栽培生理岗位

  摘要：为探讨硅对碱性盐胁迫下‘阳光玫瑰’葡萄叶片PSⅡ系统的影响。本试验以一年生‘阳光玫瑰’葡萄扦插苗为材料，对其施用硅酸钠（Na2SiO3，0.2 g·L-1）、碱性盐（NaHCO3，8 g·L-1），两者混合溶液（Na2SiO3+NaHCO3，0.2 g·L-1+8 g·L-1），并以清水为对照，处理60d后，测定其叶绿素荧光参数的变化。结果表明，与CK相比，单一Na2SiO3处理后‘阳光玫瑰’叶片Fv/Fm和 PIabs值升高，NaHCO3处理则显著降低，而Na2SiO3和NaHCO3复合处理后显著增加，缓解了碱性盐引起的叶片PSⅡ的活性抑制；与CK相比，NaHCO3处理下OJIP曲线上L、K、J点的相对荧光强度和相对可变荧光值明显升高，φPo、φEo、ΨEo值下降，而在Na2SiO3和NaHCO3复合处理后趋势则相反；与CK相比，NaHCO3处理下ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm、RC/CSm和ETo/RC值最低，而Na2SiO3和NaHCO3复合处理后显著升高；DIo/CSm、ABS/RC值则表现出相反的趋势。综合来看，硅酸钠可能通过维持PSⅡ受体侧放氧复合物和电子传递蛋白的完整性，增加电子传递速率，增强光合电子传递链功能单元之间的联系，从而提高盐胁迫下植物的光合效率，促进生长。

  关键词： 阳光玫瑰、硅酸钠、碳酸氢钠、叶绿素荧光、PSⅡ

  中图分类号：S663.1

  硅是在地壳中第二大元素，已被国际植物营养研究所（IPIN）归类为有益元素，增强植物对生物和非生物胁迫的抗性[1]。大量研究发现，硅可以提高玉米、黄瓜、苹果等作物的产量和品质[2-4]。有关硅提高植物抗性的机制较复杂。Ashfaq等认为硅可以提高气孔导度和蒸腾速率，增强植株的光合作用[5]。Zhang等发现硅能够提高番茄光合相关基因的转录速率，调节光化学过程，从而促进光合作用[6]。在光合系统中，PSII负责将光能转化为化学能，当逆境发生时PSII也是光损伤的主要部位[7]。但目前，关于硅对PSⅡ反应中心的机制研究尚较少[6]。因此，本试验通过对光合系统中PSⅡ对硅的响应研究，探讨硅对植物的作用机制，为硅的在植物生产上的使用提供一定的理论基础。

  ‘阳光玫瑰’（Shine Muscat）葡萄为日本培育的中晚熟欧美杂交品种，具有高糖、皮薄、粒大、香味浓郁的特点，且抗病性强，不裂果，耐贮藏[8]。但我国葡萄栽培区大多为盐碱土，影响着葡萄的生长发育，制约着葡萄产业的发展[9]。目前有关葡萄耐盐碱的研究主要集中在生长调节剂使用、抗盐砧木筛选、园区土壤改良等方面，而有关中微量元素调节葡萄生长的研究较少[10, 11]。因此，本研究以阳光玫瑰’葡萄扦插苗为材料，通过研究其在碱性盐胁迫下添加硅酸钠对叶片叶绿素荧光相关参数的影响，建立能量响应模型，绘制叶绿体膜模式图，探究硅对葡萄叶片PSⅡ的影响，为葡萄的生长与抗性研究提供一定的技术参考。

  1 材料与方法

  1.1 试验材料

  本试验在天津市西青区天津农学院葡萄研究中心进行。试验于2022年12月上旬在葡萄园内采集生长势相对一致且长势健壮，无病虫害的‘阳光玫瑰’葡萄枝条，进行沙藏越冬处理。2023年3月下旬取出沙藏枝条，于大棚内生根催芽，5月下旬扦插至在含有商品基质的塑料花盆中，花盆高16.5 cm，外口径25 cm。待幼苗长出4~5片展开叶时进行试验。样品主要在日光温室中采集，受气候因素影响较小，采样数据具有一定代表性。

  1.2 试验方法

  分别选取长势一致，生长健壮且无病虫害的40株葡萄植株作为试验植株。试验设4个处理，采用清水作为空白对照[1],单一硅处理使用0.2 g·L-1 Na2SiO3溶液, 碱性盐处理采用8 g·L-1的NaHCO3溶液，硅和碱性盐复合处理采用0.2 g·L-1 Na2SiO3和8 g·L-1 NaHCO3的混合液。每株葡萄分别浇灌相应处理溶液1 L，分四次达到预定梯度， 单次施用量为0.25 L。每次将花盆底部托盘中渗出液均返还基质，以保证实验期内元素含量稳定。其余管理条件一致。

  8月下旬利用快速荧光测定仪Handy－PEA（Hansatech，英国）分别测定各处理‘阳光玫瑰’葡萄叶片的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP)及相关参数，每个处理测定10片叶，重复5次。测定前用利用叶片夹进行暗适应20min，荧光以3000 μmol/(m2·s)的饱和光诱导，照射时间为1 s。其中OJIP曲线中O点值(F0，20μs-50μs)表示当所有反应中心完全开放时初始荧光强度，K点值（Fk）表示在OJIP荧光诱导曲线300 μs时的荧光强度，J 点值( Fj) 表示在 OJIP荧光诱导曲线2 ms时的荧光强度，I 点值( Fi)表示在OJIP荧光诱导曲线30 ms时的荧光强度，P点值(Fp=Fm)表示OJIP荧光诱导曲线的最大荧光强度。对OJIP荧光诱导曲线进行JIP-test分析[12]对相对荧光值进行标准化分析，并与CK作差，用 ΔVt表示。Vo-t=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)，式中：Ft 表示不同时间点的相对荧光强度，同时，对曲线进行 OJIP曲线 JIP-test 分析得到其他荧光参数。

  数据统计采用SPSS 22.0进行数据显著性分析，以0.05水平作为显著性相关的阈值，用Origin 2021制作基本图表。

  2 结果与分析

  2.1 硅酸钠对碱性盐胁迫下‘阳光玫瑰’PSⅡ光化学效率的影响

  由表1可知，与对照相比，Na2SiO3处理的‘阳光玫瑰’叶片可变荧光（Fv）和最大荧光（Fm）值分别增加了8.21%和7.20%，而NaHCO3处理则降低了24.42%和11.06%，差异显著。与NaHCO3处理相比，Na2SiO3和NaHCO3复合处理的‘阳光玫瑰’叶片Fv和Fm值分别增加了33.37%和15.50%，差异显著。

  PSⅡ最大光化学量子产量( Fv/Fm )是反映PSⅡ活性中心光能转化效率的重要参数[13]。由表1可知，与对照相比，Na2SiO3处理的‘阳光玫瑰’叶片Fv/Fm值增加了1.03%；NaHCO3处理的叶片Fv/Fm值显著降低了15.06%。Na2SiO3和NaHCO3复合处理较NaHCO3处理的‘阳光玫瑰’叶片Fv/Fm值显著增加了15.49%。

  如表1所示，性能指数（PIabs）在Na2SiO3处理时达到最大值。与对照相比，Na2SiO3处理的‘阳光玫瑰’叶片PIabs值增加了24.93%；在NaHCO3处理后PIabs值显著降低了76.66%。与NaHCO3处理相比，Na2SiO3和NaHCO3复合处理后PIabs值增加了217.60%，差异显著。

  2.2 硅酸钠对碱性盐胁迫下‘阳光玫瑰’快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP)的影响

  如图1所示，硅酸钠对碱性盐胁迫下‘阳光玫瑰’叶绿素荧光诱导动力学曲线产生了显著的影响。由图1-A可知，随着时间的延长，NaHCO3处理后的OJIP曲线趋于平缓，CK、Na2SiO3和Na2SiO3+NaHCO3处理组的荧光强度随时间的延长逐渐增加。因原始OJIP曲线变异性受外界影响较大，将其进行标准化处理，随后与CK做差，得出图1-B。由图1-B可知，Na2SiO3处理后阳光玫瑰叶片的相对荧光强度和相对可变荧光ΔVt在L点（0.15ms）、K点（0.3ms）、J点（2ms）均低于CK， NaHCO3处理组则在L点（0.15ms）、K点（0.3ms）、J点（2ms）显著高于CK。与NaHCO3处理相比，Na2SiO3和NaHCO3复合处理在K点、J点的相对荧光强度（Vk和Vj）变化幅度较小。

  2.3 硅酸钠对碱性盐胁迫下‘阳光玫瑰’PSII反应中心量子产额和通量比的影响

  如图2可知，与对照相比，Na2SiO3处理的‘阳光玫瑰’叶片的最大光化学效率（t=0时，φPo）、电子传递的量子产额（t=0时，φEo）、光合电子传输效率（t=0时，ΨEo）和荧光曲线面积（Sm）值分别增加了1.05%、12.28%、11.31%和11.80%；NaHCO3处理后叶片的φPo、φEo、ΨEo、Sm值分别下降了15.04%、38.17%、27.31%和4.44%，且差异显著。Na2SiO3和NaHCO3复合处理较NaHCO3处理的‘阳光玫瑰’叶片φPo、φEo、ΨEo值分别显著增加了15.52%、54.71%、34.18%，Sm值则下降了1.61%，差异不显著。

  2.4 硅酸钠对碱性盐胁迫下‘阳光玫瑰’叶片光能吸收、捕获和传递的影响

  利用叶片模型将叶绿素荧光参数可视化。如图3所示，与对照相比，Na2SiO3处理的‘阳光玫瑰’叶片的ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm、REo/CSm和RC/CSm值分别增加了7.20%、8.21%、19.57%、21.10%和4.05%；NaHCO3处理的ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm、REo/CSm和RC/CSm值分别下降了11.06%、24.42%、45.01%、15.17%和31.12%，差异显著。与NaHCO3处理相比，Na2SiO3和NaHCO3复合处理的‘阳光玫瑰’叶片ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm、REo/CSm和RC/CSm值分别显著增加了15.50%、33.37%、78.44%、21.48%和28.58%。DIo/CSm值在NaHCO3处理后则显著高于CK、Na2SiO3和Na2SiO3+NaHCO3，分别为42.02%、37.63%和28.69%，但CK、Na2SiO3以及Na2SiO3和NaHCO3复合处理间无差异。

  如图4所示，与对照相比，Na2SiO3处理的‘阳光玫瑰’叶片的ETo/RC值增加了15.49%；NaHCO3处理的ETo/RC值显著下降了20.27%。与NaHCO3处理相比，Na2SiO3和NaHCO3复合处理的‘阳光玫瑰’叶片ETo/RC值显著增加了39.37%。‘阳光玫瑰’经NaHCO3处理后，ABS/RC和DIo/RC值均显著高于CK、Na2SiO3和Na2SiO3+NaHCO3处理组，ABS/RC分别高于28.72%、25.20%、10.93%，DIo/RC分别高于104.86%、108.28%、64.09%。

  3 讨论与结论

  PSII是光合作用过程中的光能捕获和转换过程，它能反映胁迫中光合器官的损伤程度[14]。Fv/Fm和PIabs是研究叶片PSII反应中心光转换效率和电子传递受抑制程度的重要指标[15]。本研究发现，NaHCO3处理后‘阳光玫瑰’叶片的Fv、Fm、Fv/Fm和 PIabs值显著降低，但在Na2SiO3和NaHCO3复合处理后显著增加。说明Na2SiO3可增加PSII光化学效率和活性，缓解盐碱胁迫对类囊体造成的损伤[16]。Khalid等也发现硅可缓解番茄因NaCl胁迫导致的Fv/Fm值下降，抵消胁迫带来的损伤，从而提高耐受性[17]。盐碱胁迫下，PSII反应中心和放氧复合物受破坏，电子传递受阻。而添加Na2SiO3后光利用效率提高，可能与其对电子转移链产生保护有关。Zhu 等表明硅可增加PSII反应中心开放的数量，更多的激发能用于电子传递，电子传递速率增加[18]。同时研究发现，与CK 相比，单一的Na2SiO3处理Fv、Fm、Fv/Fm和 PIabs值有所增加，但差异不显著。而Li等发现水稻经4 g·kg-1的Na2SiO3处理后Fv、Fm、Fv/Fm值较CK显著升高[19]。这可能与植物种类和处理时间有关。

  OJIP的瞬时值，可反映叶片PSⅡ中电子传递的状态[20]。本研究发现，NaHCO3处理下‘阳光玫瑰’的Vt和ΔVt在L、K、J点明显升高，φPo、φEo、ΨEo值降低，而Na2SiO3和NaHCO3复合处理后表现出相反趋势。说明Na2SiO3缓解了碱性盐胁迫引起的PSⅡ供体测放氧复合体（OEC）和受体测QA到QB电子传递能力的损害，提高光化学效率、电子传递能力以及量子产额。Wang等发现燕麦在NaCl胁迫下，L、K点明显升高，表明NaCl胁迫对放氧复合体的损害，而J点的升高表明电子从P680至QA受到限制[21]。添加Na2SiO3后，降低了盐碱胁迫对放氧复合体的损害，促进了光合水解，增加H+浓度，提高膜内酸性环境，进而ATPase活性增强，三羧酸循环（TCA）加快，从而促进植物的生长发育[22, 23]。另一方面，盐碱胁迫后的QA池减小，而Na2SiO3可以促进其增大，降低受体侧QA的电子积累，增强电子传递能力[20]。也有学者认为Na2SiO3缓解盐碱胁迫对光合系统的损伤是多途径的，体现在增加PSⅡ反应中心对光能的捕获（φPo）和电子传递量子产额（ΨEo）、增强去镁叶绿素(Pheo)到QA的电子传递、提高将电子通过QA传递到电子受体的比例（φEo）等方面，从而提高植物耐盐性[21, 24, 25]。

  遇逆境胁迫时，植物通过调节能量的分配适应外界环境，已达到自我保护目的[26]。本研究发现，‘阳光玫瑰’经NaHCO3处理后，

  ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm、RC/CSm和ETo/RC值最低，而Na2SiO3和NaHCO3复合处理则显著升高；DIo/CSm、ABS/RC值则表现出相反的趋势。盐碱胁迫造成单位面积内部分反应中心失活，但为减少光系统的损伤，植物将吸收光能大部分以热耗散的形式消耗。鲁倩君等发现在NaCl和NaHCO3的复合胁迫下，不同品种葡萄的叶片ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm、RC/CSm值均呈下降趋势，DIo/CSm和ABS/RC值则升高，说明盐碱胁迫后光合反应中心失活，叶片单位面积内吸收光能、捕获光能的能力低，电子传递能力下降[27]。而Na2SiO3可以提高反应中心数量，提高了单位面积内光能的吸收，增加了天线色素对光能的捕获能力，电子传递效率加快，同化能力升高，光和能力增强[21, 25]。

  综上所述，硅处理增强阳光玫瑰葡萄的耐盐碱性，主要是通过缓解胁迫对类囊体造成的损伤，提高PSII活性，增强光利用效率，增加同化能力，提升植物光和能力，从而植物耐盐碱性升高。这为硅在果树上的广泛应用提供了较好的理论基础。