NaCl脅迫對祁連山野生黃瑞香葉片光合葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2016-08-06 05:32:40王勤禮郭有燕張亞娟侯梁宇
西北植物學(xué)報 2016年6期
閆 芳，王勤禮，郭有燕，張亞娟，侯梁宇
(1 甘肅省高校河西走廊特色資源利用省級重點實驗室，甘肅張掖 734000；2 河西學(xué)院 河西走廊設(shè)施蔬菜工程技術(shù)研究中心，甘肅張掖 734000)
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NaCl脅迫對祁連山野生黃瑞香葉片光合葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
閆芳1，2，王勤禮1，2，郭有燕2，張亞娟2，侯梁宇2
(1 甘肅省高校河西走廊特色資源利用省級重點實驗室，甘肅張掖 734000；2 河西學(xué)院 河西走廊設(shè)施蔬菜工程技術(shù)研究中心，甘肅張掖 734000)
摘要:以4片真葉黃瑞香幼苗為材料，設(shè)置不同濃度(0、50、100、150、200 mmol·L-1)NaCl脅迫處理，采用溫室砂培實驗系統(tǒng)考察了其幼苗葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及氣體交換參數(shù)等光合生理指標的變化。結(jié)果表明：(1)在正常環(huán)境條件下(對照)，黃瑞香葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)的日變化曲線呈雙峰型，蒸騰速率(Tr)日變化曲線呈單峰型；較高濃度(>100 mmol·L-1)NaCl脅迫改變了黃瑞香葉片光合特性日變化曲線，導(dǎo)致其Pn、Tr、 Gs日變化曲線整體下降，而胞間CO2濃度(Ci)日變化曲線整體上升。(2)低濃度(50 mmol·L-1)NaCl脅迫對黃瑞香葉片葉綠素含量及其比值無顯著影響，但較高濃度(>100 mmol·L-1)NaCl脅迫則使葉綠素含量顯著下降，其比值下降則較平緩。(3)較高濃度(>100 mmol·L-1)NaCl脅迫使得黃瑞香葉片最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ光下最大捕光效率(Fv′/Fm′)、光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)(qP)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)均顯著下降，卻使其初始熒光(F0)和非光化學(xué)猝滅(NPQ)顯著上升。研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽脅迫濃度的增加，引起黃瑞香光合速率下降的主要原因是非氣孔因素；在輕度NaCl脅迫下黃瑞香有較強的忍耐性，而重度NaCl脅迫則顯著降低了葉片的光合機構(gòu)活性，加劇了光抑制程度，從而嚴重限制了其葉片的光合作用效率。
關(guān)鍵詞:黃瑞香；NaCl脅迫；葉綠素?zé)晒猓还夂献饔?/p>
黃瑞香(DaphnegiraldiiNitsche)為瑞香科瑞香屬小灌木，植株高40～120 cm，胸徑可達80 cm，分布在中國甘肅、青海等海拔2 000～2 600 m的山坡灌叢、林緣、溝谷地帶[1]。黃瑞香適應(yīng)性強，較喜冷涼濕潤氣候，也耐寒耐熱，其葉片墨綠有光澤，花清香淡雅，果色鮮紅，具有較高的觀賞價值，對改善西北地區(qū)的大地面貌和生態(tài)保護具有重要的開發(fā)價值[2]。同時，黃瑞香的莖皮也是中國治療風(fēng)濕和止痛的常用中藥，具有祛風(fēng)除濕、止痛散瘀、抗腫瘤活性等作用[3]。隨著人們對黃瑞香應(yīng)用價值認識的深入，其需求量與日俱增，導(dǎo)致黃瑞香野生種質(zhì)資源植株數(shù)量越來越少，現(xiàn)已被國家列為三級保護植物[4]。目前黃瑞香人工栽培技術(shù)尚未成熟，相關(guān)的基礎(chǔ)研究較少，多集中在其莖皮的化學(xué)成分和活性成分[5-8]等方面，而對其人工栽培方面關(guān)于鹽脅迫對黃瑞香幼苗光合生理與葉綠素?zé)晒夥矫娴难芯课匆妶蟮馈?/p>
土壤鹽漬化是農(nóng)業(yè)栽培生產(chǎn)中主要障礙之一，在土壤鹽分較高的地區(qū)常規(guī)農(nóng)作物很難正常生長，若能種植抗鹽性強且能適應(yīng)地區(qū)氣候的耐鹽經(jīng)濟植物，不僅能增加加工產(chǎn)品農(nóng)業(yè)資源，還可有助于區(qū)域內(nèi)土地的水土保持、鹽土土壤改良和生物治理[9]。鹽脅迫會誘發(fā)植物體內(nèi)某些功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而適應(yīng)新環(huán)境，也會明顯影響植物的光合等生理特性，植物耐鹽的重要機理之一就是維持光合功能[10]。隨著鹽脅迫和光抑制對植物生長發(fā)育的限制作用日益突出，許多學(xué)者圍繞鹽脅迫對不同作物組織光合機構(gòu)的影響進行了廣泛研究，大多集中在農(nóng)作物或草本植物上[11-12]，而對西北地區(qū)灌木類植物研究較少[13]，且迄今圍繞鹽脅迫對不同植物種類、植物組織的光系統(tǒng)和光化學(xué)效率的影響有許多報道，但結(jié)論并不一致[14-15]。本研究通過盆栽實驗，考察了中性鹽(NaCl)脅迫下黃瑞香幼苗光合作用、熒光參數(shù)與葉綠素含量的變化，了解鹽脅迫對其生長的影響，旨在為黃瑞香大面積的引種馴化和規(guī)模化栽培提供理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。
1材料和方法
1.1試驗材料與設(shè)計
供試黃瑞香種子采自武威市天祝縣祁連鄉(xiāng)布爾草原(103°33′26″E，38°43′31″N)，坡向東西，坡位中下部，坡度約為25°，土壤為山地沙壤黑鈣土。將種子清水浸泡12 h，去除外果皮與濕沙混合后藏于5 ℃冰箱中層積3個月，后再播種于裝有蛭石的穴盤中，于25 ℃光照培養(yǎng)箱中育苗，光強1 200 lx，相對濕度50%，保持基質(zhì)濕潤。在第9天，挑選生長一致的幼苗，移栽河西學(xué)院溫室進行砂培，每處理重復(fù)3次，每盆3株。采用1/2Hoagland培養(yǎng)液澆灌，溫室自然光照。培養(yǎng)至4片真葉時開始在營養(yǎng)液中加入NaCl進行脅迫處理，濃度分別為50、100、150、200 mmol·L-1，以不加NaCl溶液的1/2Hoagland營養(yǎng)液作為對照。每2 d灌1次相同體積的培養(yǎng)液，灌前用去離子水充分淋洗石英砂基質(zhì)。脅迫5 d后開始進行各項指標的測定。
1.2測定指標與方法
1.2.1光合作用氣體交換參數(shù)選擇晴朗無風(fēng)的天氣，采用英國產(chǎn)CIRAS-2型光合測定儀對每個處理的植株頂部3片葉子進行測定，每片葉子記錄3個值。試驗于2015年7月18日8:00～18:00進行，每隔2 h測定1輪，測得凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)的日變化。測定當天(7月18日)甘肅省張掖市光合有效輻射和葉片溫度如圖1所示。
1.2.2葉綠素含量葉綠素含量采用乙醇和丙酮混合液浸提法提取，用分光光度法測定浸提液在645和663 nm處的吸光度值A(chǔ)645和A663，按Lichtenchaler 公式計算葉綠素a(mg·g-1)和葉綠素b(mg·g-1)含量。材料取每個處理分屬不同植株頂部的3片葉子。
1.2.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)在早10:00測定完光合作用氣體交換參數(shù)后，立即用便攜式熒光儀(Handy-PEA，英國Hansatech公司)對相同葉片進行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。測定前首先將葉片暗適應(yīng)30 min，照射檢測光后測得初始熒光(F0)，在F0之后用強飽和脈沖光(3 000 μmol·m-2·s-1)激發(fā)，使原初電子受體QA全部處于還原狀態(tài)，測得最大熒光值(Fm)，并計算可變熒光Fv(Fv=Fm-F0)。Fv/Fm代表PSⅡ最大量子效率，F(xiàn)表示作用光下任一時間的熒光值。在施加作用光的同時用飽和脈沖光閃光，使QA處于瞬時最大還原狀態(tài)，得到熒光值Fm′和穩(wěn)態(tài)熒光Fs，其他葉綠素?zé)晒鈪?shù)計算公式如下：
PSⅡ開放反應(yīng)中心轉(zhuǎn)化效率Fv′/Fm′= (Fm′-F0′)/Fm′
光化熒光猝滅系數(shù)qP= (Fm′-Fs)/(Fm′-F0′)
PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率ΦPSⅡ= (Fm′-Fs)/Fm′非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ=Fm/Fm′-1
圖1 2015年7月18號張掖市光合有效輻射和葉片溫度日變化Fig. 1 Diurnal fluctuations of photosynthetically active radiation (PAR)and leaf temperature in full sunlight on July 18,2015 in Zhangye
1.3數(shù)據(jù)處理
試驗數(shù)據(jù)利用Origin 8.5做圖，采用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析，計算各處理性狀的平均值、標準誤，并進行相關(guān)性分析。
2結(jié)果與分析
2.1鹽脅迫對黃瑞香幼苗葉綠素含量的影響
外部環(huán)境的改變可以引起植物葉片葉綠素含量和比例的變化，進而會引起植物光合功能的改變[16]。表1顯示，黃瑞香幼苗葉片葉綠素總量[Chl(a+b)]、葉綠素a(Chl a)和葉綠素b(Chl b)含量在低度鹽脅迫(50 mmol·L-1)下均與對照(CK)無顯著差異(P>0.05)；葉綠素含量在中度鹽脅迫(100～150 mmol·L-1)時已比對照顯著下降(P<0.05)，但中度鹽脅迫處理之間沒有顯著差異；葉綠素含量在重度鹽脅迫(200 mmol·L-1)時降至最低值，且顯著低于對照和其余鹽脅迫處理(P<0.05)。同時，葉綠素a與葉綠素b 的比例(Chl a /Chl b)隨著各葉綠素含量的變化而改變。受Chl a和Chl b在各鹽脅迫條件下不同下降程度的影響，Chl a /Chl b只在中重度鹽脅迫處理(150～200 mmol·L-1)顯著小于對照(P<0.05)，而150和200 mmol·L-1濃度處理間無顯著差異；雖然黃瑞香幼苗葉片葉綠素相對含量在鹽脅迫下皆呈明顯遞減趨勢，但Chl a/Chl b值變化相對平緩，即使在重度鹽脅迫條件下也能保持相對穩(wěn)定。
2.2鹽脅迫對黃瑞香幼苗光合作用參數(shù)日變化的影響
2.2.1凈光合速率(Pn)日變化不同濃度鹽脅迫對黃瑞香幼苗凈光合速率(Pn)日變化影響較大(圖2，A)。其中，對照葉片Pn的日變化呈雙峰曲線，第1個較高峰值出現(xiàn)在12：00，第2個較低的峰值出現(xiàn)在16：00。黃瑞香葉片的Pn值在各濃度的鹽處理下均不同程度地下降，但其在低鹽脅迫處理下與對照差異不大，而隨著鹽濃度的進一步升高，Pn下降的幅度越來越大，峰值降低而出現(xiàn)時間提前，尤其是150～200 mmol·L-1NaCl處理使得葉片的光合午休由對照和中低濃度處理的14:00提前至12:00。
表1 鹽脅迫下黃瑞香葉綠素含量及比值的變化
注: 表中測定值均以鮮質(zhì)量為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)為3次測定均值±標準誤；同列中不同字母表示處理間差異達到0.05顯著水平。
Note: The values in the table were tested by fresh weight, and the data were 3 times of the mean value±standard error, Different letters in the same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.
圖2 不同濃度鹽脅迫下黃瑞香葉片 Pn、 Gs、 Ci和 Tr 的日變化曲線Fig. 2 Diurnal changes of Pn, Gs, Ci and Tr in D. giraldii leaves under different NaCl stress treatments
2.2.2氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化如圖2,B所示，在無鹽脅迫條件(對照)下，黃瑞香幼苗的氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化趨勢與Pn相一致，其葉片的Gs日變化呈雙峰曲線，最高值出現(xiàn)在12:00，且8:00與18:00的值相差不大。低濃度鹽脅迫處理Gs與對照相比遞減的順序也與相應(yīng)的Pn變化規(guī)律相似，特別是NaCl濃度為50 mmol·L-1時的Gs值與對照差異不大；隨著鹽脅迫程度的加劇，幼苗Gs值呈下降趨勢，且下降幅度隨著鹽濃度的增大而增大；重度鹽處理條件下Gs值下降幅度最大，其自12:00達到峰值后一路降低，日變化曲線也發(fā)生了改變，總體呈單峰曲線。
2.2.3胞間CO2濃度(Ci)日變化由圖2，C可以看出，正常情況下(對照)，黃瑞香的胞間CO2濃度(Ci)于10:00下降至最低值，而在14:00達最高值。各濃度鹽脅迫幼苗葉片Ci的變化趨勢基本相同，表現(xiàn)為低度和中度鹽脅迫下Ci值小幅度高于對照，但在重度鹽脅迫下Ci值上升幅度較大，且低鹽脅迫的黃瑞香葉片Ci值變化與對照較為一致；中低度鹽脅迫Ci值的峰值和最低值出現(xiàn)的時間點變化較為一致，而重度鹽脅迫的峰值已不明顯。
2.2.4蒸騰速率(Tr)日變化圖2，D表明，各濃度鹽脅迫后黃瑞香幼苗葉片的蒸騰速率(Tr)全日均表現(xiàn)為單峰型的變化趨勢，最高值出現(xiàn)在12:00～14:00左右；各濃度鹽脅迫條件下黃瑞香葉片的Tr與對照相比整體呈下降趨勢，且隨著鹽濃度的增大下降幅度逐漸增大，尤以高鹽脅迫表現(xiàn)最為明顯；低中度鹽脅迫處理的Tr值變化趨勢與對照基本相似，且相互之間差異也不明顯，但在重度鹽脅迫處理葉片Tr值的日變化趨于平緩且峰值不如對照明顯。
2.2.5影響光合速率的因素對不同濃度鹽脅迫下黃瑞香主要光合作用參數(shù)與葉綠素指標進行相關(guān)分析結(jié)果(表2)表明，葉片Pn與Gs和Tr均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與葉綠素指標相關(guān)不顯著(P>0.05)；Ci與Pn呈極顯著負相關(guān)，而與Gs、Tr均呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，與葉綠素指標也呈負相關(guān)但不顯著。這種負相關(guān)說明黃瑞香幼苗凈光合速率隨光強增加而增高是由于其葉肉細胞光合活性增大的結(jié)果，而非Ci降低的結(jié)果，但不能由這種負相關(guān)就得出Ci越低則光合速率越高的結(jié)論。說明在鹽脅迫條件下，黃瑞香幼苗葉片光合作用強度降低可能是受到其葉片氣孔的關(guān)閉及胞間CO2濃度的影響，而與光合色素的含量關(guān)系不大。
2.3鹽脅迫對黃瑞香幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
葉綠素?zé)晒鈪?shù)能在一定程度上反映光合機構(gòu)內(nèi)部一系列重要的調(diào)節(jié)過程[17]。F0(初始熒光)、Fm(最大熒光)分別指光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心處于完全開放和完全關(guān)閉時的熒光水平，而F0的升高與PSⅡ反應(yīng)中心的D1蛋白失活有關(guān)[18]。其中，黃瑞香幼苗受到不同程度鹽脅迫后，其葉片F(xiàn)0均有所增加，尤以重度鹽脅迫增加幅度最大，而中度鹽處理間差異不顯著，但各鹽脅迫處理與對照間均達到顯著差異水平(P<0.05)，這說明鹽脅迫使PSⅡ反應(yīng)中心可逆失活或受損(圖3，A)；同時，隨鹽脅迫濃度的升高，黃瑞香幼苗葉片F(xiàn)m值呈下降趨勢，尤以低度鹽脅迫下降幅度最大，且各鹽濃度處理與對照間差異均達到了顯著水平(P<0.05)，表明PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞能力在低鹽脅迫時已明顯減弱(圖3，B)。
另外，F(xiàn)v(可變熒光)為Fm與F0的差值，代表原初電子受體(QA)的還原狀態(tài)[19]；而Fv/F0、Fv/Fm則均可反映PSⅡ最大量子效率。圖3，C、D顯示，隨著鹽脅迫濃度的升高，黃瑞香幼苗葉片F(xiàn)v/F0和Fv/Fm值均有所減小，且各濃度處理與對照相比均呈顯著下降趨勢(P<0.05)。這說明黃瑞香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心已因鹽脅迫而受到了傷害，其潛在活性和原初光能轉(zhuǎn)換效率明顯減弱，因此植物體內(nèi)發(fā)生了光合作用的光抑制。
與此同時，各濃度NaCl脅迫對黃瑞香葉片PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、開放的PSⅡ反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能轉(zhuǎn)化效率(Fv′/Fm′)、光化熒光猝滅系數(shù)(qP)和反映熱耗散變化的非光化熒光猝滅系數(shù)(NPQ)均具有顯著性影響(圖4)。其中，F(xiàn)v′/Fm′是PSⅡ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量，反映開放的 PSⅡ反應(yīng)中心原初光能捕獲轉(zhuǎn)化效率；qP是對原初電子受體質(zhì)體醌QA氧化態(tài)的一種量度，可以反映光合電子鏈的電子傳遞速率；NPQ是 PSⅡ天線色素吸收的不能用于光合電子傳遞而以熱能的形式耗散掉的光能部分，反映光系統(tǒng)對過剩光能的耗散能力。在低鹽濃度(50 mmol·L-1)脅迫條件下，黃瑞香葉片F(xiàn)v′/Fm′比對照有所下降，ΦPSⅡ、qP、NPQ與對照相比無顯著性差異；在100～200 mmol·L-1濃度的鹽脅迫條件下，葉片F(xiàn)v′/Fm′、qP和ΦPSⅡ均隨著鹽濃度的增大而顯著下降，而NPQ則隨之顯著上升。可見，在中高濃度鹽脅迫條件下，黃瑞香幼苗葉片 PSⅡ過剩光能通過非光化學(xué)途徑以熱的形式耗散的比例增加，以減小脅迫條件下過剩光能對其光系統(tǒng)的破壞。
表2 黃瑞香主要光合參數(shù)與葉綠素指標的相關(guān)矩陣
注：* 表示顯著相關(guān)(P<0.05)；** 表示極顯著相關(guān)(P<0.01)
Note: *indicates a significant dependence(P<0.05)；** indicate a very significant dependence(P<0.01)
不同字母表示處理間差異達到0.05顯著水平；下同圖3 鹽脅迫下黃瑞香葉片F(xiàn)0、Fm、Fv/F0和Fv/Fm的變化Different letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.The same as below.Fig. 3 Impacts of NaCl stress on F0, Fm, Fv/F0 and Fv/Fm of D. giraldii leaves
圖4 鹽脅迫下黃瑞香葉片F(xiàn)v′、 Fm′、 qP 、 NPQ 和 ΦPSⅡ的變化Fig. 4 Impacts of NaCl stress on Fv′, Fm′, qP , NPQ and ΦPSⅡ of D. giraldii leaves
3討論
鹽脅迫對植物生長代謝的影響機理是一個非常復(fù)雜的問題，在植株的生長受到脅迫而產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)的過程中，光合特性和葉綠素?zé)晒馓匦缘淖兓葹槊黠@[20]。本試驗結(jié)果表明，隨著鹽脅迫濃度的升高，黃瑞香幼苗的凈光合作用速率(Pn)逐漸減小，但其在輕度鹽脅迫并沒有明顯下降，而重度鹽脅迫降低幅度較大，這表明黃瑞香幼苗光合作用受重度土壤鹽脅迫的影響較大，進而會干擾植株的正常生長。影響Pn大小的因素主要有Gs、Tr和Ci等，它們在植物光合作用的順利進行過程中協(xié)同發(fā)揮作用[21]。依據(jù)Farquhar[22]的理論，鹽脅迫下葉片氣孔收縮，氣孔導(dǎo)度降低，從而限制了CO2向葉綠體的輸送，使光合速率降低，氣孔導(dǎo)度減小和葉片胞間CO2濃度逐漸升高，說明光合速率下降逐漸以非氣孔因素限制為主，即葉肉細胞光合活性下降。本試驗中各濃度鹽脅迫處理下黃瑞香幼苗葉片Pn、Gs、Tr均較對照有所降低，而Ci則呈上升趨勢，Gs、Tr和Ci的日變化趨勢基本相似。這說明鹽脅迫下黃瑞香光合速率的下降主要原因是由于葉肉細胞光合活性的下降導(dǎo)致的非氣孔限制造成的[23]，同時也說明在鹽脅迫下植株可能通過降低Gs來減少水分蒸騰以適應(yīng)鹽脅迫，Tr在鹽脅迫條件下呈下降趨勢也證實了這點，并且Pn的下降與Ci之間并沒有此消彼長的關(guān)系，這與薛焱等對長葉紅砂的研究結(jié)果相似[24]。此外，本試驗中重度鹽脅迫不僅使黃瑞香幼苗的Pn全都低于對照，并且使其日變化曲線發(fā)生改變，體現(xiàn)為其幼苗葉片的“午休現(xiàn)象”較對照提前，與此現(xiàn)象有關(guān)的影響因素有生態(tài)、生理和生化因子，具體原因還有待進一步的研究。
葉綠素作為光合色素中重要的色素分子，一方面攝取外界光源保證植物葉片順利進行光合作用，另一方面還參與光合作用中光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化。葉綠素a、全部葉綠素b為聚光色素，具有收集、傳遞光能給少數(shù)反應(yīng)中心色素葉綠素a分子的作用[25]。本試驗結(jié)果顯示，黃瑞香幼苗葉片中葉綠素a與葉綠素b的含量及其比值在輕度鹽脅迫條件下與對照沒有顯著差異，但高濃度鹽脅迫下卻比對照顯著減少，這可能主要是由于隨著鹽濃度提高，葉綠素水解酶活性增大，葉綠素合成減少，分解增加，從而影響光能吸收、轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致光合速率下降[26-27]。
從葉綠素?zé)晒獾淖兓梢粤私夤夂献饔眠^程中光系統(tǒng)對光能的吸收、分配和耗散等一系列反應(yīng)，能反映出植物受脅迫的情況[28]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm和Fv/F0是研究植物光合生理狀態(tài)的重要指標，植株進行光合作用時由于脅迫而受傷害的最初部位與PSⅡ關(guān)系密切，鹽脅迫會導(dǎo)致葉綠體光合機構(gòu)的破壞，從而降低PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率并抑制PSⅡ潛在活性[29]。本研究結(jié)果顯示，隨著鹽濃度的增大黃瑞香葉片初始熒光(F0)顯著升高，最大熒光(Fm)、Fv/Fm和Fv/F0在鹽脅迫條件下均顯著降低，這表明黃瑞香葉片在中高度鹽脅迫條件下已經(jīng)發(fā)生了光抑制，致使PSⅡ潛在活性中心受到損傷，PSⅡ的光化學(xué)活性受抑制，光合電子在由PSⅡ反應(yīng)中心向QA、QB及PQ庫傳遞的過程中受到了影響，從而不利于激發(fā)捕光色素蛋白復(fù)合體(LHC)向PSⅡ進行電子傳遞[30]，進而導(dǎo)致光能轉(zhuǎn)換率降低。在較高濃度的鹽脅迫條件下，黃瑞香葉片F(xiàn)v′/Fm′、qP和ΦPSⅡ均有所下降，而NPQ顯著高于對照，說明高鹽脅迫下黃瑞香幼苗葉片光合電子傳遞活性降低，而且越來越多的吸收光能通過非光化學(xué)的途徑被耗散，表現(xiàn)出黃瑞香幼苗葉片的自我保護機制。光化學(xué)效率的下降使NPQ升高，多余的光能無法用于光合電子傳遞及熱散熱，吸收的光能在光系統(tǒng)局部大量積累，引發(fā)PSⅡ結(jié)構(gòu)的破壞和反應(yīng)中心的光化學(xué)活性降低，這與很多前人的研究結(jié)果基本一致[31-33]。
綜上所述，光合作用是植物一切生理代謝和生長的基礎(chǔ)，光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)可作為快速準確的判斷黃瑞香幼苗耐鹽程度的重要指標。由以上試驗結(jié)論我們進一步推斷鹽脅迫可能是通過破壞黃瑞香葉片PSⅡ機構(gòu)、影響降低葉綠素含量等非氣孔限制因素來影響碳同化速率[34]，使光反應(yīng)速率降低，進一步導(dǎo)致光合速率的下降。低濃度的NaCl脅迫對黃瑞香幼苗影響不顯著，可見其對鹽環(huán)境表現(xiàn)出了一定的適應(yīng)性和耐受能力。
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(編輯:裴阿衛(wèi))
文章編號:1000-4025(2016)06-1182-08
doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.06.1182
收稿日期:2016-01-15;修改稿收到日期:2016-06-02
基金項目:甘肅省高校河西走廊特色資源利用省級重點實驗室面上項目(XZ1404)；甘肅省自然科學(xué)基金(1506RJZG052)
作者簡介:閆芳(1980-)，女，碩士，副教授，在讀博士研究生，主要從事中草藥資源與利用研究。E-mail:lgod_forever@163.com
中圖分類號:Q945.79
文獻標志碼:文章編碼:
Effect of NaCl Stress on the Leaf Photosynthesis and Chlorophyll Fluorescence Parameters ofDaphnegiraldiiNitsche
YAN Fang1,2, WANG Qinli1,2, GUO Youyan2, ZHANG Yajuan2, HOU Liangyu2
(1 Key Laboratory of Hexi Corridor Resources Utilization of Gansu University, Zhangye, Gansu 734000, China;2 Research Center of Vegetable Engineering and Technology of Hexi University, Zhangye, Gansu 734000, China)
Abstract:With four true leaves of Daphne giraldii Nitsche as the material, we investigated the effects of various NaCl stress(50,100,150 and 200 mmol·L-1)on photosynthetic physiological indexes as seedling photosynthetic pigment content, chlorophyll fluorescence parameters and gas exchange parameters of D. giraldii Nitsche. based on the pots experiments in sand culture systematically. The result showed that: (1) Under a proper environmental condition(Control), the daily variation of Pn and Gs are both illustrated by double-peak curve while the daily variation of Tr is represented by a single peak one, thus the daily variation of D. giraldii Nitsche.’s leaves is changed by a higher-concentrated NaCl stress(>100 mmol·L-1) that causes an overall decline to the daily variation curves of Pn, Tr, as well as Gs, and an overall rise of Ci’s daily variation curve; (2) A lower-concentrated NaCl stress(50 mmol·L-1) has little effects on the leaf chlorophyll content and the ratio of D. giraldii Nitsche and its chlorophyll content declined significantly by a higher-concentrated NaCl stress(>100 mmol·L-1)when the ratio had a slight decrease. (3)Fm,Fv/Fm, Fv′/ Fm′, qP, ΦPSⅡare all declined significantly by a higher-concentrated NaCl stress(>100 mmol·L-1), while F0 and NPQ are both raised significantly. The research shows that with the increasing of NaCl concentration, the reason for leading to the decrease of photosynthetic rate was mainly caused by the no-stomatal factors; D. giraldii Nitsche is fairly resistible of less NaCl stress but a worse NaCl stress may damage the activity of photosynthetic apparatus, thereby surging photo-inhibition and restricting photosynthesis.
Key words:Daphne giraldii; NaCl stress; chlorophyll fluorescence; photosynthesis
閆 芳，王勤禮，郭有燕，張亞娟，侯梁宇
(1 甘肅省高校河西走廊特色資源利用省級重點實驗室，甘肅張掖 734000；2 河西學(xué)院 河西走廊設(shè)施蔬菜工程技術(shù)研究中心，甘肅張掖 734000)
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NaCl脅迫對祁連山野生黃瑞香葉片光合葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
閆芳1，2，王勤禮1，2，郭有燕2，張亞娟2，侯梁宇2
(1 甘肅省高校河西走廊特色資源利用省級重點實驗室，甘肅張掖 734000；2 河西學(xué)院 河西走廊設(shè)施蔬菜工程技術(shù)研究中心，甘肅張掖 734000)
摘要:以4片真葉黃瑞香幼苗為材料，設(shè)置不同濃度(0、50、100、150、200 mmol·L-1)NaCl脅迫處理，采用溫室砂培實驗系統(tǒng)考察了其幼苗葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及氣體交換參數(shù)等光合生理指標的變化。結(jié)果表明：(1)在正常環(huán)境條件下(對照)，黃瑞香葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)的日變化曲線呈雙峰型，蒸騰速率(Tr)日變化曲線呈單峰型；較高濃度(>100 mmol·L-1)NaCl脅迫改變了黃瑞香葉片光合特性日變化曲線，導(dǎo)致其Pn、Tr、 Gs日變化曲線整體下降，而胞間CO2濃度(Ci)日變化曲線整體上升。(2)低濃度(50 mmol·L-1)NaCl脅迫對黃瑞香葉片葉綠素含量及其比值無顯著影響，但較高濃度(>100 mmol·L-1)NaCl脅迫則使葉綠素含量顯著下降，其比值下降則較平緩。(3)較高濃度(>100 mmol·L-1)NaCl脅迫使得黃瑞香葉片最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ光下最大捕光效率(Fv′/Fm′)、光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)(qP)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)均顯著下降，卻使其初始熒光(F0)和非光化學(xué)猝滅(NPQ)顯著上升。研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽脅迫濃度的增加，引起黃瑞香光合速率下降的主要原因是非氣孔因素；在輕度NaCl脅迫下黃瑞香有較強的忍耐性，而重度NaCl脅迫則顯著降低了葉片的光合機構(gòu)活性，加劇了光抑制程度，從而嚴重限制了其葉片的光合作用效率。
關(guān)鍵詞:黃瑞香；NaCl脅迫；葉綠素?zé)晒猓还夂献饔?/p>
黃瑞香(DaphnegiraldiiNitsche)為瑞香科瑞香屬小灌木，植株高40～120 cm，胸徑可達80 cm，分布在中國甘肅、青海等海拔2 000～2 600 m的山坡灌叢、林緣、溝谷地帶[1]。黃瑞香適應(yīng)性強，較喜冷涼濕潤氣候，也耐寒耐熱，其葉片墨綠有光澤，花清香淡雅，果色鮮紅，具有較高的觀賞價值，對改善西北地區(qū)的大地面貌和生態(tài)保護具有重要的開發(fā)價值[2]。同時，黃瑞香的莖皮也是中國治療風(fēng)濕和止痛的常用中藥，具有祛風(fēng)除濕、止痛散瘀、抗腫瘤活性等作用[3]。隨著人們對黃瑞香應(yīng)用價值認識的深入，其需求量與日俱增，導(dǎo)致黃瑞香野生種質(zhì)資源植株數(shù)量越來越少，現(xiàn)已被國家列為三級保護植物[4]。目前黃瑞香人工栽培技術(shù)尚未成熟，相關(guān)的基礎(chǔ)研究較少，多集中在其莖皮的化學(xué)成分和活性成分[5-8]等方面，而對其人工栽培方面關(guān)于鹽脅迫對黃瑞香幼苗光合生理與葉綠素?zé)晒夥矫娴难芯课匆妶蟮馈?/p>
土壤鹽漬化是農(nóng)業(yè)栽培生產(chǎn)中主要障礙之一，在土壤鹽分較高的地區(qū)常規(guī)農(nóng)作物很難正常生長，若能種植抗鹽性強且能適應(yīng)地區(qū)氣候的耐鹽經(jīng)濟植物，不僅能增加加工產(chǎn)品農(nóng)業(yè)資源，還可有助于區(qū)域內(nèi)土地的水土保持、鹽土土壤改良和生物治理[9]。鹽脅迫會誘發(fā)植物體內(nèi)某些功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而適應(yīng)新環(huán)境，也會明顯影響植物的光合等生理特性，植物耐鹽的重要機理之一就是維持光合功能[10]。隨著鹽脅迫和光抑制對植物生長發(fā)育的限制作用日益突出，許多學(xué)者圍繞鹽脅迫對不同作物組織光合機構(gòu)的影響進行了廣泛研究，大多集中在農(nóng)作物或草本植物上[11-12]，而對西北地區(qū)灌木類植物研究較少[13]，且迄今圍繞鹽脅迫對不同植物種類、植物組織的光系統(tǒng)和光化學(xué)效率的影響有許多報道，但結(jié)論并不一致[14-15]。本研究通過盆栽實驗，考察了中性鹽(NaCl)脅迫下黃瑞香幼苗光合作用、熒光參數(shù)與葉綠素含量的變化，了解鹽脅迫對其生長的影響，旨在為黃瑞香大面積的引種馴化和規(guī)模化栽培提供理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。
1材料和方法
1.1試驗材料與設(shè)計
供試黃瑞香種子采自武威市天祝縣祁連鄉(xiāng)布爾草原(103°33′26″E，38°43′31″N)，坡向東西，坡位中下部，坡度約為25°，土壤為山地沙壤黑鈣土。將種子清水浸泡12 h，去除外果皮與濕沙混合后藏于5 ℃冰箱中層積3個月，后再播種于裝有蛭石的穴盤中，于25 ℃光照培養(yǎng)箱中育苗，光強1 200 lx，相對濕度50%，保持基質(zhì)濕潤。在第9天，挑選生長一致的幼苗，移栽河西學(xué)院溫室進行砂培，每處理重復(fù)3次，每盆3株。采用1/2Hoagland培養(yǎng)液澆灌，溫室自然光照。培養(yǎng)至4片真葉時開始在營養(yǎng)液中加入NaCl進行脅迫處理，濃度分別為50、100、150、200 mmol·L-1，以不加NaCl溶液的1/2Hoagland營養(yǎng)液作為對照。每2 d灌1次相同體積的培養(yǎng)液，灌前用去離子水充分淋洗石英砂基質(zhì)。脅迫5 d后開始進行各項指標的測定。
1.2測定指標與方法
1.2.1光合作用氣體交換參數(shù)選擇晴朗無風(fēng)的天氣，采用英國產(chǎn)CIRAS-2型光合測定儀對每個處理的植株頂部3片葉子進行測定，每片葉子記錄3個值。試驗于2015年7月18日8:00～18:00進行，每隔2 h測定1輪，測得凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)的日變化。測定當天(7月18日)甘肅省張掖市光合有效輻射和葉片溫度如圖1所示。
1.2.2葉綠素含量葉綠素含量采用乙醇和丙酮混合液浸提法提取，用分光光度法測定浸提液在645和663 nm處的吸光度值A(chǔ)645和A663，按Lichtenchaler 公式計算葉綠素a(mg·g-1)和葉綠素b(mg·g-1)含量。材料取每個處理分屬不同植株頂部的3片葉子。
1.2.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)在早10:00測定完光合作用氣體交換參數(shù)后，立即用便攜式熒光儀(Handy-PEA，英國Hansatech公司)對相同葉片進行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。測定前首先將葉片暗適應(yīng)30 min，照射檢測光后測得初始熒光(F0)，在F0之后用強飽和脈沖光(3 000 μmol·m-2·s-1)激發(fā)，使原初電子受體QA全部處于還原狀態(tài)，測得最大熒光值(Fm)，并計算可變熒光Fv(Fv=Fm-F0)。Fv/Fm代表PSⅡ最大量子效率，F(xiàn)表示作用光下任一時間的熒光值。在施加作用光的同時用飽和脈沖光閃光，使QA處于瞬時最大還原狀態(tài)，得到熒光值Fm′和穩(wěn)態(tài)熒光Fs，其他葉綠素?zé)晒鈪?shù)計算公式如下：
PSⅡ開放反應(yīng)中心轉(zhuǎn)化效率Fv′/Fm′= (Fm′-F0′)/Fm′
光化熒光猝滅系數(shù)qP= (Fm′-Fs)/(Fm′-F0′)
PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率ΦPSⅡ= (Fm′-Fs)/Fm′非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ=Fm/Fm′-1
圖1 2015年7月18號張掖市光合有效輻射和葉片溫度日變化Fig. 1 Diurnal fluctuations of photosynthetically active radiation (PAR)and leaf temperature in full sunlight on July 18,2015 in Zhangye
1.3數(shù)據(jù)處理
試驗數(shù)據(jù)利用Origin 8.5做圖，采用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析，計算各處理性狀的平均值、標準誤，并進行相關(guān)性分析。
2結(jié)果與分析
2.1鹽脅迫對黃瑞香幼苗葉綠素含量的影響
外部環(huán)境的改變可以引起植物葉片葉綠素含量和比例的變化，進而會引起植物光合功能的改變[16]。表1顯示，黃瑞香幼苗葉片葉綠素總量[Chl(a+b)]、葉綠素a(Chl a)和葉綠素b(Chl b)含量在低度鹽脅迫(50 mmol·L-1)下均與對照(CK)無顯著差異(P>0.05)；葉綠素含量在中度鹽脅迫(100～150 mmol·L-1)時已比對照顯著下降(P<0.05)，但中度鹽脅迫處理之間沒有顯著差異；葉綠素含量在重度鹽脅迫(200 mmol·L-1)時降至最低值，且顯著低于對照和其余鹽脅迫處理(P<0.05)。同時，葉綠素a與葉綠素b 的比例(Chl a /Chl b)隨著各葉綠素含量的變化而改變。受Chl a和Chl b在各鹽脅迫條件下不同下降程度的影響，Chl a /Chl b只在中重度鹽脅迫處理(150～200 mmol·L-1)顯著小于對照(P<0.05)，而150和200 mmol·L-1濃度處理間無顯著差異；雖然黃瑞香幼苗葉片葉綠素相對含量在鹽脅迫下皆呈明顯遞減趨勢，但Chl a/Chl b值變化相對平緩，即使在重度鹽脅迫條件下也能保持相對穩(wěn)定。
2.2鹽脅迫對黃瑞香幼苗光合作用參數(shù)日變化的影響
2.2.1凈光合速率(Pn)日變化不同濃度鹽脅迫對黃瑞香幼苗凈光合速率(Pn)日變化影響較大(圖2，A)。其中，對照葉片Pn的日變化呈雙峰曲線，第1個較高峰值出現(xiàn)在12：00，第2個較低的峰值出現(xiàn)在16：00。黃瑞香葉片的Pn值在各濃度的鹽處理下均不同程度地下降，但其在低鹽脅迫處理下與對照差異不大，而隨著鹽濃度的進一步升高，Pn下降的幅度越來越大，峰值降低而出現(xiàn)時間提前，尤其是150～200 mmol·L-1NaCl處理使得葉片的光合午休由對照和中低濃度處理的14:00提前至12:00。
表1 鹽脅迫下黃瑞香葉綠素含量及比值的變化
注: 表中測定值均以鮮質(zhì)量為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)為3次測定均值±標準誤；同列中不同字母表示處理間差異達到0.05顯著水平。
Note: The values in the table were tested by fresh weight, and the data were 3 times of the mean value±standard error, Different letters in the same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.
圖2 不同濃度鹽脅迫下黃瑞香葉片 Pn、 Gs、 Ci和 Tr 的日變化曲線Fig. 2 Diurnal changes of Pn, Gs, Ci and Tr in D. giraldii leaves under different NaCl stress treatments
2.2.2氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化如圖2,B所示，在無鹽脅迫條件(對照)下，黃瑞香幼苗的氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化趨勢與Pn相一致，其葉片的Gs日變化呈雙峰曲線，最高值出現(xiàn)在12:00，且8:00與18:00的值相差不大。低濃度鹽脅迫處理Gs與對照相比遞減的順序也與相應(yīng)的Pn變化規(guī)律相似，特別是NaCl濃度為50 mmol·L-1時的Gs值與對照差異不大；隨著鹽脅迫程度的加劇，幼苗Gs值呈下降趨勢，且下降幅度隨著鹽濃度的增大而增大；重度鹽處理條件下Gs值下降幅度最大，其自12:00達到峰值后一路降低，日變化曲線也發(fā)生了改變，總體呈單峰曲線。
2.2.3胞間CO2濃度(Ci)日變化由圖2，C可以看出，正常情況下(對照)，黃瑞香的胞間CO2濃度(Ci)于10:00下降至最低值，而在14:00達最高值。各濃度鹽脅迫幼苗葉片Ci的變化趨勢基本相同，表現(xiàn)為低度和中度鹽脅迫下Ci值小幅度高于對照，但在重度鹽脅迫下Ci值上升幅度較大，且低鹽脅迫的黃瑞香葉片Ci值變化與對照較為一致；中低度鹽脅迫Ci值的峰值和最低值出現(xiàn)的時間點變化較為一致，而重度鹽脅迫的峰值已不明顯。
2.2.4蒸騰速率(Tr)日變化圖2，D表明，各濃度鹽脅迫后黃瑞香幼苗葉片的蒸騰速率(Tr)全日均表現(xiàn)為單峰型的變化趨勢，最高值出現(xiàn)在12:00～14:00左右；各濃度鹽脅迫條件下黃瑞香葉片的Tr與對照相比整體呈下降趨勢，且隨著鹽濃度的增大下降幅度逐漸增大，尤以高鹽脅迫表現(xiàn)最為明顯；低中度鹽脅迫處理的Tr值變化趨勢與對照基本相似，且相互之間差異也不明顯，但在重度鹽脅迫處理葉片Tr值的日變化趨于平緩且峰值不如對照明顯。
2.2.5影響光合速率的因素對不同濃度鹽脅迫下黃瑞香主要光合作用參數(shù)與葉綠素指標進行相關(guān)分析結(jié)果(表2)表明，葉片Pn與Gs和Tr均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與葉綠素指標相關(guān)不顯著(P>0.05)；Ci與Pn呈極顯著負相關(guān)，而與Gs、Tr均呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，與葉綠素指標也呈負相關(guān)但不顯著。這種負相關(guān)說明黃瑞香幼苗凈光合速率隨光強增加而增高是由于其葉肉細胞光合活性增大的結(jié)果，而非Ci降低的結(jié)果，但不能由這種負相關(guān)就得出Ci越低則光合速率越高的結(jié)論。說明在鹽脅迫條件下，黃瑞香幼苗葉片光合作用強度降低可能是受到其葉片氣孔的關(guān)閉及胞間CO2濃度的影響，而與光合色素的含量關(guān)系不大。
2.3鹽脅迫對黃瑞香幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
葉綠素?zé)晒鈪?shù)能在一定程度上反映光合機構(gòu)內(nèi)部一系列重要的調(diào)節(jié)過程[17]。F0(初始熒光)、Fm(最大熒光)分別指光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心處于完全開放和完全關(guān)閉時的熒光水平，而F0的升高與PSⅡ反應(yīng)中心的D1蛋白失活有關(guān)[18]。其中，黃瑞香幼苗受到不同程度鹽脅迫后，其葉片F(xiàn)0均有所增加，尤以重度鹽脅迫增加幅度最大，而中度鹽處理間差異不顯著，但各鹽脅迫處理與對照間均達到顯著差異水平(P<0.05)，這說明鹽脅迫使PSⅡ反應(yīng)中心可逆失活或受損(圖3，A)；同時，隨鹽脅迫濃度的升高，黃瑞香幼苗葉片F(xiàn)m值呈下降趨勢，尤以低度鹽脅迫下降幅度最大，且各鹽濃度處理與對照間差異均達到了顯著水平(P<0.05)，表明PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞能力在低鹽脅迫時已明顯減弱(圖3，B)。
另外，F(xiàn)v(可變熒光)為Fm與F0的差值，代表原初電子受體(QA)的還原狀態(tài)[19]；而Fv/F0、Fv/Fm則均可反映PSⅡ最大量子效率。圖3，C、D顯示，隨著鹽脅迫濃度的升高，黃瑞香幼苗葉片F(xiàn)v/F0和Fv/Fm值均有所減小，且各濃度處理與對照相比均呈顯著下降趨勢(P<0.05)。這說明黃瑞香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心已因鹽脅迫而受到了傷害，其潛在活性和原初光能轉(zhuǎn)換效率明顯減弱，因此植物體內(nèi)發(fā)生了光合作用的光抑制。
與此同時，各濃度NaCl脅迫對黃瑞香葉片PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、開放的PSⅡ反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能轉(zhuǎn)化效率(Fv′/Fm′)、光化熒光猝滅系數(shù)(qP)和反映熱耗散變化的非光化熒光猝滅系數(shù)(NPQ)均具有顯著性影響(圖4)。其中，F(xiàn)v′/Fm′是PSⅡ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量，反映開放的 PSⅡ反應(yīng)中心原初光能捕獲轉(zhuǎn)化效率；qP是對原初電子受體質(zhì)體醌QA氧化態(tài)的一種量度，可以反映光合電子鏈的電子傳遞速率；NPQ是 PSⅡ天線色素吸收的不能用于光合電子傳遞而以熱能的形式耗散掉的光能部分，反映光系統(tǒng)對過剩光能的耗散能力。在低鹽濃度(50 mmol·L-1)脅迫條件下，黃瑞香葉片F(xiàn)v′/Fm′比對照有所下降，ΦPSⅡ、qP、NPQ與對照相比無顯著性差異；在100～200 mmol·L-1濃度的鹽脅迫條件下，葉片F(xiàn)v′/Fm′、qP和ΦPSⅡ均隨著鹽濃度的增大而顯著下降，而NPQ則隨之顯著上升。可見，在中高濃度鹽脅迫條件下，黃瑞香幼苗葉片 PSⅡ過剩光能通過非光化學(xué)途徑以熱的形式耗散的比例增加，以減小脅迫條件下過剩光能對其光系統(tǒng)的破壞。
表2 黃瑞香主要光合參數(shù)與葉綠素指標的相關(guān)矩陣
注：* 表示顯著相關(guān)(P<0.05)；** 表示極顯著相關(guān)(P<0.01)
Note: *indicates a significant dependence(P<0.05)；** indicate a very significant dependence(P<0.01)
不同字母表示處理間差異達到0.05顯著水平；下同圖3 鹽脅迫下黃瑞香葉片F(xiàn)0、Fm、Fv/F0和Fv/Fm的變化Different letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.The same as below.Fig. 3 Impacts of NaCl stress on F0, Fm, Fv/F0 and Fv/Fm of D. giraldii leaves
圖4 鹽脅迫下黃瑞香葉片F(xiàn)v′、 Fm′、 qP 、 NPQ 和 ΦPSⅡ的變化Fig. 4 Impacts of NaCl stress on Fv′, Fm′, qP , NPQ and ΦPSⅡ of D. giraldii leaves
3討論
鹽脅迫對植物生長代謝的影響機理是一個非常復(fù)雜的問題，在植株的生長受到脅迫而產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)的過程中，光合特性和葉綠素?zé)晒馓匦缘淖兓葹槊黠@[20]。本試驗結(jié)果表明，隨著鹽脅迫濃度的升高，黃瑞香幼苗的凈光合作用速率(Pn)逐漸減小，但其在輕度鹽脅迫并沒有明顯下降，而重度鹽脅迫降低幅度較大，這表明黃瑞香幼苗光合作用受重度土壤鹽脅迫的影響較大，進而會干擾植株的正常生長。影響Pn大小的因素主要有Gs、Tr和Ci等，它們在植物光合作用的順利進行過程中協(xié)同發(fā)揮作用[21]。依據(jù)Farquhar[22]的理論，鹽脅迫下葉片氣孔收縮，氣孔導(dǎo)度降低，從而限制了CO2向葉綠體的輸送，使光合速率降低，氣孔導(dǎo)度減小和葉片胞間CO2濃度逐漸升高，說明光合速率下降逐漸以非氣孔因素限制為主，即葉肉細胞光合活性下降。本試驗中各濃度鹽脅迫處理下黃瑞香幼苗葉片Pn、Gs、Tr均較對照有所降低，而Ci則呈上升趨勢，Gs、Tr和Ci的日變化趨勢基本相似。這說明鹽脅迫下黃瑞香光合速率的下降主要原因是由于葉肉細胞光合活性的下降導(dǎo)致的非氣孔限制造成的[23]，同時也說明在鹽脅迫下植株可能通過降低Gs來減少水分蒸騰以適應(yīng)鹽脅迫，Tr在鹽脅迫條件下呈下降趨勢也證實了這點，并且Pn的下降與Ci之間并沒有此消彼長的關(guān)系，這與薛焱等對長葉紅砂的研究結(jié)果相似[24]。此外，本試驗中重度鹽脅迫不僅使黃瑞香幼苗的Pn全都低于對照，并且使其日變化曲線發(fā)生改變，體現(xiàn)為其幼苗葉片的“午休現(xiàn)象”較對照提前，與此現(xiàn)象有關(guān)的影響因素有生態(tài)、生理和生化因子，具體原因還有待進一步的研究。
葉綠素作為光合色素中重要的色素分子，一方面攝取外界光源保證植物葉片順利進行光合作用，另一方面還參與光合作用中光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化。葉綠素a、全部葉綠素b為聚光色素，具有收集、傳遞光能給少數(shù)反應(yīng)中心色素葉綠素a分子的作用[25]。本試驗結(jié)果顯示，黃瑞香幼苗葉片中葉綠素a與葉綠素b的含量及其比值在輕度鹽脅迫條件下與對照沒有顯著差異，但高濃度鹽脅迫下卻比對照顯著減少，這可能主要是由于隨著鹽濃度提高，葉綠素水解酶活性增大，葉綠素合成減少，分解增加，從而影響光能吸收、轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致光合速率下降[26-27]。
從葉綠素?zé)晒獾淖兓梢粤私夤夂献饔眠^程中光系統(tǒng)對光能的吸收、分配和耗散等一系列反應(yīng)，能反映出植物受脅迫的情況[28]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm和Fv/F0是研究植物光合生理狀態(tài)的重要指標，植株進行光合作用時由于脅迫而受傷害的最初部位與PSⅡ關(guān)系密切，鹽脅迫會導(dǎo)致葉綠體光合機構(gòu)的破壞，從而降低PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率并抑制PSⅡ潛在活性[29]。本研究結(jié)果顯示，隨著鹽濃度的增大黃瑞香葉片初始熒光(F0)顯著升高，最大熒光(Fm)、Fv/Fm和Fv/F0在鹽脅迫條件下均顯著降低，這表明黃瑞香葉片在中高度鹽脅迫條件下已經(jīng)發(fā)生了光抑制，致使PSⅡ潛在活性中心受到損傷，PSⅡ的光化學(xué)活性受抑制，光合電子在由PSⅡ反應(yīng)中心向QA、QB及PQ庫傳遞的過程中受到了影響，從而不利于激發(fā)捕光色素蛋白復(fù)合體(LHC)向PSⅡ進行電子傳遞[30]，進而導(dǎo)致光能轉(zhuǎn)換率降低。在較高濃度的鹽脅迫條件下，黃瑞香葉片F(xiàn)v′/Fm′、qP和ΦPSⅡ均有所下降，而NPQ顯著高于對照，說明高鹽脅迫下黃瑞香幼苗葉片光合電子傳遞活性降低，而且越來越多的吸收光能通過非光化學(xué)的途徑被耗散，表現(xiàn)出黃瑞香幼苗葉片的自我保護機制。光化學(xué)效率的下降使NPQ升高，多余的光能無法用于光合電子傳遞及熱散熱，吸收的光能在光系統(tǒng)局部大量積累，引發(fā)PSⅡ結(jié)構(gòu)的破壞和反應(yīng)中心的光化學(xué)活性降低，這與很多前人的研究結(jié)果基本一致[31-33]。
綜上所述，光合作用是植物一切生理代謝和生長的基礎(chǔ)，光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)可作為快速準確的判斷黃瑞香幼苗耐鹽程度的重要指標。由以上試驗結(jié)論我們進一步推斷鹽脅迫可能是通過破壞黃瑞香葉片PSⅡ機構(gòu)、影響降低葉綠素含量等非氣孔限制因素來影響碳同化速率[34]，使光反應(yīng)速率降低，進一步導(dǎo)致光合速率的下降。低濃度的NaCl脅迫對黃瑞香幼苗影響不顯著，可見其對鹽環(huán)境表現(xiàn)出了一定的適應(yīng)性和耐受能力。
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(編輯:裴阿衛(wèi))
文章編號:1000-4025(2016)06-1182-08
doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.06.1182
收稿日期:2016-01-15;修改稿收到日期:2016-06-02
基金項目:甘肅省高校河西走廊特色資源利用省級重點實驗室面上項目(XZ1404)；甘肅省自然科學(xué)基金(1506RJZG052)
作者簡介:閆芳(1980-)，女，碩士，副教授，在讀博士研究生，主要從事中草藥資源與利用研究。E-mail:lgod_forever@163.com
中圖分類號:Q945.79
文獻標志碼:文章編碼:
Effect of NaCl Stress on the Leaf Photosynthesis and Chlorophyll Fluorescence Parameters ofDaphnegiraldiiNitsche
YAN Fang1,2, WANG Qinli1,2, GUO Youyan2, ZHANG Yajuan2, HOU Liangyu2
(1 Key Laboratory of Hexi Corridor Resources Utilization of Gansu University, Zhangye, Gansu 734000, China;2 Research Center of Vegetable Engineering and Technology of Hexi University, Zhangye, Gansu 734000, China)
Abstract:With four true leaves of Daphne giraldii Nitsche as the material, we investigated the effects of various NaCl stress(50,100,150 and 200 mmol·L-1)on photosynthetic physiological indexes as seedling photosynthetic pigment content, chlorophyll fluorescence parameters and gas exchange parameters of D. giraldii Nitsche. based on the pots experiments in sand culture systematically. The result showed that: (1) Under a proper environmental condition(Control), the daily variation of Pn and Gs are both illustrated by double-peak curve while the daily variation of Tr is represented by a single peak one, thus the daily variation of D. giraldii Nitsche.’s leaves is changed by a higher-concentrated NaCl stress(>100 mmol·L-1) that causes an overall decline to the daily variation curves of Pn, Tr, as well as Gs, and an overall rise of Ci’s daily variation curve; (2) A lower-concentrated NaCl stress(50 mmol·L-1) has little effects on the leaf chlorophyll content and the ratio of D. giraldii Nitsche and its chlorophyll content declined significantly by a higher-concentrated NaCl stress(>100 mmol·L-1)when the ratio had a slight decrease. (3)Fm,Fv/Fm, Fv′/ Fm′, qP, ΦPSⅡare all declined significantly by a higher-concentrated NaCl stress(>100 mmol·L-1), while F0 and NPQ are both raised significantly. The research shows that with the increasing of NaCl concentration, the reason for leading to the decrease of photosynthetic rate was mainly caused by the no-stomatal factors; D. giraldii Nitsche is fairly resistible of less NaCl stress but a worse NaCl stress may damage the activity of photosynthetic apparatus, thereby surging photo-inhibition and restricting photosynthesis.
Key words:Daphne giraldii; NaCl stress; chlorophyll fluorescence; photosynthesis
