外源脯氨酸對鹽脅迫下甜瓜幼苗生長、光合作用和光合熒光參數的影響

顏志明，孫 錦，郭世榮

(1.南京農業大學園藝學院，農業部南方蔬菜遺傳改良重點開放實驗室，江蘇 南京 210095;2.江蘇農林職業技術學院，江蘇 句容 212400)

世界約20%的耕地和50%左右的灌溉耕作土地受到了鹽分的影響［1］，所以鹽分是影響作物產量的最重要的非生物因素［2］。鹽分脅迫條件下，植物體內發生一系列生理生化反應，包括離子平衡、水勢、礦質營養、氣孔狀況和光合效率等，這些反應導致植物生長速度減慢［3］。而鹽分影響植物生長最重要的過程是影響植物的光合作用，在鹽脅迫條件下，植物氣孔關閉，胞間CO2濃度降低，光合作用下降［4］。

利用外源物質提高幼苗的抗鹽性和改善植物的光合效率已經在許多植物上得到應用。外源一氧化氮(NO)可以提高鹽脅迫條件下黃瓜［5］、黑麥草［6］、玉米［7］等植物葉片的凈光合速率(Pn)。外源甜菜堿可以提高枸杞［8］和水稻［9］葉綠素熒光動力學參數Fv/Fm、Fv/Fo等指標。但國內外在外源脯氨酸對鹽脅迫下植株光合作用影響方面的研究報道較少。本研究采用營養液栽培，通過外源脯氨酸處理鹽脅迫下甜瓜(Cucumis melo L.)幼苗，研究外源脯氨酸對鹽脅迫下2個耐鹽性不同的甜瓜品種生長、光合作用和葉綠素熒光參數的影響，探討外源脯氨酸緩解鹽脅迫對植物傷害的生理機制。

1 材料與方法

1.1 材料培育與處理

以2個耐鹽性不同的甜瓜品種玉皇(耐鹽性強)和雪美(耐鹽性弱)為材料。種子先用自來水沖洗3次，再用蒸餾水清洗3次，用蒸餾水浸泡10 h后，播種于雙層濾紙鋪設的培養皿內，置于28℃的恒溫箱中催芽。取發芽一致的種子播種于72穴的穴盤中，蛭石作為播種基質。幼苗2片真葉時定植于裝有25 L營養液的培養箱中進行培養，營養液采用霍格蘭配方［pH 6.5±0.2，電導率(EC)(2.1±0.1)ds/m］。利用通氣泵進行間歇通氣，保持營養液中溶解氧含量為(8.0±0.2)mg/L。溫室內空氣最高溫度為32℃，最低溫度為17℃，相對濕度在70%左右。幼苗預培養5 d后，進行試驗處理。設4個處理:(a)正常營養液培養(對照)，1倍霍格蘭營養液;(b)NaCl脅迫(NaCl)，1倍霍格蘭營養液+100 mmol/L氯化鈉;(c)脯氨酸處理(脯氨酸)，1倍霍格蘭營養液+0.2 mmol/L脯氨酸;(d)NaCl脅迫+脯氨酸處理(NaCl+脯氨酸)，1倍霍格蘭營養液+0.2 mmol/L脯氨酸+100 mmol/L氯化鈉。每個處理18株苗，3次重復，營養液每2 d更換1次。處理5 d后測定各指標。試驗結果均采用SAS軟件Duncan’s多重比較法進行統計分析。

1.2 測定方法

1.2.1 鮮質量和干質量測定 植株先用自來水沖洗2～3次，再用蒸餾水沖洗2次。用吸水紙吸干后稱鮮質量，然后105℃殺青15 min，75℃烘干至恒重，稱干質量。

1.2.2 葉綠素含量的測定 參照Strain等［10］的方法并加以改進。取甜瓜植物生長點下第2片展開真葉，用剪刀剪碎，混合取樣1 g，用90%丙酮提取。提取液在663 nm和645 nm下測定吸光值，計算葉綠素含量，葉綠素a含量(mg/ml)=11.64×A663-2.16×A645，葉綠素b含量(mg/ml)=20.97×A645-3.94×A663。

1.2.3 光合參數的測定 光合參數測定使用便攜式光合分析系統(Li-6400，Li-Cor Inc，USA)于9∶00～11∶00進行。測定時葉室溫度控制在(25±1)℃，光照度控制在 800 μmol/(m2·s)，參比室CO2濃度為(380±10)μmol/L，相對濕度(RH)為60%～70%。測量凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間 CO2濃度(Ci)，利用公式 WUE=Pn/Tr計算得水分利用率(WUE)，蒸騰速率(Tr)由光合分析系統測得。

1.2.4 熒光參數的測定 熒光參數采用PAM-2100型脈沖調制式熒光儀(德國WALZ公司產品)進行測定。葉片經過30 min暗適應后，照射測量光，得到原初熒光(Fo)，隨后給一個飽和脈沖光［8000 μmol/(m2·s)］后關閉，得到暗適應最大熒光(Fm)。打開作用光，待葉片光合作用達到穩態后得到光合穩態熒光(Fs)并記錄;打開飽和脈沖光［8000 μmol/(m2·s)，0.8 s］得到光化學作用下最大熒光Fm'，然后關閉作用光，立即打開遠紅光，約3 s后關閉，得到光適應葉片的最小熒光Fo'［11-12］。測量光化學淬滅系數(qP)、非光化學淬滅(qN)和初始熒光(Fo);利用張守仁［13］的方法計算光系統II(PSⅡ)最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ實際光化學效率(ΦPSⅡ)。

2 結果與分析

2.1 外源脯氨酸對鹽脅迫下甜瓜幼苗生長的影響

處理5 d后，兩個品種甜瓜的生長均受到了顯著的抑制，與對照相比，玉皇和雪美的鮮重分別下降了26.8%和38.1%，干重分別下降了21.3%和34.5%(圖1)，表明100 mmol/L NaCl處理對甜瓜雪美的生長抑制程度大于玉皇。NaCl脅迫下添加脯氨酸，均提高了兩個品種甜瓜的鮮重和干重，其中雪美甜瓜增加效果較玉皇顯著(P＜0.05)。

圖1 外源脯氨酸對氯化鈉脅迫下甜瓜幼苗鮮質量和干質量的影響Fig.1 Effects of exogenous proline on fresh weight and dry weight of melon seedlings under salt stress

2.2 外源脯氨酸對鹽脅迫甜瓜幼苗葉片光合色素含量的影響

由表1可知，處理5 d后，玉皇甜瓜葉片葉綠素a、b和總葉綠素含量與對照相比分別下降了11.9%、12.5%和12.1%;雪美甜瓜葉片葉綠素a、b和總葉綠素含量與對照相比分別下降了31.4%、20.8%和27.6%，下降幅度均達到顯著水平。由此可以看出，100 mmol/L NaCl脅迫顯著降低了甜瓜幼苗葉片的葉綠素含量，且對雪美的降低幅度大于玉皇。鹽脅迫下添加脯氨酸，玉皇甜瓜幼苗葉片葉綠素a和總葉綠素含量較鹽脅迫下增加不顯著，而葉綠素b顯著增加;雪美甜瓜幼苗葉片葉綠素a、b和總葉綠素含量較鹽脅迫處理顯著增加，并且增加的幅度大于玉皇。上述結果表明，外源脯氨酸可抑制鹽脅迫下甜瓜幼苗葉片葉綠素含量的下降，并且對雪美的抑制效果大于玉皇。

2.3 外源脯氨酸對鹽脅迫甜瓜幼苗葉片光合參數的影響

鹽脅迫降低了玉皇甜瓜的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)(圖2)，對水分利用率(WUE)利用率影響不大;鹽脅迫降低了雪美甜瓜的 Pn、Gs和 WUE，提高了 Ci。鹽脅迫下施用外源脯氨酸處理顯著提高了2個甜瓜品種葉片Pn，提高了雪美甜瓜葉片內的 Gs和 WUE，降低了Ci，而對玉皇甜瓜的 Gs、Ci和 WUE影響效果不顯著(P＞0.05)。

表1 外源脯氨酸對鹽脅迫下甜瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響Table 1 Effects of exogenous proline on content of chlorophyll in melon seedlings under salt stress

圖2 外源脯氨酸對鹽脅迫下甜瓜幼苗葉片光合氣體交換參數的影響Fig.2 Effect of proline on photosynthetic gas exchange in the leaves of melon seedlings under salt stress

2.4 外源脯氨酸對鹽脅迫甜瓜幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響

由表2可知，鹽脅迫顯著降低了雪美PSⅡ實際效率(ΦPSⅡ)和光化學淬滅系數(qP)，提高了初始熒光(Fo);外源施用脯氨酸提高了ΦPSⅡ和 qP，降低了 Fo。鹽脅迫下玉皇的ΦPSⅡ、qN、qP 和 Fo沒有發生顯著變化，鹽脅迫下外源施用脯氨酸提高了 ΦPSⅡ。從表2還可知，鹽脅迫下2個甜瓜品種的PSⅡ最大潛在光化學效率(Fv/Fm)都沒有發生顯著變化，鹽脅迫下外源施用脯氨酸后2個品種的Fv/Fm也沒有發生顯著變化。

表2 外源脯氨酸對鹽脅迫下甜瓜幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響Table 2 Effects of exogenous proline on chlorophyll fluorescence parameters in melon seedlings under salt stress

3 討論

葉片中光合色素參與光合作用過程中光能的吸收、傳遞和轉化，植物光能利用的能力和效率直接受光合色素含量的影響［14］，而光合性能的好壞最終將影響植物的生長［15］。在自然界中，許多逆境條件(如高溫、干旱、鹽分脅迫等)可以引發植物體內各種生理生化反應，直接或間接地影響著植物的葉綠素含量和植物的光合能力。許多研究結果表明，鹽脅迫降低了葡萄［16］、番茄［17］、水稻［18］、黃瓜［19］等多種植物的葉綠素含量和凈光合速率(Pn)。王清等［20］的研究結果表明，外源脯氨酸提高了鹽脅迫下馬鈴薯試管苗的葉綠素含量，緩解了鹽脅迫傷害;劉書仁等［21］利用外源脯氨酸提高了高溫脅迫下黃瓜幼苗的Pn，緩解了高溫脅迫對黃瓜幼苗的傷害。在本試驗中，100 mmol/L NaCl脅迫顯著降低了2個品種甜瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量，但是下降的程度不同，耐鹽性強的甜瓜品種下降的幅度要小。這可能是由于鹽脅迫下植物體中葉綠素酶的活性增強，促進了葉綠素的降解而導致植物葉片葉綠素含量降低［22-23］，也可能與鹽脅迫抑制了植物體對營養的吸收，破壞了植物體正常的生理代謝，降低了植物光合能力有關。鹽脅迫下添加0.2 mmol/L脯氨酸顯著地提高了2個甜瓜品種的總葉綠素含量，提高了品種雪美的Pn，而在正常營養液條件下添加脯氨酸對甜瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量和Pn沒有顯著影響，因此，可以推斷，外源脯氨酸具備保護逆境條件下植株葉片葉綠素的功能，抑制甜瓜幼苗光合作用的下降，緩解鹽脅迫對甜瓜幼苗生長的抑制作用。但是，脯氨酸應用效果會因植物的基因型不同而有差異。

一般認為，逆境條件引起植物光合速率的改變主要是由氣孔因素和非氣孔因素兩個條件所決定的，其判定主要依據是胞間CO2濃度(Ci)和氣孔導度(Gs)的變化。Farquhar等［24］認為，在 Ci和 Gs同時下降的情況下，才能證明氣孔因素是引起光合速率下降的主要原因;如果Gs下降，而Ci維持不變甚至上升，則說明葉肉細胞同化能力降低等非氣孔因素是引起光合速率下降的主要原因。本試驗中，鹽脅迫顯著降低了甜瓜幼苗的氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)，這表明鹽脅迫下甜瓜光合速率的下降是由于氣孔因素引起的，這與試驗中觀察到鹽脅迫顯著降低了甜瓜幼苗葉片凈光合速率相一致;外源脯氨酸顯著增加了鹽脅迫下甜瓜幼苗的氣孔導度、胞間CO2濃度和水分利用率，提高了植株的凈光合速率。

葉綠素熒光動力學技術是探測逆境對植物光合作用影響的理想方法，PSⅠⅠ的最大光化學效率(Fv/Fm)是暗適應樣品光系統的最大量子產量，反映PSⅠⅠ反應中心光能轉化效率;ΦPSⅡ反映PSⅠⅠ反應中心在部分關閉情況下的實際原初光化學效率［21］。本試驗結果表明，鹽脅迫下，雪美甜瓜ΦPSⅡ和qP均下降，這表明鹽脅迫使甜瓜同化CO2能力下降，鹽脅迫下外源施用脯氨酸處理則有效地提高了雪美甜瓜的ΦPSⅡ和qP。說明脯氨酸可以增加PSⅡ反應中心的開放比例、氧化態QA比例和光下光能最大捕獲效率［13］，增加光合電子傳遞效率，增強鹽脅迫下甜瓜幼苗的Pn，表明外源施加脯氨酸可以通過改變PSⅡ的運轉效率來提高植物的光合作用。但外源脯氨酸對玉皇甜瓜的作用不明顯，這可能是由于兩個甜瓜品種耐鹽性不同造成的。

綜上所述，外源脯氨酸可以抑制鹽脅迫下甜瓜幼苗葉綠素含量的下降，改善鹽脅迫下甜瓜的光合作用，緩解鹽脅迫對甜瓜幼苗的傷害。

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