鹽脅迫下棉花葉綠素熒光參數的變化

2014-06-28 10:35:09汪保華王亞峰

湖北農業科學 2014年7期

汪保華+王亞峰（等）

摘要：通過對比耐鹽和鹽敏感棉花材料在鹽脅迫下的葉綠素熒光參數的變化，探究棉花在鹽害下的自我保護機制及篩選鑒定棉花耐鹽性的生理生化指標。以耐鹽材料中棉所35和鹽敏感材料中棉所12為試驗材料，設置梯度分別為0（對照）、100、200、300及400 mmol/L的NaCl溶液處理四葉期的棉花幼苗，測定葉綠素熒光參數。結果表明，耐鹽棉花材料和鹽敏感棉花材料在葉綠素熒光參數變化趨勢上具有明顯差異。葉綠素熒光參數可作為鑒定棉花耐鹽性的生理生化指標，進一步研究將綜合其他多種生理生化指標構建數學模型，定量衡量棉花的耐鹽性強弱。

關鍵詞：棉花；葉綠素熒光參數；鹽脅迫

中圖分類號：Q945.78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）07-1509-04

Variation of Chlorophyll Fluorescence Parameters of Cotton under Salt Stress

WANG Bao-hua1，2，WANG Ya-feng1，2，XIE Xiao-ling1，ZHU Xin-yu1，HUANG Fang1，XU Wen-fei1，

HUA Xu1，ZHAO Meng-jie1

（1. School of Life Science， Nantong University， Nantong 226019， Jiangsu， China；

2. State Key Laboratory of Cotton Biology， Anyang 455000， Henan， China）

Abstract： Chlorophyll fluorescence parameters of salt-tolerant and salt-sensitive cotton varieties under salt stress were studied to explore the self-protection mechanism of cotton under salt stress and to find physiological and biochemical indexes measuring salt tolerance level of cotton. A salt-resistant variety CCRI 35 and a salt-sensitive variety CCRI 12 were treated with water control， 100， 200， 300 and 400 mmol/L of salt water at the stage of 4 leaves and then the chlorophyll fluorescence parameters were detected. Significant differences of chlorophyll fluorescence parameters tendency between salt-tolerant and salt-sensitive cotton varieties were identified. Chlorophyll fluorescence parameters can be used as physiological and biochemical indexes to measure salt tolerance level of cotton. Further research will be focused on integrating multiple physiological and biochemical indexes and establishing a mathematical model for measuring salt tolerance level of cotton.

Key words： cotton； chlorophyll fluorescence parameters； salt stress

棉花耐鹽性較強，是改良鹽堿地較理想的先鋒作物之一[1]。培育耐鹽性強的棉花品種，能夠充分利用耕地和緩解棉糧爭地的矛盾。研究棉花在鹽脅迫條件下的自我保護機制和對棉花耐鹽性強弱的快速鑒定，是棉花育種中的重要環節之一。多年來，國內外圍繞棉花耐鹽機理、耐鹽鑒定和提高耐鹽性的途徑等方面開展了大量研究，取得了多方面的進展[2，3]。

光合作用是植物最重要的生命活動之一，研究鹽脅迫對光合作用的影響，有利于闡明鹽脅迫對植物的傷害機制和提高作物的抗鹽性。以光合作用理論為基礎的葉綠素a熒光誘導動力學是探測和分析植物光合功能的重要手段，為研究PSII（光系統II）及其電子傳遞過程提供了豐富信息，常被用于探究植物光合生理狀況及植物與逆境脅迫的關系[4]。植物在鹽脅迫條件下，葉綠素含量通常會隨著脅迫程度增加呈現下降趨勢，這是因為NaCl能促進葉綠素酶的活性，使葉綠素分解，從而影響葉綠體的發育和光合作用中光能的吸收和轉換的能力[5]。有報道稱鹽處理的植物葉片中Na+和Cl-大量積累，影響了植物對K+、Ca2+和Mg2+的吸收[6，7]，這種離子吸收的不平衡導致葉綠素降解加快，光系統結構被破壞，相關光合酶活性降低，光合速率下降[8]，其下降程度與植物的耐鹽性有關[9]。

利用葉綠素熒光參數變化鑒定棉花幼苗相對耐鹽性具有快速、簡便、檢測無損傷等優點，具有一定的實用價值[3]。本研究旨在揭示鹽脅迫下的棉花葉綠素熒光參數生理活性的變化，從而探討其作為鑒定棉花耐鹽性指標的可能性。試驗以典型的鹽敏感材料中棉所12（以下簡稱中12）和耐鹽材料中棉所35（以下簡稱中35）為研究對象，探討不同鹽濃度下棉花葉綠素熒光參數的變化，以期更深入地了解棉花耐鹽性生理調節機理，以服務于棉花耐鹽育種實踐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鹽敏感材料中12和耐鹽材料中35均由中國農業科學院棉花研究所國家棉花種質資源中期庫提供。

1.2 葉綠素熒光參數的測定

1.2.1 棉花材料的準備取中35和中12兩個棉花品種種子各40粒，先在水中浸泡12～24 h，然后采用雙層濾紙發芽法進行種子發芽。具體操作如下：將濾紙用去離子水浸濕鋪于培養皿中，然后取泡好的棉花種子均勻擺放在濾紙上，最后再用一張浸濕的濾紙蓋在種子上，每天將上層濾紙適度噴濕，同時觀察記錄種子發芽情況。待棉花種子發芽以后，分別種植到裝好營養土的紙杯（600～700 mL）中，放到培養箱中培養，每天澆等量的水。10 d以后，每個品種選取15株生長狀況良好且相對一致的棉花幼苗，分成3組作為3次重復試驗，每組5株。

待棉花長出4片真葉以后，每個品種取每組的其中1株作為空白對照，其他4株作為試驗組，每組棉花分別用清水（對照）以及100、200、300及400 mmol/L的NaCl溶液澆灌，一天澆1次，每次澆水量為60 mL。鹽脅迫處理10 d后，在同一時刻，每組棉花苗取同一位置的葉片，測定葉綠素熒光參數。

1.2.2 葉綠素熒光相關參數和抗氧化酶活性測定方法葉綠素熒光參數采用德國WALZ公司超便攜式調制葉綠素熒光儀MINI PAM測定。具體參數包括鹽脅迫下棉花的葉綠素最小熒光F0、最大光量子產量Fv/Fm、實際光量子產量ФPSⅡ、光化學淬滅系數qP、非光化學淬滅系數NPQ。

2 結果與分析

本研究中，中12是鹽敏感材料，中35是耐鹽材料。以清水為空白對照，分別使用100、200、300及400 mmol/L的NaCl溶液脅迫處理，分別檢測葉綠素最小熒光F0、最大光量子產量Fv/Fm、實際光量子產量ФPSⅡ、光化學淬滅系數qP、非光化學淬滅系數NPQ，其變化趨勢分別如圖1至圖5所示。

由圖1可知，耐鹽性不同的兩個棉花品種的 F0均隨著鹽脅迫程度的增加呈下降趨勢。因為F0在一定程度上和色素含量呈線性關系，因此該結果表明鹽脅迫會導致棉花色素含量明顯降低。

最大光量子產量Fv/Fm代表PSⅡ原初光能轉化效率，是反映光抑制的可靠指標， Fv/Fm越低證明其發生光抑制的程度越高[10，11]。由圖2可知，中12在NaCl 0～300 mmol/L濃度范圍內Fv/Fm隨濃度升高呈上升趨勢，說明在該濃度范圍內中12仍具有較大光合作用的潛力；而中35在該濃度范圍內變化趨勢平緩，說明耐鹽品種中35處于較為穩定的生理狀態，鹽脅迫對其傷害較小。當鹽濃度超過300 mmol/L時，兩品種Fv/Fm均急劇下降，表明超過該濃度時，兩個棉花品種生長均受到極大影響。

ФPSII指的是PSII 實際光化學效率，反映PSII反應中心部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率[12]。在實際光量子產量ФPSⅡ隨鹽濃度升高的變化曲線（圖3）中，中12先上升，當鹽濃度大于100 mmol/L后持續下降；而中35則呈先降后升再下降的趨勢，在鹽濃度大于300 mmol/L后持續下降，說明雖然鹽敏感材料中12的Fv/Fm較中35大，但在實際環境中，鹽敏感品種光合作用效率低于最大光合作用效率，推測可能是鹽脅迫使光合作用系統中某種物質含量或者活性降低，卻不影響其光合作用的能量轉換為熒光和熱。

qP為光化學淬滅系數，其反映的是PSII吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額。qP 愈大，即PSII的電子傳遞活性愈大。鹽敏感品種中12的qP在鹽濃度為100 mmol/L時達到最大值，而耐鹽品種中35的qP在鹽濃度為300 mmol/L時達到最大值，而后逐漸降低（圖4），表明鹽脅迫達一定水平時均會降低葉片光合作用電子傳遞的能力，PS II反應中心光能利用效率受到一定損害，而耐鹽品種耐受的鹽濃度高于鹽敏感品種。

非光化學淬滅系數NPQ的變化反映熱耗散的變化，前人研究表明該指標通常隨鹽濃度的增大而增大[12]。由圖5可知，兩個棉花品種的NPQ在不同濃度的鹽處理下呈現波動性變化，耐鹽品種中35的NPQ在100 mmol/L時達到峰值，隨后下降，在200 mmol/L后持續上升，但增幅較緩。鹽敏感品種中12的NPQ則在100 mmol/L時下降到低谷，隨后上升，且增幅較大，在鹽濃度達到300 mmol/L時上升至最大值，之后持續下降，可能植株已受到嚴重損害，不能維持正常的生理機能。

3 小結與討論

植物耐鹽性評價的生理生化指標鑒定是通過測定植株體內的生化物質含量或活性的變化來區分作物的耐鹽程度，因為這些物質是鹽脅迫的直接產物或受到直接影響，很可能與耐鹽機制具有密切關系。光合作用、葉綠素含量、葉綠素熒光參數、有機滲透調節劑、礦質元素、膜透性和抗氧化酶類及內源激素等生理指標均能在一定程度上反映或影響植物的耐鹽性[9-11，13-15]。朱新廣等[16]和盧元芳等[17]對鹽脅迫下植物的光合作用進行研究，認為光合作用以氣孔限制為主；張華新等[18]對11個樹種的葉綠素進行鹽脅迫研究，認為鹽害在不同程度上會降低葉綠素含量；彭方仁等[10]研究了鹽脅迫對5個樹種幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響，發現總體上各葉綠素熒光參數均隨鹽濃度的提高而逐漸減小；而王仁雷等[19]和汪月霞等[4]認為鹽脅迫下葉綠素呈先上升后下降的趨勢。前人研究在指標的選擇依據上并沒有確切定論[20]。本研究結果表明，耐鹽棉花材料和鹽敏感棉花材料在葉綠素熒光參數變化趨勢上具有明顯差異，耐鹽性鑒定不能使用單一指標，而應選取與耐鹽性密切相關的多個指標進行綜合評價，分析各指標所占的權重，獲得種質耐鹽性強弱的綜合鑒定結果[21，22]。在棉花耐鹽育種和耐鹽機制研究中，目前測定的生理指標還沒有統一標準，其結果只能作為參考。后續研究將結合多種耐鹽性生理指標的特點，制定統一的測定標準，這對耐鹽植物的篩選具有重要意義。

參考文獻：

[1] GREENWAY H. Mechanisms of salt tolerance in nonhalopytes[J]. Annu Rev Plant Physiol，1980，31：149-190.

[2] 廖震，陳金湘，廖振坤.棉花耐鹽性研究現狀與展望[J].作物研究，2008，22（5）：460-465.

[3] 張國偉，張雷，唐明星，等.土壤鹽分對棉花功能葉氣體交換參數和葉綠素熒光參數日變化的影響[J].應用生態學報，2011， 22（7）：1771-1781.

[4] 汪月霞，孫國榮，王建波，等.NaCl脅迫下星星草幼苗MDA含量與膜透性及葉綠素熒光參數之間的關系[J].生態學報，2006， 26（1）：122-129.

[5] 王玉祥，張博，王濤.鹽脅迫對苜蓿葉綠素、甜菜堿含量和細胞膜透性的影響[J].草業科學，2009，26（3）：53-56.

[6] BROWN C E， PEZESHKI S R， DELAUNE R D. The effects of salinity and soil drying on nutrient uptake and growth of Spartina alterniflora in a simulated tidal system[J].Environ Experim Botany，2006， 58：140-148.

[7] ASHRAF M， AHMAD S. Influence of sodium chloride on ion accumulation， yield components and fibre characteristics in salt-tolerant and salt-sensitive lines of cotton （Gossypium hirsutum L.）[J]. Field Crop Res，2000，66：115-127.

[8] LI N， CHEN S L， ZHOU X Y， et al. Effect of NaCl on photosynthesis， salt accumulation and ion compartmentation in two mangrove species， Kandelia candel and Bruguiera gymnorhiza[J]. Aquatic Botany， 2008，88： 303-310.

[9] KAO W Y， TSAI T T， TSAI H C， et al. Response of three Glycine species to salt stress[J]. Environ Experim Botany，2006， 56：120-125.

[10] 彭方仁，朱振賢，譚鵬鵬，等.NaCl脅迫對5個樹種幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響[J].植物資源與環境學報，2010，19（3）： 42- 47.

[11] 張愛慧，劉廣勤，朱士農，等.NaCl脅迫對嫁接西瓜抗氧化酶及葉綠素熒光參數的影響[J].江蘇農業學報，2010，26（2）：377-382.

[12] 吳雪霞，查丁石.NaCl脅迫對茄子幼苗葉片葉綠素熒光參數和能量分配的影響[J].華北農學報，2009，24（6）：83-87.

[13] 楊淑萍，危常州，梁永超.鹽脅迫對不同基因型海島棉光合作用及熒光特性的影響[J].中國農業科學，2010，43（8）：1585-1593.

[14] YANG X H， CHEN X Y， GE Q Y， et al. Tolerance of photosynthesis to photoinhibition， high temperature and drought stress in flag leaves of wheat： A comparison between a hybridization line and its parents grown under field conditions[J].Plant Sci， 2006，171：389-397.

[15] 羅慶云，於丙軍，劉友良.大豆苗期耐鹽性鑒定指標的檢驗[J].大豆科學，2001，20（3）：176-182.

[16] 朱新廣，張其德.NaCl對光合作用影響的研究進展[J].植物學通報，1999，16（4）：332-338.

[17] 盧元芳，馮立田.NaCl脅迫對菠菜葉片中水分和光合氣體交換的影響（簡報）[J].植物生理學通訊，1999，35（4）：290-292.

[18] 張華新，宋丹，劉正祥.鹽脅迫下11個樹種生理特性及其耐鹽性研究[J].林業科學研究，2008，21（2）：168-175.

[19] 王仁雷，華春，劉友良.鹽脅迫對水稻光合特性的影響[J].南京農業大學學報，2002，25（4）：11-14.

[20] 楊升，張華新，張麗.植物耐鹽生理生化指標及耐鹽植物篩選綜述[J].西北林學院學報，2010，25（3）：59-65.

[21] 賈亞雄，李向林，袁慶華，等.披堿草屬野生種質資源苗期耐鹽性評價及相關生理機制研究[J].中國農業科學，2008，41（10）：2999-3007.

[22] 肖鑫輝，李向華，劉洋，等.高鹽堿環境下野生大豆主要性狀與單株產量的相關分析[J].大豆科學，2009，28（4）：616-622.