白健慧，王育青

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

鹽堿化土地面積的日益擴(kuò)大，已成為全球的資源和生態(tài)問題，也是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素[1]。內(nèi)蒙古鹽堿地面積較大，綜合開發(fā)利用鹽堿地已成為農(nóng)學(xué)家主要的研究目標(biāo)和熱點(diǎn)[2-6]。種植抗性作物是開發(fā)利用鹽堿地的重要途徑之一，如種植堿蓬、田菁作物，可顯著降低土壤鹽堿度、提高土壤養(yǎng)分含量。據(jù)報(bào)道，在新疆塔里木鹽堿化土地，堿蓬的移鹽能力達(dá)2 116 kg/hm2[7]；鹽堿化土地種植苜蓿7年可顯著降低土壤pH值[8]。有研究表明，種植抗鹽禾本科作物，有利于在土壤中積累根系殘?bào)w，降低0～40 cm土壤含鹽量，脫鹽率為67.3%[9]。燕麥屬禾本科糧飼兼用作物，在內(nèi)蒙古種植面積近13.3萬hm2，約占全國的40%，居全國之首。燕麥具有抗鹽堿、耐瘠薄等特點(diǎn)，有研究指出在高濃度鹽脅迫下（200 mmol/L NaCl∶200 mmol/LNa2SO4=1∶1） 及高 pH 值環(huán)境下（pH值9.0）燕麥依然可生長[10]。因此，以燕麥為研究對(duì)象，進(jìn)一步探討燕麥耐鹽堿生理機(jī)制具有生態(tài)價(jià)值[11]，對(duì)改良鹽堿化土地具有指導(dǎo)意義。

添加外源物質(zhì)是改良作物抗性的重要手段，有助于抗性生理機(jī)制研究，并可為鹽堿地作物栽培育種提供理論依據(jù)。多胺是有機(jī)、低分子量的含氮化合物，包括精胺、亞精胺、腐胺，多胺作為生長調(diào)節(jié)劑和胞內(nèi)信使調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育，參與植物抗逆生物過程[12]。同時(shí)多胺可作為抗氧化物質(zhì)清除植物體內(nèi)活性氧。有研究表明，外施多胺可提高作物非生物脅迫，如干旱、冷害、鹽脅迫等抗性[13]。在鹽脅迫盆栽試驗(yàn)中，外源多胺可提高番茄、小麥葉綠素含量，保護(hù)光合器官[14]。目前，精胺對(duì)作物抗堿性調(diào)控機(jī)制尚未進(jìn)行深入研究。

植物產(chǎn)量的90%～95%來源于光合作用[15-16]，對(duì)非生物脅迫環(huán)境下植物光合特性的研究十分必要。目前已有研究得出，在鹽脅迫下，氣孔因素導(dǎo)致燕麥光合速率降低[11]；重度鹽堿混合脅迫下，非氣孔因素導(dǎo)致燕麥光合速率降低[17]。然而堿脅迫對(duì)燕麥光合系統(tǒng)的影響機(jī)制尚未進(jìn)行深入研究。光系統(tǒng)是光合作用的重要位點(diǎn)，分為光系統(tǒng)Ⅱ和光系統(tǒng)Ⅰ，具有吸收、轉(zhuǎn)化、傳遞光能的功能[18]。在非生物脅迫環(huán)境下，光系統(tǒng)Ⅱ發(fā)揮重要作用。葉綠素?zé)晒馇€可用于研究光系統(tǒng)Ⅱ，協(xié)助探討光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心光能吸收轉(zhuǎn)化，過剩光能耗散，反應(yīng)中心的供受體側(cè)電子傳遞的變化[19]。目前有研究得出鹽脅迫下，熒光曲線參數(shù)Vj降低，說明鹽處理導(dǎo)致光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心出現(xiàn)不同程度關(guān)閉，導(dǎo)致單位面積內(nèi)電子傳遞能量減少[19-21]。然而，該項(xiàng)技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于燕麥耐堿生理機(jī)制研究。本試驗(yàn)探討了外施精胺對(duì)堿脅迫下燕麥光合特性的影響機(jī)制，旨在為鹽堿地燕麥栽培育種提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鄂爾多斯沙地草原生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)站室內(nèi)溫室進(jìn)行；所用材料為燕麥抗堿品種蒙燕1號(hào)和堿敏感品種太陽神，精胺購自Sigma公司，純度大于99%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種植方式：采用盆栽試驗(yàn)，塑料盆規(guī)格280 mm×220 mm，種植基質(zhì)為沙子，每盆裝沙6.5 kg，播種35粒種子，間苗至20株，澆灌Hoagland營養(yǎng)液。

試驗(yàn)所用堿性鹽成分為Na2CO3、NaHCO3，濃度設(shè)置為75 mmol/L。精胺選取2個(gè)處理濃度，分別為0.01、0.06 mmol/L，堿性鹽與精胺直接溶解于Hoagland營養(yǎng)液。共設(shè)置4個(gè)處理（表1），重復(fù)4次。在燕麥兩葉一心時(shí)進(jìn)行堿及外施精胺處理，每次每盆加入溶液250 mL，堿脅迫后每隔2 d每盆加入1/2Hoagland營養(yǎng)液300 mL直到試驗(yàn)結(jié)束，于燕麥拔節(jié)、抽穗期進(jìn)行數(shù)據(jù)測定。

表1 燕麥堿脅迫處理

1.3 測定指標(biāo)與方法

光合參數(shù)測定：采用LI-6400（LI-CORBiosciences，Lincoln，NE，USA）光合儀，于燕麥拔節(jié)、抽穗期11：00時(shí)，測定倒數(shù)第二片葉光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），每個(gè)品種每個(gè)處理3次重復(fù)，取平均值。氣孔限制值按照公式：Ls=1-（Ci/Ca）計(jì)算（Ci為胞間 CO2濃度，Ca為葉片周圍CO2濃度）。

葉綠素含量：于燕麥拔節(jié)、抽穗期11：00時(shí)，使用便攜式葉綠素儀測定倒數(shù)第二片葉SPAD值，每個(gè)品種每個(gè)處理3次重復(fù)，取平均值。葉綠素?zé)晒鈪?shù)：于燕麥拔節(jié)、抽穗期11：00時(shí)，運(yùn)用Handy-PEA便攜式植物效率分析儀直接導(dǎo)出OJIP曲線，測定燕麥倒數(shù)第二片葉初始葉綠素?zé)晒猓‵o）、光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、單位面積吸收的光能（ABS/CSm）、單位面積捕獲的用于還原QA的能量（TrO/CSm）、單位面積捕獲的用于電子傳遞的能量（EtO/CSm）、性能指數(shù)（PIABS）。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，組間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，運(yùn)用Excel 2019軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 外施精胺對(duì)堿脅迫下燕麥葉綠素含量的影響

由圖1可知，與CK相比，J處理拔節(jié)期蒙燕1號(hào)、太陽神的葉綠素含量分別降低37.50%、38.71%，抽穗期分別降低48.00%、53.06%，差異顯著（P<0.05）；蒙燕1號(hào)的葉綠素降幅低于太陽神，但差異不顯著（P>0.05）。抽穗期兩個(gè)燕麥品種的葉綠素降幅高于拔節(jié)期。與J處理相比，J+Spm1、J+Spm2處理可緩解堿脅迫對(duì)燕麥葉綠素含量的抑制，在拔節(jié)期蒙燕1號(hào)葉綠素含量分別提高25.00%、10.00%，太陽神分別提高15.78%、10.52%，差異顯著（P<0.05）；在抽穗期蒙燕1號(hào)葉綠素含量分別提高26.92%、15.38%，太陽神分別提高26.08%、13.04%，差異顯著（P<0.05）。

圖1 外施精胺對(duì)堿脅迫下燕麥葉綠素含量的影響

2.2 外施精胺對(duì)堿脅迫下燕麥光合作用參數(shù)的影響

由表2可知，與CK相比，J處理兩個(gè)燕麥品種光合速率顯著降低（P<0.05），蒙燕1號(hào)、太陽神光合速率拔節(jié)期分別降低60.88%、58.93%，抽穗期分別降低71.07%、79.57%。從兩個(gè)生育時(shí)期比較，J處理抽穗期的光合速率降幅高于拔節(jié)期，表明J處理對(duì)抽穗期光合速率的抑制作用高于拔節(jié)期；從兩個(gè)品種比較，J處理蒙燕1號(hào)在抽穗期光合速率降幅低于太陽神。與J處理相比，J+Spm1處理在拔節(jié)期蒙燕1號(hào)、太陽神光合速率分別提高112.08%、61.64%，J+Spm2處理分別提高72.69%、27.06%；在抽穗期蒙燕1號(hào)、太陽神光合速率分別提高164.61%、200.42%，J+Spm2處理分別提高83.77%、160.90%。這表明外施精胺可緩解堿脅迫處理對(duì)燕麥光合速率的抑制，0.01 mmol/L精胺處理的緩解效果優(yōu)于0.06 mmol/L；且在抽穗期外施精胺對(duì)太陽神堿脅迫光合速率的抑制作用緩解高于蒙燕1號(hào)。

表2 外施精胺對(duì)堿脅迫下燕麥光合特性的影響

與CK相比，J處理拔節(jié)期和抽穗期均顯著降低氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率（P<0.05）。與J處理相比，不同濃度外施精胺顯著提高兩個(gè)品種的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率（P<0.05）。J處理兩個(gè)品種胞間CO2濃度顯著低于CK（P<0.05），氣孔限制值提高，說明氣孔因素是光合速率降低的主要因素；J+Spm1、J+Spm2處理可促進(jìn)胞間CO2濃度提高。

2.3 外施精胺對(duì)堿脅迫下燕麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表3可知，與CK相比，J處理拔節(jié)期蒙燕1號(hào)、太陽神Fo分別提高9.78%、29.18%，抽穗期分別提高28.32%、32.39%；抽穗期Fo增幅高于拔節(jié)期，太陽神的Fo增幅高于蒙燕1號(hào)，F(xiàn)o提高說明PSⅡ反應(yīng)中心受到損傷。與J處理相比，J+Spm1、J+Spm2處理均降低蒙燕1號(hào)、太陽神Fo，J+Spm1處理下的Fo低于J+Spm2處理。

Fv/Fm是PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)狀況的熒光參數(shù)，反映了植物的潛在最大光合能力。與CK相比，J處理Fv/Fm呈降低趨勢；拔節(jié)期蒙燕1號(hào)、太陽神Fv/Fm分別降低3.90%、9.08%，抽穗期分別降低7.60%、10.56%。蒙燕1號(hào)的Fv/Fm降幅低于太陽神。與J處理相比，J+Spm1、J+Spm2處理對(duì)蒙燕1號(hào)、太陽神Fv/Fm差異不顯著（P>0.05）。

ABS/CSm表示單位面積吸收的光能參數(shù)，與CK相比，J處理ABS/CSm呈降低趨勢；拔節(jié)期蒙燕1號(hào)、太陽神分別降低9.70%、14.30%，抽穗期分別降低4.61%、15.65%。J+Spm1、J+Spm2對(duì)蒙燕1號(hào)、太陽神的ABS/CSm與J處理相比差異不顯著（P>0.05）。

TrO/CSm表示單位面積捕獲的光能。與CK相比，J處理TrO/CSm呈降低趨勢；拔節(jié)期蒙燕1號(hào)、太陽神TrO/CSm分別降低13.25%、22.08%，抽穗期分別降低10.78%、24.57%。蒙燕1號(hào)TrO/CSm的降幅小于太陽神。與J處理相比，抽穗期J+Spm1處理下太陽神的TrO/CSm有所提高，且二者差異顯著（P<0.05）。

EtO/CSm表示單位面積傳遞的光能。與CK相比，J處理EtO/CSm呈降低趨勢；拔節(jié)期蒙燕1號(hào)、太陽神EtO/CSm分別降低25.55%、36.11%，抽穗期分別降低27.59%、42.37%。蒙燕1號(hào)EtO/CSm降幅低于太陽神。與J處理相比，拔節(jié)期J+Spm1、J+Spm2處理可提高太陽神EtO/CSm（P<0.05）；抽穗期J+Spm1處理促進(jìn)EtO/CSm提高，蒙燕1號(hào)、太陽神EtO/CSm分別提高6.13%、15.22%（表3）。

PIABS可準(zhǔn)確表示植物光合機(jī)構(gòu)整體狀態(tài)，是反映脅迫處理對(duì)光合器官影響狀態(tài)較為敏感的一個(gè)參數(shù)。由表3可知，J處理蒙燕1號(hào)、太陽神PIABS顯著低于CK（P<0.05），拔節(jié)期蒙燕1號(hào)、太陽神PIABS分別降低56.58%、77.48%；抽穗期蒙燕1號(hào)、太陽神PIABS分別降低74.97%、79.51%。蒙燕1號(hào)的PIABS降幅低于太陽神；抽穗期蒙燕1號(hào)、太陽神PIABS降幅高于拔節(jié)期。與J處理相比，J+Spm1處理顯著提高PIABS（P<0.05），拔節(jié)期蒙燕1號(hào)、太陽神PIABS分別提高24.45%、125.25%；抽穗期分別提高48.91%、23.96%；J+Spm2處理兩個(gè)品種PIABS均低于J+Spm1處理。

表3 外施精胺對(duì)堿脅迫下燕麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

3 討論

光合作用是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，是作物生產(chǎn)碳水化合物的生物過程[22-24]。前人研究多為鹽脅迫、鹽堿混合脅迫對(duì)植物光合作用的影響，對(duì)堿脅迫研究較少[25-26]。葉綠素是光合作用的重要色素，關(guān)系到作物生長發(fā)育及生產(chǎn)[27]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，堿脅迫下，燕麥葉綠素含量呈降低趨勢，這與李英麗等[28]堿脅迫導(dǎo)致燕麥葉綠素含量降低的研究結(jié)果一致。葉綠素含量降低會(huì)直接導(dǎo)致類囊體光合復(fù)合物組裝錯(cuò)誤，影響蛋白復(fù)合體功能，降低光合速率。本研究得出堿脅迫下，外施精胺可提高葉綠素含量，有助于光合作用進(jìn)行。

氣孔因素和非氣孔因素是脅迫環(huán)境降低光合速率的主要原因。氣孔因素是氣孔開度降低導(dǎo)致胞間CO2濃度下降，用于光合作用原料減少，非氣孔因素導(dǎo)致CO2溶解度下降、Rubisco酶活性降低、1，5-二磷酸核酮糖再生能力下降、光合器官關(guān)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低[29-31]。本試驗(yàn)得出堿脅迫下，燕麥光合速率、胞間CO2濃度低于對(duì)照，氣孔限制值提高，說明氣孔限制因素是光合速率降低的主要原因。這與劉建新等[32]提出的堿脅迫下非氣孔因素導(dǎo)致燕麥光合速率降低的研究結(jié)果不一致，這可能與品種差異有關(guān)。堿脅迫對(duì)抽穗期光合特性的抑制作用高于拔節(jié)期，這可能與脅迫時(shí)間較長有關(guān)。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在堿脅迫環(huán)境下，外施精胺對(duì)光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率有一定促進(jìn)作用。與堿脅迫相比，0.01 mmol/L精胺處理顯著提高氣孔導(dǎo)度說明外源精胺可促進(jìn)CO2向葉綠體的運(yùn)輸，緩解脅迫環(huán)境導(dǎo)致的光合作用原料供應(yīng)不足。與堿脅迫相比，0.01 mmol/L精胺處理可顯著提高兩個(gè)燕麥品種的蒸騰速率，說明精胺可通過增加蒸騰拉力，促進(jìn)礦物質(zhì)營養(yǎng)與水分的吸收與運(yùn)輸，從而有助于燕麥適應(yīng)脅迫環(huán)境。與堿脅迫相比，0.01、0.06 mmol/L精胺處理可顯著降低兩個(gè)燕麥品種的氣孔限制值，說明外施精胺能緩解脅迫環(huán)境對(duì)氣孔造成的限制，促進(jìn)進(jìn)入氣孔的CO2濃度增加，提高碳同化能力[33]。因此，外源精胺促進(jìn)堿脅迫下兩個(gè)燕麥品種的光合速率提高，這可能與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度升高，氣孔限制值降低有關(guān)。

為了進(jìn)一步闡明外施精胺對(duì)堿脅迫下燕麥光能捕獲、傳遞能力的影響，本試驗(yàn)檢測了葉綠素?zé)晒鈪?shù)。葉綠素?zé)晒鈪?shù)常用來分析PSⅡ的性能變化，PSⅡ?qū)δ婢趁{迫非常敏感，是衡量逆境脅迫損傷光合器官的有效指標(biāo)[34]。Fo是初始熒光量，為PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)量，F(xiàn)o升高說明色素吸收能量用于光化學(xué)反應(yīng)的部分減少[35]，PSⅡ反應(yīng)中心破壞或可逆失活會(huì)導(dǎo)致Fo升高，非光化學(xué)能量耗散、光合色素破壞會(huì)導(dǎo)致Fo升高[36]。本試驗(yàn)中，堿脅迫下，F(xiàn)o高于對(duì)照，抽穗期兩個(gè)燕麥品種的Fo高于拔節(jié)期，說明隨著脅迫時(shí)間的增加PSⅡ反應(yīng)中心開始失活。外施精胺較堿脅迫有利于降低Fo，說明精胺可協(xié)助保持PSⅡ反應(yīng)中心穩(wěn)定。Fv/Fm為PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率，光抑制導(dǎo)致Fv/Fm降低，F(xiàn)v/Fm已被廣泛用作光抑制的診斷指標(biāo)[36]。在堿脅迫下，兩個(gè)燕麥品種的Fv/Fm低于對(duì)照。說明堿處理導(dǎo)致燕麥產(chǎn)生光抑制，這與番茄、高粱在鹽堿處理下Fv/Fm降低的研究結(jié)果一致[37-38]。精胺處理對(duì)兩個(gè)燕麥品種的Fv/Fm無顯著影響。

PIABS是以吸收光能為基礎(chǔ)的光合性能指數(shù)，可準(zhǔn)確反映植物光合機(jī)構(gòu)的整體狀態(tài)，是反映光合系統(tǒng)受到環(huán)境影響的最敏感參數(shù)[38]，堿脅迫處理下，兩個(gè)燕麥品種的PIABS顯著低于對(duì)照說明堿處理損傷光合機(jī)構(gòu)。這與堿脅迫下高粱PIABS降低的研究結(jié)果一致[39]。堿脅迫下，兩個(gè)燕麥品種的參數(shù)ABS/CSm、TrO/CSm、EtO/CSm呈降低趨勢，說明在脅迫條件下，PSⅡ反應(yīng)中心捕獲傳遞光能的能力下降，反應(yīng)中心失活，電子傳遞受阻[38-39]。本試驗(yàn)得出在抽穗期，與堿脅迫相比，0.01 mmol/L外施精胺可促進(jìn)兩個(gè)燕麥品種的TrO/CSm、EtO/CSm、PIABS值顯著升高，說明精胺有利于燕麥增加單位面積用來還原QA的激發(fā)能和用于電子傳遞的能量，緩解PSⅡ反應(yīng)中心失活，抑制光合機(jī)構(gòu)損傷，改良光系統(tǒng)Ⅱ的整體性能。

4 結(jié)論

75 mmol/L堿脅迫顯著降低燕麥拔節(jié)、抽穗期葉綠素含量、光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，提高氣孔限制值，抽穗期光合速率降幅高于拔節(jié)期。75 mmol/L堿脅迫顯著提高燕麥拔節(jié)、抽穗期Fo，降低Fv/Fm、TrO/CSm、EtO/CSm、PIABS值。外施精胺可促進(jìn)堿脅迫下燕麥葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率提高，進(jìn)而提高光合速率。抽穗期，0.01 mmol/L精胺較堿脅迫燕麥增加單位面積用來還原 QA的激發(fā)能（TrO/CSm）和用于電子傳遞的能量（EtO/CSm），進(jìn)而提高PIABS值，改良?jí)A脅迫下燕麥光系統(tǒng)Ⅱ整體性能。