外源精胺對堿脅迫下燕麥光合特性的影響

白健慧，王育青

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

鹽堿化土地面積的日益擴(kuò)大，已成為全球的資源和生態(tài)問題，也是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素[1]。內(nèi)蒙古鹽堿地面積較大，綜合開發(fā)利用鹽堿地已成為農(nóng)學(xué)家主要的研究目標(biāo)和熱點(diǎn)[2-6]。種植抗性作物是開發(fā)利用鹽堿地的重要途徑之一，如種植堿蓬、田菁作物，可顯著降低土壤鹽堿度、提高土壤養(yǎng)分含量。據(jù)報(bào)道，在新疆塔里木鹽堿化土地，堿蓬的移鹽能力達(dá)2 116 kg/hm2[7]；鹽堿化土地種植苜蓿7年可顯著降低土壤pH值[8]。有研究表明，種植抗鹽禾本科作物，有利于在土壤中積累根系殘?bào)w，降低0～40 cm土壤含鹽量，脫鹽率為67.3%[9]。燕麥屬禾本科糧飼兼用作物，在內(nèi)蒙古種植面積近13.3萬hm2，約占全國的40%，居全國之首。燕麥具有抗鹽堿、耐瘠薄等特點(diǎn)，有研究指出在高濃度鹽脅迫下（200 mmol/L NaCl∶200 mmol/LNa2SO4=1∶1） 及高 pH 值環(huán)境下（pH值9.0）燕麥依然可生長[10]。因此，以燕麥為研究對象，進(jìn)一步探討燕麥耐鹽堿生理機(jī)制具有生態(tài)價(jià)值[11]，對改良鹽堿化土地具有指導(dǎo)意義。

添加外源物質(zhì)是改良作物抗性的重要手段，有助于抗性生理機(jī)制研究，并可為鹽堿地作物栽培育種提供理論依據(jù)。多胺是有機(jī)、低分子量的含氮化合物，包括精胺、亞精胺、腐胺，多胺作為生長調(diào)節(jié)劑和胞內(nèi)信使調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育，參與植物抗逆生物過程[12]。同時(shí)多胺可作為抗氧化物質(zhì)清除植物體內(nèi)活性氧。有研究表明，外施多胺可提高作物非生物脅迫，如干旱、冷害、鹽脅迫等抗性[13]。在鹽脅迫盆栽試驗(yàn)中，外源多胺可提高番茄、小麥葉綠素含量，保護(hù)光合器官[14]。目前，精胺對作物抗堿性調(diào)控機(jī)制尚未進(jìn)行深入研究。

植物產(chǎn)量的90%～95%來源于光合作用[15-16]，對非生物脅迫環(huán)境下植物光合特性的研究十分必要。目前已有研究得出，在鹽脅迫下，氣孔因素導(dǎo)致燕麥光合速率降低[11]；重度鹽堿混合脅迫下，非氣孔因素導(dǎo)致燕麥光合速率降低[17]。然而堿脅迫對燕麥光合系統(tǒng)的影響機(jī)制尚未進(jìn)行深入研究。光系統(tǒng)是光合作用的重要位點(diǎn)，分為光系統(tǒng)Ⅱ和光系統(tǒng)Ⅰ，具有吸收、轉(zhuǎn)化、傳遞光能的功能[18]。在非生物脅迫環(huán)境下，光系統(tǒng)Ⅱ發(fā)揮重要作用。葉綠素?zé)晒馇€可用于研究光系統(tǒng)Ⅱ，協(xié)助探討光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心光能吸收轉(zhuǎn)化，過剩光能耗散，反應(yīng)中心的供受體側(cè)電子傳遞的變化[19]。目前有研究得出鹽脅迫下，熒光曲線參數(shù)Vj降低，說明鹽處理導(dǎo)致光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心出現(xiàn)不同程度關(guān)閉，導(dǎo)致單位面積內(nèi)電子傳遞能量減少[19-21]。然而，該項(xiàng)技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于燕麥耐堿生理機(jī)制研究。本試驗(yàn)探討了外施精胺對堿脅迫下燕麥光合特性的影響機(jī)制，旨在為鹽堿地燕麥栽培育種提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鄂爾多斯沙地草原生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)站室內(nèi)溫室進(jìn)行；所用材料為燕麥抗堿品種蒙燕1號和堿敏感品種太陽神，精胺購自Sigma公司，純度大于99%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種植方式：采用盆栽試驗(yàn)，塑料盆規(guī)格280 mm×220 mm，種植基質(zhì)為沙子，每盆裝沙6.5 kg，播種35粒種子，間苗至20株，澆灌Hoagland營養(yǎng)液。

試驗(yàn)所用堿性鹽成分為Na2CO3、NaHCO3，濃度設(shè)置為75 mmol/L。精胺選取2個(gè)處理濃度，分別為0.01、0.06 mmol/L，堿性鹽與精胺直接溶解于Hoagland營養(yǎng)液。共設(shè)置4個(gè)處理（表1），重復(fù)4次。在燕麥兩葉一心時(shí)進(jìn)行堿及外施精胺處理，每次每盆加入溶液250 mL，堿脅迫后每隔2 d每盆加入1/2Hoagland營養(yǎng)液300 mL直到試驗(yàn)結(jié)束，于燕麥拔節(jié)、抽穗期進(jìn)行數(shù)據(jù)測定。

表1 燕麥堿脅迫處理

1.3 測定指標(biāo)與方法

光合參數(shù)測定：采用LI-6400（LI-CORBiosciences，Lincoln，NE，USA）光合儀，于燕麥拔節(jié)、抽穗期11：00時(shí)，測定倒數(shù)第二片葉光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），每個(gè)品種每個(gè)處理3次重復(fù)，取平均值。氣孔限制值按照公式：Ls=1-（Ci/Ca）計(jì)算（Ci為胞間 CO2濃度，Ca為葉片周圍CO2濃度）。

葉綠素含量：于燕麥拔節(jié)、抽穗期11：00時(shí)，使用便攜式葉綠素儀測定倒數(shù)第二片葉SPAD值，每個(gè)品種每個(gè)處理3次重復(fù)，取平均值。葉綠素?zé)晒鈪?shù)：于燕麥拔節(jié)、抽穗期11：00時(shí)，運(yùn)用Handy-PEA便攜式植物效率分析儀直接導(dǎo)出OJIP曲線，測定燕麥倒數(shù)第二片葉初始葉綠素?zé)晒猓‵o）、光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、單位面積吸收的光能（ABS/CSm）、單位面積捕獲的用于還原QA的能量（TrO/CSm）、單位面積捕獲的用于電子傳遞的能量（EtO/CSm）、性能指數(shù)（PIABS）。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，組間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，運(yùn)用Excel 2019軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 外施精胺對堿脅迫下燕麥葉綠素含量的影響

由圖1可知，與CK相比，J處理拔節(jié)期蒙燕1號、太陽神的葉綠素含量分別降低37.50%、38.71%，抽穗期分別降低48.00%、53.06%，差異顯著（P<0.05）；蒙燕1號的葉綠素降幅低于太陽神，但差異不顯著（P>0.05）。抽穗期兩個(gè)燕麥品種的葉綠素降幅高于拔節(jié)期。與J處理相比，J+Spm1、J+Spm2處理可緩解堿脅迫對燕麥葉綠素含量的抑制，在拔節(jié)期蒙燕1號葉綠素含量分別提高25.00%、10.00%，太陽神分別提高15.78%、10.52%，差異顯著（P<0.05）；在抽穗期蒙燕1號葉綠素含量分別提高26.92%、15.38%，太陽神分別提高26.08%、13.04%，差異顯著（P<0.05）。

圖1 外施精胺對堿脅迫下燕麥葉綠素含量的影響

2.2 外施精胺對堿脅迫下燕麥光合作用參數(shù)的影響

由表2可知，與CK相比，J處理兩個(gè)燕麥品種光合速率顯著降低（P<0.05），蒙燕1號、太陽神光合速率拔節(jié)期分別降低60.88%、58.93%，抽穗期分別降低71.07%、79.57%。從兩個(gè)生育時(shí)期比較，J處理抽穗期的光合速率降幅高于拔節(jié)期，表明J處理對抽穗期光合速率的抑制作用高于拔節(jié)期；從兩個(gè)品種比較，J處理蒙燕1號在抽穗期光合速率降幅低于太陽神。與J處理相比，J+Spm1處理在拔節(jié)期蒙燕1號、太陽神光合速率分別提高112.08%、61.64%，J+Spm2處理分別提高72.69%、27.06%；在抽穗期蒙燕1號、太陽神光合速率分別提高164.61%、200.42%，J+Spm2處理分別提高83.77%、160.90%。這表明外施精胺可緩解堿脅迫處理對燕麥光合速率的抑制，0.01 mmol/L精胺處理的緩解效果優(yōu)于0.06 mmol/L；且在抽穗期外施精胺對太陽神堿脅迫光合速率的抑制作用緩解高于蒙燕1號。

表2 外施精胺對堿脅迫下燕麥光合特性的影響

與CK相比，J處理拔節(jié)期和抽穗期均顯著降低氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率（P<0.05）。與J處理相比，不同濃度外施精胺顯著提高兩個(gè)品種的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率（P<0.05）。J處理兩個(gè)品種胞間CO2濃度顯著低于CK（P<0.05），氣孔限制值提高，說明氣孔因素是光合速率降低的主要因素；J+Spm1、J+Spm2處理可促進(jìn)胞間CO2濃度提高。

2.3 外施精胺對堿脅迫下燕麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表3可知，與CK相比，J處理拔節(jié)期蒙燕1號、太陽神Fo分別提高9.78%、29.18%，抽穗期分別提高28.32%、32.39%；抽穗期Fo增幅高于拔節(jié)期，太陽神的Fo增幅高于蒙燕1號，F(xiàn)o提高說明PSⅡ反應(yīng)中心受到損傷。與J處理相比，J+Spm1、J+Spm2處理均降低蒙燕1號、太陽神Fo，J+Spm1處理下的Fo低于J+Spm2處理。

Fv/Fm是PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)狀況的熒光參數(shù)，反映了植物的潛在最大光合能力。與CK相比，J處理Fv/Fm呈降低趨勢；拔節(jié)期蒙燕1號、太陽神Fv/Fm分別降低3.90%、9.08%，抽穗期分別降低7.60%、10.56%。蒙燕1號的Fv/Fm降幅低于太陽神。與J處理相比，J+Spm1、J+Spm2處理對蒙燕1號、太陽神Fv/Fm差異不顯著（P>0.05）。

ABS/CSm表示單位面積吸收的光能參數(shù)，與CK相比，J處理ABS/CSm呈降低趨勢；拔節(jié)期蒙燕1號、太陽神分別降低9.70%、14.30%，抽穗期分別降低4.61%、15.65%。J+Spm1、J+Spm2對蒙燕1號、太陽神的ABS/CSm與J處理相比差異不顯著（P>0.05）。

TrO/CSm表示單位面積捕獲的光能。與CK相比，J處理TrO/CSm呈降低趨勢；拔節(jié)期蒙燕1號、太陽神TrO/CSm分別降低13.25%、22.08%，抽穗期分別降低10.78%、24.57%。蒙燕1號TrO/CSm的降幅小于太陽神。與J處理相比，抽穗期J+Spm1處理下太陽神的TrO/CSm有所提高，且二者差異顯著（P<0.05）。

EtO/CSm表示單位面積傳遞的光能。與CK相比，J處理EtO/CSm呈降低趨勢；拔節(jié)期蒙燕1號、太陽神EtO/CSm分別降低25.55%、36.11%，抽穗期分別降低27.59%、42.37%。蒙燕1號EtO/CSm降幅低于太陽神。與J處理相比，拔節(jié)期J+Spm1、J+Spm2處理可提高太陽神EtO/CSm（P<0.05）；抽穗期J+Spm1處理促進(jìn)EtO/CSm提高，蒙燕1號、太陽神EtO/CSm分別提高6.13%、15.22%（表3）。

PIABS可準(zhǔn)確表示植物光合機(jī)構(gòu)整體狀態(tài)，是反映脅迫處理對光合器官影響狀態(tài)較為敏感的一個(gè)參數(shù)。由表3可知，J處理蒙燕1號、太陽神PIABS顯著低于CK（P<0.05），拔節(jié)期蒙燕1號、太陽神PIABS分別降低56.58%、77.48%；抽穗期蒙燕1號、太陽神PIABS分別降低74.97%、79.51%。蒙燕1號的PIABS降幅低于太陽神；抽穗期蒙燕1號、太陽神PIABS降幅高于拔節(jié)期。與J處理相比，J+Spm1處理顯著提高PIABS（P<0.05），拔節(jié)期蒙燕1號、太陽神PIABS分別提高24.45%、125.25%；抽穗期分別提高48.91%、23.96%；J+Spm2處理兩個(gè)品種PIABS均低于J+Spm1處理。

表3 外施精胺對堿脅迫下燕麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

3 討論

光合作用是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，是作物生產(chǎn)碳水化合物的生物過程[22-24]。前人研究多為鹽脅迫、鹽堿混合脅迫對植物光合作用的影響，對堿脅迫研究較少[25-26]。葉綠素是光合作用的重要色素，關(guān)系到作物生長發(fā)育及生產(chǎn)[27]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，堿脅迫下，燕麥葉綠素含量呈降低趨勢，這與李英麗等[28]堿脅迫導(dǎo)致燕麥葉綠素含量降低的研究結(jié)果一致。葉綠素含量降低會直接導(dǎo)致類囊體光合復(fù)合物組裝錯(cuò)誤，影響蛋白復(fù)合體功能，降低光合速率。本研究得出堿脅迫下，外施精胺可提高葉綠素含量，有助于光合作用進(jìn)行。

氣孔因素和非氣孔因素是脅迫環(huán)境降低光合速率的主要原因。氣孔因素是氣孔開度降低導(dǎo)致胞間CO2濃度下降，用于光合作用原料減少，非氣孔因素導(dǎo)致CO2溶解度下降、Rubisco酶活性降低、1，5-二磷酸核酮糖再生能力下降、光合器官關(guān)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低[29-31]。本試驗(yàn)得出堿脅迫下，燕麥光合速率、胞間CO2濃度低于對照，氣孔限制值提高，說明氣孔限制因素是光合速率降低的主要原因。這與劉建新等[32]提出的堿脅迫下非氣孔因素導(dǎo)致燕麥光合速率降低的研究結(jié)果不一致，這可能與品種差異有關(guān)。堿脅迫對抽穗期光合特性的抑制作用高于拔節(jié)期，這可能與脅迫時(shí)間較長有關(guān)。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在堿脅迫環(huán)境下，外施精胺對光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率有一定促進(jìn)作用。與堿脅迫相比，0.01 mmol/L精胺處理顯著提高氣孔導(dǎo)度說明外源精胺可促進(jìn)CO2向葉綠體的運(yùn)輸，緩解脅迫環(huán)境導(dǎo)致的光合作用原料供應(yīng)不足。與堿脅迫相比，0.01 mmol/L精胺處理可顯著提高兩個(gè)燕麥品種的蒸騰速率，說明精胺可通過增加蒸騰拉力，促進(jìn)礦物質(zhì)營養(yǎng)與水分的吸收與運(yùn)輸，從而有助于燕麥適應(yīng)脅迫環(huán)境。與堿脅迫相比，0.01、0.06 mmol/L精胺處理可顯著降低兩個(gè)燕麥品種的氣孔限制值，說明外施精胺能緩解脅迫環(huán)境對氣孔造成的限制，促進(jìn)進(jìn)入氣孔的CO2濃度增加，提高碳同化能力[33]。因此，外源精胺促進(jìn)堿脅迫下兩個(gè)燕麥品種的光合速率提高，這可能與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度升高，氣孔限制值降低有關(guān)。

為了進(jìn)一步闡明外施精胺對堿脅迫下燕麥光能捕獲、傳遞能力的影響，本試驗(yàn)檢測了葉綠素?zé)晒鈪?shù)。葉綠素?zé)晒鈪?shù)常用來分析PSⅡ的性能變化，PSⅡ?qū)δ婢趁{迫非常敏感，是衡量逆境脅迫損傷光合器官的有效指標(biāo)[34]。Fo是初始熒光量，為PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)量，F(xiàn)o升高說明色素吸收能量用于光化學(xué)反應(yīng)的部分減少[35]，PSⅡ反應(yīng)中心破壞或可逆失活會導(dǎo)致Fo升高，非光化學(xué)能量耗散、光合色素破壞會導(dǎo)致Fo升高[36]。本試驗(yàn)中，堿脅迫下，F(xiàn)o高于對照，抽穗期兩個(gè)燕麥品種的Fo高于拔節(jié)期，說明隨著脅迫時(shí)間的增加PSⅡ反應(yīng)中心開始失活。外施精胺較堿脅迫有利于降低Fo，說明精胺可協(xié)助保持PSⅡ反應(yīng)中心穩(wěn)定。Fv/Fm為PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率，光抑制導(dǎo)致Fv/Fm降低，F(xiàn)v/Fm已被廣泛用作光抑制的診斷指標(biāo)[36]。在堿脅迫下，兩個(gè)燕麥品種的Fv/Fm低于對照。說明堿處理導(dǎo)致燕麥產(chǎn)生光抑制，這與番茄、高粱在鹽堿處理下Fv/Fm降低的研究結(jié)果一致[37-38]。精胺處理對兩個(gè)燕麥品種的Fv/Fm無顯著影響。

PIABS是以吸收光能為基礎(chǔ)的光合性能指數(shù)，可準(zhǔn)確反映植物光合機(jī)構(gòu)的整體狀態(tài)，是反映光合系統(tǒng)受到環(huán)境影響的最敏感參數(shù)[38]，堿脅迫處理下，兩個(gè)燕麥品種的PIABS顯著低于對照說明堿處理損傷光合機(jī)構(gòu)。這與堿脅迫下高粱PIABS降低的研究結(jié)果一致[39]。堿脅迫下，兩個(gè)燕麥品種的參數(shù)ABS/CSm、TrO/CSm、EtO/CSm呈降低趨勢，說明在脅迫條件下，PSⅡ反應(yīng)中心捕獲傳遞光能的能力下降，反應(yīng)中心失活，電子傳遞受阻[38-39]。本試驗(yàn)得出在抽穗期，與堿脅迫相比，0.01 mmol/L外施精胺可促進(jìn)兩個(gè)燕麥品種的TrO/CSm、EtO/CSm、PIABS值顯著升高，說明精胺有利于燕麥增加單位面積用來還原QA的激發(fā)能和用于電子傳遞的能量，緩解PSⅡ反應(yīng)中心失活，抑制光合機(jī)構(gòu)損傷，改良光系統(tǒng)Ⅱ的整體性能。

4 結(jié)論

75 mmol/L堿脅迫顯著降低燕麥拔節(jié)、抽穗期葉綠素含量、光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，提高氣孔限制值，抽穗期光合速率降幅高于拔節(jié)期。75 mmol/L堿脅迫顯著提高燕麥拔節(jié)、抽穗期Fo，降低Fv/Fm、TrO/CSm、EtO/CSm、PIABS值。外施精胺可促進(jìn)堿脅迫下燕麥葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率提高，進(jìn)而提高光合速率。抽穗期，0.01 mmol/L精胺較堿脅迫燕麥增加單位面積用來還原 QA的激發(fā)能（TrO/CSm）和用于電子傳遞的能量（EtO/CSm），進(jìn)而提高PIABS值，改良堿脅迫下燕麥光系統(tǒng)Ⅱ整體性能。