鹽堿條件下不同濃度葉面鐵肥對缺鐵水稻幼苗葉綠素熒光特性的影響

　　水稻是世界性的糧食作物，全世界超過50%的人口以水稻為主食。因此確保并增加稻米產(chǎn)量對穩(wěn)定世界糧食安全至關重要。在水稻生長過程中，獲得耐旱、耐熱、耐鹽、耐重金屬等逆境脅迫能力，是水稻生產(chǎn)中需要解決的首要問題。鹽分脅迫是限制水稻生長和發(fā)育的第二大非生物脅迫，并且鹽堿脅迫對植物的傷害遠超過單獨鹽分脅迫。在水稻生長發(fā)育中，鐵肥的投入尤為重要，但由于鐵的化學性質更為活躍，鐵在堿性環(huán)境中很容易轉化為不溶性鐵羥基絡合物，這嚴重限制了水稻根系對鐵的吸收和利用。在鹽堿條件下，鐵的有效性降低，這很容易導致缺鐵并抑制水稻的光合作用。

　　吉林農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院水稻栽培創(chuàng)新團隊在中國東北地區(qū)松嫩平原開展水稻生理生態(tài)學研究，利用英國Hansatech公司生產(chǎn)的M-PEA植物效率分析儀的葉綠素熒光誘導和820nm調制反射技術，測定了不同處理水稻幼苗快速葉綠素熒光誘導動力學曲線，研究了在鹽堿和缺鐵脅迫下，噴施不同濃度鐵肥對水稻葉片原始反應和光合電子傳遞鏈的影響。研究結果“Effect of different concentrations of foliar iron fertilizer on chlorophyll fluorescence characteristics of iron-deficient rice seedlings under saline sodic conditions”發(fā)表在Plant Physiology and Biochemistry（IF=5.437）雜志上。

圖1不同鐵肥濃度下堿脅迫下缺鐵水稻葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的變化。（A和C）在對數(shù)時間尺度上，Chl A熒光上升動力學標準化為F_O和F_M，V_t=（F_t–F_O）/（F_M–F_O）。（B和D）為振幅變化，[DVt=DVt（處理）-DVt（對照）]（n=4-6）。

　　圖1顯示了不同鐵肥噴施濃度對鹽堿脅迫下缺鐵水稻的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP）的影響。在缺鐵與鹽堿共同處理下，水稻葉片J點升高并成為熒光動力學曲線上升的主峰，導致J-I-P相近乎一條直線。隨著鐵濃度的增加，K、J、I點均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，在Fe3處理最低。相同鐵肥濃度下，長白（CB）的DVt峰值更高，這表明CB品種對鐵肥更為敏感。與Fe0相比，鐵肥的噴施可以不同程度降低K、J、I點，其中K和J點降幅較大，這表明鐵主要作用于PSII供體側性能(K點降低)和受體側性能（J點降低）來改善PSII性能。

表1兩個品種在不同濃度的鐵肥條件下，堿脅迫下缺鐵水稻葉片部分熒光參數(shù)的比較

　　鐵肥的噴施有利于提高量子產(chǎn)額與效率，減少能量耗散比率，促進水稻性能指數(shù)的提高。由表1可以看出，隨著鐵肥濃度的增加，鹽堿脅迫下缺鐵水稻幼苗的量子產(chǎn)額等參數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢（jDo相反）。鹽堿脅迫下的缺鐵水稻PSII單個活性反應中心吸收的能量通量主要有兩個去向：被捕獲以及能量耗散。噴施鐵肥后兩個水稻品種的單位ABS的量子產(chǎn)率jPo、jEo、jRo和單位TR的量子效率yEo、yRo均顯著提升，熱耗散則顯著下降，在各個處理中，F(xiàn)e3處理的提升最大。此外，dRo表示PSI受體側末端電子受體還原的量子效率。從表中可以看出，噴施鐵肥對dRo的提升沒有達到顯著作用（Fe5除外）。這表明鐵對電子從傳遞載體到PSI受體側的轉移過程中沒有顯著影響，但在高濃度鐵處理下dRo顯著提升。PI_ABS是基于ABS吸收的PSII功能活性指數(shù)，在一定程度上可以反應PSII活性反應中心濃度、初級光化學反應和電子傳遞的性能。由表可以看出噴施鐵肥后PIABS呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在Fe3處理時PI_ABS達到最大，植株生長狀況較好。

圖2 噴施鐵肥后鹽堿脅迫下缺鐵水稻葉片O-J相的變化

　　上圖是通過O~J相間的雙重標準化（W_OJ= (F_t-F_O)/(F_J-F_O)）對K峰進一步分析，?W_OJ= W_OJ(treated or control) - W_OJ(control)，K峰的增加表明PSII供體側性能的降低，一般對應的是放氧復合體OEC的失活。但K峰隨鐵濃度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，表明適量的鐵肥可以提高放氧復合體OEC的活性，然而過量鐵肥會破壞其活性。

圖3 不同鐵肥濃度下鹽堿脅迫對缺鐵水稻熒光O–I階段的變化。（A和C）O和I階段之間的可變熒光[WOI=（Ft?FO）/（FI?FO）]，[ΔWOI=WOI（處理）?WOI（對照）]；（B和D）WOI≥1（n=4–6）。

　　對O-I相進行分析，發(fā)現(xiàn)兩個水稻品種整體趨勢變化一致。WOI≥ 1部分I~P相的振幅反應了PSI受體側末端電子受體庫的大小，振幅越小則PSI受體側末端電子受體庫相對較小。由圖可以看出適量鐵肥的施用可以增加PSI受體側末端電子受體庫的大小，但過量鐵肥會破壞PSI受體側末端電子的受體庫，阻礙電子的進一步傳遞。此外，BJ在Fe3處理時WOI≥ 1部分最大，而CB品種在Fe2處理與Fe3處理間差異不大。這說明CB的PSI受體側末端電子受體庫對鐵肥的需求更少。

圖4 噴施鐵肥后在鹽堿脅迫下缺鐵水稻葉片膜模型的變化

　　上圖為不同處理間膜模型的變化，該圖反映了單位反應中心的能量到PSII反應中心的流動情況，可以看出缺鐵情況下，單位反應中心吸收的能量較高，并主要用于被捕獲和熱耗散，用于傳遞和傳遞到下游的能量較少。噴施鐵肥后，吸收、捕獲和熱耗散的能量降低，用于傳遞的能量和PSI的能量增強，能量的分配更為均衡。而過量鐵處理后，單位反應中心吸收、捕獲和熱耗散的能量呈現(xiàn)增加趨勢，用于電子傳遞的能量減少，這表明鐵在電子傳遞鏈中有利于維持能量在電子傳遞鏈中的傳遞。在BJ各處理中，F(xiàn)e3處理用于熱耗散的能量最低，用于傳遞并且傳遞到PSI末端電子受體使其還原的電子通量最高。而在CB各個處理中，F(xiàn)e2處理的ET0/RC與RE0/RC最高，雖然與Fe3處理無顯著差異，但這表明了CB在能量傳遞和PSI受體側對鐵的需求要小于BJ。

圖5 在不同濃度鐵肥的鹽堿性脅迫下，缺鐵水稻的標準化調制820nm反射動力學及相關參數(shù)。

　　光誘導調制820 nm反射（MR/MR0）動力學可用于檢測PSI反應中心中P700+的積累，以及P680最初捕獲的電子對PC+和P700+隨后的再還原。在這項研究中，PSI的氧化（Vox）和還原（Vred）速率在缺鐵條件下與聯(lián)合鹽水處理（Fe0）嚴重受限。這可能是因為缺鐵和鹽脅迫破壞或減少了PSI的核心復合物和電子轉運蛋白，抑制了P700和PC的氧化和還原速率。本試驗中隨著鐵肥濃度的增加，兩個品種的MR/MRO值均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，BJ和CB分別在Fe3和Fe2處理是最低?？煜嗟哪┒?最小MR/MRO)是一個短暫的穩(wěn)態(tài)，具有相同的氧化和再還原速率。當再還原速率快于氧化速率時，MR/MRo開始增加(慢相)，并在PF瞬態(tài)達到最大值時趨于平穩(wěn)。與PC和P700的氧化速率相比，噴施鐵肥對PC和P700再還原速率的影響效果更明顯。

　　文章最后，作者作出如下總結：缺鐵/過量鐵和鹽堿脅迫嚴重損傷水稻葉片光系統(tǒng)的電子傳遞鏈，打破能量流動平衡，限制水稻的生長發(fā)育。鹽堿脅迫下噴施鐵肥可以提高缺鐵水稻葉片光系統(tǒng)II供/受體側性能以及PSI的氧化還原能力，從而修復光合電子傳遞鏈，提升電子傳遞效率，促進能量分配平衡，使缺鐵水稻恢復生長，提高了缺鐵水稻的耐鹽堿性。本試驗初步揭示了噴施鐵肥對鹽堿脅迫下缺鐵水稻葉片的葉綠素熒光動力學的影響規(guī)律。作者認為適量的鐵是保證光合電子傳遞鏈中電子與能量傳遞通暢的前提，噴施鐵肥對提高水稻耐鹽堿性有積極作用。下一步應借助蛋白組學深入探究光合相關蛋白的相關變化。