鋁脅迫下油菜幼苗葉綠素質(zhì)量分數(shù)與光化學(xué)效率及碳同化代謝的研究

吳家怡， 孟麗姣， 袁芳， 史紅松， 李晨陽，武曉如， 白巖松， 李加納，2， 周清元，2， 崔翠，2

1. 西南大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶 400715；2. 南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶 400715

鋁是地殼中最豐富的金屬元素之一, 主要以硅酸鹽或氧化沉淀物的形式存在, 在中性或中等酸性土壤中沒有生物活性[1-2], 但當(dāng)土壤pH值小于5.0時, 便會從這些黏土礦物中解離出具有植物毒性的Al3+[3]． 目前, 世界范圍內(nèi)約有40%的可耕地是酸性土壤[4]; 在中國, 長江以南的大部分耕地土壤呈酸性或強酸性, 此外不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施(施肥)和環(huán)境問題(酸雨), 導(dǎo)致耕地土壤pH迅速下降[5]． 酸性土壤中鋁的毒性已經(jīng)成為限制全球作物產(chǎn)量的一個主要因素[6-7]．

光合作用是植物獲取物質(zhì)和能量的基礎(chǔ), 約95%的植物干物質(zhì)直接來自光合作用[8]． 不同的環(huán)境脅迫會導(dǎo)致光合色素的質(zhì)量分數(shù)下降[9], 色素的破壞或其生物合成的受阻都可能導(dǎo)致電子傳輸受到影響[10], 從而導(dǎo)致植物的光合能力下降． 目前, 鋁誘導(dǎo)的葉綠素質(zhì)量分數(shù)下降現(xiàn)象在柑橘、 大豆、 水稻、 大麥等作物中被發(fā)現(xiàn)[11-14], 而鋁誘導(dǎo)二氧化碳同化效率的降低在水稻[15]、 玉米[16]、 黑麥[17]、 柑橘[18]、 可可[19]等作物中有廣泛的報道． Al3+可以引起葉綠素a熒光的變化[18], 并導(dǎo)致PSII光合電子傳輸?shù)囊种坪蚉SII反應(yīng)中心的關(guān)閉[20]． 有研究表明, 鋁脅迫抑制大豆及煙草的PSII光能轉(zhuǎn)化效率、 實際光化學(xué)效率[21-22], 使柑橘和菠菜的PSII潛在活力下降[23-25]以及限制芥菜型油菜的電子傳遞速率[26]．

光合能力還受到碳同化過程中很多關(guān)鍵酶的限制[27]． 核糖-1, 5-二磷酸羧化酶(Rubisco), 甘油醛磷酸-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)和核糖-5-磷酸激酶(PRK)是碳同化過程中的重要酶, 可控制二氧化碳固定、 電子轉(zhuǎn)運和1, 5-二磷酸核酮糖(RuBP)再生等關(guān)鍵代謝過程[28]． 在非生物脅迫下, 煙草中的Rubisco活化酶(RCA)活性的降低可影響Rubisco活性, 最終抑制光合作用[29-30]． 碳同化利用ATP和NADPH將大氣中的CO2合成非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(淀粉和蔗糖等)[31]． 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物可以反映碳同化(光合作用)和碳需求(生長和呼吸等)之間的平衡[32]． 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的增加, 往往反映其利用率下降, 導(dǎo)致生物量減少[29], 與干物質(zhì)的積累呈顯著負相關(guān)[33]．

油菜是世界上主要的油料作物之一, 中國是目前世界上第二大油菜生產(chǎn)國, 2019年油菜籽產(chǎn)量約為全球總產(chǎn)量的1/5． 中國油菜大多種植于長江以南地區(qū), 該油菜種植區(qū)受嚴重的酸鋁威脅[34], 因此, 鋁脅迫是油菜籽產(chǎn)區(qū)普遍存在的嚴重問題． 前人研究主要集中在鋁毒對植物根系生長的影響[35-36], 植物的有機酸分泌耐鋁毒機制[18, 37-38], 鋁脅迫下植物的氧化應(yīng)激[39-41]以及鋁脅迫對植物光合氣體交換的影響等方面[17-18, 23], 而對鋁脅迫下甘藍型油菜光化學(xué)性能、 光能分配及碳同化關(guān)鍵酶等的系統(tǒng)研究較少． 本研究選用2個遺傳來源差異較大的甘藍型油菜品種, 通過不同濃度鋁脅迫后, 測定其葉綠素質(zhì)量分數(shù)、 葉綠素?zé)晒鈪?shù)、 光合參數(shù)、 碳同化關(guān)鍵酶活性及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物質(zhì)量分數(shù), 探討甘藍型油菜幼苗在鋁脅迫下光合特性的變化, 揭示鋁脅迫下光化學(xué)反應(yīng)與油菜幼苗CO2同化的相互關(guān)系．

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料為遺傳差異較大的2個甘藍型油菜品種(系)ZS11和10D130, 其中, ZS11為中國農(nóng)科院油料作物研究所選育的優(yōu)質(zhì)常規(guī)品種, 10D130是重慶市油菜工程技術(shù)研究中心選育、 由羽衣甘藍和芥菜型油菜種間雜交而得的衍生品系． 實驗材料均由重慶市油菜工程技術(shù)研究中心提供．

1.2 實驗設(shè)計

實驗于2019年10月初至2020年1月初在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)人工氣候室中進行(29°30′41′′N, 106°18′14′′E)． 分別選取大小均勻、 圓潤飽滿的油菜種子, 先用75%乙醇對種子消毒30 s, 然后用蒸餾水清洗, 以濾紙吸干種子表面水分, 再將種子分別播種至裝有蛭石的營養(yǎng)缽中進行萌發(fā), 每個營養(yǎng)缽內(nèi)播種5粒種子并澆透水． 每個品種總共播種18個營養(yǎng)缽, 放入裝有1/2霍格蘭營養(yǎng)液的托盤內(nèi)保持蛭石濕潤并促進種子萌發(fā)． 每隔4 d更換1次營養(yǎng)液． 幼苗在2葉1心時進行間苗, 每個營養(yǎng)缽內(nèi)留下2株長勢相近的幼苗． 待幼苗生長至第4片真葉長出時開始用處理液進行鋁脅迫處理, 處理液分別為添加有0, 800, 1 600, 2 400, 3 200和4 000 μmol/L AlCl3·6H2O的1/2霍格蘭營養(yǎng)液． 每處理3個重復(fù), 每隔4 d更換1次相同的處理液, 處理第15 d時進行相應(yīng)指標(biāo)的測定．

1.3 光合性能指標(biāo)的測定及方法

1.3.1 葉綠素質(zhì)量分數(shù)

葉綠素質(zhì)量分數(shù)測定采用丙酮乙醇法進行: 選取第3片真葉, 避開主脈剪取0.2 g碎葉, 放入帶刻度加塞試管中, 加入10 mL丙酮無水乙醇混合液(丙酮與無水乙醇比例為1∶1)． 試管移至暗處保存, 48 h后待樣品呈白色時, 用光柵型多功能酶標(biāo)儀(Tecan, Inc., Swiss)在波長663 nm和645 nm下測定提取液的吸光度, 每個處理測定3個重復(fù)． 根據(jù)Arnon公式[42]計算葉綠素a(Chl a, 用SChl a表示), 葉綠素b(Chl b, 用SChl b表示)及總?cè)~綠素(Chl, 用SChl表示)的質(zhì)量分數(shù)．

SChl a=(12.71A663-2.59A645)×V/(1 000×W)

SChl b=(22.88A645-4.67A663)×V/(1 000×W)

SChl=(8.04A663+20.29A645)×V/(1 000×W)

式中,A663代表在波長663 nm時的吸光度,A645代表在波長645 nm時的吸光度,V代表體積,W代表質(zhì)量．

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)

幼苗植株經(jīng)過20 min暗處理后, 采用植物表型成像分析系統(tǒng)(PSI, Inc., Czech Republic)測量其初始熒光產(chǎn)量F0, 最大熒光產(chǎn)量Fm, 光適應(yīng)下初始熒光產(chǎn)量F0′, 光適應(yīng)下最大熒光產(chǎn)量Fm′, 穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量Fs, 最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm), PSII實際光化學(xué)效率(ΦPSII), PSII效率系數(shù)(Fq′/Fv′), 光合作用活力指數(shù)(Rfd), PSII有效光化學(xué)量子效率(Fv′/Fm′)． 每個處理測量3個重復(fù)．

根據(jù)Wang 等[43]方法計算PSII潛在活性(Fv/F0):

Fv/F0=(Fm-F0)/F0

光合機構(gòu)吸收光能被用于光化學(xué)反應(yīng)的相對份額(P):

P=(Fv′/Fm′)×(Fq′/Fv′)

用于熱耗散的相對份額(D):

D= 1-Fv′/Fm′

用于反應(yīng)中心的過剩激發(fā)能的份額(Ex)[44]:

Ex=Fv′/Fm′×(1-Fq′/Fv′)

PSI激發(fā)能分配系數(shù)(α):

α=f/(1+f)

式中,f為常數(shù), 代表PSII反應(yīng)中心的開放程度．

PSII激發(fā)能分配系數(shù)(β)[45]:

β=1/(1+f),f=(Fm′-Fs)/(Fm′-F0′)

1.4 碳同化相關(guān)指標(biāo)測定及方法

1.4.1 葉片光合氣體交換參數(shù)

利用LI-6400XT便攜式光合系統(tǒng)(LI-COR, Inc., USA)在晴天上午9時至12時測定第4片真葉的凈光合速率(Pn), 氣孔導(dǎo)度(Gs), 胞間二氧化碳濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)． 二氧化碳濃度設(shè)定為400 μmol/mol, 飽和光強設(shè)定為1 200 μmol/(m2·s)． 每個處理均設(shè)置3個重復(fù)．

1.4.2 碳同化關(guān)鍵酶活性及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物質(zhì)量分數(shù)測定

在每個處理中隨機選取生長比較一致的3株油菜, 在第3片真葉位避開主脈剪取0.2 g葉片放入研缽中, 加入液氮研磨成粉末后, 轉(zhuǎn)移至EP管中, 加入2 mL PBS溶液(pH值為7.4)進行提?。?隨后進行20 min離心(3 000 r/min), 收集1 mL上清液加入EP管中用于測定碳同化關(guān)鍵酶活性． 采用酶聯(lián)免疫法(ELISA)[46]測定核糖-1, 5-二磷酸羧化酶(Rubisco), 甘油醛磷酸-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)和核糖-5-磷酸激酶(PRK)活性． 以同樣的方法稱取0.2 g葉片, 參考前人方法[47-48]分別測量淀粉及可溶性糖質(zhì)量分數(shù)． 每個處理設(shè)置3個重復(fù)．

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用DPS V9.50進行單因素方差分析和顯著性比較(LSD法), 顯著性水平為p<0.05; 采用SPSS 22.0進行相關(guān)性分析; 采用Excel 2013進行制表及作圖．

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁脅迫對油菜光合性能指標(biāo)的影響

2.1.1 鋁脅迫對油菜幼苗葉綠素質(zhì)量分數(shù)的影響

2個品種葉綠素a(Chl a), 葉綠素b(Chl b)及總?cè)~綠素(Chl)的質(zhì)量分數(shù)均隨鋁脅迫濃度上升呈先升后降的趨勢(表1)．

表1 鋁脅迫對油菜幼苗葉綠素質(zhì)量分數(shù)的影響

對照(CK)時的2個品種Chl a, Chl b, Chl質(zhì)量分數(shù)相近． 低濃度(800 μmol/L)鋁處理下ZS11的Chl a, Chl b, Chl質(zhì)量分數(shù)分別比對照增加56.0%, 190.2%和84.3%． 中濃度(2 400 μmol/L)鋁處理下 10D130 的Chl a, Chl b, Chl質(zhì)量分數(shù)分別比對照增加31.4%, 124.3%和51.1%． 高濃度(4 000 μmol/L)鋁處理下ZS11的Chl a, Chl b與Chl質(zhì)量分數(shù)與對照相比下降27.5%, 28.0%和27.7%; 10D130的Chl a, Chl b及Chl的質(zhì)量分數(shù)與對照相比下降40.0%, 47.2%和41.6%． 這說明低濃度鋁對ZS11的葉綠素質(zhì)量分數(shù)有更強的促進作用, 高濃度鋁對ZS11葉綠素質(zhì)量分數(shù)抑制作用相對較弱, ZS11較10D130有更好的耐鋁性．

2.1.2 鋁脅迫對油菜幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.1.2.1 鋁脅迫對油菜幼苗葉片PSII光化學(xué)效率及電子傳遞的影響

如圖1,Fv/Fm為最大光化學(xué)量子產(chǎn)量,Fq′/Fv′為PSII效率系數(shù),Rfd為光合作用活力指數(shù),Fv/F0為PSII潛在活性, 分別反映了PSII反應(yīng)中心的電子捕獲能力、 開放程度、 葉片潛在的光合作用量子轉(zhuǎn)化效率和PSII中電子傳遞的效率和光合作用的量子轉(zhuǎn)化率[44]． 2個品種的Fv/Fm,Fq′/Fv′,Rfd,Fv/F0大致隨著鋁脅迫濃度的上升而下降, 并在最高脅迫濃度下(4 000 μmol/L)達到最小值, 表明2個品種的PSII效率下降, PSII反應(yīng)中心的開放程度降低, 葉片光合作用活力受抑制且光合釋氧配合物(OEC)的完整性下降, 影響光合作用的電子傳遞．Fv′/Fm′為PSII有效光化學(xué)量子效率,ETR為光合電子傳遞速率, 10D130的Fv′/Fm′和ETR隨鋁脅迫濃度的增加而下降, 并在最高脅迫濃度下達到最低值, 表明其開放的PSII反應(yīng)中心原初光能捕獲效率降低并且電子傳遞速率下降．

從光合熒光參數(shù)總體結(jié)果分析, 在同一脅迫濃度處理下, ZS11大多參數(shù)降低的幅度較10D130降低的幅度要小． 就高濃度脅迫(4 000 μmol/L)下各指標(biāo)變化幅度來看, ZS11的Fv′/Fm′和ETR變化與對照差異無統(tǒng)計學(xué)意義, 說明鋁脅迫對ZS11品種的PSII有效光化學(xué)量子效率及電子傳遞速率影響較10D130?。?/p>

2.1.2.2 鋁脅迫對油菜幼苗吸收光能分配的影響

光合作用中, 植物葉片吸收的光能有3條去路: 一是用于光化學(xué)反應(yīng)(P), 二是在天線色素上進行熱耗散(D), 三是反應(yīng)中心的過剩激發(fā)能(Ex)． 圖2a顯示, 用于光化學(xué)反應(yīng)的光能(P)在ZS11中各處理與對照間差異無統(tǒng)計學(xué)意義; 而在10D130中, 鋁脅迫后均較對照顯著下降, 表明光合器官吸收的光能分配用于光化學(xué)反應(yīng)的份額降低(圖2b)． 就熱耗散(D)來看, ZS11的熱耗散(D)大多與對照差異無統(tǒng)計學(xué)意義; 而10D130的熱耗散(D)隨著鋁脅迫濃度的增加而升高, 說明10D130對鋁表現(xiàn)得更敏感, 能更快地啟動光保護熱耗散機制． 此外, 2個品種的過剩激發(fā)能(Ex)均隨著鋁脅迫濃度的增加而升高, 說明鋁脅迫導(dǎo)致2個品種的過剩光能增加, 對光合器官造成損傷．

α和β分別表示2個品種PSI和PSII激發(fā)能的分配系數(shù)． 圖2c和2d顯示, 在高濃度鋁處理下(3 200, 4 000 μmol/L), 2個品種PSI激發(fā)能分配系數(shù)(α)分別較對照顯著降低8.0%～9.1%(ZS11)和9.7%～11.5%(10D130); 而PSII激發(fā)能分配系數(shù)(β)分別較對照顯著增加7.8%～9.0%(ZS11)和8.8%～14.0%(10D130), 說明高濃度鋁導(dǎo)致兩個光系統(tǒng)之間的激發(fā)能分配嚴重偏離平衡, 造成了PSII的傷害．

2.2 鋁脅迫對油菜碳同化相關(guān)指標(biāo)的影響

2.2.1 鋁脅迫對油菜幼苗光合參數(shù)的影響

由圖3可知, ZS11和10D130的凈光合速率(Pn), 氣孔導(dǎo)度(Gs), 胞間二氧化碳濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)隨著鋁脅迫濃度增加均表現(xiàn)出先增加后又降低的趨勢． 10D130的Pn,Gs和Tr在800 μmol/L處理時達到最大, 分別比對照增加9.6%, 80.7%和32.6%; 在4 000 μmol/L處理時達到最小, 分別比對照減少40.7%, 23.5%和55.8%． ZS11的Pn,Gs和Tr在1 600 μmol/L處理時達到最大, 其中Gs和Tr分別比對照顯著增加30.3%和104.3%． 2個品種的Ci變化趨勢與各自的Pn相似． 在低濃度(800 μmol/L)處理下, 其Ci與對照相比顯著增加7.2%(ZS11)和5.1%(10D130), 在高濃度(4 000 μmol/L)處理下與對照相比下降, 分別為9.0%(ZS11)和11.8%(10D130)．

2.2.2 鋁脅迫對油菜幼苗碳同化關(guān)鍵酶活性的影響

核糖-1, 5-二磷酸羧化酶(Rubisco), 甘油醛磷酸-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)和核糖-5-磷酸激酶(PRK)是卡爾文循環(huán)中的重要酶, 分別控制二氧化碳固定與還原和RuBP再生等關(guān)鍵代謝過程． 表2中, 2個品種的Rubisco活性均在800 μmol/L處理下較對照有顯著下降, 然后隨著處理濃度的增加表現(xiàn)為先升后降的趨勢, 至脅迫濃度為4 000 μmol/L時, 分別較對照顯著降低39.9%(ZS11)和77.7%(10D130)． 10D130的GAPDH和PRK活性在鋁脅迫下呈先升后降的趨勢, 其中GAPDH活性在1 600 μmol/L處理下達到最大值, 在4 000 μmol/L時較對照顯著降低21.8%． 10D130的PRK活性在3 200 μmol/L處理下達到最大值, 在800 μmol/L和4 000 μmol/L時活性較低, 與對照差異無統(tǒng)計學(xué)意義． ZS11的GAPDH和PRK活性在各處理濃度下均與其對照差異無統(tǒng)計學(xué)意義．

小寫字母不同表示p<0.05, 差異有統(tǒng)計學(xué)意義．圖1 鋁脅迫對油菜幼苗葉片PSII光化學(xué)效率及電子傳遞的影響

小寫字母不同表示p<0.05, 差異有統(tǒng)計學(xué)意義．圖2 鋁脅迫對油菜幼苗吸收光能分配的影響

表2 鋁脅迫對油菜幼苗碳同化關(guān)鍵酶的影響

2.2.3 鋁脅迫對油菜幼苗非結(jié)構(gòu)性碳水化合物質(zhì)量分數(shù)的影響

圖4中, ZS11的淀粉質(zhì)量分數(shù)隨鋁脅迫濃度的增加而有所降低, 可溶性糖質(zhì)量分數(shù)呈逐漸上升的趨勢, 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物質(zhì)量分數(shù)與對照差異無統(tǒng)計學(xué)意義, 表明其在鋁脅迫下通過滲透調(diào)節(jié)維持著較高的葉片代謝速率, 表現(xiàn)出耐鋁性． 10D130的淀粉質(zhì)量分數(shù)呈先上升后下降的趨勢, 可溶性糖質(zhì)量分數(shù)呈先下降后上升的趨勢, 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物質(zhì)量分數(shù)變化與可溶性糖變化類似, 并在低濃度(800, 1 600 μmol/L)脅迫下與對照相比顯著降低, 表明此時碳的輸入不能滿足其代謝的需求, 而后隨濃度的增加而增加, 維持碳平衡．

3 討論

光合作用是影響作物生產(chǎn)的最重要過程, 高光合速率是提高作物生長的最重要育種策略之一[49], 而脅迫能夠抑制光合作用中的碳同化過程[50]并導(dǎo)致凈光合速率降低[51]． 研究表明, 不利條件下氣孔或非氣孔的限制會減少光合作用[52], 而Pn,Gs和Ci的一致降低表明其光合作用植物主要受氣孔因素限制[53-54]． 本研究中, 2個品種的Ci呈下降趨勢, 且與Pn,Gs呈顯著正相關(guān)(表3), 說明這兩個油菜品種在鋁脅迫下氣孔關(guān)閉, 使細胞間CO2濃度降低, 油菜利用CO2能力下降, 最終導(dǎo)致Pn下降． 前人通過鋁處理青蒿發(fā)現(xiàn)氣孔因素導(dǎo)致其光合速率降低[55], 在鋁脅迫下的麻瘋樹氣體交換研究中發(fā)現(xiàn), 其Pn下降歸因于氣孔因素[56]． 另外, 本研究中, 較低處理濃度下2個品種的Pn相比于對照有所提升, 可能是由于Al3+促進了油菜生長必需營養(yǎng)素(例如磷酸鹽)的攝取, 或減輕了其他有害離子(如Fe2+和/或H+)的影響[57], 從而促進了油菜的光合速率． 有研究表明[58], 在較低濃度鋁脅迫(1.25, 2.0 mol/L)下油茶的Pn和Gs得到了提升．

小寫字母不同表示p<0.05, 差異有統(tǒng)計學(xué)意義．圖4 鋁脅迫對油菜幼苗碳水化合物質(zhì)量分數(shù)的影響

表3 ZS11和10D130氣體交換參數(shù)相關(guān)性分析

葉綠素(Chl a, Chl b, Chl)是植物葉片中的主要光合色素, 是評估植物生理狀態(tài)以及反映葉片光合作用能力的重要指標(biāo)[59]． 本研究中, 鋁脅迫下ZS11的Chl b, Chl質(zhì)量分數(shù)與Pn有顯著相關(guān)性(表4), 說明Chl b質(zhì)量分數(shù)的變化是制約其凈光合速率變化的主要因素之一; 而10D130的Chl a, Chl b, Chl質(zhì)量分數(shù)與Pn都呈顯著正相關(guān), 說明葉綠素質(zhì)量分數(shù)的降低造成了其凈光合速率的下降． 作物碳同化能力下降, 光合色素吸收的光能就會超過碳同化的利用能力進而導(dǎo)致過剩光能的產(chǎn)生, 從而導(dǎo)致光抑制[60]． 在2個品種中, 最高脅迫濃度下Ex與對照相比顯著上升, 可知2個品種在最高脅迫濃度下存在光抑制, 其中10D130的Ex上升幅度是ZS11的4倍, 說明10D130受到的光抑制更嚴重, 考慮主要原因是其凈光合速率Pn的下降所致． 10D130的熱耗散D值隨著鋁脅迫濃度的上升而增加, 表明其通過環(huán)式電子傳遞[61]以及熱耗散[62]來消耗過剩的光能; 而ZS11中, 其P,D,ETR,Fv/Fm,Fv′/Fm′在各濃度處理下均與各自的對照差異無統(tǒng)計學(xué)意義, 其光抑制的原因可能與光抑制密切相關(guān)的放氧復(fù)合體(OEC)活性指標(biāo)Fv/F0[23]在最高脅迫濃度下表現(xiàn)為顯著下降有關(guān), 表明此時放氧復(fù)合體活性受損, 導(dǎo)致PSII光抑制． 另外, 鋁脅迫下其PSII所分配的激發(fā)能份額β增加, 可能會引起激發(fā)能的過剩, 而Al3+沒有激活其熱耗散途徑, 過剩激發(fā)能難以通過熱耗散轉(zhuǎn)化, 也導(dǎo)致PSII的光抑制． 由此可知, 10D130較ZS11對Al3+更敏感并且能更快地啟動光保護機制． 植物可以通過對二氧化碳同化的改善來調(diào)整吸收光能的利用率, 從而最大程度地減少光抑制作用[63], 而光化學(xué)能利用是捕光效率及PSII反應(yīng)中心開閉程度共同作用的結(jié)果[44]． 本研究中, ZS11的Fq′/Fv′在最高處理濃度下顯著降低, 表明其在光抑制下通過PSII反應(yīng)中心的關(guān)閉, 減少過剩激發(fā)能的累積, 達到光化學(xué)能利用的穩(wěn)定; 10D130的Fq′/Fv′和Fv′/Fm′均降低, 說明其通過關(guān)閉PSII反應(yīng)中心及降低捕光效率來實現(xiàn)光保護．

電子傳遞效率下降引起的同化動力供應(yīng)不足會抑制卡爾文循環(huán)中的一些酶活性, 從而引起光合速率的下降[64]． 在本研究中, 我們以Pn與碳同化酶(Rubisco, GAPDH, PRK)活性做相關(guān)性分析(表4), 結(jié)果表明: 在10D130中Pn與Rubisco和GAPDH活性呈顯著正相關(guān), 該兩種酶活性隨著脅迫濃度增加呈先增加后下降的趨勢; 在ZS11中, Rubisco, GAPDH和PRK活性與Pn沒有相關(guān)性, 且GAPDH和PRK活性隨鋁脅迫濃度增加沒有顯著變化． 非生物脅迫下, 耐性強植物相比于敏感性植物通常表現(xiàn)出較高的GAPDH活性[65-66]． 由此可知, ZS11相較于10D130有更強的耐鋁性, 原因可能是GAPDH活性的增加可以維持碳水化合物的糖酵解以產(chǎn)生能量并抑制活性氧(ROS)的產(chǎn)生[67-68], 減輕光抑制程度, 因此在碳同化過程中, GAPDH活性的維持可能是ZS11在鋁脅迫下防止光合作用受抑制的因素, 這也可以解釋ZS11較10D130受到光抑制更輕． 我們還觀察到, 2個品種的Rubisco活性在低濃度鋁脅迫(800 μmol/L)下較對照有顯著下降, 而Pn,Gs,Ci反而上升, 其中的原因可能是Ci的升高致使CO2濃度達到飽和, 使RuBP羧化酶(1, 5-二磷酸核酮糖)再生速率(Jmax)成為影響光合的因素, 而Jmax與碳同化過程中RuBP的再生有關(guān)[69-70], 也就是說此時光合速率主要受到RuBP再生步驟的影響; 另外, 不同碳同化酶活性的增加會使碳同化效率提高[71], 從而推斷該濃度下2個品種的GAPDH和PRK活性的穩(wěn)定有利于碳同化及光合作用的進行, 進一步說明各處理濃度下ZS11中光合速率的穩(wěn)定得益于GAPDH和PRK活性的維持．

表4 ZS11及10D130的Pn與葉綠素質(zhì)量分數(shù)、 碳同化酶活性的相關(guān)性分析

作為光合作用的最終產(chǎn)物, 有機物質(zhì)量分數(shù)可作為植物生長潛力及鑒定植物對鋁耐性的重要指標(biāo)[72]． 本研究中, 盡管ZS11的葉綠素質(zhì)量分數(shù),Fq′/Fv′和Fv/F0在處理與對照間有顯著下降, 用于光反應(yīng)的光能P和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)在對照與處理間差異無統(tǒng)計學(xué)意義, 表明其能保持較好的光能利用與光合能力, 維持光合有機物產(chǎn)出, 具有更好的耐鋁性． 而10D130的NSC與對照相比有一定上升, 可能是Al3+降低了碳水化合物在生長中的利用[73], 引起其葉片中碳水化合物的積累, 尤其是可溶性糖質(zhì)量分數(shù)的增加, 使其通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來維持正常的生理代謝[74]． 另外, 碳水化合物的積累可能會引起反饋抑制作用, 從而導(dǎo)致碳同化作用下降． 該結(jié)論與Dai等[75]對鋁脅迫下田七NSC質(zhì)量分數(shù)變化的結(jié)論一致, 后者表明鋁處理下田七中淀粉質(zhì)量分數(shù)降低但NSC質(zhì)量分數(shù)增加．

4 結(jié)論

在鋁脅迫下, 2個油菜品種的凈光合速率在鋁處理下受氣孔因素及葉綠素質(zhì)量分數(shù)變化的影響． 2個品種均體現(xiàn)出光抑制, ZS11通過PSII反應(yīng)中心的關(guān)閉以及10D130通過關(guān)閉PSII反應(yīng)中心及降低捕光效率來減少光抑制的損害． 另外, ZS11中GAPDH活性的維持可能是其在鋁脅迫下減輕光抑制的原因． ZS11通過改善NSC質(zhì)量分數(shù)來保持其碳平衡, 而10D130的NSC質(zhì)量分數(shù)上升則表明可能存在負反饋對其碳同化產(chǎn)生抑制作用． 綜合碳同化變化、 葉綠素質(zhì)量分數(shù)下降幅度、 光抑制程度、 碳同化酶活性變化以及NSC對碳平衡的調(diào)節(jié)可知, ZS11較10D130具有更好的耐鋁性, 能夠保持較好的光合及碳同化效率．