水杨酸对铝胁迫下白苦瓜幼苗光合特性的影响

孟长军，赵银萍，杜喜春，谷劳亦真

（西安文理学院生物与环境工程学院，陕西 西安 710065）

白苦瓜（Momordica charantia）为葫芦科苦瓜属植物。因其洁白如玉的果实和清热去火的功效深受消费者的青睐，种植面积正逐年扩大[1]。铝（Al）是土壤中含量较为丰富的活泼金属元素之一。土壤中的水溶性铝和交换性铝往往会抑制根系的伸长、减少根系的数目，使植物叶片黄化、紫化，进而抑制植物生长[2-3]。难溶性的铝在土壤酸性增强的条件下亦会变成可溶性的铝离子，从而对植物产生伤害[4]。随着酸雨的频繁发生，土壤中铝的活化变得更为普遍，这对白苦瓜的生长也带来更多的负面影响[5-6]。

光合作用是植物体内最重要的生化过程。光合作用的强弱不仅决定着植物自身生物量的多少，而且对于植物间的竞争也意义重大。研究发现，铝胁迫能够降低植物体内的叶绿素含量，抑制植物的光合作用，降低净光合速率和光化学猝灭系数[7-8]。水杨酸（salicylic acid，SA）作为一种信号分子，可以诱导逆境相关基因的表达、调节细胞抗氧化机制，从而增强植物对生物和非生物胁迫的耐受性[9-11]。研究还发现，水杨酸可以影响到光合碳同化酶类活性、光合色素活性以及光合器官稳定性等[12-13]，并且认为光合作用对于水杨酸提高植物环境适应能力意义重大[14]。

关于SA缓解植物铝毒害的研究近年来也有所报道。但需要指出的是，在对水杨酸缓解铝害胁迫的机理进行研究时，多集中于抗氧化系统的研究[15]，以及气体交换特性和光合色素的分析[16]，很少将叶绿素荧光技术和光合特性结合起来对SA缓解铝害胁迫的光合机理进行研究。此外，水杨酸对植物生长发育的调节作用有明显的环境效应，且具体的调节效果还会因植物种类而发生变化[14]。

水杨酸对铝胁迫下白苦瓜光合作用影响的研究目前尚未展开。为此，本试验设置了不同浓度梯度的SA，通过研究外源SA对白苦瓜光合特性、叶绿素荧光特性等指标的影响，以探明SA对白苦瓜铝毒害缓解的光合机制，为酸性土壤中白苦瓜的抗铝栽培提供一些理论和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试作物为纯丰白苦瓜。

1.2 试验设计

试验在西安文理学院植物生长繁育单元文洛温室内进行。选取大小一致的白苦瓜种子，播种于营养钵中，所用栽培基质为纯沙。真叶出现后，用Hoagland营养液进行定时定量浇灌，保持栽培基质的湿润。

待白苦瓜幼苗长到两叶一心期时，以Hoagland营养液＋400 mg/L AlCl3胁迫为对照，设3个处理：T1.Hoagland 营养液＋400 mg/L AlCl3＋30 μmol/L SA；T2.Hoagland营养液＋400mg/LAlCl3＋60μmol/L SA；T3.Hoagland营养液＋400mg/LAlCl3＋90μmol/L SA。每个处理3次重复，每个重复20株幼苗。处理开始15 d后，每个处理任选5株进行指标测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 气体交换参数和叶绿素荧光参数的测定在晴朗的天气条件下，每天9:00—11：00使用美国LI-COR公司的Li-6400便携式光合仪进行测量。

采用Li-6400光合测定系统测定胞间CO2浓度（Ci）和光响应曲线。光响应曲线测定时的参数：叶室温度设定为25℃；相对湿度约70%；安装CO2小钢瓶，对CO2注入系统进行校准后，设定CO2浓度为400 μmol/mol；采用红蓝光源，光合有效辐射强度（PAR） 梯度为：1 500，1 200，1 000，800，500，250，120，100，60，30，0 μmol/（m2·s）。利用叶子飘的软件拟合计算最大净光合速率（Amax）、表观量子效率（AQE）和暗呼吸速率（Rd）。

使用Li-6400荧光叶室测量最大光量子产量（Fv/Fm）、电子传递速率（ETR）、非光化学猝灭系数（NPQ）、光化学猝灭系数（qP）。设定测定温度为25℃，湿度为70%。

1.3.2 叶绿素含量和叶氮含量的测定 从上往下数选取第2片叶子，使用TYS-3N型植物营养测定仪，测定白苦瓜的叶绿素含量和叶氮含量。

1.3.3 气孔限制值 气孔限制值（Ls）根据公式进行计算。

其中，Ca为大气CO2浓度，Ci为胞间CO2浓度。

1.4 数据分析

采用Excel 2013和SPSS 16.0进行数据处理，各处理间采用Duncan法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度的SA处理对铝胁迫下白苦瓜幼苗光合指标的影响

不同浓度的SA处理对铝胁迫下白苦瓜幼苗光合指标的影响也不同。随着SA浓度的增加，铝胁迫下白苦瓜幼苗的最大净光合速率（Amax）、表观量子效率（AQE）均呈先升高后降低的趋势（表1）。T2处理（60 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的最大净光合速率、表观量子效率均显著高于CK，且达到最大值，分别为CK的1.34倍和1.35倍。

随着SA浓度的增加，铝胁迫下白苦瓜幼苗的暗呼吸速率（Rd）呈先降低再升高的趋势。T1和T3处理下，白苦瓜幼苗的Rd均小于CK，但与CK间差异均不显著。T2处理（60 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的Rd显著小于CK，仅为CK的63.03%（表1）。

表1 不同浓度水杨酸处理对白苦瓜幼苗光合指标的影响

2.2 不同浓度的SA处理对铝胁迫下白苦瓜幼苗叶绿素含量的影响

由图1可知，随着SA浓度的增加，铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片中叶绿素的含量呈现先升高再下降的趋势。T2处理（60 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的叶绿素含量最高，为CK叶绿素含量的1.40倍。T1处理（30 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的叶绿素含量亦显著高于对照，为CK叶绿素含量的1.28倍。T3处理（90 μmol/L SA）下，白苦瓜幼苗的叶绿素含量虽高于对照，但二者间差异不显著。

2.3 不同浓度的SA处理对铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响

从图2可以看出，SA的浓度不同，对铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响也不同。外施SA后，铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片的最大光量子产量（Fv/Fm）、电子传递速率（ETR）及光化学猝灭系数（qP）均高于CK；喷施SA后，铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片的非光化学猝灭系数均小于CK。T2处理下，铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片的Fv/Fm，ETR及qP均达到最大值，分别为CK的1.24倍、1.61倍和1.55倍。T2处理下，铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片的非光化学猝灭系数（NPQ）达到最小值，仅为CK的76.30%。

2.4 不同浓度的SA处理对铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片气孔限制值的影响

随着SA浓度的增加，铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片的气孔限制值呈先降低后升高的趋势（图3）。T2处理下，白苦瓜幼苗的气孔限制值最低，仅为CK气孔限制值的64.71%。T1和T3处理下，白苦瓜幼苗的气孔限制值亦小于CK，分别为CK气孔限制值的78.43%和92.16%。

2.5 水杨酸对铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片氮素含量的影响

施用SA后，铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片的氮素含量均高于对照（图4）。T1，T2，T3处理下，叶片氮素含量分别比对照高出5.97%，10.45%和2.99%，但处理间差异并不显著。

3 讨论与结论

光合作用是植物体内最重要的生化过程。光合作用的强弱不仅决定着植物自身生物量的多少，而且对于植物间的竞争也意义重大[17]。

本研究发现，外施SA后，铝胁迫下白苦瓜的最大净光合速率、表观量子效率均有不同程度的提高。其中，T2处理的效果最佳。该处理下，白苦瓜幼苗的最大净光合速率、表观量子效率均高出CK（单独铝胁迫）30%以上，而暗呼吸速率（Rd）却显著小于CK，仅为CK的63.03%。这就表明，适宜浓度的SA处理可提高铝胁迫下白苦瓜的光合潜力。

外施SA后，铝胁迫下白苦瓜幼苗的气孔限制值（Ls）均小于对照，且T2处理下的Ls下降幅度最大。这就表明适宜浓度的水杨酸可以有效缓解铝胁迫对气孔的负面影响。多项研究表明，外施SA可增加胁迫条件下植物体内的叶绿素含量[18-19]。本研究和他们的结果一致。SA处理下，叶绿素含量的增加可能与SA降低了胁迫下的叶绿素酶活性而促进了与叶绿素合成相关的原叶绿素酸酯还原酶复合体的生物合成有关[20]。

叶绿素荧光动力学技术可对植物的光合作用进行很好的补充说明。本研究中外施SA后，铝胁迫下白苦瓜幼苗的最大光量子产量（Fv/Fm）、电子传递速率（ETR）及光化学猝灭系数（qP）均高于CK。T2处理下，铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片的Fv/Fm，ETR及qP均达到最大值，分别为CK的1.24倍、1.61倍和1.55倍。这就从荧光动力学的角度证明了，外施SA可促进铝胁迫下植物的光合作用，这和SAHU等[21]的研究结果相近。添加SA后，铝胁迫下白苦瓜的Fv/Fm有所增高。表明水杨酸能够提高铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片PSⅡ反应中心的光能捕获效率。喷施水杨酸后，铝胁迫下白苦瓜幼苗的化学猝灭系数升高、非光化学猝灭系数下降。这就说明，外施SA后，逆境胁迫下的白苦瓜的PSⅡ反应中心维持着良好的开放状态，光合系统的能量耗散得以减少，有更多的光能用于白苦瓜的光化学反应[22-23]。

氮素是植物体内遗传物质、蛋白质、叶绿素以及一些关键代谢酶的基本组成元素[24-25]。因此，在研究光合作用时有必要对氮素变化情况进行研究。铝对氮代谢的研究结果还不尽一致。铝胁迫下三叶草（Trifolium repens）叶和根中的含氮量均有所上升[26]，但铝胁迫下花生（Arachis hypogaea）5个品种的含氮量却显著降低[27]。本研究中，添加SA后，铝胁迫下白苦瓜幼苗叶片的氮素含量均高于对照；但和CK相比，处理间的差异并不显著。需要注意的是，特定时间下植物体内的氮素测定结果并不足以阐明水杨酸对铝胁迫下氮素代谢的影响，还需对白苦瓜幼苗更多部位的N素进行监测，且在一定时间段内进行多次连续测量，以更好地探明SA对铝胁迫下植物体内氮素代谢的影响。

总之，SA浓度不同，对铝胁迫下白苦瓜幼苗光合特性的影响也存在差异；3个处理中，T2处理（60 μmol/LSA）的效果更佳。该处理下，铝胁迫下白苦瓜幼苗的叶绿素含量得到显著提高，铝胁迫对气孔的负面影响显著降低，白苦瓜幼苗的光合作用显著增强。本研究为白苦瓜铝毒害的缓解提供了一些理论依据和技术支撑。