硒代蛋氨酸对草莓光合特性及叶绿素荧光参数的影响

2020-12-28高尚蔡莉萍单长卷

灌溉排水学报 2020年12期

高尚，蔡莉萍,2，单长卷*

（1.河南科技学院，河南新乡 453003；2.漯河食品职业学院，河南漯河 462000）

0 引言

【研究意义】硒（Se）是人体必需的微量元素，亦会对植物生长发育起到促进作用[1]。外源施用硒元素能够提高植物抗氧化及拮抗重金属的能力，同时对植物果实品质提升有显著效果[2-3]。研究硒元素的应用对提高农业种植效率及作物经济效益具有重要意义。光合作用作为植物重要的生理活动之一，其不仅为植物生命活动提供必要能量，同时在物质代谢过程中起到重要作用[4]。【研究进展】耶兴元[5]、胡旭雅等[6]、张杨杨等[7]研究表明，外源施硒能够显著提升猕猴桃、山核桃、甜瓜等植物光合能力，进而提升其果实中蛋白质、可溶性糖、游离氨基酸及维生素C 等物质量，以达到提升果实品质的目的。在草莓方面，许真等[8]、张海英等[9]研究表明，外源施加适量硒能够显著提升草莓果实中维生素、可溶性糖、花色苷及总酚等重要营养物质量。【切入点】近年来，对硒应用于草莓种植的相关研究，已取得一定进展，但外源硒对草莓光合特性影响的相关研究较少，且前人研究多以无机硒为手段，对于有机态硒的研究较少。因此，研究草莓光合特性对有机态硒的响应，对生产中草莓光合效率及有机物积累能力的提升具有较大意义。

【拟解决的关键问题】本研究通过盆栽试验并以不同添加量硒代蛋氨酸（SeMet）溶液进行叶面喷施处理，旨在研究外源SeMet对草莓光合作用相关指标及有机物质积累的影响，并筛选出最佳应用添加量，以期为研究有机硒调控草莓果实营养物质积累及在生产中草莓栽培措施改进和植株光合效率提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为甜查理草莓苗。该品种由美国引入，具有休眠浅、产量高、抗逆性强、生长势强、大果型、品质好和耐储存等优良特性，因此得以在我国广泛种植和销售[10]。选用植株生长状况良好且大小相近的草莓苗，定植于制式塑料盆中，盆高14 cm，直径15 cm。每盆装培养土2 kg，培养土由泥炭和园土按7∶3的比例混合而成。培养土体积质量为1.10 g/cm3，有机质量为19.2 g/kg，速效氮、速效磷和速效钾量分别为150.31、167.62 和240.23 mg/kg，土壤pH值为6.9。

1.2 试验设计

试验于2019年4月5日进行，地点位于河南科技学院植物生理生化实验室。每盆浇水200 mL，置于室内进行缓苗处理，3日后选取长势良好草莓苗置于培养箱中培养，培养箱规格为680 cm×620 cm×1 800 cm，有效容积为300 L。设置昼夜温度25℃/15℃，日间光强600 μmol/（m2·s），夜间光强0 μmol/（m2·s），光周期12 h，相对湿度60%。其间利用称质量法控制含水率在70%～75%之间。待现蕾期开始，每6 天1次，采取叶面喷施的方法，对草莓苗进行不同添加量的硒代蛋氨酸处理，每盆植株每次喷施溶液50 mL。参照鞠明岫等[11]、孙丽[12]的研究，同时结合前期预试验的结果，本次研究共设5个处理，分别为T1 处理（10 mg/L）、T2 处理（30 mg/L）、T3 处理（60 mg/L）、T4 处理（90 mg/L）共4个SeMet添加量处理，对照（CK）仅采用等量清水喷施叶片，直至果实成熟，每个处理3个重复，共计15 盆。

1.3 测定方法

分别在草莓大果期（约花后18 d，果实整体呈全绿色且显著膨大）、转色期（约花后23 d，果实膨大过程基本结束且着色面积达20%～50%）、成熟期（约花后28 d，果实着色面积达80%以上），选取大小、叶龄相近，无损伤、病害及黄叶且叶片完全展开的各处理草莓叶片进行测定。

光合色素量采用丙酮比色法[13]进行测定。光合生理参数测定采用LI-6400 便携光合仪进行测定，时间选择在08:00—16:00之间进行，每2 h测定1次。测定净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、气孔导度（stomatal conductance，Gs）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）、胞间CO2摩尔分数（intercellular CO2concentration，Ci）、大气CO2摩尔分数（atmospheric CO2concentration，Ca）。气孔限制值（stomatal limitation value，Ls）及水分利用率（water use efficiency，WUE）计算式为：

绿素荧光参数采用PAM-2500 便携式调制叶绿素荧光仪进行测定，测定参数意义及计算式如下：

式中：Y(II)为PSII实际光化学效率；Fv/Fm为PSII最大光化学量子产量；Fv'/Fm'为PSII有效光化学量子产量；ETR为表观电子传递速率；NPQ为非光化学淬灭系数；qP为光化学淬灭系数。

植株总生物量采用烘干法进行测定、果实糖度采用WYZ型手持折光仪测定。每次测定均避开喷施试剂，每个指标重复测定3次，所得数据以WPS XLSX软件进行计算及制图，并以SPSS Stastitics 25 进行差异显著性及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 外源SeMet对草莓叶片光合色素量的影响

表1为3个时期各处理草莓叶片光合色素量。与CK相比，不同添加量处理下各时期草莓叶片中叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）、叶绿素总量（Chla+b）及类胡萝卜素（Car）量均有所提高，且变化形式较为相近，随着硒添加量的增加，总体上呈先高后低的单峰变化趋势，均在T3 处理处达到最高点且达显著水平，随后开始下降。此外，在草莓转色期，与CK相比，各处理Chla/b的值显著提高。说明SeMet 能够显著提升各时期草莓叶片中Chla、Chlb、Chla+b及Car 量，且以T3 处理为最佳，同时显著改变转色期草莓叶片中叶绿素分配情况，但该值对硒添加量的变化响应并不明显。

2.2 外源SeMet对草莓叶片光合生理参数的影响

表2为外源SeMet 对草莓叶片光合生理参数的影响。由表2可知，各处理草莓大果期、转色期以及成熟期Pn、Gs、Tr以及WUE值变化趋势相对一致，随SeMet 添加量升高而增加，T3 处理达到最高，在T4处理呈下降趋势。说明外源SeMet 能够增加各时期草莓叶片光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用效率，且均以T3 处理效果最佳。

表1 各时期草莓叶片光合色素量Table1 Photosyntheticpigment content in strawberry leaves in each period

表2 各时期草莓叶片中光合生理参数Table2 Photosynthetic physiological parameters in strawberry leaves in each period

在草莓大果期和成熟期，叶片中Ci值均呈先高后低的变化趋势，且均在T3 处理达到最高，结合上文对应时期光合速率变化趋势，可以判定在草莓大果期和成熟期，外源SeMet主要通过改变气孔因素进而达到提升光合速率的效果，而在草莓转色期，各组处理Ci值呈先低后高变化趋势，这与该时期光合速率变化趋势相反，说明该时期，虽然各处理光合速率增强，但此时非气孔因素的影响程度较其他2个时期有所增强，且通过Ls值的变化方向可以证实。Ls代表叶片气孔限制值，其变化方向通常用以辅助判断光合速率变化的影响因素[14]，草莓大果期及成熟期Ls值与同时期光合速率变化趋势呈负相关，说明这2个时期外源SeMet通过降低叶片气孔限制，增加CO2通量，进而增强光合作用，而转色期则相反，气孔限制值与光合速率共同增加，说明SeMet在该时期并不是主要通过调节气孔限制达到增强光合速率的目的。

2.3 外源SeMet对草莓各叶片叶绿素荧光参数的影响

由表3可知，不同添加量SeMet处理下草莓叶片Y（II）、Fv/Fm、Fv'/Fm'、ETR及qP值均有所提升。其中，Y（II）、ETR、qP数值变化规律基本一致，各时期均呈先高后低的变化趋势，且均在T3 处理达到最高。Fv/Fm在大果期及转色期均以T3 处理最高，而成熟期则以T2 处理最为显著。Fv'/Fm'值在大果期以T3处理为最高，而转色期各添加量处理间差异缩小，在成熟期又呈先高后低的单峰变化趋势，亦以T3 处理为最高。此外，与CK相比，各添加量SeMet处理下NPQ值均有所降低，且3个时期均以T3 处理减小最为显著。说明外源施用SeMet会对草莓不同时期叶片光合荧光参数产生较为积极的影响，在一定程度上提高光能捕获效率、电子传递速率以及叶片光能转化能力，同时降低叶片非光化学损耗，进而达到提高光合作用能力的目的，且总体上以60 mg/L SeMet处理表现最优。

2.4 外源SeMet对草莓植株总生物量及果实糖度影响

表4为3个时期草莓植株总生物量及果实糖度，各时期糖度及相应时期植株总生物量变化趋势基本一致，均随SeMet添加量上升呈先高后低变化趋势，在各时期均于T3 处理达到峰值，随后开始下降。经过各时期光合速率、植株总生物量及果实糖度间相关性分析（表5）可以得知，在草莓大果期、转色期、成熟期3个时期中，其叶片光合速率与植株生物量、果实糖度间均存在较高相关性，其中在草莓转色期，各因素间相关性较其他时期尤为显著。说明外源施加SeMet能够显著增加各时期草莓植株总生物量同时改善果实糖度，且各时期均以60 mg/L SeMet处理为最佳。此外各时期草莓光合速率与植株总生物量及果实糖度之间存在密切联系，且在草莓转色期表现最为显著。

表3 各时期草莓叶片中叶绿素荧光参数Table3 Chlorophyll fluorescence parameters in strawberry leaves in each period

表4 各时期草莓植株总生物量及果实糖度Table4 Total biomass and fruit sugar degree of strawberry plants in each period

表5 各时期草莓植株总生物量、果实糖度及光合速率间相关性分析结果Table5 The correlation analysis result of total biomass,fruit sugar and photosynthetic rate of strawberry in each period

3 讨论

光合色素是植物进行光合作用的物质基础。本研究发现，外源SeMet能够提高草莓各时期叶片Chla、Chlb及Car量，这与薛原等[15]、王华等[16]、胡万行等[17]研究结果基本一致。Li等[18]研究表明，硒可以促进植物对Ca、Mg、Mn、Zn、P、K等元素的吸收，这些元素在促进及参与光合色素形成的过程中通常起到重要作用，同时有研究表明硒能够通过影响辅酶因子的吸收和分布对叶绿素合成相关酶的活性起到一定促进作用[19]。硒是否是植物必需微量元素这一观点尚存争议，但硒对草莓生长相关指标的作用符合一般微量元素的生物效应规律，即低添加量硒会对植物产生促进作用，但高水平硒作用会抑制植物生长。

本研究中高添加量硒处理下，草莓叶片光合色素量均呈现下降趋势，这可能由于硒能取代了叶绿素合成的关键酶中巯基键的硫原子，破坏了酶蛋白的构型，使酶的活性降低，从而阻碍了叶绿素的合成过程[20]。硒对大果期及成熟期草莓叶片绿素影响不大，而对转色期叶绿素比例影响较大。作为天线色素的大部分Chla分子和全部Chlb分子在光合作用中主要起捕捉和传递光能的聚光作用，仅有部分剩余的Chla作为中心色素承担捕捉聚光色素传递的光能并转换电化学能的作用，Chla/b的值提高说明叶片中的光反应系统对光能的转化效率有所提高，且Chla/b的值可以反映叶绿体中类囊体薄膜的垛叠程度，比值提高则表明膜垛叠增加，提高了植物对光子的有效吸收、传递和利用，进而促进了光能向生物化学能的转化效率[21,17]这点在该时期光合速率参数中亦可得到支撑。

本研究发现，外源SeMet对各时期草莓光合速率、气孔导度、蒸腾速率及水分利用效率均有积极促进作用，这与王孝娣等[22]、闫帅等[23]研究结果保持一致，研究表明硒能够增进植物体内抗氧化酶的活性，有效减缓叶片衰老。同时调整植物叶层分布，增加光能利用效率，改善叶片内部组织结构[24-25]。光合速率的主要影响因素分为气孔因素和非气孔因素，且该2种因素通常同时发挥作用，其主要是根据Ci值与光合速率变化方向进行判定[26]。通过结合相应时期胞间CO2摩尔分数及气孔限制值分析发现，硒对草莓果实不同发育时期叶片光合速率变化的影响因素并不完全相同，在草莓大果期和成熟期主要以影响气孔限制因素为主，进而促进草莓叶片光合速率提升。研究表明，适宜添加量的硒可以通过控制植物叶片气孔导度，减少气孔阻力，进而提高CO2通量，达到提升植物光合速率的效果[21,27]；而在草莓转色期，叶片光合速率变化的影响因素则主要以非气孔限制因素为主，造成上述限制因素差异的原因可能是由于草莓各生育时期主要生理活动不同导致的。硒处理下草莓各时期蒸腾素率变化幅度与气孔导度变化基本一致，气孔的蒸腾作用作为植物水分吸收与运输的主要动力，同时承担着矿质元素营养的运输与吸收以及保持植物体温的重要作用，在一定程度上影响着植物叶片的气体交换，间接地对光合作用起到促进作用。

叶绿素荧光参数对判定植物叶片光合过程中对光能的吸收、传递、耗散、分配等具有重要的作用[28-29]。本研究发现，外源SeMet能够提高草莓果实各时期叶片中Y（II）、Fv/Fm、Fv'/Fm'、ETR及qP的值，同时一定程度上降低叶片NPQ值，这与李亚敏等[30]研究结果基本一致。另外，虽然经过分析草莓转色期光合速率主要影响因素是非气孔因素，但部分叶绿素荧光参数与光合速率变化趋势并不完全一致，这可能是由于外源硒处理对光合作用中相关酶系统及膜系统机构的影响造成的。说明外源施硒不仅对草莓叶片光合作用中色素系统及和光反应系统造成一定影响，还对其他光合机构产生着一定的作用，硒对草莓光合作用过程产生的影响是这些光合机构共同作用的结果。

研究发现，外源SeMet能够提高各时期草莓植株生物总量及果实中糖度，这与李乐等[31]、王孝娣等[32]的研究结果一致。同时，草莓各时期叶片光合速率与果实糖度、植株总生物量之间存在较强相关性，且在转色期最为显著。说明草莓光合作用与植株干物质及果实含量之间存在密切关系，同时外源SeMet能够通过提升草莓光合作用能力进而促进植株良性生长并达到提升果实品质的效果