葉面噴施硅對(duì)鎘脅迫番茄葉片PSⅡ電子傳遞的影響

張澤錦，唐 麗*，李躍建

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所/蔬菜種質(zhì)與品種創(chuàng)新四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066；2. 農(nóng)業(yè)部西南地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066)

【研究意義】近年來(lái)，隨著工業(yè)的逐漸發(fā)展和人為因素照成了嚴(yán)重的重金屬污染，其中鎘(Cd)因其高污染和可遷移性，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。在全國(guó)土壤重金屬污染中，Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率最高，為7.0 %[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】金立堅(jiān)等[2](2012)抽取四川省21個(gè)市(州)，993份樣品中，土壤Cd含量超標(biāo)的樣品占56.90 %。由此可見，土壤Cd污染在全國(guó)，特別是在四川地區(qū)已經(jīng)成為不容忽視的問題。鎘主要會(huì)影響植物的形態(tài)，生化，光合作用和超微結(jié)構(gòu)等方面[3-4]。此外，鎘被作物或者蔬菜吸收，從而進(jìn)入人類食物鏈，從而導(dǎo)致危害人類的健康[5]。番茄是我國(guó)重要的大宗蔬菜之一，在輕度Cd脅迫下番茄果實(shí)的超標(biāo)率將近20 %[6]，番茄屬于高Cd吸附類蔬菜，分析的4個(gè)四川地區(qū)常用番茄品種在Cd超限土壤中栽培，其果實(shí)Cd含量均超過(guò)國(guó)家Cd安全標(biāo)準(zhǔn)[7]。硅(Si)在地球巖石圈的含量豐富，分布廣泛，僅次于氧元素。合理施Si可顯著促進(jìn)番茄植株生長(zhǎng)，增強(qiáng)番茄的光合作用，提早開花，增加產(chǎn)量及果實(shí)品質(zhì)，且有機(jī)Si比無(wú)機(jī)Si更能促進(jìn)其生長(zhǎng)[8-10]。除了促進(jìn)生長(zhǎng)外，Si可以減輕重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)的不利影響[11-12]。Si主要用過(guò)形成二氧化硅作為物理屏障和形成硅酸溶液進(jìn)入植物體內(nèi)開始行使生理生化功能[13-14]。光合作用是作物產(chǎn)量形成的主要生化反應(yīng)之一，施Si能抑制Cd對(duì)葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)的破壞，增強(qiáng)白菜葉片的光合作用能力[15]；穩(wěn)定鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ的結(jié)構(gòu)和功能，緩解鎘脅迫對(duì)煙草葉片光合機(jī)構(gòu)的傷害[16]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】已有的研究主要集中在高吸收Si的糧食作物上面，對(duì)于低吸收Si作物的番茄卻鮮有相關(guān)的研究[17]。利用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)分析了噴施不同濃度Si對(duì)不同Cd濃度脅迫下番茄葉片光合電子傳遞中心的影響，探討硅在緩解番茄Cd脅迫下的光合生理機(jī)制?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以期為番茄栽培過(guò)程中硅肥的合理施用、防治鎘污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)于2018年1月至7月在四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園(新都)的塑料大棚進(jìn)行。以番茄(品種：耐裂王)為實(shí)驗(yàn)材料，采用盆栽法栽培。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，10盆為1個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理有3個(gè)重復(fù)，共計(jì)30盆。高鎘處理：CdCl2·2.5 H2O配成濃度203.14 mg/L；低鎘處理：CdCl2·2.5 H2O配成濃度50.79 mg/L。每盆裝有10 kg土后再向每個(gè)盆中澆入200 mL不同鎘溶液，模擬不同鎘含量土壤。采用土壤質(zhì)量鉛鎘的測(cè)定方法(GB/T17141-1997)和土壤pH的測(cè)定(NNY/T1121.2-2006)對(duì)土壤進(jìn)行測(cè)定，高鎘處理土壤(H)鎘含量為1.61 mg/kg，pH為5.49；低鎘處理土壤(L)鎘含量為0.41 mg/kg，pH為5.50；對(duì)照處理土壤(CK)鎘含量為0.22 mg/kg，pH為5.74。

參照薛高峰等[9](2012)方法，分別稱取0.7105、1.4210 及2.1315 g硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)溶于950 mL蒸餾水，加入20 mL無(wú)水乙醇混勻后攪拌，然后將20 mL無(wú)水乙醇與10 mL吐溫80的混合液緩慢滴入，然后充分?jǐn)嚢?，pH調(diào)至6.5，配制成2.5、5、7.5 mmol/L噴施Si制劑，對(duì)照則不添加硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)，其余配制同處理一樣。具體處理如表1。

在第二穗花盛花期進(jìn)行葉面噴施。每隔7 d噴施1次，每次進(jìn)行全株噴施，以硅溶液未滴落為宜，共噴4次。

1.2 葉片熒光參數(shù)的測(cè)定

最后一次噴施后5 d，選取第二穗花對(duì)面的葉片進(jìn)行快速葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定。

表1 試驗(yàn)設(shè)置

圖1 外源Si對(duì)不同鎘濃度土壤栽培番茄葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的影響

參照張澤錦等(2018)[18]方法，利用雙通道熒光儀Dual-PAM-100(Walz，德國(guó))進(jìn)行葉片快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線和PSII和PSI快速熒光響應(yīng)曲線測(cè)定，JIP-test參數(shù)根據(jù)Strasser等(2000)計(jì)算得到[19]。根據(jù)Li等[20](2010)的方法計(jì)算相對(duì)可變熒光。Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)，ΔVt=Vt處理-Vt對(duì)照；WK=(Ft-Fo)/(F300μs-Fo)，ΔK- ΔJ-和ΔI-band分別為在300 μs、2 ms和30 ms處測(cè)定的ΔVt。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的影響

如圖1～2可見，H處理，番茄葉片OJIP曲線發(fā)生形變，最小熒光產(chǎn)額(Fo)顯著高于CK和L處理，最大熒光產(chǎn)額(Fm)與對(duì)照和L處理無(wú)顯著差異；L處理，F(xiàn)o與CK無(wú)顯著差異，F(xiàn)m顯著高于CK，與H處理無(wú)顯著差異。葉面噴施了不同濃度Si后，曲線均能恢復(fù)到OJIP線性。

K點(diǎn)的出現(xiàn)和K相相對(duì)可變熒光(Vk)可以作為放氧復(fù)合體(OEC)遭受破壞和PSⅡ供體側(cè)的受損程度的標(biāo)記[21-22]。如圖2相對(duì)可變熒光ΔVt的分析結(jié)果可知，不同濃度的Cd栽培番茄葉片在0.3 ms特征位點(diǎn)處出現(xiàn)K相，ΔK>0，此外ΔJ和ΔI均>0，這與高溫脅迫下番茄葉片響應(yīng)一樣[23]，可能是由于水裂解系統(tǒng)被抑制和QA之前受體側(cè)的部分被抑制所造成的[22]。高Cd濃度下的ΔK和ΔJ高于低Cd濃度下的ΔK和ΔJ，說(shuō)明高Cd濃度對(duì)供體側(cè)的破壞高于低Cd濃度。高Cd情況下，噴施高濃度Si番茄葉片ΔK<0，絕對(duì)值比H處理下降了106.8 %，中等和低濃度Si比H下降了92.6 %和92.5 %；在低Cd情況下，噴施高低度Si后ΔK<0，絕對(duì)值比L處理下降了133.6 %，高和中濃度Si比H下降了83.7 %和83.6 %。噴施Si以后，抑制了Cd對(duì)番茄葉片PSⅡ供體側(cè)的受損，這可能是由于Cd抑制了植物Mn的吸收[24]，噴施的Si可以提高植物對(duì)Mn的吸收[25]。Mn含量的提高有利于放氧復(fù)合體結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，降低受損程度，從而減輕PSⅡ供體側(cè)的傷害。

圖2 外源Si對(duì)不同鎘含量土壤栽培番茄幼苗葉片相對(duì)可變熒光 ΔVt的影響

圖3 外源Si對(duì)不同鎘濃度土壤栽培番茄葉片初始熒光和最大熒光的影響

由圖3可以看出，H處理，噴施不同濃度Si以后，葉片F(xiàn)o顯著低于未噴施的H處理，噴施高濃度Si和中等濃度Si以后，F(xiàn)o顯著低于CK和HL處理，但相互無(wú)顯著差異。L處理，噴施不同濃度Si以后，葉片F(xiàn)o均顯著低于CK，除LL處理顯著低于L處理外，LH和LM處理與未噴施Si的L處理無(wú)顯著差異。由此可見，噴施高Si和中Si濃度，在高Cd和低Cd濃度處理下Fo無(wú)顯著差異，但噴施低Si濃度處理中，低Cd濃度處理下Fo顯著低于高Cd濃度處理。H處理，噴施Si以后，除HH處理外，其余兩處理與CK和未噴施Si的H處理無(wú)顯著差異。L處理，噴施Si以后Fm與CK無(wú)顯著差異，但均顯著低于未噴Si的L處理，不同Si濃度之間無(wú)顯著差異。噴施高Si和中Si濃度，在高Cd和低Cd濃度處理下Fm無(wú)顯著差異。鎘脅迫下番茄葉片F(xiàn)o顯著增加，可能是Cd使葉片葉綠體呼吸作用加強(qiáng)，一部分QA發(fā)生還原作用，也可能是放氧復(fù)合體遭受破壞或捕光色素復(fù)合體三聚體低聚化，導(dǎo)致反應(yīng)中心部分失活[26]。噴施Si后，能顯著的抑制番茄葉片反應(yīng)中心失活。

圖4 外源Si對(duì)不同鎘濃度土壤栽培番茄幼苗葉片PSⅡ受體側(cè)參數(shù)的影響

圖5 外源Si對(duì)不同鎘濃度土壤栽培番茄幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心能量分配參數(shù)的影響

2.2 對(duì)番茄葉片PSⅡ受體側(cè)的影響

由圖4可知，高Cd條件下，J相相對(duì)可變熒光(VJ)和QA還原速率(MO)顯著高于CK，但與低Cd處理無(wú)顯著差異，噴施Si后VJ和MO有所下降，與CK無(wú)顯著差異；低Cd條件下，與CK無(wú)顯著差異，噴施Si后VJ和MO有所下降，但與CK和L處理無(wú)顯著差異。高Cd條件下，電子傳遞到電子傳遞鏈Q(jìng)A-下游的電子的概率(ψo(hù))和用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(φEo)顯著低于CK和L處理，噴施Si后ψo(hù)和φEo有所上升，與CK無(wú)顯著差異；低Cd條件下，ψo(hù)和φEo與CK無(wú)顯著差異，噴施Si后ψo(hù)和φEo有所上升，但與CK和L處理無(wú)顯著差異。

高Cd脅迫下，番茄葉片VJ和MO升高，但是ψo(hù)和φEo降低，說(shuō)明Cd脅迫下電子傳遞受到抑制。這有可能番茄葉片在鎘脅迫下導(dǎo)致葉綠體內(nèi)活性氧含量增加，使PSⅡ反應(yīng)中心的D1蛋白受到影響，損傷光合機(jī)構(gòu)[27]。低Cd脅迫下，以上4個(gè)參數(shù)均與CK無(wú)顯著差異，可見低鎘脅迫下并未對(duì)PSⅡ受體側(cè)電子傳遞產(chǎn)生影響。噴施Si以后，可能是由于Si具有降低植物體內(nèi)活性氧的能力[28]，對(duì)于高鎘脅迫下的番茄葉片的PSⅡ受體側(cè)具有緩解作用。

2.3 對(duì)番茄葉片PSⅡ反應(yīng)中心能量分配和光合性能指標(biāo)的影響

由圖5顯示，在高Cd脅迫下，單位有活性反應(yīng)中心吸收的光能(ABS/RC)、捕獲的光能(TRo/RC)和熱耗散的光能(DIo/RC)顯著增加，用于電子傳遞的能量(ETo/RC)減小。低Cd栽培下，以上4個(gè)指標(biāo)與對(duì)照無(wú)顯著差異。ABS/RC與天線色素的大小有關(guān)，該值增加時(shí)，說(shuō)明天線色素尺寸增大[26]，加之TRo/RC增高，說(shuō)明番茄葉片天線色素吸收和捕獲的光能增加，但葉片用于電子傳遞的能量減少，可能是電子傳遞受阻，只能增加熱耗散，釋放多余的能量。高Cd脅迫下，噴施不同濃度Si，能顯著降低ABS/RC、TRo/RC及DIo/RC，提高ETo/RC，并于CK無(wú)顯著差異，不用Si濃度處理之間無(wú)顯著差異。低Cd脅迫下，噴施不同濃度Si能顯著降低ABS/RC、TRo/RC及ETo/RC，Si濃度越低，降低的越多。

由圖6顯示，高Cd和低Cd脅迫下，最大光化學(xué)效率(φPO)、光合反應(yīng)中心數(shù)目(RC/ABS)及以吸收光能為基礎(chǔ)的光合性能指數(shù)(PIabs)均顯著低于CK，且高Cd處理以上參數(shù)均顯著低于低Cd處理。噴施Si后，高Cd處理以上參數(shù)均顯著上升，與CK無(wú)顯著差異，低Cd處理，噴施后，以上參數(shù)與高Cd處理情況一樣，均上升。其中RC/ABS，Si濃度越低，上升越高，LL顯著高于CK，其余2參數(shù)的LL處理與CK無(wú)顯著差異。

高Cd脅迫引起葉片單位反應(yīng)中心吸收的光能和捕獲的光能增加，而用于電子傳遞的光能減少，同時(shí)結(jié)合快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線K相的出現(xiàn)，進(jìn)一步說(shuō)明電子在QA處的大量積累。噴施Si后，促進(jìn)QA向QB的電子傳遞，使得ψo(hù)和φEo增加。

光合性能指數(shù)(PIabs)能更好地反映脅迫對(duì)光合機(jī)構(gòu)的影響[29]。本研究表明，高Cd脅迫下噴施Si后減少了ABS/RC，而PIabs顯著增加，并且提高了光合反應(yīng)中心數(shù)目(RC/ABS)，從而緩解Cd對(duì)番茄葉片的傷害。

圖6 外源Si對(duì)不同鎘濃度土壤栽培番茄幼苗葉片光合性能參數(shù)的影響

表2 外源Si對(duì)不同鎘濃度土壤栽培番茄幼苗葉片光響應(yīng)熒光參數(shù)的影響

2.4 對(duì)番茄葉片強(qiáng)光耐受力的影響

通過(guò)熒光響應(yīng)曲線的測(cè)量，進(jìn)行光響應(yīng)曲線的擬合得到快速光曲線的初始斜率(α)、最大電子傳遞速率(ETRmax)及最小飽和光強(qiáng)(IK)。α反映光能利用效率，ETRmax和IK反映樣品對(duì)強(qiáng)光的耐受能力[30]。高Cd(H)和低Cd(L)處理下，番茄葉片PSII的ETRmax和IK與對(duì)照無(wú)顯著差異，但噴施不同濃度Si溶液后，均顯著的增高，不同Si濃度處理之間無(wú)顯著差異。PSI的ETRmax和IK與同樣與對(duì)照無(wú)顯著差異，高Cd(H)處理下噴施中等濃度Si溶液(HM)能顯著的增加番茄葉片ETRmax和IK；低Cd(L)處理下噴施低濃度Si溶液(LL)能顯著的增加番茄葉片ETRmax和IK。從熒光響應(yīng)曲線這個(gè)角度看，高Cd(H)和低Cd(L)處理下，是否噴施Si溶液對(duì)番茄葉片光能利用效率(α)無(wú)顯著影響。

噴施Si能提高番茄葉片內(nèi)的兩個(gè)光系統(tǒng)的最大電子傳遞速率，可能降低了由于供體側(cè)限制引起的PSI處非光化學(xué)能量耗散的量子產(chǎn)量，PSI具有接受更多的電子在供體側(cè)用于光合作用電子傳遞的能力，從而引起葉片的PSI和PSII的最小飽和光強(qiáng)(IK)增大[18]。此外，PSⅡ和PSI的最大電子傳遞速率的提升，更多的光能用于電子鏈中的電子傳遞，為葉片暗反應(yīng)提供更多的能量，從而抑制了Cd對(duì)番茄葉片光合中心的損壞(表2)。

3 結(jié) 論

(1)在不同Cd濃度土壤栽培的番茄，番茄葉片PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)受到破壞，向下游提供電子的能力減弱，阻礙光合電子傳遞，最終引起葉片光合性能下降，濃度越高對(duì)番茄的光合性能指標(biāo)由抑制作用越強(qiáng)。

(2)噴施2.5～7.5 mmol/L濃度的Si以后，能減輕Cd對(duì)番茄葉片PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)的傷害、抑制光合反應(yīng)中心失活，降低熱耗散，增加用于電子傳遞的能量，增加光合反應(yīng)中心數(shù)目，最終提高不同Cd濃度栽培中番茄葉片的光合性能指標(biāo)，但本次試驗(yàn)中的不同濃度的Si溶液無(wú)顯著差異。