠素a/b則與對照相當(dāng)，進(jìn)一步表明施Si促進(jìn)檀香紫檀苗木生長發(fā)育，提高抗寒性(圖4)。

2.4 Si對低溫脅迫后葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖5可見，不施Si苗木經(jīng)(-3±0.5)℃低溫脅迫后90 d，葉片的葉綠素最大熒光產(chǎn)量(Fm)、表觀光合電子傳遞速率(ETR)、實(shí)際光量子效率[Y(Ⅱ)]和PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散比例[Y(NPQ)]較對照顯著減小, 光損傷的重要指標(biāo)——PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散比例[Y(NO)]和非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)(NPQ)較對照顯著增大。低溫脅迫后90 d，隨施Si量增大，葉片的Fm、ETR、Y(Ⅱ)和Y(NPQ)逐漸增大，而Y(NO)和NPQ逐漸減小，均達(dá)顯著差異?？傮w上，施1.5 mmol kg–1Si的葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)基本上均與未受低溫脅迫苗木的水平相當(dāng)。這表明，提高栽培基質(zhì)可溶性Si含量，可改善檀香紫檀受低溫脅迫苗木的光合電子傳遞速率、光量子效率、光保護(hù)能力和熱耗散能力。

2.5 Si對低溫脅迫后葉片氣體交換狀況的影響

由圖6可見，與對照相比，未施Si苗木經(jīng)(-3± 0.5)℃低溫脅迫后90 d，葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、水分利用效率(WUE)和氣孔限制值(Ls)顯著降低，胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)顯著增大。而施Si顯著改善受低溫脅迫苗木的葉片氣體交換參數(shù)，施1.50 mmol kg–1Si，葉片的Pn、Gs、WUE、Ls、Ci和Tr均與未受低溫脅迫苗木的水平相當(dāng)甚至更大。這說明施Si促進(jìn)受低溫脅迫檀香紫檀苗木葉片的氣孔調(diào)節(jié)能力、光合速率和水分利用效率, 增強(qiáng)其適應(yīng)性(圖6)。

2.6 Si對低溫脅迫后葉片碳同化關(guān)鍵酶活性的影響

圖2 Si對低溫脅迫后檀香紫檀苗木葉片的影響

圖3 施Si對檀香紫檀苗木葉片表面超微結(jié)構(gòu)的影響。A~H: 下表皮, 800×; I~P: 下表皮, 7 000×

未施Si苗木經(jīng)(–3±0.5)℃低溫脅迫后90 d，葉片的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)、果糖-1,6-二磷酸醛縮酶(Ald)、果糖-1,6-二磷酸酶(FBP)及PEP羧化酶(PEPC)活性仍顯著低于對照，分別低39.4%、17.8%、31.2%和40.5%；相反，施Si苗木葉片這些酶的活性均顯著提高，施0.75 mmol kg–1Si苗木葉片的4種酶活性分別提高31.1%、18.3%、19.7%和33.9%，施1.50 mmol kg–1Si的4種酶活性分別提高74.2%、32.2%、45.0%和81.2%，施2.25 mmol kg–1Si的4種酶活性分別提高128.0%、45.6%、56.5%和118.2%，且施1.50 mmol kg–1Si的4種酶活性均與對照無明顯差異(圖7)。

3 討論

生長發(fā)育狀況是植物對脅迫響應(yīng)的綜合表現(xiàn),特別是新梢生長對脅迫程度和持續(xù)時(shí)間往往非常敏感[39]。本文的研究結(jié)果表明，栽培基質(zhì)中可溶性Si含量水平與低溫脅迫后檀香紫檀苗木生長恢復(fù)狀況密切相關(guān)，施Si的苗木生長健壯、發(fā)育良好,顯著提高對低溫脅迫的抗性，且低溫脅迫后恢復(fù)速度快、緩苗期短，在試驗(yàn)中沒有受凍枯梢甚至死亡的苗木，也很少落葉，施Si量達(dá)1.5 mmol kg–1即可獲得與未受低溫脅迫苗木相當(dāng)或更好的生長發(fā)育狀況。這對檀香紫檀幼齡苗木抗寒性提高及冬季露地栽培中的營養(yǎng)管理具實(shí)踐意義。

圖4 施Si對低溫脅迫后檀香紫檀葉片光合色素的影響

圖5 施Si對低溫脅迫后檀香紫檀苗木葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響。Fm: 最大熒光; ETR: 表觀電子傳遞速率; NPQ: 非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù); Y(II): PSII實(shí)際光化學(xué)效率; Y(NPQ): PSII調(diào)節(jié)性能量耗散比例; Y(NO): PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散比例。

圖6 Si對低溫脅迫后檀香紫檀苗木葉片氣體交換參數(shù)的影響。Pn: 凈光合速率; Gs: 氣孔導(dǎo)度; Ci: 胞間二氧化碳濃度; Tr: 蒸騰速率; WUE: 水分利用效率; Ls: 氣孔限制值。

低溫脅迫對植物光合作用的影響首先是由于低溫直接影響葉綠素合成、光合器官的結(jié)構(gòu)和活性，同時(shí)也影響植物的其他生理過程, 從而間接抑制光合作用，引起水分脅迫、氣孔對CO2擴(kuò)散阻力增大、光合產(chǎn)物運(yùn)輸受阻等。低溫脅迫下，植物的葉綠體色素降解、光合速率明顯下降、蒸騰作用加強(qiáng)、氣孔導(dǎo)度減小、胞間CO2濃度升高、氣孔限制值減小、光合水分利用效率降低[40]。本研究結(jié)果與此一致, 但即使是低溫脅迫后很長時(shí)間，低溫脅迫對檀香紫檀苗木葉片光合作用的影響仍很顯著。這可能是由于低溫脅迫對葉片葉綠體結(jié)構(gòu)破壞，造成葉片光合器官損傷、光合色素降解或合成能力不足所致, 但栽培基質(zhì)中施Si處理的檀香紫檀苗木所受抑制顯然輕得多或基本不受影響，暗示良好的Si營養(yǎng)有利于保護(hù)低溫脅迫下光合器官結(jié)構(gòu)與功能的完整性、穩(wěn)定性。

有研究表明，低溫脅迫使植物葉綠素含量明顯降低，幼嫩葉片易發(fā)生失綠或黃化，且Chl a的敏感性遠(yuǎn)超過Chl b；Chl a/b越小，類囊體垛疊程度越小，光抑制程度越強(qiáng)[41–42]。本文的結(jié)果表明，低溫脅迫后檀香紫檀葉片的Chl a、Chl b含量及Chl a/b均發(fā)生顯著改變，縱使恢復(fù)90 d后仍顯著低于未受脅迫苗木。Chl a主要存在于PSⅠ、PSⅡ核心復(fù)合物及天線色素中，Chl b是兩個(gè)光系統(tǒng)的天線組成成分，低溫脅迫后檀香紫檀葉片Chl a、Chl b含量降低，表明其兩個(gè)光系統(tǒng)的核心復(fù)合物和外周天線均受到損傷，導(dǎo)致光能的吸收和傳遞等受到影響，引起光合速率下降，但施Si處理明顯減緩檀香紫檀葉片葉綠體色素和Chl a/b的下降，促進(jìn)ETR、Y(Ⅱ)和Y(NPQ)、減緩Y(NO)和NPQ，表明一定水平的Si營養(yǎng)有利于保護(hù)低溫脅迫下光合色素代謝的穩(wěn)定性，減小低溫對葉片兩個(gè)光合系統(tǒng)復(fù)合物和外周天線以及類囊體垛疊程度的損傷程度[9]。

圖7 Si對低溫脅迫后檀香紫檀苗木葉片碳同化4種關(guān)鍵酶活性的影響。Rubisco: 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶; FBP: 果糖-1,6-二磷酸酶; Ald: 果糖-1,6-二磷酸醛縮酶; PEPC: 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。

光合作用是植物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。檀香紫檀屬C3植物，碳同化關(guān)鍵酶有Rubisco、PEP羧化酶[43]、FBP和Ald。有研究表明，Rubisco含量和活性對光合作用中葉肉導(dǎo)度限制起主導(dǎo)作用，在低溫脅迫下其活性降低程度與光合效率降低呈正相關(guān)。FBP催化水解果糖-1,6-二磷酸，其活性強(qiáng)弱直接影響碳水化合物累積和光合效率[44]。Ald可催化卡爾文循環(huán)中三碳化合物轉(zhuǎn)化為六碳化合物，是碳同化過程中重要的限速酶[45]。在本研究中，檀香紫檀苗木經(jīng)受零下低溫脅迫24 h后在溫室恢復(fù)90 d，未施Si苗木4種碳同化關(guān)鍵酶活性仍顯著低于未脅迫苗木, 而施Si苗木的4種碳同化關(guān)鍵酶活性均顯著高于未施Si苗木，這與葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)和氣體交換參數(shù)的變化趨勢一致，表明施Si能增強(qiáng)檀香紫檀葉片對CO2的固定能力、同化效率和光合電子傳遞速率,有利于同化力(NADPH和ATP)積累和糖酵解代謝，增強(qiáng)光能利用率，緩解產(chǎn)物反饋抑制，加速卡爾文循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。

綜上所述，適量施Si顯著促進(jìn)檀香紫檀苗木健壯發(fā)育和低溫脅迫后的生長恢復(fù)，是提高苗木抗寒性、應(yīng)對低溫脅迫的有效營養(yǎng)管理措施，其作用機(jī)理之一可能是Si介導(dǎo)低溫脅迫下苗木光合膜結(jié)構(gòu)的完整性及其生理功能的穩(wěn)定性。華南地區(qū)和云南南部地處南亞熱帶或熱帶北緣，冬季易受低溫寒潮侵襲，在珍貴紅木樹種檀香紫檀引種栽培中加強(qiáng)林地營養(yǎng)管理很必要。為此，可積極施用Si肥，包括枸溶性Si肥和硅酸鹽微生物菌劑，施用大量元素化肥與施用Si肥相結(jié)合，或栽植時(shí)適量配施腐熟的稻殼、稻殼粉、稻草粉、甘蔗渣或稻殼灰，既有效提高林地可溶性Si水平，又顯著改善土壤有機(jī)質(zhì)含量和理化性質(zhì)。

[1] JIANG X M, YIN Y F, LIU B. The list of wood species protected and controlled by the CITES [J]. China Wood Ind, 2010, 24(5): 36–38. doi: 10.3969/j.issn.1001-8654.2010.05.011.姜笑梅, 殷亞方, 劉波. 《瀕危野生動(dòng)植物種國際貿(mào)易公約》保護(hù)與管制木材種類的詮釋 [J]. 木材工業(yè), 2010, 24(5): 36–38. doi: 10. 3969/j.issn.1001-8654.2010.05.011.

[2] General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China, Standardization Admini- stration of the People’s Republic of China.GB/T 18107–2017 Hongmu [S]. Beijing: China Standard Press, 2017.中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 18107–2017 紅木 [S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2017.

[3] ZENG J, CHEN Q D, LI X M. Introduction totree species in the global tropics and its perspective in China [J]. For Sci Technol, 2000, 16(4): 38–44.曾杰, 陳青度, 李小梅. 世界紫檀屬樹種及其在我國的引種前景 [J]. 廣東林業(yè)科技, 2000, 16(4): 38–44.

[4] XU C X, ZENG J, CUI T C, et al. Introduction, growth performance and ecological adaptability of Hongmu tree species (spp.) in China [J]. J Trop For Sci, 2016, 28(3): 260–267.

[5] CHEN Q D, LI X M, ZENG J. A note on seedling growth of somespecies [J]. For Sci Technol, 2004, 20(1): 47–50. doi: 10. 3969/j.issn.1006-4427.2004.01.012.陳青度, 李小梅, 曾杰. 紫檀屬樹種實(shí)生苗培育技術(shù)的研究 [J]. 廣東林業(yè)科技, 2004, 20(1): 47–50. doi: 10.3969/j.issn.1006-4427.2004. 01.012.

[6] RICHMOND K E, SUSSMAN M. Got silicon? The non-essential beneficial plant nutrient [J]. Curr Opin Plant Biol, 2003, 6(3): 268–272. doi: 10.1016/S1369-5266(03)00041-4.

[7] MA J F, YAMAJI N. Silicon uptake and accumulation in higher plants [J]. Trends Plant Sci, 2006, 11(8): 392–397. doi: 10.1016/j.tplants. 2006.06.007.

[8] EPSTEIN E. Silicon: Its manifold roles in plants [J]. Ann Appl Biol, 2009, 155(2): 155–160. doi: 10.1111/j.1744-7348.2009.00343.x.

[9] MA H, WANG K, WU M D, et al. ORF cloning and bioinformatics analysis of Silicon transporterin[J]. J Hebei Norm Univ (Nat Sci), 2015, 39(4): 345–351. doi: 10.13763/j. cnki.jhebnu.nse.2015.04.012.馬歡, 王凱, 吳妙丹, 等. 毛竹硅轉(zhuǎn)運(yùn)基因的ORF克隆及生物信息學(xué)分析[J]. 河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 39(4): 345–351. doi: 10.13763/j.cnki.jhebnu.nse.2015.04.012.

[10] MA J F, YAMAJI N, MITANI-UENO N. Transport of silicon from roots to panicles in plants [J]. Proc Jpn Acad, Ser B, Phys Biol Sci, 2011, 87(7): 377–385. doi: 10.2183/pjab.87.377.

[11] CHIBA Y, MITANI N, YAMAJI N, et al. HvLsi1 is a silicon influx transporter in barley [J]. Plant J, 2009, 57(5): 810–818. doi: 10.1111/j. 1365-313X.2008.03728.x.

[12] LIANG Y C, SI J, R?MHELD V. Silicon uptake and transport is an active process in[J]. New Phytol, 2005, 167(3): 797– 804. doi: 10.1111/j.1469-8137.2005.01463.x.

[13] EPSTEIN E. The anomaly of silicon in plant biology [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1994, 91(1): 11–17. doi: 10.1073/pnas.91.1.11.

[14] HARTLEY S E, FITT R N, MCLARNON E L, et al. Defending the leaf surface: Intra- and inter-specific differences in silicon deposition in grasses in response to damage and silicon supply [J]. Front Plant Sci, 2015, 6: 35. doi: 10.3389/fpls.2015.00035.

[15] FAN C L, YANG G T, FAN Y Y, et al. Effect of potassium and silicon fertilizer treatments on lodging resistance of hybrid rice Ⅱ You 838 [J]. J Yunnan Univ (Nat Sci), 2015, 37(4): 623–632. doi: 10.7540/j.ynu. 20150061.范存留, 楊國濤, 范永義, 等. 鉀、硅肥處理對雜交水稻Ⅱ優(yōu)838抗倒伏性的作用研究 [J]. 云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 37(4): 623–632. doi: 10.7540/j.ynu.20150061.

[16] CHEN J X, TU N M, YI Z X, et al. Effects of silicon fertilizer on morphology of stem and leaves and lodging resistance in early super hybrid rice [J]. Crop Res, 2011, 25(3): 209–212. doi: 10.3969/j.issn. 1001-5280.2011.03.07.陳健曉, 屠乃美, 易鎮(zhèn)邪, 等. 硅肥對超級(jí)早稻莖葉形態(tài)與抗倒伏特性的影響 [J]. 作物研究, 2011, 25(3): 209–212. doi: 10.3969/j.issn. 1001-5280.2011.03.07.

[17] LIU W J, McGRATH S P, ZHAO F J. Silicon has opposite effects on the accumulation of inorganic and methylated arsenic species in rice [J]. Plant Soil, 2014, 376(1/2): 423–431. doi: 10.1007/s11104-013-1991-7.

[18] EPSTEIN E. Silicon [J]. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 1999, 50: 641–664. doi: 10.1146/annurev.arplant.50.1.641.

[19] XU C X, MA Y P, LIU Y L. Effects of silicon (Si) on growth, quality and ionic homeostasis of aloe under salt stress [J]. S Afr J Bot, 2015, 98: 26–36. doi: 10.1016/j.sajb.2015.01.008.

[20] LEE S K, SOHN E Y, HAMAYUN M, et al. Effect of silicon on growth and salinity stress of soybean plant grown under hydroponic system [J]. Agrofor Syst, 2010, 80(3): 333–340. doi: 10.1007/s10457-010-9299-6.

[21] SHI Y, WANG Y C, FLOWERS T J, et al. Silicon decreases chloride transport in rice (L.) in saline conditions [J]. J Plant Physiol, 2013, 170(9): 847–853. doi: 10.1016/j.jplph.2013.01.018.

[22] ZHU Y X, GONG H J. Beneficial effects of silicon on salt and drought tolerance in plants [J]. Agron Sustain Dev, 2014, 34(2): 455–472. doi: 10.1007/s13593-013-0194-1.

[23] dos SANTOS G R, de CASTRO NETO M D, RAMOS L N, et al. Effect of silicon sources on rice diseases and yield in the State of Tocantins, Brazil [J]. Acta Sci Agron, 2011, 33(3): 451–456. doi: 10. 4025/actasciagron.v33i3.6573.

[24] SUN W C, ZHANG J, FAN Q H, et al. Silicon-enhanced resistance to rice blast is attributed to silicon-mediated defence resistance and its role as physical barrier [J]. Eur J Plant Pathol, 2010, 128(1): 39–49. doi: 10.1007/s10658-010-9625-x.

[25] YE M, SONG Y Y, LONG J, et al. Priming of jasmonate-mediated antiherbivore defense responses in rice by silicon [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2013, 110(38): E3631–E3639. doi: 10.1073/pnas.1305848110.

[26] SIDHU J K, STOUT M J, BLOUIN D C, et al. Effect of silicon soil amendment on performance of sugarcane borer,(Lepidoptera: Crambidae) on rice [J]. Bull Entomol Res, 2013, 103(6): 656–664. doi: 10.1017/S0007485313000369.

[27] MIAO B H, HAN X G, ZHAN W H. The ameliorative effect of silicon on soybean seedlings grown in potassium-de?cient medium [J]. Ann Bot, 2010, 105(6): 967–973. doi: 10.1093/aob/mcq063.

[28] MALI M, AERY N C. Effect of silicon on growth, biochemical consti- tuents, and mineral nutrition of cowpea [J]. Commun Soil Sci Plan Anal, 2009, 40(7/8): 1041–1052. doi: 10.1080/ 00103620902753590.

[29] ZHU J, LIANG Y C, DING Y F, et al. Effect of Silicon on photo- synthesis and its related physiological parameters in two winter wheat cultivars under cold stress [J]. Sci Agric Sin, 2006, 39(9): 1780–1788. doi: 10.3321/j.issn:0578-1752.2006.09.008.朱佳, 梁永超, 丁燕芳, 等. 硅對低溫脅迫下冬小麥幼苗光合作用及相關(guān)生理特性的影響 [J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006, 39(9): 1780–1788. doi: 10.3321/j.issn:0578-1752.2006.09.008.

[30] FAN Q H, SUN W C, LI Z J, et al. Effects of silicon on photosynthesis and its major relevant enzyme activities in wheat leaves under short- term cold stress [J]. Plant Nutri Fert Sci, 2009, 15(3): 544–550. doi: 10.3321/j.issn:1008-505X.2009.03.008.范瓊花, 孫萬春, 李兆君, 等. 硅對短期低溫脅迫小麥葉片光合作用及其主要相關(guān)酶的影響 [J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2009, 15(3): 544–550. doi: 10.3321/j.issn:1008-505X.2009.03.008.

[31] WANG H H, ZHU P F, SHU L Z, et al. Effects of silicon on growth of cucumber seedlings under low temperature stress [J]. Ecol Sci, 2011, 30(1): 38–42. doi: 10.3969/j.issn.1008-8873.2011.01.007.王海紅, 祝鵬飛, 束良佐, 等. 硅對低溫脅迫下黃瓜幼苗生長的影響 [J]. 生態(tài)科學(xué), 2011, 30(1): 38–42. doi: 10.3969/j.issn.1008-8873. 2011.01.007.

[32] XU C X. Research advances of introduction and cultivation of Hongmu tree species in China [J]. World For Res, 2011, 24(6): 65–71. doi: 10. 13348/j.cnki.sjlyyj.2011.06.014.徐呈祥. 中國紅木樹種引種栽培研究進(jìn)展 [J]. 世界林業(yè)研究, 2011, 24(6): 65–71. doi: 10.13348/j.cnki.sjlyyj.2011.06.014.

[33] XU B S, YANG J. Practical Electron Microscope Technology [M]. Nanjing: Southeast University Press, 2008: 93–96.徐柏森, 楊靜. 實(shí)用電鏡技術(shù) [M]. 南京: 東南大學(xué)出版社, 2008: 93–96.

[34] LICHTENTHALER H K. Applications of Chlorophyll Fluorescence in Photosynthesis Research, Stress Physiology, Hydrobiology and Remote Sensing [M]. Boston: Kluwer Academic Publishers, 1988: 129–142.

[35] ARNON D I. Copper enzymes in isolated chloroplasts: Polypheno- loxidase in[J]. Plant Physiol, 1949, 24(1): 1–15. doi: 10. 1104/pp.24.1.1.

[36] LILLEY R M, WALKER D A. An improved spectrophotometric assay for ribulose-bisphosphate carboxylase [J]. Biochim Biophys Acta, 1974, 358(1): 226–229. doi: 10.1016/0005-2744(74)90274-5.

[37] MUSTROPH A, ALBRECHT G. Tolerance of crop plants to oxygen deficiency stress: Fermentative activity and photosynthetic capacity of entire seedlings under hypoxia and anoxia [J]. Physiol Plant, 2003, 117 (4): 508–520. doi: 10.1034/j.1399-3054.2003.00051.x.

[38] BLANKE M M, EBERT G. Phosphoenolpyruvate carboxylase and carbon economy of apple seedlings [J]. J Exp Bot, 1992, 43(252): 965– 968. doi: 10.1093/jxb/43.7.965.

[39] LIU Y L, WANG L J. Responses to salt stress and salt tolerance of plants [M]// Yu S W, Tang Z C. Plant Physiology and Molecular Biology. Beijing: Science Press, 1998: 752–769.劉友良, 汪良駒. 植物對鹽脅迫的響應(yīng)及其耐鹽性 [M]// 余叔文, 湯章城. 植物生理學(xué)與分子生物學(xué). 北京: 科學(xué)出版社, 1998: 752–769.

[40] HUANG W, CAO K F. Photosynthetic acclimation ofandto winter low temperature in a marginal tropical area [J]. Plant Divers Resour, 2014, 36(3): 310–320. doi: 10.7677/ynzwyj201413157.黃偉, 曹坤芳. 幾內(nèi)亞格木和降香黃檀對熱帶北緣地區(qū)冬季低溫的光合適應(yīng) [J]. 植物分類與資源學(xué)報(bào), 2014, 36(3): 310–320. doi: 10. 7677/ynzwyj201413157.

[41] WANG Y R, LIU H X, LI P, et al. The effect of chilling stress on membrane-lipid peroxidation of photosynthetic apparatus in rice seedlings in the dark and light [J]. Acta Phytophysiol Sin, 1986, 12(3): 244–251.王以柔, 劉鴻先, 李平, 等. 在光照和黑暗條件下低溫對水稻幼苗光合器官膜脂過氧化作用的影響 [J]. 植物生理學(xué)報(bào), 1986, 12(3): 244–251.

[42] GRAHAM D, PATTERSON B D. Responses of plants to low, non- freezing temperatures: Proteins, metabolism, and acclimation [J]. Annu Rev Plant Physiol, 1982, 33: 347–372. doi: 10.1146/annurev.pp.33.060 182.002023.

[43] CRAFTS-BRANDNER S J, SALVUCCI M E, EGLI D B. Changes in ribulosebisphosphate carboxylase/oxygenase and ribulose 5-phosphate kinase abundances and photosynthetic capacity during leaf senescence [J]. Photosynth Res, 1990, 23(2): 223–230. doi: 10.1007/BF00035013.

[44] RAINES C A. The Calvin cycle revisited [J]. Photosynth Res, 2003, 75(1): 1–10. doi: 10.1023/A:1022421515027.

[45] HAAKE V, ZRENNER R, SONNEWALD U, et al. A moderate decrease of plastid aldolase activity inhibits photosynthesis, alters the levels of sugars and starch, and inhibits growth of potato plants [J]. Plant J, 1998, 14(2): 147–157. doi: 10.1046/j.1365-313X.1998.00089.x.

Effects of Silicon on Growth and Photosynthetic Physiology of Red Sandalwood Seedlings after Cold Stress

XU Cheng-xiang, MA Yan-ping, DAN Shu-yan, ZOU Yan, CHEN Yu-ling, YU Shun-min

(College of Life Sciences, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, Guangdong, China)

To explore the effect of Si nutrition on cold resistance of red sandalwood (), one-year-old seedlings applied silicon (Si) for 180 d were suffered (–3±0.5)℃ stress for 24 h, and then recovered for 90 d in greenhouse, the growth status, leaf photosynthetic parameters and activities of four key enzymes related carbon assimilation of the seedlings were studied. The results showed that the seedlings applied Si were strong, growth recovery was fast after cold stress, the cold resistance was significantly improved. After applied Si, the decreases of chlorophyll content and Chl a/b of seedlings caused by cold stress were significantly inhibited, the apparent electron transfer rate (ETR), actual photon efficiency Y(Ⅱ) and PSII regulatory energy dissipation Y(NPQ), and reduced the proportion of PSII non-regulated energy dissipation Y(NO) and non-photochemical quenching (NPQ) were all promoted, and the leaf photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs) and water use efficiency (WUE) of red sandalwood seedlings under cold stress increased after applied Si. The activities of four key enzymes related carbon assimilation, such as ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase (Rubisco), fructose- 1,6-phosphatase (FBP), fructose-1,6-bisphosphate aldolase (Ald) and phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), of seedlings applied Si were significantly higher than those of non-applied Si. Therefore, application of the appropriate amount of Si benefits the integrity of photosynthetic membrane structure and stability of physiological functions of seedlings under cold stress, and it is an effective nutrient management measure improving the cold resistance and coping with cold stress of red sandalwood seedlings.

Red sandalwood; Cold resistance; Silicon;Carbon assimilation

10.11926/jtsb.3987

2018-08-29

2018-11-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31270674)資助

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 31270674).

徐呈祥(1963~ )，男，博士后，教授，從事人工林定向培育及生理研究。E-mail: xucx2013@163.com