宛氏擬青霉提取物對淹水脅迫下玉米葉片葉綠素熒光動力學參數的影響

邢玉美，萬云婷，劉延龍，王鵬飛，范 震，趙有欣，田曉飛

（聊城大學 地理與環境學院，山東 聊城252059）

0 引 言

【研究意義】玉米是我國重要的糧食作物，但其生長過程中容易因連續的季節性強降雨使根系處于水分飽和狀態，產生淹水脅迫[1]。在玉米各個生育期遭受不同程度的淹水脅迫，均會影響玉米產量的形成[2]。采取適當的農業管理策略來減輕淹水脅迫對玉米生長造成的不利影響，對保障我國糧食安全生產和農業可持續發展十分重要?！狙芯窟M展】光誘導動力學（OJIP）曲線能夠反映葉綠體膜上的蛋白復合體PSII的光反應過程變化[3]，通過分析OJIP 曲線中O、J、I、P 等相點的熒光特征，可以評估其電子傳遞過程中的量子效率等信息，分析植物對非生物脅迫響應機制[4]。淹水脅迫會導致植物根系周圍的含氧量降低，根系呼吸受阻，葉片類囊體膜結構以及PSⅡ反應中心受到破壞，最終導致葉片PSⅡ系統的綜合性能指數和光合速率下降[5]，阻礙作物正常生長。因此，利用OJIP曲線可以較好地探明玉米葉片光合系統對淹水脅迫的響應機制。

生物刺激素能夠有效提高植物對非生物脅迫適應能力[6]，痕量濃度的生物刺激素就能夠提高作物根系SOD、CAT 和POD 活性，緩解淹水、低溫等逆境對葉片類囊體膜和光合系統的破壞，增強作物對環境的耐受性[7]?！厩腥朦c】宛氏擬青霉提取物是一類分離自野生沙棘根系的新型生物刺激素，痕量濃度下就可以有效提高作物對低溫、鹽脅迫等逆境的耐受能力[6,8]，但是利用快速葉綠素熒光誘導動力學技術，探究宛氏擬青霉提取物對（PVE）玉米幼苗應對淹水脅迫后的機制鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】因此，本研究通過模擬淹水脅迫環境，研究葉面噴施PVE對解除淹水脅迫后玉米幼苗生長的恢復效果和葉片快速葉綠素熒光誘導動力學特性的影響，以期探明PVE 緩解玉米幼苗適應淹水脅迫的機理，為其在農業生產中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試新型生物刺激素來源于野生沙棘根系分離得到的宛氏擬青霉SJ1菌株（保藏號CGMCCNO.10114），將菌種經培養、發酵、浸提、抽濾等步驟后制備而成[9]。宛氏擬青霉菌株的提取物（Paecilomyces variotii，PVE）主要成分為小分子的低聚糖、糖蛋白、多肽、嘧啶核苷和氨基酸等物質，由山東蓬勃生物科技有限公司提供。供試玉米材料為抗性好，耐干旱，耐高溫的鄭單958。供試土壤取自聊城大學環境土壤學教學科研試驗基地，土壤類型為石灰性潮土，其基本理化性質如：有機質量12.5 g/kg，全氮量0.7 g/kg，硝態氮量24.5 mg/kg，銨態氮量6.5 mg/kg，有效磷量17.2 mg/kg，速效鉀量143.5 mg/kg，田間持水率為200 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2020年10—12月在聊城大學環境土壤學實驗室進行，試驗過程中溫度控制在（20±5）℃，光照條件為自然環境。選取籽粒飽滿、大小均勻的玉米種子播種于塑料花盆（上部直徑15 cm，下部直徑10 cm，高15 cm）中，每盆播種1 粒。待長至三葉一心時選擇長勢一致的90 盆玉米苗進行淹水處理。將盆栽玉米苗放在人工設置的水槽內模擬澇害，水槽內水面高于盆內土面4 cm 左右，每2 天換水1 次。分別在持續淹水0、2、4、6 和8 d 后隨機選擇12 盆解除淹水脅迫（分別用W0、W2、W4、W6 和W8 表示），并平均分成葉面噴施清水的對照組和噴施0.05 μg/L PVE 的處理組，噴施時以玉米葉片正反兩面全部潤濕且無成滴液體滴下為宜。為使液滴更好地附著于葉片，清水和PVE 溶液中均加入0.05%的Tween-20黏附劑。解除淹水脅迫后，采用稱質量法保持各處理土壤含水率為田間持水率的75%左右。在解除淹水脅迫后12 h 和60 h 選擇倒二葉測定OJIP 曲線和凈光合速率（Pn）等指標。

1.3 測定項目和方法

采用直尺測定株高，葉片凈光合速率（Pn）和葉綠素快相熒光動力學曲線（OJIP 曲線）及其參數采用LI-6800新一代光合-熒光全自動測量系統（LI-COR，美國）進行測定，測定時每個處理選取3 株長勢相同的玉米幼苗倒二葉進行測定。葉片充分暗適應12 h后測定，OJIP 曲線由1 500 μmol/(m2·s)紅光誘導，測定時間為1 s。根據JIP-test 分析OJIP 熒光誘導曲線[10-11]，計算葉片單位橫截面積能量流參數和反應中心密度等參數，各參數及其意義列于表1 中。

表1 JIP-test 分析OJIP 曲線參數及計算公式Table 1 Parameters used by JIP-test for the analysis of the fluorescence transient OJIP

利用Excel 2010 與SAS 8.5 軟件進行繪圖和數據處理，采用Duncan 法進行差異顯著性檢驗，分析不同處理間的顯著性（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 對玉米幼苗生長的影響

與正常水分處理相比，淹水脅迫降低了玉米幼苗株高（圖1）。隨淹水時間的延長，株高總體呈逐漸下降的趨勢，說明淹水脅迫抑制了玉米幼苗的正常生長。W0+PVE 處理株高最高，較其余處理顯著增加5.9%～16.9%。持續淹水超過4 d 后，相同淹水時間的噴施PVE 處理與噴施清水處理株高差異不顯著，說明葉面噴施PVE 有助于短期淹水脅迫后玉米幼苗恢復生長，但長期淹水脅迫這種緩解效果有限。

圖1 淹水脅迫下葉面噴施PVE 對玉米株高的影響Fig.1 Effect of PVE on the growth of maize under waterlogging

在解除淹水后12 h 和60 h 后，與正常水分管理處理（W0 和W0+PVE）相比，長期淹水脅迫（≥4 d）顯著降低了葉片Pn值（圖2）。與W0 處理相比，W2處理Pn值無明顯變化，但W2+PVE 較W0+PVE 處理Pn值顯著增加了21.1%。持續淹水時間≤4 d 時，各葉面噴施PVE 處理Pn值均顯著高于葉面噴施清水處理；持續淹水≥6 d 時，葉面噴施PVE 和清水處理Pn值基本一致，同樣說明葉面噴施PVE 能夠有效緩解短期淹水脅迫對玉米幼苗生長的抑制作用，但對于遭受長期淹水脅迫的玉米幼苗緩解效果有限。

圖2 淹水脅迫下葉面噴施PVE 玉米葉片凈光合速率Fig.2 Effect of PVE on the net photosynthetic rate of maize under waterlogging

2.2 對玉米幼苗葉片OJIP 曲線的影響

淹水脅迫會導致玉米幼苗葉片OJIP 曲線發生明顯的變化（圖3）。與正常水分管理（W0 和W0+PVE）相比，淹水脅迫增加了在O 相處的初始熒光強度（Fo），但會導致葉片I 相（30 ms）和P 相（最大熒光）熒光值下降。淹水4 d 時，噴施清水和PVE 處理葉片OJIP 曲線總體趨勢一致，但噴施清水處理在J 相熒光值高于PVE 處理，但對P 相熒光值（最大熒光）無明顯差異，說明葉面噴施PVE 緩解了淹水脅迫下葉片PSⅡ受體側QA到QB間的電子傳遞受阻情況。

圖3 葉面噴施PVE玉米葉片OJIP曲線Fig.3 Effect of PVE on the OJIP curve of maize under waterlogging stress

將OJIP 曲線標準化后，正常水分管理下葉面噴施PVE 對ΔK和ΔI無明顯影響，但降低了ΔJ值（圖4），說明噴施PVE 有助于促進QA向QB的電子傳遞，減少了QA-積累。與W0 處理相比，淹水2 d 后的W2處理在30 ms 位點處的葉綠素熒光產量明顯增加，表明淹水會對葉片PSⅡ的供體側造成傷害，降低了向下游提供電子的能力。葉面噴施PVE 明顯緩解了淹水脅迫下ΔK和ΔJ的增高，降低了淹水脅迫對葉片熒光系統造成的損害。

圖4 淹水脅迫下葉面噴施PVE 葉片ΔVtFig.4 Effect of PVE on the ΔVt curve of maize under waterlogging stress

與正常水分處理相比，淹水脅迫提高了玉米幼苗葉片QA-被還原的程度（VJ）（表2），降低了電子傳到電子傳遞鏈中下游的電子受體的概率（Ψo）和用于電子傳遞的量子比率（φEo），最終導致受體側末端電子受體的量子產額（δRo）減少。葉面噴施PVE 緩解了淹水脅迫下VJ的升高和Ψo的降低，但在正常水分處理下葉面噴施清水與PVE處理間各參數差異不顯著。

表2 淹水脅迫下玉米葉片VJ 和量子產額Table 2 Changes of waterlogging stress on the VJ and the yields or flux ratios in leaves of maize

與正常水分管理（W0 和W0+PVE）處理相比，

淹水脅迫減少了玉米幼苗葉片單位橫截面積內反應中心的數量（RC/CSm），單位面積捕獲的光能（TRo/CSm）和單位面積電子傳遞的量子產額（ETo/CSm），但增加了單位面積的熱耗散（DIo/CSm）（表3）。隨著淹水時間的延長，RC/CSm，TRo/CSm和ETo/CSm的下降幅度逐漸增大，并且DIo/CSm的上升幅度呈增大趨勢。說明淹水脅迫會導致葉片用于電子傳遞的能量份額減少，熱耗散增加，導致葉片光合性能指數（PIabs）降低。葉面噴施PVE 處理有效緩解了短期淹水脅迫后（≤4 d）葉片TRo/CSm和ETo/CSm的增加，說明在解除短期淹水脅迫后葉面噴施PVE 能夠緩解葉片用于電子傳遞的能量配額減少，使受阻的電子傳遞恢復，從而提高單位面積上的光能利用率。

表3 淹水脅迫玉米葉片單位橫截面積能量流參數和反應中心密度Table 3 Changes of waterlogging stress on the phenomenological energy fluxes per CS in leaves of maize

3 討論

光合作用能夠為植物生長發育提供物質和能量，但淹水脅迫逆境會使植物體內活性氧自由基大量積累[12]，類囊體膜上的電子傳遞活性和傳遞效率下降，光合機構吸收的光能無法被充分利用，導致葉片葉綠素合成和光合速率受到抑制[13]，阻礙有機物的正常運轉，最終導致植物生長發育緩慢。長期淹水環境下葉片葉綠體結構被破壞，葉綠素量降低[14]，這與試驗過程中觀察到的淹水會導致玉米幼苗葉片逐漸發黃，甚至出現葉片脫落的現象相一致。同時，本研究結果還表明，淹水脅迫顯著抑制了玉米生長（圖1），降低了葉片的凈光合效率（圖2），解除短期淹水脅迫后玉米幼苗能夠恢復正常生長，但長期連續淹水（＞4 d）會導致玉米幼苗倒伏，根系腐爛，即使解除淹水脅迫幼苗難以恢復正常生長。

水楊酸、蕓苔素內酯、褪黑素和PVE 等生物刺激素與植物激素具有相似生理和生物學效應的一類物質，適宜的量可增強作物對非生物脅迫的適應能力[4,8-9]。Clouse 等[15]研究表明蕓苔素內酯參與植物生長發育、管道分化及細胞增殖和凋亡等生理活動，能夠促進細胞伸長、分裂，增強葉片的光合作用。而PVE作為高效且具有高活性的生物刺激素，蕓苔素內酯、腐植酸鈉等常規生物刺激素濃度的1/30 000 左右[8]。本研究結果表明，在解除短期淹水脅迫后葉面噴施PVE 提高了葉片凈光合速率，減輕了淹水脅迫對玉米葉片光合機構和光合性能的破壞，有效緩解了淹水脅迫對玉米生長的抑制作用。

植物快速葉綠素熒光誘導（OJIP）曲線的相關參數可以反映PSⅡ供體側、受體側和PSⅡ反應中心原初光化學反應對外界環境變化的響應[16]。本研究結果表明，淹水脅迫增加了J 相熒光值（圖3），說明淹水脅迫會使QA-大量積累，阻礙了PSⅡ受體側QA向QB的電子傳遞，導致OJIP 曲線中因PS 中供體側放氧復合體受到傷害而出現K 點[17]。將OJIP 曲線標準化后可以更直觀地反映出玉米葉片光合機構及電子傳遞對淹水脅迫的響應（圖4）。與正常水分處理相比，淹水脅迫（W4 和W4+PVE）處理ΔK和ΔJ值均>0，并且W4 處理ΔK和ΔJ值均高于W4+PVE 處理，說明淹水脅迫在破壞玉米葉片供體側放氧復合體的同時還抑制了受體側的電子傳遞[18]，而葉面噴施PVE可有效緩解淹水脅迫下玉米葉片ΔK和ΔJ的增加，能夠對PSⅡ供體側和受體側起到保護作用。王曉琪等[19]則認為，PVE 可以通過提高植物體內過氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性，降低Na+/K+和丙二醛量，從而提高水稻對非生物脅迫（抗鹽、抗低溫）的抗性。

正常條件下，PSⅡ反應中心將捕獲的光能轉化為激發能，大部分激發能用于推動碳同化，多余的激發能以熱耗散的形式損失掉[18]。當植物遭受淹水脅迫時，由于PSⅡ電子供體側、受體側以及電子傳遞鏈的功能受損，導致PSⅡ反應中心能夠吸收的光能不能及時傳遞給電子傳遞鏈[19]。本研究表明，短期淹水（≤2 d）對玉米幼苗葉片PSⅡ并未產生明顯的脅迫反應，但長時間淹水會降低用于電子傳遞的量子產額（φEo）和捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA-的其他電子受體的概率（Ψo）（表2）。此外，淹水脅迫還會減少玉米幼苗葉片單位面積內反應中心的數量（RC/CSm），造成PSⅡ反應中心部分降解或可逆失活，破壞天線色素結構[20-21]，降低單位面積吸收的光能（ABS/CSm）（表3），從而減少了反應中心激發能（TRo/CSm)和還原能（ETo/CSm）。與葉面噴施清水處理相比，葉面噴施PVE 處理緩解了短期淹水脅迫下捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA-的其他電子受體的概率（ψo），改善了葉片PSⅡ受體側的電子傳遞。同時，葉面噴施PVE 提高了玉米葉片單位葉面積的熱耗散（DIo/CSm）（表3），降低了激發能的產生，減少過剩激發能機理對PSⅡ反應中心的傷害。因此，解除短期淹水脅迫后葉面噴施PVE 一方面通過恢復受阻的電子傳遞，提高單位面積上的光能利用率[22]，另一方面通過促進熱耗散途徑減少過剩激發能的積累，防止光合電子傳遞鏈的過度還原[23]，從而促進玉米幼苗快速恢復生長。但是在長期淹水脅迫（＞4 d）下，葉面噴施PVE 并不能完全消除淹水脅迫對葉片光合特性和OJIP 曲線的影響，有關PVE 對淹水后玉米產量和葉片代謝機理的整體調控效應還有待更深入的研究。

4 結論

1）長期淹水脅迫（＞4 d）顯著降低了玉米葉片的光合性能，抑制了玉米幼苗正常生長，甚至導致玉米幼苗的死亡。淹水脅迫增加了初始熒光強度，降低了最大熒光值，在對玉米葉片PSⅡ反應中心供體側放氧復合體造成損害的同時還阻礙受體側造光合電子傳遞，導致單位葉面積吸收的光能、捕獲的光能和電子傳遞的能量降低，從而抑制了玉米幼苗葉片光合機構的正常功能。

2）解除短期淹水脅迫后，葉面噴施PVE 能夠提高葉片凈光合速率，緩解了單位葉面積有活性反應中心數目的減少，使葉片PSⅡ受體側受阻的電子傳遞恢復，并維持相對較高的熱耗散能力，有助于玉米幼苗快速恢復生長，但葉面噴施PVE 并不能完全消除長期淹水脅迫對玉米生長造成的影響。