硒、硅對(duì)鹽脅迫下小麥光合生理及養(yǎng)分累積的影響

白鳳麟，樊雨荷，李 琳

(長(zhǎng)治學(xué)院生命科學(xué)系，山西長(zhǎng)治 046011)

作為世界范圍內(nèi)廣泛種植的谷類(lèi)作物之一，小麥(TriticumaestivumL.)含有高比例的碳水化合物、蛋白質(zhì)、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)及膳食纖維，是全球85%以上人類(lèi)和牲畜的主要食物原材料[1]。然而，小麥產(chǎn)區(qū)往往處于干旱或半干旱環(huán)境，長(zhǎng)期灌溉和施肥使土壤鹽漬化加劇，然而現(xiàn)推廣的大多數(shù)小麥品種對(duì)土壤鹽耐受性較低、敏感性較強(qiáng)[2]。土壤NaCl含量累積是導(dǎo)致鹽漬化的主要因素，且Cl-和Na+溶解性極強(qiáng)，易隨著水分被植物吸收進(jìn)入體內(nèi)而造成累積[3]。高鹽脅迫導(dǎo)致的滲透脅迫對(duì)植物的水分吸收、細(xì)胞伸長(zhǎng)和葉片生長(zhǎng)發(fā)育具有顯著的負(fù)面影響，此外植物器官中過(guò)量的Na+積累，會(huì)抑制蛋白質(zhì)生物合成、各種酶促反應(yīng)和光合作用過(guò)程[4]。在過(guò)去的幾十年中，通過(guò)傳統(tǒng)育種和基因工程方法開(kāi)發(fā)耐鹽小麥品種取得了一定的成果，但由于時(shí)間限制、技術(shù)要求苛刻及品種收益等問(wèn)題，使其無(wú)法全面普及[5]。目前，一些物理性方法已應(yīng)用于降低土壤鹽分脅迫，其中為植物提供有益元素被認(rèn)為是最具成本效益、最簡(jiǎn)便的可持續(xù)策略之一[6]。

硅(Si)作為一種有益元素，可以提高植物對(duì)鹽脅迫的抵抗力。研究表明，施Si均可增強(qiáng)谷物作物、油料作物、蔬菜以及煙草等植物的抗逆能力[7]。Si介導(dǎo)植物緩解鹽脅迫的主要潛在機(jī)制已被逐漸揭示：韌皮部中的Si沉積可減少Na+向木質(zhì)部的質(zhì)外轉(zhuǎn)運(yùn)，從而降低Na+的向上轉(zhuǎn)移[8]。如Bosnic等的研究表明，Si介導(dǎo)Na+通過(guò)木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到枝條及通過(guò)直接誘導(dǎo)ZmSOS1、ZmSOS2、ZmHKT1和ZmNHX基因的表達(dá)從而調(diào)節(jié)Na+積累和分隔[9]。多項(xiàng)研究表明，Si可通過(guò)調(diào)節(jié)激素和激素反應(yīng)基因的表達(dá)以增強(qiáng)植物的耐鹽性[10]，以及通過(guò)調(diào)節(jié)水通道蛋白和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的生物合成與代謝來(lái)減輕鹽誘導(dǎo)的滲透脅迫[11]。

硒(Se)是人類(lèi)和動(dòng)物健康不可缺少的微量元素，也是對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及品質(zhì)形成的有益元素[12]。大量研究表明，Se可以緩解不同環(huán)境壓力帶來(lái)的不利影響，如重金屬脅迫、溫度脅迫、干旱和鹽脅迫[13]。Se可增強(qiáng)潛在的脅迫防御系統(tǒng)，包括刺激抗氧化酶和非酶活性(即抗氧化系統(tǒng))；此外，Se可改善光系統(tǒng)效率光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)、促進(jìn)葉綠素?zé)晒獯x、減少葉綠素分解[14]。研究表明，Se介導(dǎo)的鹽脅迫緩解的作用效果及其機(jī)制取決于Se的劑量、化學(xué)形式、鹽度水平、植物種類(lèi)以及施用條件等[15]。目前關(guān)于Si、Se對(duì)植物非生物脅迫的影響主要集中于對(duì)重金屬脅迫的作用，且多以單一施用為主，關(guān)于小麥和鹽脅迫的研究鮮有報(bào)道?；诖耍狙芯刻剿鱏e、Si相互作用對(duì)小麥光合生理代謝及養(yǎng)分累積的影響，研究結(jié)果將有助于為Se、Si運(yùn)用于小麥生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2021年3—6月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)谷子研究所進(jìn)行。供試小麥品種為晉麥47，種子來(lái)自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)谷子研究所。種子采用0.5% NaClO進(jìn)行表面滅菌10 min，然后用去離子水沖洗數(shù)次并浸泡 6 h，最后放置于鋪墊潤(rùn)濕濾紙的培養(yǎng)皿中，在28 ℃培養(yǎng)箱暗處理催芽24 h。供試鹽為氯化鈉(NaCl)，硒為五水亞硒酸鈉(Na2SeO3·5H2O)，硅為九水偏硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)，均購(gòu)自索萊寶化學(xué)試劑公司。供試土壤取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田(111°28′39″E，35°19′21″N)，土壤類(lèi)型為褐土。土壤經(jīng)風(fēng)干后混勻過(guò)4 mm網(wǎng)篩，土壤pH值為7.57，土壤全氮含量為1.03 g/kg，堿解氮含量為 67.62 mg/kg，有效磷含量為22.92 mg/kg，速效鉀含量為131.56 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3因素復(fù)合試驗(yàn)，因素1：施用 150 mmol/L NaCl，因素2：施用30 mmol/L Si(Si4+)，因素3：施用30 mmol/L Se(Se4+)。共5個(gè)處理，CK：不施NaCl、Si、Se；SS：施用NaCl，不施Si、Se；SS+SI：施用NaCl、Si，不施用Se；SS+SE：施用NaCl、Se，不施用Si；SS+SI+SE：施用NaCl、Si、Se。每個(gè)處理重復(fù)5次。盆栽裝置為塑料桶，盆高為 16 cm，上口徑為 14 cm，底徑為10 cm。每盆裝3 kg土，施入200 mL Hogland氏營(yíng)養(yǎng)液，并保持75%田間持水量。每盆施入小麥種子15粒，出苗后減至6株。小麥幼苗進(jìn)入分蘗期(40 d)后，施入200 mL NaCl溶液；Se、Si皆采用外源噴施，每次噴施5 mL，隔天噴施，連續(xù)10次，總量為50 mL。為保證幼苗的正常生長(zhǎng)及養(yǎng)分平衡，每2周向培養(yǎng)基質(zhì)中加入100 mL Hogland氏營(yíng)養(yǎng)液。種植期間不定時(shí)補(bǔ)充水分，其他管理措施同小麥培育方法。

1.3 樣品采集及測(cè)定分析

1.3.1 小麥光合色素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 培養(yǎng)結(jié)束后光合色素(葉綠素a、葉綠素b、類(lèi)胡蘿卜素)含量測(cè)定皆采用丙酮-乙醇混合浸提，采用紫外分光光度計(jì)(UV-1800，上海美譜達(dá)儀器有限公司)在665、648、653 nm處測(cè)定，具體步驟參照高俊鳳的方法[16]。采用葉綠素?zé)晒鈨x(Yaxin-1161G，北京雅欣理儀科技有限公司)測(cè)定葉片的熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)：初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)及正常光照下的初始熒光(Fo′)、最大熒光產(chǎn)量(Fm′)及穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)。葉綠素?zé)晒鈪?shù)中，PSⅡ的最大光化學(xué)效率=Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)NPQ=(Fm-Fm′)/(Fm-Fo)，實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′，光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)[17]。

1.3.2 小麥光合氣體交換參數(shù)及光合酶活性測(cè)定 采用通過(guò)便攜式CIRAS-3光合作用系統(tǒng)(Ciras-3，PP Systems，USA)測(cè)定小麥葉片的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)等指標(biāo)。內(nèi)置葉室溫度設(shè)置為(25±2)℃，CO2通量為540 μmol/mol，光量子密度為 900 μmol/(m2·s)[18]。光合作用酶包括核酮糖 1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)、果糖-1，6-二磷酸酯酶(FBPase)及果糖-1，6-二磷酸醛縮酶(FDA)，采用ELISA試劑盒(GenMed)測(cè)定，均購(gòu)自合肥萊爾生物科技有限公司，其產(chǎn)品型號(hào)分別為 LE-Y1799、LE-Y1739及YX-C-C702。

1.3.3 小麥葉片養(yǎng)分含量測(cè)定 培養(yǎng)結(jié)束后，單盆單株收獲小麥植株，將葉片分離并在105 ℃殺青 30 min，75 ℃烘干至恒質(zhì)量，記錄其干物質(zhì)含量，采用研磨機(jī)粉碎過(guò)0.85 mm篩孔。小麥葉片采用濃硫酸消化，采用凱氏定氮法測(cè)定氮(N)含量。采用硝酸高氯酸混合酸處理消化葉片，并使用電感合成等離子體原子發(fā)射光譜儀(iCAP 7000，Thermo Scientific，USA)測(cè)定磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、鋅(Zn)等元素的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用IBM SPSS 19.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析(α=0.05)，采用Origin 2021進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 硒、硅對(duì)鹽脅迫下小麥光合色素含量的影響

由圖1可知，光合色素中，整體而言，小麥葉片以葉綠素a含量大于葉綠素b和類(lèi)胡蘿卜素含量，各光合色素含量呈葉綠素a>葉綠素b>類(lèi)胡蘿卜素。由圖1-A可知，在葉綠素a含量中，各處理呈SS

2.2 硒、硅對(duì)鹽脅迫下小麥光合氣體交換參數(shù)的影響

由圖2-A可知，凈光合速率(Pn)中，以SS+ SI+SE處理最高，CK、SS+SI處理其次，三者無(wú)顯著差異，皆顯著大于SS、SS+SE處理，且SS+SE處理亦顯著大于SS處理。氣孔導(dǎo)度(Gs)中，兩兩處理間均差異顯著，其中以SS+SI+SE處理最高，CK、SS、SS+SI、SS+SE處理較其分別顯著降低13.55%、41.08%、4.60%、29.78%(圖2-B)。由圖2-C可知，胞間CO2濃度(Ci)中，以SS處理最高，CK、SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE處理較其分別顯著降低34.58%、13.22%、13.62%、29.94%；與CK處理相比，硒硅處理(SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE)的Ci提高7.10%～32.66%，其中SS+SI、SS+SE處理均顯著大于CK。由圖2-D可知，蒸騰速率(Tr)中，各處理呈SS

2.3 硒、硅對(duì)鹽脅迫下小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖3-A可知，PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)中，以SS處理最低，SS+SE處理其次，兩者間差異顯著；其中CK、SS+SI、SS+SI+SE較SS和SS+SE處理分別顯著提高17.46%、19.05%、17.46%和4.23%、5.63%、4.23%。由圖3-B可知，光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)中，各處理呈SS

2.4 硒、硅對(duì)鹽脅迫下小麥光合酶活性的影響

由圖4-A可知，核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性中，以CK處理最高，余下處理較其顯著降低6.54%～26.98%；以SS處理最低，SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE處理較其分別顯著提高27.27%、14.23%、28.03%，其中SS+SI、SS+SI+SE處理顯著大于SS+SE處理。由圖4-B可知，果糖-1，6-二磷酸酯酶(FBPase)活性中，以 SS+SI+SE處理最高，其與SS+SI處理無(wú)顯著差異，兩者均顯著大于余下處理；以SS處理最低，CK、SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE處理較其分別顯著提高49.43%、77.34%、57.38%、86.20%。由圖4-C可知，果糖-1，6-二磷酸醛縮酶(FDA)活性中，以SS處理最低，余下處理較其顯著提高29.06%～39.02%；與CK處理相比，硒硅處理(SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE)變幅為-4.08%～3.38%，但四者間均無(wú)顯著差異。

2.5 硒、硅對(duì)鹽脅迫下小麥葉片養(yǎng)分含量的影響

由表1可知，鹽脅迫下外源施用Se、Si影響了小麥葉部對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收。在N、K、Mg含量中，各處理均表現(xiàn)為SS

表1 硒、硅對(duì)鹽脅迫下小麥養(yǎng)分含量的影響

2.6 小麥養(yǎng)分含量與光合生理指標(biāo)間的相關(guān)分析

由表2可知，Ci、NPQ與養(yǎng)分指標(biāo)(N、P、K、Mg、Ca、Fe、Zn含量)呈負(fù)相關(guān)，其中與N、K、Mg、Fe存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，Ci、NPQ與Na含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。就N含量而言，其與所有光合指標(biāo)均存在明顯的相關(guān)關(guān)系；相反地，Na含量與所有光合生理指標(biāo)亦存在明顯的反向相關(guān)關(guān)系。就P含量而言，其僅與Gs、FBPase活性呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。就K含量而言，其僅與類(lèi)葫蘆卜素含量無(wú)顯著關(guān)系，與其他指標(biāo)均呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。就Mg含量而言，其僅與Pn無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。Ca含量與所有光合生理指標(biāo)均無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系。Fe、Zn含量中，F(xiàn)e含量與類(lèi)胡蘿卜素含量、Fe含量與qP、Fe含量與FDA、Fe含量與FBPase活性、Zn含量與葉綠素a含量、Zn含量與Gs、Zn含量與ΦPSⅡ和FBPase活性均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。

表2 小麥葉片養(yǎng)分含量與光合生理指標(biāo)間的相關(guān)分析

3 結(jié)論與討論

鹽脅迫可通過(guò)活性氧累積、抑制光化學(xué)反應(yīng)等影響光合進(jìn)程，從而導(dǎo)致光合效率降低進(jìn)一步降低植物生物量[19]。葉綠素a、葉綠素b及類(lèi)葫蘆卜素是主要光合色素，影響光能吸收、分配與轉(zhuǎn)化過(guò)程的基本物質(zhì)[18]。此外，光合色素含量可反映植物的健康狀況和植物對(duì)脅迫環(huán)境的耐受能力[20]。本研究中，150 mmol/L NaCl處理下，小麥葉綠素a、葉綠素b、類(lèi)胡蘿卜素含量及葉綠素a含量/葉綠素b含量顯著降低，這可能是由于葉綠體膜擴(kuò)張和內(nèi)囊體中過(guò)高的Na+累積所致[21]。一般而言，葉綠素含量與光合效率呈正相關(guān)，葉綠素含量的降低則意味著光合作用速率降低且不可逆轉(zhuǎn)[22]。本研究中，鹽脅迫處理下，光合色素含量指標(biāo)均呈SS

在逆境條件下，導(dǎo)致光合效率下降的因素主要分為氣孔限制或非氣孔限制，當(dāng)氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)同時(shí)降低時(shí)則為氣孔限制，反之，則由葉綠體基?；钚韵陆档姆菤饪紫拗扑餥23]。本研究中，鹽脅迫下無(wú)論施硒、硅與否，凈光合速率(Pn)與Gs、Ci規(guī)律不一致，且施入硒、硅條件下Pn、Gs更高，Ci降低，表明鹽脅迫下硒、硅皆可通過(guò)非氣孔限制調(diào)節(jié)類(lèi)囊體基粒反應(yīng)從而改善光合作用進(jìn)程。核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)、果糖-1，6-二磷酸酯酶(FBPase)及果糖-1，6-二磷酸醛縮酶(FDA)等光合酶的活性與光合機(jī)構(gòu)完整度密切相關(guān)[20]。核酮糖1，5-二磷酸加氧/羥縮酶(RuBPCase、FBPase、FDA)是影響葉片固定CO2的主要酶類(lèi)，在保證光合作用過(guò)程中的底物生成具有重要作用[24]。本研究中，鹽脅迫處理(SS)下，RuBPCase、FBPase、FDA活性皆最低，且顯著低于CK處理，這表明鹽脅迫導(dǎo)致的光合結(jié)構(gòu)受損是影響光合效率的又一因素。

植物對(duì)光能的吸收和轉(zhuǎn)化主要分為3個(gè)過(guò)程：葉綠素?zé)晒馕?，光合電子傳遞以及光合熱散失[20]。PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)是評(píng)價(jià)PSⅡ反應(yīng)中心光能的初級(jí)轉(zhuǎn)化效率；實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)是PSⅡ在反應(yīng)中心部分關(guān)閉時(shí)的實(shí)際捕光效率，ΦPSⅡ反映了反應(yīng)中心光合傳遞的凈收益值；光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)反映著光化學(xué)電子轉(zhuǎn)移中光色素捕獲的光能比例[25-26]。非化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)是反映PSⅡ反應(yīng)中心吸收的光能無(wú)法用于光合電子傳遞，而以熱能形式損失掉的光能部分[17，27]。本研究中，鹽脅迫處理(SS)下，與CK處理相比，F(xiàn)v/Fm、qP、ΦPSⅡ顯著降低，而NPQ顯著提高，在此基礎(chǔ)上外源施用硒、硅條件下Fv/Fm、qP、ΦPSⅡ提高，NPQ降低；這表明在鹽脅迫環(huán)境下施用硒、硅提高了PSⅡ反應(yīng)中心的活力，激發(fā)了光合電子傳輸效率。這可能是由于Se和Si本身是植物光化學(xué)及能量代謝重要蛋白質(zhì)的催化物質(zhì)，因此提高PSⅡ中心捕獲的激發(fā)能效率，減少激發(fā)熱能在PSⅡ天線中的散失[18]。

鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致特定的離子毒性和植物生長(zhǎng)抑制，Na+的過(guò)量積累對(duì)植物細(xì)胞有毒害作用，可導(dǎo)致新陳代謝紊亂和養(yǎng)分不足[28]。本研究中，在鹽脅迫處理中，Na含量顯著增加，而K含量顯著降低，這表明葉片在吸收K+和Na+之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；然而鹽脅迫下施用硒、硅均顯著降低了Na含量并增加了K含量。N、P、Mg在光合代謝中起著重要作用，P、Mg含量與鹽脅迫下的光合速率呈顯著正相關(guān)[29]。在本研究中，鹽脅迫下N、P、Mg以及微量營(yíng)養(yǎng)素(Fe和Zn)含量顯著降低，這可能是由于鹽分對(duì)N的獲取和利用的干擾所致[30]，從而降低了葉綠素合成和光合作用效率。然而，在硒硅處理(SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE)下N、P、Mg含量始終高于SS處理，這可能是由于低硒、硅與Na代謝具有串聯(lián)干擾，從而增強(qiáng)了微量營(yíng)養(yǎng)素的吸收[20]。

綜上，鹽脅迫可導(dǎo)致葉片光合色素的分解、阻礙氣體交換與葉綠素?zé)晒夥磻?yīng)、降低光合酶活性以及抑制葉片養(yǎng)分累積，在此基礎(chǔ)上施用硒硅有效改善了上述光合生理及養(yǎng)分吸收，且相關(guān)分析結(jié)果表明，養(yǎng)分含量與光合生理指標(biāo)間存在明顯的相關(guān)關(guān)系，表明硒硅可通過(guò)促進(jìn)養(yǎng)分累積緩解葉片光合生理代謝，以硒硅組合施用最佳。