盐环境下盐角草叶绿素荧光光系统对氮素的响应

黄建，祁通，王治国，王勤良，付彦博，孟阿静

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】全世界有盐碱地1×109hm2，约占陆地总面积的1/3[1]。中国盐碱化土地面积3.6×107hm2，主要分布于西北干旱、半干旱地区绿洲地带和经济比较发达的沿海地区[2]。新疆共有盐渍土约1 100余万亩[3]。盐渍化土壤主要通过渗透胁迫和离子毒害对植物生长产生为害[4]，去除过量盐分离子、改善不良土壤结构是改良盐渍化土壤的关键。盐角草以其较强的耐盐能力及较好的吸盐特性被作为先锋植物广泛应用于盐碱地改良中，其耐盐极限可以达到5% NaCl浓度，内茎的可溶性盐分含量达到37%(干重百分比)[5]。氮素是植物生长的必须元素，而在自然生境中，土壤有机质低，氮素含量少，因此，氮素是干旱区盐生植物生长的重要限制因子[6-8]。研究氮素对盐角草光合系统响应，对盐碱地改良利用具有重要的指导意义。【前人研究进展】当植物氮明显供应不足时，增施氮肥可以显著的提高植物叶片的光合能力[9,10]，荧光系统是植物光合系统中对环境最为敏感的部分[11]。近年来，研究多集中于施肥水平对大田作物如水稻、小麦、玉米、棉花等大田经济作物研究领域[12,13]。【本研究切入点】有关新疆干旱区氮素调控对盐角草光合作用的影响机制尚未检索到相关报道。研究采用室内盆栽方法来分析不同氮水平条件下盐角草的叶绿素荧光系统特性。【拟解决的关键问题】研究干旱区盐环境下，不同氮水平下盐角草光合系统，分析盐角草对盐及氮胁迫双重为害的响应机制，为盐角草抗逆性机理及生物改良技术提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

2016年4～10月，试验在新疆乌鲁木齐市国家灰漠土肥力与肥料效益重点野外科学观测试验站进行(N43°95'26"，E87°46'45")，海拔高度680～920 m，年均气温5～7℃，属于干旱半干旱荒漠气候，年降水量180～250 mm，年蒸发量1 600～2 200 mm，年均日照时数2 594 h。盐角草种子采自中国科学院新疆生态与地理研究所阜康盐生植物园，盐角草(Salicornia-EuropaeaL.)为藜科(Chenopodiaceae)盐角草属(SalicorniaL.)的聚盐盐生植物(Ushakova et al, 2006)。盐角草又叫海蓬子，生长在中国西北和华北的盐土中，生长在含盐量高达0.5%～6.5%的潮湿盐沼中，普通植物生长在含盐量超过1%以上的土壤里就很难生存。供试盐碱土取自试验场附近重度盐碱土，土壤质地为灰漠土，pH 8.9，总盐为18.2 g/kg，有机质含量12.55 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用盆栽土培方法进行栽培种植，将供试土壤过5 mm筛，混合均匀并装盆，每盆装土2 kg，供试盆为塑料盆，高18 cm，内径16 cm。选择大小一致的盐角草种子播种于塑料盆中，每盆播50粒种子，表面覆沙1 cm，人工温室中培养至苗高7 cm时定植8株。继续培育待苗长至高15 cm左右时开始处理。氮素以尿素(含氮为46.7%)形式加入，氮素设6个水平，即N0(不施氮)、N1(施氮0.6 g/kg)、N2(施氮1.2 g/kg)、N3(施氮2.4 g/kg)、N4(施氮4.8 g/kg)，每个处理4个重复，共计20盆，定时定量补充植物每天所需水分。于2016年7月15日在处理30 d后采样及测定各项指标。

1.2.2 指标测定1.2.2.1 叶绿素含量

叶绿素含量用丙酮提取法测定(张志良和翟伟菁，2003)。

1.2.2.2 荧光参数

参照Schreiber[14]的方法测定荧光动力学曲线。

1.3 数据处理

数据采用SPSS 16.0统计软件进行方差分析和显著性检验，图形采用Origin 8.5绘制。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对盐环境下盐角草同化枝光合色素的影响

在重度盐环境下施氮均对盐角草同化枝光合色素含量产生显著影响，与N0相比各施氮处理均显著的增加了同化枝叶绿素a、类胡萝卜素、叶绿素b等光合色素含量。重度盐环境下各项光合指标值随施氮量的增加而呈现先升高后降低的趋势，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素值在N0～N3处理间是直线升高的，而到N4，各项指标开始下降，而类胡萝卜素/叶绿素值是随着施氮量增加而直线增加的。表1

表1 不同施N水平下盐角草同化枝光合色素变化

Table 1 Various of leaf photosynthetic pigments in assimilating branches ofSaliconia-EuropeaL. on nitrogen levels (mean±SD)

处理叶绿素a含量 (mg/g)叶绿素b含量 (mg/g)类胡萝卜素量 (mg/g)类胡萝卜素/叶绿素N00.21±0.016a0.09±0.011a0.04±0.004ab0.12±0.017bcN10.26±0.025ab0.11±0.008abcd0.05±0.005bc0.12±0.006cdN20.29±0.057bc0.12±0.017bcde0.06±0.017def0.14±0.013eN30.30±0.011bc0.12±0.015bcdef0.06±0.005ef0.15±0.015eN40.26±0.021ab0.11±0.005abc0.06±0.005def0.17±0.011f

注：表中同列不同小写字母表示显著(P<0.05)

2.2 不同施氮水平对盐环境下盐角草叶片Fv/Fm与Fv/Fo的影响

研究表明，充分暗适应下，盐角草叶片初始荧光(F0)随施氮量的增大而显著增加，当施氮量达到N2(施氮1.2 g/kg)时，不再增加；最大荧光(Fm)在施氮量N3(施氮2.4 g/kg)内呈显著性增加，超过此施氮量后就不再增加；与对照相比，PSII最大光化学量子效率(Fv/Fm)在施氮的条件下均显著大于未施氮处理，在施氮量为(0～1.2 g/kg)内呈显著增加，超过这一施氮量后有增加，但差异不显著。图1

图1 不同氮素水平对盐角草叶片初始荧光(F0)、最大荧光(Fm)和PSII最大光化学效率(Fv/Fm)的影响(平均值±标准偏差)

2.3 不同施氮水平对盐环境下盐角草叶片Y(II)、Y(NPQ)、Y(NO)的光响应

在重度盐度环境下，施N能显著增加盐角草Y(II)，Y(II)随光强的增加呈现出迅速降低趋势，当光强大于820 μmol/(m2·s)时，下降程度趋于平缓，在低光强(0～625 μmol/(m2·s))，各施N水平对Y(II)的增加明显，Y(II)分别表现为N0﹤N2﹤N1﹤N3﹤N4，当光强超过625 μmol/(m2·s)时，施N处理虽然显著的增加了Y(II)，但各处理之间的差异不显著，当光强大于820 μmol/(m2·s)时，Y(II)光响应趋势基本相同，表现为N0﹤N2﹤N3﹤N4﹤N1；调节性能量耗散量子产量Y(NPQ)的趋势与Y(II)呈相反的变化，光强在820 μmol/(m2·s)，Y(NPQ)随着光强的增加而快速的上升，当光强大于820 μmol/(m2·s)时，Y(NPQ)上升开始减缓，光强在820 μmol/(m2·s)，N0与N1平缓增加，而N2、N3、N4呈现先平缓后迅速增加的趋势，表现为N0>N1>N2>N3>N4；当光强大于820 μmol/(m2·s)时，趋势平缓且基本保持不变，表现为N0>N3>N2>N1>N4；光强在625 μmol/(m2·s)时，施氮能显著增加Y(NO)，同时Y(NO)随光强的增加而缓慢增加，当光强超过625 μmol/(m2·s)时，施氮对Y(NO)的增加不显著，并随光强的增加呈平缓趋势，整体上，N0与N1呈先增加后平缓的趋势，而N2、N3、N4基本趋势不变，维持在0.6～0.8的水平，表现为N4>N0≈N2>N1>N3。图2

2.4 不同施N水平对盐环境下盐角草ETR、NPQ、qp的光响应

电子传递速率(ETR)随着光照强度的增加而增加，各处理之间表现出一定的异质性，与空白对照相比，施氮能显著的提高盐角草叶片ETR，各处理下ETR随光强的增加呈现出先迅速升高后趋于平缓的趋势，其整体增长趋势大小为：N0﹤N3﹤N1﹤N2﹤N4。qp随光强的变化规律与ETR相反，光强在820 μmol/(m2·s)时各处理qp迅速下降，随着光强的增加，qp稳定下降，光强在820 μmol/(m2·s)时，各处理大小为：N0﹤N1﹤N2﹤N3﹤N4，随着光强增加，qp趋于稳定，其大小趋势为：N0≈N1﹤N2﹤N3≈N4；非光化学淬灭系数(NPQ)整体呈上升的趋势，光强在820 μmol/(m2·s)，N0、N1、N2、N3处理的NPQ随着光强的增加而快速上升，而N4的NPQ是先不变后迅速上升，当光强增加，NPQ增长速率趋于平缓，整体增长趋势大小为N0>N1≈N2≈N3>N4。图3

图2 不同氮素水平下盐角草叶片PSII实际光合量子产量(Y(II))、调节性能量耗散量子产量(Y(NPQ))、非调节性能量耗散量子产量(Y(NO))变化(平均值±标准偏差)

Fig.2 Effect of different nitrogen levels on the effective PSII quantum yield (Y(II)), the quantum yield of regulated energy dissipation (Y(NPQ)) and the quantum yield of non-regulated energy dissipation (Y(NO)) inSalicornialeaves (mean ± SD)

图3 不同氮素水平下盐角草叶片相对电子传递速率(ETR)、光化学淬灭系数(qp)和非光化学淬灭系数(NPQ)变化(平均值±标准偏差)

3 讨 论

叶片光合色素含量是植物光合作用的重要指标参数，光合速率与光合产物都受其直接影响，其含量多少代表着植物光合作用的强弱[15]。研究结果表明，重度盐环境下盐角草氮能显著的增加叶片各项光合色素的含量，类胡萝卜素、叶绿素a、叶绿素b也显著增加。在施氮0～2.4 g/kg光合色素含量随施氮量增加而增加，当施氮量超过2.4 g/kg时，光合色素含量随着施氮量的增加开始下降，随着施氮量的增加，在盐害及氮的双重胁迫下，盐角草叶片细胞失水，植株叶片的光合色素分解降低，导致光合速率下降。

参考叶绿素荧光参数是研究植物受外界环境胁迫后光合作用的内在指标[16-17]。潜在光化学效率是反映植物对光能的利用效率，在外界环境胁迫下可以代表植物光合作用受抑制的程度[18-19]。研究结果表明，盐角草叶片的Fv/Fm在低N处理(0～2.4 g/kg)处理下差异显著，植物光能利用率显著上升，随着施氮量的增加，光能利用率也在增加。在盐环境下施N能够缓解盐胁迫对盐角草叶片光合系统的伤害，同时促进了盐环境下生长盐角草叶片叶绿素合成。PSII反应中心吸收的光量子Y(II)、 PSII调节性能量耗散Y(NPQ)及非调节性能量耗散Y(NO)是植物PSII反应中心吸收的光量子的3条主要途径[20]。研究结果表明，各施N水平均能增加Y(II)，同时降低了Y(NPQ)，光强在(PAR﹥820 μmol/(m2·s))时这种效果更加显著，在施氮1.2～4.8 g/kg，在低光强0～820 μmol/(m2·s)下，呈现先平缓后迅速增加的趋势。研究结果表明，盐角草在盐环境下增施氮增大了qp，在不施氮处理的情况下，qp随光强的增加而缓慢下降，施氮处理呈直线下降的趋势，光强大于820 μmol/(m2·s)时，各处理qp随光强的增加而缓慢下降，同时NPQ随光强的增加先快速增大后平缓，光强小于820 μmol/(m2·s)时，施氮减小了盐角草的NPQ，不施氮处理与施氮处理之间差异显著，而一定施氮范围内(0.6～2.4 g/kg)各处理间差异不显著；施氮也增加了ETR并且在一定的施氮范围内(1.2～4.8 g/kg)，ETR随施氮量的增加而增大。

4 结 论

4.1 在重度盐环境下施氮能显著增加盐角草各项光合色素的含量，但当施氮量超过N 2.4 g/kg时，各项光合色素含量开始下降。

4.2 施N 0～1.2 g/kg能够提高盐环境下生长的盐角草叶潜在光化学效率，当高于1.2 g/kg施N量时，提升效果不显著。

4.3 施N 0～4.8 g/kg能够提高盐环境下生长的盐角草叶PSII的活性，在有效光强0～820 μmol/(m2·s)可以增加叶片光合系统的开放程度，提高盐角草光能利用率，增强叶片光反应中心的耐受性。