甲基环丙稀对干旱胁迫苗期甘蔗叶绿素荧光参数的影响

2020-02-25何姗珊梁朝旭唐仕云李麒鹏李江平

西南农业学报 2020年10期

何姗珊，曾媛，梁朝旭，经艳，唐仕云，李麒鹏，李江平，宁夏，谭芳，李松，李鸣*

(1.广西农业科学院甘蔗研究所，广西南宁 530007；2.广西农业科学院，广西南宁 530007；3.大禹节水集团股份有限公司，甘肃酒泉 735000)

【研究意义】甘蔗(SaccharumofficinarumL.)属于喜高温和光照及需水量较大的作物，整个生育期需水量约968.32 mm，日均需水量2.98 mm[1]。甘蔗是广西重要的糖类经济作物，主要分布在丘陵和旱坡地区，保水保肥效率不高，加上受季风气候影响年降水量的时空分布不均匀和农田灌溉设施不足等条件限制，尤其是春、秋两季降水量稀少及缺乏有效灌溉，其产量和品质受到严重影响，对蔗农和蔗糖生产企业的发展极其不利。水分是限制植物生长、发育和繁殖的关键因素，在水分胁迫条件下植物的外观形态及生理和生态方面均表现出一系列变化，如光合作用受到抑制、呼吸紊乱和代谢异常等[2-3]。近年来，以叶绿素荧光参数作为诊断植物抗逆性的可行性指标发挥了越来越重要的作用[4-5]。甲基环丙稀(l-MCP)是一种乙稀抑制剂，近年来已广泛应用于多种作物应对逆境胁迫[6-10]，但将1-MCP应用于干旱胁迫甘蔗叶绿素荧光参数研究的报道极少。因此，探究春季干旱胁迫条件下1-MCP对苗期甘蔗叶绿素荧光参数的影响情况，有利于指导甘蔗苗期抗旱研究，对提高春季甘蔗出苗率、保障蔗农收益和促进广西蔗糖业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】干旱是植物生长过程中遭遇的重要非生物胁迫之一，干旱胁迫会损坏植物叶绿体超微结构，从而破坏叶绿体的光合机构，影响光合作用的电子传递和CO2同化过程，促使叶绿素降解和叶绿体光还原活性下降[11]。干旱胁迫能使植物从表型、生理生化到分子水平发生一系列变化，甚至导致新陈代谢发生紊乱，产生大量的活性氧，破坏细胞膜结构的完整性和稳定性，造成氧化损伤，叶绿素合成受阻，降低叶片的叶绿素含量，致使光系统II(PSII)受损，电子传递和光合磷酸化过程受到抑制，叶片的光合作用减弱，进而影响植物的正常生长发育[12-13]。王小乐等[14]研究显示，喷施200.0 mg/L乙烯利和用1.0 mg/L 1-MCP熏蒸苗期甘蔗，能增加其叶片的过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性，有利于提高其抗旱性；但在中度和重度干旱胁迫下喷施较高浓度(300.0 mg/L)乙烯利和用1-MCP熏蒸不利于提高其抗旱性。王冠玉等[15]研究发现，在水分供应正常时，苗期甘蔗使用1-MCP其叶片POD和SOD活性明显提高，CAT活性变化不明显；在干旱胁迫时，苗期甘蔗使用1-MCP其叶片POD和SOD活性显著提高。方位宽等[16]研究表明，在正常供水情况下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗，其SoMAPK4基因在转录水平上的表达量不受1-MCP一次处理影响，而二次处理后基因表达量呈下调趋势；在干旱胁迫时使用1-MCP二次处理苗期甘蔗能增加其SoMAPK4基因在转录水平上的表达量，且随着干旱胁迫时间的延长基因表达量增加。许多研究者已将叶绿素荧光参数PSII原初光能转化效率(Fv/Fm)应用于甘蔗抗旱性评价，如Colom等[5]研究发现，在甘蔗抗旱能力种质资源筛选中干旱胁迫条件下甘蔗的Fv/Fm产生快速响应；朱理环等[4]、罗俊等[17]研究显示，干旱胁迫下甘蔗的光合作用能力受到制约，Fv/Fm和潜在光化学活性(Fv/Fo)明显降低，净光合速率(Pn)下降，表明Fv/Fm可作为甘蔗抗旱评价指标之一。王勤南等[18]利用叶绿素荧光技术研究甘蔗细茎野生种质资源的叶绿素荧光特性，并进行聚类分析，以α光合利用效率为指标，可将59个材料分为高光合利用效率、中高光合利用效率、中光合利用效率和低光合利用效率四大类。刘三梅等[19]以4个云南主栽甘蔗品种为材料，分别测定各品种在苗期、分蘖期和伸长期干旱胁迫后的光合指标及叶绿素荧光参数，结果表明干旱胁迫下除云引3号的光合指标在分蘖期降幅显著大于苗期和伸长期外，其余品种的光合指标和叶绿素荧光参数降幅均在伸长期最大。俞华先等[20]研究表明，水分胁迫下甘蔗叶片的SPAD、Fm、Fv/Fo和Fv/Fm均降低，说明水分胁迫伤害了PSⅡ，光合电子传递受阻。刘家勇等[21]以6个甘蔗品种为试验材料，从9：00-19：40连续测量其荧光动力学参数，结果发现干旱胁迫下甘蔗叶绿素荧光参数Fv/Fm和Fv/Fo测量值随着气温的升高显著降低。【本研究切入点】目前，国内外将1-MCP用于干旱胁迫植物叶绿素参数方面的研究不多[22]，关于干旱胁迫下1-MCP对苗期甘蔗叶绿素荧光参数影响的研究也鲜见报道。【拟解决的关键问题】以新台糖22号(ROC22)为试验材料，在封闭空间用1.0 mg/L 1-MCP分别对其进行1和2次熏蒸处理，测定各处理苗期甘蔗叶片的叶绿素含量和叶绿素荧光参数，分析干旱胁迫下1-MCP对苗期甘蔗光合作用的影响，为甘蔗的干旱生理生化研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年3-5月在广西农业科学院甘蔗研究所科研基地进行，甘蔗品种为ROC22。试验药品1-MCP由甘肃奥扬高科纳米技术有限公司提供，其平均分子量(MW)为54.09。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计于2019年3月进行甘蔗桶栽，桶底打通10个等直径的小孔用于排水；栽培土为壤土与生物有机肥混合而成。2019年3月25日双芽下种，齐苗后定苗，每桶留8株。待甘蔗生长至5～8叶时，移栽至人工封闭室，并设4个处理，其中，处理1为正常供水(连续7 d每天绕水1次，每次浇4 L/桶)，处理2为正常供水+1.0 mg/L 1-MCP熏蒸，处理3为干旱胁迫(连续7 d不浇水)，处理4为干旱胁迫+1.0 mg/L 1-MCP熏蒸。每处理种植甘蔗5桶，采用随机区组设计。在人工密闭室，用1 M NaOH溶解1-MCP粉剂，使其释放1.0 mg/L 1-MCP气体熏蒸处理甘蔗叶片，每次熏蒸14 h，分别设熏蒸1次处理和熏蒸2次处理。

1.2.2 测定指标及方法处理后连续7 d随机选取各处理甘蔗5～8株的+1叶，每天8：00开始利用FMS-2脉冲调制式荧光仪(英国Hansatech公司)测定叶绿素荧光参数；取各处理甘蔗6～8株的叶片带回实验室测定叶绿素含量。叶绿素提取和含量测定：将采集的新鲜甘蔗叶洗净，用滤纸吸干，去主叶脉称取0.5 g，加入5.0 mL 80 %丙酮溶液研磨，然后转入200.0 mL容量杯中，再加入45.0 mL 80 %丙酮充分摇匀，置于黑暗处24 h后用分光光度计测定663和645 nm处的吸光度，依据Arnon公式[23]计算叶绿素含量。

Ca(mg/g)=(12.7×A663-2.69×A645)×V/(1000W)

Cb(mg/g)=(22.7×A645-4.68×A663)×V/(1000W)

Ct(mg/g)=Ca+Cb

式中，A645和A663分别为波长在645和663 nm处的吸光度值，Ca和Cb分别为叶绿素a和叶绿素b含量，Ct为叶绿素总含量，V为提取溶液体积，W为叶样品质量。

叶绿素荧光参数测定：参照许大全[24]的方法，选取生长较一致甘蔗植株的+1叶，利用Handy PEA调制式叶绿素荧光仪(英国Hansatech公司)测定Fv/Fm、PSII实际利用量子产量(Yield)、电子传递效率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(qN)等叶绿素荧光参数。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行统计和制图，以SPSS 17.0(One-way ANOVA)进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 1-MCP处理对苗期甘蔗叶片叶绿素总含量的影响

由图1可看出，在正常供水情况下，处理1和处理2甘蔗的叶绿素总含量总体上较稳定，并保持在较高水平，二者无显著差异(P>0.05，下同)，其中，处理2甘蔗的叶绿素总含量总体上呈先增加后减少的变化趋势，自处理后的第2天起，处理2的叶绿素总含量略高于处理1，说明在正常供水情况下利用1-MCP熏蒸能在短期内提高苗期甘蔗叶片的叶绿素总含量；在干旱胁迫情况下，处理3和处理4甘蔗的叶绿素总含量均显著低于处理1和处理2，随着干旱胁迫时间的延长，处理3和处理4甘蔗的叶绿素总含量均呈递减趋势，其中，处理4甘蔗的叶绿素总含量在处理的第3～7天显著高于处理3(P<0.05，下同)，且随着干旱胁迫时间的延长，处理4与处理3甘蔗的叶绿素总含量差异更明显。可见，干旱胁迫可明显降低苗期甘蔗叶片的叶绿素总含量，而利用1-MCP熏蒸可延缓苗期甘蔗叶片叶绿素的降解速度，尽可能确保甘蔗叶片能进行光合作用，在一定程度上减少干旱胁迫对甘蔗植株的伤害。

同一处理天数图柱上不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同Different lowercase letters on the bar of the same treatment time indicate significant differences(P<0.05)，the same as below

2.2 1-MCP处理对苗期甘蔗叶片Fv/Fm的影响

从图2可看出，在正常供水情况下，处理1和处理2甘蔗的Fv/Fm总体上较稳定，并维持在较高水平，二者无明显差异，说明在正常供水情况下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗对其叶片Fv/Fm的影响不明显。在干旱胁迫情况下，处理3和处理4甘蔗的Fv/Fm较正常供水处理明显下降，随着干旱胁迫时间的延长，其Fv/Fm呈递减趋势；自处理的第2天起，处理3和处理4甘蔗的Fv/Fm显著低于处理1和处理2，在处理的第3～5天，处理4甘蔗的Fv/Fm高于处理3，且差异显著，而在处理的第6～7天，处理4甘蔗的Fv/Fm高于处理3但差异不明显。可见，干旱胁迫会明显降低苗期甘蔗叶片的Fv/Fm，利用1-MCP熏蒸短期内可在一定程度上延缓其Fv/Fm的降低速度，从而维持PSII利用光能的能力。

图2 1-MCP处理苗期甘蔗叶片Fv/Fm的变化情况Fig.2 PSII Fv/Fm variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

2.3 1-MCP处理对苗期甘蔗叶片Yield的影响

从图3可看出，在正常供水情况下，处理1与处理2甘蔗的Yield较稳定，并维持在较高水平，二者间差异不明显，说明在正常供水情况下，使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗对其叶片的Yield影响不明显。在干旱胁迫情况下，处理3和处理4甘蔗的Yield随着干旱胁迫时间的延长呈逐渐下降趋势；自处理的第2天起，处理3和处理4甘蔗的Yield显著低于处理1和处理2，其中处理后第3～5天，处理4甘蔗的Yield显著高于处理3，随着干旱胁迫时间的延长，处理3和处理4甘蔗的Yield差异逐渐缩小至无显著差异。可见，在干旱胁迫下，使用1-MCP熏蒸短期内可在一定程度上延缓苗期甘蔗叶片Yield的下降速度，从而维持PSII对光能的捕获能力。

图3 1-MCP处理苗期甘蔗叶片的Yield变化情况Fig.3 PSII yield variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

2.4 1-MCP处理对苗期甘蔗叶片ETR的影响

从图4可看出，在正常供水情况下，处理1与处理2甘蔗的ETR总体上相对稳定，并维持在较高水平，且二者间无明显差异，说明在正常供水情况下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗对其叶片ETR影响不明显。在干旱胁迫情况下，处理3和处理4甘蔗的ETR随着干旱胁迫时间的延长呈下降趋势，且均显著低于

图4 1-MCP处理苗期甘蔗叶片ETR的变化情况Fig.4 ETR variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

处理1和处理2，其中，在干旱胁迫的第3～5天，处理4甘蔗的ETR显著高于处理3，其他处理时间与处理3无明显差异。可见，在干旱胁迫下，使用1-MC熏蒸短期内能在一定程度上延缓苗期甘蔗叶片ETR的下降速度，从而维持PSII对光能的捕获能力和ETR。

2.5 1-MCP处理对苗期甘蔗叶片qP的影响

从图5可看出，在正常供水时，处理1与处理2甘蔗的qP总体上很稳定，并维持在较高水平，二者间无显著差异，说明在正常供水情况下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗对其叶片qP的影响不明显；在干旱胁迫下，处理3和处理4甘蔗的qP随着干旱胁迫时间的延长呈逐渐下降趋势，且均显著低于处理1和处理2。其中，在干旱胁迫的第3～5天，处理4甘蔗的qP显著高于处理3，其他时间差异不显著。可见，在干旱胁迫下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗短期内可在一定程度上延缓其叶片qP的下降速度，从而维持PSII对光能的捕获能力和qP。

图5 1-MCP 处理苗期甘蔗叶片qP的变化情况Fig.5 qP variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

2.6 1-MCP处理对苗期甘蔗qN的影响

从图6可看出，在正常供水时，处理1与处理2甘蔗的qN总体上很稳定，并维持在较低水平，二者间差异不显著，说明在正常供水情况下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗对其叶片qN的影响不明显；在干旱胁迫下，处理3和处理4甘蔗的qN随着干旱胁迫时间的延长呈显著上升趋势，与甘蔗叶片的总叶绿素含量、Fv/Fm、ETR和qP的变化趋势相反，其中，在干旱胁迫的第3～5天，处理4甘蔗的qN显著低于处理3，在其他时间二者差异不显著。可见，在干旱胁迫下使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗可延缓其叶片qN的上升速度，从而减少不能用于正常光合电子传递的热能耗散，防止叶片光合作用系统失活或受到破坏。

图6 1-MCP处理苗期甘蔗叶片qN的变化情况Fig.6 qN variation of sugarcane leaves after 1-MCP treatment

3 讨论

叶绿素是与光合作用紧密相关的一类重要色素，当植物受到干旱胁迫时，叶片的叶绿素降解，含量降低，叶绿体的光合作用机制受到破坏，光合效率大幅降低[25]。本研究中，在正常供水情况下苗期甘蔗的叶绿素含量保持在相对稳定水平，说明在正常供水情况下苗期甘蔗熏蒸1.0 mg/L 1-MCP在短期内对其叶片叶绿素总含量影响不明显；在干旱胁迫时，苗期甘蔗叶片的叶绿素总含量均明显低于正常供水甘蔗，且随着干旱胁迫时间的延长，甘蔗叶片的叶绿素总含量均呈递减趋势，其中使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗叶片的叶绿素总含量随着干旱胁迫时间的延长显著高于未使用1-MCP熏蒸甘蔗叶片的叶绿素总含量。可见，干旱胁迫可明显降低苗期甘蔗叶片的叶绿素总含量，而利用1-MCP熏蒸可延缓其叶绿体光合作用机制受到破坏的速度和叶片总叶绿素的降解速度，尽可能确保甘蔗叶片能进行光合作用，保证CO2同化速率和光合作用的正常运行，从而缓解干旱胁迫对甘蔗光合作用的破坏，减少干旱胁迫对甘蔗植株的伤害。

叶绿素荧光动力学是探测和分析植物光合作用功能的重要手段，同时也是研究植物逆境胁迫与光合生理关系的理想探针[22]。目前，叶绿素荧光技术已广泛应用于干旱胁迫、低温胁迫和盐胁迫的植物生理研究等方面[22-28]。已有研究表明，植物的Fv/Fm在正常条件下基本保持在稳定水平，当遭受干旱胁迫时，Fv/Fm会迅速下降，导致其Yield、ETR和qP下降，且随着干旱程度的不断加重，这些参数的降幅更明显。此外，在干旱胁迫下，植物直接以热耗散途径消耗过剩光能的量逐渐增加，qN不断上升[29]。本研究结果与上述研究结果一致，在正常供水时，使用1-MCP熏蒸苗期甘蔗对其叶片的Fv/Fm、Yield、ETR、qP和qN等叶绿素荧光参数影响不明显，而在干旱胁迫情况下使用1-MCP熏蒸能有效延缓苗期甘蔗叶片Fv/Fm、Yield、ETR和qP的下降速度，降低qN升幅，维持PSII对光能的捕获能力，保持正常的光能转化效率，防止热能过度耗散对光合结构造成失活或破坏。

1-MCP广泛应用于鲜花和果蔬保鲜，以及延缓果实采后衰老和提高贮藏品质等方面，也常作为乙烯抑制剂使用，并逐渐应用于减轻逆境(尤其在抗热和抗病方面)对植物造成伤害的研究[7，30-33]。1-MCP是一种环丙烯类小分子化合物，常温下为气态，用于甘蔗苗期抗旱处理需在密闭空间进行，如王小乐等[14]研究表明，在密闭空间喷施一定浓度的乙烯利和1-MCP组合能提高甘蔗苗期CAT、SOD和POD活性，减轻水分胁迫压力；王冠玉等[15]在密闭空间对苗期甘蔗施用1-MCP能提高其叶片POD和SOD活性，有利于缓解干旱胁迫对植物细胞的伤害；方位宽等[16]在密闭空间使用1-MCP处理苗期甘蔗2次，能增加甘蔗SoMAPK4基因在转录水平上的表达量，且随着干旱胁迫时间的延长而增加。因此，对大田苗期甘蔗利用1-MCP进行抗旱性研究尚需探究合适的处理方法。