肉桂酸和邻苯二甲酸对沙芥属植物幼苗光合特性的影响

宁可真,袁学松,杨忠仁,2,黄修梅,郝丽珍,张凤兰*

(1 内蒙古农业大学 园艺与植物保护学院 内蒙古自治区野生特有蔬菜种质资源与种质创新重点实验室,呼和浩特 010011;2 内蒙古自治区农牧业大数据研究与应用重点实验室,呼和浩特 010011)

沙芥属(PugioniumGaertn.)为蒙古高原沙地的特有属,包括沙芥[Pugioniumcornutum(L.)Gaertn.]和斧翅沙芥(PugioniumdolabratumMaxim.)2个种,其中沙芥为中国特有种,斧翅沙芥为中国珍稀濒危物种,保护等级为Ⅱ级。该属植物营养价值丰富,具有食用、饲用、药用、保健和防风固沙等功能[1-2],且抗逆性良好[3],具有很高的经济价值和生态价值。但由于生境的恶化和人类的掠夺式开发[4],使其野生植物资源逐年减少,其自身存在的自毒作用加剧了这一问题[5],同时沙芥属植物的自毒作用也使其在引种驯化栽培中出现严重的连作障碍,为其异地保存和人工种植带来很大困难。

自毒作用是植物通过淋溶、残体分解、根系分泌等方式向周围环境释放自毒物质,对植物生长起到阻碍作用的现象[6-7],是连作障碍形成的主要原因之一。自毒作用在植物中较为常见,广泛存在于甜瓜[8]、党参[9]、芦笋[10]、水稻[11]等。目前,相关研究表明自毒物质主要包括酚酸类、黄酮类化合物和萜类[12]。人们已从果蔬等易发生连作障碍的作物根系分泌物中分离出邻苯二甲酸、肉桂酸等10余种酚酸类自毒物质[6-7,13]。植物自毒作用的产生机制十分复杂,植物体内的多种生理生化过程均受自毒物质的影响,如光合作用、酶活性以及膜系统等[12,14],其中备受关注是对光合作用的影响。光合作用对植物生长至关重要,是植物维持生命的基础,当光合作用受到影响时,植物的生长发育和生理生化机制就会同时受到影响[15-17]。各种逆境胁迫均会导致植物光合作用紊乱,进而致使叶绿素合成受阻、光合色素降解、气体交换参数改变等[18]。已有研究表明,根系自毒物质影响植物光合作用和叶片光合色素的分解与合成,破坏PSⅡ反应中心和电子传递,进而引发一系列生理代谢紊乱[19-20]。关于对羟基苯甲酸对不同草莓品种光合作用和叶绿素荧光特性影响的研究发现,自毒物质降低了草莓的光合作用,对叶绿素荧光特性存在低浓度促进高浓度抑制的效果[21]。化感物质胁迫对木麻黄幼苗小枝PSⅡ反应中心造成了破坏,光电子传递速率降低,热耗散途径受阻,影响了激发能在PSⅠ和PSⅡ的平衡分配[22]。而有关自毒物质对沙芥属植物光合作用影响尚鲜见相关报道。

本研究以沙芥和斧翅沙芥幼苗为试材,探讨酚酸类自毒物质肉桂酸和邻苯二甲酸处理对幼苗生长及光合特性的影响,为沙芥属植物的野生资源保护和开发利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试的沙芥[P.cornutum(L.) Gaertn.]和斧翅沙芥(P.dolabratumMaxim.)种子均采自毛乌素沙地。肉桂酸和邻苯二甲酸分别由天津博迪化工股份有限公司和国药集团化学试剂有限公司提供。

1.2 试验设计

试验于2019年在内蒙古自治区野生特有蔬菜种质资源与种质创新重点实验室温室中进行。沙芥和斧翅沙芥种子经消毒后在25 ℃恒温箱内催芽,将发芽一致的种子播于营养钵(高18 cm,直径15 cm)中,培养基质为体积比1∶1的蛭石和土壤配成的混合基质,待幼苗子叶展平后,分别用0(对照),0.01,0.1,1,10 mmol/L的邻苯二甲酸、肉桂酸溶液处理幼苗,每钵浇灌100 mL,每隔3 d浇灌1次。待沙芥和斧翅沙芥长至6叶1心时,采集幼苗进行各项指标的测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标

用直尺测量叶长(叶柄基部至叶尖的长度);用1/1000电子天平分别称量植株叶鲜质量;将叶置于105 ℃烘箱中杀青15 min后,于60 ℃烘干至恒质量,用1/1000电子天平分别称其干质量。

1.3.2 叶绿素含量及比值

取0.2 g沙芥与斧翅沙芥叶片,采用分光光度法[23]测定叶绿素a与叶绿素b含量,最后计算叶绿素总量和叶绿素a与叶绿素b的比值。

1.3.3 叶绿素荧光参数

使用FMS-2(Hansatech,UK),于晴天上午9:30-11:00,选取自基部向上第3片叶测定叶绿素荧光参数。测定前叶片暗处理30 min,测定初始荧光(Fo),随后给叶片施加3 000 μmol/(m2·s)饱和脉冲光 0.7 s,测得最大荧光(Fm)。打开作用光[600 μmol/(m2·s)],在荧光下降至施加饱和光前、稳定水平之后20 s测得恒态荧光(Fs)。然后计算最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率[ФPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′]、光化学淬灭系数[qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)]、非光化学淬灭系数[CNPQ=(Fm-Fm′)/Fm′]。

1.3.4 光合气体交换参数

使用Li-6400便携式光合仪,于晴天上午9:30-11:00,选取自基部向上第3片叶,在光照强度为1 200 μmol/(m2·s)、CO2浓度为400 μmol/mol条件下测定不同处理下叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间 CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。

1.4 数据处理

用Excel 2010进行数据处理,SPSS 18.0软件和Duncan's法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 肉桂酸和邻苯二甲酸处理对沙芥、斧翅沙芥幼苗生长的影响

沙芥幼苗的叶长、叶鲜质量、叶干质量在0.01 mmol/L肉桂酸和邻苯二甲酸处理下均不同程度高于对照(CK),在其余浓度处理下均低于对照,两类酚类物质对其生长均表现为低浓度促进高浓度抑制的效应,且随着浓度增加抑制作用逐渐加强(表1)。其中,0.01 mmol/L 肉桂酸处理下沙芥的叶长、叶干质量相较对照分别显著上升13.1%、37.0%,0.01 mmol/L邻苯二甲酸处理下沙芥的叶鲜质量和干质量均比对照显著上升10.2%(P＜0.05);随肉桂酸与邻苯二甲酸浓度继续上升,沙芥的叶长、叶鲜质量、叶干质量均逐渐下降,且在10.0 mmol/L浓度下均与对照差异显著(P＜0.05)。

表1 肉桂酸和邻苯二甲酸处理下沙芥和斧翅沙芥幼苗生长的变化Table 1 Growth of seedlings of P.cornutum (L.) Gaertn.and P.dolabratum Maxim.under treatments of cinnamic acid and phthalic acid

与沙芥幼苗的表现不同,斧翅沙芥幼苗的叶长、叶鲜质量、叶干质量在各浓度肉桂酸与邻苯二甲酸处理下均比对照显著降低,且抑制作用随浓度的增大而增大,在10 mmol/L肉桂酸处理下分别比对照下降40.5%、39.4%、77.1%,在10 mmol/L 邻 苯二甲酸处理下分别比对照下降46.3%、63.5%、67.3%。由此可见,沙芥幼苗对肉桂酸、邻苯二甲酸的耐性比斧翅沙芥更强,但两种沙芥属植物生长在胁迫浓度为1.0,10 mmol/L时均受到显著抑制。

2.2 肉桂酸和邻苯二甲酸处理对沙芥、斧翅沙芥幼苗叶绿素含量的影响

表2显示,沙芥和斧翅沙芥的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量在不同浓度肉桂酸和邻苯二甲酸处理后均呈下降趋势,但2种沙芥的叶绿素a/b的变化趋势却不尽相同。其中,10 mmol/L肉桂酸处理下,沙芥的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量相比对照分别下降9.2%、40.6%、23.5%,叶绿素a/b相比对照上升21.7%,但仅叶绿素b含量变化显著(P＜0.05);与此同时,斧翅沙芥的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量相比对照分别显著下降52.6%、37.3%、47.1%(P＜0.05),叶绿素a/b相比对照显著下降24.5%(P＜0.05)。

表2 肉桂酸和邻苯二甲酸处理下沙芥和斧翅沙芥幼苗叶片叶绿素含量的变化Table 2 Chlorophyll content in leaves of P.cornutum (L.) Gaertn.and P.dolabratum Maxim.seedling treated by cinnamic acid and phthalic acid

在10 mmol/L邻苯二甲酸处理下,沙芥的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量相比对照分别显著下降51.3%、28.2%、27.7%,叶绿素a/b相比对照稍有上升(P＞0.05);此时斧翅沙芥的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、叶绿素a/b 相比对照分别下降67.5%、56.7%、62.5%、24.0%(P＜0.05)。可见,2种沙芥叶绿素含量均受到肉桂酸和邻苯二甲酸的抑制,斧翅沙芥受到抑制的程度比沙芥更重。

2.3 肉桂酸和邻苯二甲酸处理对沙芥、斧翅沙芥幼苗叶绿素荧光参数的影响

由表3可知,随着肉桂酸和邻苯二甲酸处理浓度的增加,沙芥和斧翅沙芥的Fv/Fm、ФPSⅡ、qP 均逐渐降低,而NPQ 均逐渐上升,且与对照相比各浓度处理升降幅度大多达到显著水平。其中,在10 mmol/L肉桂酸处理下,沙芥Fv/Fm、ФPSⅡ、qP 相比对照分别显著下降33.5%、59.7%、47.8%,相应的斧翅沙芥相比对照分别显著下降44.9%、67.1%、68.8%,此时沙芥和斧翅沙芥NPQ 值分别比对照显著升高129.2%、111.7%(P＜0.05)。在10 mmol/L邻苯二甲酸处理下,沙芥Fv/Fm、ФPSⅡ、qP相比对照分别显著下降33.6%、60.5%、63.9%,相应的斧翅沙芥相比对照分别显著下降58.4%、69.2%、71.7%,此时沙芥和斧翅沙芥NPQ 分别比对照显著升高179.7、160.6%%(P＜0.05)。

表3 肉桂酸和邻苯二甲酸处理下沙芥和斧翅沙芥幼苗叶片叶绿素荧光参数的变化Table 3 Chlorophyll fluorescence parameters in seedlings of P.cornutum (L.) Gaertn.and P.dolabratum Maxim.under treatment of cinnamic acid and phthalic acid

2.4 肉桂酸和邻苯二甲酸处理对沙芥、斧翅沙芥幼苗气体交换参数的影响

如表4所示,随肉桂酸处理浓度的升高,沙芥幼苗的Pn、Tr、Gs均逐渐下降,且均与对照差异显著,其Ci先降后升,且在10 mmol/L时达到最大值;在10 mmol/L肉桂酸处理下,沙芥Pn、Tr、Gs相比对照分别下降53.5%、32.7%、37.6%,其Ci相比对照显著上升16.5%(P＜0.05)。斧翅沙芥Pn在0.01 mmol/L肉桂酸处理下比对照稍有上升(P＞0.05),在其余浓度处理下均比对照显著降低,10 mmol/L时达到最低,相比对照显著下降52.4%(P＜0.05);斧翅沙芥的Tr、Gs均随肉桂酸浓度升高逐渐降低,在10 mmol/L肉桂酸处理下相比对照分别显著下降36.3%、37.5%(P＜0.05),其Ci表现出先降后升的趋势,但均与对照差异不显著(P＞0.05)。

表4 肉桂酸和邻苯二甲酸处理下沙芥和斧翅沙芥气体交换参数的变化Table 4 Gas exchange parameters of P.cornutum (L.) Gaertn.and P.dolabratum Maxim.under treatment of cinnamic acid and phthalic acid

同时,沙芥、斧翅沙芥幼苗的Pn、Tr、Gs在0.01 mmol/L邻苯二甲酸处理下比对照有小幅升高(P＞0.05),后均随邻苯二甲酸浓度升高开始逐渐下降,在浓度为10 mmol/L时,沙芥Pn、Tr、Gs相比对照分别显著下降31.6%、21.4%、37.6%,而斧翅沙芥分别相应显著下降21.6%、33.8%、35.9%(P＜0.05);沙芥、斧翅沙芥幼苗Ci在邻苯二甲酸处理下逐渐升高,在浓度为10 mmol/L时相比对照分别显著上升16.8%和19.9%(P＜0.05)。

3 讨论

生物量是评估植物遭受胁迫程度与抗逆能力的重要指标。研究表明,多种植物腐解物或分泌物中均含有自毒物质[24],这些物质通过多种方式对植物生长发育产生影响[25]。Jefferson等研究发现,自毒物质在低浓度下促进植株幼苗生长,在高浓度下抑制幼苗生长[26]。本研究发现,肉桂酸、邻苯二甲酸处理沙芥幼苗后,在较低浓度下对幼苗生长具有一定促进作用,而高浓度则产生抑制作用,这与Jefferson等的研究结果一致。另外,本试验中10 mmol/L肉桂酸和邻苯二甲酸处理对沙芥和斧翅沙芥幼苗生长发育具有明显抑制作用,这与孟鑫等自毒物质胁迫对黄瓜幼苗的生长影响研究结果[27]一致。

光合作用作为植物维持生命的最基本活动,为植物的生存提供物质基础和能量来源。有研究表明,影响植物光合作用效率的因素包括气孔限制和非气孔限制[28]。当Gs与Ci同时下降时,Pn下降主要是由气孔限制因素引起的,如果Pn降低伴随着Ci升高,则光合作用的主要限制因素是非气孔因素[29]。本研究发现,随着肉桂酸和邻苯二甲酸浓度的增加沙芥和斧翅沙芥幼苗的Pn、Tr和Gs均在10 mmol/L时达到最低,而Ci略有升高,推测是由于非气孔限制因素使植物体消耗的 CO2量减少,导致 CO2在细胞内大量积累,表明沙芥和斧翅沙芥幼苗在肉桂酸和邻苯二甲酸胁迫下光合速率降低的原因是由于非气孔限制导致,这与朱珊珊等[20]研究结果相类似。

光合色素在植物光合作用能量转化过程中担负着重要作用,植物生长动态与其含量高低有一定的联系,是影响光合作用强弱的重要因素之一[30]。Einhellig等发现咖啡酸、香草酸和阿魏酸等自毒物质可以通过影响叶片叶绿素含量、光合作用等生理指标来抑制植物的生长发育[31]。N-苯基-2-萘胺对拟柱胞藻叶绿素合成也表现出明显的抑制作用[32]。孟鑫等[27]研究发现肉桂酸处理对黄瓜叶片叶绿素含量有显著抑制的效果,降低了幼苗的光合能力。本试验结果表明,10 mmol/L肉桂酸处理下沙芥叶绿素b含量显著低于对照,10 mmol/L邻苯二甲酸处理下沙芥和斧翅沙芥叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量均显著下降,说明肉桂酸和邻苯二甲酸胁迫能够抑制沙芥和斧翅沙芥叶片光合色素合成,不利于幼苗的光合作用,这与前人的研究结果基本一致。

植物对光能的利用效率可以通过叶绿素荧光参数体现,可以反映植物对逆境胁迫的响应程度[33]。叶绿素荧光参数中,Fv/Fm表示PSⅡ的最大光化学效率,是衡量PSⅡ光抑制程度的重要指标[34]。在逆境胁迫条件下,叶绿体构型混乱造成植物叶片PSⅡ的实际光化学效率(ΦPSⅡ)和最大光化学效率(Fv/Fm)的降低,导致用于碳同化积累的能量和光能转化利用效率降低[35]。qP 是光化学淬灭系数,反映了PSⅡ用于光化学电子传输的光能所占天然色素吸收光能的比例,能代表PSⅡ反应中心的开放程度[36]。非光化学淬灭系数NPQ 可以反映植物热耗散能力的变化[37],NPQ 越大,对PSⅡ反应中心的损伤越小[38]。有研究表明逆境胁迫会降低Fv/Fm,抑制PSⅡ活性,降低植物叶片qP 和光能利用率[39-40]。本研究中,沙芥和斧翅沙芥幼苗的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP随肉桂酸和邻苯二甲酸浓度的升高均呈现下降趋势,NPQ 显著上升,说明肉桂酸和邻苯二甲酸胁迫导致沙芥和斧翅沙芥叶片的PSⅡ反应中心活性和开放程度受损,能量耗散途径受到促进,减少光抑制,减轻胁迫对沙芥和斧翅沙芥叶片光合机构的伤害,这与洪立洲等[41]、苏兰茜等[42]的研究结果一致。有研究表明,外源硅胁迫增加了黄瓜叶片NPQ,缓解了光合系统的运转[43]。本试验通过研究不同浓度肉桂酸和邻苯二甲酸处理对沙芥和斧翅沙芥叶绿素荧光参数的影响,得出与前人[43]相同的结果。由此可见,肉桂酸、邻苯二甲酸通过抑制沙芥、斧翅沙芥PSⅡ原初光能转化效率及其潜在活性,进一步影响其碳同化运转和有机物积累,沙芥、斧翅沙芥对胁迫环境表现出一定的耐受能力。但沙芥、斧翅沙芥受抑制作用强度各异,可能是由于植物类型和胁迫类型不同而表现出不同的变化趋势。

4 结论

低浓度肉桂酸和邻苯二甲酸促进沙芥和斧翅沙芥幼苗的生长,而高浓度胁迫抑制沙芥和斧翅沙芥幼苗的生长,降低了幼苗的光合速率,抑制叶片光合色素合成,导致叶片的PSⅡ反应中心活性和开放程度受损,改变植株光合能力,并具有浓度效应,并在10 mmol/L时抑制作用最明显,且沙芥和斧翅沙芥受抑制作用强度不同,斧翅沙芥幼苗受到影响更大。