NaCl胁迫对椒样薄荷光合作用和PSII光化学活性的影响

李哲，吴晓青，赵晓燕，魏艳丽，李纪顺，杨合同，2*

(1.山东省科学院生物技术研究中心，山东 济南 250014;2.山东理工大学生命科学学院，山东 淄博 250049)

土壤盐渍化是影响植物生长的主要逆境因素之一［1］。NaCl是盐渍化土壤中最主要的成分，对植物造成的伤害是多方面的。NaCl胁迫下，植物会出现营养失衡和渗透功能受损，活性氧过量产生导致膜完整性的破坏，进而引起光合电子传递系统失活、激素平衡破坏、生物量积累下降、蛋白质变性、核酸断裂甚至细胞死亡［2］。光合作用决定着植物的生长发育和产量［3］，NaCl胁迫对植物光合特性的影响程度决定着植物的抗盐能力和产量水平，可用作判断植物生长和抗逆性强弱的指标［4－5］。光合作用通过两个光系统 (PSI和PSII)将光能转化为化学能，其中PSII被认为对NaCl胁迫尤其敏感，在植物响应NaCl胁迫的过程中发挥重要作用［3］。因此，许多学者围绕NaCl胁迫对不同植物品种、植物组织PSII光化学活性的影响进行了广泛探讨［3，5－6］。

椒样薄荷(Mentha piperita L.)是唇形科薄荷属多年生草本植物，是天然香料，香气纯正、清爽宜人，广泛用于日用化妆品、医药和糖果食品，具有巨大的经济价值［7－8］。本实验室在盐渍化土壤经多年驯化筛选出了抗盐椒样薄荷品系——科院一号，适合在黄河三角洲地区盐渍土壤上大规模推广种植。课题组还首次开展了椒样薄荷响应NaCl胁迫的生理特性的研究，发现它能够耐受0.8%的NaCl胁迫，在该浓度下，椒样薄荷植株能正常生长，并维持较高的含水量、较低的渗透势、较低的电导率和Na+含量，但在遭受更高的NaCl胁迫时会受到一定程度的伤害［9］。

目前国内外对椒样薄荷的研究与开发主要聚焦于精油组分的分析和提取，对其耐盐特性研究较少，对NaCl胁迫下椒样薄荷光合系统活性变化的研究更是尚未开展。本试验以抗盐椒样薄荷品系为试材，对不同浓度NaCl胁迫下椒样薄荷光合作用和PSII光化学活性的变化进行了研究，有助于深入了解椒样薄荷的耐盐机制，为其栽培管理、耐盐品种的选育及耐盐胁迫的人工调控提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

实验所用椒样薄荷(Mentha piperita L.)为本实验室在盐渍化土壤多年驯化筛选出的抗盐品系(科院一号)。在人工气候室内于光暗周期为10 h/14 h，昼夜温度为26/20℃，空气相对湿度为50% ～70%的条件下，大量培养椒样薄荷植株，选取生长期(10叶期)一致的植株进行实验。

实验中所用的主要仪器有叶片面积测量仪 (LI-3100C，LI-COR，USA)，光合速率测定仪 (LI-6400;LICOR，USA)，叶绿素荧光仪 (PAM MINI，德国 Walz)，酶标仪 (Infinite 200，瑞士 Tecan)和电子天平(FA1004N，上海精密科学仪器有限公司)。

1.2 实验处理

取普通耕作土和营养基质按1:1比例混合，混匀过筛后装于塑料盆中。选取生长良好、大小一致(10叶期)的椒样薄荷植株，移于塑料盆(每盆3株)中。培养7d后，分别以含有不同浓度NaCl(浓度分别为0、100、150、200mmol/L)的Hoagland溶液处理12 d，每个处理设5次重复。为了避免盐激作用对植株的影响，采用每12 h递增50mmol/L，直至达到最终NaCl浓度。每天用相应的NaCl溶液浇灌一次，浇灌量为土壤持水量的2倍，约2/3的溶液流出，从而将以前的积余盐冲洗掉，以保持NaCl浓度恒定。

1.3 椒样薄荷植株生长状况的测定

分别取经不同浓度NaCl处理后的3株椒样薄荷植株的地上部，利用电子天秤称量鲜重。然后选取3株椒样薄荷的叶片(从下往上数第3对叶)，利用叶片面积测量仪来测定叶片面积。

1.4 净光合速率(Pn)、光合电子传递速率(ETR)和叶绿素含量的测量

分别取经不同浓度NaCl处理后的椒样薄荷叶片(从下往上数第3对叶)，用便携式光合速率测定仪来测量椒样薄荷叶片的净光合速率(Pn)和光合电子传递速率(ETR)［10］。LI-6400装有6400-15叶室(直径1.0 cm)，使用人工光源，光照强度为20000 Lx的饱和光。内置CO2注入系统，控制叶室CO2浓度为500mg/m3。总叶绿素含量用95%(V/V)乙醇提取，分光光度计法测定［6］。

1.5 叶绿素荧光参数的检测

采用叶绿素荧光仪测定不同实验组椒样薄荷成熟叶片的叶绿素荧光参数。测定前，将叶片放置到暗适应夹中适应25～30min。测定时，将叶片放置到样品室，打开检测光，测定初始荧光;然后照射饱和脉冲光，每2.5 s一个脉冲，成像并测定反映PSII光化学活性的荧光参数:PSII最大光化学量子产量(Fv/Fm)、PSII有效光化学量子产量(Y(II))、光化学淬灭系数(qP)和可变荧光(Fv)［10］。

1.6 数据处理

数据均用SPSS和Origin统计软件进行分析和制图，计算各处理性状的平均数、标准差，并进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 NaCl胁迫对椒样薄荷生长状况和生物量的影响

在100和150mmol/L NaCl处理下，与对照相比，椒样薄荷的生长表型、鲜重以及叶片面积没有受到明显的影响，而在200mmol/L NaCl处理下，其生长表型、鲜重以及叶片面积均呈现出显著的抑制和下降 (图1～3)。200mmol/L NaCl处理12 d后，椒样薄荷鲜重以及叶片面积的下降与同期对照相比十分显著 (P＜0.05)，分别降至了同期对照的 56.63% 和63.62%(图2～3)。

图1 不同浓度NaCl胁迫对椒样薄荷生长状况的影响Fig.1 Impacts of different concentrations of NaCl stress on the growth condition of peppermint.

图2 不同浓度NaCl胁迫对椒样薄荷鲜重的影响Fig.2 Impacts of different concentrations of NaCl stress on the fresh weight of peppermint

图3 不同浓度NaCl胁迫对椒样薄荷叶片面积的影响Fig.3 Impacts of different concentrations of NaCl stress on the leaf area of peppermint

2.2 NaCl胁迫对椒样薄荷Pn、ETR和叶绿素含量的影响

如图4～5所示，在100和150mmol/L NaCl处理下，与对照相比，椒样薄荷叶片的净光合速率和光合电子传递速率值略有波动，但没有受到明显的影响，差异未达到显著水平。而在200mmol/L NaCl处理下，Pn和ETR随处理时间的延长有所下降 (P＜0.05)。200mmol/L NaCl处理6 d后，Pn和ETR分别降至了同期对照的66.67%和62.22%，而在200mmol/L NaCl处理12 d后，椒样薄荷叶片Pn和ETR的下降与同期对照相比更加明显，分别降至了同期对照的34.29%和38.11%(图4～5)。叶绿素含量检测的实验显示，在100和150mmol/L NaCl处理12 d后，与同期对照相比，叶绿素含量没有受到明显的影响，差异未达到显著水平。而在200mmol/L NaCl处理12 d后，叶绿素含量明显下降，降至了同期对照的56.69%(图6)。

图4 不同浓度NaCl胁迫对椒样薄荷叶片Pn的影响Fig.4 Impacts of different concentrations of NaCl stress on Pn value of peppermint leaf

图5 不同浓度NaCl胁迫对椒样薄荷叶片ETR的影响。Fig.5 Impacts of different concentrations NaCl stress on ETR value of peppermint leaf

图6 不同浓度NaCl胁迫对椒样薄荷叶片总叶绿素含量的影响Fig.6 Impacts of different concentrations of NaCl stress on the totalchlorophyllcontentof peppermint leaf

图7 不同浓度NaCl胁迫下椒样薄荷叶片叶绿素荧光参数的成像Fig.7 Image of chlorophyll fluorescence parameters of peppermint leaf for different concentrations of NaCl stress

2.3 NaCl胁迫对椒样薄荷叶片PSII光化学活性的影响

为了进一步验证NaCl胁迫对椒样薄荷光合系统的损伤机制，我们利用叶绿素荧光成像技术检测了NaCl胁迫下PSII光化学活性的变化。荧光参数Fv/Fm反映了PSII的最大量子产量，Y(II)则反映了PSII的有效量子产量，它们都能够反映PSII的光化学效率及活性［11］。叶绿素荧光成像及定量分析的实验结果显示，在100和150mmol/L NaCl处理下，与对照相比，椒样薄荷叶片的Fv/Fm和Y(II)值没有受到明显的影响，差异未达到显著水平(图7、图8A、B);而在200mmol/L NaCl处理下，其Fv/Fm和Y(II)值明显下降，而且这个下降过程依赖于NaCl的处理浓度和处理时间 (图7、图8A、B)。200mmol/L NaCl处理6 d后，与同期对照相比，Fv/Fm和Y(II)值分别下降了25.38%和29.88%，而在200mmol/L NaCl处理12 d后，椒样薄荷Fv/Fm和Y(II)值的下降与同期对照相比更加明显，分别下降了38.5%和46.6%(图8A、B)。

图8 不同浓度NaCl胁迫下椒样薄荷叶片叶绿素荧光参数的定量分析Fig.8 Quantitative analysis of chlorophyll fluorescence parameters of peppermint leaf for different concentrations of NaCl stress

2.4 NaCl胁迫对椒样薄荷PSII中QA到QB之间电子传递的影响

在PSII复合体中，QAFe2+QB复合体是PSII的电子传递终端受体，QA到QB之间的电子传递依赖于Fe2+的活性和作用，它们之间的电子线性传递是光合电子传递链的重要组成部分，QA到QB之间的电子传递是PSII中敏感的易损伤靶点［3，10－11］。因此，检测能够反映QA到QB之间电子传递的叶绿素荧光参数qP和Fv的变化。稳态的光化学淬灭系数qP和可变荧光参数Fv的大小和强度都能够反映还原态QA－的含量。qP的值越低，表明 QA－的含量越高［12］;Fv的值越高，表明 QA－的含量越高［13－14］。实验结果显示:在100mmol/L和150mmol/L NaCl处理下，与对照相比，椒样薄荷叶片qP和Fv值没有受到明显的影响，差异未达到显著水平 (图7，图8C、D);而在200mmol/L NaCl处理下，qP值明显的降低 (图7，图8C)，而Fv值明显的升高 (图7，图8D)，差异均达到了显著水平，表明了还原态QA－含量的增加，说明QA到QB之间电子传递受到了阻断。

3 结论

我们利用光合作用测定仪和叶绿素荧光仪研究了不同浓度NaCl胁迫对椒样薄荷光合作用和PSII光化学活性的影响，得出以下结论:

(1)植物生长状态是植物对NaCl胁迫反应的综合体现，是植物耐盐性的直接指标。在NaCl胁迫下，椒样薄荷的生长和生物量呈现出了浓度依赖性的变化。在100和150mmol/L NaCl处理时，椒样薄荷能保持正常的生长状况，维持正常的鲜重以及叶片面积，但在200mmol/L NaCl处理下，其生长受到了明显的抑制，对椒样薄荷植株造成了一定程度的伤害，这与椒样薄荷植株在高浓度NaCl处理后萎蔫的表型是一致的。

(2)NaCl胁迫对植物生长和代谢的影响是多方面的，尤以对光合作用的影响最为突出。100和150mmol/L的NaCl处理并未对椒样薄荷叶片的净光合速率Pn、光合电子传递速率ETR以及叶绿素含量产生明显的影响，而在200mmol/L NaCl处理下，Pn、ETR和叶绿素含量均显著的下降。之前的研究表明，在低浓度NaCl处理过程中，椒样薄荷叶片中Na+含量变化不明显，而高浓度NaCl胁迫下椒样薄荷叶片中Na+含量明显增加。由此推测，200mmol/L NaCl引起的光合损伤可能是由于高NaCl胁迫导致椒样薄荷叶片细胞中Na+的大量累积，引起了叶片光合器官的损伤，造成叶绿素含量降低和叶肉细胞光合活性下降。

(3)PSII是光合系统中最敏感的组分，在植物光合系统对环境胁迫的应激中起着重要的作用，QA到QB之间的电子传递是PSII中敏感的易损伤靶点。NaCl胁迫下，植物进行光合作用受到伤害的最初部位是与PSII紧密联系的。100和150mmol/L的NaCl处理对椒样薄荷PSII活性没有显著影响。而200mmol/L NaCl胁迫显著降低了Fv/Fm和Y(II)值，抑制了QA到QB之间的电子传递，导致PSII电子传递链的阻断，使椒样薄荷叶片发生了光抑制。

综上所述，在100和150mmol/L NaCl胁迫下，椒样薄荷能够正常生长，光合活性以及PSII光化学活性没有受到明显的影响。随着NaCl处理浓度的提高，200mmol/L NaCl胁迫抑制了PSII受体侧QA到QB之间的电子传递活性，阻断了光合电子传递链，造成了椒样薄荷叶片光合活性和PSII光化学活性的显著下降。本实验研究了不同浓度NaCl胁迫下抗盐椒样薄荷品系光合作用和PSII光化学活性的变化，这有助于深入了解椒样薄荷的耐盐机制，为其栽培管理、耐盐品种的驯化选育及耐盐胁迫的人工调控提供理论基础。

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