海藻糖对高温下番茄幼苗叶片光合作用的调控作用

庞椿朋　叶亮　马健　路涛　杨宗艺　齐明芳

摘要：高温逆境是影响设施番茄产量与质量的重要因素，以番茄（Lycopersicon esculentum Mill ‘Ailsa Craig）6叶幼苗为试验材料，于40 ℃高温处理下，在番茄叶片上喷施05%（T05）、10%（T10）、15%（T15）3种浓度的海藻糖溶液，以喷施清水作为对照（CK），9 d后测定海藻糖对高温下番茄叶片光合作用的调控作用。结果表明，T10海藻糖处理显著提高了高温逆境胁迫中叶片的叶绿素a含量（P<005），极显著提高了总叶绿素含量（P<001）；显著提高了叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）（P<005），极显著提高了胞间CO2浓度（P<001）；显著或极显著提高了PSⅡ最大光化学效率（FvFm）及量子产量Y（Ⅰ）]、光合电子传递速率ETR（Ⅱ）]，显著或极显著降低了PSⅡ调节性能量耗散的量子产量Y（NPQ）]、非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）]、非光化学淬灭（qN）；极显著降低了由于供体侧限制引起的PSⅠ处非光化学能量耗散的量子产量Y（ND）]（P<001），极显著升高了由受体侧限制引起的PSⅠ处非光化学能量耗散的量子产量Y（NA）]；极显著降低了叶片丙二醛（MDA）含量（P<001）。以上结果表明，海藻糖对高温逆境下番茄叶片的光合作用具有重要的促进作用，且10%海藻糖是较适宜的海藻糖处理浓度。

关键词：海藻糖；番茄；光合作用；高温胁迫；光合作用；调控作用

中图分类号： S641201文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0143-04

收稿日期：2016-10-26

基金项目：国家重点研发计划（编号：2016YFD0201004）。

作者简介：庞椿朋（1993—），男，黑龙江佳木斯人，主要从事设施园艺与蔬菜生理等方面的研究。E-mail：925605624@qqcom。

通信作者：齐明芳，博士，教授，主要从事设施园艺与蔬菜生理等方面的研究。E-mail：qimingfang@126com。

番茄（Lycopersicon esculentum Mill）是世界上栽培最为普遍的蔬菜作物之一。联合国粮农组织公布的数据显示，2012年全世界番茄产量达16亿t，产值591亿美元，产量与产值均居园艺作物的第1位，其中，我国番茄产量达05亿t，产值18478亿美元，我国为番茄生产第一大国。我国番茄栽培主要以设施栽培为主，在夏秋季节中午前后常常受到高温逆境的胁迫而导致叶片光合物质生产受到抑制，进而影响番茄产量与品质1]。因此，研究高温对番茄叶片光合作用的影响及调控机制，具有重要的理论与实践意义。

大量的研究结果表明，植物的光合作用是对高温响应最敏感的生理过程，其中光系统Ⅱ（PSⅡ）活性降低、光合碳同化过程中酶的失活以及类囊体膜完整性损伤是引起叶片光合降低的主要原因2-4]。糖类物质作为植物光合作用的产物，参与了碳素积累及能量供应等基础的生理与生化过程，同时，也作为一种重要的信号分子，对植物的生长发育及逆境抗性起到了重要的调控作用。海藻糖是一种广泛存在于生物体中的非还原性二糖，直接参与了植物的代谢，也参与了一些信号调节过程5-6]。研究表明，海藻糖具有提高植物的抗盐性7-9]、抗旱性10-12]、抗寒性13-14]等作用。而关于海藻糖对植物高温下光合作用的调控作用研究较少，尤其是海藻糖对2个光系统调控作用的研究尚未见报道。本试验以番茄（Lycopersicon esculentum Mill ‘Ailsa Craig）6叶幼苗为试验材料，于40 ℃高温处理下，在番茄叶片上喷施不同浓度的海藻糖溶液，探讨海藻糖对高温下番茄叶片光合作用及2个光系统活性的调控作用。

1材料与方法

11试验设计

试验于2015年7月在沈阳农业大学园艺学院蔬菜基地的日光温室内进行。供试番茄品种为Ailsa Craig，穴盘育苗，当幼苗长至6张真叶时，移入日光型人工气候室中，进行2 d缓苗处理（昼、夜温度分别为25、15 ℃），选取长势一致且健壮的幼苗进行高温处理。

高温处理的温度设置：06：00—09：00为35 ℃，09：00—15：00 为40 ℃，15：00—18：00为35 ℃，18：00至次日06：00为15 ℃，相对湿度为65%。在高温处理的前1 d傍晚进行海藻糖喷施处理，处理浓度分别为0（CK）、05%（T05）、1 0%（T10）、15%（T15）。每个处理3次重复，在处理的第9天测量番茄植株叶片中叶绿素含量、光合参数及丙二醛（MDA）含量。

12分析测定方法

121叶绿素含量测定

根据陈建勋等的丙酮法15]测定番茄叶片中叶绿素的含量。

122叶片光合参数测定

选取处理过的功能叶片，暗适应20 min，将荧光分析仪（Dual-PAM 100，购自德国WALZ公司）与便携式光合作用分析仪（GFS-3000，购自德国WALZ公司）联用，同步分析叶绿素荧光、光系统Ⅰ（PSⅠ）活性及叶片光合气体交换参数。叶室温度根据待测幼苗分别设置为25、40 ℃，空气流量为400 μmols，光合有效辐射值（PAR）为 435 μmol（m2·s），测定叶片面积为13 cm2。

待测定的光合气体交换参数主要有净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、以及胞间CO2浓度（Ci）。

PSⅡ的荧光参数主要包括初始荧光（Fo）、量子产量Y（Ⅱ）]、光合电子传递速率ETR（Ⅱ）]、非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）]、调节性能量耗散的量子产量Y（NPQ）]、非光化学淬灭（qN）及光化学淬灭（qP）等，并根据如下公式計算PSⅡ最大荧光效率：FvFm=（Fm-Fo）Fm。endprint

PSⅠ 的光系统活性参数包括PSⅠ量子产量Y（Ⅰ）]、光合电子传递的相对速率ETR（Ⅰ）]、由于供体侧限制引起的PSⅠ处非光化学能量耗散的量子产量Y（ND）]以及由于受体侧限制引起的PSⅠ处非光化学能量耗散的量子产量Y（NA）]。

123MDA含量的测定

根据陈建勋等的方法15]测定番茄叶片中MDA的含量。

13统计分析

采用Excel 2007整理数据，并用DPS软件中LSD法对数据进行方差分析和差异性检验。

2结果与分析

21不同浓度海藻糖处理对高温下番茄叶片叶绿素含量的影响

由图1可知，不同浓度的海藻糖处理显著或极显著提高了高温处理下番茄叶片中总叶绿素的含量，尤其是T10、T15处理极显著地提高了总叶绿素的含量（P<001）。而从叶绿素a与叶绿素b含量来看，两者并不是同步提高，不同浓度海藻糖处理具有提高叶绿素a含量的趋势，T10、T15处理均显著提高了叶绿素a的含量（P<005），而3种浓度海藻糖处理对叶绿素b含量的影响均没有达到显著水平；T10、T15处理均明显地提高了叶绿素a与叶绿素b含量的比值。以上结果表明，不同浓度的海藻糖具有维持番茄叶片高温逆境下较高叶绿素含量的能力，且主要是提高了叶绿素a的含量，T10、T15处理效果较好。

22不同浓度海藻糖处理对高温下番茄叶片光合气体交换参数的影响

由图2可知，不同浓度的海藻糖处理均表现出对高温逆境下番茄叶片净光合速率的促进作用，其中T10处理的效果达到了显著水平（P<005）。同时，T10处理也显著提高了叶片的蒸腾速率（P<005），而T05、T15处理与对照无显著差异。叶肉细胞间CO2浓度与净光合速率呈相同趋势，且海藻糖处理显著或极显著提高了细胞间CO2浓度。不同浓度的海藻糖处理对气孔导度无显著影响。以上结果表明，海藻糖具有提高番茄叶片高温逆境下光合气体交换速率的能力。

FK（W+88mm]TPPCP2tif]

23不同濃度海藻糖处理对高温下番茄叶片荧光参数的影响

231不同浓度海藻糖处理对高温下番茄叶片PSⅡ荧光参数的影响

PSⅡ荧光参数是目前表征植物受逆境胁迫程度的重要指标之一。由图3可知，从PSⅡ最大光化学效率（FPSⅡ）来看，高温处理下，CK的FPSⅡ值约为076，明显低于正常叶片的FPSⅡ值范围（080～084），而不同浓度的海藻糖处理不同程度地提高了FPSⅡ值，其中T05、T10处理的FPSⅡ值显著高于CK的FPSⅡ值。说明海藻糖对高温逆境下叶片的光合机构具有一定的保护作用。

由图4可知，从PSⅡ的各项荧光参数来看，不同浓度海藻糖处理提高了高温逆境下叶片PSⅡ的量子产量Y（Ⅱ）]与电子传递速率ETR（Ⅱ）]，其中，T15、T10处理达到极显著水平（P<001）。同时，不同浓度海藻糖处理均显著降低了调节性能量耗散的量子产量Y（NPQ）]（P<005），极显著降低了非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）]（P<001），显著降低了非光化学淬灭（qN）（P<005），一定程度上提高了光化学淬灭（qP）。以上结果表明，海藻糖处理增强了高温逆境下番茄叶片PSⅡ的电子传递能力，保护了PSⅡ的光系统活性，并促使更多的光合电子用于光合作用

232不同浓度海藻糖处理对高温下番茄叶片PSⅠ荧光参数的影响

荧光分析仪（Dual-PAM 100）能够同时分析 PSⅡ 与PSⅠ的荧光参数，与PSⅡ荧光参数类似，PSⅠ的参数主要有PSⅠ的光化学效率Y（Ⅰ）]与电子传递速率ETR（Ⅰ）]，以及由供体侧限制引起的PSⅠ处非光化学能量耗散的量子产量Y（ND）]与由受体侧限制引起的PSⅠ处非光化学能量耗散的量子产量Y（NA）]。由图5可知，高温逆境下，不同浓度海藻糖处理对Y（Ⅰ）、ETR（Ⅰ）无显著影响，但显著或极显著降低了Y（ND），极显著提高了Y（NA）（P<001）。以上结果表明，海藻糖对高温下PSⅠ光系统活性也有一定影响。

24不同浓度海藻糖处理对高温下番茄叶片MDA含量的影响

MDA是常用的膜脂过氧化指标。由图6可知，不同浓度的海藻糖处理均极显著地降低了叶片中MDA的含量（P<001），说明海藻糖可以降低高温逆境下细胞膜脂过氧化作用，减轻膜脂过氧化对细胞的伤害。

3讨论与结论

海藻糖在植物生长发育及逆境响应中起着重要作用，但对于其详细的作用机制及相应的信号传导过程仍不清楚16]，大量研究表明，海藻糖由于其自身的特性，对植物的组织结构起到重要保护作用，同时其合成前体物质在信号传导中起重要作用。Fernandez等认为海藻糖在植物逆境的功能主要有以下几个方面：保护根的完整性、降低钠的积累、降低叶绿素降解、抑制生长、诱导逆境相关基因与蛋白表达等17]。本研究通过在番茄叶面喷施海藻糖，研究了其在番茄抗高温逆境中的作用，结果表明，海藻糖显著或极显著提高了高温逆境下叶绿素的含量，维持了PSⅡ较高的光系统活性，这可能与海藻糖的保护功能有关。另外，海藻糖极显著降低了叶片中MDA的含量（P<001），进一步说明其在保护细胞膜功能方面具有重要作用。这些结果与王迪等通过外源海藻糖提高小麦抗高温的结果18]基本一致。

植物叶片的光合作用是对逆境响应最敏感的生理过程，番茄叶片在40 ℃高温逆境下，PSⅡ与PSⅠ 2个光系统的活性显著降低，光合气体交换过程也受到抑制19-20]。本试验结果表明，叶片表面喷施不同浓度的海藻糖溶液，不同程度地提高了PSⅡ光系统的活性，而对PSⅠ光系统活性的影响不大。同时，海藻糖在提高PSⅡ电子传递的同时，并没有提高调节性能量耗散的量子产量， 但非调节性能量耗散的量子产量降低较明显。说明海藻糖并不是通过提高热耗散来保护光合器官，可能是通过维护光合器官结构来提高光系统活性。endprint

从海藻糖3个浓度处理的效果来看，T10、T15的处理效果明显优于T05处理，而T10处理总体上又优于T15处理，说明在一定范围内提高海藻糖浓度可以提高番茄叶片的高温抗性，但高浓度的海藻糖反而起到一定的抑制作用。这与Fernandez等的观点17]一致，不能仅将海藻糖看作是一种保护性糖，它也具有负面影响。对于其在逆境中的详细作用机制，还需要更加深入的研究。

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