外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗的光合荧光及抗氧化特性的影响

黄平升，刘世男，李 婷，覃永华,3

（1广西壮族自治区南宁树木园，南宁 530031；2广西大学林学院，南宁 530004；3广西壮族自治区林业勘测设计院，南宁 530011）

0 引言

硅是土壤中重要组成成份，其含量仅次于氧元素，位居第二。它虽然不是高等植物生长过程中的必需元素，但是在植物生命活动有着多方面的积极作用。大量研究表明外源硅对植物在逆境胁迫下具有一定的缓解作用，包括盐、干旱、重金属、高温等胁迫[1-4]。外源硅对盐胁迫下植物的缓解作用研究主要集中在生长和生理生化方面。外源硅能够缓解盐胁迫下植物生长受抑制，通过增加植物株高、根长度、根鲜重，增加根冠比，并促进植物对矿质元素的吸收[5-8]，提升抗盐能力。对盐胁迫下的小麦(Triticum aestivum)、黄瓜(Cucumis sativus)、番茄(Solanum lycopersicum)、黄芩(Scutellaria baicalensis)等施加外源硅后发现，外源硅能有效地缓解盐胁迫下相关诱导的光合色素和光合能力损伤，以及通过对超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等抗氧化酶活性的调节，降低活性氧的产生和积累的伤害，进而保证盐胁迫下植物正常生长[6,9-12]。目前对外源硅缓解盐胁迫的应用报道多集中农作物，对木本植物的研究较少。

黄果厚壳桂(Cryptocarya concinna)隶属樟科(Lauraceae)厚壳桂属(Cryptocarya)，是典型的南亚热带优势常绿树种。通过对该树种的木材密度、纤维变异规律等指标研究，发现黄果厚壳桂材性优良，适合于建筑和家具[13-15]；通过分离鉴定根和茎化学成分，发现该树种对治疗口腔癌具有明显作用[16-18]，可见，黄果厚壳桂具有较高的材用和药用价值，应用前景广阔。但是，目前对于该树种的研究主要集中在繁育技术、生长规律、材性和抗性等少量研究[13-15,19-22]。植物抗逆性的研究对于其应用推广具有重要意义。李俊贞等[23]研究发现黄果厚壳桂可通过提高SOD、POD活性和NPQ来缓解较低浓度盐胁迫带来的不利影响，但当盐浓度增加一定程度后，抗氧化酶和光合作用均受到严重影响。本研究在此基础上，以黄果厚壳桂幼苗为材料，探讨不同浓度外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗的光合作用和抗氧化酶的影响，为其抗性生理和种植推广研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试材料为南宁树木园苗圃培育的一年生黄果厚壳桂实生苗。选取苗高、地径一致且健康的植株，将其放入1/2 Hoagland营养液培养适应5天。依据李俊贞等[23]研究结果，本研究采用100 mmol/L NaCl进行盐胁迫7天，然后用不同浓度的硅溶液处理，7天后测定各项指标。共设置的处理分别为0 mmol/L NaCl、100 mmol/L NaCl、100 mmol/L NaCl+0.5 mmol/L K2SiO3、100 mmol/L NaCl+1.0 mmol/L K2SiO3、100 mmol/L NaCl+2.0 mmol/L K2SiO3，每个处理8株，3次重复。试验在大棚内进行，每3天更换一次营养液，同时使用充气泵全天通气。

1.2 试验方法

1.2.1 光合及叶绿素荧光参数的测定 在上午9:00—11:00用便携式光合测定仪LI-6400XT测定幼苗第3片叶子的净光合速率Pn、气孔导度细胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)光合参数，同时用德国调试IMAGING-PAM叶绿素荧光成像系统测定幼苗的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、非光化学淬灭系数(NPQ)、每个处理测定3株。

1.2.2 色素的测定 取新鲜叶片0.1 g，去中脉剪碎加入10 ml乙醇—丙酮混合液(V:V=1:1)，使叶片完全浸入混合液中，暗处理24 h。暗处理期间需轻轻摇晃。当观察到叶片颜色变为白色时，即可比色。取浸取液于比色杯中分别在波长665、649、470 nm下测定吸光度值。根据公式计算叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。

1.2.3 抗氧化酶及丙二醛的测定 称取0.2 g鲜叶，加入10 ml磷酸缓冲液(0.05 mmol/L，pH=7.0)、0.1 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及少许石英砂，在冰浴中研磨成匀浆，再用15 ml的磷酸缓冲液分次冲洗移入离心管中，5000 g离心20 min，提取上清液用于后续指标测定。超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定采用氮蓝四唑法；过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚法[24]；多酚氧化酶(PPO)活性的测定采用邻苯二酚法[25]；抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性采用紫外分光法测定[26]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[27]。

1.3 数据分析

用SPSS 19.0进行试验数据的统计及制图，用LSD法对试验数据进行显著性方差分析。

2 结果与分析

2.1 外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶片光合特性的影响

如图1所示，盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)显著降低(P＜0.05)，相比CK分别降低了10.6%，50%，66.7%；盐胁迫下其细胞间CO2浓度Ci显著升高(P＜0.05)，相比CK增加11.6%。当添加不同浓度硅后，随着硅浓度增加Pn、Gs和Tr逐渐升高，而Ci先逐渐降低，各处理间存在一定差异。较盐胁迫处理，NaCl+0.5Si、NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si处理的Pn分别提高3.8%、5.4%和8.6%，Gs分别提高32.5%，70.0%和87.5%，Tr分别提高60%，100%和180%，Ci分别降低3.0%，6.7%和8.9%，此外NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si处理与 NaCl处理差异显著(P＜0.05)。与CK相比，当外源硅的浓度为2.0 mmol/L时可显著提高Pn、Gs和Tr，降低Ci，效果最佳。

图1 外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶片光合作用参数的影响

2.2 外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响

如图2所示，100 mmol/L盐胁迫下，Fm与Fv/Fm降低，当添加不同浓度硅后，随着硅浓度增加Fm和Fv/Fm逐渐升高。其中，Fm增幅较小，各处理间差异均不显著；与盐胁迫处理相比，NaCl+0.5Si、NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si处理的Fv/Fm分别增加了7.1%、14.7%和21.8%，其中NaCl+2.0Si与NaCl处理差异达到显著水平(P＜0.05)。

由图2可知，100 mmol/L盐胁迫下，Fo与NPQ升高，当添加不同浓度硅后，随着硅浓度增加逐渐降低。与盐胁迫处理相比较，NaCl+0.5Si、NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si处理的Fo分别降低1.3%、5.8%、10.4%，其中NaCl+2.0Si与盐胁迫处理达到显著差异水平(P＜0.05)；NPQ分别降低了6.4%、15.7%、34.8%，NaCl+1.0Si，NaCl+2.0Si与NaCl处理差异显著水平(P＜0.05)。

图2 外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

2.3 外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶片色素含量的影响

如图3所示，盐胁迫下，各色素含量降低。当添加不同浓度硅后，其含量均不同程度升高，其中叶绿素a和类胡萝卜素增幅较小，与NaCl胁迫处理差异不显著(P＞0.05)；而叶绿素b增幅较大，与盐胁迫处理相比较，NaCl+0.5Si、NaCl+1.0Si、NaCl+2.0Si的叶绿素b含量分别提高了2.5%、14.5%、29.2%。

图3 外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶片中色素的影响

2.4 外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶片抗氧化酶和丙二醛含量的影响

如图4所示，100 mmol/L盐胁迫下，SOD、PPO和APX各抗氧化酶活性均显著降低(P＜0.05)，而POD活性显著增加。当添加不同浓度的外源硅后，随着硅浓度增加SOD、POD活性逐渐升高；与盐胁迫处理相比，SOD的活性分别增加了17.3%、39.2%、121.3%，POD活性分别增加了13%、31.2%、41.8%，不同处理之间差异达显著水平(P＜0.05)。APX活性随着硅浓度增加，先降低后增加，与盐胁迫处理相比，NaCl+0.5Si处理下APX活性降低15%且差异显著(P＜0.05)，NaCl+1.0Si处理下APX活性降低3.1%且差异不显著，而NaCl+2.0Si处理下APX活性增加了7.2%且差异不显著。

图4 外源硅对盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶片中抗氧化酶和MDA的影响

100 mmol/L盐胁迫下，MDA含量显著上升，当添加不同浓度的外源硅后，随着硅浓度增加其含量逐渐降低。与盐胁迫处理相比，分别下降了6.8%、13%、16.9%，各处理相邻之间差异较为明显(P＜0.05)，但NaCl+2.0Si处理的MDA未能低于CK对照组。

3 结论与讨论

光合作用是植物有机物合成的主要途径，光合能力的大小与植物对有机物的积累量直接相关[5,28]。叶绿素含量的稳定有利于维持植物正常的光合化学效率。盐胁迫下植物叶绿素含量的变化存在差异，其中盐敏感植物叶绿素含量随着盐浓度增加显著下降，如棉花(Gossypium hirsutum)等[29]，而盐生植物随着高浓度的增加变化不显著，当达到耐受极限浓度时显著下降，如海蓬子(Salicornia bigelovii)等[30]。黄果厚壳桂幼苗的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均随盐浓度的升高而降低，其中不同处理间仅叶绿素b差异显著(P＜0.05)[23]。添加外源硅明显提高叶绿素b含量，且随着硅浓度的升高而回升幅度加大。表明外源Si能在一定程度上缓解盐胁迫对植物细胞结构的伤害，维持叶绿体结构的完整性，缓解叶绿素的降解。在盐胁迫的影响下，光合速度会下降，根据净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)的变化方向把造成下降的原因主要分为气孔因素和非气孔因素[31]。本试验中，盐胁迫使黄果厚壳硅幼苗叶片Pn、Cs和Tr降低，Ci升高，表明盐胁迫影响光合速率主要是非气孔因素所致。而施用外源硅后可缓解盐胁迫下黄果厚壳硅幼苗叶片Pn、Cs和Tr降低，且硅浓度越高效果越显著。

PSⅡ反应中心吸收的光能去向分为3个部分，即光反应的部分、天线色素的热耗散部分和过剩激发能。研究发现，植物叶绿体中的PSⅡ系统受损会导致叶绿素吸收的光能以热和荧光的形式耗散的比例增大，造成Fo增大[32]。黄果厚壳桂幼苗在盐胁迫下Fo增大，Fv、Fm下降，表明盐胁迫下黄果厚壳桂幼苗叶绿体中PSⅡ反应中心受损，叶片吸收的太阳能以热和荧光形式耗损的比例增加。张玲等[33]研究辣椒(Capsicum frutescens)在盐胁迫下发现其Fv/Fm显著降低，表明辣椒在盐胁迫下其叶绿体中PSⅡ反应中心受抑制，原初光能转化率下降。本试验中的Fv/Fm与此类似，可能是叶片发生了光抑制，光合作用强度下降。植物在盐胁迫下可以通过提高自身NPQ来消耗过剩激发能，以保护自身光合机构来维持光合作用的稳定[34]。本试验的NPQ结果与此类似，盐胁迫下显著提高，增大自身过剩激发能的消耗量来维持光合作用的正常进行。本试验施加外源Si后，黄果厚壳桂幼苗叶片中Fo、NPQ显著降低，Fm、Fv/Fm增高，表明加外源Si一定程度上能有效缓解黄果厚壳桂幼苗PSⅡ中心的受损程度，提高其光化学活性及其原初光能捕获效率。

大量研究表明，丙二醛(MDA)是植物膜脂过氧化过程的产物，其含量高低可反映植物受伤害的程度和植物对逆境的反应[35]。植物在盐胁迫下，体内MDA含量均显著升高[36]，施加外源硅能降低MDA含量的累积。在盐胁迫下，黄果厚壳桂幼苗叶片中MDA含量上升，且随着浓度的增加而上升[23]；本试验表明添加外源硅也显著降低了MDA的含量，且随硅浓度的增加，降低的幅度越大，说明适合浓度的外源硅可通过减低MDA的含量缓解盐胁迫对黄果厚壳桂幼苗的伤害程度。

在盐胁迫下，植物体内会产生过多的活性氧，从而对细胞的膜结构和功能造成巨大破坏[37]。当植物体内活性氧过多时，其体内的抗氧化系统会受到刺激从而产生更多的抗氧化酶，如SOD、POD、PPO、APX等抗氧化酶来将活性氧等物质分解，保护植物细胞。然而，不同植物中所起主要作用的抗氧化酶种类不同，如烟草(Nicotiana tabacum)、石榴(Punica granatum)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)等主要通过提升PPO和APX活性抵御盐胁迫逆境[38-40]，而白玉兰(Michelia alba)、猴樟(Cinnamomum bodinieri)、黄果厚壳桂等则通过提升SOD和POD活性抵御低盐环境[23,41-42]。但是，当盐环境达到较高浓度时，抗氧化系统自身也受到破坏，无法平衡活性氧的毒害。外源硅的施加则能提高这些抗氧化酶的活性缓解不良环境的影响。本试验中，添加不同浓度外源硅均能提升SOD、POD、PPO和APX的活性，其中SOD和POD活性在NaCl+2.0Si处理时显著高于对照组(CK)，而PPO活性在NaCl+1.0Si处理时高于对照组(CK)。