SiO2NPs纳米材料对草莓生长和高温逆境的作用

杨素爽,黄雅茹,郭雨亭,赵丽娟,牛歆雨,王 静,张彦萍,6

(1 河北农业大学园艺学院,河北保定,071000;2 南京农业大学园艺学院,南京,210095;3 江苏省农业科学院果树研究所/江苏省高效园艺作物遗传改良重点实验室,南京,210014;4 西藏农牧学院植物科学学院,西藏林芝,860000;5 南京大学环境学院,南京,210023;6 河北农业大学科教兴农中心,河北保定,071000)

草莓分为季节草莓和四季草莓。四季草莓夏秋季开花结果,季节草莓冬春季结果而春夏繁苗,生产中均会遇到长期或短期高温影响植株生长、花芽分化和果实发育。研究表明,25 ℃是草莓光合作用的最适温度,最高温度不能超过35～40 ℃[1]。温度过高会降低植物呼吸速率和酶活,增加膜透性,阻碍叶绿素合成,使植株萎蔫,影响草莓植株正常生长甚至导致死亡[2]。

纳米材料是一种新型材料,具有小尺寸效应、表面效应等,对植物生长和抗逆有重要作用,农业领域生产中吸收、催化、磁效应等方面也表现出优异性能[3]。尹勇等研究表明,纳米氧化锌可增加水稻鲜干质量和株高[4],孙德权等研究发现一定浓度的纳米硅可以增加玉米苗的叶片数量,提高玉米茎秆的高度、粗度和玉米种子的发芽率[5]。纳米硅可通过缓解氧化损伤来提高黄瓜幼苗的耐盐性[6]和对白粉病的抗性[7],也可以通过促进植物根系对水分的吸收来提高番茄幼苗的抗旱性[8]。

目前关于SiO2NPs纳米材料(SiO2NPs)对草莓生长和高温逆境作用的相关研究报道很少。陈斌等[9]研究表明,喷施纳米SiO2可以增强草莓对光的利用效率,改善光合性能,提高果实品质;另有研究表明,硅可提高植物对干旱胁迫[10]、低温胁迫[11]、NaCl胁迫[12-13]等非生物胁迫的抵御能力。本试验采用SiO2NPs叶面喷施处理,通过统计叶片数等农艺性状、测定光合参数、碳代谢和抗氧化酶活性等生理指标,探讨SiO2NPs对草莓生长和高温逆境的作用,为草莓栽培、生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选取大小一致的健壮草莓苗,品种为“宁玉”,由江苏省农业科学院果树研究所提供。栽培容器为外口径10 cm,高8 cm的营养钵。扦插1级匍匐茎到32孔穴盘中,待其长至4～5片真叶后,将大小基本一致的草莓苗移栽于红色塑料钵中,每盆做好标记。

1.2 方法

SiO2NPs的制备。使用万分之一天平,称取0.03 g SiO2NPs(南京大学赵丽娟教授惠赠),放入300 mL水中,将溶液进行1 h的超声波处理,使颗粒充分溶解,配成母液。将母液稀释为20 mg/L和100 mg/L两个浓度的溶液,分别装入干燥避光的喷壶中,现配现用。

试验设置6个处理(见表1),每个处理3次重复,每个重复6株植株。

表1 试验处理

每日18:30进行不同浓度叶面喷施SiO2NPs,清水喷施为对照,连喷7 d,喷施完成后草莓植株分别放入两个培养箱,一个培养箱为常温(昼/夜温度25 ℃/20 ℃),另一个为高温(昼/夜温度35 ℃/30 ℃),每个培养箱内3个处理。培养箱其余参数均为:湿度60%,光照强度4 000 lx,光照14 h/黑暗10 h。

1.3 样品的采集与处理

放入培养箱当天为第1 d,统计第10 d和第39 d完全展开的叶片数并计算两者差值(见表2);使用直尺测量植株由内向外第4片叶片第10 d和第39 d的叶柄长,并计算两者差值(见表2);第1～39 d,每天统计开花株数,每株的开花数、结果数,期间隔3 d测量最长花序的花序长;每盆选取3片大小一致、完全展开的草莓叶片,使用SPAD叶绿素测定仪测定叶片的叶绿素含量,取平均值;用Handy PEA植物效率分析仪测定叶片的叶绿素荧光(暗适应时间30 min);使用LI-6800便携式光合测定仪在培养箱的光源环境下测定叶片光合作用参数。

表2 外源喷施SiO2NPs对不同生长条件下草莓叶片数和叶柄长的影响

超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定采用WST-8法;过氧化物酶(POD)活性的测定采用H2O2法;过氧化氢酶(CAT)活性的测定采用钼酸铵比色法;丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸;可溶性蛋白质含量的测定用BCA法;总糖含量的测定采用DNS法;可溶性糖含量和淀粉含量的测定采用蒽酮比色法。以上均为试剂盒方法,试剂盒购自苏州科铭生物技术有限公司。

1.4 数据分析

试验数据整理以及制作图表使用Excel 2010软件,差异显著性分析用DPS软件,LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 对草莓叶片数和叶柄长的影响

外源喷施SiO2NPs后分别在高温和常温下生长第39 d的草莓植株整体长势情况如图1所示。

注:处理1、2、3的昼/夜温度均为25/20 ℃,外源SiO2NPs的浓度分别为0、20、100 mg/L;处理4、5、6的昼/夜温度均为35/30 ℃,外源SiO2NPs的浓度分别为0、20、100 mg/L。

喷施20、100 mg/L SiO2NPs后在常温下继续生长,与清水对照相比增加了叶片数,提高了叶柄长,其中20 mg/L SiO2NPs显著增加叶片数。喷施20 mg/L SiO2NPs后在高温下生长,叶片数增加且叶柄长提高,但3个处理在叶片数上并无显著差异;喷施100 mg/L SiO2NPs后在高温下生长的草莓叶片数与对照没有差异但叶柄长小于对照,与20 mg/L SiO2NPs有显著差异(见表2)。

2.2 对草莓叶片PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm值的影响

草莓植株受到高温胁迫后,PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm值降低,Fv/Fm值越小表明抗性越弱。相同浓度下高温胁迫后Fv/Fm值降低,常温喷施和高温喷施SiO2NPs后Fv/Fm值均随浓度升高先上升后下降,且常温和高温下20 mg/L SiO2NPs处理与对照、100 mg/L均有显著差异(见图2)。试验结果表明,喷施20 mg/L SiO2NPs可增加PSⅡ系统对光的吸收能力,提高草莓植株抗热性。

注:*与**分别表示差异显著(p<0.05)和差异极显著(p<0.01)。

2.3 对叶片叶绿素含量和光合作用的影响

常温下喷施20、100 mg/L SiO2NPs比对照的叶绿素含量显著增加。喷施20 mg/L SiO2NPs高温生长下比清水对照显著增加了叶绿素含量,100 mg/L叶绿素含量最少,但与对照无显著差异(见表3)。以上表明,喷施20 mg/L SiO2NPs可减缓高温胁迫引起的草莓叶片色素降解,增强植株抗性,但浓度过高(100 mg/L)则缓解效应降低。

表3 外源喷施SiO2NPs对不同生长条件下草莓叶片叶绿素含量和光合作用的影响

草莓遭受高温胁迫后净光合速率显著下降,而20 mg/L SiO2NPs处理的净光合速率显著高于相同高温下生长的对照。常温下20 mg/L SiO2NPs处理的气孔导度显著高于对照和100 mg/L SiO2NPs处理;高温下SiO2NPs处理的气孔导度没有显著差异。高温下蒸腾速率比常温降低,高温下无显著差异;常温下20 mg/L SiO2NPs处理的蒸腾速率显著高于对照和100 mg/L SiO2NPs。高温下胞间CO2浓度增加,相同温度下的处理没有显著差异。以上表明,喷施SiO2NPs可增加高温下草莓植株光合作用能量合成,20 mg/L效果优于100 mg/L(见表3)。

2.4 对草莓叶片可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白和总糖含量的影响

喷施20、100 mg/L SiO2NPs可显著增加叶片可溶性糖含量。高温条件下叶片淀粉含量显著高于常温;常温条件下,喷施20、100 mg/L SiO2NPs显著增加了淀粉含量。常温下可溶性蛋白质含量随SiO2NPs浓度增加先上升后下降,高温下可溶性蛋白质含量随SiO2NPs浓度增加先下降后上升,100 mg/L SiO2NPs处理后高温下可溶性蛋白质含量比常温显著提高。常温下总糖含量随SiO2NPs处理浓度升高显著增加;而高温下总糖含量随SiO2NPs浓度升高逐渐降低,100 mg/L SiO2NPs显著低于对照(见表4)。

表4 外源喷施SiO2NPs对不同生长条件下草莓叶片可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白和总糖含量的影响

2.5 对草莓叶片SOD、POD、CAT活性及MDA含量的影响

喷施SiO2NPs无论在常温还是高温下均能提高SOD活性,且常温下20、100 mg/L SiO2NPs显著提高了SOD活性;高温下,100 mg/L SiO2NPs处理的SOD活性显著高于对照和20 mg/L SiO2NPs。高温下POD活性高于常温,喷施20 mg/L SiO2NPs高温下可显著提高POD活性。高温下20、100 mg/L SiO2NPs处理显著提高了CAT活性。喷施SiO2NPs后高温下MDA含量降低,20 mg/L与对照有显著差异(见表5),表明喷施20 mg/L降低了高温胁迫下细胞膜透性。结果表明,喷施20 mg/L SiO2NPs效果最优,高温下提高植株POD、CAT活性,降低MDA含量,减少草莓酶系统损伤,提高植株抗热性。

表5 外源喷施SiO2NPs对不同生长条件下草莓叶片SOD、POD、CAT活性及MDA含量的影响

3 结论与讨论

试验结果表明,喷施SiO2NPs常温生长条件下可增加新叶数量,提高叶柄长;高温下20 mg/L SiO2NPs促进新叶生长,而100 mg/L SiO2NPs减轻高温下叶柄的徒长,与陈斌等[9]的研究结果类似。高温胁迫会抑制植物体叶绿素的合成,降低光合速率[14],直接影响作物叶片光电子传递及光合能力[15-16],与本文研究结果一致;而纳米二氧化硅通过促进叶绿素的合成[17]及植株叶片的生长,提高光合作用速率,从而促进植物的生长[18-19],与本文研究结论一致。

高温胁迫影响了草莓的碳代谢和抗氧化能力。不同作物不同抗热性品种对高温胁迫下碳代谢的反应不同,本研究中高温下叶片淀粉及总糖含量增加;而喷施SiO2NPs提高了可溶性糖的含量,可溶性糖是渗透调节物质,通过积累抵抗外界不良环境条件。前人研究表明,30 ℃以上高温影响草莓光合能力,导致草莓叶片的可溶性蛋白质含量持续减少[20],而本研究喷施SiO2NPs,高温胁迫下,可溶性蛋白质的含量并没有显著下降,表明SiO2NPs可能通过增加可溶性糖且不降解蛋白质来抵御高温胁迫。已有研究表明,纳米硅可提高植物抗逆性,其既有纳米材料的性能,又有类抗氧化酶活性[21-22]。SOD、POD、CAT是植物体内广泛存在的抗氧化酶,活性越高,抗逆能力越强;丙二醛是植物膜脂过氧化的产物,其含量在一定程度上可衡量胁迫程度。草莓在35 ℃胁迫11 d时,CAT、SOD的活性显著低于对照,而POD活性显著高于对照[24]。本试验中,喷施SiO2NPs后在高温下生长39 d后,草莓的POD、CAT、SOD活性均有不同程度增加,缓解了高温产生的氧化胁迫,与甜椒[23]施加纳米硅的研究结果相似;而叶面喷施SiO2NPs常温下可显著提高SOD的活性,对POD、CAT的活性没有显著作用,可能本研究中SiO2NPs具有类SOD活性。

本试验喷施20、100 mg/L SiO2NPs常温下均可不同程度促进草莓植株生长,高温来临前叶面喷施均可不同程度缓解高温胁迫对草莓造成的危害,提高草莓植株抗热性,以20 mg/L SiO2NPs效果最优。