肉桂酸和鄰苯二甲酸對(duì)沙芥屬植物幼苗光合特性的影響

寧可真,袁學(xué)松,楊忠仁,2,黃修梅,郝麗珍,張鳳蘭*

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)野生特有蔬菜種質(zhì)資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010011;2 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010011)

沙芥屬(PugioniumGaertn.)為蒙古高原沙地的特有屬,包括沙芥[Pugioniumcornutum(L.)Gaertn.]和斧翅沙芥(PugioniumdolabratumMaxim.)2個(gè)種,其中沙芥為中國(guó)特有種,斧翅沙芥為中國(guó)珍稀瀕危物種,保護(hù)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。該屬植物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富,具有食用、飼用、藥用、保健和防風(fēng)固沙等功能[1-2],且抗逆性良好[3],具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。但由于生境的惡化和人類(lèi)的掠奪式開(kāi)發(fā)[4],使其野生植物資源逐年減少,其自身存在的自毒作用加劇了這一問(wèn)題[5],同時(shí)沙芥屬植物的自毒作用也使其在引種馴化栽培中出現(xiàn)嚴(yán)重的連作障礙,為其異地保存和人工種植帶來(lái)很大困難。

自毒作用是植物通過(guò)淋溶、殘?bào)w分解、根系分泌等方式向周?chē)h(huán)境釋放自毒物質(zhì),對(duì)植物生長(zhǎng)起到阻礙作用的現(xiàn)象[6-7],是連作障礙形成的主要原因之一。自毒作用在植物中較為常見(jiàn),廣泛存在于甜瓜[8]、黨參[9]、蘆筍[10]、水稻[11]等。目前,相關(guān)研究表明自毒物質(zhì)主要包括酚酸類(lèi)、黃酮類(lèi)化合物和萜類(lèi)[12]。人們已從果蔬等易發(fā)生連作障礙的作物根系分泌物中分離出鄰苯二甲酸、肉桂酸等10余種酚酸類(lèi)自毒物質(zhì)[6-7,13]。植物自毒作用的產(chǎn)生機(jī)制十分復(fù)雜,植物體內(nèi)的多種生理生化過(guò)程均受自毒物質(zhì)的影響,如光合作用、酶活性以及膜系統(tǒng)等[12,14],其中備受關(guān)注是對(duì)光合作用的影響。光合作用對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要,是植物維持生命的基礎(chǔ),當(dāng)光合作用受到影響時(shí),植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生理生化機(jī)制就會(huì)同時(shí)受到影響[15-17]。各種逆境脅迫均會(huì)導(dǎo)致植物光合作用紊亂,進(jìn)而致使葉綠素合成受阻、光合色素降解、氣體交換參數(shù)改變等[18]。已有研究表明,根系自毒物質(zhì)影響植物光合作用和葉片光合色素的分解與合成,破壞PSⅡ反應(yīng)中心和電子傳遞,進(jìn)而引發(fā)一系列生理代謝紊亂[19-20]。關(guān)于對(duì)羥基苯甲酸對(duì)不同草莓品種光合作用和葉綠素?zé)晒馓匦杂绊懙难芯堪l(fā)現(xiàn),自毒物質(zhì)降低了草莓的光合作用,對(duì)葉綠素?zé)晒馓匦源嬖诘蜐舛却龠M(jìn)高濃度抑制的效果[21]。化感物質(zhì)脅迫對(duì)木麻黃幼苗小枝PSⅡ反應(yīng)中心造成了破壞,光電子傳遞速率降低,熱耗散途徑受阻,影響了激發(fā)能在PSⅠ和PSⅡ的平衡分配[22]。而有關(guān)自毒物質(zhì)對(duì)沙芥屬植物光合作用影響尚鮮見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

本研究以沙芥和斧翅沙芥幼苗為試材,探討酚酸類(lèi)自毒物質(zhì)肉桂酸和鄰苯二甲酸處理對(duì)幼苗生長(zhǎng)及光合特性的影響,為沙芥屬植物的野生資源保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試的沙芥[P.cornutum(L.) Gaertn.]和斧翅沙芥(P.dolabratumMaxim.)種子均采自毛烏素沙地。肉桂酸和鄰苯二甲酸分別由天津博迪化工股份有限公司和國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年在內(nèi)蒙古自治區(qū)野生特有蔬菜種質(zhì)資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫室中進(jìn)行。沙芥和斧翅沙芥種子經(jīng)消毒后在25 ℃恒溫箱內(nèi)催芽,將發(fā)芽一致的種子播于營(yíng)養(yǎng)缽(高18 cm,直徑15 cm)中,培養(yǎng)基質(zhì)為體積比1∶1的蛭石和土壤配成的混合基質(zhì),待幼苗子葉展平后,分別用0(對(duì)照),0.01,0.1,1,10 mmol/L的鄰苯二甲酸、肉桂酸溶液處理幼苗,每缽澆灌100 mL,每隔3 d澆灌1次。待沙芥和斧翅沙芥長(zhǎng)至6葉1心時(shí),采集幼苗進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)

用直尺測(cè)量葉長(zhǎng)(葉柄基部至葉尖的長(zhǎng)度);用1/1000電子天平分別稱(chēng)量植株葉鮮質(zhì)量;將葉置于105 ℃烘箱中殺青15 min后,于60 ℃烘干至恒質(zhì)量,用1/1000電子天平分別稱(chēng)其干質(zhì)量。

1.3.2 葉綠素含量及比值

取0.2 g沙芥與斧翅沙芥葉片,采用分光光度法[23]測(cè)定葉綠素a與葉綠素b含量,最后計(jì)算葉綠素總量和葉綠素a與葉綠素b的比值。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)

使用FMS-2(Hansatech,UK),于晴天上午9:30-11:00,選取自基部向上第3片葉測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測(cè)定前葉片暗處理30 min,測(cè)定初始熒光(Fo),隨后給葉片施加3 000 μmol/(m2·s)飽和脈沖光 0.7 s,測(cè)得最大熒光(Fm)。打開(kāi)作用光[600 μmol/(m2·s)],在熒光下降至施加飽和光前、穩(wěn)定水平之后20 s測(cè)得恒態(tài)熒光(Fs)。然后計(jì)算最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實(shí)際光化學(xué)效率[ФPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′]、光化學(xué)淬滅系數(shù)[qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)]、非光化學(xué)淬滅系數(shù)[CNPQ=(Fm-Fm′)/Fm′]。

1.3.4 光合氣體交換參數(shù)

使用Li-6400便攜式光合儀,于晴天上午9:30-11:00,選取自基部向上第3片葉,在光照強(qiáng)度為1 200 μmol/(m2·s)、CO2濃度為400 μmol/mol條件下測(cè)定不同處理下葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間 CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,SPSS 18.0軟件和Duncan's法進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 肉桂酸和鄰苯二甲酸處理對(duì)沙芥、斧翅沙芥幼苗生長(zhǎng)的影響

沙芥幼苗的葉長(zhǎng)、葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量在0.01 mmol/L肉桂酸和鄰苯二甲酸處理下均不同程度高于對(duì)照(CK),在其余濃度處理下均低于對(duì)照,兩類(lèi)酚類(lèi)物質(zhì)對(duì)其生長(zhǎng)均表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制的效應(yīng),且隨著濃度增加抑制作用逐漸加強(qiáng)(表1)。其中,0.01 mmol/L 肉桂酸處理下沙芥的葉長(zhǎng)、葉干質(zhì)量相較對(duì)照分別顯著上升13.1%、37.0%,0.01 mmol/L鄰苯二甲酸處理下沙芥的葉鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均比對(duì)照顯著上升10.2%(P＜0.05);隨肉桂酸與鄰苯二甲酸濃度繼續(xù)上升,沙芥的葉長(zhǎng)、葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量均逐漸下降,且在10.0 mmol/L濃度下均與對(duì)照差異顯著(P＜0.05)。

表1 肉桂酸和鄰苯二甲酸處理下沙芥和斧翅沙芥幼苗生長(zhǎng)的變化Table 1 Growth of seedlings of P.cornutum (L.) Gaertn.and P.dolabratum Maxim.under treatments of cinnamic acid and phthalic acid

與沙芥幼苗的表現(xiàn)不同,斧翅沙芥幼苗的葉長(zhǎng)、葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量在各濃度肉桂酸與鄰苯二甲酸處理下均比對(duì)照顯著降低,且抑制作用隨濃度的增大而增大,在10 mmol/L肉桂酸處理下分別比對(duì)照下降40.5%、39.4%、77.1%,在10 mmol/L 鄰 苯二甲酸處理下分別比對(duì)照下降46.3%、63.5%、67.3%。由此可見(jiàn),沙芥幼苗對(duì)肉桂酸、鄰苯二甲酸的耐性比斧翅沙芥更強(qiáng),但兩種沙芥屬植物生長(zhǎng)在脅迫濃度為1.0,10 mmol/L時(shí)均受到顯著抑制。

2.2 肉桂酸和鄰苯二甲酸處理對(duì)沙芥、斧翅沙芥幼苗葉綠素含量的影響

表2顯示,沙芥和斧翅沙芥的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量在不同濃度肉桂酸和鄰苯二甲酸處理后均呈下降趨勢(shì),但2種沙芥的葉綠素a/b的變化趨勢(shì)卻不盡相同。其中,10 mmol/L肉桂酸處理下,沙芥的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量相比對(duì)照分別下降9.2%、40.6%、23.5%,葉綠素a/b相比對(duì)照上升21.7%,但僅葉綠素b含量變化顯著(P＜0.05);與此同時(shí),斧翅沙芥的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量相比對(duì)照分別顯著下降52.6%、37.3%、47.1%(P＜0.05),葉綠素a/b相比對(duì)照顯著下降24.5%(P＜0.05)。

表2 肉桂酸和鄰苯二甲酸處理下沙芥和斧翅沙芥幼苗葉片葉綠素含量的變化Table 2 Chlorophyll content in leaves of P.cornutum (L.) Gaertn.and P.dolabratum Maxim.seedling treated by cinnamic acid and phthalic acid

在10 mmol/L鄰苯二甲酸處理下,沙芥的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量相比對(duì)照分別顯著下降51.3%、28.2%、27.7%,葉綠素a/b相比對(duì)照稍有上升(P＞0.05);此時(shí)斧翅沙芥的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、葉綠素a/b 相比對(duì)照分別下降67.5%、56.7%、62.5%、24.0%(P＜0.05)。可見(jiàn),2種沙芥葉綠素含量均受到肉桂酸和鄰苯二甲酸的抑制,斧翅沙芥受到抑制的程度比沙芥更重。

2.3 肉桂酸和鄰苯二甲酸處理對(duì)沙芥、斧翅沙芥幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表3可知,隨著肉桂酸和鄰苯二甲酸處理濃度的增加,沙芥和斧翅沙芥的Fv/Fm、ФPSⅡ、qP 均逐漸降低,而NPQ 均逐漸上升,且與對(duì)照相比各濃度處理升降幅度大多達(dá)到顯著水平。其中,在10 mmol/L肉桂酸處理下,沙芥Fv/Fm、ФPSⅡ、qP 相比對(duì)照分別顯著下降33.5%、59.7%、47.8%,相應(yīng)的斧翅沙芥相比對(duì)照分別顯著下降44.9%、67.1%、68.8%,此時(shí)沙芥和斧翅沙芥NPQ 值分別比對(duì)照顯著升高129.2%、111.7%(P＜0.05)。在10 mmol/L鄰苯二甲酸處理下,沙芥Fv/Fm、ФPSⅡ、qP相比對(duì)照分別顯著下降33.6%、60.5%、63.9%,相應(yīng)的斧翅沙芥相比對(duì)照分別顯著下降58.4%、69.2%、71.7%,此時(shí)沙芥和斧翅沙芥NPQ 分別比對(duì)照顯著升高179.7、160.6%%(P＜0.05)。

表3 肉桂酸和鄰苯二甲酸處理下沙芥和斧翅沙芥幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化Table 3 Chlorophyll fluorescence parameters in seedlings of P.cornutum (L.) Gaertn.and P.dolabratum Maxim.under treatment of cinnamic acid and phthalic acid

2.4 肉桂酸和鄰苯二甲酸處理對(duì)沙芥、斧翅沙芥幼苗氣體交換參數(shù)的影響

如表4所示,隨肉桂酸處理濃度的升高,沙芥幼苗的Pn、Tr、Gs均逐漸下降,且均與對(duì)照差異顯著,其Ci先降后升,且在10 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值;在10 mmol/L肉桂酸處理下,沙芥Pn、Tr、Gs相比對(duì)照分別下降53.5%、32.7%、37.6%,其Ci相比對(duì)照顯著上升16.5%(P＜0.05)。斧翅沙芥Pn在0.01 mmol/L肉桂酸處理下比對(duì)照稍有上升(P＞0.05),在其余濃度處理下均比對(duì)照顯著降低,10 mmol/L時(shí)達(dá)到最低,相比對(duì)照顯著下降52.4%(P＜0.05);斧翅沙芥的Tr、Gs均隨肉桂酸濃度升高逐漸降低,在10 mmol/L肉桂酸處理下相比對(duì)照分別顯著下降36.3%、37.5%(P＜0.05),其Ci表現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì),但均與對(duì)照差異不顯著(P＞0.05)。

表4 肉桂酸和鄰苯二甲酸處理下沙芥和斧翅沙芥氣體交換參數(shù)的變化Table 4 Gas exchange parameters of P.cornutum (L.) Gaertn.and P.dolabratum Maxim.under treatment of cinnamic acid and phthalic acid

同時(shí),沙芥、斧翅沙芥幼苗的Pn、Tr、Gs在0.01 mmol/L鄰苯二甲酸處理下比對(duì)照有小幅升高(P＞0.05),后均隨鄰苯二甲酸濃度升高開(kāi)始逐漸下降,在濃度為10 mmol/L時(shí),沙芥Pn、Tr、Gs相比對(duì)照分別顯著下降31.6%、21.4%、37.6%,而斧翅沙芥分別相應(yīng)顯著下降21.6%、33.8%、35.9%(P＜0.05);沙芥、斧翅沙芥幼苗Ci在鄰苯二甲酸處理下逐漸升高,在濃度為10 mmol/L時(shí)相比對(duì)照分別顯著上升16.8%和19.9%(P＜0.05)。

3 討論

生物量是評(píng)估植物遭受脅迫程度與抗逆能力的重要指標(biāo)。研究表明,多種植物腐解物或分泌物中均含有自毒物質(zhì)[24],這些物質(zhì)通過(guò)多種方式對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響[25]。Jefferson等研究發(fā)現(xiàn),自毒物質(zhì)在低濃度下促進(jìn)植株幼苗生長(zhǎng),在高濃度下抑制幼苗生長(zhǎng)[26]。本研究發(fā)現(xiàn),肉桂酸、鄰苯二甲酸處理沙芥幼苗后,在較低濃度下對(duì)幼苗生長(zhǎng)具有一定促進(jìn)作用,而高濃度則產(chǎn)生抑制作用,這與Jefferson等的研究結(jié)果一致。另外,本試驗(yàn)中10 mmol/L肉桂酸和鄰苯二甲酸處理對(duì)沙芥和斧翅沙芥幼苗生長(zhǎng)發(fā)育具有明顯抑制作用,這與孟鑫等自毒物質(zhì)脅迫對(duì)黃瓜幼苗的生長(zhǎng)影響研究結(jié)果[27]一致。

光合作用作為植物維持生命的最基本活動(dòng),為植物的生存提供物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來(lái)源。有研究表明,影響植物光合作用效率的因素包括氣孔限制和非氣孔限制[28]。當(dāng)Gs與Ci同時(shí)下降時(shí),Pn下降主要是由氣孔限制因素引起的,如果Pn降低伴隨著Ci升高,則光合作用的主要限制因素是非氣孔因素[29]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著肉桂酸和鄰苯二甲酸濃度的增加沙芥和斧翅沙芥幼苗的Pn、Tr和Gs均在10 mmol/L時(shí)達(dá)到最低,而Ci略有升高,推測(cè)是由于非氣孔限制因素使植物體消耗的 CO2量減少,導(dǎo)致 CO2在細(xì)胞內(nèi)大量積累,表明沙芥和斧翅沙芥幼苗在肉桂酸和鄰苯二甲酸脅迫下光合速率降低的原因是由于非氣孔限制導(dǎo)致,這與朱珊珊等[20]研究結(jié)果相類(lèi)似。

光合色素在植物光合作用能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中擔(dān)負(fù)著重要作用,植物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)與其含量高低有一定的聯(lián)系,是影響光合作用強(qiáng)弱的重要因素之一[30]。Einhellig等發(fā)現(xiàn)咖啡酸、香草酸和阿魏酸等自毒物質(zhì)可以通過(guò)影響葉片葉綠素含量、光合作用等生理指標(biāo)來(lái)抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育[31]。N-苯基-2-萘胺對(duì)擬柱胞藻葉綠素合成也表現(xiàn)出明顯的抑制作用[32]。孟鑫等[27]研究發(fā)現(xiàn)肉桂酸處理對(duì)黃瓜葉片葉綠素含量有顯著抑制的效果,降低了幼苗的光合能力。本試驗(yàn)結(jié)果表明,10 mmol/L肉桂酸處理下沙芥葉綠素b含量顯著低于對(duì)照,10 mmol/L鄰苯二甲酸處理下沙芥和斧翅沙芥葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量均顯著下降,說(shuō)明肉桂酸和鄰苯二甲酸脅迫能夠抑制沙芥和斧翅沙芥葉片光合色素合成,不利于幼苗的光合作用,這與前人的研究結(jié)果基本一致。

植物對(duì)光能的利用效率可以通過(guò)葉綠素?zé)晒鈪?shù)體現(xiàn),可以反映植物對(duì)逆境脅迫的響應(yīng)程度[33]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)中,Fv/Fm表示PSⅡ的最大光化學(xué)效率,是衡量PSⅡ光抑制程度的重要指標(biāo)[34]。在逆境脅迫條件下,葉綠體構(gòu)型混亂造成植物葉片PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的降低,導(dǎo)致用于碳同化積累的能量和光能轉(zhuǎn)化利用效率降低[35]。qP 是光化學(xué)淬滅系數(shù),反映了PSⅡ用于光化學(xué)電子傳輸?shù)墓饽芩继烊簧匚展饽艿谋壤?能代表PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度[36]。非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ 可以反映植物熱耗散能力的變化[37],NPQ 越大,對(duì)PSⅡ反應(yīng)中心的損傷越小[38]。有研究表明逆境脅迫會(huì)降低Fv/Fm,抑制PSⅡ活性,降低植物葉片qP 和光能利用率[39-40]。本研究中,沙芥和斧翅沙芥幼苗的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP隨肉桂酸和鄰苯二甲酸濃度的升高均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),NPQ 顯著上升,說(shuō)明肉桂酸和鄰苯二甲酸脅迫導(dǎo)致沙芥和斧翅沙芥葉片的PSⅡ反應(yīng)中心活性和開(kāi)放程度受損,能量耗散途徑受到促進(jìn),減少光抑制,減輕脅迫對(duì)沙芥和斧翅沙芥葉片光合機(jī)構(gòu)的傷害,這與洪立洲等[41]、蘇蘭茜等[42]的研究結(jié)果一致。有研究表明,外源硅脅迫增加了黃瓜葉片NPQ,緩解了光合系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)[43]。本試驗(yàn)通過(guò)研究不同濃度肉桂酸和鄰苯二甲酸處理對(duì)沙芥和斧翅沙芥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響,得出與前人[43]相同的結(jié)果。由此可見(jiàn),肉桂酸、鄰苯二甲酸通過(guò)抑制沙芥、斧翅沙芥PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率及其潛在活性,進(jìn)一步影響其碳同化運(yùn)轉(zhuǎn)和有機(jī)物積累,沙芥、斧翅沙芥對(duì)脅迫環(huán)境表現(xiàn)出一定的耐受能力。但沙芥、斧翅沙芥受抑制作用強(qiáng)度各異,可能是由于植物類(lèi)型和脅迫類(lèi)型不同而表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

4 結(jié)論

低濃度肉桂酸和鄰苯二甲酸促進(jìn)沙芥和斧翅沙芥幼苗的生長(zhǎng),而高濃度脅迫抑制沙芥和斧翅沙芥幼苗的生長(zhǎng),降低了幼苗的光合速率,抑制葉片光合色素合成,導(dǎo)致葉片的PSⅡ反應(yīng)中心活性和開(kāi)放程度受損,改變植株光合能力,并具有濃度效應(yīng),并在10 mmol/L時(shí)抑制作用最明顯,且沙芥和斧翅沙芥受抑制作用強(qiáng)度不同,斧翅沙芥幼苗受到影響更大。