低温、弱光及盐胁迫对辣椒叶片光合特性的影响,园艺学论文

低温、弱光及盐胁迫对辣椒叶片光合特性的影响,园艺学论文0、引言【研究意义】辣椒〔CapsicumannuumL.〕是冬春设施栽培的主要蔬菜之一，设施内构成的低温、弱光及土壤盐渍化〔施肥量大且偏施化肥、蒸发旺盛、无雨水冲淋等〕逆境，严重影响植株正常的光合作用。因而，开展低温、弱光及盐胁迫三重逆境下辣椒叶片的光合特性变化研究，可丰富辣椒复合逆境光合理论。【前人研究进展】当前有关低温伤害的位点尚存争议，这与低温胁迫时所伴随的环境条件有很大关系。低温强光或中等光强胁迫下，光系统Ⅱ〔PSⅡ〕反响中心的DI蛋白被以为是光抑制的初始靶位；低温弱光下植株则表现为光饱和光合速率和CO2饱和光合速率下降，PSⅡ光合电子传递量子效率和天线转化效率降低，吸收光强用于PSⅡ光化学反响的部分减少，天线热耗散和反响中心能量耗散比例上升。光系统Ⅰ〔PSⅠ〕对低温弱光胁迫较PSⅡ更敏感，甜椒、黄瓜等在低温弱光下光合下降的主要原因是PSⅠ发生光抑制。低温不仅降低在叶绿体基质中进行光合作用暗反响酶的活性，也引起类囊体膜介导的光反响酶活性的降低，且光反响酶活性对低温伤害更敏感，使类囊体膜上PSⅡ的光能传递效率和光能转换效率降低，进而导致CO2同化能力降低。Kaniuga等报道，低温导致叶绿体的希尔反响活性降低，使类囊体膜中PSⅡ的电子传递受抑，抑制部位主要在其氧化侧。弱光下辣椒的净光合速率〔Pn〕、蒸腾速率〔Tr〕、光补偿点〔LCP〕、CO2补偿点〔CCP〕和羧化效率〔CE〕下降，表观量子效率〔AQY〕上升，且Pn下降是非气孔限制的结果。随着光照强度的减弱，辣椒叶片Chla、Chlb和Chla+b的含量增加，Chla/b比值下降，叶绿素a蛋白复合体〔CPI〕含量降低，捕光叶绿素a/b蛋白复合体〔LHCP〕含量升高。弱光造成黄瓜叶绿体发育不良，排列紊乱，超微构造遭到毁坏，且叶绿体数量减少，叶绿素的降解加剧，叶绿素含量降低。盐胁迫下植物光合作用下降的原因一般以为是浸透胁迫引起的，即盐胁迫引起水势及气孔导度降低，限制CO2到达光合机构，进而抑制光合作用，同时也存在活性氧伤害。盐胁迫下，叶片Na+含量升高，引起气孔部分关闭，气孔导度降低，限制CO2向叶绿体的输送，使叶绿体内CO2同化受阻，而对光合电子传递影响相对较小，因此更多电子传递到O2，导致构成，产生H2O2，造成叶绿体中H2O2的积累，进而毁坏叶绿体膜构造，导致光合功能下降。低温弱光使甜椒叶绿体变圆，基粒片层的垛叠构造解体，部分基粒溶解，基粒数目减少。偏低温弱光[19℃/12℃(昼/夜)，90?molm-2s-1]和临界低温弱光[15℃/8℃〔昼/夜〕，90?molm-2s-1]下，辣椒幼苗的LCP、光饱和点〔LSP〕、AQY下降，CCP升高，CO2饱和点〔CSP〕、CO2饱和时的光合速率以及CE下降，温度补偿点〔TCP〕降低，光合作用启动时间〔STP〕延长；偏低温弱光下，辣椒对光与CO2的利用能力和利用效率较高，光合作用启动时间较短。【本研究切入点】当前相关研究大多集中在低温、弱光、盐胁迫单一逆境或低温弱光双重逆境等对辣椒、番茄、黄瓜、茄子等光合特性的影响，冬春季设施内典型的低温、弱光及盐胁迫三重逆境对蔬菜植株光合特性的影响还未见报道。【拟解决的关键问题】本试验模拟低温、弱光及盐胁迫三重逆境，讨论三重逆境下辣椒叶片光合特性的响应机制，为辣椒设施生产中的温、光、肥管理提供理论根据。1、材料与方式方法1.1试验材料供试辣椒〔CapsicumannuumL.〕品种为中椒4号〔盐敏感品种〕，由中国农业科学院蔬菜花卉研究所辣椒育种课题组提供。试验于2007年在中国农业科学院蔬菜花卉研究所玻璃温室内进行。种子经5%NaClO消毒15min后浸种4h，然后置于铺双层滤纸的15培养皿内，恒温培养箱〔28℃〕中催芽。选择发芽整洁一致的种子播入塑料营养钵〔8cm8cm〕中，采用2﹕1〔v/v〕的草炭、蛭石复合基质，每立方米基质加5kg膨化鸡粪和1.5kg复合肥〔N-P2O5-K2O=15-15-15〕。1.2试验设计当幼苗第5片真叶展开时移入人工气候箱，进行18℃/10℃〔昼/夜〕低温，80?molm-2s-1弱光和70mmolL-1盐的单一、双重和三重胁迫处理〔低温、弱光、盐胁迫3种逆境同时进行〕，低温、弱光及盐胁迫组合处理见表1，华而不实，盐胁迫是在1/2浓度Hoagland营养液〔EC值为1.71mScm-1〕中参加NaCl使其浓度到达70mmolL-1〔EC值为7.50mScm-1〕，每株从距根部1.5cm处基质浇入120mL作为盐胁迫处理，对照每株参加1/2浓度Hoagland营养液120mL〔未参加NaCl〕。光周期为8h/16h，空气相对湿度保持70%80%。随机区组设计，3次重复，每处理小区15株，处理15d。1.3测定方式方法1.3.1叶绿素含量参照张宪政的方式方法略有改良。选距生长点第2片完全展开叶，用打孔器打取0.4cm的叶圆片0.1g，等体积乙醇、丙酮混合液10ml浸泡，并用保鲜膜封口防止提取液挥发，浸泡至组织变白后，用UV-1700紫外/可见光分光光度计测定在663、645nm处的吸光度值〔OD663，OD645〕，然后按公式计算叶绿素含量。1.3.2光合气体交换参数选距生长点第2片完全展开叶，应用LI-6400便携式光合仪测定叶片净光合速率〔Pn〕、气孔导度〔Gs〕、胞间CO2浓度〔Ci〕、蒸腾速率〔Tr〕等。叶室〔2cm3cm〕内设定温度26℃，光强为600?molm-2s-1。每个处理选3株，每株读数5次。【表２－５略】1.3.3叶绿素荧光参数采用LI-6400便携式光合仪的6400-40荧光叶室测定。叶片暗适应20min后设置原初的荧光参数，关闭光化学光和远红光，打开测量光测定初始荧光〔Fo〕，再打开一个饱和脉冲光测定最大荧光〔Fm〕，然后打开光化学光〔光强600?molm-2s-1〕照射叶片，当稳态荧光〔Fs〕出现后，再打开一个饱和脉冲光测定光下最大荧光〔Fm〕，最后关闭光化学光，打开一次远红外光测定光下最小荧光〔Fo〕，计算出可变荧光〔Fv〕、光系统Ⅱ〔PSⅡ〕最大光化学效率〔Fv/Fm〕、实际光化学效率〔PSⅡ〕、光化学猝灭〔qP〕等参数，华而不实Fv=Fm-Fo；PSⅡ=〔Fm-Fs〕/Fm；Fv=Fm-Fo；qP=〔Fm-Fs〕/〔Fm-Fo〕；天线转化效率〔Fv/Fm〕=〔Fm-Fo〕/Fm；光化学反响速率〔Prate〕=［〔Fm-Fs〕/Fm］叶片吸收的PFD；天线热耗散速率〔Drate〕=〔1-Fv/Fm〕叶片吸收的PFD。分别于处理后1、5、9、15d，选距生长点第2片完全展开叶进行测定。1.3.4形态指标处理后15d，从营养钵中轻轻取出辣椒幼苗植株，清水冲洗干净后，置入电热恒温鼓风枯燥箱，105℃杀青30min，80℃烘干至恒重后〔约需4h〕称量地上部、根干重。1.4统计分析所有数据均采用SAS软件Duncans新复极差法进行多重比拟及差异显著性分析，表中图表数据均为3次重复的平均值。2、结果2.1低温、弱光及盐胁迫下辣椒叶片叶绿素含量的变化从表2可知，与对照相比，弱光、弱光和盐胁迫处理提高了辣椒叶片Chla、Chlb、Chl〔a+b〕含量，降低了Chla/b比值，随着处理时间的延长，Chla、Chlb、Chl〔a+b〕含量呈逐步升高趋势，Chla/b比值呈下降趋势。如弱光盐胁迫处理后1、5、9、15d，Chla含量分别比对照增加了1.99%、11.51%、22.18%、35.45%，Chla/b比值分别降低了0.71%、1.49%、4.38%、6.88%；其它处理呈相反的变化趋势，即随着处理时间的延长，对Chla、Chlb、Chl〔a+b〕含量的抑制作用逐步加强，低温盐胁迫处理的抑制作用最大，处理后15d，Chla、Chlb、Chl〔a＋b〕含量分别比对照降低了22.16%、33.84%、25.16%。2.2低温、弱光及盐胁迫下辣椒叶片光合作用参数的变化与对照相比，低温、弱光、盐胁迫单一及复合逆境均降低了辣椒叶片的Pn，且复合逆境的抑制效果大于单一逆境〔表3〕。如处理后9d，单一逆境的Pn比对照降低了42.84%50.09%，复合逆境的Pn降低了56.92%65.24%。随着弱光、弱光盐胁迫、低温弱光及盐胁迫处理时间的延长，Pn呈先降低后升高的趋势，分别于处理后5、9、9d达最低值；其它逆境的Pn呈一样的变化趋势，即随处理时间的延长，Pn呈逐步降低趋势。随着处理时间的延长，单一及复合逆境的Gs均呈逐步降低的趋势。弱光、弱光盐胁迫处理的Gs降低幅度较小，低温盐胁迫处理的Gs降低幅度较大，处理后15d分别比对照降低了44.83%、61.24%、83.69%。Tr呈一样的变化趋势。低温、弱光、低温弱光处理增加了辣椒叶片胞间CO2浓度，其它处理则降低了胞间CO2浓度。随着处理时间的延长，弱光处理的胞间CO2浓度呈先升高后降低的变化趋势；低温、低温弱光处理的胞间CO2浓度随处理时间的延长呈逐步升高的趋势。随着处理时间的延长，盐胁迫、弱光盐胁迫、低温弱光及盐胁迫处理的胞间CO2浓度呈先降低后升高的变化趋势。2.3低温、弱光及盐胁迫对辣椒叶片叶绿素荧光参数的影响与对照相比，单一及复合逆境的辣椒叶片PSⅡ最大光化学效率〔Fv/Fm〕均有所降低，且随处理时间的延长，Fv/Fm呈持续下降趋势〔表4〕。弱光、弱光盐胁迫处理的Fv/Fm降低幅度较小；低温盐胁迫处理对Fv/Fm影响最大，处理后1、5、9、15d，分别比对照降低了3.78%、5.98%、9.87%、16.69%。PSⅡ光合电子传递量子效率〔PSⅡ〕呈类似的变化趋势。与对照相比，单一及复合逆境均降低了辣椒叶片Prate，提高了Drate。弱光、弱光和盐胁迫处理的Prate降低幅度较小，处理后1、5、9、15d，分别比对照降低了6.22%9.94%、11.39%19.48%、16.37%24.17%、24.23%26.63%；低温盐胁迫处理对Prate影响最大，处理后15d比对照降低了45.44%。弱光、弱光和盐胁迫处理的Drate升高幅度较小，低温盐胁迫处理的Drate升高幅度最大，处理后15d比对照升高了46.33%。从表5可知，正常生长条件下的辣椒幼苗吸收光能中有42.2%43.3%用于光化学反响，39.0%39.5%用于天线耗散，17.4%18.3%为PSⅡ反响中心的过剩光能。与对照相比，单一及复合逆境均增加了辣椒幼苗的天线耗散和过剩光能比率。华而不实，低温盐胁迫处理的天线耗散增加最为明显，处理后15d其比率增加至57.8%；以非光化学反响的形式在反响中心耗散的部分增加较为明显的是低温处理，处理后9d其比率增加至21.6%。2.4低温、弱光及盐胁迫对辣椒幼苗干物质积累的影响与对照相比，单一及复合逆境均抑制了辣椒幼苗的干物质积累，且复合逆境的抑制效果大于单一逆境〔表6〕。如单一逆境的根干重、地上部干重分别比对照降低了35.79%47.61%、22.53%31.34%；复合逆境的根干重、地上部干重降低了55.69%65.31%、33.23%49.59%。弱光处理对辣椒幼苗的干物质积累影响较小，低温盐胁迫、低温弱光及盐胁迫处理对辣椒幼苗干物质积累的抑制作用较大，总干重分别比对照降低了26.26%、45.48%、52.59%。3、讨论叶绿素是光合作用的物质基础，是光合作用的光敏化剂。叶绿素包括Chla和Chlb两类，华而不实绝大部分Chla分子和全部Chlb分子主要起捕捉和转递光能的作用，少数特殊状态的Chla分子有将光能转换为电能的作用。不同逆境对植株叶绿素含量影响有所差异。低温处理导致辣椒、黄瓜的叶绿素含量下降，低温不但影响叶绿素的合成，更造成叶绿素降解加剧，一般以为低温下叶绿素含量降低不是由于合成系统受阻，而是由于原有叶绿素遭到毁坏所致。弱光处理提高了辣椒叶片叶绿素含量，降低了黄瓜叶片叶绿素含量，这可能是由于光照强度和处理时间不同所致,可以能与幼苗和成株对弱光的反响存在差异有关。盐胁迫、低温弱光均导致黄瓜、辣椒叶绿素含量的降低。弱光、弱光盐胁迫处理提高了辣椒叶片Chla、Chlb、Chl〔a+b〕含量，降低了Chla/b比值，随着处理时间的延长，Chla、Chlb、Chl〔a+b〕含量呈逐步升高趋势，Chla/b比值呈下降趋势〔表2〕，讲明在弱光条件下，叶绿素〔十分是Chlb〕含量增加可能是一种保卫性反响，增加捕光色素复合体中天线色素的比例，以更有效地捕获有限的光能，表现为胁迫后期〔处理后915d〕辣椒叶片Pn呈升高趋势〔表3〕。其它处理呈相反的变化趋势，低温盐胁迫处理的Chla、Chlb、Chl〔a+b〕含量最低，处理后15d分别比对照降低了22.16%、33.84%、25.16%。光合作用是植物生物产量的主要决定因素之一。各逆境均导致辣椒幼苗叶片Pn的下降〔表3〕，进而使幼苗干物质积累减少〔表6〕。导致Pn降低即有气孔因素也有非气孔因素。低温、低温弱光处理导致辣椒幼苗Pn下降的同时，Ci上升，讲明Pn的下降不是由于Gs下降使CO2供给减少所致，而是由于非气孔因素〔叶肉细胞使气孔扩散的阻抗增加、CO2溶解度下降、Rubisco酶对CO2的亲和力降低、RuBP再生能力下降或光合机构关键成分的稳定性因逆境胁迫而降低等〕阻碍了CO2的利用，进而造成细胞间隙CO2积累；弱光处理的辣椒Pn下降同时，Ci先上升后下降，讲明Pn下降由非气孔因素逐步转变为气孔因素占主导地位；盐胁迫、弱光盐胁迫、低温弱光及盐胁迫处理导致辣椒Pn下降的同时，Ci先降低后升高，表示清楚Pn下降由气孔因素逐步转变为非气孔因素占主导地位；低温盐胁迫处理导致辣椒Pn下降的同时，Ci下降，引起Pn下降的主要是气孔因素。与对照相比，弱光处理的辣椒幼苗地上部干物质积累下降幅度相对较低，原因可能是植株为了弥补光照缺乏，采用向上生长的策略以获取足够的光能，以使植物体内的光合产物及养分更多地用于地上部生长；相反，盐胁迫处理的辣椒幼苗地下部干物质积累下降幅度较低，原因可能是在盐胁迫下，为保持一定的根系活力，植株只要通过增加根系功能单位来弥补，光合产物相对较多地分配到根系。光抑制是高等植物光合作用经过中普遍存在的现象，发生光抑制时多余的光能不仅使Fv/Fm下降，而且对叶片的光合机构造成不同程度的伤害。Fv/Fm被以为是反映光抑制程度的可靠指标，表示PSⅡ原初光能的转化效率。杨广东等研究表示清楚，弱光条件下，黄瓜叶片的PSⅡ、Fv/Fm变化不大，讲明适当遮阴有利于提高PSⅡ的光化学效率，减轻光抑制。盐胁迫处理明显降低了黄瓜叶片PSⅡ，对Fv/Fm影响不大。任华中等对低温弱光下番茄的研究表示清楚，参试2个品种的Fv/Fm均不同程度的增加，表示清楚低温弱光没有使番茄的PSⅡ光化学活性遭到抑制，可能是参试品种对低温弱光有一定的适应能力。低温盐胁迫处理导致辣椒幼苗Fv/Fm较大幅度的下降，其他处理〔十分是弱光〕对Fv/Fm的影响较小，讲明低温盐胁迫导致的光抑制较严重，造成了光合机构的损伤，其他处理的Fv/Fm稍微下降可能是一种光保卫机制，它们所引起的光合作用下降更多的是由于暗反响的下降引起的。各逆境处理均导致天线耗散和过剩光能比率的增加〔表5〕，华而不实，低温盐胁迫、低温弱光及盐胁迫处理的天线耗散增加最为明显，处理后15d其比率增加至57.8%、55.0%；以非光化学反响的形式在反响中心耗散的部分增加较为明显的是低