鋁脅迫下植物生長調(diào)節(jié)劑對杉木幼苗葉綠素熒光特性的影響

呂蒙蒙 陳宇 林思祖

摘要：以杉木實生苗為試驗材料，選擇萘乙酸（NAA）、吲哚-3-乙酸（IAA）、6-芐氨基嘌呤（6-BA）等3種生長調(diào)節(jié)劑，采用單因素試驗，各因素設(shè)置3個濃度，研究不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗葉綠素熒光特性的影響。結(jié)果表明，鋁脅迫對杉木幼苗的葉綠素熒光參數(shù)造成了影響，與CK（無Al3+、pH值為4.5的Hoagland-Arnon營養(yǎng)液）相比，CKAL處理（有Al3+、pH值為4.5的Hoagland-Arnon營養(yǎng)液）下的初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率（QY）、PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）和PSⅡ潛在光化學(xué)活性（Fv/Fo）總體呈現(xiàn)先升高后降低又升高的趨勢?？偟膩碚f，生長調(diào)節(jié)劑在一定程度上提高了杉木葉片的Fv、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）、QY，降低了Fo、非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）。

關(guān)鍵詞：杉木;生長調(diào)節(jié)劑;鋁脅迫;葉綠素熒光

中圖分類號：S791.270.1文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2020）22-0116-06

作者簡介：呂蒙蒙（1993—），男，河南靈寶人，碩士研究生，主要從事森林培育研究。E-mail：1257044523@qq.com。

通信作者：林思祖，博士，教授，主要從事森林培育及林木遺傳育種研究。E-mail：Szlin53@126.com。

杉木（Cunninghamialanceolata）別稱沙木、沙樹等，為杉科喬木，是亞熱帶地區(qū)優(yōu)質(zhì)速生針葉樹種，林業(yè)價值高，分布廣闊，是我國南方地區(qū)經(jīng)營歷史最長的用材樹種之一[1-2]。目前，杉木人工林面積分別占全國人工林面積和森林總面積的18.2%、37.4%，且擴增趨勢明顯[3-4]。葉綠素熒光分析技術(shù)是一種快速、高效、精確且無損傷測定植物葉片熒光參數(shù)以反映植物光合過程動態(tài)變化的技術(shù)，在測定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，具有反映內(nèi)在特性的特點[5-7]。通過觀測植物葉綠素熒光參數(shù)的變化，可以研究和分析植物利用光能的一般規(guī)律及其在不同外界因素影響下的動態(tài)響應(yīng)，因此葉綠素熒光參數(shù)被廣泛應(yīng)用于植物光合生理、抗性育種以及林木引種等方面[8-11]。

植物生長調(diào)節(jié)劑對植物具有重要的生理調(diào)節(jié)作用，適當濃度的生長調(diào)節(jié)劑對植物抵抗逆境脅迫的作用也較顯著[12-14]。目前，關(guān)于鋁脅迫及葉綠素熒光參數(shù)方面已經(jīng)有不少研究[15-18]，但是關(guān)于植物生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木熒光特性的影響尚未見報道，因此相關(guān)研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

本研究以杉木實生苗為材料，分析植物生長調(diào)節(jié)劑萘乙酸（NAA）、吲哚-3-乙酸（IAA）和6-芐氨基嘌呤（6-BA）對鋁脅迫下杉木幼苗葉綠素熒光特性的影響，從而豐富杉木耐鋁機制的研究結(jié)果，為進一步改善杉木在酸性土壤中的生長狀況及之后的分子生物學(xué)研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗地點

試驗地點位于福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院實驗室，育苗及試驗于2019年8—10月開展。

1.2試驗設(shè)計

以福建尤溪國有林場提供的杉木三代種子園種子為原始材料，經(jīng)培育后獲得的長勢較一致的實生苗。種子用去離子水清洗3遍后，置于初始溫度為45℃的超純水中浸泡24h，其間用玻璃棒攪動。然后去掉浮于水面的癟粒、澀粒，用3g/LKMnO4消毒0.5h，再用去離子水清洗干凈，靜置待用。將浸泡好的種子放在濾紙板上，置于光照—黑暗周期為14h（25℃）—10h（22℃）、光照度為110μmol/（m2·s）、相對濕度為75%的氣候箱中。萌發(fā)15d后，挑選長勢良好的幼苗移栽至盛有Hoagland-Arnon營養(yǎng)液（pH值為5.5）的培養(yǎng)框中，于溫室內(nèi)進行水培。控制溫度為25℃，光照時間為12h/d，光照度為12000lx。7d更換1次營養(yǎng)液，培養(yǎng)1個月后選取長勢一致的幼苗進行處理。脅迫開始后的pH值均為4.5，在脅迫10、20、30d時采樣測定各項指標[19]。

本研究采用單因素試驗，根據(jù)前期預(yù)試驗及參考前人的研究成果，選擇NAA、IAA、6-BA等3種生長調(diào)節(jié)劑，并各設(shè)置3個質(zhì)量濃度，鋁濃度為1mmol/L（鋁源為AlCl3·6H2O）。同時設(shè)置2個對照，分別為無Al3+、pH值為4.5的Hoagland-Arnon營養(yǎng)液（CK）和有Al3+、pH值為4.5的Hoagland-Arnon營養(yǎng)液（CKAL）[20]。具體處理見表1。

1.3測定指標

將杉木葉片置于暗箱中進行充分暗反應(yīng)，至少20min，用PSI公司生產(chǎn)的葉綠素熒光成像儀（HandyFlu0rCam）測定初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、PSⅡ潛在光化學(xué)活性（Fv/Fo）、PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率（QY）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）等相關(guān)參數(shù)。每株杉木幼苗取3張葉片為1次重復(fù)，做3次重復(fù)[21-22]。

2結(jié)果與分析

2.13種生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗初始熒光的影響

由圖1可知，與CK相比，CKAL處理的Fo總體上呈升高趨勢。脅迫10d時，60mg/LNAA、30mg/LIAA、30mg/L6-BA處理的Fo分別較CKAL處理降低了5.9%、9.2%、2.4%;脅迫20d時，20mg/LNAA、10mg/LIAA處理的Fo分別較CKAL處理降低了0.1%、4.5%，而30mg/L6-BA處理的Fo與CKAL處理相比提升了0.1%;脅迫30d時，20mg/LNAA、30mg/LIAA、50mg/L6-BA處理的Fo分別較CKAL處理降低了18.5%、10.7%、13.0%。

2.2不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗最大熒光的影響

由圖2可知，與CK相比，CKAL處理的Fm總體上呈升高趨勢。脅迫10d時，20mg/LNAA、50mg/LIAA、10mg/L6-BA處理下的Fm分別比CKAL處理提高了9.2%、14.4%、4.0%;脅迫20d時，60mg/LNAA、50mg/LIAA、10mg/L6-BA處理的Fm分別比CKAL處理提高了2.7%、8.7%、3.7%;脅迫30d時，與CKAL處理相比，不同生長調(diào)節(jié)劑處理的Fm總體上明顯下降，其中60mg/LNAA、10mg/LIAA、50mg/L6-BA處理的Fm分別比CKAL處理降低了14.3%、13.1%、14.5%。

2.3不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗可變熒光的影響

由圖3可知，與CK相比，CKAL處理的Fv總體上呈升高趨勢。脅迫10d時，不同生長調(diào)節(jié)劑處理的Fv與CKAL處理相比總體上明顯升高，其中20mg/LNAA、50mg/LIAA、10mg/L6-BA處理的Fv分別比CKAL處理提高了7.4%、15.7%、3.5%;脅迫20d時，60mg/LNAA、50mg/LIAA、10mg/L6-BA處理的Fv分別比CKAL處理提高了3.1%、8.3%、2.6%;脅迫30d時，不同生長調(diào)節(jié)劑處理的Fv與CKAL處理相比總體上明顯下降，其中60mg/LNAA、10mg/LIAA、50mg/L6-BA處理的Fv分別比CKAL處理降低了14.9%、13.8%、14.8%。

2.4不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗PSⅡ潛在光化學(xué)活性的影響

由圖4可知，與CK相比，CKAL處理的Fv/Fo總體上明顯升高。脅迫10d時，60mg/LNAA、50mg/LIAA、50mg/L6-BA處理的Fv/Fo分別比CKAL處理提高了1.3%、6.7%、0.4%;脅迫20d時，60mg/LNAA、10mg/LIAA處理的Fv/Fo分別比CKAL處理提高了2.1%、1.1%，而30mg/L6-BA處理的Fv/Fo則CKAL處理降低了0.3%;脅迫30d時，20mg/LNAA、30mg/LIAA、10mg/L6-BA處理的Fv/Fo分別比CKAL處理提高了12.6%、5.5%、0.9%。

2.5不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗PSⅡ最大光化學(xué)效率的影響

由圖5可知，與CK相比，CKAL處理的Fv/Fm總體上明顯升高。脅迫10d時，60mg/LNAA、50mg/LIAA處理的Fv/Fm分別比CKAL處理提高了0.3%、1.2%，而50mg/L6-BA處理的Fv/Fm比CKAL處理降低了0.1%;脅迫20d時，60mg/LNAA、10mg/LIAA處理的Fv/Fm分別比CKAL處理提升了0.4%、0.2%，而30mg/L6-BA處理的Fv/Fm比CKAL處理降低了0.1%;脅迫30d時，20mg/LNAA、30mg/LIAA、10mg/L6-BA處理的Fv/Fm分別比CKAL處理提高2.2%、1.1%、0.2%。

2.6不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率的影響

由圖6可知，與CK相比，CKAL處理的QY總體上明顯提高。脅迫10d時，60mg/LNAA、50mg/LIAA處理的QY分別比CKAL處理提高了0.4%、1.1%，而50mg/L6-BA處理的QY無變化;脅迫20d時，60mg/LNAA、10mg/LIAA處理的QY分別比CKAL處理提高了0.3%、0.4%，而30mg/L6-BA處理的QY與CKAL處理相比無明顯變化;脅迫30d時，20mg/LNAA、30mg/LIAA、10mg/L6-BA處理的QY與CKAL處理相比分別提高了2.3%、1.1%、0.3%。

2.7不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗非光化學(xué)猝滅系數(shù)的影響

由圖7可知，與CK相比，CKAL處理的NPQ總體上明顯升高。脅迫10d時，不同生長調(diào)節(jié)劑處理的NPQ與CKAL處理相比總體上明顯降低，其中60mg/LNAA、10mg/LIAA、30mg/L6-BA處理對NPQ的影響最大，分別較CKAL處理降低了23.8%、15.1%、9.4%;脅迫20d時，60mg/LNAA、10mg/LIAA、50mg/L6-BA處理的NPQ分別較CKAL處理降低了17.3%、22.0%、11.2%;脅迫30d時，60mg/LNAA、10mg/LIAA、50mg/L6-BA處理的NPQ分別較CKAL處理降低了33.7%、22.7%、16.7%。

2.8不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗光化學(xué)猝滅系數(shù)的影響

由圖8可知，與CK相比，CKAL處理的qP明顯降低。脅迫10d時，不同生長調(diào)節(jié)劑處理的qP與CKAL處理相比總體上明顯降低，60mg/LNAA、10mg/LIAA、10mg/L6-BA處理的qP分別較CKAL處理降低了10.8%、5.2%、5.4%;脅迫20d時，100mg/LNAA、50mg/L6-BA處理的qP分別較CKAL處理提高了3.8%、0.4%，而50mg/LIAA處理的qP與CKAL處理相比降低了2.4%;脅迫30d時，不同生長調(diào)節(jié)劑處理的qP與CKAL處理相比總體上有所提高，100mg/LNAA、10mg/LIAA、30mg/L6-BA處理的qP分別較CKAL處理提高了3.3%、6.8%、6.8%。

3討論與結(jié)論

植物葉片是光合作用的主要部位和鋁毒害的關(guān)鍵位點之一，植物通過葉綠素捕獲光能獲得能量，這一過程所產(chǎn)生的熒光信號可以對植物的生理變化產(chǎn)生敏感反應(yīng)，因此可以把葉綠素熒光參數(shù)作為衡量植物體在逆境脅迫條件下耐受性的一項重要指標[23-26]。

一般而言，F(xiàn)o主要指初始熒光，用于表征PSⅡ反應(yīng)中心的基本狀態(tài)，逆境脅迫下該值的增加通常與PSⅡ反應(yīng)中心受到不可逆的破壞或可逆的失活有關(guān)。Fm和Fv分別指最大熒光和可變熒光，用來表示光系統(tǒng)PSⅡ的電子傳遞情況和PSⅡ反應(yīng)中心活性的高低[27-28]。QY為實際最大光量子產(chǎn)率，可以反映植物光合電子傳遞速率的快慢，指植物目前的實際最大光合效率。Fv/Fm主要指光系統(tǒng)PSⅡ的光化學(xué)效率，而且該值與植物光合速率密切相關(guān)，F(xiàn)v/Fo主要指PSⅡ的潛在光化學(xué)活性，該值越高，表示具有活性的反應(yīng)中心數(shù)量越多，能更有效地將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。鋁脅迫下Fo的增加及Fm、Fv、QY、Fv/Fm、Fv/Fo的下降表明鋁脅迫處理導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心受損，降低了電子傳遞速率，從而導(dǎo)致光合能力下降[29]。本試驗發(fā)現(xiàn)，與CK相比，鋁脅迫下的Fo、Fm、Fv、QY、Fv/Fm和Fv/Fo總體上呈現(xiàn)先升高后降低又升高的趨勢，這可能與試驗條件及時間周期造成的差異有關(guān)?？偟膩碚f，生長調(diào)節(jié)劑能夠在一定程度上提高杉木葉片的Fv、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、qP、QY，降低Fo。

葉綠素熒光耗散途徑分為非光化學(xué)淬滅、光化學(xué)淬滅2種形式。qP主要指光化學(xué)淬滅，是光合作用引起的熒光淬滅，可以反映植物光合活性的高低，與光系統(tǒng)PSⅡ電子傳遞活性密切相關(guān)。NPQ主要指非光化學(xué)淬滅，反映了植物將多余的光能以熱能形式耗散的能力，是逆境脅迫下植物防止過剩光能對光合機構(gòu)造成破壞的一種重要保護機制。鋁脅迫下光化學(xué)淬滅值降低和非光化學(xué)淬滅系數(shù)增加，表明鋁脅迫下光系統(tǒng)PSⅡ電子傳遞活性受到顯著抑制，導(dǎo)致更多光能通過非光化學(xué)淬滅的形式耗散，從而使植物葉片對光能的利用效率顯著降低[30-31]。本試驗中的結(jié)論與之基本一致，即生長調(diào)節(jié)劑可以有效降低NPQ，提高qP。

總的來說，鋁脅迫影響了杉木幼苗的葉綠素熒光參數(shù)的變化情況，生長調(diào)節(jié)劑在一定程度上提高了杉木葉片的Fv、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、qP、QY，降低了Fo、NPQ。本研究關(guān)于生長調(diào)節(jié)劑對杉木鋁脅迫下葉綠素熒光方面的探索是一次初步嘗試，在試驗設(shè)計和方法中可能還有一些不足之處，在之后的研究中將進一步完善。

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