硅對砷脅迫下煙草葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2019-08-20 14:58:33李薈星
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年8期 關(guān)鍵詞：煙草
李薈星
摘要：為揭示硅對砷脅迫下煙草葉綠熒光特性的影響，以漂浮育苗的云煙87為試材，以Na3AsO4·12H2O為砷源，Na2SiO3·9H2O為硅源開展水培試驗，試驗設(shè)置5個處理;對照（CK）、0.25 mmol/L As5+（As0.25）、0.35 mmol/L As5+（As0.35）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.25+Si）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.35+Si）。結(jié)果表明，砷脅迫下煙草φPSⅡ、Fv/Fm、Sm、φEo、ψo(hù)顯著或極顯著降低，說明砷脅迫導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心受損，受體側(cè)PQ庫容量變小，電子傳遞受到抑制，從而使電子傳遞速率下降。硅可使砷脅迫下煙草光反應(yīng)中心保持較高的活性，使無效能利用所引起的熱耗散（DIo/RC）降低，對光合器官的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)（PIABS）和單位反應(yīng)中心的電子傳遞能力（ETo/RC）均有增加。
關(guān)鍵詞：砷脅迫;煙草;硅;葉綠素?zé)晒馓匦?/p>
中圖分類號： S572.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A
文章編號：1002-1302（2019）08-0092-04
近年來，土壤砷污染問題嚴(yán)重，且威脅生態(tài)環(huán)境和人體健康[1]。煙草是我國重要的經(jīng)濟作物[2]，土壤砷會抑制烤煙的生長發(fā)育，導(dǎo)致其生育期延遲，株高、葉片數(shù)和葉面積減少，產(chǎn)量降低[3]。含砷煙草中的砷在抽吸過程中會進(jìn)入人體，對人體造成危害[4]。由于煙草砷污染的風(fēng)險，美國食品和藥品管理局已將砷列為煙草制品及煙霧中的有害物質(zhì)[5]。我國香煙抽樣檢測中砷的平均含量為0.82 mg/kg，高于加拿大產(chǎn)品 2～3倍[6]。因此，煙草砷污染的防治工作成為了人們關(guān)注的一大熱點問題。
目前，硅元素雖未被認(rèn)定為高等植物的必需營養(yǎng)元素[7]，但已有許多研究表明，硅對作物的非生物脅迫（重金屬、鹽脅迫等）[8]和生物脅迫（病蟲害）[9]有一定的緩解作用。加硅可顯著抑制水稻[10-16]、小麥[17]、玉米[18-19]、生菜[20]、番茄[21]對砷的吸收和轉(zhuǎn)運。Hu等[11]和Sanglard等[14]的研究結(jié)果均表明，砷脅迫會導(dǎo)致水稻作用凈光合速率降低，而硅可提高砷脅迫下水稻凈光合速率。Silva等[19]的研究表示，砷脅迫下施K2SiO3能減少玉米葉綠體的損壞，提高玉米葉綠素a、總?cè)~綠素含量和光合速率。然而，該研究采用K2SiO3作為硅源，沒有消除處理間K+差異所帶來的影響，有研究表明，K+會降低砷脅迫下獨行菜（Lepidium sativum Linn.）對砷的吸收[22]，因此該研究不能得出硅影響砷葉綠熒光的結(jié)論。目前，關(guān)于硅對砷脅迫下煙草光合熒光參數(shù)的影響鮮見報道。因此，本研究通過水培試驗，探究硅對砷脅迫下煙草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響和機制，以期為煙草安全生產(chǎn)提供參考。
1材料與方法
1.1試驗設(shè)計
水培試驗于福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院盆栽房，自然光、溫條件下進(jìn)行。供試煙草品種為云煙87，選取漂浮育苗生長至6片真葉的煙苗，將煙苗用海綿固定在具孔的塑料板上，放置在盛有9 L營養(yǎng)液的黑色聚乙烯塑料桶上，每桶植煙4株。培養(yǎng)液采用1/2濃度Hoagland營養(yǎng)液，并加入Arnon配方的微量元素（鐵為FeEDTA），煙苗培養(yǎng)3周后間苗至2株，在前期預(yù)備試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)置5個處理，分別為：對照（CK）、0.25 mmol/L As5+（As0.25）、0.35 mmol/L As5+（As0.35）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.25+Si）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.35+Si）。每個處理重復(fù)5次。以Na3AsO4·12H2O作為砷源，Na2SiO3·9H2O作為硅源，用已知濃度的NaCl消除因添加Na3AsO4·12H2O、Na2SiO3·9H2O所帶來的鈉離子影響，使各處理的鈉離子濃度一致。營養(yǎng)液pH值用NaOH和HCl溶液調(diào)節(jié)至6.5±0.2，每7 d換1次營養(yǎng)液，每2天調(diào)1次pH值，用電動泵每隔1 h通氣1 h。
1.2測定方法
煙草培育35 d時采樣，此時As0.25、As0.35處理表現(xiàn)出植株矮小、葉色黃化和萎蔫的癥狀，As0.25+Si和As0.35+Si處理煙株雖也有相同的癥狀，但葉片黃化和萎蔫的程度明顯較As0.25和As0.35處理輕。選擇煙株從上往下數(shù)的第3片葉用于測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。
1.2.1葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用植物效率分析儀（Plant Efficiency Analyzer，PEA Hansatech，UK）測定，測定前葉片預(yù)先暗適應(yīng)。
1.2.2快速誘導(dǎo)動力學(xué)曲線測量及JIP-test參數(shù)采用便攜式植物效率分析儀PEA（Handy-PEA，英國漢莎科學(xué)公司生產(chǎn)）測量熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線。根據(jù)Srivastava等[23]的 JIP-test 計算的熒光參數(shù)能夠為光合器官的結(jié)構(gòu)性能提供大量的動力學(xué)信息。計算公式見表1。
2結(jié)果與分析
2.1硅對砷脅迫下煙草葉綠素?zé)晒鈪?shù)
表2顯示，與CK相比，As0.25、As0.35處理的PSⅡ光化學(xué)量子效率（φPSⅡ）、最大熒光（Fm）、PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）因砷脅迫而降低，分別降低了28.94%～47.14%、33.20%～45.41%、12.88%～22.11%，但葉片初始熒光強度（Fo）無顯著差異。加硅顯著或極顯著地提高了砷脅迫下煙草的φPSⅡ、Fm、Fv/Fm，與As0.25、As0.35處理相比，As0.25+Si、As0.35+Si處理的φPSⅡ、Fm、Fv/Fm分別提高了15.18%、28.18%、4.76%和12.59%、56.51%、18.25%。
2.2硅對砷脅迫下煙草葉綠素?zé)晒釵-J-I-P曲線的影響
葉綠素?zé)晒釵-J-I-P曲線被認(rèn)為是可以提供受損植物光合作用更詳細(xì)的信息[26]。圖1為硅對砷脅迫下各處理煙草葉片O-J-I-P曲線。隨著營養(yǎng)液供砷濃度的增加，動力學(xué)曲線的I點（F30 ms）和P點熒光（Fm值）下降幅度增大，而加硅的As0.25+Si、As0.35+Si處理與As0.25、As0.35處理比較，緩解了I點和P點的下降（圖1）。
2.3硅對砷脅迫下煙草JIP-test參數(shù)的影響
對快速誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馇€進(jìn)行JIP-test分析，可得出一系列反映煙草光合器官結(jié)構(gòu)和功能的信息[24]。由圖2可以看出，隨著營養(yǎng)液供砷濃度的增加，與CK處理相比，As0.25、As0.35處理的Mo、Sm、φEo、ψo(hù)、PIABS都有顯著或極顯著的降低，Mo無明顯差異，而VJ極顯著升高。As0.25+Si、As0.35+Si處理的Sm、φEo、ψo(hù)、PIABS、VJ分別較As0.25、As0.35處理都有顯著或極顯著的升高，Mo則無明顯變化。
2.4硅對砷脅迫下煙草JIP-tes光合作用能量流動分配的影響
砷脅迫降低PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能的能力（ABS/RC）、反應(yīng)中心用于還原QA的能量（TRo/RC）和反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量（ETo/RC），而熱耗散（DIo/RC）無明顯差異（圖3），硅可降低砷脅迫下煙草PSⅡ熱耗散（DIo/RC），提高反應(yīng)中心的電子傳遞能力（ETo/RC）（圖3）和光合器官的結(jié)構(gòu)性能（PIABS）（圖2）。
2.5硅對砷脅迫下煙草光化學(xué)猝滅系數(shù)的影響
光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）反映了PSⅡ原初電子受體QA的還原狀態(tài)和PSⅡ開放中心的數(shù)目[25]，而非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）反映了PSⅡ天線色素吸收的光能以熱耗散的形式耗散掉的部分[27]。與CK處理相比（圖4），As0.25、As0.35處理的qP降低了26.78%～44.25%，NPQ增大了52.56%～143.77%。與As0.25、As0.35處理比較，As0.25+Si、As0.35+Si處理的qP分別提高了17.89%和20.89%，qN分別下降了13.81%和28.02%。
3討論與結(jié)論
光合作用中各個反應(yīng)過程與葉綠素?zé)晒庥兄懿豢煞值年P(guān)系，所有逆境對光合作用的影響都可通過葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)的變化表達(dá)出來[26-27]。已有研究表明[24]，O-J-I-P曲線中的J期代表了QA-QB（質(zhì)體醌A-和質(zhì)體醌B）的積累，而I期和P期分別代表PQ庫的異質(zhì)性和QB從QA-接受電子形成QB2-的能力。圖1中砷脅迫下I、P點的下降表明，砷脅迫會抑制電子由QA-向PQ的傳遞，進(jìn)而影響PSⅡ反應(yīng)，加硅可以減輕砷脅迫對電子傳遞的抑制作用。Mo、Sm、φEo反映PSⅡ受體側(cè)的變化，Mo表示QA的最大還原速率，Sm反映QA還原所需要的能量，φEo反映光能用于電子傳遞的量子產(chǎn)額[24]。砷脅迫會導(dǎo)致煙草PSⅡ反應(yīng)中心受體側(cè)PQ庫容量（Sm）變小，電子傳遞速率（φEo）下降，而加硅可提高砷脅迫下煙草的Sm，使更多的電子從QA-進(jìn)入電子傳遞鏈（圖2）。砷脅迫會導(dǎo)致煙草PSⅡ電子傳遞活性減小，電子傳遞受阻且以熱耗散掉的光能增加，硅可優(yōu)化砷脅迫下煙草激發(fā)能的分配，降低非光化學(xué)的淬滅能量，從而提高光能利用效率（圖3、圖4）。
由此可以推測，砷抑制煙草生長發(fā)育的一部分原因是由于光合作用中PSⅡ反應(yīng)中心受損。研究表明[28]，砷會競爭性地占據(jù)PSⅡ位于D1蛋白上的QB的結(jié)合位，從而阻斷從QA到QB的電子傳遞。砷脅迫下煙草葉綠熒光參數(shù)的降低，受體側(cè)PQ庫容量變小，抑制光合電子由QA-往下的傳遞，從而導(dǎo)致電子傳遞速率下降（表2、圖1、圖2）。同時，加硅可緩解煙草的砷脅迫，其可能原因是：提高PSⅡ反應(yīng)中心的活性。在光合電子傳遞過程中，硅能優(yōu)化激發(fā)能的分配，使非光化學(xué)能量淬滅減少，無效能利用引起的熱耗散（DIo/RC）降低，因此提高了單位反應(yīng)中心的電子傳遞能力（ETo/RC）和光合器官的結(jié)構(gòu)性能（PIABS），提高了砷脅迫下煙草最大光化學(xué)效率（圖2、圖3、圖4）。
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水培試驗于福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院盆栽房，自然光、溫條件下進(jìn)行。供試煙草品種為云煙87，選取漂浮育苗生長至6片真葉的煙苗，將煙苗用海綿固定在具孔的塑料板上，放置在盛有9 L營養(yǎng)液的黑色聚乙烯塑料桶上，每桶植煙4株。培養(yǎng)液采用1/2濃度Hoagland營養(yǎng)液，并加入Arnon配方的微量元素（鐵為FeEDTA），煙苗培養(yǎng)3周后間苗至2株，在前期預(yù)備試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)置5個處理，分別為：對照（CK）、0.25 mmol/L As5+（As0.25）、0.35 mmol/L As5+（As0.35）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.25+Si）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.35+Si）。每個處理重復(fù)5次。以Na3AsO4·12H2O作為砷源，Na2SiO3·9H2O作為硅源，用已知濃度的NaCl消除因添加Na3AsO4·12H2O、Na2SiO3·9H2O所帶來的鈉離子影響，使各處理的鈉離子濃度一致。營養(yǎng)液pH值用NaOH和HCl溶液調(diào)節(jié)至6.5±0.2，每7 d換1次營養(yǎng)液，每2天調(diào)1次pH值，用電動泵每隔1 h通氣1 h。
1.2測定方法
煙草培育35 d時采樣，此時As0.25、As0.35處理表現(xiàn)出植株矮小、葉色黃化和萎蔫的癥狀，As0.25+Si和As0.35+Si處理煙株雖也有相同的癥狀，但葉片黃化和萎蔫的程度明顯較As0.25和As0.35處理輕。選擇煙株從上往下數(shù)的第3片葉用于測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。
1.2.1葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用植物效率分析儀（Plant Efficiency Analyzer，PEA Hansatech，UK）測定，測定前葉片預(yù)先暗適應(yīng)。
1.2.2快速誘導(dǎo)動力學(xué)曲線測量及JIP-test參數(shù)采用便攜式植物效率分析儀PEA（Handy-PEA，英國漢莎科學(xué)公司生產(chǎn)）測量熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線。根據(jù)Srivastava等[23]的 JIP-test 計算的熒光參數(shù)能夠為光合器官的結(jié)構(gòu)性能提供大量的動力學(xué)信息。計算公式見表1。
2結(jié)果與分析
2.1硅對砷脅迫下煙草葉綠素?zé)晒鈪?shù)
表2顯示，與CK相比，As0.25、As0.35處理的PSⅡ光化學(xué)量子效率（φPSⅡ）、最大熒光（Fm）、PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）因砷脅迫而降低，分別降低了28.94%～47.14%、33.20%～45.41%、12.88%～22.11%，但葉片初始熒光強度（Fo）無顯著差異。加硅顯著或極顯著地提高了砷脅迫下煙草的φPSⅡ、Fm、Fv/Fm，與As0.25、As0.35處理相比，As0.25+Si、As0.35+Si處理的φPSⅡ、Fm、Fv/Fm分別提高了15.18%、28.18%、4.76%和12.59%、56.51%、18.25%。
2.2硅對砷脅迫下煙草葉綠素?zé)晒釵-J-I-P曲線的影響
葉綠素?zé)晒釵-J-I-P曲線被認(rèn)為是可以提供受損植物光合作用更詳細(xì)的信息[26]。圖1為硅對砷脅迫下各處理煙草葉片O-J-I-P曲線。隨著營養(yǎng)液供砷濃度的增加，動力學(xué)曲線的I點（F30 ms）和P點熒光（Fm值）下降幅度增大，而加硅的As0.25+Si、As0.35+Si處理與As0.25、As0.35處理比較，緩解了I點和P點的下降（圖1）。
2.3硅對砷脅迫下煙草JIP-test參數(shù)的影響
對快速誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馇€進(jìn)行JIP-test分析，可得出一系列反映煙草光合器官結(jié)構(gòu)和功能的信息[24]。由圖2可以看出，隨著營養(yǎng)液供砷濃度的增加，與CK處理相比，As0.25、As0.35處理的Mo、Sm、φEo、ψo(hù)、PIABS都有顯著或極顯著的降低，Mo無明顯差異，而VJ極顯著升高。As0.25+Si、As0.35+Si處理的Sm、φEo、ψo(hù)、PIABS、VJ分別較As0.25、As0.35處理都有顯著或極顯著的升高，Mo則無明顯變化。
2.4硅對砷脅迫下煙草JIP-tes光合作用能量流動分配的影響
砷脅迫降低PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能的能力（ABS/RC）、反應(yīng)中心用于還原QA的能量（TRo/RC）和反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量（ETo/RC），而熱耗散（DIo/RC）無明顯差異（圖3），硅可降低砷脅迫下煙草PSⅡ熱耗散（DIo/RC），提高反應(yīng)中心的電子傳遞能力（ETo/RC）（圖3）和光合器官的結(jié)構(gòu)性能（PIABS）（圖2）。
2.5硅對砷脅迫下煙草光化學(xué)猝滅系數(shù)的影響
光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）反映了PSⅡ原初電子受體QA的還原狀態(tài)和PSⅡ開放中心的數(shù)目[25]，而非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）反映了PSⅡ天線色素吸收的光能以熱耗散的形式耗散掉的部分[27]。與CK處理相比（圖4），As0.25、As0.35處理的qP降低了26.78%～44.25%，NPQ增大了52.56%～143.77%。與As0.25、As0.35處理比較，As0.25+Si、As0.35+Si處理的qP分別提高了17.89%和20.89%，qN分別下降了13.81%和28.02%。
3討論與結(jié)論
光合作用中各個反應(yīng)過程與葉綠素?zé)晒庥兄懿豢煞值年P(guān)系，所有逆境對光合作用的影響都可通過葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)的變化表達(dá)出來[26-27]。已有研究表明[24]，O-J-I-P曲線中的J期代表了QA-QB（質(zhì)體醌A-和質(zhì)體醌B）的積累，而I期和P期分別代表PQ庫的異質(zhì)性和QB從QA-接受電子形成QB2-的能力。圖1中砷脅迫下I、P點的下降表明，砷脅迫會抑制電子由QA-向PQ的傳遞，進(jìn)而影響PSⅡ反應(yīng)，加硅可以減輕砷脅迫對電子傳遞的抑制作用。Mo、Sm、φEo反映PSⅡ受體側(cè)的變化，Mo表示QA的最大還原速率，Sm反映QA還原所需要的能量，φEo反映光能用于電子傳遞的量子產(chǎn)額[24]。砷脅迫會導(dǎo)致煙草PSⅡ反應(yīng)中心受體側(cè)PQ庫容量（Sm）變小，電子傳遞速率（φEo）下降，而加硅可提高砷脅迫下煙草的Sm，使更多的電子從QA-進(jìn)入電子傳遞鏈（圖2）。砷脅迫會導(dǎo)致煙草PSⅡ電子傳遞活性減小，電子傳遞受阻且以熱耗散掉的光能增加，硅可優(yōu)化砷脅迫下煙草激發(fā)能的分配，降低非光化學(xué)的淬滅能量，從而提高光能利用效率（圖3、圖4）。
由此可以推測，砷抑制煙草生長發(fā)育的一部分原因是由于光合作用中PSⅡ反應(yīng)中心受損。研究表明[28]，砷會競爭性地占據(jù)PSⅡ位于D1蛋白上的QB的結(jié)合位，從而阻斷從QA到QB的電子傳遞。砷脅迫下煙草葉綠熒光參數(shù)的降低，受體側(cè)PQ庫容量變小，抑制光合電子由QA-往下的傳遞，從而導(dǎo)致電子傳遞速率下降（表2、圖1、圖2）。同時，加硅可緩解煙草的砷脅迫，其可能原因是：提高PSⅡ反應(yīng)中心的活性。在光合電子傳遞過程中，硅能優(yōu)化激發(fā)能的分配，使非光化學(xué)能量淬滅減少，無效能利用引起的熱耗散（DIo/RC）降低，因此提高了單位反應(yīng)中心的電子傳遞能力（ETo/RC）和光合器官的結(jié)構(gòu)性能（PIABS），提高了砷脅迫下煙草最大光化學(xué)效率（圖2、圖3、圖4）。
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