朱俊杰，王天順，牙 禹，閆飛燕

(1.廣西大學，廣西 南寧 530004；2. 廣西農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品質量安全與檢測技術研究所，廣西 南寧 530007)

【研究意義】黑皮果蔗拔地拉 (SaccharumofficinarumL.cv. Badila)居目前我國果蔗種植面積的首位[1]，由于是熱帶地區(qū)起源的原種，缺乏抗冷的遺傳基礎，引進到我國幾十年來其抗冷性一直沒有根本性的改善，嚴重影響其產(chǎn)量和品質。過去果蔗生產(chǎn)中曾廣泛采用化學調控手段增加產(chǎn)量和改善其品質[2]，但近年來人們對合成類的生長調節(jié)物質的使用有所顧忌和排斥。開發(fā)拔地拉內(nèi)生調節(jié)物質顯得尤為重要，不但可為果蔗化學調控提供新手段，還可為果蔗抗冷育種和抗寒栽培措施的制定供理論參考。【前人研究進展】多胺是生物體中一類低分子脂肪族含氮堿，主要有腐胺(Put)、亞精胺 (Spd)、精胺(Spm)、尸胺(Cad)及鮮精胺(Agm)等，具有陽離子性質[3]，能夠和核酸、多肽及蛋白質等帶負電荷的大分子結合，對維持細胞酸堿平衡，穩(wěn)定細胞結構起重要作用[4]。同時，多胺本身具有較高的生物活性，是植物內(nèi)生的一類生長調節(jié)物質，具有參與植物信號轉導[5]，調控細胞分裂、生長、分化及衰老死亡[6]，增強細胞對外界逆境脅迫的抗性等功效[7]，長期以來都是植物生理、植物營養(yǎng)等學科領域內(nèi)重要和活躍的研究領域[8]。C4植物通常比C3植物有更強的光合同化能力，在高溫和缺水環(huán)境中更是如此，但在低溫條件下，后者的光合優(yōu)勢更明顯。因此，如何增強C4植物的低溫光合耐受力長期以來一直是植物光合生理生態(tài)研究的重要問題。近二十多年來，隨著光合氣體交換和葉綠素熒光等技術的突破性進展，C4植物低溫光合生理生態(tài)機制獲得一些新認識：低溫下C4植物量子效率明顯低于C3植物[9]，加之C4光合酶對低溫敏感[10]，更易遭受低溫光抑制[11-12]，整體光合效率低于C3植物；C4植物低溫光合表現(xiàn)種間差異大，耐受機制也有差異[13]，需結合特定環(huán)境開展相應的研究。如前所述，多胺具有活性高、功能多、成本低等優(yōu)勢，是植物內(nèi)生調節(jié)物質選擇時優(yōu)先考慮對象之一?！颈狙芯壳腥朦c】多胺對植物抗寒(冷)性的作用效果因植物種類的不同表現(xiàn)出明顯差異，例如多胺可以增強一些植物的抗冷能力[14-15]，但對部分植物卻沒有效果[16]。生產(chǎn)實踐中使用的多胺通常包括腐胺、精胺和亞精胺，植物體經(jīng)代謝反應可以從腐胺得到精胺和亞精胺。鑒于果蔗方面鮮見多胺抗冷(寒)性效果的報道，另外考慮到甘蔗中95 %以上的干物質來源于光合作用，因此本研究側重于拔地拉低溫光合對外源腐胺的響應研究。【擬解決的關鍵問題】探尋低溫條件下外施腐胺對拔地拉光合作用的作用效果和機制，為C4植物低溫光合抗性研究提供新資料，為果蔗生長調節(jié)物質選用提供新參考，同時也為果蔗抗性栽培和育種措施的制定提供理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

以黑皮果蔗拔地拉為材料，選取中上部芽體完好莖段，單芽種植于塑料花盆中(直徑15 cm)，再置于培養(yǎng)箱內(nèi)28 ℃ /20 ℃(白天/夜間)，85 %相對濕度下萌發(fā)出苗。待所有幼苗第1片完全葉長出后開啟人工白光光源，葉片表面平均光量子通量密度(PPFD)為700 μmol m-2s-1，光周期11 h，溫度調節(jié)為25 ℃/20 ℃，相對濕度下調至70 %。至所有幼苗均長出4片完全展開葉時分為3組，每組5～10株。第1組為對照，一直保持在上述環(huán)境條件下繼續(xù)生長8 d；第2組為低溫處理組，在7 ℃/4 ℃生長4 d，其他環(huán)境條件同上，然后緩慢升溫至25 ℃/20 ℃生長4 d，其他環(huán)境條件同上；第3組為腐胺結合低溫處理，即在低溫處理前用1 mmol L-1腐胺噴施于拔地拉苗葉片上，以葉片上下表面水滴均勻附著不下滴為度，轉入低溫處理時生長條件同第2組。此外，在第3組噴施腐胺的同時，第1～2組需噴施清水處理。上述處理后的第5和8天，每組選取長勢均勻的植株3～5株測定+ 1葉的光合參數(shù)。整個試驗從頭重復2次，數(shù)據(jù)取2次重復的平均值。

1.2 光合氣體交換和葉綠素熒光參數(shù)測定

蔗苗經(jīng)常溫和冷適應處理后，再經(jīng)過一個夜晚的暗適應，于第二天早上5: 30和8: 00用于測定。早上5: 30 用2臺LI-6400 (LI-Cor公司，美國) 光合測定系統(tǒng)儀 (帶LCF 熒光探頭，LI-6400-40) 測定最小初始熒光Fo和最大熒光Fm等參數(shù)，儀器自動計算Fv/Fm。早上8: 00 對照植株葉片在LED植物冷光源 (上海三澎機電有限公司) (PPFD，2000 μmol m-2s-1，紅光/藍光小燈數(shù)量組成為8∶1) 下活化25～30 min，低溫適應處理植株活化45～75 min，氣孔導度穩(wěn)定后測定熒光光響應曲線和Ci-Pn響應曲線。光合氣體交換參數(shù)和熒光參數(shù)同時測量。所用PPFD 梯度為2000、1600、1200、800、500、300、150、100、50、25 和0 μmol m-2s-1；最小等待時間為2 min，最大等待時間為5 min；葉室測定溫度分別控制為(20 ± 1)℃；藍光吸收系數(shù)為0.92，紅光吸收系數(shù)0.87。Ci-Pn響應曲線CO2濃度梯度為400、300、200、100、50、400、400、600、800、1000和1200 μmol L-1，光照條件為2000 μmol m-2s-1，溫度條件同上。測定完畢后，儀器自動記錄的部分熒光參數(shù)需重新計算。PSⅡ實際電子傳遞量子效率ΦPSⅡ= (Fm′-Fs)/Fm′，公式中Fm′和Fs均為儀器測定值[17]；碳同化量子效率ΦCO2= (Pn-Rd)/(PPFD·а)[18]，其中，Pn為凈光合速率，Rd為光下暗呼吸速率，其值為光響應曲線和縱坐標的交叉點之值，а為吸光系數(shù)，其值取0.89(用葉綠素熒光成像系統(tǒng)大批量測定所獲平均值)；光化學淬滅系數(shù)qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′) ，其中，F(xiàn)m′、Fs和Fo′ 均為儀器測定值[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013和Sigmaplot 12.5軟件進行數(shù)據(jù)處理及作圖。

2 結果與分析

2.1 低溫及其結合腐胺處理對拔地拉最大(潛在)光化學效率的影響

低溫處理前3組拔地拉均表現(xiàn)出穩(wěn)定的最大光化學效率 (Fv/Fm) 值，無光抑制跡象(圖1)。和常溫對照組相比，低溫處理3 d后，低溫處理組和低溫結合腐胺處理組Fv/Fm急劇下降，表現(xiàn)出明顯的光抑制，二者Fv/Fm的平均值雖有明顯差異，但低溫處理組標準差較大，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計分析，低溫處理組和低溫結合腐胺處理組Fv/Fm值沒有顯著差異。低溫處理結束后逐步回升至常溫條件，經(jīng)4 d適應后低溫處理組及低溫結合腐胺處理組Fv/Fm值基本恢復到對照組的水平，三者無顯著差異。

2.2 低溫及其結合腐胺處理對拔地拉光響應曲線特征的影響

常溫下，拔地拉幼苗光響應曲線顯示出典型的C4光合特性 (圖2)，沒有明顯的光飽和點，光補償點低。從發(fā)育的角度看，成熟的+1葉經(jīng)過8 d的生長，其光合凈同化能力 (Pn) 沒有明顯變化，表明其光合特性已經(jīng)相對穩(wěn)定。低溫處理后，葉片Pn大幅下降，光響應曲線趨于平緩，光補償點降低 (數(shù)值未顯示)，冷敏性明顯。在低光下，低溫結合腐胺處理和低溫單獨處理相比，二者光響應曲線沒有明顯差別；在高光下，雖然兩者Pn絕對值差別不大，但后者隨光強梯度變化趨勢明顯優(yōu)于前者，顯示出更強的高光耐受能力。低溫處理的蔗株經(jīng)4 d常溫恢復，Pn值和對照相比，仍有一定差別，部分光合機構很可能已經(jīng)受到破壞，仍未完全修復；和低溫單獨處理相比，腐胺結合低溫處理Pn恢復狀況優(yōu)勢明顯 (圖2)。

圖1 常溫、4 ℃低溫處理4 d及常溫恢復4 d條件下黑皮果蔗拔地拉凌晨最大光化學量子效率變化狀況Fig.1 Changes of predawn maximal photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm) in the chewing cane Badila under normal, chilling stress and recovery from chill conditions for detail see materials and methods

2.3 低溫及其結合腐胺處理對拔地拉Ci-Pn響應曲線特征的影響

和光響應曲線變化趨勢相似，常溫下拔地拉葉片Ci-Pn響應曲線表現(xiàn)出典型的C4植物特征，CO2補償點低 (圖3)，表明其光呼吸微弱。發(fā)育對葉片Ci-Pn響應曲線的影響不明顯。和對照相比，低溫處理后CO2補償點略有提高 (數(shù)值未顯示)，但CO2飽和點大幅下降，超過CO2補償點后的各Ci梯度下Pn值均大幅下降；腐胺結合低溫處理和低溫單獨處理相比，葉片Ci-Pn響應曲線特征相似，CO2補償點差別不大，CO2飽和點略有提高，Pn值有一定程度的增加，但差異不顯著。經(jīng)4 d常溫恢復處理，低溫單獨處理和腐胺結合低溫處理蔗株CO2飽和點和對照比仍有一定差別，腐胺結合低溫處理比低溫單獨處理恢復狀況更好。

A：常溫下；B低溫下；C:低溫結束后恢復，下同A. Normal condition; B. Chilling stress; C. Recovery from chilling stress, the same as below圖2 不同處理條件下拔地拉光響應曲線的變化狀況Fig.2 Changes in the light curves in the chewing cane Badila under different conditions

圖3 不同處理條件下拔地拉胞間CO2響應曲線的變換狀況Fig.3 Changes in the Ci-Pn curves in the chewing cane Badila under different conditions

2.4 低溫及其結合腐胺處理對拔地拉ΦPSII光響應曲線特征的影響

光系統(tǒng)II電子傳遞量子效率ΦPSII值在常溫下隨光強的增加呈指數(shù)下降趨勢，其值在8 d的葉片發(fā)育中變化較小 (圖4)。4 ℃低溫處理后4 d后，即使在低光條件下，ΦPSII值也出現(xiàn)大幅下降，在高光下逐漸下降至接近0；腐胺結合低溫處理與低溫單獨處理蔗株葉片ΦPSII值沒有明顯差異。經(jīng)過4 d常溫下的恢復后，腐結合低溫處理與低溫單獨處理蔗株葉片ΦPSII值均接近對照值，前者略優(yōu)于后者。

2.5 低溫及其結合腐胺處理對拔地拉NPQ光響應曲線特征的影響

葉片NPQ值在常溫下隨光強的增加呈冪函數(shù)增加，8 d的發(fā)育對其影響不大 (圖5)。與對照相比，低溫處理后，各個光強梯度下NPQ值均急劇增加，對耗散葉片多余激發(fā)能可能起了重要作用；與低溫單獨處理相比，腐胺結合低溫處理蔗葉NPQ在低光階段上升緩慢，但在高光下則增幅明顯。經(jīng)4 d常溫恢復后，低溫處理和腐胺結合低溫處理蔗葉NPQ均回落，但仍明顯高于對照，腐胺結合低溫處理的回落幅度更大 (圖5)。

圖4 不同處理條件下拔地拉光系統(tǒng)II電子傳遞量子效率響應曲線的變換狀況Fig.4 Changes in the ΦPSII-PPFD curves in the chewing cane Badila under different conditions

圖5 不同處理條件下拔地拉NPQ響應曲線的變換狀況Fig.5 Changes in the NPQ-PPFD curves in the chewing cane Badila under different conditions

圖6 不同處理條件下拔地拉CO2量子效率響應曲線的變換狀況Fig.6 Changes in the ΦCO2-PPFD curves in the chewing cane Badila under different conditions

2.6 低溫及其結合腐胺處理對拔地拉ΦCO2響應曲線特征的影響

拔地拉葉片CO2同化量子效率ΦCO2常溫下隨光強的增加呈指數(shù)衰減(圖6)，和ΦPSII的變化趨勢相似(圖4)，同樣，發(fā)育對ΦCO2值的影響不明顯。低溫處理后，ΦCO2值也是大幅下降；腐胺結合低溫處理與低溫單獨處理相比，ΦCO2值差異不明顯。常溫恢復4 d處理后，低溫單獨處理和腐胺結合低溫處理葉片ΦCO2值沒有明顯差異，兩者均接近完全恢復狀態(tài)。

3 討 論

從低溫處理前后光合氣體交換參數(shù)值和葉綠素熒光參數(shù)值的變化狀況看，拔地拉表現(xiàn)出明顯的光合冷敏性。如前所述，拔地拉是熱起源原種，沒有抗冷的遺傳基礎，其光合機構也未能幸免。國內(nèi)外已有關于冷敏植物光合特性的報道，低溫可以影響光合機構從光能吸收轉化、電子傳遞、碳同化到光合產(chǎn)物輸出的所有過程[17-19]，本研究發(fā)現(xiàn)低溫下拔地拉的光化學效率、電子傳遞量子效率及碳同化能力都有所下降，與前人試驗結果相符。進一步分析發(fā)現(xiàn)，低溫下拔地拉光補償點降低，表明其利用弱光的能力增強，而從光化學效率大幅下降和低溫解除經(jīng)一段時間恢復后光響應曲線未完全復原的情況看，光合機構的天線系統(tǒng)及2個光系統(tǒng)的化學計量關系很可能有一定程度的調節(jié)，當然這還需要進一步用生物物理和生物化學的手段加以驗證。從低溫前后Ci-Pn曲線的變化狀況分析，低溫嚴重削弱了Rubisco酶的羧化效率，對RuBP的再生影響也較大，而對磷再生限制的影響較小。從這些結果看，顯然低溫影響到光合酶的活性。也有關于其它一些冷敏感植物在低溫下光合酶活性急劇降低的報道[20-22]，這是其低溫光抑制產(chǎn)生的一個重要原因。如甘蔗在干旱等逆境脅迫下光抑制造成光系統(tǒng)損傷[23]，低溫光抑制對拔地拉極可能有類似影響。拔地拉為了應付低溫光抑制，其NPQ值在低溫各個光梯度下都大幅增加，彌補了低活性的光化學途徑耗散光合機構多余激發(fā)能較少的不足，這個結果也進一步印證了前述低溫下光合機構結構調整的假設。

與單獨低溫處理的結果相對比，腐胺結合低溫處理除了對ФPSII影響很小外，對其它光合參數(shù)值都有不同程度的提升，表明外源腐胺可增強拔地拉對低溫的抗性。分析這些結果，不難看出，低溫下腐胺的影響主要表現(xiàn)在碳同化方面，而不在電子傳遞上，該結果與其他植物中降低電子傳遞速率的報道相反[24]，可能與植物種類的特異性有關，需進一步研究。有研究指出，逆境條件下，多胺可以和部分光合酶如Rubisco酶結合后增強其穩(wěn)定性[25]，這極可能是腐胺在低溫下維持和提升甘蔗碳同化效率的主要機制。也有報道指出，逆境下多胺可以維持抗氧化酶的穩(wěn)定，增加抗氧化酶活性[26]，間接增進光合效率。從本研究結果中電子傳遞量子效率和CO2同化量子效率的變化趨勢看，這種方式可能不是果蔗中腐胺作用的主要機制。

腐胺結合低溫處理對拔地拉最顯著的效果是促進了低溫解除后光合效能的及時恢復，其它植物中類似報道還較少。從機制上分析，低溫期間腐胺對光合器官及其組織結構完整性的維護，對光合酶活性的穩(wěn)定等都有利于光合效能的保持，因此在低溫解除后具有相對光合優(yōu)勢。此外，多胺是否對低溫期間光合機構的滲透調節(jié)和氣孔開閉也起到一定的作用還有待進一步驗證。低溫期間腐胺處理對電子傳遞和光能耗散作用并不明顯，因此對急劇低溫和霜凍后強光引起的低溫光抑制效果可能并不理想，而在冬季自然溫度逐步降低時使用腐胺效果可能更好，甘蔗生產(chǎn)中使用多胺時應根據(jù)不同的低溫情況進行綜合考慮。

4 結 論

外施腐胺對拔地拉低溫光合性能有一定程度的穩(wěn)定作用，且能夠明顯增強其碳同化能力，更重要的是，外施腐胺可以明顯加速低溫解除后拔地拉光合性能的恢復。該研究結果對果蔗栽培措施的制定和栽培策略的選擇有理論參考價值，對果蔗低溫抗性能力的提高提供了一種有潛力的參考調控方式。