硒、硅对盐胁迫下小麦光合生理及养分累积的影响

白凤麟，樊雨荷，李 琳

(长治学院生命科学系，山西长治 046011)

作为世界范围内广泛种植的谷类作物之一，小麦(TriticumaestivumL.)含有高比例的碳水化合物、蛋白质、矿质营养及膳食纤维，是全球85%以上人类和牲畜的主要食物原材料[1]。然而，小麦产区往往处于干旱或半干旱环境，长期灌溉和施肥使土壤盐渍化加剧，然而现推广的大多数小麦品种对土壤盐耐受性较低、敏感性较强[2]。土壤NaCl含量累积是导致盐渍化的主要因素，且Cl-和Na+溶解性极强，易随着水分被植物吸收进入体内而造成累积[3]。高盐胁迫导致的渗透胁迫对植物的水分吸收、细胞伸长和叶片生长发育具有显著的负面影响，此外植物器官中过量的Na+积累，会抑制蛋白质生物合成、各种酶促反应和光合作用过程[4]。在过去的几十年中，通过传统育种和基因工程方法开发耐盐小麦品种取得了一定的成果，但由于时间限制、技术要求苛刻及品种收益等问题，使其无法全面普及[5]。目前，一些物理性方法已应用于降低土壤盐分胁迫，其中为植物提供有益元素被认为是最具成本效益、最简便的可持续策略之一[6]。

硅(Si)作为一种有益元素，可以提高植物对盐胁迫的抵抗力。研究表明，施Si均可增强谷物作物、油料作物、蔬菜以及烟草等植物的抗逆能力[7]。Si介导植物缓解盐胁迫的主要潜在机制已被逐渐揭示：韧皮部中的Si沉积可减少Na+向木质部的质外转运，从而降低Na+的向上转移[8]。如Bosnic等的研究表明，Si介导Na+通过木质部转运到枝条及通过直接诱导ZmSOS1、ZmSOS2、ZmHKT1和ZmNHX基因的表达从而调节Na+积累和分隔[9]。多项研究表明，Si可通过调节激素和激素反应基因的表达以增强植物的耐盐性[10]，以及通过调节水通道蛋白和渗透调节物质的生物合成与代谢来减轻盐诱导的渗透胁迫[11]。

硒(Se)是人类和动物健康不可缺少的微量元素，也是对植物生长发育及品质形成的有益元素[12]。大量研究表明，Se可以缓解不同环境压力带来的不利影响，如重金属胁迫、温度胁迫、干旱和盐胁迫[13]。Se可增强潜在的胁迫防御系统，包括刺激抗氧化酶和非酶活性(即抗氧化系统)；此外，Se可改善光系统效率光合系统Ⅱ(PSⅡ)、促进叶绿素荧光代谢、减少叶绿素分解[14]。研究表明，Se介导的盐胁迫缓解的作用效果及其机制取决于Se的剂量、化学形式、盐度水平、植物种类以及施用条件等[15]。目前关于Si、Se对植物非生物胁迫的影响主要集中于对重金属胁迫的作用，且多以单一施用为主，关于小麦和盐胁迫的研究鲜有报道。基于此，本研究探索Se、Si相互作用对小麦光合生理代谢及养分累积的影响，研究结果将有助于为Se、Si运用于小麦生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2021年3—6月在山西农业大学谷子研究所进行。供试小麦品种为晋麦47，种子来自山西农业大学谷子研究所。种子采用0.5% NaClO进行表面灭菌10 min，然后用去离子水冲洗数次并浸泡 6 h，最后放置于铺垫润湿滤纸的培养皿中，在28 ℃培养箱暗处理催芽24 h。供试盐为氯化钠(NaCl)，硒为五水亚硒酸钠(Na2SeO3·5H2O)，硅为九水偏硅酸钠(Na2SiO3·9H2O)，均购自索莱宝化学试剂公司。供试土壤取自山西农业大学试验田(111°28′39″E，35°19′21″N)，土壤类型为褐土。土壤经风干后混匀过4 mm网筛，土壤pH值为7.57，土壤全氮含量为1.03 g/kg，碱解氮含量为 67.62 mg/kg，有效磷含量为22.92 mg/kg，速效钾含量为131.56 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设置3因素复合试验，因素1：施用 150 mmol/L NaCl，因素2：施用30 mmol/L Si(Si4+)，因素3：施用30 mmol/L Se(Se4+)。共5个处理，CK：不施NaCl、Si、Se；SS：施用NaCl，不施Si、Se；SS+SI：施用NaCl、Si，不施用Se；SS+SE：施用NaCl、Se，不施用Si；SS+SI+SE：施用NaCl、Si、Se。每个处理重复5次。盆栽装置为塑料桶，盆高为 16 cm，上口径为 14 cm，底径为10 cm。每盆装3 kg土，施入200 mL Hogland氏营养液，并保持75%田间持水量。每盆施入小麦种子15粒，出苗后减至6株。小麦幼苗进入分蘖期(40 d)后，施入200 mL NaCl溶液；Se、Si皆采用外源喷施，每次喷施5 mL，隔天喷施，连续10次，总量为50 mL。为保证幼苗的正常生长及养分平衡，每2周向培养基质中加入100 mL Hogland氏营养液。种植期间不定时补充水分，其他管理措施同小麦培育方法。

1.3 样品采集及测定分析

1.3.1 小麦光合色素含量及叶绿素荧光参数的测定 培养结束后光合色素(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素)含量测定皆采用丙酮-乙醇混合浸提，采用紫外分光光度计(UV-1800，上海美谱达仪器有限公司)在665、648、653 nm处测定，具体步骤参照高俊凤的方法[16]。采用叶绿素荧光仪(Yaxin-1161G，北京雅欣理仪科技有限公司)测定叶片的荧光动力学参数：初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)及正常光照下的初始荧光(Fo′)、最大荧光产量(Fm′)及稳态荧光(Fs)。叶绿素荧光参数中，PSⅡ的最大光化学效率=Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，非光化学荧光猝灭系数NPQ=(Fm-Fm′)/(Fm-Fo)，实际光化学效率ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′，光化学荧光猝灭系数qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)[17]。

1.3.2 小麦光合气体交换参数及光合酶活性测定 采用通过便携式CIRAS-3光合作用系统(Ciras-3，PP Systems，USA)测定小麦叶片的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)等指标。内置叶室温度设置为(25±2)℃，CO2通量为540 μmol/mol，光量子密度为 900 μmol/(m2·s)[18]。光合作用酶包括核酮糖 1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)、果糖-1，6-二磷酸酯酶(FBPase)及果糖-1，6-二磷酸醛缩酶(FDA)，采用ELISA试剂盒(GenMed)测定，均购自合肥莱尔生物科技有限公司，其产品型号分别为 LE-Y1799、LE-Y1739及YX-C-C702。

1.3.3 小麦叶片养分含量测定 培养结束后，单盆单株收获小麦植株，将叶片分离并在105 ℃杀青 30 min，75 ℃烘干至恒质量，记录其干物质含量，采用研磨机粉碎过0.85 mm筛孔。小麦叶片采用浓硫酸消化，采用凯氏定氮法测定氮(N)含量。采用硝酸高氯酸混合酸处理消化叶片，并使用电感合成等离子体原子发射光谱仪(iCAP 7000，Thermo Scientific，USA)测定磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、锌(Zn)等元素的含量。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft excel 2013进行数据整理，采用IBM SPSS 19.0软件进行试验数据统计分析(α=0.05)，采用Origin 2021进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 硒、硅对盐胁迫下小麦光合色素含量的影响

由图1可知，光合色素中，整体而言，小麦叶片以叶绿素a含量大于叶绿素b和类胡萝卜素含量，各光合色素含量呈叶绿素a>叶绿素b>类胡萝卜素。由图1-A可知，在叶绿素a含量中，各处理呈SS

2.2 硒、硅对盐胁迫下小麦光合气体交换参数的影响

由图2-A可知，净光合速率(Pn)中，以SS+ SI+SE处理最高，CK、SS+SI处理其次，三者无显著差异，皆显著大于SS、SS+SE处理，且SS+SE处理亦显著大于SS处理。气孔导度(Gs)中，两两处理间均差异显著，其中以SS+SI+SE处理最高，CK、SS、SS+SI、SS+SE处理较其分别显著降低13.55%、41.08%、4.60%、29.78%(图2-B)。由图2-C可知，胞间CO2浓度(Ci)中，以SS处理最高，CK、SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE处理较其分别显著降低34.58%、13.22%、13.62%、29.94%；与CK处理相比，硒硅处理(SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE)的Ci提高7.10%～32.66%，其中SS+SI、SS+SE处理均显著大于CK。由图2-D可知，蒸腾速率(Tr)中，各处理呈SS

2.3 硒、硅对盐胁迫下小麦叶绿素荧光参数的影响

由图3-A可知，PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)中，以SS处理最低，SS+SE处理其次，两者间差异显著；其中CK、SS+SI、SS+SI+SE较SS和SS+SE处理分别显著提高17.46%、19.05%、17.46%和4.23%、5.63%、4.23%。由图3-B可知，光化学淬灭系数(qP)中，各处理呈SS

2.4 硒、硅对盐胁迫下小麦光合酶活性的影响

由图4-A可知，核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性中，以CK处理最高，余下处理较其显著降低6.54%～26.98%；以SS处理最低，SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE处理较其分别显著提高27.27%、14.23%、28.03%，其中SS+SI、SS+SI+SE处理显著大于SS+SE处理。由图4-B可知，果糖-1，6-二磷酸酯酶(FBPase)活性中，以 SS+SI+SE处理最高，其与SS+SI处理无显著差异，两者均显著大于余下处理；以SS处理最低，CK、SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE处理较其分别显著提高49.43%、77.34%、57.38%、86.20%。由图4-C可知，果糖-1，6-二磷酸醛缩酶(FDA)活性中，以SS处理最低，余下处理较其显著提高29.06%～39.02%；与CK处理相比，硒硅处理(SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE)变幅为-4.08%～3.38%，但四者间均无显著差异。

2.5 硒、硅对盐胁迫下小麦叶片养分含量的影响

由表1可知，盐胁迫下外源施用Se、Si影响了小麦叶部对矿质养分的吸收。在N、K、Mg含量中，各处理均表现为SS

表1 硒、硅对盐胁迫下小麦养分含量的影响

2.6 小麦养分含量与光合生理指标间的相关分析

由表2可知，Ci、NPQ与养分指标(N、P、K、Mg、Ca、Fe、Zn含量)呈负相关，其中与N、K、Mg、Fe存在显著或极显著相关关系，Ci、NPQ与Na含量均呈极显著正相关关系。就N含量而言，其与所有光合指标均存在明显的相关关系；相反地，Na含量与所有光合生理指标亦存在明显的反向相关关系。就P含量而言，其仅与Gs、FBPase活性呈显著或极显著正相关关系。就K含量而言，其仅与类葫芦卜素含量无显著关系，与其他指标均呈显著或极显著相关关系。就Mg含量而言，其仅与Pn无明显相关关系。Ca含量与所有光合生理指标均无明显的相关关系。Fe、Zn含量中，Fe含量与类胡萝卜素含量、Fe含量与qP、Fe含量与FDA、Fe含量与FBPase活性、Zn含量与叶绿素a含量、Zn含量与Gs、Zn含量与ΦPSⅡ和FBPase活性均存在显著的正相关关系。

表2 小麦叶片养分含量与光合生理指标间的相关分析

3 结论与讨论

盐胁迫可通过活性氧累积、抑制光化学反应等影响光合进程，从而导致光合效率降低进一步降低植物生物量[19]。叶绿素a、叶绿素b及类葫芦卜素是主要光合色素，影响光能吸收、分配与转化过程的基本物质[18]。此外，光合色素含量可反映植物的健康状况和植物对胁迫环境的耐受能力[20]。本研究中，150 mmol/L NaCl处理下，小麦叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量及叶绿素a含量/叶绿素b含量显著降低，这可能是由于叶绿体膜扩张和内囊体中过高的Na+累积所致[21]。一般而言，叶绿素含量与光合效率呈正相关，叶绿素含量的降低则意味着光合作用速率降低且不可逆转[22]。本研究中，盐胁迫处理下，光合色素含量指标均呈SS

在逆境条件下，导致光合效率下降的因素主要分为气孔限制或非气孔限制，当气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)同时降低时则为气孔限制，反之，则由叶绿体基粒活性下降的非气孔限制所引起[23]。本研究中，盐胁迫下无论施硒、硅与否，净光合速率(Pn)与Gs、Ci规律不一致，且施入硒、硅条件下Pn、Gs更高，Ci降低，表明盐胁迫下硒、硅皆可通过非气孔限制调节类囊体基粒反应从而改善光合作用进程。核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)、果糖-1，6-二磷酸酯酶(FBPase)及果糖-1，6-二磷酸醛缩酶(FDA)等光合酶的活性与光合机构完整度密切相关[20]。核酮糖1，5-二磷酸加氧/羟缩酶(RuBPCase、FBPase、FDA)是影响叶片固定CO2的主要酶类，在保证光合作用过程中的底物生成具有重要作用[24]。本研究中，盐胁迫处理(SS)下，RuBPCase、FBPase、FDA活性皆最低，且显著低于CK处理，这表明盐胁迫导致的光合结构受损是影响光合效率的又一因素。

植物对光能的吸收和转化主要分为3个过程：叶绿素荧光吸收，光合电子传递以及光合热散失[20]。PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)是评价PSⅡ反应中心光能的初级转化效率；实际光化学效率(ΦPSⅡ)是PSⅡ在反应中心部分关闭时的实际捕光效率，ΦPSⅡ反映了反应中心光合传递的净收益值；光化学淬灭系数(qP)反映着光化学电子转移中光色素捕获的光能比例[25-26]。非化学淬灭系数(NPQ)是反映PSⅡ反应中心吸收的光能无法用于光合电子传递，而以热能形式损失掉的光能部分[17，27]。本研究中，盐胁迫处理(SS)下，与CK处理相比，Fv/Fm、qP、ΦPSⅡ显著降低，而NPQ显著提高，在此基础上外源施用硒、硅条件下Fv/Fm、qP、ΦPSⅡ提高，NPQ降低；这表明在盐胁迫环境下施用硒、硅提高了PSⅡ反应中心的活力，激发了光合电子传输效率。这可能是由于Se和Si本身是植物光化学及能量代谢重要蛋白质的催化物质，因此提高PSⅡ中心捕获的激发能效率，减少激发热能在PSⅡ天线中的散失[18]。

盐胁迫会导致特定的离子毒性和植物生长抑制，Na+的过量积累对植物细胞有毒害作用，可导致新陈代谢紊乱和养分不足[28]。本研究中，在盐胁迫处理中，Na含量显著增加，而K含量显著降低，这表明叶片在吸收K+和Na+之间存在竞争关系；然而盐胁迫下施用硒、硅均显著降低了Na含量并增加了K含量。N、P、Mg在光合代谢中起着重要作用，P、Mg含量与盐胁迫下的光合速率呈显著正相关[29]。在本研究中，盐胁迫下N、P、Mg以及微量营养素(Fe和Zn)含量显著降低，这可能是由于盐分对N的获取和利用的干扰所致[30]，从而降低了叶绿素合成和光合作用效率。然而，在硒硅处理(SS+SI、SS+SE、SS+SI+SE)下N、P、Mg含量始终高于SS处理，这可能是由于低硒、硅与Na代谢具有串联干扰，从而增强了微量营养素的吸收[20]。

综上，盐胁迫可导致叶片光合色素的分解、阻碍气体交换与叶绿素荧光反应、降低光合酶活性以及抑制叶片养分累积，在此基础上施用硒硅有效改善了上述光合生理及养分吸收，且相关分析结果表明，养分含量与光合生理指标间存在明显的相关关系，表明硒硅可通过促进养分累积缓解叶片光合生理代谢，以硒硅组合施用最佳。