2,4-表油菜素內(nèi)酯對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合特性的影響

張帥磊，羅石磊，張文淵，李嘉琪，張國斌

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，蘭州 730070)

土壤鹽分是世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的非生物脅迫[1]。據(jù)統(tǒng)計，世界上可耕地土壤約有1/3的面積發(fā)生鹽漬化，嚴重影響著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。中國目前鹽漬化土壤面積已超過3 600 萬hm2，占全國可利用面積5%左右[3]。

黃瓜(CucumissativusL.)是中國主要蔬菜作物之一，并對鹽脅迫十分敏感[4]。高濃度鹽脅迫會致使黃瓜葉片葉綠體變形，基質(zhì)類囊體片層結(jié)構(gòu)部分損傷，抑制光合電子傳遞鏈并影響氣孔開閉，降低光合效率，進而影響植株生長發(fā)育[3, 5-7]。嚴蓓等[8]研究表明，NaCl脅迫會導(dǎo)致黃瓜葉片光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)遭到損傷，降低PSⅡ光化學(xué)效率；王中玉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，NaCl脅迫會降低西瓜幼苗葉片PSⅡ的電子傳遞能力。

2,4-表油菜素內(nèi)酯(EBL)是植物生長過程中不可或缺的第六大類激素[10-11]。前人研究表明，EBL具有提高植物光合效率、促進光合作用、調(diào)節(jié)細胞生理環(huán)境、促進正常生理生化代謝從而提高植物抗逆性的作用[12-14]。外源噴施EBL可以提高鹽脅迫條件下番茄葉片暗適應(yīng)后的最大熒光強度(Fm)，顯著增加番茄葉片原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)[15]；同時，外源噴施EBL可以提高鹽脅迫下刺槐幼苗葉片電子傳遞量子效率(ΦPSⅡ)，減輕NaCl脅迫對苜蓿幼苗PSⅡ反應(yīng)中心的破壞程度，促進QA氧化，提高PSⅡ的傳遞效率[16]。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)具有高靈敏度、非破壞性和可靠性，可快速測量光合效率，特別是PSⅡ，其可表明植物在逆境條件下光合器官的受損程度[17-19]。目前，關(guān)于EBL調(diào)控黃瓜光合性能的研究主要集中在葉片氣體交換參數(shù)方面，EBL在正常環(huán)境和鹽脅迫環(huán)境下均可提高黃瓜幼苗的凈光合速率，增強幼苗光合能力，而EBL對鹽脅迫條件下黃瓜葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響的研究則鮮見報道。本試驗以黃瓜為試驗材料，研究了外源2,4-表油菜素內(nèi)脂(EBL)對中度鹽脅迫條件下黃瓜幼苗葉片PSⅡ的影響，探討EBL緩解中度鹽脅迫黃瓜幼苗的光合生理機制，為油菜素內(nèi)脂在黃瓜鹽脅迫下的抗逆研究提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院進行，選用的黃瓜品種為‘新春4號’，種子由山東省新泰市科潤種業(yè)有限公司生產(chǎn)。2,4-表油菜素內(nèi)酯(brassionolide,C28H48O6,EBL)由北京索萊寶科技有限公司生產(chǎn)。2,4-油菜素內(nèi)脂生物合成抑制劑蕓苔素唑(brassinazole，C18H18ClN3O，BZR)由上海源葉生物科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗處理

黃瓜于2021年7月6日進行浸種催芽，7月12日移栽于容積為1.5 L的水培栽培盆中，每盆4株，放置于人工氣候箱，晝/夜溫度設(shè)置為28 ℃/18 ℃，光照強度設(shè)置為20 000 Lux，待第一片真葉展平后調(diào)整為30 000 Lux；使用的營養(yǎng)液為改良霍格蘭德營養(yǎng)液。待苗齡20 d時(兩葉一心)，挑選生長一致的黃瓜苗，每盆保留3株，進行處理，每個處理3次重復(fù)。試驗采用隨機區(qū)組排列，依照前期預(yù)備試驗結(jié)果，共設(shè)置如下5個處理：1)CK，營養(yǎng)液+葉面噴蒸餾水；2)NaCl，營養(yǎng)液+50 mmol/L NaCl + 葉面噴蒸餾水； 3)EBL，營養(yǎng)液+50 mmol/L NaCl + 葉面噴0.01 mg/L EBL；4)BZR，營養(yǎng)液+50 mmol/L NaCl + 葉面噴24 μmol/L BZR，抑制黃瓜植株內(nèi)部EBL合成；5)EBL+BZR，營養(yǎng)液+50 mmol/L NaCl + 葉面噴0.01 mg/L EBL+葉面噴24 μmol/L BZR，在抑制黃瓜植株內(nèi)部EBL合成的基礎(chǔ)上外源噴施EBL，觀察EBL對鹽脅迫黃瓜幼苗的影響。各處理均在鹽脅迫當(dāng)天晚上，氣候箱光照關(guān)閉后同一時間進行外源物質(zhì)噴灑處理，以所有葉片正反面均濕潤凝結(jié)水珠而不滴落為準，每隔24 h處理1次，共處理7次。

1.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

處理7 d后，選取黃瓜幼苗最大功能葉片，使用Handy PEA(Hansatech Instruments Ltd.)儀測定葉片OJIP曲線，使用CIRAS-2(UK)便攜式光合儀測定黃瓜葉片的氣體交換參數(shù)，每個處理至少測量5次。測定前葉片充分暗適應(yīng)30 min，使用3 000 μmol·m-2·s-1紅光誘導(dǎo)，測定時間為2 s。JIP-test參數(shù)計算方法參照李鵬民[20]、Strasser R J等[21]的方法，具體參數(shù)如表1所示。

表1 文中所用參數(shù)計算公式及含義

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Excel 2019進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與整理；利用SPSS 25進行數(shù)據(jù)單因素方差分析(P< 0.05)，用Duncan’s進行多重比較；使用Origin 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源噴施EBL對黃瓜幼苗葉片氣體交換參數(shù)的影響

圖1，A～D表明，外源噴施EBL均顯著增加了鹽脅迫環(huán)境下黃瓜幼苗葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)，降低胞間二氧化碳濃度(Ci)。其中，相較于NaCl處理，EBL處理和EBL+BZR處理Pn分別顯著增加了84.4%和41.4%，Gs分別顯著增加了84.2%和46.4%，Tr分別顯著增加了65.5%和27.7%，而其Ci降低了11.9%和3.5%，但BZR處理的氣體交換參數(shù)與NaCl處理之間均無顯著差異。總體而言，外源EBL能夠增加鹽脅迫環(huán)境下黃瓜幼苗葉片的Pn、Gs、Tr，降低Ci，但Pn、Gs、Tr均未恢復(fù)至對照水平。

2.2 外源噴施EBL對黃瓜幼苗葉片OJIP曲線的影響

圖2，A顯示，鹽脅迫處理(NaCl)黃瓜幼苗葉片的OJIP曲線與CK相比發(fā)生了明顯變化，其整體熒光強度下降，F(xiàn)m減小，并與CK呈顯著差異；EBL處理和EBL+BZR處理明顯增加了鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片的Fm，以及Fo到Fm的時間，并接近CK水平；與NaCl處理相比，BZR處理則導(dǎo)致黃瓜幼苗葉片熒光強度下降，并與EBL+BZR和EBL處理存在顯著性差異。同時，進一步將OJIP曲線進行O-P點標準化后，得到VO-P曲線(圖2，B)。其中，在鹽脅迫條件下，各處理黃瓜幼苗葉片的VO-P曲線有相同的變化趨勢，與CK曲線變化趨勢明顯不同，并在K、J、I點熒光強度變化較大、明顯升高，尤其J點熒光強度升高更加明顯。J點反映的是QA被還原的速率，如果QA向QB的電子傳遞受到限制，J點則會升高，這表明鹽脅迫后黃瓜葉片電子傳遞鏈的PS Ⅱ受體側(cè)活性受到了傷害。另外，在EBL處理和EBL+BZR處理后，VO-P曲線K點和J點的熒光值均比NaCl處理大幅下降，又表明EBL處理有效緩解了鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合電子傳遞鏈中PS Ⅱ受體側(cè)的傷害程度；與NaCl處理相比，BZR處理后VO-P曲線J點則進一步降低，I點卻升高，說明QA到QB電子傳遞受到的抑制程度進一步加劇。以上結(jié)果說明，鹽脅迫環(huán)境下外源噴施EBL能夠緩解黃瓜幼苗葉片光合電子QA向QB傳遞被抑制的現(xiàn)象。

2.3 外源噴施EBL對黃瓜幼苗葉片JIP-test參數(shù)的影響

ψo反映光合電子傳遞中電子傳遞到QA以下的效率，而ψEo反映天線吸收的能量傳遞到QB以下的效率。圖3，A、B顯示，各處理黃瓜幼苗葉片ψo和ψEo值表現(xiàn)相同，均為CK > EBL >EBL+BZR > BZR > NaCl，且NaCl和BZR處理顯著低于EBL和EBL+BZR處理，而CK 與 EBL、BZR 與 NaCl之間無顯著差異，其變化趨勢與VO-P曲線(圖2，B) 中J點熒光強度值變化趨勢一致。這說明中度鹽脅迫顯著阻礙了黃瓜葉片光合電子由QA向QB的傳遞，顯著降低了天線吸收的能量傳遞到QB以下的效率，外源EBL處理有效緩解了上述受阻程度，并恢復(fù)至對照水平，解除了鹽脅迫的傷害。

同時，VI和VJ值分別表示I點和J點相對可變熒光強度，Vi增高表明PQ庫接受電子的能力下降，Vj值越大表明QA向QB電子傳遞效率越低，而dV/dto反映了光合電子傳遞過程中QA被還原的最大速率。圖3，C～E顯示，EBL處理、EBL+BZR處理和CK黃瓜幼苗葉片Vi、Vj和dV/dto值均顯著低于BZR處理和 NaCl處理，EBL處理和EBL+BZR處理則與CK無顯著差異。說明中度鹽脅迫致使PQ庫接受電子的能力顯著下降，也導(dǎo)致QA向QB電子傳遞效率顯著降低，而引起QA還原程度顯著增加；EBL處理和EBL+BZR處理顯著提高了鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片PQ庫接受電子能力和光合電子由QA向QB的傳遞效率，顯著降低了QA還原程度，并恢復(fù)至對照水平。

另外，黃瓜葉片光合性能指數(shù)PIABS(圖3，F(xiàn))和原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm(圖3，G)在BZR處理和NaCl脅迫均比CK顯著減小，PIABS在EBL處理和EBL+BZR處理下稍低于CK卻顯著高于BZR和 NaCl處理，F(xiàn)v/Fm在EBL+BZR處理下稍低于EBL 處理而顯著高于BZR和NaCl處理，兩者在BZR處理下相對于鹽脅迫更低。說明外源EBL處理顯著增加了中等鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片PIABS和Fv/Fm，有效恢復(fù)了黃瓜葉片光合性能和原初光能轉(zhuǎn)化效率。

2.4 外源噴施EBL對黃瓜幼苗葉片PSⅡ比活性參數(shù)的影響

由表2可知，鹽脅迫處理降低了黃瓜幼苗葉片ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm、RC/CSm、TRo/RC、ETo/RC，增加了DIo/CSm、DIo/RC；EBL處理和EBL+BZR處理緩解了鹽脅迫條件下ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm、RC/CSm、ETo/RC等的降低和DIo/CSm、DIo/RC的增加，BZR處理表現(xiàn)與其呈相反趨勢。其中，黃瓜葉片ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm和RC/CSm在中度鹽脅迫下分別比CK顯著降低了11%、14.8%、39.4%和12.01%，EBL處理較NaCl處理分別顯著提高了5.7%、7.7%、29%和10.6%，EBL+BZR處理較NaCl處理分別顯著提高了6.7%、9%、24.7%和11.4%。EBL處理和EBL+BZR處理的TRo/RC 值和ABS/RC值，相較于NaCl處理和BZR處理均有所下降。以上結(jié)果說明EBL增加了鹽脅迫的黃瓜幼苗葉片內(nèi)ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm和RC/CSm，降低了DIo/CSm、DIo/RC，緩解了鹽脅迫條件下黃瓜幼苗葉片內(nèi)活性反應(yīng)中心的損傷，增加葉片光能利用率。

3 討 論

光合作用是植物賴以生長的基礎(chǔ)[22]，當(dāng)植物遭受鹽脅迫時，會引起植物凈光合速率下降，氣孔關(guān)閉現(xiàn)象，從而導(dǎo)致植物正常生長受阻[23]。鹽脅迫在一定程度上會影響黃瓜光合作用過程中的各個環(huán)節(jié)，其中PS Ⅱ最易受到傷害[24]，寇江濤研究表明，EBL可以改善鹽脅迫后引起的西瓜凈光合速率下降及氣孔導(dǎo)度等光合指標[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，外源噴施EBL后能顯著改善鹽脅迫導(dǎo)致的黃瓜葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)下降，并降低胞間CO2濃度(Ci)。Farquhar等研究表明當(dāng)Ci隨Gs同時具有下降趨勢時才能說明Pn的下降是由氣孔限制造成的[26]。本試驗結(jié)果顯示，黃瓜幼苗在鹽脅迫后葉片氣孔導(dǎo)度Gs顯著低于對照CK，而胞間CO2濃度Ci高于對照CK，由此說明本試驗中導(dǎo)致黃瓜幼苗葉片凈光合速率Pn的下降是非氣孔因素所致。

OJIP曲線能夠反映大量有關(guān)PSⅡ光合電子傳遞過程中的信息。前人研究表明，植物遭受鹽脅迫后引起PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm降低的原因[27]，是植物受到逆境脅迫，光合機構(gòu)吸收的光能超過其所能利用的能量引起了光抑制[28]，從而導(dǎo)致了PSⅡ的損傷。本試驗結(jié)果表明外源EBL緩解了鹽脅迫導(dǎo)致的黃瓜幼苗葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm的降低，并接近CK水平，說明外源EBL對鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片的PSⅡ的損傷具有明顯緩解作用，這與范翠枝等[15]的研究結(jié)果相一致。

另外，光合性能指數(shù)PIABS可以反映光合功能，對逆境脅迫響應(yīng)非常敏感[31]，本研究結(jié)果顯示外源噴施EBL后，EBL處理和EBL+BZR處理均可引起鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合性能指數(shù)、單位面積內(nèi)有活性的反應(yīng)中心數(shù)目(RC/CSm)、單位面積內(nèi)吸收的光能(ABS/CSm)、捕獲的光能(TRo/CSm)、用于電子傳遞的光能(ETo/CSm)等顯著增加，單位面積熱耗散(DIo/CSm)、單位反應(yīng)中心耗散掉的能量(DIo/RC)減少，從而提升了黃瓜幼苗在鹽脅迫條件下的光合能力。外源噴施BZR后對黃瓜幼苗體內(nèi)自身產(chǎn)生EBL具有抑制作用，但比活性參數(shù)顯示BZR處理并沒有比鹽脅迫傷害更加嚴重，這可能與黃瓜幼苗體內(nèi)多種抗鹽途徑有關(guān)[32]。

綜上所述，外源噴施EBL緩解了鹽脅迫導(dǎo)致的黃瓜幼苗葉片PSⅡ供體側(cè)的傷害，促進了光合電子傳遞過程中電子QA向QB的傳遞，從而改善了鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片的光合性能，增加Pn、Gs、Tr，而降低Ci。而BZR處理黃瓜幼苗葉片光合性能進一步降低，再次說明EBL對黃瓜幼苗鹽脅迫引起的PSⅡ傷害有顯著緩解作用。