外源鈣和水楊酸對弱光下觀光木幼苗生理特性的影響

覃永華,李 婷,楊 梅,劉世男

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

光是影響植物生長發(fā)育和生理功能的重要環(huán)境因子之一[1].在遮陰狀態(tài)下,植物的可溶性蛋白、SOD、POD等顯著降低,如油茶(Camelliaoleifera)、望天樹(Parashoreachinensis)和野鴨椿(Euscaphisjaponica(Thunb.) Kanitz)等[2-5],而MDA和游離脯氨酸含量顯著升高,如紅蕓豆(Phaseolusvulgaris)等[6];此外,植物的葉綠素?zé)晒釬o、Fm、Fv/Fm也呈現(xiàn)不同程度的降低,如辣椒(Capsicumannuum)、興安落葉松(LarixdahuricaTurcz.ex Trautv.)等[7-8].可見,弱光脅迫使植物生理功能受到影響,進而影響植物生長發(fā)育.研究表明,噴施激素、化學(xué)藥劑等外源物質(zhì),能緩解植物在脅迫條件下的傷害.目前,關(guān)于水楊酸(SA)和氯化鈣(CaCl2)增強植物抗逆性的作用已有很多報道[9-10].比如,有研究顯示,SA可以緩解菊芋(Helianthustuberosus)所受的鋁脅迫[11],還可以增強孔雀草(Tagetespatula)在鎘脅迫下的抗性[12];CaCl2可以緩解絳柳(Salixmatsudana)幼苗鹽脅迫[13],對元寶楓(Acertruncatum)高溫脅迫也有緩解效應(yīng)[14].此外,外源CaCl2和SA能夠提高黃瓜(Cucumissativus)、番茄(Solanumlycopersicum)、甜瓜(Cucumismelo)對弱光的耐受性,降低弱光脅迫造成的傷害[15-18].

觀光木(Tsoongiodendronodorum)為木蘭科(Magnoliaceae)觀光木屬(Tsoongiodendron)常綠喬木,兼具用材、觀賞和藥用價值[19-20].由于砍伐過多及環(huán)境破壞,觀光木的野外數(shù)量很少,已被列為國家珍稀瀕危二級保護植物[21].目前,觀光木研究主要集中在苗木培育、經(jīng)營、抗逆性等方面[21-24].已有研究[25]表明,弱光會對觀光木生長、生理造成顯著影響,但關(guān)于觀光木在弱光脅迫下的緩解方法還少有報道.本文旨在探索施加不同濃度CaCl2和SA對觀光木緩解弱光脅迫的作用,研究在弱光脅迫下,施加外源CaCl2和SA對觀光木抗氧化酶活性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響,確定觀光木緩解弱光脅迫最適宜的CaCl2和SA濃度,為開展觀光木在弱光逆境下的生長研究提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料為南寧樹木園培育的6個月大觀光木實生苗,選取生長狀況良好,高度、地徑一致的苗木.

1.2 試驗設(shè)計

本試驗在人工光照培養(yǎng)箱中進行.環(huán)境條件:光周期14 h/10 h,光照強度30 000 lx,溫度25 ℃,相對濕度70%.適應(yīng)3 d,每天同一時間分別噴施不同濃度CaCl2(0、5、10、20、50 mmol/L)和SA(0、1、2、5、10 mmol/L),同時以噴水為對照,每天1次,噴至葉面滴水,連噴3 d.然后將一部分苗木進行弱光處理,光照強度設(shè)置為6 000 lx,其他條件不變.每個處理3個重復(fù),每個重復(fù)為8株苗,處理21 d后測定各項指標(biāo).

1.3 生理指標(biāo)測定

丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[26],超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定[27],過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[14],多酚氧化酶(PPO)活性采用鄰苯二酚法測定[28],抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用紫外吸收法測定[29],可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍染色法測定[30],游離脯氨酸含量采用茚三酮法測定[30].

1.4 葉綠素?zé)晒鉁y定

采用便攜式葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2500測定葉片初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)等參數(shù),整理、計算得到光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)等參數(shù).

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016對數(shù)據(jù)進行整理并制圖,利用SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進行差異性及顯著性檢驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度CaCl2和SA對弱光下觀光木幼苗生理指標(biāo)的影響

2.1.1 SOD

如圖1 a所示,與正常光照相比,弱光條件下觀光木幼苗葉片的SOD活性顯著降低(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理SOD活性總體上升,隨著CaCl2濃度的提高呈先升高后降低趨勢.其中,10、20 mmol/L CaCl2處理SOD活性顯著高于其他濃度處理,與弱光處理(即0 mmol/L CaCl2)相比顯著上升(P<0.05),但與正常光照處理相比差異不顯著;5、50 mmol/L CaCl2處理與弱光處理差異不顯著.

對弱光下幼苗進行SA處理的SOD活性總體上升,隨著SA濃度的提高呈先升高后降低的趨勢.其中,SOD活性在2 mmol/L SA處理最高,10 mmol/L SA處理最低;2 mmol/L SA處理與其他SA濃度處理差異顯著(P<0.05),但與正常光照處理差異不顯著.

2.1.2 POD

如圖1 b所示,與正常光照相比,弱光條件下觀光木幼苗葉片的POD活性顯著降低(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的POD活性總體上升,隨著CaCl2濃度的提高呈先上升后下降趨勢,但不同CaCl2處理間差異不顯著,與弱光處理、正常光照處理差異顯著(P<0.05).

弱光下幼苗進行SA處理的POD活性總體上升,隨著SA濃度的提高呈先升高后降低的趨勢.其中,POD活性在2 mmol/L SA處理最高,10 mmol/L SA處理最低;2 mmol/L SA處理與其他SA濃度處理差異顯著(P<0.05).

2.1.3 PPO

如圖1 c所示,與正常光照相比,弱光下觀光木幼苗葉片的總PPO活性顯著降低(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的PPO活性顯著上升,但不同濃度處理間差異不顯著.

對弱光下幼苗進行SA處理的PPO活性總體上升,且隨著SA濃度的提高呈先上升后下降趨勢.其中,PPO活性在2 mmol/L SA處理最高,10 mmol/L SA處理最低;2 mmol/L SA處理與其他SA濃度處理差異顯著(P<0.05).

2.1.4 APX

如圖1 d所示,與正常光照相比,弱光條件下觀光木幼苗葉片的總APX活性顯著降低(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的APX活性顯著上升,隨著CaCl2濃度的提高呈先上升后下降趨勢,不同濃度處理間差異顯著(P<0.05).其中,10 mmol/L CaCl2處理的APX活性最高,而50 mmol/L處理最低,但仍顯著高于弱光處理.

對弱光下幼苗進行SA處理的APX活性顯著上升,隨著SA濃度的提高呈先上升后下降趨勢.不同濃度處理間差異顯著(P<0.05),其中,APX活性在5 mmol/L SA處理最高,10 mmol/L SA處理最低.

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);相同小寫字母表示差異不顯著(P>0.05).圖1 不同濃度CaCl2和SA對弱光下觀光木幼苗葉片抗氧化酶活性的影響Fig.1 Effect of different concentrations of CaCl2 and SA on the antioxidant enzyme activities of Tsoongiodendron odorum seedlings under weak light

由2.1.1～2.1.4結(jié)果可以看出:弱光使觀光木幼苗葉片中的SOD、POD、PPO、APX活性顯著降低,噴施一定濃度CaCl2和SA后上述酶活性均提高.其中,10 mmol/L和20 mmol/L CaCl2處理下SOD活性與正常光照差異不顯著,所有CaCl2處理下PPO活性均與正常光照時差異不顯著,同時,10 mmol/L CaCl2處理POD和APX活性雖然低于正常光照處理,但高于其他CaCl2處理;此外,2 mmol/LSA處理SOD、POD、PPO活性與正常光照處理差異不顯著.由此可見,噴施10 mmol/L CaCl2和2 mmol/L SA能有效緩解光照不足給觀光木幼苗抗氧化酶帶來的傷害.

2.1.5 MDA

如圖2 a所示,與正常光照相比,弱光條件下觀光木幼苗葉片的總MDA含量顯著上升(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的MDA活性顯著上升,隨著CaCl2濃度的提高呈先下降后上升趨勢.其中,10 mmol/L CaCl2處理MDA含量最低,顯著低于其他濃度處理和正常光照處理(P<0.05).

對弱光下幼苗進行SA處理的MDA含量顯著下降(P<0.05),隨著SA濃度的提高呈先下降后上升趨勢.其中,2 mmol/L SA處理MDA含量最低,與5 mmol/L和10 mmol/L SA處理差異顯著(P<0.05),但與正常光照和1 mmol/L SA處理差異不顯著.

2.1.6 可溶性蛋白

如圖2 b所示,與正常光照相比,弱光條件下觀光木幼苗葉片的可溶性蛋白含量顯著降低(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的可溶性蛋白含量總體上升,隨著CaCl2濃度的提高呈先上升后下降趨勢.其中,10 mmol/L CaCl2處理的可溶性蛋白含量最高,顯著高于其他濃度處理和弱光處理,與正常光照處理差異不顯著.

對弱光下幼苗進行SA處理的可溶性蛋白含量也總體上升,隨著SA濃度的提高呈先升高后下降趨勢.其中,2 mmol/L SA處理的可溶性蛋白含量最高,與除5 mmol/L SA以外的處理差異顯著(P<0.05).

2.1.7 游離脯氨酸

如圖2 c所示,與正常光照相比,弱光條件下觀光木幼苗葉片的游離脯氨酸含量顯著升高(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的可溶性蛋白含量總體下降,隨著CaCl2濃度的提高呈先下降后上升趨勢.其中,10 mmol/L CaCl2處理游離脯氨酸含量最低,僅與20 mmol/L CaCl2和正常光照處理差異不顯著.

對弱光下幼苗進行SA處理的游離脯氨酸含量總體變化不大,其中,2 mmol/L SA處理下游離脯氨酸含量顯著低于其他濃度處理(P<0.05),但仍顯著高于正常光照處理(P<0.05).

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);相同小寫字母表示差異不顯著(P<0.05).圖2 不同濃度CaCl2和SA對弱光下觀光木幼苗MDA、可溶性蛋白和游離脯氨酸的影響Fig.2 Effect of different concentrations of CaCl2 and SA on the MDA,soluble protein and activities of Tsoongiodendron odorum seedlings under weak light

由2.1.5～2.1.7可見,弱光條件使得觀光木幼苗葉片中的MDA、游離脯氨酸含量顯著升高,而可溶性蛋白含量顯著降低,噴施一定濃度的CaCl2和SA后,MDA、游離脯氨酸含量顯著下降,而可溶性蛋白含量顯著上升.其中,10 mmol/L CaCl2處理的MDA、游離脯氨酸和可溶性蛋白含量與正常光照處理差異不顯著;2 mmol/L SA處理的MDA含量與正常光照處理差異不顯著,同時,2 mmol/L SA處理的可溶性蛋白含量低于正常處理,但仍顯著高于其他濃度SA處理,而在相同處理下游離脯氨酸含量表現(xiàn)出相反的規(guī)律.可見,噴施10 mmol/L CaCl2和2 mmol/L SA能有效緩解光照不足對觀光木幼苗MDA、可溶性蛋白、游離酸脯氨酸含量的脅迫影響.

2.2 不同濃度CaCl2和SA對弱光下觀光木幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.2.1 最大熒光Fm

如圖3 a所示,與正常光照相比,弱光條件下觀光木幼苗Fm顯著降低(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的Fm總體上升,隨著CaCl2濃度的提高呈先升高后下降趨勢.其中,10 mmol/L CaCl2處理Fm最高,僅與弱光和正常處理差異顯著(P<0.05).

對弱光下幼苗進行SA處理的Fm總體上升,隨著SA濃度的提高呈先升高后下降趨勢.其中,2 mmol/L SA處理Fm最高,與弱光(即0 mmol/L SA)和5 mmol/L SA處理差異顯著(P<0.05),但與1、5 mmol/L SA和正常光照處理差異不顯著.

2.2.2 初始熒光Fo

如圖3 b所示,與正常光照相比,弱光下觀光木幼苗Fo顯著下降(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的Fo總體上升,隨著CaCl2濃度提高而下降.其中,10 mmol/L CaCl2處理Fo最高,且顯著高于與弱光和50 mmol/L CaCl2處理,與其他處理差異不顯著.

對弱光下幼苗進行SA處理的Fo總體上升,隨著SA濃度的提高呈先升高后下降趨勢.其中,2 mmol/L SA處理Fo最高,僅與弱光和5 mmol/L SA處理差異顯著(P<0.05).

2.2.3 最大光化學(xué)效率Fv/Fm

如圖3 c所示,與正常光照相比,弱光下觀光木幼苗Fv/Fm顯著下降(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的Fv/Fm總體上升,隨著CaCl2濃度的提高呈先升高后下降趨勢.其中,10 mmol/L CaCl2處理Fv/Fm最高,且顯著高于弱光處理,與其他處理差異不顯著.

對弱光下幼苗進行SA處理的Fv/Fm總體上升,隨著SA濃度的提高呈先升高后下降趨勢.其中,5 mmol/L SA處理Fv/Fm最高,與2 mmol/L SA處理差異不顯著,但與其他處理差異顯著(P<0.05).

2.2.4 非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ

如圖3 d所示,與正常光照相比,弱光下觀光木幼苗NPQ顯著升高(P<0.05).對弱光下幼苗進行CaCl2處理的NPQ總體下降,隨著CaCl2濃度的提高呈先下降后上升趨勢.其中,10 mmol/L CaCl2處理NPQ最低,但與其他處理差異不顯著.

對弱光下幼苗進行SA處理的NPQ總體下降,其中,2 mmol/L SA處理NPQ最低,僅與弱光(0 mmol/L SA)和正常光照處理差異顯著(P<0.05).

由2.2.1～2.2.4可見,弱光條件使得觀光木幼苗葉片中的Fm、Fo和Fv/Fm顯著降低而NPQ顯著升高,噴施一定濃度的CaCl2和SA后,Fm、Fo、Fv/Fm顯著上升,而NPQ顯著下降.其中,10 mmol/L CaCl2處理Fm、Fo、Fv/Fm與NPQ與正常光照處理差異不顯著;此外,2 mmol/L SA處理Fm、Fo含量與正常光照處理差異不顯著.可見,噴施10 mmol/L CaCl2和2 mmol/L SA能有效緩解光照不足對觀光木幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)造成的不良影響.

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);相同小寫字母表示差異不顯著(P>0.05).圖3 不同濃度CaCl2和SA對弱光下觀光木幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.3 Effect of different concentrations of CaCl2 and SA on the chlorophyll fluorescence characteristics of Tsoongiodendron odorum seedlings under weak light

3 討論與結(jié)論

植物在受到逆境脅迫后,體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧,耐受型物種可誘導(dǎo)相關(guān)氧化酶活性提高,以減輕脅迫傷害,而不耐受型物種中的保護系統(tǒng)遭到破壞[31],MDA含量積累,對生長造成傷害[31-32].本試驗中,在弱光下,觀光木幼苗葉片中的SOD、POD、PPO、APX活性和可溶性蛋白含量均明顯降低,而MDA和游離脯氨酸含量顯著增加,說明觀光木受到弱光脅迫,抗性低.然而,在弱光下施加CaCl2和SA的觀光木幼苗中SOD、POD、PPO、APX活性和可溶性蛋白含量升高,MDA和游離脯氨酸含量顯著降低.可見,施加CaCl2和SA后可以緩解弱光對觀光木造成的傷害,這與蔣曉婷[33]、李天來等[34]的研究結(jié)果一致.

Fv/Fm降低意味著植物光合作用被抑制,有可能是受到了逆境的傷害[35];NPQ的變化反映了非光化學(xué)耗散的能量,是植物光合機構(gòu)的自我保護機制[36].本試驗中,在弱光下,觀光木幼苗葉片的Fv/Fm、Fm和Fo降低,而NPQ升高,表明觀光木受到弱光傷害且葉片葉綠素?zé)晒馓匦詤?shù)發(fā)生異常,這與劉凱歌等[37]和常靜等[38]的研究結(jié)果一致.施加CaCl2和SA可使弱光下觀光木幼苗葉片的Fv/Fm、Fm、Fo上升,而NPQ下降,表明CaCl2和SA都可以提高觀光木在弱光下的抗逆性.

此外,在弱光下用CaCl2和SA處理觀光木幼苗,其POD、SOD、APX活性,可溶性蛋白含量,Fv/Fm,Fo和Fm均隨濃度的提高先升高再降低,而MDA、游離脯氨酸含量和NPQ隨濃度提高先下降再升高,其中,PPO、POD、SOD、APX活性和可溶性蛋白含量隨著濃度提高先增加再降低,MDA和游離脯氨酸含量隨濃度提高先下降再升高.由此表明:適宜濃度的CaCl2和SA處理才可以有效緩解弱光脅迫,過高或過低濃度下緩解作用都會下降.

綜上所述,弱光對觀光木幼苗的抗氧化酶、葉綠素?zé)晒獾壬砉δ茉斐蓚?而噴施10 mmol/L CaCl2和2 mmol/L SA可以起到緩解作用且效果最優(yōu).本研究可為觀光木的培育提供理論基礎(chǔ).