不同紫羅蘭品種對弱光脅迫的響應

張一丹，周長娥，郭紹霞

(1.青島農(nóng)業(yè)大學園林與林學院，山東青島 266109；2.青島市農(nóng)業(yè)技術推廣中心，山東青島 266071 )

光是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，光合作用將光能轉化為有機物，為植物光合作用提供能量[1]；同時，植物感受光信號因子調(diào)控形態(tài)建成，從而使植物達到最佳生長狀態(tài)[2-3]。

紫羅蘭(Matthiolaincana)為十字花科、紫羅蘭屬二年生植物，花大色艷，開花時間長，常用作冬季日光溫室切花栽培植物[4-5]。在冬季北方地區(qū)，隨著時間與空間的改變光照強度變化幅度較大，嚴重影響植物生長，降低其品質(zhì)和產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)在弱光環(huán)境下，植物進行光合作用的能力減弱，電子傳遞速率減慢，促使植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生，使細胞膜系統(tǒng)受到損傷及代謝過程受阻[6]，降低了植物對礦質(zhì)營養(yǎng)的攝入和同化產(chǎn)物的積累，導致植株矮小、干物質(zhì)量減少等[7]。馬鈴薯(Solanumtuberosum)在持續(xù)弱光環(huán)境下生長后，發(fā)現(xiàn)其莖節(jié)細長、葉片變薄、葉面積減小，同時葉綠素含量降低、生長速度遲緩[8]。另外研究表明，在弱光脅迫下黃心菜(Brassicapekinensis)葉片的PSII實際光化學量子效率(φPSII)和PSII電子傳遞速率(ETR)與對照相比顯著下降，說明弱光可以導致植物光合作用下降[9]；關曉溪等[10]研究發(fā)現(xiàn)弱光脅迫下煙草(NicotianatabacumL.)幼苗的可溶性蛋白含量下降，丙二醛(MDA)含量升高，使膜系統(tǒng)受損；薛維納等[11]研究表明，當植物受到嚴重弱光脅迫時，抗氧化酶活性受到抑制，活性氧不能被及時清除，從而對植物體形成氧化損傷。因此，測定不同品種紫羅蘭的生長和生理指標，篩選出耐弱光的品種，應用于冬季溫室栽培，提高其觀賞品質(zhì)和市場競爭力，是當前設施栽培生產(chǎn)亟待解決的問題之一。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的3個紫羅蘭品種分別為‘卡尼陀’‘輝煌’和‘貴族’，購買自浙江虹越花卉股份有限公司。試驗地點為青島農(nóng)業(yè)大學人工氣候室，育苗基質(zhì)為園土∶蛭石∶草炭按2∶1∶1體積比混合。

1.2 試驗方法

挑選籽粒飽滿的種子浸種催芽后于2018年12月將紫羅蘭種子播種于128孔的穴盤內(nèi)，正常光溫管理，光照強度(500 μmol·m-2·s-1)，溫度18 ℃/11 ℃(晝/夜)，光周期12 h/12 h(晝/夜)，空氣相對濕度保持在60%～80%。每周澆3次水，澆水均勻而充足。每7 d澆1次Hoagland營養(yǎng)液，以保證養(yǎng)分供給，管理期間注意溫度、光照和通氣條件等的控制。26 d后(約2～4片真葉)將生長健壯且長勢一致的幼苗移栽至盆口直徑15 cm、高18 cm的塑料盆內(nèi)，每盆2株苗，待長出6～8片真葉后在人工氣候室內(nèi)進行弱光(100 μmol·m-2·s-1)處理，其他生長條件均不變。采用隨機分組設計，在弱光處理后的0 d、1 d、3 d、5 d、7 d時分別選取功能葉(從上往下數(shù)第3～4葉)進行指標測定，重復3次。

1.3 指標測定

1.3.1 生長指標的測定

用尺子(0.1 mm)測量紫羅蘭根莖部到植株生長點的距離即為株高；用清水將紫羅蘭根部沖洗干凈后將表面水分吸干，稱量紫羅蘭地上部和地下部鮮重；將紫羅蘭幼苗放入105 ℃烘箱中殺青20 min，在85 ℃下烘干至恒重，用萬分之一電子天平稱量地上部干重和地下部干重。

1.3.2 生理指標的測定

超氧化物歧化酶(SOD)活性、可溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)含量以及葉綠素含量的測定均采用王學奎[12]描述的方法。

葉綠素熒光測定：選擇晴朗少云的天氣(9：30至11：30)，葉片暗適應30 min后用Pocket PEA(Hansatech Instruments Ltd.，UK)測定葉片的葉綠素熒光參數(shù)，根據(jù)最小熒光值(Fo)、最大熒光值(Fm)、可變熒光值(Fv)及穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)等計算PSII實際光化學量子效率(φPSII)和PSII電子傳遞速率(ETR)[13-14]。

1.3.3 耐弱光性綜合評價

采用隸屬函數(shù)法[15]進行綜合比較。與抗弱光性呈正相關的指標諸如超氧化物歧化酶(SOD)活性、可溶性蛋白質(zhì)含量等采用公式：

U(Xijk)=(Xijk-Xmin)/(Xmax-Xmin)

與抗弱光性呈負相關的指標MDA含量等采用公式：

U(Xijk)=1-(Xijk-Xmin)/(Xmax-Xmin)

上述公式中：U(Xijk)為第i個品種第j個取樣階段第k項指標的隸屬度，且U(Xijk)∈[0,1]；Xijk表示第i個品種第j個取樣階段第k個指標測定值；Xmax、Xmin為所有參試品種中第k項指標的最大值和最小值。用以上公式求出不同品種的各項指標參數(shù)的隸屬函數(shù)值，再求各值和的平均值得其綜合評價值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.5 (LSD法進行方差分析)軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

2 結果與分析

2.1 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種生長的影響

由表1可以看出，3個紫羅蘭品種弱光脅迫處理后7 d與0 d相比，其株高、地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重和地下部干重均有不同程度的增長，‘卡尼陀’的地上部鮮重、地上部干重和地下部干重增加最顯著，分別增加了136.8%、67.7%、40.0%。

表1 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種生長的影響Table 1 Effects of low light stress on the growth of different violet cultivars

2.2 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種抗氧化酶(SOD)活性的影響

圖 1 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種SOD活性的影響Fig.1 Effects of low light stress on SOD activity of different violet cultivars

2.3 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白是植物體內(nèi)一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，對生物膜起到保護作用，在逆境脅迫下，植物體為抵御逆境脅迫會增加自身可溶性蛋白含量，以減緩逆境對其產(chǎn)生的不良影響[17]。由圖2可以看出，弱光脅迫處理0～3 d，‘卡尼陀’和‘貴族’可溶性蛋白含量先上升后下降，而‘輝煌’可溶性蛋白含量一直上升。處理3～7 d時，3個紫羅蘭品種的可溶性蛋白均呈下降趨勢?？傮w來看，紫羅蘭葉片中可溶性蛋白的含量先升高后下降，這說明，在一定程度的弱光脅迫下，植物體能夠通過自身適應反應增加可溶性蛋白含量，減輕弱光脅迫對其產(chǎn)生的不良影響，但隨著弱光脅迫時間的延長，植物自身無法進行應激調(diào)節(jié)，對植物造成了不可逆的傷害。

圖2 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種可溶性蛋白含量的影響Fig.2 Effects of low light stress on soluble protein content of different violet cultivars

2.4 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種丙二醛(MDA)含量的影響

從圖3可以看出，隨著弱光處理時間的延長，從總體趨勢來看，3個紫羅蘭品種在弱光脅迫下MDA含量都呈現(xiàn)上升的趨勢，但在程度上存在差異。在處理5～7 d時，‘輝煌’MDA含量急速上升，‘貴族’和‘卡尼陀’MDA含量緩慢增加；處理7 d與0 d相比，3個紫羅蘭品種的MDA含量顯著增加，‘卡尼陀’‘貴族’‘輝煌’比對照分別增加了70.9%、36.7%，42.4%，說明弱光脅迫對‘輝煌’的細胞膜傷害最大。

圖3 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of low light stress on MDA content of different violet cultivars

2.5 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種總葉綠素含量的影響

隨著弱光脅迫處理時間的延長，3個紫羅蘭品種的總葉綠素含量均呈下降趨勢(圖4)。其中，與0 d相比，處理1～3 d時‘卡尼陀’和‘貴族’總葉綠素含量顯著下降，分別下降了43.2%和40.5%，而‘輝煌’總葉綠素含量下降不顯著；處理7 d與0 d相比‘輝煌’‘卡尼陀’和‘貴族’的總葉綠素含量均顯著降低，分別降低了30.9%、61.5%和50.1%。

圖4 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種總葉綠素含量的影響Fig.4 Effects of low light stress on total chlorophyll content of different violet cultivars

2.6 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種葉綠素熒光參數(shù)的影響

如圖5所示，弱光脅迫下3個紫羅蘭品種的PSII實際光化學量子效率(φPSII)和PSII電子傳遞速率(ETR)顯著下降(見圖5A、5B)，處理7 d與0 d相比‘卡尼陀’‘貴族’‘輝煌’的φPSII分別降低了27.8%、38.2%、44.6%；ETR分別降低了37.7%、51.4%、63.6%，說明弱光脅迫使紫羅蘭葉片的PSII反應中心受到影響，電子傳遞速率下降，降低了植株對光能的利用效率。

圖5 弱光脅迫對不同紫羅蘭品種葉綠素熒光參數(shù)φPSII和ETR的影響Fig.5 Effects of low light stress on chlorophyll fluorescence parameters φPSIIand ETR of different violet cultivars

2.7 耐弱光性綜合評價

運用隸屬函數(shù)法對3個品種進行耐弱光的綜合評價(表2)。根據(jù)平均隸屬函數(shù)值越大其耐弱光能力越強得出3個品種的耐弱光能力順序為：‘卡尼陀’>‘貴族’>‘輝煌’。

表2 紫羅蘭品種的耐弱光性排名Table 2 Low light resistance of M. incana cultivars

3 討論

在弱光脅迫下，植物為了適應環(huán)境，會調(diào)節(jié)自身形態(tài)特征[18]，比如植物株高增加，葉片干重減少等都是植物為了適應弱光脅迫所采取的反應機制。干物質(zhì)的積累與碳的凈同化密切相關，因此在植物的生長過程中，弱光往往會導致植物干物質(zhì)積累減少和產(chǎn)量下降[19]。楊柳等[20]對‘狹葉紅景天’幼苗(Rhodiolakirilowii)的研究中發(fā)現(xiàn)，遮陰處理與對照相比，植株株高顯著增加，總生物量、根干重、根冠比顯著減少；劉科等[21]研究發(fā)現(xiàn)遮光使超級雜交稻干物質(zhì)積累量比普通雜交稻品種和常規(guī)稻品種下降明顯，說明超級雜交稻對弱光的抵抗能力較差。在本試驗中，弱光脅迫下不同品種紫羅蘭株高、地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重和地下部干重較0 d都有所增長，但增長幅度不同，其中‘卡尼陀’的地上部鮮重、地上部干重和地下部干重增長量最多，因此，‘卡尼陀’的干物質(zhì)積累量最多，受弱光脅迫的影響最小。

不良環(huán)境脅迫下，植物光合色素含量發(fā)生明顯變化，從而改變其光合能力[22]。葉綠素作為綠色植物不可或缺的色素，在植物光合作用中發(fā)揮著重要作用[23]。植物的葉綠素熒光參數(shù)將植物在光合作用中的部分變化信息呈現(xiàn)出來，比如光能的吸收、傳遞等[24]。王成孜等[25]研究表明弱光脅迫下水稻(OryzasativaL.)葉片的PSII實際光化學量子效率(φPSII)及電子傳遞速率(ETR)顯著降低，這與本試驗研究結果一致。本研究中，弱光脅迫處理下紫羅蘭葉片的總葉綠素含量、φPSII和ETR顯著下降，這可能是由于光合色素含量的多少將直接影響植物的光合作用，在弱光脅迫下，紫羅蘭葉片獲得的光能減少，阻礙了其PSII光化學反應的進程。

細胞膜是維持細胞正常代謝的必要屏障，在控制細胞內(nèi)外物質(zhì)運輸和交換上發(fā)揮了重要作用[26-27]。植物處于逆境脅迫下，其體內(nèi)會產(chǎn)生較多的活性氧，而SOD等抗氧化酶、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對活性氧的清除和保護膜結構的完整性中發(fā)揮重要作用，并減輕活性氧帶來的傷害[28]。活性氧積累會造成膜脂過氧化，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛 (MDA)是反映植物細胞膜受傷害程度的重要指標之一[29-30]。本試驗結果表明，弱光脅迫下，3個紫羅蘭品種葉片SOD酶活性顯著下降、MDA的含量顯著增加、可溶性蛋白含量呈下降趨勢?？梢哉f明，隨弱光脅迫時間增長，細胞中活性氧自由基增加，導致抗氧化酶結構破壞或使其活性降低，這與尹立輝[31]對非洲紫羅蘭(Saintpauliaionantha)的耐陰性研究中的結果一致。

綜合分析得出3個紫羅蘭品種在弱光下的適應程度為‘卡尼陀’>‘貴族’>‘輝煌’。本試驗全程在人工控制的環(huán)境下進行，雖然有利于試驗操作和得出結果，但是若想揭示自然條件下綜合環(huán)境因子對于紫羅蘭的傷害機制仍有一定的局限。弱光脅迫的同時往往伴隨著其他的逆境因子，例如水分脅迫、低溫脅迫等。因而，今后針對植物各種附加逆境因子綜合作用的研究可能對于我們引種、選育更具有實際意義。