厲書豪,李 曼,張文東,李儀曼,艾希珍,,劉彬彬,李清明,,3,*

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院,泰安 2710182 作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,泰安 2710183 農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,泰安 271018

全國各類鹽漬土總面積約9913.3萬hm2,約占全國土壤總面積的13.4%[1]。鹽對(duì)作物產(chǎn)生的毒害除了滲透脅迫和離子毒害,還會(huì)引起養(yǎng)分虧缺、活性氧傷害等一系列次生脅迫[2],最終抑制植物生長(zhǎng)。近年來,我國設(shè)施栽培面積不斷擴(kuò)大,但由于設(shè)施環(huán)境相對(duì)密閉的特點(diǎn),土壤常年得不到雨水淋洗,加之周年生產(chǎn),鹽分在土壤表層累積,土壤鹽漬化已經(jīng)成為制約作物生長(zhǎng)的主要非生物脅迫之一[3]。并且設(shè)施自身相對(duì)密閉性,除了易造成設(shè)施土壤鹽漬化,還常使作物處于CO2饑餓狀態(tài),成為限制光合作用及產(chǎn)量的重要因素之一[4]。與此同時(shí),隨著世界人口持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增加,目前大氣CO2濃度已達(dá)到400 μmol/mol,預(yù)計(jì)2100年將上升至730—1020 μmol/mol[5]。對(duì)C3植物來說,最適CO2濃度約為1000 μmol/mol,在現(xiàn)有條件下其光合速率受到限制,因此CO2濃度升高對(duì)C3植物而言具有顯著的“CO2施肥效應(yīng)”。CO2作為植物光合作用的原料,其濃度高低直接影響Rubisco催化活性和方向、調(diào)節(jié)電子傳遞速率,進(jìn)而影響植物光合速率和活性氧代謝[6]。黃瓜(CucumissativusL.)是我國栽培面積最大的蔬菜作物之一,對(duì)鹽分十分敏感,鹽脅迫抑制黃瓜幼苗植株的生長(zhǎng)及光合電子傳遞、降低葉片凈光合速率[7],嚴(yán)重加劇膜脂過氧化程度[8]。前人研究結(jié)果表明,高CO2濃度可顯著促進(jìn)鹽脅迫下大麥、花椰菜和甜椒植株生長(zhǎng)[9- 11],提高植株水分利用效率[12]及葉片抗氧化酶活性、降低丙二醛(MDA)含量[13-14],從而對(duì)鹽脅迫造成的損傷具有一定緩解作用。但高CO2濃度對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合特性及活性氧代謝的影響,鮮見報(bào)道。本文以黃瓜幼苗為研究對(duì)象,在CO2加富和鹽脅迫條件下,對(duì)其生長(zhǎng)、光合特性和活性氧代謝相關(guān)酶進(jìn)行了研究,以期進(jìn)一步闡明CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗氧化損傷的緩解機(jī)理,為設(shè)施CO2施肥在土壤次生鹽漬化引起的連作障礙中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年3—5月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行,以‘津優(yōu)35號(hào)’黃瓜(CucumissativusL.)為試材。種子經(jīng)浸種催芽后,播于穴盤中育苗,基質(zhì)以草炭、蛭石、珍珠巖按3∶1∶1比例配制。待幼苗第1片真葉完全展開時(shí),選擇整齊一致的幼苗定植于內(nèi)徑為37.5 cm×29 cm、高為12 cm的涂黑的塑料盆中進(jìn)行水培,每盆6株。營養(yǎng)液為1個(gè)劑量的山崎黃瓜營養(yǎng)液配方,試驗(yàn)期間,營養(yǎng)液用氣泵通氣,每3 min通氣30 s,4 d更換1次營養(yǎng)液。

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì),主區(qū)因素為CO2濃度處理,設(shè)大氣CO2濃度(400 μmol/mol)和CO2加富[(800±40) μmol/mol]2個(gè)CO2濃度水平,裂區(qū)因素為鹽脅迫處理,用NaCl模擬鹽脅迫,設(shè)對(duì)照(0 mmol/L NaCl)、鹽脅迫(80 mmol/L NaCl)2個(gè)鹽分水平。每處理重復(fù)10次,每個(gè)重復(fù)1盆,待幼苗長(zhǎng)至2葉1心時(shí)進(jìn)行處理。試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的頂通風(fēng)式塑料拱棚(長(zhǎng)6 m,寬6 m,脊高2.6 m)內(nèi)進(jìn)行,棚內(nèi)裝有環(huán)境控制系統(tǒng),加富處理的CO2由液態(tài)CO2鋼瓶供給。CO2濃度由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制(Auto 2000,北京奧托),當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到CO2濃度低于設(shè)置的下限值時(shí),開啟電磁閥補(bǔ)氣,使其濃度保持在(800±40) μmol/mol。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

處理第8天,取從下往上數(shù)第3片功能葉測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo),重復(fù)3次。

株高：用直尺測(cè)定從子葉下方到生長(zhǎng)點(diǎn)的距離；莖粗：用游標(biāo)卡尺測(cè)定子葉下方基部的直徑；葉面積：用直尺測(cè)定完全展開葉的單葉葉長(zhǎng)(LL),用公式SL=LL2計(jì)算單葉葉面積[15],單株葉面積為所有完全展平葉葉面積之和。鮮干重：用去離子水沖洗干凈并吸干水分,從根莖結(jié)合處剪斷,分別稱得地上、地下部鮮重；105℃殺青15 min,80℃烘至恒重,稱得干重。

采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI- 6400XT便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定光合參數(shù)。測(cè)定條件為：光強(qiáng)1000 μmol m-2s-1,CO2氣體利用緩沖瓶采自相對(duì)穩(wěn)定的3—4 m高的空氣,濃度約為400±10 μmol/mol。

采用英國Hansatech公司生產(chǎn)的FM- 2型調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和DPS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯著性分析(Duncan′s 多重極差檢驗(yàn),α=0.05),并采用SigmaPlot 10.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

由表1可以看出,鹽脅迫抑制了黃瓜幼苗的生長(zhǎng),差異達(dá)顯著水平。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其株高、莖粗、葉面積、地上、地下部鮮干重較對(duì)照分別降低了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緩解鹽脅迫對(duì)黃瓜幼苗植株的抑制作用。具體表現(xiàn)在,鹽脅迫下CO2加富使其各指標(biāo)較大氣CO2濃度分別增加了13.1%、5.9%、10.5%、31.5%、15.9%、36.1%、8.9%,除地上部干重和地下部鮮干重外,差異均達(dá)顯著水平。

2.2 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片色素含量的影響

由表2可以看出,鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素(a+b)含量降低,差異達(dá)顯著水平,但對(duì)葉綠素a/b影響不大。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素(a+b)含量較對(duì)照分別降低了8.7%、10.6%、12.0%、9.3%；而CO2加富使鹽脅迫下葉片葉綠素a含量顯著下降,其他色素含量均未達(dá)顯著水平。

表1 CO2加富對(duì)鹽脅迫下加富對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

表2 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片色素含量的影響

FW:鮮重Fresh weight

2.3 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片核酮糖- 1,5-二磷酸羧化酶活性的影響

圖1 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片RuBPCase活性的影響 Fig.1 Effects of CO2 enrichment on RuBPCase activity in leaves of cucumber seedlings under salt stressFW:鮮重Fresh weight

由圖1可以看出,鹽脅迫抑制了黃瓜幼苗葉片核酮糖- 1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性,差異達(dá)顯著水平。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其羧化酶活性較對(duì)照下降22.9%；而CO2加富提高了鹽脅迫下羧化酶活性,差異達(dá)顯著水平。

2.4 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

由表3可以看出,鹽脅迫抑制了黃瓜幼苗葉片光合作用,差異達(dá)顯著水平。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)較對(duì)照分別下降了13.7%、31.3%、2.8%、11.3%；而鹽脅迫下CO2加富使其Pn較對(duì)照增高了8.7%,Gs、Ci、Tr分別下降了16.1%、6.2%、13.0%,除Ci外,差異均達(dá)顯著水平。說明CO2加富可降低葉片氣孔導(dǎo)度,從而減少水分耗散,同時(shí)增強(qiáng)凈光合速率,進(jìn)而提高光合水分利用率,以此適應(yīng)鹽脅迫。

2.5 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)參數(shù)的影響

由表4可以看出,鹽脅迫使黃瓜幼苗葉片非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)顯著上升,PSII實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSII)、表觀電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)顯著下降。80 mmol/L NaCl處理時(shí),在大氣CO2濃度下,NPQ較正常條件下上升了75.4%,PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、ΦPSII、ETR、qP則分別下降了2.7%、15.4%、15.4%、7.8%；而CO2加富可提高鹽脅迫下黃瓜葉片ΦPSII,恢復(fù)光系統(tǒng)II(PSII)光化學(xué)活性,使其ΦPSII、ETR、qP較大氣CO2濃度分別上升7.8%、7.8%、3.3%,NPQ下降21.6%,除qP、NPQ外,差異均達(dá)顯著水平,但對(duì)Fv/Fm影響不大。

表3 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

2.6 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片脯氨酸、丙二醛、活性氧的影響

圖2 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片脯氨酸和H2O2的影響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加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由圖3可以看出,鹽脅迫對(duì)黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性影響顯著。在大氣CO2濃度下,80 mmol/L NaCl處理使其超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)活性較對(duì)照分別提高了10.3%、34.2%,但過氧化物酶(POD)活性下降了50.7%；而CO2加富進(jìn)一步提高了鹽脅迫下SOD、CAT活性,與此同時(shí)也提高了POD活性,使其SOD、POD、CAT活性較大氣CO2濃度分別提高了8.2%、62.9%、24.9%,差異達(dá)顯著水平。說明CO2加富可通過提高黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性,清除活性氧累積,從而緩解鹽脅迫對(duì)膜造成的損傷。

圖3 CO2加富對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effects of CO2 enrichment on antioxidative enzyme activity in leaves of cucumber seedlings under salt stress

3 討論

鹽脅迫會(huì)影響植物生長(zhǎng)發(fā)育過程,抑制植株生長(zhǎng),導(dǎo)致生物量減少[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,80 mmol/L NaCl處理抑制了黃瓜幼苗的生長(zhǎng)水平(表1),而CO2加富緩解了鹽脅迫對(duì)黃瓜幼苗植株地上部的抑制作用,這與前人在黃瓜和花椰菜上的研究結(jié)果類似[22-23]。

葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所,其色素含量及組分直接影響光合作用。本試驗(yàn)結(jié)果表明,80 mmol/L NaCl處理降低了黃瓜幼苗葉片色素含量(表2),這與楊鳳軍等人在番茄上的研究結(jié)果一致[24]。前人研究認(rèn)為,滲透脅迫降低植株葉片色素含量的主要原因是活性氧(ROS)的氧化作用[25],鹽脅迫增加了ROS的積累(圖2),從而促進(jìn)色素的降解。有研究表明CO2加富提高了小麥和枇杷葉片色素含量[26-27],但本試驗(yàn)結(jié)果顯示,CO2加富降低了黃瓜幼苗葉片色素含量,這與Pérez-López、寶俐、袁嫚嫚等人研究結(jié)果一致[28- 30],究其原因可能主要與CO2加富下葉面積增大(表1)引起的“稀釋效應(yīng)”有關(guān)。

光合作用是構(gòu)成作物生產(chǎn)力的基礎(chǔ),鹽脅迫抑制作物光合作用引起Pn下降,影響光合碳同化,不利作物生長(zhǎng)。本試驗(yàn)結(jié)果表明,80 mmol/L NaCl處理,在降低黃瓜幼苗葉片Pn和Gs(表3)的同時(shí),提高了H2O2含量(圖2)。植物細(xì)胞H2O2水平升高,可促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞K+外流和胞外Ca2+內(nèi)流,引起氣孔關(guān)閉[31],限制大氣CO2進(jìn)入葉片葉綠體,從而引起氣孔限制。與此同時(shí),對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)分析得知,80 mmol/L NaCl處理,顯著降低了ΦPSII、ETR和qP(表4),說明鹽脅迫抑制了光合電子傳遞及光合磷酸化的正常進(jìn)行,阻止同化力的生成,從而影響碳同化。而CO2加富雖然降低了Gs,但同時(shí)也提高了CO2擴(kuò)散動(dòng)力(即大氣CO2與葉綠體CO2濃度差),因此在測(cè)定條件下,并未發(fā)現(xiàn)Ci有明顯變化；并且RuBPCase作為光合碳同化的關(guān)鍵酶,CO2加富提高了其活性(圖1),與此同時(shí),提高了ΦPSII、ETR,并在一定程度上提高了qP,降低了NPQ,從而促進(jìn)光化學(xué)效率和電子傳遞速率,保證同化力的正常生成,進(jìn)而提高了Pn,從而為植物體提供更多的糖源,促進(jìn)植株生長(zhǎng),削弱了鹽脅迫對(duì)其光合和生長(zhǎng)產(chǎn)生的不利影響,這與Zaghdoud和Piero等人研究結(jié)果一致[9-10]；并降低了Tr,提高光合用水效率,但Gs降低的節(jié)水效應(yīng)會(huì)被葉面積增加和CO2加富后期葉溫增高的耗水作用所抵消。

另外,結(jié)合表2發(fā)現(xiàn),CO2加富提高葉片Pn的同時(shí),降低了葉綠素含量,這一結(jié)果似乎與常識(shí)相悖。事實(shí)上,只有在弱光條件下,葉片Pn才與葉綠素含量存在良好的正相關(guān)性,而飽和光強(qiáng)下葉片Pn通常與葉綠素含量無直接關(guān)系[32]。并且Pn是在飽和光強(qiáng)下測(cè)得,此時(shí)主要的限制因子應(yīng)該是CO2濃度,而非葉綠素含量。Chen等人通過對(duì)兩種不同基因型水稻的研究發(fā)現(xiàn),雖然黃綠葉突變體水稻的葉綠素含量?jī)H為野生型1/3,但在飽和光強(qiáng)下,兩者Pn一樣[33]。說明由于葉綠素含量的不足引起的對(duì)光合作用的不利影響可以通過增加光強(qiáng)得以彌補(bǔ)。本試驗(yàn)中,CO2加富雖然在一定程度上降低了葉片葉綠素含量,但對(duì)葉綠素a/b比值并無明顯影響,表明捕光能力并未受到影響[29],同時(shí)CO2加富提高了Rubisco羧化效率,因此在葉綠素含量相對(duì)較低的情況下表現(xiàn)出較高的Pn。