王文靜, 麻冬梅,4**, 蔡進(jìn)軍, 黃 婷, 馬巧利, 趙麗娟, 張 瑩

基于FvCB模型的鹽脅迫下紫花苜蓿幼苗光合特性的研究*

王文靜1, 麻冬梅1,4**, 蔡進(jìn)軍3, 黃 婷1, 馬巧利2, 趙麗娟1, 張 瑩2

(1. 寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 銀川 750021; 2. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院 銀川 750021; 3. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所 銀川 750021; 4.寧夏優(yōu)勢特色作物現(xiàn)代分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 銀川 750021)

探討鹽脅迫下紫花苜蓿幼苗葉片光合生理特性, 可為改善紫花苜蓿生長, 修復(fù)生態(tài)環(huán)境, 推動牧草產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)。本研究以‘阿迪娜’為試驗(yàn)材料, 設(shè)0 mmol?L?1(CK)、40 mmol?L?1、80 mmol?L?1、120 mmol?L?1和160 mmol?L?1共5個(gè)NaCl水平, 使用Li-6400XT光合儀測定不同鹽脅迫下紫花苜蓿幼苗光響應(yīng)-CO2曲線, 利用FvCB模型分析鹽脅迫對紫花苜蓿幼苗光合特性的影響。結(jié)果表明: 1)不同NaCl脅迫下葉片凈光合速率(n)隨NaCl濃度的增加而降低, 與CK相比, 4個(gè)NaCl脅迫下分別降低1.44%、3.85%、7.21%和7.90%, 均達(dá)顯著性水平(<0.05); 隨光合有效輻射的增加均呈迅速上升趨勢, CK的n增長速度顯著高于其他處理。2)與CK相比, 40 mmol?L?1和80 mmol?L?1NaCl脅迫增加了紫花苜蓿幼苗葉片的最大羧化速率(cmax)和最大電子傳遞速率(max), 但120 mmol?L?1和160 mmol?L?1NaCl脅迫顯著降低了cmax和max。3)葉肉導(dǎo)度(m)和暗呼吸速率(d)隨NaCl脅迫水平的增加呈降低趨勢; 與CK相比, 40 mmol?L?1和80 mmol?L?1NaCl脅迫的m變化不顯著, 但d顯著降低。120 mmol?L?1和160 mmol?L?1NaCl脅迫顯著降低了m和d, 且與CK、40 mmol?L?1和80 mmol?L?1NaCl脅迫間呈顯著性差異。4)驗(yàn)證FvCB模型中子模型估算植物葉片光合的精確度, 發(fā)現(xiàn)FvCB模型對不同脅迫處理下n擬合時(shí), 引入m模型模擬精度高, 平均絕對誤差低。5)紫花苜蓿幼苗耐鹽臨界值為80~120 mmol?L?1, 隨NaCl濃度的增加, 光合限制因素由葉肉因素轉(zhuǎn)變?yōu)楣夂蠙C(jī)構(gòu)受損。該研究可為我國西北地區(qū)鹽堿地制定有效的調(diào)控措施以提高植物耐鹽能力提供科學(xué)參考。

紫花苜蓿; 鹽脅迫; FvCB模型; 最大羧化速率; 最大電子傳遞速率

土壤鹽漬化是阻礙植物生長發(fā)育的非生物脅迫因素之一。近年來, 寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤鹽漬化問題受到了寧夏自治區(qū)政府的高度關(guān)注[1]。銀川地區(qū)鹽堿地已占總耕地面積的49%以上, 土壤鹽堿化已成為影響寧夏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要問題之一。紫花苜蓿(L.)是干旱和半干旱地區(qū)重要的飼草作物[2], 因其高蛋白含量、高消化率、高適口性和高產(chǎn)奶品質(zhì), 也是銀北鹽堿地種植的先鋒作物[3]。隨著耕地面積的減少, 紫花苜蓿種植逐漸向鹽堿地集中, 大力提高鹽堿地苜蓿產(chǎn)量已經(jīng)成為苜蓿生產(chǎn)的主攻方向。光合作用是作物穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的生理基礎(chǔ), 易受環(huán)境因素的影響和制約, 其中鹽脅迫是抑制光合作用的主要因素之一。因此, 研究鹽脅迫下紫花苜蓿光合生化過程, 對揭示紫花苜蓿的耐鹽機(jī)制, 確保紫花苜蓿高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

光合作用既是植物生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的組成部分, 又是植物生物量發(fā)展的決定性因素。目前對光合作用過程的研究已引起許多領(lǐng)域的關(guān)注。鹽脅迫對植物光合生理的影響是脅迫逆境生理研究的熱點(diǎn)之一, 但鹽脅迫對植物光合作用的影響非常復(fù)雜, 不同作物對鹽脅迫的響應(yīng)也存在很大差異。眾多學(xué)者圍繞鹽脅迫下植物光合熒光等基本參數(shù)進(jìn)行了研究[4-5], 但由于植物葉片內(nèi)部的光合生理生化反應(yīng)過程非常復(fù)雜, 普通的光合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗m然可以描述光合速率與環(huán)境因子間的數(shù)量關(guān)系[6], 但是不能反映葉片光合生理生化特性[7]。FvCB模型是由Farquhar等[8]提出的植物光合生化模型, 可以很好地預(yù)測植物葉片光合系統(tǒng)的內(nèi)部變化狀況, 反映影響葉片光合能力的光合生理生化特性。近年來, 唐星林等[9-10]系統(tǒng)介紹了FvCB模型的建立、發(fā)展過程和擬合方法等基本理論, 綜述了該模型在葉片光合生理對光、CO2、水、溫度和氮營養(yǎng)等環(huán)境因子變化響應(yīng)機(jī)制中的應(yīng)用研究, 并且利用該模型對幾種草本和木本植物光合生理生化特性進(jìn)行了參數(shù)比較。梁星云等[11]利用FvCB模型計(jì)算闊葉紅松(Sieb. et Zucc.)原始林群落4個(gè)主要樹種重要的光合生理參數(shù), 結(jié)果表明, 4個(gè)樹種的葉片生理參數(shù)存在較大差異且隨季節(jié)變化發(fā)生波動, 在溫帶闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)的模擬預(yù)測中, 應(yīng)該考慮最大羧化速率(cmax)的季節(jié)變化, 為溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)的模擬和預(yù)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?？等A靖等[12]利用FvCB模型對小麥(L.)的最大電子傳遞速率(max)進(jìn)行估算, 研究表明在FvCB模型中, 非直角雙曲線模型會高估小麥J-I曲線中的max, 而由FvCB模型中的子模型估算的max則小于觀測值。Han等[13]利用層次貝葉斯方法對FvCB生化光合模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析和估計(jì)?？梢? 國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于FvCB模型主要圍繞綜述分析[9,14]、模型校正[15-16]、參數(shù)比較[10-11]、植物光合生化模型模擬[12-13]等方面進(jìn)行研究, 缺乏將FvCB模型運(yùn)用于鹽脅迫下紫花苜蓿光合的相關(guān)研究, 且對鹽脅迫下紫花苜蓿幼苗葉片內(nèi)部的光合生理生化參數(shù)和耐鹽性臨界值的研究鮮見報(bào)道。

本研究基于FvCB模型, 研究了NaCl脅迫下紫花苜蓿葉片光合生化參數(shù), 進(jìn)而預(yù)測牧草葉片光合系統(tǒng)的內(nèi)部變化狀況, 為明確植物對鹽分脅迫的適應(yīng)機(jī)制提供參考, 同時(shí)對制定有效的調(diào)控措施以提高植物耐鹽能力具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年5—9月在寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工氣候室(38°30′N, 106°8′E)進(jìn)行。以美國Cal/West公司育成的高產(chǎn)高品質(zhì)和抗病耐鹽性好且在寧夏鹽堿地廣泛推廣種植和適宜性表現(xiàn)較好的多葉苜蓿新品種‘阿迪娜’為試驗(yàn)材料(來自于寧夏大學(xué)種質(zhì)資源庫)。苜蓿種子用0.1% HgCl2消毒8 min, 然后用75%酒精消毒30 s, 再用蒸餾水漂洗5~6遍, 將清洗消毒之后的種子均勻鋪在放好濾紙的培養(yǎng)皿中, 并將濾紙用蒸餾水噴濕, 放入人工培養(yǎng)箱培養(yǎng)至種子發(fā)芽(溫度控制在26 ℃)。待幼苗長至兩葉一心時(shí)移至裝有3 L Hoagland’s營養(yǎng)液的水培箱進(jìn)行培養(yǎng), 每3 d更換一次營養(yǎng)液。在營養(yǎng)液中培養(yǎng)至3~4片真葉時(shí)開始NaCl鹽分脅迫, NaCl直接加入水培液中, 以便根系直接吸收減少誤差。鹽溶液濃度分別為40 mmol?L?1、80 mmol?L?1、120 mmol?L?1和160 mmol?L?1, 用T1、T2、T3、T4來表示。以澆灌營養(yǎng)液作為對照(CK), 每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。脅迫10 d后, 選取全展開葉測定光合指標(biāo)。

1.2 光響應(yīng)曲線與CO2響應(yīng)曲線的測定

采用便攜式光合作用儀(Li-6400XT, 美國)測定紫花苜蓿幼苗葉片的CO2響應(yīng)曲線和光響應(yīng)曲線, 每處理3次重復(fù)。使用鋼化瓶控制參比室中的CO2濃度。植株葉片先在光合有效輻射1500 μmol·m?2·s?1、溫度(28±2) ℃、空氣相對濕度40%~50%條件下誘導(dǎo)30 min以上, 待到光合速率和氣孔導(dǎo)度相對穩(wěn)定后開始測定曲線。測定CO2響應(yīng)曲線時(shí), 光強(qiáng)設(shè)為1800 μmol·m?2·s?1, CO2濃度梯度(mmol·mol?1)設(shè)為: 400、300、200、100、50、400、400、600、800、1000、1200、1600和1800; 測定光響應(yīng)曲線時(shí), 光強(qiáng)梯度(mmol·m?2·s?1)設(shè)為: 1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、50和0。

1.3 FvCB 模型

1.3.1 模型描述

FvCB模型是根據(jù)Farquhar等[8]確定的生物化學(xué)光合模型, 可以定義為:

式中:n為凈光合速率(μmol m?2·s?1),c、j和p分別為受Rubisco、RuBP和TPU限制階段的凈光合速率(μmol·m?2·s?1)。其3個(gè)子模型公式如下:

式中:cmax是Rubisco活性的最大速率(mmol·m?2·s?1),用分光光度法測定;c和分別表示CO2和O2的分壓(Pa);Γ表示在CO2補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)線粒體呼吸速率為0 μmol(CO2)·m?2·s?1;c和o分別表示羧化和氧化的米氏門頓常數(shù)(kPa或Pa);表示乙醇酸碳在光呼吸循環(huán)中循環(huán)的未返回部分;為RuBP受限階段的電子運(yùn)輸速率(mmol·m?2·s?1);i為胞間CO2濃度(μmol·mol?1);d表示葉片在光照下的暗呼吸速率(mol·m?2·s?1);p表示磷酸丙糖從葉綠體出口的速率(mmol·m?2·s?1);表示葉片吸收常數(shù);表示被PSⅡ吸收的光合有效輻射;為曲率;max表示最大電子傳遞速率(mmol·m?2·s?1), 用LI-6400XT光合測定儀測定葉片所有光合指標(biāo)和電子傳遞速率.

1.3.2 葉肉導(dǎo)度

葉肉導(dǎo)度(m)計(jì)算式如下:

式中:為實(shí)際凈光合速率(μmol·m?2·s?1)。

1.3.3 溫度依賴性

關(guān)于酶動力學(xué)的3個(gè)參數(shù)可通過式(7)來描述[17-18]。

式中:25表示coΓ在25 ℃下的絕對值(Pa);a為co和Γ的活化能(J·mol?1);k表示葉片溫度; R為通用的氣體常數(shù)。

FvCB模型參數(shù)的溫度依賴性可利用阿倫尼烏斯方程來建立參數(shù)與溫度間的函數(shù)關(guān)系[19-20]。

式中:25為cmax、max、d或m在25 ℃下的絕對值;a(J,V,R,g)是函數(shù)的指數(shù)增長率。FvCB模型的參數(shù)描述如表1所示。

表1 FvCB模型參數(shù)及范圍

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理方法

利用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析, 利用Origin 2018軟件進(jìn)行擬合分析和繪圖, 利用SPSS 22.0 進(jìn)行單因素方差分析和多重比較(LSD<0.05)。圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 凈光合速率對鹽脅迫的響應(yīng)

不同NaCl水平下紫花苜蓿幼苗的凈光合速率(n)隨處理濃度的提高呈降低趨勢(圖1)。與CK相比, 40 mmol?L?1、80 mmol?L?1、120 mmol?L?1和160 mmol?L?1NaCl脅迫下n分別降低1.44%、3.85%、7.21%、7.90%, 均達(dá)顯著性差異(<0.05), 且40 mmol·L?1、80 mmol·L?1NaCl脅迫處理與120 mmol·L?1、160 mmol·L?1NaCl脅迫處理間的n也存在顯著性差異。采用線性方程對NaCl濃度和n進(jìn)行擬合, 發(fā)現(xiàn)NaCl濃度與n呈顯著負(fù)相關(guān), 方程決定系數(shù)2為0.951。

不同小寫字母表示不同NaCl濃度間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among NaCl concentrations at<0.05 level.

2.2 光響應(yīng)曲線模型對鹽脅迫的響應(yīng)

對不同NaCl脅迫下紫花苜蓿幼苗葉片凈光合速率(n)與光合有效輻射(PAR)結(jié)果作散點(diǎn)圖, 其實(shí)測值變化趨勢如圖2所示。不同處理下的n均隨著光照強(qiáng)度的增加而迅速上升, 正常處理(CK)的n增長速度明顯高于T1、T2、T3和T4處理。且鹽濃度越高n隨光照強(qiáng)度增加的趨勢越緩慢, 呈現(xiàn)明顯的高鹽脅迫(160 mmol·L?1NaCl)<低鹽脅迫(40 mmol·L?1NaCl)<正常處理(CK)。

CK: 0 mmol·L?1NaCl; T1: 40 mmol·L?1NaCl; T2: 80 mmol·L?1NaCl; T3: 120 mmol·L?1NaCl; T4: 160 mmol·L?1NaCl

2.3 光合最大羧化速率和最大電子傳遞速率對鹽脅迫的響應(yīng)

不同NaCl脅迫下紫花苜蓿幼苗葉片光合最大羧化速率(cmax)和最大電子傳遞速率(max)均呈先緩慢升高后迅速降低的趨勢, 以80 mmol·L?1NaCl處理為最高,cmax和max的最大值分別為68.03mmol·m?2·s?1和165.25mmol·m?2·s?1(圖3)。與正常處理(CK)相比, 40 mmol·L?1和80 mmol·L?1NaCl脅迫增加了cmax和max; 而120 mmol·L?1和160 mmol·L?1NaCl脅迫顯著降低了cmax和max, 且二者之間無顯著性差異。隨鹽脅迫水平的增加, 在25 ℃推算的最大羧化速率(cmax25)和最大電子傳遞速率(max25)與實(shí)際溫度下推算的cmax和max表現(xiàn)出基本一致的趨勢, 但在同一脅迫下推算的實(shí)際值高于在25 ℃下的推算值。相比較而言,cmax和max受鹽脅迫的程度更嚴(yán)重。

cmax25和max25為推算的25 ℃最大羧化速率和最大電子傳遞速率。cmax25andmax25are calculated photosynthetic maximum carboxylation rate and maximum electron transfer rate at 25 ℃.

2.4 葉肉導(dǎo)度和暗呼吸速率對鹽脅迫的響應(yīng)

不同NaCl水平下紫花苜蓿幼苗的葉肉導(dǎo)度(m)隨鹽脅迫水平的增加呈降低趨勢(圖4)。當(dāng)NaCl濃度小于80 mmol·L?1時(shí), 鹽分脅迫對m的影響無顯著性差異, 但當(dāng)NaCl濃度大于120 mmol·L?1時(shí), 鹽脅迫水平對m的影響有顯著性差異。采用線性回歸方程進(jìn)行擬合分析, 可以看出NaCl濃度與m的顯著性較高, 方程決定系數(shù)2為0.931。不同NaCl脅迫水平下暗呼吸速率(d)的變化趨勢與m表現(xiàn)一致(4)。與正常處理(CK)相比, 當(dāng)NaCl濃度大于40 mmol·L?1時(shí), 鹽脅迫水平對d有顯著下降的影響, 但鹽濃度80 mmol·L?1和120 mmol·L?1處理與鹽濃度160 mmol·L?1處理間無顯著性差異。采用線性方程擬合發(fā)現(xiàn), 鹽分濃度與d呈顯著負(fù)相關(guān), 方程決定系數(shù)2為0.862。

不同小寫字母表示不同NaCl濃度間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among NaCl concentrations at<0.05 level.

2.5 葉肉導(dǎo)度對FvCB模型模擬凈光合速率的影響

利用FvCB模型均能較好地?cái)M合不同NaCl水平下紫花苜蓿幼苗葉片在引入葉肉導(dǎo)度(m)和忽略m條件下的凈光合速率值(圖5)?？紤]葉肉導(dǎo)度(m)和忽略葉肉導(dǎo)度(m)都能很好地模擬鹽脅迫處理下植物葉片的光合速率, 實(shí)際凈光合速率()和引入m推算的凈光合速率(1)隨著NaCl脅迫水平的升高呈現(xiàn)降低趨勢,其變化趨勢表現(xiàn)一致。然而, 忽略m推算的凈光合速率(2)在80 mmol·L?1NaCl水平處理時(shí)凈光合速率比40 mmol·L?1NaCl水平處理的值更高。同時(shí), 考慮葉肉導(dǎo)度將決定系數(shù)從0.81提高至0.93, 且平均絕對誤差從27.5%降低至24.3%。

1: 引入葉肉導(dǎo)度(m)推算的凈光合速率;2: 忽略m推算的凈光合速率;2: 決定系數(shù); MAE: 平均絕對誤差。1: the net photosynthetic rate involving leaf conductance (m);2: the net photosynthetic rate ignoringm;2: determination coefficient; MAE: mean absolute error.

3 討論

Na+在植物葉片光合作用機(jī)制的正常功能維持方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[24-27], 但Na+的過量積累會導(dǎo)致其他離子失去平衡, 降低水和礦質(zhì)元素的運(yùn)輸速率, 同時(shí)引起植物葉肉細(xì)胞中葡萄糖積累和淀粉水解加速, 減慢光合產(chǎn)物的輸出, 抑制植物的光合作用[24-26], 并進(jìn)一步損害葉片光系統(tǒng)以抑制光合碳同化過程[24-27]。一般情況下, 鹽脅迫通過對植物產(chǎn)生離子毒害、滲透脅迫、代謝紊亂和營養(yǎng)失衡等現(xiàn)象進(jìn)一步影響光合作用。凈光合速率(n)是受鹽脅迫程度影響最敏感的光合指標(biāo), 它表示植物葉片面積的同化能力, 并且能在一定程度上衡量植物適應(yīng)逆境能力。本研究表明, 紫花苜蓿幼苗葉片的n隨鹽溶液濃度增加呈下降趨勢。正常處理(CK)與其他脅迫處理間均存在顯著性差異, 說明鹽脅迫對紫花苜蓿幼苗葉片的光合作用均產(chǎn)生不同程度的影響;這與前人在平歐雜種榛(Fisch.×.)[26]上的研究結(jié)果不一致, 而與在桑樹(L.)[25]和棉花(spp.)[27]上的研究結(jié)論相似。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因可能是鹽脅迫干擾了紫花苜蓿的新陳代謝并影響了光合產(chǎn)物的分布方向, 但紫花苜蓿仍可以在一定時(shí)間內(nèi)和一定鹽濃度下保持較高的光合速率。鹽脅迫必然會對植物的生長過程產(chǎn)生抑制現(xiàn)象, 且鹽脅迫水平越高, 抑制程度越嚴(yán)重[24-26]。王慶惠等[28]研究表明, 鹽脅迫會破壞根系質(zhì)膜, 引發(fā)滲透脅迫, 阻礙水分吸收和養(yǎng)分吸收并降低植物進(jìn)入葉肉細(xì)胞的CO2速率, 從而導(dǎo)致光合作用減弱。對于處于不利條件下的植物, 應(yīng)關(guān)閉氣孔以減少蒸騰作用, 防止CO2進(jìn)入葉片, 影響CO2參與羧化反應(yīng), 并降低凈光合速率[8]。本研究采用FvCB模型對紫花苜蓿幼苗的光合生理生化特性進(jìn)行研究, 結(jié)果表明, NaCl脅迫水平在0~80 mmol·L?1時(shí),cmax和max逐漸呈上升趨勢, 表明輕度脅迫水平可促進(jìn)1,5-二磷酸核酮糖的再生速率和提高1,5-二磷酸核酮糖羧化酶的合成, 這一研究結(jié)果與前人在高粱[(L.) Moench][29]和棉花[27]作物上的結(jié)論相似。造成這種現(xiàn)象的原因是適宜的NaCl脅迫濃度會對脯氨酸含量產(chǎn)生影響, 加速合成1,5-二磷酸核酮糖羧化酶蛋白質(zhì), 增強(qiáng)1,5-二磷酸核酮糖羧化酶活性, 對光合作用產(chǎn)生促進(jìn)作用, 從而促進(jìn)光合作用并調(diào)節(jié)光合系統(tǒng)的電子傳遞過程[27]。NaCl脅迫水平在120~160 mmol·L?1時(shí),cmax、max以及m均顯著下降, 說明NaCl濃度高于120 mmol·L?1時(shí), 植物體內(nèi)1,5-二磷酸核酮糖羧化酶的羧化功能和1,5-二磷酸核酮糖再生速率顯著下降, 光系統(tǒng)和酶系統(tǒng)受到損傷[4,30]。max25和cmax25在所有植物功能類型中都是高度敏感的參數(shù)。以往的研究已經(jīng)證實(shí), 適當(dāng)?shù)膍ax25和cmax25值對準(zhǔn)確估計(jì)凈光合速率至關(guān)重要[31]。本研究表明, 隨鹽脅迫水平的增加, 在25 ℃下推算的max25和cmax25值與實(shí)際溫度下推算的cmax和max表現(xiàn)出基本一致的趨勢, 但在同一脅迫水平下推算的實(shí)際值高于在25 ℃下的推算值。相比之下,cmax和max受鹽脅迫的程度更明顯。主要是因?yàn)楣夂献饔檬且环N生物化學(xué)過程, 具有很強(qiáng)的溫度依賴性。在超過特定溫度時(shí)1,5-二磷酸核酮糖羧化酶活性可能會下降, 由于max25和cmax25分別限制了高、低CO2濃度下的光合速率, 因此其值直接限制了1,5-二磷酸核酮糖和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶的光合作用。

光響應(yīng)曲線是研究光合有效輻射與凈光合速率關(guān)系的模型, 通過分析光響應(yīng)曲線可以獲得最大凈光合速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)等關(guān)鍵的光合參數(shù)[7,9-15], 由此可以了解植物的光化學(xué)過程及其對光合有效輻射的利用能力[9-15]。本文采用直角雙曲線修正模型對紫花苜蓿的光響應(yīng)曲線擬合表明, 各脅迫處理n隨著光合有效輻射(PAR)梯度的增加均不同程度地呈上升趨勢。但在同一光合有效輻射(PAR)下,n隨著鹽脅迫水平的增加呈下降趨勢, 表明鹽脅迫加重了紫花苜蓿光抑制強(qiáng)度, 降低了植物1,5-二磷酸核酮糖羧化酶活性及電子傳遞速率, 光合作用是影響植物生長和作物產(chǎn)量的主要過程。除氣孔和生物化學(xué)因子外, 葉片的光合能力還受到m的抑制,m調(diào)節(jié)著從細(xì)胞間隙到葉綠體基質(zhì)羧化位點(diǎn)的CO2通量[32]。大量研究表明, 鹽脅迫條件下生長的植株葉片m顯著小于正常條件下生長植株的葉片[25-26]。長期鹽脅迫顯著減少了表皮細(xì)胞和葉肉細(xì)胞的斷面面積、寬度和半徑, 從而使m減小[25-26]。另外, 由于水通道蛋白基因的表達(dá)速率受鹽脅迫的影響, 鹽脅迫可能通過控制水通道蛋白基因的表達(dá)來調(diào)控m。本研究表明,m隨NaCl脅迫水平的增加而下降, 說明隨著NaCl濃度增加, 從氣孔下腔到轉(zhuǎn)移CO2的葉綠體羧化位點(diǎn)的整個(gè)途徑均被破壞, 阻力增大, 降低CO2傳輸速率[33], 這與前人研究結(jié)果一致。引發(fā)這一現(xiàn)象的原因可能是鹽脅迫減少了葉片的葉綠體面積, 并增加了細(xì)胞壁的厚度, 導(dǎo)致m下降, 阻力增大[34], 從而降低了凈光合速率。植物體內(nèi)逆境脅迫濃度過大將會使離子失衡[35], 增強(qiáng)CO2運(yùn)輸阻力, 并損害紫花苜蓿葉綠體的內(nèi)部構(gòu)造, 凈光合速率顯著下降受葉肉因素和羧化限制的共同影響。本研究表明, 紫花苜蓿幼苗最大耐鹽臨界點(diǎn)范圍為80~120 mmol·L?1, 超過臨界耐鹽值紫花苜蓿幼苗的光合機(jī)構(gòu)會受到損傷, 抑制紫花苜蓿正常生長。

國內(nèi)外學(xué)者在FvCB模型的研究中, 經(jīng)常使用i代替c(CO2分壓), 這會出現(xiàn)不可信的光合參數(shù), 從而導(dǎo)致誤差較大。由于CO2濃度會影響植物的光合速率, 因此m可用于確定CO2轉(zhuǎn)移對光合性能的影響。本研究表明, 隨著m的引入, FvCB模型模擬推算的凈光合速率(1)與實(shí)際測得的凈光合速率()基本保持高度一致, 降低了平均絕對誤差, 從而提高了模型擬合的準(zhǔn)確性。通過以上研究, 為我國西北地區(qū)牧草固碳能力及其光合生理生化特性的研究提供理論基礎(chǔ), 為全球氣候變化下優(yōu)質(zhì)牧草的光合生理生化響應(yīng)的預(yù)測提供依據(jù), 并為FvCB模型及其擴(kuò)展模型在牧草作物光合生理研究及國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究提供參考。

4 結(jié)論

利用FvCB 模型推算的紫花苜蓿幼苗葉片內(nèi)部光合參數(shù)對鹽脅迫的響應(yīng)存在差異, 凈光合速率、葉肉阻力和暗呼吸速率隨著NaCl脅迫水平的提高呈顯著下降趨勢, 而最大羧化速率和最大電子傳遞速率表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢, 可見紫花苜蓿葉片光合作用受葉肉因素和羧化限制的雙重影響。該研究可為我國北方鹽堿地制定有效的調(diào)控措施, 適當(dāng)減小外界環(huán)境條件對植物生長的影響, 增強(qiáng)其耐鹽能力, 綠化環(huán)境, 獲得生態(tài)效益。

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Photosynthetic characteristics of alfalfa seedlings under salt stress based on FvCB model*

WANG Wenjing1, MA Dongmei1,4**, CAI Jinjun3, HUANG Ting1, MA Qiaoli2, ZHAO Lijuan1, ZHANG Ying2

(1. Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecosystem Restoration in Northwest China, Ningxia University / Key Laboratory of Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystems in Northwest China of Ministry of Education, Yinchuan 750021, China; 2. College of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 3. Institute of Agricultural Resources and Environment, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan 750021, China; 4.Key Laboratory of Modern Molecular Breeding for Dominant Characteristic Crops in Ningxia, Yinchuan 750021, China)

Understanding the photosynthetic physiological characteristics of alfalfa seedlings under salt stress is important for improving alfalfa growth, restoring the ecological environment, and promoting the development of the foraging industry in China. Alfalfa variety ‘Adrenalin’ seedlings were treated with different concentrations of NaCl (0 mmol·L-1,CK; 40 mmol·L-1,T1; 80 mmol·L-1, T2; 120 mmol·L-1, T3; and 160 mmol·L-1, T4), the light response curves were measured with Li-6400XT, and the effects of NaCl stress on photosynthetic characteristics were analyzed by using FvCB model. The results showed that the leaf net photosynthetic rate (n) decreased significantly with increasing NaCl concentration by 1.44% (T1), 7.21% (T2), 7.90% (T3), and 3.85% (T4), respectively, compared with that of CK. Thenin all treatments showed a rapid upward trend as photosynthetic effective radiation increased, and thengrowth rate in the normal treatment (CK) was significantly higher than that in the other treatments. Compared with those in the CK, the T1 and T2 treatments increased the alfalfa seedling leaf maximum carboxylation rate (cmax; by3.59% in T1, and 13.88% in T2) and maximum electron transfer rate (max; by 11.24% in T1, and 17.47% in T2), but the T3 and T4 treatments reducedcmaxandmax. Leaf conductance (m) and dark respiration rate (d) decreased with increasing NaCl concentration. Compared with those in the CK, the T1 and T2 treatments did not affectm, but significantly reducedd. The T3 and T4 treatments significantly reducedmanddcompared with CK, T1, and T2 treatments. The FvCB model fitting results of alfalfanunder different stress treatments verified that the FvCB sub-model accurately estimated plant leaf photosynthesis, and the results showed that introducingminto the model had a high simulation accuracy and low average absolute error. The critical salt tolerance value for alfalfa seedlings was 80–120 mmol·L-1. As the NaCl concentration increased, the photosynthetic limiting factors changed from mesophyll factors to damaged photosynthetic organs. These results may help formulate effective control measures in Northwest China saline land to improve plant salt tolerance.

Alfalfa; Salt stress; FvCB model; Maximum carboxylation rate; Maximum electron transport rate

10.13930/j.cnki.cjea.200501

王文靜, 麻冬梅, 蔡進(jìn)軍, 黃婷, 馬巧利, 趙麗娟, 張瑩. 基于FvCB模型的鹽脅迫下紫花苜蓿幼苗光合特性的研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2021, 29(3): 540-548

WANG W J, MA D M, CAI J J, HUANG T, MA Q L, ZHAO L J, ZHANG Y. Photosynthetic characteristics of alfalfa seedlings under salt stress based on FvCB model[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(3): 540-548

Q948.1

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31760698)、寧夏農(nóng)業(yè)育種專項(xiàng)(2019NYYZ0401)、寧夏重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2019BBF02022-04)和寧夏高等學(xué)校一流學(xué)科建設(shè)(生態(tài)學(xué))項(xiàng)目(NXYLXK 2017B06)資助

麻冬梅, 主要研究方向?yàn)槟敛莘肿佑N。E-mail: 576494584@qq.com

王文靜, 主要研究方向?yàn)槟敛莘肿佑N。E-mail: 1961224619@qq.com

2020-06-25

2020-10-16

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31760698), Ningxia Special Program of Agricultural Breeding (2019NYYZ0401), Ningxia Key Research and Development Program (2019BBF02022-04), and the First Class Discipline Construction in Ningxia Universities (Ecology) (NXYLXK2017B06).

, E-mail: 576494584@qq.com

Jun. 25, 2020;

Oct. 16, 2020