外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗光合、熒光及抗氧化酶活性的影響

李笑佳，張 倩，張淑英

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】棉花(GossypiumhirsutumL)是世界范圍內(nèi)重要的經(jīng)濟(jì)作物。我國是世界最大的棉花生產(chǎn)國，亦是最大的棉花消費(fèi)國，而新疆是我國最大的產(chǎn)棉區(qū)，新疆主產(chǎn)棉區(qū)中棉花種植面積甚至占耕地面積的70%～80%?？梢?，棉花生產(chǎn)在新疆經(jīng)濟(jì)中占據(jù)非常重要的地位[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球約有 1.0×109hm2的土地存在不同程度的鹽漬化，且世界鹽漬土地面積超過9×108hm2，占陸地面積的 7%[2-3]，其中中國總面積超過3 600×104hm2，占現(xiàn)有耕地的1/4[4]，而鹽脅迫環(huán)境對作物生長發(fā)育會產(chǎn)生一系列不利影響，最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來研究表明，鹽脅迫會引起植物光合作用下降，氣孔關(guān)閉，胞間CO2濃度(Ci)下降，葉綠素含量降低，嚴(yán)重影響植株的生長[5-6]。鹽脅迫降低了棉花幼苗第一片真葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)，使Ci上升[7]。邢慶振等[8]對葡萄幼苗進(jìn)行不同鹽濃度處理發(fā)現(xiàn)，隨脅迫時(shí)間的延長，葡萄幼苗Pn、Tr、Gs均降低,最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)、最大量子產(chǎn)額(Yield)、光合電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)也同時(shí)下降，Ci先降后升，而非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)則逐步上升。硅(Si)是地殼中第二大豐富元素，可提高多種植物對生物脅迫(病、蟲害等)和非生物脅迫(干旱、重金屬、冷害等)的抗性[9]。外源硅可提高鹽脅迫下小麥幼苗葉綠素總量(Chla+b)、葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)含量、Pn及Gs，而使Ci下降、氣孔限制值(Ls)先升后降[10]。外源硅能提高鹽脅迫下加工番茄的Pn和耐鹽能力[11]，緩解鹽脅迫對柳枝稷葉片的傷害，改善葉綠素的構(gòu)成，提高光合氣體交換的能力[12]。鄭世英等[13]研究表明，硅顯著提高了黃瓜葉片抗氧化酶活性，與不施硅鹽脅迫處理相比，超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性以及過氧化氫酶(CAT)活性均有所增加。另外，外源硅處理還可緩解鹽脅迫對黃瓜幼苗光合器官結(jié)構(gòu)和功能的傷害,促進(jìn)黃瓜幼苗生長，有助于增強(qiáng)黃瓜對鹽脅迫的抗性[14]。【本研究切入點(diǎn)】硅對鹽脅迫下作物生長發(fā)育的影響已進(jìn)行了研究(主要集中在硅積累量高的單子葉植物)，但針對雙子葉植物，尤其對硅能否提高棉花抗鹽能力報(bào)道較少。研究外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗光合、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及抗氧化酶活性的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】分析外源硅是否能提高棉花對鹽脅迫的抗性。為外源硅提高棉花幼苗的抗鹽機(jī)制提供理論依據(jù)，為新疆鹽漬土壤地區(qū)棉花高產(chǎn)栽培提供可借鑒的苗期調(diào)控技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2017年4月在石河子大學(xué)試驗(yàn)站溫室內(nèi)進(jìn)行。供試棉花材料為新陸早45號，由石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供；化學(xué)試劑：外源硅(K2SiO3分析純)，營養(yǎng)液預(yù)先配制母液，使用時(shí)稀釋為所需濃度。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試棉花品種為新陸早45號。種子經(jīng)消毒后在(25±1)℃的培養(yǎng)箱內(nèi)催芽，將發(fā)芽一致的種子播種于裝有蛭石的營養(yǎng)缽中育苗，每缽留苗2株。試驗(yàn)在溫室內(nèi)采用盆栽試驗(yàn)的方法，從棉花播種至出苗60 d左右(以棉花苗期為主要研究階段)。試驗(yàn)設(shè)2個(gè)因素，分別為硅(K2SiO3分析純，0、262.3 mg/L)、鹽分(0、100、200 mmol/L)，共6個(gè)處理，用總氮水平為5 mmol/L的營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，各處理設(shè)置3次重復(fù)，每重復(fù)24個(gè)營養(yǎng)缽于一培養(yǎng)箱中。營養(yǎng)液于每日18：00以葉面噴施的方式噴施一次，每處理約1 000 mL，對應(yīng)硅和鹽分在使用時(shí)直接溶于營養(yǎng)液中，出苗12 d后進(jìn)行鹽分處理，18 d后進(jìn)行抗鹽硅處理。營養(yǎng)液中大量元素配方采用略加修改的Hoagland營養(yǎng)液，微量元素參照Hammer et al.(Hammer P Aetal., 1989)的方法配制。出苗60 d左右取棉苗倒三、倒四葉樣品測定各指標(biāo)。表1

表1 試驗(yàn)處理和編號
Table 1 Treatment and serial number of experiment

處理編號鹽分(NaCl)硅(K2SiO3)Ⅰ(CK)00Ⅱ100 mmol/L0Ⅲ200 mmol/L0Ⅳ0262.3 mg/LⅤ100 mmol/L262.3 mg/LⅥ200 mmol/L262.3 mg/L

1.2.2 測定項(xiàng)目

葉綠素含量采用丙酮-乙醇混合法[15]測定；運(yùn)用CIRAS-3便攜式植物光合作用測定儀(美國)測定各處理棉花幼苗葉片的Pn、Tr、Gs、Ci；使用Imagine-PAM調(diào)制熒光儀(德國Walz公司)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)[NPQ(qN)]、PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額[Y(NPQ)]、PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額[Y(NO)]；SOD活性采用氮藍(lán)四唑法[16]測定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚比色法[17]測定，CAT活性采用分光光度計(jì)法[18]測定，每次測定均重復(fù)4次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析用Microsoft Excel 2010軟件，采用SPSS19.0軟件進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(Duncan法)，使用Sigmaplot 1軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量的影響

研究表明，無外源硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)條件下，棉花幼苗Chla含量隨著鹽濃度增大逐漸減少，處理Ⅱ、Ⅲ分別比CK(處理Ⅰ)降低了32.64%、40.02%。棉苗Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素含量與Chla含量變化保持一致。與CK相比，處理Ⅲ棉花幼苗Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素含量分別減少了45.31%、41.58%和63.61%。相同鹽濃度條件下，加硅處理(處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)棉花幼苗光合色素(Chla、Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素)含量均呈上升趨勢，如處理Ⅴ棉苗Chla、Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素含量分別比處理Ⅱ升高了35.32%、24.93%、32.18%和6.66%；處理Ⅵ棉苗Chla、Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素含量分別比處理Ⅲ升高了19.23%、26.31%、21.17%和55.96%。方差分析表明，鹽脅迫下棉花幼苗光合色素(Chla、Chlb、Chla+b及類胡蘿卜素)含量均隨著鹽濃度增加顯著減少(P<0.01)；而硅和鹽脅迫交互作用下，光合色素含量各處理間差異顯著(P<0.01)。硅可延緩鹽脅迫對棉花幼苗光合色素生物合成的抑制作用。圖1

注：不同小寫字母表示鹽硅互作處理間差異達(dá)5%顯著水平(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters means significant difference among different salt-silicon interaction treatments at 0.05 level , the same as below

圖1 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量變化
Fig. 1 Effects of exogenous silicon on the content of photosynthetic pigments in cotton seedlings under salt stress

2.2 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗光合氣體交換參數(shù)的影響

研究表明，僅有鹽脅迫處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)條件下，棉花幼苗Pn隨鹽濃度增大顯著減少(P<0.01)，處理Ⅱ、Ⅲ棉苗Pn分別比CK降低了37.86%、62.14%。同樣，棉苗Tr、Gs、Ci與CK相比，處理Ⅱ棉花幼苗Tr、Gs、Ci分別減少了24.83%、38.43%、21.68%，鹽分處理棉苗Tr、Gs、Ci與CK間差異顯著(P<0.01)。但相同鹽濃度條件下，添加外源硅(處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)比相應(yīng)鹽濃度無硅(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)棉苗Pn、Tr、Gs和Ci均呈上升趨勢，如處理Ⅴ棉苗Pn、Tr、Gs、Ci分別比處理Ⅱ升高了62.50%、113.50%、29.70%和56.53%。硅和鹽分脅迫交互作用方差分析表明，棉花幼苗Pn、Tr、Gs和Ci各處理間差異顯著(P<0.01)。圖2

圖2 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗光合氣體交換參數(shù)變化
Fig. 2 Effects of exogenous silicon on the photosynthetic parameters of cotton seedlings under salt stress

2.3 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

研究表明，鹽脅迫處理(處理Ⅱ、Ⅲ)降低了棉花幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)[qP、qN、Y(NPQ)和Y(NO) ]值，且鹽濃度越大，其值越低，如處理Ⅱ棉苗qP、qN、Y(NPQ)和Y(NO) 與CK相比分別減少了4.85%、36.68%、14.29%和35.62%。而相同鹽脅迫條件下，外源硅(處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)比對應(yīng)鹽濃度無硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)棉苗qP、qN、Y(NPQ)和Y(NO)均明顯增加，如處理Ⅴ棉苗qP、qN、Y(NPQ)和Y(NO)分別比處理Ⅱ升高了9.25%、61.15%、58.02%和41.88%。方差分析表明，鹽脅迫導(dǎo)致棉苗qP、Y(NO) 顯著降低(P<0.05)；但鹽分與硅交互作用，各處理與CK間并未達(dá)到顯著水平，說明鹽脅迫對棉花幼苗葉綠素?zé)晒庥胸?fù)效應(yīng)，但外源硅對緩解鹽脅迫抑制效應(yīng)并不顯著。表2

表2 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化
Table 2 Effects of exogenous silicon on the chlorophyll fluorescence parameters of cotton seedlings under salt stress

Si質(zhì)量濃度/(mg/L)NaCl摩爾濃度/(mmol/L)qPqNY(NPQ)Y(NO)0 (CK)00.89±0.04a0.59±0.00a0.13±0.07a0.61±0.05a1000.84±0.00a0.37±0.04a0.11±0.03a0.39±0.04a2000.78±0.07a0.27±0.03a0.10±0.01a0.34±0.03a262.300.92±0.08a0.60±0.00a0.17±0.06a0.56±0.04a1000.90±0.02a0.39±0.02a0.10±0.06a0.53±0.11a2000.86±0.02a0.36±0.05a0.12±0.02a0.37±0.05Va

注：不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters means significant difference among different treatments at the 5% level，the same as below

2.4 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗抗氧化酶活性的影響

研究表明，無外源硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)間比較，隨鹽濃度增大，棉花幼苗SOD、POD、CAT活性逐漸減弱，如處理Ⅱ、Ⅲ棉苗SOD活性分別比CK降低了29.4%和51.5%；POD活性分別降低了9.9%和29.6%；CAT活性分別降低了44.3%和60.0%。與無外源硅處理相比，外源硅處理(處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)棉苗SOD活性比對應(yīng)鹽濃度無硅處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)增強(qiáng)，如處理Ⅴ棉苗SOD活性比處理Ⅱ增強(qiáng)了61.7%；處理Ⅵ棉苗SOD活性比處理Ⅲ增強(qiáng)了37.0%。同樣，鹽脅迫下施用外源硅處理也增強(qiáng)了POD、CAT的活性。方差分析表明，鹽脅迫導(dǎo)致棉花幼苗SOD活性顯著下降(P<0.05)；硅與鹽互作條件下，相應(yīng)鹽濃度施硅比不施硅棉花幼苗葉片SOD活性均顯著增加(P<0.05)，POD與CAT活性也均有所增加，但差異不顯著(P>0.05)。說明外源施硅在一定程度上能緩解鹽分脅迫對棉花幼苗抗氧化酶活性的抑制作用，并促進(jìn)其活性的增長。表3

表3 鹽脅迫下外源硅對棉花幼苗抗氧酶活性變化
Table 3 Effects of exogenous silicon on activities of antioxidant enzymes in cotton seedlings under salt stress

Si質(zhì)量濃度(mg/L)NaCl摩爾濃度(mmol/L)SOD活性(U/g)POD活性(U/g·min)CAT活性(U/g·min)0 (CK)0363.15±13.86ab28.98±2.43a1.58±0.06a100256.08±10.30ab26.12±2.48a0.88±0.04a200176.13±12.24b20.40±0.91a0.68±0.03a262.30512.10±22.94a37.33±2.69a5.06±6.37a100414.10±13.14ab30.75±1.76a3.24±2.22a200279.78±18.55ab22.84±2.07a2.65±1.94a

3 討 論

3.1 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量的影響

鹽脅迫對植物光合作用影響最顯著，而葉片光合色素含量的高低是影響光合作用能力的最重要因素之一[12]。王立紅等[19]研究表明,鹽脅迫降低了棉花幼苗Chla、Chlb和Chla+b含量。陳罡等[14]對黃瓜研究發(fā)現(xiàn)，外源硅處理明顯抑制鹽脅迫下黃瓜幼苗Chla、Chlb和Chla+b含量降低。試驗(yàn)在單一鹽分處理下棉花幼苗Chla、Chlb、Chla+b和類胡蘿卜素含量均隨鹽濃度的升高而降低，可能因?yàn)辂}脅迫增強(qiáng)了植株體內(nèi)葉綠素氧化酶活性，加速了光合色素降解[20-21]。相同鹽濃度條件下，外源硅處理棉苗光合色素含量比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理明顯升高，這與陳罡等[14]的研究結(jié)果一致，表明外源硅確實(shí)提高了鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量。

3.2 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗光合氣體交換參數(shù)的影響

鹽脅迫對植物光合作用的抑制，常表現(xiàn)在鹽脅迫下植物葉片失水，繼而引起氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致光合反應(yīng)降低，從而影響CO2同化[22]。王立紅等[23]對鹽脅迫下棉花光合作用研究顯示，鹽脅迫降低了棉花幼苗Pn、Gs和Ci的含量；李菁等[12]研究發(fā)現(xiàn)，外源硅可緩解鹽脅迫下小麥幼苗Pn、Gs和Ci的降低。研究結(jié)果表明，單一鹽處理?xiàng)l件下，棉花幼苗Pn、Tr、Gs和Ci均隨鹽濃度升高而逐漸下降，說明鹽脅迫造成Pn下降，其主要原因可能是氣孔因素[22]，這與Farquhar等[24]的說法一致，而與陳罡等[14]的研究結(jié)果不同，其可能原因是不同種類植物對鹽脅迫應(yīng)激反應(yīng)不同而導(dǎo)致的差異。試驗(yàn)施加外源硅比相應(yīng)鹽濃度未施硅處理棉花幼苗Pn、Tr、Gs和Ci均明顯升高，這與李菁等[12]研究結(jié)果相一致，說明外源硅提高鹽脅迫下棉花幼苗光合速率主要涉及氣孔因素調(diào)節(jié)。

3.3 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

qP反映PSII吸收光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額。qP愈大，即PSII電子傳遞活性愈大[25]。吳雪霞等[26]研究表明,鹽脅迫降低了茄子幼苗qP、qN值且隨鹽濃度升高而逐漸降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，棉花幼苗qP、qN、Y(NPQ)、Y(NO)隨鹽濃度升高而降低，鹽脅迫降低了棉花幼苗葉片的光能利用效率，這與吳雪霞等[26]研究結(jié)果一致，但鄭州元等[27]研究結(jié)果顯示,隨鹽脅迫時(shí)間延長，NPQ顯著增加，NO無明顯變化，其原因可能是供試材料不同導(dǎo)致的差異。試驗(yàn)外源硅處理提高了棉花幼苗qN、qN、NPQ、NO值，說明外源硅能有效緩解鹽脅迫誘導(dǎo)的生長抑制，增強(qiáng)了棉苗光能利用率，并及時(shí)耗散掉過剩光能，改善PSII光化學(xué)活性，有利于光合作用順利進(jìn)行。

3.4 外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗抗氧化酶活性的影響

在植物系統(tǒng)進(jìn)化過程中，植物細(xì)胞為保護(hù)自身免受活性氧傷害形成了清除活性氧的抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)，如SOD、POD、CAT等。抗氧化酶通過清除活性氧自由基，防止其過度積累，減輕或避免活性氧對膜脂的傷害[28]，維持活性氧自由基產(chǎn)生與清除系統(tǒng)的平衡[29]。李付廣等[30]的研究結(jié)果顯示，鹽脅迫下棉花幼苗子葉部位的SOD、POD活性均下降,研究結(jié)果顯示，在鹽脅迫下，SOD、POD活性隨鹽濃度的升高明顯降低，對植物的保護(hù)機(jī)能受到抑制，這與李付廣等[31]的研究結(jié)果一致。棉苗CAT活性同樣隨鹽濃度的升高而下降，這與孫小芳等[32]的研究相一致，可能是由于鹽脅迫降低了儲藏物質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化速率,也造成活性氧產(chǎn)生和清除系統(tǒng)動態(tài)平衡的破壞,啟動膜脂過氧化或脫脂作用,損傷膜脂和膜蛋白,從而破壞膜結(jié)構(gòu)[33]。在施加外源硅條件下，與對應(yīng)鹽濃度無硅處理相比，外源硅的加入均使棉苗SOD、POD、CAT活性增加，說明施用外源硅增強(qiáng)了抗氧化酶活性，進(jìn)一步增強(qiáng)植株清除活性氧能力，維持活性氧產(chǎn)生與消除動態(tài)平衡，緩解鹽脅迫造成的儲藏物質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化速率的降低，同時(shí)抑制鹽脅迫對膜脂和膜蛋白造成的損傷與對膜結(jié)構(gòu)的破壞，從而起到保護(hù)光合作用機(jī)構(gòu)的作用，為提高棉花幼苗的耐鹽性奠定了生理基礎(chǔ)。不同棉花品種抗鹽性不同，同一品種不同生育期抗鹽性也不相同，外源施硅對不同品種及棉花不同生育期的影響還有待于進(jìn)一步的探究。

4 討 論

外源硅可緩解鹽脅迫下棉花幼苗光合色素含量、光合氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性的降低。植物耐鹽性的產(chǎn)生是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程[29]，棉花雖然是耐鹽性較強(qiáng)作物，但在幼苗期對鹽分還是相當(dāng)敏感的，因此，對棉花苗期鹽害的管理和治理尤為重要。基于研究結(jié)果推測，外源硅可提高鹽脅迫下棉花幼苗的光合色素含量、光合速率以及光能利用率，增強(qiáng)植株清除活性氧能力，維持活性氧產(chǎn)生與消除動態(tài)平衡，保護(hù)光合機(jī)構(gòu)，進(jìn)而提高棉苗抗鹽性，促進(jìn)棉苗生長發(fā)育。