甲基環(huán)丙稀對干旱脅迫苗期甘蔗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

何姍珊，曾 媛，梁朝旭，經(jīng) 艷，唐仕云，李麒鵬，李江平，寧 夏，譚 芳，李 松，李 鳴*

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，廣西 南寧 530007；2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣西 南寧 530007；3.大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，甘肅 酒泉 735000)

【研究意義】甘蔗(SaccharumofficinarumL.)屬于喜高溫和光照及需水量較大的作物，整個生育期需水量約968.32 mm，日均需水量2.98 mm[1]。甘蔗是廣西重要的糖類經(jīng)濟(jì)作物，主要分布在丘陵和旱坡地區(qū)，保水保肥效率不高，加上受季風(fēng)氣候影響年降水量的時空分布不均勻和農(nóng)田灌溉設(shè)施不足等條件限制，尤其是春、秋兩季降水量稀少及缺乏有效灌溉，其產(chǎn)量和品質(zhì)受到嚴(yán)重影響，對蔗農(nóng)和蔗糖生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展極其不利。水分是限制植物生長、發(fā)育和繁殖的關(guān)鍵因素，在水分脅迫條件下植物的外觀形態(tài)及生理和生態(tài)方面均表現(xiàn)出一系列變化，如光合作用受到抑制、呼吸紊亂和代謝異常等[2-3]。近年來，以葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為診斷植物抗逆性的可行性指標(biāo)發(fā)揮了越來越重要的作用[4-5]。甲基環(huán)丙稀(l-MCP)是一種乙稀抑制劑，近年來已廣泛應(yīng)用于多種作物應(yīng)對逆境脅迫[6-10]，但將1-MCP應(yīng)用于干旱脅迫甘蔗葉綠素?zé)晒鈪?shù)研究的報道極少。因此，探究春季干旱脅迫條件下1-MCP對苗期甘蔗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響情況，有利于指導(dǎo)甘蔗苗期抗旱研究，對提高春季甘蔗出苗率、保障蔗農(nóng)收益和促進(jìn)廣西蔗糖業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】干旱是植物生長過程中遭遇的重要非生物脅迫之一，干旱脅迫會損壞植物葉綠體超微結(jié)構(gòu)，從而破壞葉綠體的光合機(jī)構(gòu)，影響光合作用的電子傳遞和CO2同化過程，促使葉綠素降解和葉綠體光還原活性下降[11]。干旱脅迫能使植物從表型、生理生化到分子水平發(fā)生一系列變化，甚至導(dǎo)致新陳代謝發(fā)生紊亂，產(chǎn)生大量的活性氧，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性，造成氧化損傷，葉綠素合成受阻，降低葉片的葉綠素含量，致使光系統(tǒng)II(PSII)受損，電子傳遞和光合磷酸化過程受到抑制，葉片的光合作用減弱，進(jìn)而影響植物的正常生長發(fā)育[12-13]。王小樂等[14]研究顯示，噴施200.0 mg/L乙烯利和用1.0 mg/L 1-MCP熏蒸苗期甘蔗，能增加其葉片的過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性，有利于提高其抗旱性；但在中度和重度干旱脅迫下噴施較高濃度(300.0 mg/L)乙烯利和用1-MCP熏蒸不利于提高其抗旱性。王冠玉等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在水分供應(yīng)正常時，苗期甘蔗使用1-MCP其葉片POD和SOD活性明顯提高，CAT活性變化不明顯；在干旱脅迫時，苗期甘蔗使用1-MCP其葉片POD和SOD活性顯著提高。方位寬等[16]研究表明，在正常供水情況下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗，其SoMAPK4基因在轉(zhuǎn)錄水平上的表達(dá)量不受1-MCP一次處理影響，而二次處理后基因表達(dá)量呈下調(diào)趨勢；在干旱脅迫時使用1-MCP二次處理苗期甘蔗能增加其SoMAPK4基因在轉(zhuǎn)錄水平上的表達(dá)量，且隨著干旱脅迫時間的延長基因表達(dá)量增加。許多研究者已將葉綠素?zé)晒鈪?shù)PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)應(yīng)用于甘蔗抗旱性評價，如Colom等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在甘蔗抗旱能力種質(zhì)資源篩選中干旱脅迫條件下甘蔗的Fv/Fm產(chǎn)生快速響應(yīng)；朱理環(huán)等[4]、羅俊等[17]研究顯示，干旱脅迫下甘蔗的光合作用能力受到制約，F(xiàn)v/Fm和潛在光化學(xué)活性(Fv/Fo)明顯降低，凈光合速率(Pn)下降，表明Fv/Fm可作為甘蔗抗旱評價指標(biāo)之一。王勤南等[18]利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究甘蔗細(xì)莖野生種質(zhì)資源的葉綠素?zé)晒馓匦?，并進(jìn)行聚類分析，以α光合利用效率為指標(biāo)，可將59個材料分為高光合利用效率、中高光合利用效率、中光合利用效率和低光合利用效率四大類。劉三梅等[19]以4個云南主栽甘蔗品種為材料，分別測定各品種在苗期、分蘗期和伸長期干旱脅迫后的光合指標(biāo)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)，結(jié)果表明干旱脅迫下除云引3號的光合指標(biāo)在分蘗期降幅顯著大于苗期和伸長期外，其余品種的光合指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)降幅均在伸長期最大。俞華先等[20]研究表明，水分脅迫下甘蔗葉片的SPAD、Fm、Fv/Fo和Fv/Fm均降低，說明水分脅迫傷害了PSⅡ，光合電子傳遞受阻。劉家勇等[21]以6個甘蔗品種為試驗材料，從9：00-19：40連續(xù)測量其熒光動力學(xué)參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下甘蔗葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm和Fv/Fo測量值隨著氣溫的升高顯著降低?！颈狙芯壳腥朦c】目前，國內(nèi)外將1-MCP用于干旱脅迫植物葉綠素參數(shù)方面的研究不多[22]，關(guān)于干旱脅迫下1-MCP對苗期甘蔗葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響的研究也鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以新臺糖22號(ROC22)為試驗材料，在封閉空間用1.0 mg/L 1-MCP分別對其進(jìn)行1和2次熏蒸處理，測定各處理苗期甘蔗葉片的葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，分析干旱脅迫下1-MCP對苗期甘蔗光合作用的影響，為甘蔗的干旱生理生化研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年3-5月在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所科研基地進(jìn)行，甘蔗品種為ROC22。試驗藥品1-MCP由甘肅奧揚(yáng)高科納米技術(shù)有限公司提供，其平均分子量(MW)為54.09。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 于2019年3月進(jìn)行甘蔗桶栽，桶底打通10個等直徑的小孔用于排水；栽培土為壤土與生物有機(jī)肥混合而成。2019年3月25日雙芽下種，齊苗后定苗，每桶留8株。待甘蔗生長至5～8葉時，移栽至人工封閉室，并設(shè)4個處理，其中，處理1為正常供水(連續(xù)7 d每天繞水1次，每次澆4 L/桶)，處理2為正常供水+1.0 mg/L 1-MCP熏蒸，處理3為干旱脅迫(連續(xù)7 d不澆水)，處理4為干旱脅迫+1.0 mg/L 1-MCP熏蒸。每處理種植甘蔗5桶，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。在人工密閉室，用1 M NaOH溶解1-MCP粉劑，使其釋放1.0 mg/L 1-MCP氣體熏蒸處理甘蔗葉片，每次熏蒸14 h，分別設(shè)熏蒸1次處理和熏蒸2次處理。

1.2.2 測定指標(biāo)及方法 處理后連續(xù)7 d隨機(jī)選取各處理甘蔗5～8株的+1葉，每天8：00開始利用FMS-2脈沖調(diào)制式熒光儀(英國Hansatech公司)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)；取各處理甘蔗6～8株的葉片帶回實驗室測定葉綠素含量。葉綠素提取和含量測定：將采集的新鮮甘蔗葉洗凈，用濾紙吸干，去主葉脈稱取0.5 g，加入5.0 mL 80 %丙酮溶液研磨，然后轉(zhuǎn)入200.0 mL容量杯中，再加入45.0 mL 80 %丙酮充分搖勻，置于黑暗處24 h后用分光光度計測定663和645 nm處的吸光度，依據(jù)Arnon公式[23]計算葉綠素含量。

Ca(mg/g)=(12.7×A663-2.69×A645)×V/(1000W)

Cb(mg/g)=(22.7×A645-4.68×A663)×V/(1000W)

Ct(mg/g)=Ca+Cb

式中，A645和A663分別為波長在645和663 nm處的吸光度值，Ca和Cb分別為葉綠素a和葉綠素b含量，Ct為葉綠素總含量，V為提取溶液體積，W為葉樣品質(zhì)量。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定：參照許大全[24]的方法，選取生長較一致甘蔗植株的+1葉，利用Handy PEA調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x(英國Hansatech公司)測定Fv/Fm、PSII實際利用量子產(chǎn)量(Yield)、電子傳遞效率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)等葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

1.3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計和制圖，以SPSS 17.0(One-way ANOVA)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 1-MCP處理對苗期甘蔗葉片葉綠素總含量的影響

由圖1可看出，在正常供水情況下，處理1和處理2甘蔗的葉綠素總含量總體上較穩(wěn)定，并保持在較高水平，二者無顯著差異(P>0.05，下同)，其中，處理2甘蔗的葉綠素總含量總體上呈先增加后減少的變化趨勢，自處理后的第2天起，處理2的葉綠素總含量略高于處理1，說明在正常供水情況下利用1-MCP熏蒸能在短期內(nèi)提高苗期甘蔗葉片的葉綠素總含量；在干旱脅迫情況下，處理3和處理4甘蔗的葉綠素總含量均顯著低于處理1和處理2，隨著干旱脅迫時間的延長，處理3和處理4甘蔗的葉綠素總含量均呈遞減趨勢，其中，處理4甘蔗的葉綠素總含量在處理的第3～7天顯著高于處理3(P<0.05，下同)，且隨著干旱脅迫時間的延長，處理4與處理3甘蔗的葉綠素總含量差異更明顯。可見，干旱脅迫可明顯降低苗期甘蔗葉片的葉綠素總含量，而利用1-MCP熏蒸可延緩苗期甘蔗葉片葉綠素的降解速度，盡可能確保甘蔗葉片能進(jìn)行光合作用，在一定程度上減少干旱脅迫對甘蔗植株的傷害。

同一處理天數(shù)圖柱上不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同Different lowercase letters on the bar of the same treatment time indicate significant differences(P<0.05)，the same as below

2.2 1-MCP處理對苗期甘蔗葉片F(xiàn)v/Fm的影響

從圖2可看出，在正常供水情況下，處理1和處理2甘蔗的Fv/Fm總體上較穩(wěn)定，并維持在較高水平，二者無明顯差異，說明在正常供水情況下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗對其葉片F(xiàn)v/Fm的影響不明顯。在干旱脅迫情況下，處理3和處理4甘蔗的Fv/Fm較正常供水處理明顯下降，隨著干旱脅迫時間的延長，其Fv/Fm呈遞減趨勢；自處理的第2天起，處理3和處理4甘蔗的Fv/Fm顯著低于處理1和處理2，在處理的第3～5天，處理4甘蔗的Fv/Fm高于處理3，且差異顯著，而在處理的第6～7天，處理4甘蔗的Fv/Fm高于處理3但差異不明顯?？梢?，干旱脅迫會明顯降低苗期甘蔗葉片的Fv/Fm，利用1-MCP熏蒸短期內(nèi)可在一定程度上延緩其Fv/Fm的降低速度，從而維持PSII利用光能的能力。

圖2 1-MCP處理苗期甘蔗葉片F(xiàn)v/Fm的變化情況Fig.2 PSII Fv/Fm variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

2.3 1-MCP處理對苗期甘蔗葉片Yield的影響

從圖3可看出，在正常供水情況下，處理1與處理2甘蔗的Yield較穩(wěn)定，并維持在較高水平，二者間差異不明顯，說明在正常供水情況下，使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗對其葉片的Yield影響不明顯。在干旱脅迫情況下，處理3和處理4甘蔗的Yield隨著干旱脅迫時間的延長呈逐漸下降趨勢；自處理的第2天起，處理3和處理4甘蔗的Yield顯著低于處理1和處理2，其中處理后第3～5天，處理4甘蔗的Yield顯著高于處理3，隨著干旱脅迫時間的延長，處理3和處理4甘蔗的Yield差異逐漸縮小至無顯著差異?？梢?，在干旱脅迫下，使用1-MCP熏蒸短期內(nèi)可在一定程度上延緩苗期甘蔗葉片Yield的下降速度，從而維持PSII對光能的捕獲能力。

圖3 1-MCP處理苗期甘蔗葉片的Yield變化情況Fig.3 PSII yield variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

2.4 1-MCP處理對苗期甘蔗葉片ETR的影響

從圖4可看出，在正常供水情況下，處理1與處理2甘蔗的ETR總體上相對穩(wěn)定，并維持在較高水平，且二者間無明顯差異，說明在正常供水情況下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗對其葉片ETR影響不明顯。在干旱脅迫情況下，處理3和處理4甘蔗的ETR隨著干旱脅迫時間的延長呈下降趨勢，且均顯著低于

圖4 1-MCP處理苗期甘蔗葉片ETR的變化情況Fig.4 ETR variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

處理1和處理2，其中，在干旱脅迫的第3～5天，處理4甘蔗的ETR顯著高于處理3，其他處理時間與處理3無明顯差異?？梢姡诟珊得{迫下，使用1-MC熏蒸短期內(nèi)能在一定程度上延緩苗期甘蔗葉片ETR的下降速度，從而維持PSII對光能的捕獲能力和ETR。

2.5 1-MCP處理對苗期甘蔗葉片qP的影響

從圖5可看出，在正常供水時，處理1與處理2甘蔗的qP總體上很穩(wěn)定，并維持在較高水平，二者間無顯著差異，說明在正常供水情況下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗對其葉片qP的影響不明顯；在干旱脅迫下，處理3和處理4甘蔗的qP隨著干旱脅迫時間的延長呈逐漸下降趨勢，且均顯著低于處理1和處理2。其中，在干旱脅迫的第3～5天，處理4甘蔗的qP顯著高于處理3，其他時間差異不顯著?？梢姡诟珊得{迫下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗短期內(nèi)可在一定程度上延緩其葉片qP的下降速度，從而維持PSII對光能的捕獲能力和qP。

圖5 1-MCP 處理苗期甘蔗葉片qP的變化情況Fig.5 qP variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

2.6 1-MCP處理對苗期甘蔗qN的影響

從圖6可看出，在正常供水時，處理1與處理2甘蔗的qN總體上很穩(wěn)定，并維持在較低水平，二者間差異不顯著，說明在正常供水情況下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗對其葉片qN的影響不明顯；在干旱脅迫下，處理3和處理4甘蔗的qN隨著干旱脅迫時間的延長呈顯著上升趨勢，與甘蔗葉片的總?cè)~綠素含量、Fv/Fm、ETR和qP的變化趨勢相反，其中，在干旱脅迫的第3～5天，處理4甘蔗的qN顯著低于處理3，在其他時間二者差異不顯著?？梢姡诟珊得{迫下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗可延緩其葉片qN的上升速度，從而減少不能用于正常光合電子傳遞的熱能耗散，防止葉片光合作用系統(tǒng)失活或受到破壞。

圖6 1-MCP處理苗期甘蔗葉片qN的變化情況Fig.6 qN variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

3 討 論

葉綠素是與光合作用緊密相關(guān)的一類重要色素，當(dāng)植物受到干旱脅迫時，葉片的葉綠素降解，含量降低，葉綠體的光合作用機(jī)制受到破壞，光合效率大幅降低[25]。本研究中，在正常供水情況下苗期甘蔗的葉綠素含量保持在相對穩(wěn)定水平，說明在正常供水情況下苗期甘蔗熏蒸1.0 mg/L 1-MCP在短期內(nèi)對其葉片葉綠素總含量影響不明顯；在干旱脅迫時，苗期甘蔗葉片的葉綠素總含量均明顯低于正常供水甘蔗，且隨著干旱脅迫時間的延長，甘蔗葉片的葉綠素總含量均呈遞減趨勢，其中使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗葉片的葉綠素總含量隨著干旱脅迫時間的延長顯著高于未使用1-MCP熏蒸甘蔗葉片的葉綠素總含量?？梢?，干旱脅迫可明顯降低苗期甘蔗葉片的葉綠素總含量，而利用1-MCP熏蒸可延緩其葉綠體光合作用機(jī)制受到破壞的速度和葉片總?cè)~綠素的降解速度，盡可能確保甘蔗葉片能進(jìn)行光合作用，保證CO2同化速率和光合作用的正常運(yùn)行，從而緩解干旱脅迫對甘蔗光合作用的破壞，減少干旱脅迫對甘蔗植株的傷害。

葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)是探測和分析植物光合作用功能的重要手段，同時也是研究植物逆境脅迫與光合生理關(guān)系的理想探針[22]。目前，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)已廣泛應(yīng)用于干旱脅迫、低溫脅迫和鹽脅迫的植物生理研究等方面[22-28]。已有研究表明，植物的Fv/Fm在正常條件下基本保持在穩(wěn)定水平，當(dāng)遭受干旱脅迫時，F(xiàn)v/Fm會迅速下降，導(dǎo)致其Yield、ETR和qP下降，且隨著干旱程度的不斷加重，這些參數(shù)的降幅更明顯。此外，在干旱脅迫下，植物直接以熱耗散途徑消耗過剩光能的量逐漸增加，qN不斷上升[29]。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果一致，在正常供水時，使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗對其葉片的Fv/Fm、Yield、ETR、qP和qN等葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響不明顯，而在干旱脅迫情況下使用1-MCP熏蒸能有效延緩苗期甘蔗葉片F(xiàn)v/Fm、Yield、ETR和qP的下降速度，降低qN升幅，維持PSII對光能的捕獲能力，保持正常的光能轉(zhuǎn)化效率，防止熱能過度耗散對光合結(jié)構(gòu)造成失活或破壞。

1-MCP廣泛應(yīng)用于鮮花和果蔬保鮮，以及延緩果實采后衰老和提高貯藏品質(zhì)等方面，也常作為乙烯抑制劑使用，并逐漸應(yīng)用于減輕逆境(尤其在抗熱和抗病方面)對植物造成傷害的研究[7，30-33]。1-MCP是一種環(huán)丙烯類小分子化合物，常溫下為氣態(tài)，用于甘蔗苗期抗旱處理需在密閉空間進(jìn)行，如王小樂等[14]研究表明，在密閉空間噴施一定濃度的乙烯利和1-MCP組合能提高甘蔗苗期CAT、SOD和POD活性，減輕水分脅迫壓力；王冠玉等[15]在密閉空間對苗期甘蔗施用1-MCP能提高其葉片POD和SOD活性，有利于緩解干旱脅迫對植物細(xì)胞的傷害；方位寬等[16]在密閉空間使用1-MCP處理苗期甘蔗2次，能增加甘蔗SoMAPK4基因在轉(zhuǎn)錄水平上的表達(dá)量，且隨著干旱脅迫時間的延長而增加。因此，對大田苗期甘蔗利用1-MCP進(jìn)行抗旱性研究尚需探究合適的處理方法。

4 結(jié) 論

用1.0 mg/L 1-MCP熏蒸受干旱脅迫的苗期甘蔗，能減緩其葉片葉綠素總含量、Fv/Fm、Yield、ETR和qP的下降速度，降低qN升幅，在短期內(nèi)有利于緩解干旱對苗期甘蔗的傷害，可在苗期甘蔗干旱生理生化研究中參考應(yīng)用。