外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗的光合熒光及抗氧化特性的影響

黃平升，劉世男，李 婷，覃永華,3

（1廣西壯族自治區(qū)南寧樹木園，南寧 530031；2廣西大學林學院，南寧 530004；3廣西壯族自治區(qū)林業(yè)勘測設計院，南寧 530011）

0 引言

硅是土壤中重要組成成份，其含量僅次于氧元素，位居第二。它雖然不是高等植物生長過程中的必需元素，但是在植物生命活動有著多方面的積極作用。大量研究表明外源硅對植物在逆境脅迫下具有一定的緩解作用，包括鹽、干旱、重金屬、高溫等脅迫[1-4]。外源硅對鹽脅迫下植物的緩解作用研究主要集中在生長和生理生化方面。外源硅能夠緩解鹽脅迫下植物生長受抑制，通過增加植物株高、根長度、根鮮重，增加根冠比，并促進植物對礦質元素的吸收[5-8]，提升抗鹽能力。對鹽脅迫下的小麥(Triticum aestivum)、黃瓜(Cucumis sativus)、番茄(Solanum lycopersicum)、黃芩(Scutellaria baicalensis)等施加外源硅后發(fā)現(xiàn)，外源硅能有效地緩解鹽脅迫下相關誘導的光合色素和光合能力損傷，以及通過對超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等抗氧化酶活性的調節(jié)，降低活性氧的產生和積累的傷害，進而保證鹽脅迫下植物正常生長[6,9-12]。目前對外源硅緩解鹽脅迫的應用報道多集中農作物，對木本植物的研究較少。

黃果厚殼桂(Cryptocarya concinna)隸屬樟科(Lauraceae)厚殼桂屬(Cryptocarya)，是典型的南亞熱帶優(yōu)勢常綠樹種。通過對該樹種的木材密度、纖維變異規(guī)律等指標研究，發(fā)現(xiàn)黃果厚殼桂材性優(yōu)良，適合于建筑和家具[13-15]；通過分離鑒定根和莖化學成分，發(fā)現(xiàn)該樹種對治療口腔癌具有明顯作用[16-18]，可見，黃果厚殼桂具有較高的材用和藥用價值，應用前景廣闊。但是，目前對于該樹種的研究主要集中在繁育技術、生長規(guī)律、材性和抗性等少量研究[13-15,19-22]。植物抗逆性的研究對于其應用推廣具有重要意義。李俊貞等[23]研究發(fā)現(xiàn)黃果厚殼桂可通過提高SOD、POD活性和NPQ來緩解較低濃度鹽脅迫帶來的不利影響，但當鹽濃度增加一定程度后，抗氧化酶和光合作用均受到嚴重影響。本研究在此基礎上，以黃果厚殼桂幼苗為材料，探討不同濃度外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗的光合作用和抗氧化酶的影響，為其抗性生理和種植推廣研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

供試材料為南寧樹木園苗圃培育的一年生黃果厚殼桂實生苗。選取苗高、地徑一致且健康的植株，將其放入1/2 Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)適應5天。依據(jù)李俊貞等[23]研究結果，本研究采用100 mmol/L NaCl進行鹽脅迫7天，然后用不同濃度的硅溶液處理，7天后測定各項指標。共設置的處理分別為0 mmol/L NaCl、100 mmol/L NaCl、100 mmol/L NaCl+0.5 mmol/L K2SiO3、100 mmol/L NaCl+1.0 mmol/L K2SiO3、100 mmol/L NaCl+2.0 mmol/L K2SiO3，每個處理8株，3次重復。試驗在大棚內進行，每3天更換一次營養(yǎng)液，同時使用充氣泵全天通氣。

1.2 試驗方法

1.2.1 光合及葉綠素熒光參數(shù)的測定 在上午9:00—11:00用便攜式光合測定儀LI-6400XT測定幼苗第3片葉子的凈光合速率Pn、氣孔導度細胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)光合參數(shù)，同時用德國調試IMAGING-PAM葉綠素熒光成像系統(tǒng)測定幼苗的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSII最大光化學效率(Fv/Fm)、非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)、每個處理測定3株。

1.2.2 色素的測定 取新鮮葉片0.1 g，去中脈剪碎加入10 ml乙醇—丙酮混合液(V:V=1:1)，使葉片完全浸入混合液中，暗處理24 h。暗處理期間需輕輕搖晃。當觀察到葉片顏色變?yōu)榘咨珪r，即可比色。取浸取液于比色杯中分別在波長665、649、470 nm下測定吸光度值。根據(jù)公式計算葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。

1.2.3 抗氧化酶及丙二醛的測定 稱取0.2 g鮮葉，加入10 ml磷酸緩沖液(0.05 mmol/L，pH=7.0)、0.1 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及少許石英砂，在冰浴中研磨成勻漿，再用15 ml的磷酸緩沖液分次沖洗移入離心管中，5000 g離心20 min，提取上清液用于后續(xù)指標測定。超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定采用氮藍四唑法；過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法[24]；多酚氧化酶(PPO)活性的測定采用鄰苯二酚法[25]；抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用紫外分光法測定[26]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[27]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 19.0進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及制圖，用LSD法對試驗數(shù)據(jù)進行顯著性方差分析。

2 結果與分析

2.1 外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉片光合特性的影響

如圖1所示，鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)顯著降低(P＜0.05)，相比CK分別降低了10.6%，50%，66.7%；鹽脅迫下其細胞間CO2濃度Ci顯著升高(P＜0.05)，相比CK增加11.6%。當添加不同濃度硅后，隨著硅濃度增加Pn、Gs和Tr逐漸升高，而Ci先逐漸降低，各處理間存在一定差異。較鹽脅迫處理，NaCl+0.5Si、NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si處理的Pn分別提高3.8%、5.4%和8.6%，Gs分別提高32.5%，70.0%和87.5%，Tr分別提高60%，100%和180%，Ci分別降低3.0%，6.7%和8.9%，此外NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si處理與 NaCl處理差異顯著(P＜0.05)。與CK相比，當外源硅的濃度為2.0 mmol/L時可顯著提高Pn、Gs和Tr，降低Ci，效果最佳。

圖1 外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉片光合作用參數(shù)的影響

2.2 外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉片葉綠素熒光特性的影響

如圖2所示，100 mmol/L鹽脅迫下，F(xiàn)m與Fv/Fm降低，當添加不同濃度硅后，隨著硅濃度增加Fm和Fv/Fm逐漸升高。其中，F(xiàn)m增幅較小，各處理間差異均不顯著；與鹽脅迫處理相比，NaCl+0.5Si、NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si處理的Fv/Fm分別增加了7.1%、14.7%和21.8%，其中NaCl+2.0Si與NaCl處理差異達到顯著水平(P＜0.05)。

由圖2可知，100 mmol/L鹽脅迫下，F(xiàn)o與NPQ升高，當添加不同濃度硅后，隨著硅濃度增加逐漸降低。與鹽脅迫處理相比較，NaCl+0.5Si、NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si處理的Fo分別降低1.3%、5.8%、10.4%，其中NaCl+2.0Si與鹽脅迫處理達到顯著差異水平(P＜0.05)；NPQ分別降低了6.4%、15.7%、34.8%，NaCl+1.0Si，NaCl+2.0Si與NaCl處理差異顯著水平(P＜0.05)。

圖2 外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.3 外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉片色素含量的影響

如圖3所示，鹽脅迫下，各色素含量降低。當添加不同濃度硅后，其含量均不同程度升高，其中葉綠素a和類胡蘿卜素增幅較小，與NaCl脅迫處理差異不顯著(P＞0.05)；而葉綠素b增幅較大，與鹽脅迫處理相比較，NaCl+0.5Si、NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si的葉綠素b含量分別提高了2.5%、14.5%、29.2%。

圖3 外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉片中色素的影響

2.4 外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉片抗氧化酶和丙二醛含量的影響

如圖4所示，100 mmol/L鹽脅迫下，SOD、PPO和APX各抗氧化酶活性均顯著降低(P＜0.05)，而POD活性顯著增加。當添加不同濃度的外源硅后，隨著硅濃度增加SOD、POD活性逐漸升高；與鹽脅迫處理相比，SOD的活性分別增加了17.3%、39.2%、121.3%，POD活性分別增加了13%、31.2%、41.8%，不同處理之間差異達顯著水平(P＜0.05)。APX活性隨著硅濃度增加，先降低后增加，與鹽脅迫處理相比，NaCl+0.5Si處理下APX活性降低15%且差異顯著(P＜0.05)，NaCl+1.0Si處理下APX活性降低3.1%且差異不顯著，而NaCl+2.0Si處理下APX活性增加了7.2%且差異不顯著。

圖4 外源硅對鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉片中抗氧化酶和MDA的影響

100 mmol/L鹽脅迫下，MDA含量顯著上升，當添加不同濃度的外源硅后，隨著硅濃度增加其含量逐漸降低。與鹽脅迫處理相比，分別下降了6.8%、13%、16.9%，各處理相鄰之間差異較為明顯(P＜0.05)，但NaCl+2.0Si處理的MDA未能低于CK對照組。

3 結論與討論

光合作用是植物有機物合成的主要途徑，光合能力的大小與植物對有機物的積累量直接相關[5,28]。葉綠素含量的穩(wěn)定有利于維持植物正常的光合化學效率。鹽脅迫下植物葉綠素含量的變化存在差異，其中鹽敏感植物葉綠素含量隨著鹽濃度增加顯著下降，如棉花(Gossypium hirsutum)等[29]，而鹽生植物隨著高濃度的增加變化不顯著，當達到耐受極限濃度時顯著下降，如海蓬子(Salicornia bigelovii)等[30]。黃果厚殼桂幼苗的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均隨鹽濃度的升高而降低，其中不同處理間僅葉綠素b差異顯著(P＜0.05)[23]。添加外源硅明顯提高葉綠素b含量，且隨著硅濃度的升高而回升幅度加大。表明外源Si能在一定程度上緩解鹽脅迫對植物細胞結構的傷害，維持葉綠體結構的完整性，緩解葉綠素的降解。在鹽脅迫的影響下，光合速度會下降，根據(jù)凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)的變化方向把造成下降的原因主要分為氣孔因素和非氣孔因素[31]。本試驗中，鹽脅迫使黃果厚殼硅幼苗葉片Pn、Cs和Tr降低，Ci升高，表明鹽脅迫影響光合速率主要是非氣孔因素所致。而施用外源硅后可緩解鹽脅迫下黃果厚殼硅幼苗葉片Pn、Cs和Tr降低，且硅濃度越高效果越顯著。

PSⅡ反應中心吸收的光能去向分為3個部分，即光反應的部分、天線色素的熱耗散部分和過剩激發(fā)能。研究發(fā)現(xiàn)，植物葉綠體中的PSⅡ系統(tǒng)受損會導致葉綠素吸收的光能以熱和熒光的形式耗散的比例增大，造成Fo增大[32]。黃果厚殼桂幼苗在鹽脅迫下Fo增大，F(xiàn)v、Fm下降，表明鹽脅迫下黃果厚殼桂幼苗葉綠體中PSⅡ反應中心受損，葉片吸收的太陽能以熱和熒光形式耗損的比例增加。張玲等[33]研究辣椒(Capsicum frutescens)在鹽脅迫下發(fā)現(xiàn)其Fv/Fm顯著降低，表明辣椒在鹽脅迫下其葉綠體中PSⅡ反應中心受抑制，原初光能轉化率下降。本試驗中的Fv/Fm與此類似，可能是葉片發(fā)生了光抑制，光合作用強度下降。植物在鹽脅迫下可以通過提高自身NPQ來消耗過剩激發(fā)能，以保護自身光合機構來維持光合作用的穩(wěn)定[34]。本試驗的NPQ結果與此類似，鹽脅迫下顯著提高，增大自身過剩激發(fā)能的消耗量來維持光合作用的正常進行。本試驗施加外源Si后，黃果厚殼桂幼苗葉片中Fo、NPQ顯著降低，F(xiàn)m、Fv/Fm增高，表明加外源Si一定程度上能有效緩解黃果厚殼桂幼苗PSⅡ中心的受損程度，提高其光化學活性及其原初光能捕獲效率。

大量研究表明，丙二醛(MDA)是植物膜脂過氧化過程的產物，其含量高低可反映植物受傷害的程度和植物對逆境的反應[35]。植物在鹽脅迫下，體內MDA含量均顯著升高[36]，施加外源硅能降低MDA含量的累積。在鹽脅迫下，黃果厚殼桂幼苗葉片中MDA含量上升，且隨著濃度的增加而上升[23]；本試驗表明添加外源硅也顯著降低了MDA的含量，且隨硅濃度的增加，降低的幅度越大，說明適合濃度的外源硅可通過減低MDA的含量緩解鹽脅迫對黃果厚殼桂幼苗的傷害程度。

在鹽脅迫下，植物體內會產生過多的活性氧，從而對細胞的膜結構和功能造成巨大破壞[37]。當植物體內活性氧過多時，其體內的抗氧化系統(tǒng)會受到刺激從而產生更多的抗氧化酶，如SOD、POD、PPO、APX等抗氧化酶來將活性氧等物質分解，保護植物細胞。然而，不同植物中所起主要作用的抗氧化酶種類不同，如煙草(Nicotiana tabacum)、石榴(Punica granatum)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)等主要通過提升PPO和APX活性抵御鹽脅迫逆境[38-40]，而白玉蘭(Michelia alba)、猴樟(Cinnamomum bodinieri)、黃果厚殼桂等則通過提升SOD和POD活性抵御低鹽環(huán)境[23,41-42]。但是，當鹽環(huán)境達到較高濃度時，抗氧化系統(tǒng)自身也受到破壞，無法平衡活性氧的毒害。外源硅的施加則能提高這些抗氧化酶的活性緩解不良環(huán)境的影響。本試驗中，添加不同濃度外源硅均能提升SOD、POD、PPO和APX的活性，其中SOD和POD活性在NaCl+2.0Si處理時顯著高于對照組(CK)，而PPO活性在NaCl+1.0Si處理時高于對照組(CK)。