外施腐胺對鉛脅迫下水稻幼苗生長及葉綠素熒光的影響

摘要：為了研究葉面噴施腐胺對鉛脅迫下水稻幼苗生長及葉綠素熒光的影響，探討腐胺緩解水稻鉛脅迫傷害的生理機制，采用0、0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/L腐胺預處理水稻，對100 μmol/L Pb脅迫下水稻幼苗生長指標、SPAD值、快速熒光誘導動力學曲線（OJIP曲線）、葉綠素熒光參數和圖像進行測定。結果表明，外施腐胺能緩解鉛脅迫下水稻幼苗受到的生長抑制，提高鉛脅迫下水稻幼苗SPAD值、PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）、潛在光化學效率（Fv/Fo）、性能指數（PIABS）、捕獲的激子將電子傳遞到QA其他電子受體的概率（ψo）、電子傳遞的量子產額（φEo）和吸收的光能被反應中心捕獲的量子產額（φPo），降低初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、K點可變熒光占J點可變熒光的比例（Wk）、OJIP熒光誘導曲線初始斜率（Mo）、J點相對可變熒光（Vj）、熱散失的量子效率（φDo）、比活性參數（ABS/RC、TRo/RC，DIo/RC和ETo/RC）。其中，2.0 mmol/L腐胺處理組最有效。總體來看，外施腐胺通過改善鉛脅迫下水稻幼苗光系統Ⅱ（PSⅡ）供體側和受體側的電子傳遞、保護PSⅡ反應中心、維持類囊體膜的穩定性，進而增強水稻幼苗對鉛的耐受性。

關鍵詞：水稻；外源腐胺；鉛脅迫；生長指標；SPAD值；葉綠素熒光參數；OJIP曲線

中圖分類號：S511.01" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）04-0085-07

收稿日期：2023-04-03

基金項目：國家自然科學基金（編號：31270369）；遼寧省教育廳項目（編號：LZD202004、LJKZ0991）；遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目（編號：202306036）。

作者簡介：王銀茹（2002—），女，遼寧本溪人，研究方向為生物科學。E-mail：2245289608@qq.com。

通信作者：李雪梅，博士，教授，研究方向為植物逆境生理，E-mail：lxmls132@163.com；劉宏鑫，碩士，助理研究員，研究方向為教育管理，E-mail：synu-lhx@163.com。

20世紀以來，我國人口數量的不斷增長及工業進程的發展，使得鉛在空氣、水和土壤中廣泛存在，對作物的生長發育產生了嚴重的影響［1］。鉛污染影響植物光合系統和葉綠素的合成，破壞植物細胞膜和葉綠體的結構，使植物光合作用減弱，干擾細胞的正常代謝過程［2-3］。水稻是我國三大糧食作物之一，在鉛污染下，生長發育受到了阻滯，產量與品質的提高受到了影響。多胺是廣泛存在于生物體中的一類具有生物活性的低分子量脂肪族含氮堿，常見的有二胺腐胺、三胺亞精胺和四胺精胺。在這些化合物中，腐胺是合成其他多胺的前體，是植物體內多胺合成途徑的中心物質［4］。多胺通過促進蛋白質的加工、清除活性氧自由基、增強生物膜的穩定性、調節多種酶活性、調節電化學梯度等，參與植物體內多種生理代謝過程，進而提高植物對非生物脅迫的防御反應［5］。

近年來，大量的研究結果證實，外施多胺可有效緩解鹽堿、低溫、高溫、干旱等逆境脅迫對植物葉綠素熒光的影響。外源亞精胺有效保護PSⅡ活性和電子傳遞鏈的穩定性，提高光合性能，進而增強水稻抗鹽性以及黃瓜耐熱性［6-7］。曹玉杰等研究發現，外源多胺能緩解低溫脅迫對黃瓜PSⅡ的傷害，改善原初光能轉換效率［8］。外源腐胺能緩解干旱脅迫對蘋果光合系統的傷害，延緩葉綠素含量的下降，提高蘋果幼苗的抗旱性［9］。

目前，外施多胺對脅迫下水稻的影響機理研究日趨深入，但已有研究大多以滲透脅迫為主［10-11］，而對鉛脅迫的相應研究缺乏系統報道。本研究主要從葉綠素熒光入手，分析葉面噴施腐胺對鉛脅迫下水稻幼苗PSⅡ的影響，揭示外源腐胺緩解水稻鉛脅迫的生理機制，并篩選出適宜的腐胺濃度，以期為進一步研究和利用腐胺提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料培養

試驗于2021年6月在沈陽師范大學生命科學學院進行。采用抗逆性強、適應性廣的遼星1號水稻（Oryza sativa L.）為試材。將水稻種子經水漂、消毒（1%次氯酸鈉浸泡20 min）、無菌水沖洗后，選擇飽滿的水稻種子，置于28 ℃恒溫培養箱內浸種 48 h。再用濕潤的紗布包裹，置于30 ℃培養箱中避光催芽24 h。將露白的種子鋪在裝有Hoagland完全營養液的塑料燒杯的紗網上，在人工氣候培養箱內培養，設置晝夜溫度28 ℃/26 ℃、光照時長16 h、相對濕度80%、光照度10 000 lx。

1.2 處理方法

水稻幼苗生長到1葉1心期時，對幼苗進行葉面噴施腐胺處理（表1），以噴施蒸餾水為對照（CK），每個處理3次重復。葉面、葉背噴灑均勻，噴至葉面全部濕潤但不下滴為度。腐胺噴施1 d后，換用含 100 μmol/L Pb（NO3）2的Hoagland完全培養液。CK組不進行鉛脅迫。

1.3 測定方法

在鉛脅迫5天時測定水稻幼苗生長參數、葉片葉綠素含量相對值（SPAD值）、葉綠素熒光參數和圖像等指標。

1.3.1 生長參數的測定 隨機選取10株水稻幼苗，測量水稻株高和根長；將水稻幼苗的地上和地下部分分開，分別測定地上部及地下部鮮質量。

1.3.2 葉綠素含量相對值的測定 隨機選取6株水稻幼苗，使用葉綠素測定儀（SPAD-502 Plus）測定葉綠素含量相對值（以SPAD值計）。

1.3.3 葉綠素熒光參數和圖像測定 隨機選取3株水稻，對其進行30 min暗處理，采用連續式植物效能分析熒光儀，測定并繪制快速熒光誘導動力學曲線（OJIP曲線），進行參數分析。用FluorCam開放式葉綠素熒光成像系統測定，選取水稻幼苗生長點下完全展開的第2張葉片，暗處理20 min后進行激發拍攝，得到Fo和Fv/Fm的圖像。

1.4 統計分析

采用Microsoft Excel進行數據處理并做圖，采用SPSS 22.0數據分析軟件進行單因素方差分析，采用LSD法進行參數間差異顯著性檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 外施腐胺對鉛脅迫下水稻幼苗生長參數的影響

從圖1-A可以看出，鉛脅迫組的水稻幼苗株高和根長較CK組均顯著降低，其中T4組株高與Pb組相比顯著升高。隨著腐胺濃度的提高，水稻根長呈現先升高后降低的趨勢，其中T1、T2和T3組根長顯著高于Pb組。Pb組地下部鮮質量較CK組輕，但未達顯著差異；噴施腐胺顯著提高地下部鮮質量（圖1-B）。

2.2 外施腐胺對鉛脅迫下水稻幼苗葉片SPAD值的影響

鉛脅迫顯著降低水稻葉片的SPAD值，而外施腐胺（T2、T3和T4組）在一定程度上可以緩解鉛脅迫對水稻幼苗的傷害，其中1.5 mmol/L和 2.0 mmol/L 腐胺處理組效果最好（圖2）。

2.3 外施腐胺對鉛脅迫下水稻幼苗快速葉綠素熒光動力曲線的影響

通過對OJIP瞬態曲線的測定，可以得到大量關于PSⅡ反應中心原初光化學反應的信息。由圖3-A可知，Pb組OJIP曲線在I相和P相呈下降趨勢。將OJIP曲線標準化后，可以看出相對VOP 值（圖3-B），各組在J點處與CK的差異最大，其中T4組在I點和P點呈現出上升趨勢。Pb組的ΔVOP 值大于0，外施腐胺的4組ΔVOP值均包含負值，其中T4組的值最低。當ΔVOP值大于0時，表明放氧復合體（OEC）的活性受到抑制。從圖3-C和圖3-D可以看出，Pb組ΔVOK和ΔVOJ值大于0，而T1、T2組的ΔVOK、ΔVOJ值在零處上下波動，T3、T4組的ΔVOK、ΔVOJ 值大多小于0。當ΔVOK值大于0時，表示基粒類囊體解離， 引起PSⅡ復合物之間的穩定性下降，

阻礙了類囊體間的能量傳遞，當ΔVOK值小于或等于0時，表示光合膜系統完整，能量傳遞順暢；ΔVOJ 值愈高，則對OEC的損害愈大。由此可見，Pb組類囊體之間的能量傳遞受到阻礙，光合膜系統不完整，OEC受到的傷害嚴重。外施腐胺有效緩解了鉛的損傷，其水稻幼苗光合膜系統完整，能量傳遞順暢，其中T4組效果最好。

2.4 外施腐胺對鉛脅迫下水稻幼苗葉綠素熒光參數的影響

2.4.1 對葉片光合性能和葉綠素熒光圖像的影響 由圖4-A可知，鉛脅迫顯著提高Fo，而噴施腐胺顯著降低Fo。由圖4-B可知，鉛脅迫顯著提高Fm值，而噴施腐胺對Fm無顯著影響。Fv/Fm反映 PSⅡ 反應中心最大光化學效率，Fv/Fo表征PSⅡ潛在活性［12］。鉛脅迫顯著降低Fv/Fm、Fv/Fo和PIABS，外施腐胺顯著提高上述3個指標（圖4-C、圖4-D、圖4-E）。

圖5為水稻幼苗的葉綠素熒光圖像，紅色區域的熒光較強，而藍綠色等冷色區域的熒光較弱。對于初始熒光Fo（圖5-A），鉛脅迫組葉片中心熒光最強，而噴施腐胺處理組葉片熒光減弱，其中T4組的葉片熒光最弱。鉛脅迫組葉片PSⅡ最大量子產量Fv/Fm整體上活性較低（圖5-B），上部邊緣遭到嚴重傷害，而外施腐胺處理組葉片活性增高，其中T4組的葉片活性最高。 這與連續激發式熒光儀測定的結果一致。

2.4.2 對PSⅡ供體側的影響 鉛脅迫顯著提高Wk值，而噴施腐胺處理顯著降低Wk值（圖6）。

2.4.3 對PSⅡ受體側的影響 與CK組相比，鉛脅迫組Mo、Vj和φDo顯著提高，但ψo、φEo和φPo顯著降低。外施腐胺處理組總體上Mo、Vj和φDo顯著降低，而ψo、φEo和φPo顯著提高（圖7）。

2.4.4 對PSⅡ反應中心活性參數的影響 由表2可知，與CK組相比，鉛脅迫組ABS/RC、TRo/RC和DIo/RC顯著提高，ETo/RC也有所升高，但差異不顯著。由此可見，外施腐胺處理組顯著降低鉛脅迫對反應中心比活度（RC）的影響。

3 討論

生物量變化是植物響應逆境脅迫的綜合指標，也是評估脅迫耐性的常用指標［13］。本研究表明，鉛脅迫組水稻幼苗株高、根長、地下部鮮質量降低，其中對株高和根長的抑制顯著。葉面噴施腐胺有效緩解了鉛脅迫對株高、根長、地下部鮮質量的抑制作用。SPAD值與葉片葉綠素含量密切相關［14］。鉛脅迫導致SPAD值顯著下降， 外施腐胺顯著緩解了SPAD值的降低。說明鉛脅迫下，水稻幼苗的葉綠素含量顯著降低，而外施腐胺能顯著提高水稻幼苗的葉綠素含量。

從熒光動力學曲線可以看出，Pb組OJIP曲線在I相和P相發生大幅下降，這表明鉛脅迫強烈抑制了還原質體醌（PQ）的積累［15］。Pb組PSⅡ供體側和受體側均受到破壞，其ΔVOP、ΔVOK以及ΔVOJ的數值明顯大于0，說明鉛脅迫破壞了放氧復合體，同時也抑制了受體側的電子傳遞，使得Q-A大量累積。而外施腐胺使水稻幼苗ΔVOP、ΔVOK以及ΔVOJ下降， 其中2.0 mmol/L腐胺的作用效果最明顯。這可能是外施腐胺通過與生物膜的極性頭部結合，與膜蛋白靜電吸附，防止膜脂過氧化以及膜蛋白的水解，穩定類囊體膜組成，進而維持類囊體膜的穩定性［16］。

葉綠素熒光動力學參數是研究植物光合生理與逆境脅迫關系的理想探針［17-18］。Fo是PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產量［19］。Fo數值越小，說明植物的光能利用率越高［20］。Fm是PSⅡ反應中心完全關閉時的熒光產量，可反映出通過PSⅡ的電子傳遞情況［19］。Fm數值越低，說明電子反應程度越?。?0］。本研究表明，鉛脅迫使水稻幼苗Fo和Fm顯著提高，而外施腐胺處理組顯著降低。說明鉛脅迫導致水稻幼苗光能利用率最低，電子較為活躍，腐胺能減輕鉛脅迫對水稻幼苗的傷害。鉛脅迫處理組水稻幼苗Fv/Fm和Fv/Fo下降，而外施腐胺有效緩解了這些參數的下降。這與黃軒等對中華常春藤的研究結果［21］相一致。PIABS是以吸收光能為基礎的性能指數，可反映出PSⅡ整體性能［22］。外施腐胺處理能夠緩解鉛脅迫引起水稻幼苗PIABS下降。上述結果說明鉛脅迫降低了水稻幼苗的PSⅡ反應中心活性、光化學效率和光合性能，而外施腐胺改善了鉛脅迫下水稻幼苗光合機構和光合性能的損傷

PSⅡ反應中心電子供體側和受體側的性能一定程度上決定了的PSⅡ的整體性能［23］。Wk值是一種常用的PSⅡ供體側受傷害的重要指標，Wk值反映OEC的狀況，Wk值愈大，OEC受到的傷害愈嚴重［24］。本研究中鉛脅迫下水稻幼苗的Wk值顯著上升，這與姚廣等對玉米幼苗研究［25］相一致，說明鉛脅迫導致水稻幼苗放氧復合體的活性受到抑制，影響了 PSⅡ 供體側的電子傳遞。而外施腐胺對鉛脅迫下水稻幼苗PSⅡ供體側具有保護作用，其中 2.0 mmol/L腐胺的改善效果最好。

Mo與反應中心色素、捕光色素和QA所處的狀態有關［26］。Vj表示QA的積累量［27］。Mo和Vj提高反映了PSⅡ受體側QA向QB電子傳遞受到阻礙［28］。鉛脅迫導致水稻幼苗Mo和Vj顯著升高，說明鉛脅迫導致水稻幼苗QA傳遞電子的能力變小，使得光合電子傳遞鏈的QA到QB的電子傳遞受阻，QA自身被還原增快，引起Q-A大量累積。而外施腐胺能促進QA到QB的電子傳遞，改善鉛脅迫下水稻幼苗PSⅡ受體側的電子傳遞速率，進而提高了光能轉換率。ψo、φEo、φPo和φDo是反映能量分配比率的4個熒光參數。鉛脅迫造成水稻幼苗ψo、φEo、φPo顯著下降，而φDo顯著上升。外施腐胺各處理組使水稻幼苗較Pb組ψo、φEo、φPo顯著提高，而φDo顯著下降。這說明鉛脅迫導致水稻幼苗調整了能量在PSⅡ的分配比率，使用于電子傳遞的量子比率下降，用于熱耗散的量子比率增加。腐胺可緩解鉛脅迫對水稻幼苗能量分配比率的影響。

ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和DIo/RC反映當QA處于可還原狀態時單位PSⅡ反應中心的活性［29］。鉛脅迫下水稻幼苗DIo/RC的增加，說明鉛脅迫單位反應中心消耗掉的熱量增加；ABS/RC的增加，意味著鉛脅迫增加了活躍PSⅡ反應中心的數量；TRo/RC的增加，說明鉛脅迫使 RC捕獲的用于QA還原生成Q-A的能量增多，這與Mo和Vj上升表現結果一致，同時誘導其與傳遞電子的能量（ETo/RC）隨之增大［20］。這可能是在鉛脅迫下，單位面積反應中心數量（RC/CS）下降后的補償效應，剩余有活性的反應中心效率的提高有助于減少過剩激發能的積累，以降低鉛脅迫引起的對光和機構的傷害［30］。腐胺處理使得以上參數恢復到CK組水平，說明外施腐胺可有效緩解鉛脅迫對水稻幼苗PSⅡ反應中心的損傷。

4 結論

鉛脅迫對水稻幼苗產生的毒害是多方面的，不僅影響水稻幼苗生物量和葉綠素含量，對于類囊體的穩定性、PSⅡ反應中心活性、PSⅡ供體側和受體側的電子傳遞過程都造成了破壞。外施腐胺使鉛脅迫下水稻幼苗PSⅡ供體側及受體側的電子傳遞能力增強，使PSⅡ反應中心活性得以保護，維持了類囊體膜的穩定性，從而減輕了鉛脅迫對水稻幼苗的損害，使水稻幼苗對鉛的耐受性也有所增強。不同濃度的腐胺緩解效果不同，其中2.0 mmol/L腐胺處理組對100 μmol/L鉛脅迫下的水稻幼苗緩解效果最為顯著。

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