外源鈣緩解花生亞低磷光合障礙的機(jī)制

孫志宇，劉欣悅，張思威，馬明珠，白 蕊，劉 歡，易伯濤，韓曉日，劉軼飛

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/土肥高效利用國家工程研究中心，遼寧 沈陽 110866）

磷是地球上所有生物維持生命所必需的元素，也是植物中核酸、蛋白質(zhì)、磷脂、ATP、ADP以及各種含磷酶的重要組分[1–3]，因此，磷對(duì)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成至關(guān)重要[4]。然而，磷限制是全世界作物生產(chǎn)中的主要制約因素之一，同時(shí)化學(xué)磷肥來自于磷酸鹽礦石，這也是一種極其有限的不可再生資源[5–6]。全球大約 70% 的耕地缺乏有效磷[7–8]，但是磷肥當(dāng)季利用率卻僅有10%左右，沒有被作物吸收利用的磷肥也引發(fā)了許多嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[9]。喜磷喜鈣作物—花生 (ArachishypogaeaL.)是國際重要油料經(jīng)濟(jì)作物，尤其在維持我國糧油安全上具有舉足輕重的地位[10–14]。特別是，基于后疫情時(shí)代“雙循環(huán)”新發(fā)展格局下、中國大豆產(chǎn)需缺口加大等背景下，我國明確了油料作物結(jié)構(gòu)調(diào)整主要策略之一，就是多措并舉發(fā)展國內(nèi)花生生產(chǎn)部分替代大豆進(jìn)口[15]。因此，我國油料作物供給 (食用油)安全和國際新形勢新挑戰(zhàn)已然將花生產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展推到一個(gè)前所未有的國家戰(zhàn)略安全高度[13, 14, 16]。值得注意的是，我國花生中低產(chǎn)田面積大，尤其土壤有效磷多處于花生低磷 (<10 mg/kg)或者亞低磷 (17.5±7.5) mg/kg 脅迫狀態(tài)下[10, 17–19]，這嚴(yán)重制約著花生產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

光合作用是對(duì)鈣、磷養(yǎng)分變化最為敏感的代謝過程之一，同時(shí)也是花生生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[10, 19–22]。鈣離子作為第二信使，在植物逆境適應(yīng)性調(diào)節(jié)方面具有重要作用[23–25]。研究表明，增加外源鈣素供應(yīng)可以改善大豆、木豆、豇豆、瓜爾豆等的磷素吸收利用效率[26–28]。另外，葉面噴施外源鈣也可促進(jìn)低夜溫脅迫下花生根、莖、葉的生長和磷素積累，并且外源鈣激發(fā)了花生葉片的環(huán)式電子傳遞，提高了葉綠體ATP合酶活性[20]。鈣被認(rèn)為參與了卡爾文本森循環(huán)(Calvin-Benson-Bassham，CBB)中關(guān)鍵酶的調(diào)節(jié)，鈣可介導(dǎo)CBB循環(huán)酶來調(diào)控光合作用[29]。磷素對(duì)光合器官進(jìn)行光合碳同化作用是必不可少的，特別是花生中低產(chǎn)田有效磷多處于花生亞低磷脅迫狀態(tài)，顯著影響花生的葉片生長、相對(duì)葉綠素含量和光合物質(zhì)積累，顯著減少了花生葉面積和比葉質(zhì)量，并造成了花生葉片光合碳同化障礙和光抑制[10]，而生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，增施鈣肥可有效改善中低產(chǎn)田花生的生長發(fā)育、磷素利用效率和產(chǎn)量[14, 28, 30–32]，但是其作用機(jī)制尚待探究。為此，本研究將主要探討外源鈣對(duì)亞低磷脅迫下花生生長發(fā)育和光合作用的影響，以期明確外源鈣緩解花生亞低磷光合障礙的關(guān)鍵生理機(jī)制，旨在為花生高產(chǎn)栽培及優(yōu)化養(yǎng)分管理技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院人工氣候室內(nèi)進(jìn)行，以花生(ArachishypogaeaL)品種‘遼寧白沙’為試驗(yàn)材料，溫湯浸種催芽，花生帶芽單粒播種于砂培盆(外徑14 cm、底徑9.2 cm、高12 cm)中，每兩天澆透全量Hoagland’s營養(yǎng)液，采用人工氣候室盆栽培養(yǎng)2周。人工氣候室溫度、濕度、光照的設(shè)置參數(shù)：晝間為[28℃、60%、600 μmol/(m2·s)]，夜間為 [20℃、60%、0 μmol/(m2·s)]，氣候室內(nèi) CO2濃度始終設(shè)置為 (400±5) μmol/mol。在第14天，每盆澆透ddH2O (1.5 L)洗鹽，砂培盆底孔(5個(gè)孔)自然外排。基于Hoagland’s營養(yǎng)液，本課題組前期篩選出了花生亞低磷脅迫濃度[–P，0.5 mmol/L，相當(dāng)于花生中低產(chǎn)田土壤有效磷(15.5±3)mg/kg]及正常磷濃度營養(yǎng)液(CK，1 mmol/L，相當(dāng)于花生高產(chǎn)田土壤有效磷≥30 mg/kg)[10]，在不同磷濃度水平下使用KNO3和NH4NO3來平衡氮、鉀濃度。在第15天，開始進(jìn)行花生中低產(chǎn)田亞低磷脅迫模擬試驗(yàn)，選取人工氣候室內(nèi)長勢整齊一致的盆栽花生幼苗100株，并平均分為四組，即：1) CK，正常磷營養(yǎng)液 (P 1 mmol/L)+噴清水對(duì)照；2) –P，亞低磷脅迫 (P 0.5 mmol)+噴清水；3) –P+Ca，亞低磷脅迫+葉面噴施 CaCl215 mmol/L；4)–P+TFP，亞低磷脅迫+鈣調(diào)蛋白CaM抑制劑—三氟啦嗪(trifluoperazine, TFP)。每天早7：00澆透CK或者–P營養(yǎng)液(多余營養(yǎng)液底孔自然排出)，并且早8：30對(duì)應(yīng)以上各個(gè)處理，進(jìn)行葉面均勻噴施ddH2O、CaCl2和TFP等?；ㄉ械彤a(chǎn)田亞低磷脅迫試驗(yàn)處理10天，在亞低磷脅迫處理的第9天進(jìn)行活體指標(biāo)測定，在亞低磷脅迫處理的第10天進(jìn)行破壞性取樣。

1.2 花生植株干物質(zhì)重、葉面積、相對(duì)葉綠素含量及葉片氣體交換參數(shù)的測定

在亞低磷脅迫處理的第10天，使用便攜式葉面積儀 AM-300 (ADC BioScientific，UK)測定各處理花生單株葉面積，記錄參數(shù)，將植株洗凈后放入牛皮紙袋，于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9204A (上海精宏)中105℃殺青30 min后，65℃下烘干至恒重，使用千分之一天平測量各處理花生植株干物質(zhì)重，記錄參數(shù)。相對(duì)葉綠素含量采用葉綠素儀(SPAD-502 plus，日本)測定。

在亞低磷脅迫處理的第9天上午10:00，使用高級(jí)光合測量系統(tǒng) GFS-3000 (Heinz Walz, Effeltrich,Germany)測量各處理花生倒三葉位置葉片的相關(guān)氣體交換參數(shù)。測定時(shí)參數(shù)設(shè)置為：葉室面積3 cm2，CO2濃度 400 μmol/mol，測定光強(qiáng) 600 μmol/(m2·s)。CO2濃度通過二氧化碳鋼瓶保持穩(wěn)定。分別記錄各處理花生葉片的凈光合速率(net photosynthetic，Pn)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、胞間 CO2濃度 (intercellular CO2concentration，Ci)。

1.3 慢速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線和P700活性的測定

在亞低磷脅迫處理的第9天，使用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x Dual-Pam 100 (Heinz Walz, Effeltrich, Germany)對(duì)花生倒三葉位置葉片的葉綠素?zé)晒夂蚉700活性進(jìn)行測量。待測花生植株暗適應(yīng)30 min后，選擇同時(shí)測量PSⅡ 和PSⅠ的Fluo+P700測量模式，分析模式選擇SP-Analysis，測量開始后，打開測量光，測量光很弱，小于 1 μmol/(m2·s)，只激發(fā)色素的本底熒光但不足以引起任何的光合作用，記錄最小熒光(FO)。之后打開一次飽和脈沖，記錄最大熒光(Fm)。關(guān)閉飽和脈沖后，熒光迅速回到FO附近，之后打開光化光，期間以30 s為周期打開一次飽和脈沖，記錄最大熒光(Fm)，待熒光穩(wěn)定后記錄穩(wěn)定熒光(Fs)，300 s后熒光曲線處于穩(wěn)態(tài)，關(guān)閉光化光，待熒光值穩(wěn)定后記錄最小熒光(F′o)，結(jié)束測量程序。測量的PSⅡ熒光參數(shù)包括：PSⅡ最大量子產(chǎn)量Fv/Fm、PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y (NO)、PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y (NPQ)。測量的PSⅠ參數(shù)包括：PSⅠ實(shí)際量子產(chǎn)量Y(Ⅰ)、由PSI供體側(cè)限制引發(fā)的非光化學(xué)能量耗散的量子產(chǎn)量Y(ND)、由PSⅠ受體側(cè)限制引發(fā)的非光化學(xué)能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NA)。

1.4 P700氧化動(dòng)力學(xué)曲線和P700+暗還原曲線的測定

在亞低磷脅迫處理的第9天，使用Dual-Pam 100 (Heinz Walz, Effeltrich, Germany)可以在遠(yuǎn)紅光(FR)條件下，通過多周轉(zhuǎn)脈沖(MT)和單周轉(zhuǎn)脈沖(ST)所誘導(dǎo)形成峰的面積比來量化電子載體質(zhì)體醌(PQ)庫的大小[33]，關(guān)閉遠(yuǎn)紅光后，P700+暗還原曲線下降斜率的快慢可以表征環(huán)式電子傳遞(cyclic electron flow，CEF)的速率[34]。待測花生幼苗暗適應(yīng)30 min 后，遠(yuǎn)紅光下照射 20 s，然后打開 ST，15 s后打開MT，曲線平穩(wěn)后關(guān)閉遠(yuǎn)紅光，此時(shí)曲線將迅速下降，20 s后關(guān)閉程序，測量結(jié)束記錄參數(shù)。使用Origin來計(jì)算MT和ST所形成峰的峰面積，之后計(jì)算MT峰與ST峰面積比值。將遠(yuǎn)紅光關(guān)閉后P700信號(hào)下降曲線經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，比較下降斜率。

1.5 P515信號(hào)測定

在亞低磷脅迫處理的第9天，使用Dual-Pam 100 (Heinz Walz, Effeltrich, Germany)的 P515/535 模塊測量550—515 nm波長的信號(hào)變化。使用Dual Pam v1.19軟件的自動(dòng)化腳本在每次測量之前校準(zhǔn)和平衡P515信號(hào)[35]。暗適應(yīng)1 h后，記錄單周轉(zhuǎn)飽和脈沖誘導(dǎo)的P515信號(hào)變化情況，可以反映類囊體膜的完整性。在 630 μmol/(m2·s)光照 10 min 和暗適應(yīng)4 min后，記錄單周轉(zhuǎn)飽和脈沖誘導(dǎo)的P515信號(hào)變化，可以反映葉綠體ATP合酶活性。暗適應(yīng)12 h后550—515 nm信號(hào)的慢速暗光暗誘導(dǎo)曲線反映了膜電位和玉米黃質(zhì)的變化情況。在分析p515信號(hào)變化情況的基礎(chǔ)上，對(duì)組成質(zhì)子動(dòng)力勢PMF的跨膜電勢ΔΨ和跨膜質(zhì)子勢ΔpH進(jìn)行了量化分析。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，Origin 2021軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果以3次獨(dú)立生物重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤表示，顯著性檢驗(yàn)采用 Fisher LSD 方法。采用 Graphpad Prism 8 和Origin 2021 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生生長發(fā)育及葉片光合氣體交換的調(diào)控作用

如圖1所示，亞低磷處理顯著降低了花生干物質(zhì)重和總?cè)~面積。與CK相比，–P處理的花生干物質(zhì)重和總?cè)~面積分別下降了21.1%和30.3%，這說明亞低磷脅迫下花生的生長受到限制。與–P處理相比，–P+Ca處理的總干物質(zhì)重和總?cè)~面積分別提高了26.7%和31.9%，達(dá)到了CK水平。–P處理顯著降低了花生葉片的相對(duì)葉綠素含量，而–P+Ca處理相比–P處理顯著提高了花生葉片的相對(duì)葉綠素含量。亞低磷脅迫下，外源鈣有效緩解了花生生長發(fā)育所受的限制，促進(jìn)了花生的生長。

圖1 外源鈣對(duì)亞低磷脅迫下花生總?cè)~面積、總干物質(zhì)重和相對(duì)葉綠素含量 (SPAD) 的影響Fig.1 Effects of exogenous Ca2+ on total dry matter, total leaf area, and relative chlorophyll concentration (SPAD)of peanut under P deficiency

如圖2所示，與CK相比，–P處理下花生葉片的凈光合速率Pn顯著下降了19.1%，–P+Ca處理相比–P處理顯著提高了亞低磷脅迫下花生葉片的Pn(圖2A)，提高了20.7%；–P處理下花生葉片的蒸騰速率Tr顯著下降，下降了19%，而–P+TFP處理則進(jìn)一步誘導(dǎo)了亞低磷脅迫下Tr的顯著下降，外源鈣提高了亞低磷脅迫下花生葉片的Tr，但差異不顯著(圖2B)；–P處理下花生葉片的胞間CO2濃度Ci上升，–P+TFP處理則進(jìn)一步加大了這種上升趨勢，–P+Ca降低了亞低磷脅迫下花生葉片的Ci，但各處理間差異不顯著(圖2C)；–P處理下花生葉片的氣孔導(dǎo)度Gs顯著下降，而–P+Ca處理顯著提高了亞低磷脅迫下花生葉片的Gs(圖2D)，比–P處理提高了12.9%。

圖2 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig.2 Effects of exogenous Ca2+ on net photosynthetic rate, transpiration rate, intercellular CO2 concentration,and stomatal conductance of peanut under P deficiency

2.2 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片PSⅡ活性的影響

如圖3所示，亞低磷脅迫顯著降低了花生葉片Y(Ⅱ)，與CK相比，–P處理花生葉片Y(Ⅱ)下降了18.0%，而 Y(NO)和Y(NPQ)顯著增高，表明亞低磷脅迫下，PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)受阻，造成光能過剩。與–P處理相比，–P+Ca處理降低了Y(NO)和Y(NPQ)，Y(Ⅱ)顯著提高，這說明外源鈣提高了PSⅡ活性，減緩了PSⅡ的光抑制。

圖3 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)活性的影響Fig.3 Effects of exogenous Ca2+ on the Y(Ⅱ), Y(NO), Y(NPQ), and their proportional allocation of peanut leaves under P deficiency

2.3 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片PSⅠ活性的影響

如圖4所示，亞低磷脅迫顯著降低了花生葉片的Y(Ⅰ)。與CK相比，–P處理Y(ND)和Y(NA)上升，Y(Ⅰ)下降了5.4%，這說明亞低磷脅迫造成花生葉片PSⅠ光抑制。與–P處理相比，–P+Ca處理Y(ND)和Y(NA)下降，Y(Ⅰ)提高并達(dá)到了同CK無顯著差異的水平。說明外源鈣緩解了亞低磷脅迫對(duì)PSI供體側(cè)和受體側(cè)限制，緩解了PSⅠ光抑制。

圖4 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片PSI活性的影響Fig.4 Effects of exogenous Ca2+ on the Y(Ⅰ), Y(ND), Y(NA) and their proportional allocation of peanut leaves under P deficiency

2.4 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片PQ庫和環(huán)式電子傳遞的影響

如圖5A和B所示，CK曲線下降斜率小，此時(shí)受脅迫程度小，未完全啟動(dòng)環(huán)式電子傳遞。與CK相比，–P處理下降斜率升高，此時(shí)葉片已啟動(dòng)環(huán)式電子傳遞。與–P處理相比，–P+Ca處理的曲線下降斜率進(jìn)一步升高，說明外源鈣促進(jìn)了亞低磷脅迫下花生葉片的環(huán)式電子傳遞。而–P+TFP處理的曲線下降斜率則小于CK和–P處理，這表明亞低磷脅迫下外源TFP處理進(jìn)一步降低了環(huán)式電子傳遞速率，反向證明了鈣離子參與調(diào)節(jié)環(huán)式電子傳遞。如圖5C所示，亞低磷脅迫顯著降低了花生葉片的PQ庫大小，與CK相比，–P處理PQ 庫大小下降了22.1%，亞低磷脅迫誘發(fā)了花生葉片PQ庫的顯著減少。而外源鈣處理顯著提高了亞低磷脅迫下花生葉片的PQ庫大小，與–P處理相比，–P+Ca處理提升了21.3%，亞低磷脅迫下，外源鈣緩解了PQ庫的限制。

2.5 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片類囊體膜的完整性和ATP合酶活性的影響

如圖6A所示，CK花生葉片經(jīng)充分暗適應(yīng)后，P515信號(hào)呈緩慢降低趨勢。與CK相比，–P處理下降斜率變大，這反映了亞低磷脅迫降低了花生葉片類囊體膜的完整性，造成類囊體膜損傷；–P+Ca處理下降斜率處于CK和–P處理之間，該結(jié)果說明亞低磷脅迫下外源鈣有效緩解了花生葉片類囊體膜的損傷程度。–P+TFP處理的下降斜率最高，類囊體膜損傷最嚴(yán)重。亞低磷脅迫下，外源TFP進(jìn)一步降低了類囊體膜的完整性，反向說明了Ca2+對(duì)類囊體膜的保護(hù)作用。如圖6B所示，充分照光后，CK花生葉片的P515信號(hào)下降最快，其次是–P+Ca處理和–P處理，–P+TFP處理下降最慢。該結(jié)果說明，亞低磷脅迫降低了ATP合酶的活性，而外源鈣提高了ATP合酶的活性。亞低磷脅迫下，外源TFP進(jìn)一步降低了ATP合酶活性。

2.6 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片質(zhì)子動(dòng)力勢的影響

如圖7A所示，各處理中，CK花生葉片 ?Ψ最高，–P+TFP處理的 ?Ψ最低。亞低磷脅迫顯著降低了花生葉片的跨膜電勢?Ψ，與CK相比，–P處理的?Ψ下降了26.7%；而–P+TFP處理進(jìn)一步降低了花生葉片 ?Ψ。外源鈣顯著提高了亞低磷脅迫下花生葉片的 ?Ψ，與–P處理相比，–P+Ca處理花生葉片的?Ψ提高了26.9%，–P+Ca處理達(dá)到CK水平。如圖7B所示，在各處理中，跨膜質(zhì)子勢?pH 與 ?Ψ的變化趨勢相反。CK花生葉片?pH最低，–P+TFP處理的?pH最高。與CK相比，–P處理?pH升高了35.8%，這說明亞低磷脅迫造成花生葉片類囊體腔酸化。–P+TFP處理的?pH與–P處理處于同一水平。外源鈣顯著降低了亞低磷脅迫下花生葉片的?pH，與–P處理相比，Ca處理花生葉片的ΔpH降低了33.7%，–P+Ca處理與CK處于同一水平，這說明亞低磷脅迫下外源鈣有效緩解了花生葉片類囊體腔的酸化。

3 討論

花生具備較強(qiáng)根瘤固氮能力，但其對(duì)土壤有效磷含量具有較高要求[18]。本研究結(jié)果表明，亞低磷脅迫可造成花生干物質(zhì)積累、總?cè)~面積和相對(duì)葉綠素含量顯著降低，嚴(yán)重限制花生生長發(fā)育(圖1)。前人研究也發(fā)現(xiàn)，磷供應(yīng)不足顯著降低高產(chǎn)花生品種的葉片生長和干物質(zhì)量[10]。另外，亞低磷脅迫顯著降低花生功能葉片凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr和氣孔導(dǎo)度Gs，全面抑制光合作用水平(圖2)；許多研究也證實(shí)，磷限制條件下庫活性和生長抑制可導(dǎo)致植物光合反饋抑制[36–37]。亞低磷脅迫下，花生葉片葉綠體ATP合酶活性下降，質(zhì)子在類囊體腔中積累，?pH上升，造成類囊體腔酸化。有研究表明，缺磷會(huì)限制Benson-Calvin循環(huán)，影響CO2同化[38]。Benson-Calvin循環(huán)的限制可能會(huì)積累磷酸化的中間產(chǎn)物并固定基質(zhì)中的Pi[39]，同時(shí)Benson-Calvin循環(huán)受限也會(huì)降低對(duì)NADPH和ATP的需求。CO2同化受限，會(huì)導(dǎo)致ATP/ADP值升高，降低ATP合酶活性[40]。有研究表明，缺磷會(huì)導(dǎo)致葉綠體基質(zhì)中的Pi減少，而ATP合酶對(duì)葉綠體中Pi濃度變化非常敏感，基質(zhì)Pi濃度的輕微下降也會(huì)對(duì)ATP合酶活性產(chǎn)生重大影響，從而顯著抑制質(zhì)子的外流[41]。盡管Pi是ATP合酶合成ATP的底物，但Pi降低也會(huì)對(duì)其它代謝過程產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響[42]?？偠灾?，缺磷會(huì)減少葉綠體基質(zhì)中的Pi濃度，降低ATP合酶活性，并造成花生葉片類囊體腔酸化。

本研究發(fā)現(xiàn)，亞低磷脅迫不僅可以造成花生光合反饋抑制，同時(shí)還導(dǎo)致花生功能葉片光損傷(光抑制) (圖3、圖4)。在葉綠體中，質(zhì)子動(dòng)力勢PMF驅(qū)動(dòng)ATP合酶合成ATP，而PMF由?pH和?Ψ組成，這兩個(gè)組分對(duì)ATP合成的貢獻(xiàn)相等，但只有?pH組分通過類囊體腔酸化來誘導(dǎo)光合電子傳遞速率的下調(diào)。PMF的調(diào)節(jié)要滿足兩個(gè)生理需求：1)滿足CO2固定所需的ATP；2)下調(diào)電子傳遞避免光損傷[43]。在本試驗(yàn)中，亞低磷脅迫下花生葉片ΔpH上升和?Ψ下降(圖7)也說明，花生生長受限、ATP需求降低情況下，自身通過酸化類囊體腔下調(diào)光合電子傳遞速率避免光損傷，其中CEF的促進(jìn)(圖5)和ATP合酶活性的下降(圖6)促進(jìn)了ΔpH的升高，保護(hù)了光合膜、減少了ROS的產(chǎn)生。?pH具有兩方面功能：一是酸化的類囊體腔會(huì)下調(diào)細(xì)胞色素b6f復(fù)合體的活性，減少電子向PSⅠ傳遞，保護(hù)PSⅠ；二是誘導(dǎo)非光化學(xué)猝滅(NPQ)的qE組分來增加能量耗散[44]。有研究表明，環(huán)式電子傳遞在線性電子傳遞受限的條件下維持較大的ΔpH，從而誘導(dǎo)NPQ的qE組分耗散過多的光能。qE組分的激發(fā)會(huì)下調(diào)PSⅡ天線色素的光捕獲效率，從而防止PSⅡ的過度光損傷(光抑制)，但因此也會(huì)降低PSⅡ的電子傳遞速率[45]，這一結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果一致。在本試驗(yàn)中，亞低磷脅迫下，?pH升高，類囊體腔酸化(圖8)，亞低磷脅迫下Y(Ⅱ)顯著降低，而Y(NPQ)顯著增加，這表明包括qE在內(nèi)的調(diào)節(jié)性能量耗散機(jī)制已啟動(dòng)，消耗過剩光能。另一方面，升高的ΔpH會(huì)減緩PQH2在細(xì)胞色素b6f復(fù)合體處的氧化，限制電子向PSⅠ傳遞[46–49]，而本試驗(yàn)中，亞低磷脅迫下，Y(Ⅰ)顯著下降，光系統(tǒng)Ⅰ也發(fā)生光抑制。

圖5 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片環(huán)式電子傳遞和PQ庫的影響Fig.5 Effects of exogenous Ca2+ on CEF and PQ pool of peanut under P deficiency

圖6 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片類囊體膜的完整性和ATP合酶活性的影響Fig.6 Effects of exogenous Ca2+ on 515 rapid relaxation kinetics of peanut leaves under P deficiency

圖7 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片質(zhì)子動(dòng)力勢的影響Fig.7 Effects of exogenous Ca2+ on proton motive force of peanut under P deficiency

圖8 亞低磷脅迫下外源鈣對(duì)花生葉片光合電子傳遞鏈的影響Fig.8 Effects of exogenous Ca2+ on photosynthetic electron transport chain of peanut under P deficiency

Ca2+作為第二信使[24]，在植物外源磷感知和脅迫信號(hào)傳遞中具有重要調(diào)節(jié)作用[50]。有研究表明，Ca調(diào)節(jié)了植物葉片磷的分配[51–52]。有些物種通過優(yōu)先將磷分配到光合細(xì)胞中，以便更有效地利用磷，提高光合磷利用效率(PPUE)[23]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，外源鈣提高了亞低磷脅迫下花生的干物質(zhì)重和總?cè)~面積(圖1)，有效緩解了亞低磷脅迫對(duì)花生植株生長發(fā)育的限制。這與Ding等[53]的研究結(jié)果一致，提高鈣供應(yīng)可以緩解羽扇豆的缺磷癥狀，并促進(jìn)其生物量的積累。外源鈣提高了花生的凈光合速率(圖2)，增加了花生植株對(duì)同化物的需求，緩解了花生光抑制；特別是亞低磷脅迫下，外源鈣可激發(fā)花生葉片環(huán)式電子傳遞，提高花生葉片光保護(hù)能力，緩解光損傷[54–56]。本研究結(jié)果表明，外源鈣提高了亞低磷脅迫下花生植株葉片 Y(Ⅰ)和 Y (Ⅱ)，其中 Y(NO)和 Y(NPQ)的降低說明PSⅡ提高了對(duì)光能的轉(zhuǎn)化效率，Y(NA)和Y(ND)的下降說明了PSI供體側(cè)、受體側(cè)限制減少，外源鈣緩解了光系統(tǒng)的光抑制，并激活了環(huán)式電子傳遞(圖8)。另外，亞低磷脅迫下，外源鈣提高了ATP合酶的活性，降低了花生葉片的ΔpH (圖7)。外源鈣緩解了亞低磷脅迫誘導(dǎo)的類囊體腔酸化，這具有兩方面作用：一方面，恢復(fù)了細(xì)胞色素b6f復(fù)合體的活性，平衡了PQ庫的氧化還原狀態(tài)，減緩了PSⅠ的光抑制；另一方面，降低了非光化猝滅NPQ的qE組分耗散的能量，上調(diào)PSⅡ天線色素捕光效率，減緩了PSⅡ的光抑制，提高了Y(Ⅱ) (圖8)。

4 結(jié)論

亞低磷脅迫顯著抑制花生的生長發(fā)育，降低花生植株干物質(zhì)積累、葉面積和相對(duì)葉綠素含量，降低ATP合酶活性和造成類囊體腔酸化，進(jìn)而降低Y(Ⅰ)和Y(Ⅱ)，造成花生光抑制。亞低磷脅迫下，外源鈣能有效解除花生生長發(fā)育所受的限制和光抑制，緩解亞低磷脅迫誘導(dǎo)的ATP合酶活性限制和類囊體腔的酸化，顯著提高了花生葉片的光合作用水平。經(jīng)過亞低磷脅迫下TFP反向調(diào)控試驗(yàn)證實(shí)，花生鈣調(diào)蛋白(Ca2+-modulin)作為外源鈣(Ca2+)的受體，可在鈣離子緩解亞低磷光合障礙的營養(yǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起到重要作用。