唐 玲,李倩中,榮立蘋,李淑順
(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝研究所/江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210014)
中國鹽堿地面廣量大,各類鹽堿地面積總計(jì)9 913.3萬公頃[1],包括許多城市土地也有不同程度的鹽堿化[2],致使很多城市綠化樹種在鹽脅迫條件下生長。而前人大量研究表明,鹽脅迫能直接影響樹木的生長發(fā)育,尤其在光合作用方面,表現(xiàn)為葉片氣孔導(dǎo)度減弱,葉綠素含量降低,光合效率下降,導(dǎo)致樹木生長發(fā)育不同程度受害,如柳枝稷葉片凈光合速率在鹽脅迫下顯著下降[3],桑樹幼苗在高鹽脅迫下最大熒光、最大光化學(xué)效率、潛在光化學(xué)效率和PSⅡ有效光化學(xué)量子效率顯著降低[4],楊樹在鹽脅迫下葉綠體結(jié)構(gòu)受到破壞而引起葉綠體色素含量下降、光合能力減弱[5-6];但也有研究發(fā)現(xiàn)一些苗木葉片在鹽脅迫下能維持或提升凈光合速率,表現(xiàn)出較好的耐鹽性[7]。
雞爪槭作為重要的城市觀賞與綠化樹種,其需求量巨大,且較為適合鹽堿地種植[2],在土地鹽堿化城市生態(tài)綠化過程中起著不可或缺的作用。但迄今為止,雞爪槭對鹽脅迫的生理響應(yīng)機(jī)制仍然不明確,且研究報(bào)道甚少,不利于雞爪槭種植水平的提高和品種改良。因此,本研究設(shè)置不同的土壤鹽濃度,分析雞爪槭葉色和葉綠素?zé)晒鈪?shù)對鹽脅迫的響應(yīng),以明確鹽脅迫對雞爪槭葉片光合特性的影響機(jī)制,為雞爪槭的栽培管理水平提升和品種改良提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)地設(shè)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所智能溫室內(nèi)。試材為生長健壯、長勢一致、生長良好的一年生雞爪槭幼苗,苗高30cm 左右。雞爪槭幼苗采自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所槭樹資源圃。
試驗(yàn)于2011年7月~9月間進(jìn)行,溫室內(nèi)平均溫度為28 ℃,平均相對濕度為73%,光照強(qiáng)度為0~800μmol·m-2·s-1。7月中旬將雞爪槭幼苗移栽到30cm×25cm×15cm 的塑料花盆中,每盆1株,栽培基質(zhì)為珍珠巖,每周澆灌1 次Hoagland完全營養(yǎng)液(每盆1L),緩苗15d,之后再進(jìn)行試驗(yàn)處理。依據(jù)預(yù)試驗(yàn)的篩選結(jié)果,試驗(yàn)共設(shè)置4個鹽分梯度,土壤NaCl含量分別為0.042%(對照)、0.2%、0.4%、0.6%,每處理3 次重復(fù),每重復(fù)10盆,隨機(jī)排列。根據(jù)試驗(yàn)觀察,鹽處理60d之后不同處理植株生長表現(xiàn)出明顯差異,具體為:葉片出現(xiàn)不同程度卷曲或脫落,植株生長速度、生長量出現(xiàn)差異。NaCl處理后每隔5d澆灌1 次營養(yǎng)液。試驗(yàn)期間,盆底放置塑料托盤,澆灌后將滲出的溶液回澆到盆內(nèi),基質(zhì)上層用細(xì)沙覆蓋保濕,防止水分和鹽分流失,其他按常規(guī)管理。
1.3.1 葉片色素含量及含水量 2011年9月21日(鹽脅迫處理后60d),選取枝條中部成熟葉片沿中脈兩側(cè)打孔取葉圓片按朱廣廉等的方法測定葉綠素含量[8];葉片花色素苷(Ant)含量測定參照馬志本等的方法(以μmol·g-1表示)[9];同期取新鮮葉片于天平上稱其鮮質(zhì)量W1,放入烘箱內(nèi)105 ℃殺青0.5h,轉(zhuǎn)入80 ℃烘干,稱其干質(zhì)量W2,然后計(jì)算葉片含水量。葉片含水量(%)=[(W1-W2)/W1]×100%。
1.3.2 鹽害指數(shù) NaCl處理后每5d觀察1次受害表現(xiàn),第60 天計(jì)算鹽害指數(shù)(SI)和鹽害率(P)[10]。鹽害分級標(biāo)準(zhǔn)為[11]:0 級,無鹽害癥狀;1級,輕度鹽害,有少部分葉尖、葉緣或者葉脈變黃;2級,中度鹽害,有大約1/2 的葉尖、葉緣焦枯;3 級,重度鹽害,大部分葉尖、葉緣焦枯或落葉;4級,極重度鹽害,枝枯、葉落、最終死亡。
鹽害指數(shù)(SI)=∑(鹽害級值×相應(yīng)鹽害級株數(shù))/(總株數(shù)×鹽害最高級值)×100%;
鹽害率(P)=(出現(xiàn)鹽害癥狀株數(shù)/調(diào)查總株數(shù))×100%。
1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 鹽脅迫處理后第60天采用Li-6400R 便攜式熒光-光合作用測量系統(tǒng)的6400-40熒光葉室進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定,葉片暗適應(yīng)20 min后在Default fluorometer模式下測定并計(jì)算暗適應(yīng)下雞爪槭中上部功能葉片的熒光參數(shù)。熒光參數(shù)測定時間選在晴天光強(qiáng)穩(wěn)定的中午前后進(jìn)行,每處理測5片葉作為重復(fù),取平均值并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)誤分析。初始熒光Fo、最大熒光Fm、穩(wěn)態(tài)熒光Fs、光下最大熒光Fm′,光下最小熒光Fo′等參數(shù)可由儀器直接測出。并由此計(jì)算出其他各相關(guān)指標(biāo):可變熒光(Fv)=Fm-Fo;PSⅡ潛在活性(Fv/Fo);PSⅡ潛在量子效率(Fv/Fm)=(Fm-Fo)/Fm;光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)=(F′-Fs)/(Fm′-Fo)[12];非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)=Fm/Fm′-1;PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué) 效 率(ФPSⅡ)=qP(Fv′/Fm′)=(Fm′-Fs)/Fm′[13];光 合 電 子 傳 遞 速 率(ETR)=(Fm′-Fs)/Fm′×PFD×0.5×0.84;光化學(xué)量子產(chǎn)量(Yield)=(Fm′-F)/Fm′。
采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用SPSS 11.5軟件進(jìn)行差異顯著性分析,并用SigmaPlot12.0軟件作圖。
各鹽濃度處理均不同程度影響著雞爪槭葉片含水量,且隨著鹽濃度的增大呈逐漸下降趨勢(表1),在0.2%、0.4%和0.6%鹽濃度下,雞爪槭葉片含水量分別比對照低5.25%、6.7%和23.52%,但僅0.6%鹽濃度下達(dá)到顯著水平,且也與0.2%和0.4%鹽濃度之間的差異顯著。
同時,通過對雞爪槭的鹽害癥狀(表1)分析發(fā)現(xiàn),在0.2%鹽濃度下,有1/5的雞爪槭葉片葉尖和葉緣呈失水萎蔫狀,表現(xiàn)出輕度鹽害癥狀;在0.4%鹽濃度下,約有1/2的雞爪槭葉片葉尖和葉緣失水萎蔫并有焦枯,表現(xiàn)出中度鹽害癥狀;在0.6%鹽濃度下,雞爪槭植株出現(xiàn)了重度鹽害,葉片大部分失水萎蔫并有焦枯,焦枯面積約達(dá)1/2以上。另外,各鹽處理的雞爪槭鹽害指數(shù)和鹽害率均隨鹽濃度的增大呈上升趨勢,且不同鹽濃度處理間差異均達(dá)到顯著水平。可見,隨著鹽脅迫濃度的增加,雞爪槭葉片含水量逐漸下降,鹽害指數(shù)和鹽害率依次顯著增加,分別出現(xiàn)輕度、中度和重度鹽害癥狀。
由表2可以看出,隨著鹽脅迫濃度的增加,雞爪槭幼苗葉片中葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、總?cè)~綠素(Chl)均逐漸降低,葉綠素a/b(Chl a/Chl b)則逐漸增加。其中,在0.2%、0.4%和0.6%NaCl處理 下,Chl a 含 量 較 對 照 分 別 下 降 了0.5%、36.3%和65.8%,Chl b 含 量 分 別 下 降 了4.6%、50.0%和78.5%,Chl 含 量 分 別 下 降 了1.5%、39.6%和68.8%,Chl a/Chl b分別增加了0.02%、27.2%和59.5%,且在后2個濃度下均達(dá)到顯著水平。同時,雞爪槭幼苗葉片中含量隨著鹽濃度的提高而逐漸大幅度增加,0.2%、0.4%和0.6%NaCl處理 較 對 照 分 別 顯 著 提 高48.7%、280.3% 和382.7%,且后2者NaCl處理的花色素苷含量差異并不顯著。由此可見,各濃度鹽脅迫致使雞爪槭幼苗葉片葉綠素含量不同程度降低,而使其Chl a/Chl b和花色素苷含量不同程度增加,且鹽濃度越高升降幅度越大;同等鹽濃度脅迫下,花色素苷含量的變化幅度最大,隨后依次是Chl b含量、Chl a含量和Chl a/Chl b的值,即鹽脅迫明顯促進(jìn)了雞爪槭葉片花色素苷的合成,卻破壞了Chl b和Chl a的合成,且Chl b受破壞的程度更大。
2.3.1 PSⅡ潛在活性和最大光化學(xué)量子效率Fv/Fo表示反應(yīng)中心PSⅡ的潛在活性,可變熒光與最大熒光的比值(Fv/Fm)表示PSⅡ的最大光能轉(zhuǎn)化效率[14]。雞爪槭葉片中PSⅡ的潛在活性(Fv/Fo)和最大光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)均隨著鹽濃度的增大呈逐漸下降趨勢(圖1)。在0.2%、0.4%和0.6%鹽濃度下,雞爪槭葉片PSⅡ的潛在活性分別比對照顯著下降了17.3%、30.2%和32.7%,而0.4%和0.6%鹽濃度之間的差異卻不顯著。雞爪槭葉片最大光化學(xué)量子效率在0.2%鹽濃度處理下僅比對照下降了4.9%,未達(dá)到顯著水平,而在0.4%和0.6%鹽濃度下卻分別比對照顯著下降了9.9%和10.7%,而2個鹽濃度之間則差異不顯著??梢姡u爪槭葉片中PSⅡ潛在活性在輕度鹽脅迫下就受到顯著抑制,而其最大光量子效率只在中度和重度鹽脅迫下才顯著下降,即PSⅡ潛在活性對鹽脅迫更敏感。
表1 不同NaCl濃度處理后雞爪槭葉片的含水量、鹽害指數(shù)及鹽害率Table1 Water content,salt injury indexes and salt injury rates of A.palmatum with NaCl treatments
表2 鹽脅迫對雞爪槭葉片色素含量的影響Table2 Effects of salt stress on pigment content in leaves of A.palmatum
圖1 不同NaCl濃度下雞爪槭幼苗葉片的Fv/Fo 和Fv/FmFig.1 The Fv/Foand Fv/Fmin leaves of A.palmatumunder salt stress
2.3.2 實(shí)際光量子產(chǎn)量和表觀光合電子傳遞速率 從圖2看出,雞爪槭葉片中實(shí)際光量子產(chǎn)量(Yield)和表觀光合電子傳遞速率(ETR)均隨著鹽濃度的增大而逐漸降低,且都與對照差異達(dá)到顯著水平。在0.2%、0.4%和0.6%鹽濃度下,雞爪槭葉片的Yield值分別比對照顯著降低了37.9%、64.6%和77.2%,ETR值則分別比對照顯著降低了37.9%、64.5%和77.1%,而0.4%和0.6%鹽濃度之間的差異均不顯著。以上結(jié)果表明,不同濃度NaCl脅迫均顯著抑制了雞爪槭葉片實(shí)際光合量子產(chǎn)量和表觀光合電子傳遞效率。
2.3.3 熒光猝滅動力學(xué) 光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額,非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的部分[15]。從表3可以看出,雞爪槭葉片的實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)和光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)均隨鹽濃度的增加而逐漸下降,且0.4%和0.6%NaCl處理與對照差異均達(dá)到顯著水平。
與以上2個參數(shù)表現(xiàn)不同,雞爪槭葉片的非光化學(xué)猝滅(NPQ)隨鹽脅迫濃度的增加先升高后降低,并在0.2%NaCl處理下達(dá)到最高值,并比對照顯著增加了33.3%;而當(dāng)NaCl濃度為0.4%時,NPQ有所降低,但仍顯著高于對照;而當(dāng)NaCl濃度為0.6%時,NPQ已比對照顯著降低。以上結(jié)果表明,濃度高于0.4%NaCl脅迫可使雞爪槭PSⅡ的光化學(xué)效率顯著減低,并顯著減少用于光化學(xué)途徑的能量分配比例,且不能有效啟動非輻射熱能量耗散機(jī)制將過量的光能以熱的形式散發(fā)掉,從而對光合機(jī)構(gòu)造成傷害。
圖2 不同NaCl濃度對雞爪槭葉片Yield 和ETR 的影響Fig.2 Effects of salt stress on Yieldand ETRin leaves of A.palmatum
表3 不同NaCl濃度脅迫下雞爪槭葉片qP、NPQ 和ΦPSⅡ的變化Table3 The qP,NPQandΦPSⅡin leaves of A.palmatumunder NaCl stress
不同樹種幼苗葉片光合作用對鹽脅迫響應(yīng)不同,柳樹[3]、桑樹[4]、楊樹[5]對鹽脅迫較為敏感,其葉片光合作用效率在鹽脅迫下顯著下降,而核桃、槭樹等在高鹽脅迫下光合作用效率才顯著下降[7],國槐在一定鹽濃度脅迫下光合作用效率則還有所增強(qiáng)[7]。不同槭屬植物對鹽脅迫耐性也不一致,雞爪槭表現(xiàn)出較好的耐鹽性[2]。而光合作用強(qiáng)弱可作為反映植物耐逆與否的重要生理指標(biāo),且與葉綠素含量和葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線及參數(shù)的變化密切相關(guān)。已有的研究證實(shí),葡萄幼苗葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Yield、ETR和qP在鹽脅迫下同時下降,導(dǎo)致光合作用效率顯著下降[16];桑樹幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ隨鹽濃度增加逐漸下降且在高鹽濃度下達(dá)到顯著水平[4]。本研究發(fā)現(xiàn),雞爪槭幼苗葉片葉綠素a和b及葉綠素總含量均隨鹽濃度的增加而顯著下降,葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fo也顯著下降,表明此時雞爪槭葉片PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)中心活性已受到明顯影響,潛在活性下降;同時,葉片F(xiàn)v/Fm、Yield、ETR、ΦPSⅡ和qP也隨著鹽濃度的增大呈顯著下降趨勢,且高鹽脅迫下降尤為顯著,這表明鹽脅迫下雞爪槭葉片捕獲的光能用于光化學(xué)反應(yīng)比例降低,而轉(zhuǎn)化為熱能消耗的比例升高,將導(dǎo)致光合作用可利用能量下降;但同期NPQ在低鹽脅迫時則較對照顯著提高,高鹽脅迫下顯著下降,又表明低鹽脅迫下幼苗葉片可能通過增加PSⅡ反應(yīng)中心非輻射熱能量耗散來保護(hù)光合機(jī)構(gòu)不受損害,而高鹽脅迫下PSⅡ反應(yīng)中心光合機(jī)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p害。本研究同時發(fā)現(xiàn),鹽脅迫下雞爪槭葉片花色素苷含量顯著提高,而花色素苷可以吸收光能并耗散葉片過剩光能進(jìn)而保護(hù)光合機(jī)構(gòu)[17-18],表明在鹽脅迫下雞爪槭能通過提高葉片花色素苷含量來緩解光合機(jī)構(gòu)受損程度。
此外,鹽脅迫造成植物葉片光合作用受阻,與葉片含水量密切相關(guān)[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn),雞爪槭葉片含水量在中低鹽分脅迫條件下沒有顯著下降,鹽害表現(xiàn)較輕;而高鹽脅迫條件下顯著下降,鹽害表現(xiàn)較重。表明較高的葉片含水量有利于維持雞爪槭幼苗葉片正常代謝活動,這也與葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化趨勢相吻合。
綜上所述,在鹽脅迫條件下,雞爪槭葉片含水量和葉綠素含量顯著下降,PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率降低,進(jìn)而影響葉片光合作用;而同期葉片花色素苷含量顯著提高,有助于緩解鹽脅迫對葉片光合機(jī)構(gòu)的傷害。但在低鹽條件下,雞爪槭葉片含水量和葉綠素含量以及葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)沒有顯著下降,且可能通過PSⅡ反應(yīng)中心非輻射熱能量耗散增加來保護(hù)光合機(jī)構(gòu)不受損害。在鹽脅迫下,雞爪槭葉片細(xì)胞形態(tài)也可能發(fā)生相應(yīng)的變化,若能在進(jìn)行葉綠素?zé)晒馓匦蕴接懙幕A(chǔ)上,進(jìn)一步進(jìn)行葉綠體超微結(jié)構(gòu)變化特征的分析,可更為深入地闡釋雞爪槭對鹽脅迫響應(yīng)的生理機(jī)制,這也將作為本研究后續(xù)的工作和方向。
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