外源乙酸對‘玫瑰香’葡萄非生物脅迫抗性的影響

郗慧茹，張一凡，張世昊，王京華，姚玉新*

（山東農業大學園藝科學與工程學院，山東泰安 271018）

干旱、鹽堿等非生物脅迫是限制葡萄生產的主要因素，嚴重影響了葡萄的產量和品質。干旱脅迫下植物體內發生各種生理生化反應，使植物組織生理失水、光合受阻、呼吸紊亂、代謝異常、功能和結構蛋白變性，直至衰亡[1]。鹽脅迫主要通過滲透脅迫和離子毒害對植株造成傷害[2]，使植物根系滲透勢降低，水分吸收能力下降，葉綠體受損，光合作用減弱，進而抑制植株生長[3]。堿性鹽對植物造成的危害要比中性鹽更大，這是由于堿性鹽不僅導致滲透脅迫和離子毒害，而且還產生pH脅迫，使得植物細胞內離子失衡，膜系統損害[4-5]。

乙酸（Acetic acid，AC），又名醋酸、冰醋酸，是一種簡單的化合物，參與植物的基本代謝，如脂肪酸生物合成。在鹽脅迫條件下，葡萄根系會分泌多種有機酸來改變其生長環境，以抵御脅迫帶來的不良影響，包括乙酸[6-7]。乙酸等酸性物質能夠改變鹽堿土壤的理化性狀，降低土壤pH[8-10]，為植物正常生長提供良好的理化條件。研究發現，低濃度乙酸可以減少一些作物的水分損失，如擬南芥、油菜、玉米、水稻和小麥等[11-12]。本研究主要評價外源乙酸處理對葡萄干旱、NaCl和NaHCO3脅迫抗性的影響，為維持干旱和鹽堿條件下的葡萄正常生長提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及處理

以‘玫瑰香’葡萄為試材，定植于直徑17 cm、高25 cm的花盆中，每盆1株，基質比例為土∶沙∶基質＝1∶1∶1，期間進行正常水肥管理。待植株生長至8～10片葉時，選用長勢一致的盆栽苗先用AC進行預處理，具體試驗方案見表1。除干旱為田間自然干旱外，其余處理于每天下午進行，將土壤澆至飽和。待有輕微表型時，即干旱、NaCl、NaHCO3處理分別于第8、10、13天取樣，測定生理指標，每個處理取6株，余下的植株進行后續表型觀察及拍照，不再進行處理。乙酸處理濃度為15 mmol·L-1；NaCl處理濃度為100 mmol·L-1；NaHCO3處理濃度為100 mmol·L-1，處理7 d后，改用150 mmol·L-1處理3 d，再用200 mmol·L-1處理3 d。每個處理3個重復，每個重復包含3株葡萄苗。

表1 試驗處理具體流程Table 1 Specific process of test treatment

1.2 測定項目及測定方法

選取植株中部健壯葉片和幼嫩根系，清洗干凈后用濾紙小心吸干表面的水分，參照趙世杰等[13]的方法立刻用于生理指標的測定。根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定，電導率采用電導法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，葉綠素（Chl）含量采用分光光度法進行測定。

選擇晴朗天氣于取樣前1～2 d，使用CIRAS-3光合作用儀（PP-Systems，美國）測定凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）。

選擇晴朗天氣于取樣前1～2 d利用上午時間使用FMS-2型熒光儀（Hansatech，英國）測定葉綠素熒光參數，包括最大熒光（Fm）、光下最大熒光（Fm'）、最小熒光（Fo）、光下最小熒光（Fo'）、穩態熒光（Fs）、表觀電子傳遞速率（ETR）。計算求得：可變熒光（Fv-Fm-Fo）、光化學猝滅系數[qP=(Fm'-Fs)/(Fm'-Fo')]、PSII電子傳遞量子效率[ΦPSII=(Fm'-Fs)/Fm']、PSII最大光化學效率[Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm]、PSII潛在光化學效率（Fv/Fo）。

1.3 數據處理與統計分析

用Microsoft Excel 2010進行數據統計與整理，使用SPSS軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 乙酸預處理提高了葡萄非生物脅迫抗性

與對照相比，干旱處理后，葡萄葉片萎蔫，頂部幼葉干枯；NaCl處理后導致葡萄葉片，尤其是上部葉片萎蔫、失綠和部分脫落；NaHCO3處理后觀察到葡萄葉片、尤其是下部葉片變黃和脫落；表明3種脅迫均對葡萄產生較大傷害。相比之下，表型觀測表明乙酸預處理降低了脅迫傷害程度（圖1）。

圖1 不同處理條件下的葡萄表型Figure 1 Grapevine phenotypes under different treatments

2.1.1 乙酸預處理對根系活力和電導率的影響

由圖2可知，與對照（CK1、CK2、CK3）相比，干旱、NaCl、NaHCO3三種脅迫下，‘玫瑰香’葡萄根系活力分別降低了72%、53%、66%，而經過乙酸預處理的葡萄植株根系活力僅降低了43%、27%、45%。以上數據表明，外源乙酸處理后，能夠顯著提高‘玫瑰香’葡萄植株對非生物脅迫的抵抗力。干旱、NaCl、NaHCO3三種脅迫下，‘玫瑰香’葡萄電導率與對照相比差異明顯，分別升高了2.27、0.64、2.10倍，經過乙酸預處理的葡萄植株根系電導率僅升高了0.82、0.27、0.62倍，顯著減緩了上升趨勢，以上數據表明，外源乙酸處理能夠顯著緩解胞內物質外滲，從而提高葡萄植株對非生物脅迫的抵抗力。

圖2 不同處理條件下葡萄根系活力和電導率的變化Figure 2 Changes of root activity and electrical conductivity of grape under different treatment conditions

2.1.2 乙酸預處理后不同脅迫對丙二醛的影響

與對照相比，在干旱、NaCl、NaHCO3三種脅迫下‘玫瑰香’葡萄葉片MDA分別升高了14%、113%、43%；根系MDA升高了63%、114%、136%。而經過乙酸預處理的干旱脅迫下葡萄葉片MDA降低5%，經乙酸預處理的NaCl、NaHCO3脅迫下葡萄葉片MDA僅提高了58%、14%；根系僅提高了43%、11%、66%（表2）。MDA是膜脂過氧化產物，體現了細胞膜受損程度。這些數據表明，外源乙酸處理后，能夠顯著的減緩細胞膜受損，從而提高葡萄植株對非生物脅迫的抵抗力。

表2 不同處理條件下葡萄丙二醛含量的變化Table 2 Changes of malondialdehyde content in grapevine under different treatment conditions

2.2 乙酸預處理對不同脅迫下葉片光合能力的影響

由圖3 得知，與對照相比，干旱、N a C l 和NaHCO3三種脅迫處理使得葉綠素含量分別下降64%、54%、74%，大幅度降低了葡萄葉片的葉綠素含量，進而影響葉片光合能力；相比之下，乙酸預處理后上述變化分別為10%、17%、43%，緩解了葉綠素含量的下降趨勢，從而維持了正常生理生化活動。

圖3 不同處理條件下葡萄葉片葉綠素含量Figure 3 Chlorophyll content of grape leaves under different treatments

由表3可以看出，干旱、NaCl和NaHCO3三種脅迫處理均大幅度降低了Pn、Tr和Gs。3種脅迫處理‘玫瑰香’葡萄葉片凈光合速率僅為對照的2%、13%和10%；蒸騰速率僅為對照的5%、20%、8%；氣孔導度僅為對照的3%、15%、5%。相比之下，乙酸預處理后，以上數值為39%、43%、43%；60%、35%、42%；50%、29%、26%，顯著緩解了以上3個光合參數在脅迫條件下的下降。同時，3種脅迫處理不同程度提高了Ci參數，分別提高了82%、39%、207%；但是乙酸預處理降低了Ci的上升幅度，分別上升35%、10%、128%。以上結果表明，乙酸預處理有助于維持脅迫條件下葉綠素水平和光合能力。

表3 不同脅迫處理下光合參數的變化Table 3 Changes in photosynthetic parameters under different treatments

2.3 乙酸預處理對不同脅迫條件下葉片葉綠素熒光參數的影響

由表4可以看出，‘玫瑰香’葡萄葉片的Fv/Fm、Fv'/Fm'和ΦPSII在不同脅迫處理后的變化趨勢相似，均呈現顯著降低。在干旱脅迫下，3個參數分別降低了22%、23%、24%；NaCl脅迫下，3個參數分別降低了17%、24%、21%；NaHCO3脅迫下，3個參數分別降低了18%、37%、28%。相比之下，乙酸預處理后，上述數據變為12%、11%、8%；4%、9%、11%；5%、15%、10%，顯著緩解了以上數值的下降，有效減輕了非生物脅迫對‘玫瑰香’葡萄光合能力的傷害。

表4 不同處理條件下葡萄葉片葉綠素熒光參數Table 4 Chlorophyll fluorescence parameters of grape leaves under different treatment conditions

3 討論與結論

乙酸是一種可在植物體內合成的小分子化合物，有關其調節葡萄非生物脅迫耐受性方面的研究非常有限。已有研究表明，外源乙酸可以觸發從糖酵解到乙酸合成的動態代謝流轉換，通過促進茉莉酸的合成和組蛋白H4乙酰化的富集，最終提高擬南芥、油菜、小麥等作物的干旱脅迫耐受性[11]。鹽脅迫下，乙酸鹽處理后扁豆幼苗的鮮質量和干質量顯著高于對照，減少了氧化和膜損傷，并降低幼苗體內Na+的積累[14]。乙酸還可通過調節K+、Na+平衡、促進活性氧清除、激活抗逆激素合成和信號轉導等途徑緩解鹽脅迫[15]。堿性鹽脅迫下，葡萄砧木品種‘A15’中草酸鹽、琥珀酸鹽和乙酸鹽的合成顯著增加[16]；而在‘AB11’葡萄品種中只有乙酸鹽顯著增加，因此，乙酸可能在葡萄非生物脅迫中起著重要作用[17]。還有研究發現，乙酸通過促進水楊酸合成來增強葡萄對NaHCO3的耐受性[17]。以上研究表明，乙酸通過修飾不同的信號通路來調節不同非生物脅迫條件下的耐受性。本研究通過分析根活、電導率、丙二醛、葉綠素和葉綠素參數等生理指標，進一步揭示了乙酸預處理可以提高葡萄非生物脅迫的耐受性。

當非生物脅迫發生時，根系最先受到感應，表現為根系細胞膜通透性增大，細胞活性降低，幼嫩根系生長受阻，老根發生褐化，吸收能力逐漸變弱[18-19]。為應對脅迫，根系會在形態結構和生理生化層面做出相應的調整[20]，同時導致細胞膜的選擇透性發生改變甚至喪失，造成胞內物質滲出，組織浸出液電導率增加[21-24]。MDA是膜脂過氧化產物，當其含量增大到一定程度時能夠給細胞膜帶來損傷[25]。

葉綠素是影響光合作用速率的主要因素，其與植物葉片光合能力密切相關，是衡量植物脅迫耐受性的重要生理指標之一[26-27]。當干旱、鹽堿等非生物脅迫發生時，會造成葉綠體質膜溶解、類囊體解體和片層紊亂等現象[28-29]。本研究結果與前人的結果一致，經過乙酸預處理后，葡萄植株表型的受損程度得到了明顯緩解，降低了植株萎蔫、黃化及葉片脫落的程度；從生理指標來看，在干旱脅迫下，根系活力和葉綠素含量比對照下降72%和64%，根系電導率和MDA增加2.27倍和63%；而乙酸預處理后，以上指標變化幅度分別為43%、10%、0.82倍和43%。

綜上所述，外源乙酸處理后，能顯著提高葡萄的耐旱、耐NaCl和NaHCO3的能力，維持葡萄植株的正常生理代謝和系統平衡。然而對于乙酸提高葡萄非生物脅迫的生理生化作用機制和信號傳導途徑有待進一步研究。