葉面噴施酵母對植物光合作用的影響

高 靜,劉阿萍，陳 瑩，王根軒，彭 亮，胡本祥

(1.陜西中醫藥大學 藥學院，陜西省秦嶺中草藥應用開發工程技術研究中心，陜西 咸陽 712000；2.浙江大學 生命科學學院，浙江 杭州 310029)

由于全球變暖，干旱頻發，導致每年全球作物產量減少65%，在許多發展中國家甚至超過80%[1]。為了提高植物抗旱性，相應的節水技術應運而生，其中利用生物技術提高水資源利用率的研究項目因為具有高產、環保、低碳等優點，受到了廣泛關注[2]。生物節水技術可以通過培育抗旱節水新品種，利用有益生微生物復合菌肥等手段在分子遺傳和生理水平上進行調控。

有益生微生物復合菌肥包括對植物生長和健康具有重要作用的真菌、細菌和放線菌，植物葉片構成了最大的陸地微生物棲息地之一[3]，同時氣孔作為葉片上重要的器官，直接影響植物蒸騰作用[4]。越來越多的學者關注到通過不同方式調節氣孔開度和改善葉面微環境可以提高作物抗旱性[5]。有研究表明噴施代謝型抗蒸騰劑后，可以適當降低氣孔開度，從而提高植物水分利用效率[5,6]。通過噴施葉面肥可以改善植物的光合作用能力，提高其水分利用率，從而增強抗旱能力[7]。釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)作為一種附生真菌，是一種植物天然的生長促生劑，研究表明，釀酒酵母可以誘導氣孔關閉，提高水稻水分利用效率，但其對其余植物光合作用的影響尚不清楚[8]。筆者研究以蠶豆(ViciafabaL.)、番茄(Lycopersicumesculentum)和水稻(OryzasativaL.)作為試驗材料，探討葉面噴施酵母對不同植物光合作用和水分利用效率的影響，以期為作物抗旱節水技術提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為蠶豆“大青皮”、秈稻 “汕優63”、番茄“粉冠一號”和釀酒酵母BY4741菌株。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料培養 蠶豆和番茄種子用75%酒精消毒30 min后用清水沖洗干凈，在水中浸泡4 d，然后播種在培養土(蛭石：珍珠巖：營養土為1:1:1)中。每天澆適量的水，保持土壤濕潤。

將水稻種子用0.1% 的HgCl2溶液消毒20 min，用清水沖洗干凈，將種子用浸濕的紗布包裹放在燒杯中黑暗30℃條件下泡至種子露白，再轉移到水稻全營養液中，待水稻長到5片葉子時，將其轉移到水稻土中繼續種植。每天澆水，無任何脅迫處理。

釀酒酵母BY4741用YPD培養基在30℃、200 r·min-1的搖床中過夜培養后3 000 r·min-1離心10 min，棄掉上清液，用蒸餾水將酵母孢子重懸至1×109CFU·mL-1，用血球計數板進行計數。

1.2.2 試驗處理 選取5周齡的蠶豆和番茄以及分蘗期的水稻，分別噴施水、1×103、1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母，葉片正反面噴施均勻，以有水滴滴下為限。處理7 d后測定光合作用相關參數。

1.3 項目測定

采用美國CID公司產CI-340便攜式全自動光合作用儀進行測定。測定指標為凈光合作用速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。內在水分利用效率(WUEi)的計算公式為Pn/Gs。水分利用效率(WUE)的計算公式為Pn/Tr。測定時選擇生長良好植株上部的成熟健康葉片，每株 3 片葉，每片 3次取值，每個處理重復3株，測定時間為10:00-14:00之間。

1.4 數據處理

獲得的數據用SPSS 13.0 (SPSS, Chicago, USA)進行Tukey HSD檢驗，凡P<0.05的視為顯著，P<0.01的視為極顯著。采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果

2.1 酵母對植物凈光合速率(Pn)的影響

如表1所示，葉面噴施不同濃度的酵母后，與對照組相比，均導致蠶豆的Pn下降，隨著酵母濃度的升高，Pn值越小。1×103CFU·mL-1酵母處理后使番茄和水稻的Pn有所增加，但并不顯著(P>0.05)。葉面噴施1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母后，番茄和水稻的Pn低于對照，其中1×107CFU·mL-1酵母使番茄和水稻的Pn最低。

表1 外源噴施酵母對三種植物凈光合速率(Pn)的影響 (μmol·m-2·s-1)

2.2 酵母對植物蒸騰速率(Tr)的影響

如表2所示，1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母使蠶豆的Tr均低于對照組，噴施酵母濃度越高，蠶豆的Tr越低。1×107和1×109CFU·mL-1酵母使番茄的Tr有所下降，其中1×107CFU·mL-1酵母處理組的效果最顯著。葉面噴施1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母后，水稻的Tr均比對照降低，3個濃度酵母處理組之間無顯著性差異(P>0.05)。

表2 外源噴施酵母對三種植物蒸騰速率(Tr)的影響 (mmol·m-2·s-1)

2.3 酵母對植物內在水分利用效率(WUEi)的影響

如表3所示，與對照相比，1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母使蠶豆的WUEi有不同程度的升高，三個濃度酵母處理組之間無顯著差異(P>0.05)。1×105和1×107CFU·mL-1酵母使番茄的WUEi均比對照升高，其中1×105CFU·mL-1酵母的效果最顯著。1×107和1×109CFU·mL-1酵母使水稻WUEi顯著高于對照組(P<0.05)，其中1×109CFU·mL-1水稻的效果最顯著。

表3 外源噴施酵母對三種植物內在水分利用(WUEi；Pn/Gs)的影響

2.4 酵母對植物水分利用效率(WUE)的影響

如表4所示，與對照組相比，1×107和1×109CFU·mL-1酵母使蠶豆的WUE有不同程度的升高(P<0.05)。葉面噴施酵母對番茄的WUE與對照組相比差異不大(P>0.05)。1×103和1×105CFU·mL-1酵母處理后，水稻WUE均顯著高于其它處理(P<0.05)。

表4 外源噴施酵母對三種植物水分利用(WUE；Pn/Tr)的影響 (mmol·mmol-1)

2.5 光合作用參數與氣孔導度(Gs)的關系

由圖1可知，Gs與Pn具有顯著的相關關系，多元回歸分析表明：隨著Gs的增加，植物攝入CO2的量增加，Pn的值持續增加，最后趨于平緩。由圖2可知，Gs直接影響Tr的大小，兩者呈顯著的線性相關關系，Tr 隨著Gs的增加而增加。圖3表明，在一定的Gs范圍內，三種植物的WUE隨著Gs的增加緩慢上升至最大值，而后隨著Gs的繼續升高而出現降低的趨勢。

A：蠶豆Vicia faba L；B：番茄Lycopersicum esculentum；C：水稻Oryza sativa L. The same below.

3 討論與結論

氣孔是葉片上控制著植物與外界環境水分和氣體的交換的重要通道，它的開閉受到濕度、溫度、CO2濃度和光質等多方面的影響[7～10]。葉面噴施酵母后，顯著降低了3種植物的Pn、Tr和Gs，這可能與酵母能誘導氣孔關閉有關，酵母攜帶有寡聚糖等真菌激發子類物質，這類物質可以使氣孔開度降低，從而降低Gs，減少蒸騰失水，同時降低用于光合作用的原料CO2的濃度，導致Pn降低[8～12]。

筆者研究中，酵母提高了蠶豆、番茄和水稻葉片水平水分利用效率WUEi和WUE，這可能是由于Gs與Tr呈線性相關，隨著Gs的下降，Pn下降的速度比Tr小，導致水分利用效率升高，有利于植物貯存水分應對逆境環境[13,14]。雖然酵母使得蠶豆、番茄和水稻的WUEi和WUE不同程度上升，但是對于不同植物，酵母提高植物水分利用效率的最佳濃度不一樣。這可能是由于一方面植物的生活型和功能型不一樣，蠶豆屬于豆科(Leguminosae)，番茄是茄科(Solanaceae)，水稻是禾本科(Gramineae)，三者都屬于草本植物。有研究表明禾本科植物的水分利用效率都高于其余非禾本科植物，而固氮能力強的豆科植物的光合速率和水分利用效率又比非豆科植物的要高[13-15]。另一方面，蠶豆和番茄同屬于雙子葉植物，保衛細胞呈腎形，水稻屬于禾本科植物，保衛細胞呈啞鈴型，不同植物的氣孔構型不同，葉片構造不同都有可能導致對微生物的敏感性也不同[15-17]。

植物WUE是其適應逆境環境的關鍵因子之一，土壤水分、養分、溫度、植物生活型等都可影響WUE的大小。在一定條件下，提高WUE可以改善植物抗旱性[13]。通過葉面噴施抗蒸騰劑來改善氣孔阻力，使植物在節約用水和CO2同化之間進行權衡，可以控制植物合理的Gs值，從而獲取較高的WUE[13,14]。有研究表明葉面噴施殼聚糖后可以通過提高植物體內脫落酸(ABA)的含量，導致氣孔適度關閉，提高WUE[18]。在本研究中，噴施一定濃度酵母處理后，可能通過真菌激發子類物質作用于氣孔，使氣孔孔徑減小，而顯著提高WUE。因此，酵母可以通過調節氣孔運動，控制植物蒸騰失水和CO2吸入，在一定濃度下它作為一種有效的抗蒸騰劑，有利于植物應對干旱環境。