CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片光合特性及活性氧代谢的影响

厉书豪,李 曼,张文东,李仪曼,艾希珍,,刘彬彬,李清明,,3,*

1 山东农业大学园艺科学与工程学院,泰安 2710182 作物生物学国家重点实验室,泰安 2710183 农业部黄淮海设施农业工程科学观测实验站,泰安 271018

全国各类盐渍土总面积约9913.3万hm2,约占全国土壤总面积的13.4%[1]。盐对作物产生的毒害除了渗透胁迫和离子毒害,还会引起养分亏缺、活性氧伤害等一系列次生胁迫[2],最终抑制植物生长。近年来,我国设施栽培面积不断扩大,但由于设施环境相对密闭的特点,土壤常年得不到雨水淋洗,加之周年生产,盐分在土壤表层累积,土壤盐渍化已经成为制约作物生长的主要非生物胁迫之一[3]。并且设施自身相对密闭性,除了易造成设施土壤盐渍化,还常使作物处于CO2饥饿状态,成为限制光合作用及产量的重要因素之一[4]。与此同时,随着世界人口持续增长和经济活动的增加,目前大气CO2浓度已达到400 μmol/mol,预计2100年将上升至730—1020 μmol/mol[5]。对C3植物来说,最适CO2浓度约为1000 μmol/mol,在现有条件下其光合速率受到限制,因此CO2浓度升高对C3植物而言具有显著的“CO2施肥效应”。CO2作为植物光合作用的原料,其浓度高低直接影响Rubisco催化活性和方向、调节电子传递速率,进而影响植物光合速率和活性氧代谢[6]。黄瓜(CucumissativusL.)是我国栽培面积最大的蔬菜作物之一,对盐分十分敏感,盐胁迫抑制黄瓜幼苗植株的生长及光合电子传递、降低叶片净光合速率[7],严重加剧膜脂过氧化程度[8]。前人研究结果表明,高CO2浓度可显著促进盐胁迫下大麦、花椰菜和甜椒植株生长[9- 11],提高植株水分利用效率[12]及叶片抗氧化酶活性、降低丙二醛(MDA)含量[13-14],从而对盐胁迫造成的损伤具有一定缓解作用。但高CO2浓度对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片光合特性及活性氧代谢的影响,鲜见报道。本文以黄瓜幼苗为研究对象,在CO2加富和盐胁迫条件下,对其生长、光合特性和活性氧代谢相关酶进行了研究,以期进一步阐明CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗氧化损伤的缓解机理,为设施CO2施肥在土壤次生盐渍化引起的连作障碍中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

试验于2017年3—5月在山东农业大学园艺实验站进行,以‘津优35号’黄瓜(CucumissativusL.)为试材。种子经浸种催芽后,播于穴盘中育苗,基质以草炭、蛭石、珍珠岩按3∶1∶1比例配制。待幼苗第1片真叶完全展开时,选择整齐一致的幼苗定植于内径为37.5 cm×29 cm、高为12 cm的涂黑的塑料盆中进行水培,每盆6株。营养液为1个剂量的山崎黄瓜营养液配方,试验期间,营养液用气泵通气,每3 min通气30 s,4 d更换1次营养液。

试验采用裂区设计,主区因素为CO2浓度处理,设大气CO2浓度(400 μmol/mol)和CO2加富[(800±40) μmol/mol]2个CO2浓度水平,裂区因素为盐胁迫处理,用NaCl模拟盐胁迫,设对照(0 mmol/L NaCl)、盐胁迫(80 mmol/L NaCl)2个盐分水平。每处理重复10次,每个重复1盆,待幼苗长至2叶1心时进行处理。试验在自行设计的顶通风式塑料拱棚(长6 m,宽6 m,脊高2.6 m)内进行,棚内装有环境控制系统,加富处理的CO2由液态CO2钢瓶供给。CO2浓度由自动控制系统控制(Auto 2000,北京奥托),当监测系统监测到CO2浓度低于设置的下限值时,开启电磁阀补气,使其浓度保持在(800±40) μmol/mol。

1.2 测定指标与方法

处理第8天,取从下往上数第3片功能叶测定各项生理指标,重复3次。

株高：用直尺测定从子叶下方到生长点的距离；茎粗：用游标卡尺测定子叶下方基部的直径；叶面积：用直尺测定完全展开叶的单叶叶长(LL),用公式SL=LL2计算单叶叶面积[15],单株叶面积为所有完全展平叶叶面积之和。鲜干重：用去离子水冲洗干净并吸干水分,从根茎结合处剪断,分别称得地上、地下部鲜重；105℃杀青15 min,80℃烘至恒重,称得干重。

采用美国LI-COR公司生产的LI- 6400XT便携式光合测定系统测定光合参数。测定条件为：光强1000 μmol m-2s-1,CO2气体利用缓冲瓶采自相对稳定的3—4 m高的空气,浓度约为400±10 μmol/mol。

采用英国Hansatech公司生产的FM- 2型调制式叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和DPS软件对数据进行处理、显著性分析(Duncan′s 多重极差检验,α=0.05),并采用SigmaPlot 10.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗生长的影响

由表1可以看出,盐胁迫抑制了黄瓜幼苗的生长,差异达显著水平。在大气CO2浓度下,80 mmol/L NaCl处理使其株高、茎粗、叶面积、地上、地下部鲜干重较对照分别降低了45.0%、24.4%、54.2%、44.1%、35.3%、42.3%、35.6%；而CO2加富可在一定程度上缓解盐胁迫对黄瓜幼苗植株的抑制作用。具体表现在,盐胁迫下CO2加富使其各指标较大气CO2浓度分别增加了13.1%、5.9%、10.5%、31.5%、15.9%、36.1%、8.9%,除地上部干重和地下部鲜干重外,差异均达显著水平。

2.2 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片色素含量的影响

由表2可以看出,盐胁迫下黄瓜幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、叶绿素(a+b)含量降低,差异达显著水平,但对叶绿素a/b影响不大。在大气CO2浓度下,80 mmol/L NaCl处理使其叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、叶绿素(a+b)含量较对照分别降低了8.7%、10.6%、12.0%、9.3%；而CO2加富使盐胁迫下叶片叶绿素a含量显著下降,其他色素含量均未达显著水平。

表1 CO2加富对盐胁迫下加富对黄瓜幼苗生长的影响

同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

表2 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片色素含量的影响

FW:鲜重Fresh weight

2.3 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片核酮糖- 1,5-二磷酸羧化酶活性的影响

图1 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片RuBPCase活性的影响 Fig.1 Effects of CO2 enrichment on RuBPCase activity in leaves of cucumber seedlings under salt stressFW:鲜重Fresh weight

由图1可以看出,盐胁迫抑制了黄瓜幼苗叶片核酮糖- 1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性,差异达显著水平。在大气CO2浓度下,80 mmol/L NaCl处理使其羧化酶活性较对照下降22.9%；而CO2加富提高了盐胁迫下羧化酶活性,差异达显著水平。

2.4 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片光合气体交换参数的影响

由表3可以看出,盐胁迫抑制了黄瓜幼苗叶片光合作用,差异达显著水平。在大气CO2浓度下,80 mmol/L NaCl处理使其净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)较对照分别下降了13.7%、31.3%、2.8%、11.3%；而盐胁迫下CO2加富使其Pn较对照增高了8.7%,Gs、Ci、Tr分别下降了16.1%、6.2%、13.0%,除Ci外,差异均达显著水平。说明CO2加富可降低叶片气孔导度,从而减少水分耗散,同时增强净光合速率,进而提高光合水分利用率,以此适应盐胁迫。

2.5 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片叶绿素荧光参数参数的影响

由表4可以看出,盐胁迫使黄瓜幼苗叶片非光化学淬灭系数(NPQ)显著上升,PSII实际光化学效率(ΦPSII)、表观电子传递速率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)显著下降。80 mmol/L NaCl处理时,在大气CO2浓度下,NPQ较正常条件下上升了75.4%,PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、ΦPSII、ETR、qP则分别下降了2.7%、15.4%、15.4%、7.8%；而CO2加富可提高盐胁迫下黄瓜叶片ΦPSII,恢复光系统II(PSII)光化学活性,使其ΦPSII、ETR、qP较大气CO2浓度分别上升7.8%、7.8%、3.3%,NPQ下降21.6%,除qP、NPQ外,差异均达显著水平,但对Fv/Fm影响不大。

表3 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片光合气体交换参数的影响

2.6 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片脯氨酸、丙二醛、活性氧的影响

图2 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片脯氨酸和H2O2的影响Fig.2 Effects of CO2 enrichment on contents of Pro,MDA,H2O2 and rate of production in leaves of cucumber seedlings under salt stress

2.7 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

由图3可以看出,盐胁迫对黄瓜幼苗叶片抗氧化酶活性影响显著。在大气CO2浓度下,80 mmol/L NaCl处理使其超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性较对照分别提高了10.3%、34.2%,但过氧化物酶(POD)活性下降了50.7%；而CO2加富进一步提高了盐胁迫下SOD、CAT活性,与此同时也提高了POD活性,使其SOD、POD、CAT活性较大气CO2浓度分别提高了8.2%、62.9%、24.9%,差异达显著水平。说明CO2加富可通过提高黄瓜幼苗叶片抗氧化酶活性,清除活性氧累积,从而缓解盐胁迫对膜造成的损伤。

图3 CO2加富对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effects of CO2 enrichment on antioxidative enzyme activity in leaves of cucumber seedlings under salt stress

3 讨论

盐胁迫会影响植物生长发育过程,抑制植株生长,导致生物量减少[21]。本试验结果表明,80 mmol/L NaCl处理抑制了黄瓜幼苗的生长水平(表1),而CO2加富缓解了盐胁迫对黄瓜幼苗植株地上部的抑制作用,这与前人在黄瓜和花椰菜上的研究结果类似[22-23]。

叶绿体是植物进行光合作用的场所,其色素含量及组分直接影响光合作用。本试验结果表明,80 mmol/L NaCl处理降低了黄瓜幼苗叶片色素含量(表2),这与杨凤军等人在番茄上的研究结果一致[24]。前人研究认为,渗透胁迫降低植株叶片色素含量的主要原因是活性氧(ROS)的氧化作用[25],盐胁迫增加了ROS的积累(图2),从而促进色素的降解。有研究表明CO2加富提高了小麦和枇杷叶片色素含量[26-27],但本试验结果显示,CO2加富降低了黄瓜幼苗叶片色素含量,这与Pérez-López、宝俐、袁嫚嫚等人研究结果一致[28- 30],究其原因可能主要与CO2加富下叶面积增大(表1)引起的“稀释效应”有关。

光合作用是构成作物生产力的基础,盐胁迫抑制作物光合作用引起Pn下降,影响光合碳同化,不利作物生长。本试验结果表明,80 mmol/L NaCl处理,在降低黄瓜幼苗叶片Pn和Gs(表3)的同时,提高了H2O2含量(图2)。植物细胞H2O2水平升高,可促进保卫细胞K+外流和胞外Ca2+内流,引起气孔关闭[31],限制大气CO2进入叶片叶绿体,从而引起气孔限制。与此同时,对叶绿素荧光参数分析得知,80 mmol/L NaCl处理,显著降低了ΦPSII、ETR和qP(表4),说明盐胁迫抑制了光合电子传递及光合磷酸化的正常进行,阻止同化力的生成,从而影响碳同化。而CO2加富虽然降低了Gs,但同时也提高了CO2扩散动力(即大气CO2与叶绿体CO2浓度差),因此在测定条件下,并未发现Ci有明显变化；并且RuBPCase作为光合碳同化的关键酶,CO2加富提高了其活性(图1),与此同时,提高了ΦPSII、ETR,并在一定程度上提高了qP,降低了NPQ,从而促进光化学效率和电子传递速率,保证同化力的正常生成,进而提高了Pn,从而为植物体提供更多的糖源,促进植株生长,削弱了盐胁迫对其光合和生长产生的不利影响,这与Zaghdoud和Piero等人研究结果一致[9-10]；并降低了Tr,提高光合用水效率,但Gs降低的节水效应会被叶面积增加和CO2加富后期叶温增高的耗水作用所抵消。

另外,结合表2发现,CO2加富提高叶片Pn的同时,降低了叶绿素含量,这一结果似乎与常识相悖。事实上,只有在弱光条件下,叶片Pn才与叶绿素含量存在良好的正相关性,而饱和光强下叶片Pn通常与叶绿素含量无直接关系[32]。并且Pn是在饱和光强下测得,此时主要的限制因子应该是CO2浓度,而非叶绿素含量。Chen等人通过对两种不同基因型水稻的研究发现,虽然黄绿叶突变体水稻的叶绿素含量仅为野生型1/3,但在饱和光强下,两者Pn一样[33]。说明由于叶绿素含量的不足引起的对光合作用的不利影响可以通过增加光强得以弥补。本试验中,CO2加富虽然在一定程度上降低了叶片叶绿素含量,但对叶绿素a/b比值并无明显影响,表明捕光能力并未受到影响[29],同时CO2加富提高了Rubisco羧化效率,因此在叶绿素含量相对较低的情况下表现出较高的Pn。