全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2007, 34 (4) : 979 - 984
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2007 - 02 - 08; 修回日期 : 2007 - 05 - 14
基金项目 : 国家 ‘863’计划项目 (2002AA2Z4061) ; 江苏省高校自然科学研究计划项目 (06KJD210063)3 E2mail: xucx2006@yahoo1com1cn
硅对盐胁迫下库拉索芦荟叶绿素荧光参数和叶绿体
超微结构的影响
徐呈祥 1, 23 , 刘友良 2 , 马艳萍 1
(1金陵科技学院园艺学院 , 南京 210038; 2南京农业大学生命科学学院 , 南京 210095)
摘 　要 : 以 7叶龄幼苗为试材 , 研究了可溶性硅 ( Si) 对盐 (NaCl) 胁迫下库拉索芦荟 (A loe vera L. )
叶绿素荧光参数和叶绿体超微结构的影响。结果表明 , 随处理时间延长 , 芦荟对 NaCl (100 mmol/L ) 胁迫
的响应愈加明显 , 胁迫 30 d的伤害明显重于 10 d, 但 NaCl胁迫下加 Si (210 mmol/L ) 与不加 Si相比 , 叶
绿素 (Chl1) 总含量下降幅度小 , Chl1a含量显著提高 , 叶绿素初始荧光 ( Fo) 值的上升与可变荧光 ( Fv)
值的下降受到抑制 , 光系统 Ⅱ ( PSⅡ) 潜在活性 ( Fv/Fo) 显著增强 , 同时 , 加 Si有利于保持盐胁迫下芦
荟叶绿体的形态 , 保护类囊体的超微结构 , 说明施 Si缓解盐胁迫对光合细胞器的伤害 , 可改善盐胁迫下芦
荟的光合作用。
关键词 : 芦荟 ; 叶绿素荧光 ; 叶绿体超微结构 ; 盐胁迫 ; 硅
中图分类号 : Q 945; S 68　　文献标识码 : A　　文章编号 : 05132353X (2007) 0420979206
Effects of S ilicon on Param eters of Chlorophyll Fluorescence and Ultra struc2
ture of Chloropla st in A loe vera L. under Sa lt Stress
XU Cheng2xiang1, 23 , L IU You2liang2 , and MA Yan2p ing1
(1 College of Horticulture, J in ling Institu te of Science and Technology, N an jing 210038, Ch ina; 2 College of L ife Sciences, N an2
jing A gricultural U niversity, N anjing 210095, China)
Abstract: Effects of soluble silicon ( Si) on parameters of chlorophyll fluorescence and ultrastructure of
chlorop last in A loe vera L. under salt stress were investigated with seven2leaf2old seedlings. Experimental re2
sults showed that the responses of aloe to NaCl (100 mmol/L ) stress were more evident with p rolongation of
treatment time; salt injury of 30 d after treatmentwas more serious than that of 10 d. However, compared with
the p lants treated with NaCl alone, under NaCl stress with added Si ( 210 mmol/L ) , the decrease of total
chlorophyll content slightly decreased, chlorophyll a content significantly increased, the increase of m inimal
fluorescence ( Fo) and the decrease of variable fluorescence ( Fv) were inhibited, and the potential activity of
photosystemⅡ ( PSⅡ) , i1e. Fv /Fo ratio was significantly enhanced. Meanwhile, added Si was favourable to
maintain the morphology and structure of aloe chlorop last and to p rotect the integrity of thylakoid structure, il2
lustrating that exogenous soluble Si alleviates injury of salt stress to photosynthetic organelle and imp roves pho2
tosynthetic efficiency of salt2stressed aloe p lant.
Key words: A loe vera L. ; Chlorophyll fluorescence; U ltrastructure of chlorop last; Salt stress; Silicon
近年来 , 植物生物学上对硅 ( Si) 的生理功能颇为关注 , 但迄今还未得出全面结论 ( Ep stein,
1999; R ichmond & Sussman, 2003; 徐呈祥 等 , 2004; 徐呈祥和刘友良 , 2006)。在 Si与植物耐盐性
方面 , 已知 Si可缓解水稻 (Matoh et al. , 1986)、牧豆树 (B radbury & Ahmad, 1990)、小麦 (Ahmad
et al. , 1992)、大麦 (L iang, 1998)、黄瓜 ( Zhu et al. , 2004) 和番茄 (A l2Aghabary et al. , 2004) 等
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的盐害 , 但鲜见 Si与其它植物耐盐性的报道 , 对 Si与盐胁迫下植物叶绿素荧光动力学特性和光合细
胞器超微结构的影响目前所知甚少。近年来 , 作者研究了百合科 (L iliaceae) 植物库拉索芦荟 (A loe
vera L. ) 对盐 (NaCl) 胁迫的响应及外源 Si的效应 , 发现用不同浓度 NaCl处理 7叶龄该种植物 120
d, NaCl 50 mmol/L对其生长无明显影响 , NaCl 100 mmol/L显著抑制其根系生长 , NaCl 200 mmol/L
显著抑制其全株生长 (徐呈祥 等 , 2006) , 但在所浇灌的溶液中添加可溶性 Si 210 mmol/L则明显缓
解 NaCl 100、200 mmol/L 处理对其生长的抑制作用 , 原因是加 Si明显降低 NaCl胁迫下芦荟 Na+和
Cl- 含量 , 提高 K+ 含量和 K+ /Na+ , 促进其植株对 K+ 的选择性吸收 ( ASK + , Na + ) 和运输
( TSK + , Na + ) , 改善盐分离子的微域分布状况 , 使光合细胞中的离子稳态得到维持 , 根尖细胞中质膜
H + 2ATP酶、液泡膜 H + 2ATP酶和 H + -焦磷酸酶活性显著提高 (Xu et al. , 2006)。在本研究中 , 以
7叶龄幼苗为试材 , 研究了水培液配方中添加可溶性 Si对 NaCl胁迫下库拉索芦荟叶绿素荧光参数和
叶绿体超微结构的影响 , 旨在进一步认识和揭示 Si在芦荟耐盐生理中的作用与机制。
1　材料与方法
111　材料培养与处理
选择在塑料盆中砂培 (Hoagland溶液浇灌 ) 60 d、生长正常、大小一致的 7叶龄库拉索芦荟幼
苗 , 设 NaCl 100 mmol/L和 NaCl 100 mmol/L + Si 210 mmol/L两种处理 , 以不加 NaCl和 Si、只用 Ho2
agland溶液浇灌为对照 , 用稀 H2 SO4或 NaOH将所浇灌溶液的 pH值调整为 614。Si源为 K2 SiO3 (化
学纯 )。加 Si所引入的 K+量从配制 Hoagland溶液所使用的 KNO3中扣除 , 由此所引起的 NO3 - 的减少
以稀 HNO3 (5% ) 补偿。每 3 d浇灌 1次 , 每次浇灌时使下渗液与浇灌液的盐浓度基本一致。培养室
内昼 /夜温度为 26℃ /22℃, 光周期为 14 h, 相对湿度为 80%。
112　叶绿素含量与叶绿素荧光参数测定
处理 30 d时取倒数第 4～6叶进行测定。叶绿素 (Chl1) 含量参照文献 《现代植物生理学实验指
南》 (中国科学院上海植物生理研究所和上海市植物生理学会 , 1999) 的方法进行。叶片经暗适应 30
m in后 , 用英国 Hansatech公司生产的 Plant Efficiency Analyser测定叶绿素的初始荧光 ( Fo) 和最大荧
光产量 ( Fm) , 经计算得可变荧光 ( Fv = Fm - Fo)、光系统 Ⅱ ( PSⅡ) 最大光化学效率 ( Fv /Fm )
和 PSⅡ潜在活性 ( Fv/Fo) , 每处理至少测 10片叶。
113　叶绿体超微结构电镜样品制备与观察
从处理 30 d的植株上取倒数第 5片叶 , 按叶片正面 (贮水薄壁组织上方 )、背面 (贮水薄壁组织
下方 ) 分别取样 , LKB2V型薄片切片机切片 , 切片厚 50～70 nm , 不经醋酸铅 —双氧铀染色 , 用
H ITACH I H2600型透射电镜观察拍摄 (张丰德和樊廷玉 , 1996)。
2　结果与分析
211　S i对 NaC l胁迫下库拉索芦荟叶绿素含量的影响
NaCl和 NaCl + Si处理 10 d, 库拉索芦荟叶绿素含量高于对照 , 但 3种处理间无显著差异 ; 至 30
d, NaCl和 NaCl + Si处理的 Chl1含量极显著低于对照 , 但 NaCl + Si处理比 NaCl处理的高 9186%。
NaCl和 NaCl + Si处理的 Chl1a和 Chl1b含量变化与 Chl1( a + b) 的变化相似 , 10 d时均略有升高 , 与
对照无显著差异 , 但至 30 d时 , NaCl处理的 Chl1a含量极显著低于对照和 NaCl + Si处理 , 而对照和
NaCl + Si处理之间 Chl1a含量无显著差异 , NaCl + Si处理的 Chl1a含量比对照低 26137% , 比 NaCl处
理的高 21139% ; NaCl胁迫下加 Si与否对芦荟 Chl1b含量的影响不显著 , 至 30 d时 , NaCl和 NaCl +
Si处理的 Chl1b含量均极显著低于对照 (图 1)。
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　4期 徐呈祥等 : 硅对盐胁迫下库拉索芦荟叶绿素荧光参数和叶绿体超微结构的影响 　
图 1　S i对 NaC l胁迫下库拉索芦荟叶绿素含量的影响
同栏同日中相同小写字母表示在 P≤0105水平上差异不显著。下同。
F ig. 1　Effect of S i on the con ten t of chlorophyll in leaf of A1vera L. under NaC l stress
Numbers in same column followed by same small letters were not significantly
different at P≤0105 level. The same below.
212　S i对 NaC l胁迫下库拉索芦荟叶绿素 Fo、Fm、Fv和 Fv /Fo变化的影响
由图 2可见 , 与对照相比 , 无论 NaCl处理 10 d或 30 d, 芦荟的 Fo均呈现增大趋势 , 表明其
PSⅡ反应中心受到一定伤害或可逆失活 , NaCl + Si处理在前期对 Fo的增大具一定程度抑制作用 (图
2, A)。处理 10 d, NaCl及 NaCl + Si处理的 Fm均与对照无显著差异 ; 处理 30 d, NaCl + Si处理的
Fm显著高于 NaCl处理 , 而与对照相近 (图 2, B )。NaCl处理下 , 芦荟的 Fv随时间延后变化较大 ,
前期增大快 , 后期减小也快 , 但 NaCl + Si处理的 Fv变化平稳 , 无论处理 10 d或 30 d均与对照无显
著差异 , 而与 NaCl处理有显著差异 (图 2, C)。
图 2　S i对 NaC l胁迫下库拉索芦荟叶绿素荧光参数的影响
F ig. 2　Effect of S i on param eters of chlorophyll fluorescence in darkness of A1vera L. under NaC l stress
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　　NaCl胁迫下加 Si与否对芦荟 Fv/Fm影响较小 , 但对 Fv/Fo的影响则大得多。由图 2, D可见 ,
无论处理 10 d或 30 d, 其值均显著低于对照 , 表明其 PSⅡ潜在活性中心受到了伤害 , 但 NaCl + Si处
理 10 d, Fv /Fo高于 NaCl处理 , 与对照无显著差异 , 处理 30 d则显著低于对照而显著高于 NaCl处
理 , 表明其 PSⅡ潜在活性中心受到的伤害轻于 NaCl处理。
213　S i对 NaC l胁迫下库拉索芦荟叶绿体超微结构的影响
盐胁迫下 , 库拉索芦荟位于叶片正面同化组织细胞中的叶绿体所受到的伤害重于叶片背面 , 而叶
绿体无论处在叶片正面还是叶片背面同化组织的细胞中 , 加 Si 210 mmol/L对其 NaCl胁迫的缓解效应
均很显著。由图 3可见 , NaCl 100 mmol/L处理 30 d, 芦荟叶正面同化组织细胞质壁分离 , 其中的叶
绿体膨胀甚至呈球形 , 类囊体结构松散、紊乱以至解体 , 且嗜锇颗粒多而大 (图 3, B、C、D ) , 与
对照的叶绿体形态结构差异显著 (图 3, A ) , 表明在整体上其功能已因盐胁迫而受到严重伤害 ;
NaCl + Si处理的叶绿体宽度明显增大 , 明显呈膨胀状态 , 但类囊体结构总体上好得多 , 不少部位的间
质类囊体、基粒类囊体清晰可见 , 淀粉粒颜色深、体积大 , 表明其同化功能受盐胁迫的影响较小
(图 3, E)。NaCl 100 mmol/L处理 30 d, 芦荟叶背面同化组织的细胞超微结构也受到较显著损伤 , 但
与叶正面相比 , 叶绿体整体膨胀明显较轻 , 主要是局部类囊体的结构松散、紊乱 , 而间质类囊体、基
粒类囊体的结构仍较清晰 , 嗜锇颗粒的直径与密度均不如叶正面的大 (图 3, G、H ) , 与对照 (图
3, F) 及 NaCl + Si (图 3, I) 处理相比 , 叶绿体超微结构损伤明显 , 但远小于叶正面 , 而对照与
NaCl + Si处理之间叶绿体超微结构的差异较小 , 表明外源 Si对盐胁迫下芦荟叶绿体结构与功能的改
善作用在其叶背面更显著。
3　讨论
植物活体叶绿素发出的荧光信号包含的光合作用信息十分丰富 (Monneveus et al. , 1990)。利用
叶绿素荧光动力学特征鉴定植物耐盐性已有一些报道 , 并认为此项技术可用于麦类作物耐盐品种或基
因型的筛选 , 但到目前为止尚未完全确定盐胁迫对 PSⅡ活性 (如 Fo, Fm, Fv/Fm, Fv/Fo等 ) 是否
有影响 , 也未确定某一荧光参数的变化适于反映所有植物在盐胁迫下的变化情况 (Larcher et al. ,
1990; 冯立田和赵可夫 , 1997; A l2Aghabary et al. , 2004; 黄有总和张国平 , 2004)。在本试验中 , 随
处理时间延长 , 库拉索芦荟叶绿素荧光参数的响应愈加明显 , 同时 , 盐胁迫下加 Si与不加 Si相比 ,
叶绿素 Fo值的增大及 Fm值和 Fv值的减小均受到抑制 , 使 Fv/Fo (而不是 Fv/Fm ) 显著提高 , 暗示
外源 Si有利于保护受盐胁迫库拉索芦荟的 PSⅡ, 增强其 PSⅡ在盐胁迫下的光化学活性 , 促进光合作
用原初反应。
叶绿体作为植物进行光合作用的器官 , 除了进行光合作用的全部过程外 , 还进行许多生物化学过
程 (吴相钰 等 , 1998)。盐胁迫对植物细胞及光合细胞器超微结构的影响研究较多 , 但添加可溶性
Si对盐胁迫下植物细胞、亚细胞超微结构的影响仅见于 L iang (1998) 的报道 , 认为外源 Si有助于稳
定盐胁迫下大麦叶肉细胞的超微结构 , 提高叶绿体膜结构的完整度 , 减轻对基粒超微结构的损伤。本
试验结果与此相似 , 也表明 NaCl胁迫下外源 Si可对库拉索芦荟叶绿体的完整性及类囊体超微结构的
稳定性起显著保护作用 , 但盐胁迫对其贮水组织下方 (叶片背面 ) 同化组织细胞中叶绿体的伤害显
著轻于上方 (叶片正面 ) , 相似的情况也表现在外源 Si的效应上 , 其原因可能与盐胁迫下的光抑制有
关 , 也可能有发育植物学上的原因 , 但无疑这种差异性有利于芦荟增强其耐盐性。
上述结果与作者已报道的 Si改善盐胁迫下库拉索芦荟生长和离子吸收与分布的结果在本质上一
致 (Xu et al. , 2006) , 表明 Si对盐胁迫下库拉索芦荟光合作用的影响也是其缓解盐害的重要机制之
一。
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图 3　S i对 NaC l胁迫下库拉索芦荟叶绿体超微结构的影响 (处理 30 d)
A～E: 叶片正面 (贮水薄壁组织之上 ) 的同化薄壁组织。F～ I: 叶片背面 (贮水薄壁组织之下 ) 的同化薄壁组织。A: 对照
( ×30 000) ; B～D: NaCl处理 ( ×25 000, ×30 000, ×30 000) ; E: NaCl + Si处理 ( ×30 000) ; F: 对照
( ×10 000) ; G, H: NaCl处理 ( ×12 000, ×30 000) ; I: NaCl + Si处理 ( ×30 000)。
Ch: 叶绿体 ; M: 线粒体 ; N: 细胞核 ; SG: 淀粉粒。
F ig. 3　Effects of S i on ultra structure of chloropla st in chlorenchyma cells of A loe vera L. under NaC l stress for 30 d
A - E: Samp les were from the chlorenchymas of aloe leaf cover ( up the aquiferous tissue) . F - I: Samp les were from the chlorenchymas of aloe
leaf back ( below the aquiferous tissue) . A: Control ( ×30 000) ; B - D: Treatment with NaCl 100 mmol/L ( ×25 000, ×30 000,
×30 000) ; E: Treatment with NaCl 100 mmol/L + Si 210 mmol/L ( ×30 000) ; F: Control ( ×10 000) ; G, H: Treatment
with NaCl 100 mmol/L ( ×12 000, ×30 000) ; I: Treatment with NaCl 100 mmol/L + Si 210 mmol/L ( ×30 000) .
Ch: Chlorop last; M: M itochondria; N: Nucleus; SG: Starch grain.
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References
Ahmad R, Zaheer S H, Ismail S. 1992. Role of silicon in salt tolerance of wheat ( Triticum aestivum L. ) . Plant Sci. , 85: 43 - 50.
A l2Aghabary K, Zhu Z J, Shi Q H. 2004. Influence of silicon supp ly on chlorophyll content, chlorophyll fluorescence, and antioxidative enzyme
activities in tomato p lants under salt stress. J. Plant Nutr. , 27: 2111 - 2115.
B radburyM, Ahmad R. 1990. The effect of silicon on the growth of Prosopis ju lif lora growing in saline soil. Plant Soil, 125: 71 - 74.
Ep stein E Silicon. 1999. Annu. Rev. Plant Physiol. PlantMol. B iol. , 50: 641 - 664.
Feng L i2tian, Zhao Ke2fu. 1997. The in vivo chlorophyll fluorescence and selection of salt resistant crop s. J. Shandong Normal University, 12
(4) : 436 - 439. ( in Chinese)
冯立田 , 赵可夫. 1997. 活体叶绿素荧光与耐盐作物筛选. 山东师范大学学报 , 12 (4) : 436 - 439.
Huang You2zong, Zhang Guo2p ing. 2004. App lication of measuring chlorophyll fluorescence in identification of salinity tolerance in Triticeae
crop s. J. Triticeae Crop s, 24 (3) : 114 - 116. ( in Chinese)
黄有总 , 张国平. 2004. 叶绿素荧光测定技术在麦类作物耐盐性鉴定中的应用. 麦类作物学报 , 24 (3) : 114 - 116.
Institute of Plant Physiology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai Society of Plant Physiology. 1999. Experimental guideline of modern p lant
physiology. Beijing: Science Press. ( in Chinese)
中国科学院上海植物生理研究所 , 上海市植物生理学会. 1999. 现代植物生理学实验指南. 北京 : 科学出版社.
LarcherW , W agner J, Thammathaworn A. 1990. Effects of super imposed temperature stress on in vivo chlorophyll fluorescence of V igna unguicu2
la ta under saline stress. J. Plant Physiol. , 136: 92 - 102.
L iang Y C. 1998. Effects of silicon on leaf ultrastructure, chlorophyll content and photosynthetic activity of barley under salt stress. Pedosphere,
8 (4) : 289 - 296.
L iu You2liang, W ang L iang2ju. 1998. Responses to salt stress in p lants and its salt tolerance. In: Yu Shu2wen, Tang Zhang2cheng eds. Plant
physiology and molecular biology. Beijing: Science Press: 752 - 769. ( in Chinese)
刘友良 , 汪良驹. 1998. 植物对盐胁迫的响应及其耐盐性. 见 : 余叔文 , 汤章城主编. 植物生理学与分子生物学. 北京 : 科学出
版社 : 752 - 769.
Matoh T, Kairusmee P, Takahashi E. 1986. Salt2induced damage to rice p lants and alleviation effect of silicate. Soil Sci1 Plant1 Nutr1, 32: 295
- 304.
Monneveus P, MekkaouiM E, Xu X. 1990. Physiological basis of salt2tolerance in wheat chloraphyll fluorescence as a new tool for screening toler2
ant genotypes. In: W heat breading p rospects and future app roaches. Varna Bulgaria: 1 - 30.
R ichmond K E, Sussman M. 2003. Got silicon? The non2essential beneficial p lant nutrient. Curr. Op in. Plant B io. , 6: 268 - 272.
W u Xiang2yu, W u Guang2yao, Zhao J in2dong. 1998. Molecular biology of chlorop last. In: Yu Shu2wen, Tang Zhang2cheng eds. Plant physiology
and molecular biology. Beijing: Science Press: 155 - 170. ( in Chinese)
吴相钰 , 吴光耀 , 赵进东. 1998. 叶绿体的分子生物学. 见 : 余叔文 , 汤章城主编. 植物生理与分子生物学. 北京 : 科学出版
社 : 155 - 170.
Xu Cheng2xiang, L iu Zhao2pu, L iu You2liang. 2004. Physiological function of silicon in p lants. Plant Physiol. Commun. , 40 (6) : 753 - 757.
( in Chinese)
徐呈祥 , 刘兆普 , 刘友良. 2004. 硅在植物中的生理功能. 植物生理学通讯 , 40 (6) : 753 - 757.
Xu Cheng2xiang, L iu You2liang. 2006. Silicon absorp tion, trasportation and accumulation in p lants. Acta Bot. Boreal. 2Occident. Sin. , 2006,
26 (5) : 1071 - 1078. ( in Chinese)
徐呈祥 , 刘友良. 2006. 植物对硅的吸收、运输和沉积. 西北植物学报 , 26 (5) : 1071 - 1078.
Xu Cheng2xiang, L iu You2liang, Zheng Q ing2song, L iu Zhao2pu. 2006. Effect of long2term salt stress on A loe vera in growth and physical2chem ical
p roperties of leaf juice. Acta Pedol. Sin. , 43 (3) : 120 - 127. ( in Chinese)
徐呈祥 , 刘友良 , 郑青松 , 刘兆普. 2006. 长期盐胁迫对库拉索芦荟生长和汁液理化性质的影响. 土壤学报 , 43 (3) : 120 - 127.
Xu Cheng2xiang, L iu You2liang, Zheng Q ing2song, L iu Zhao2pu. 2006. Silicon imp roves growth and ion absorp tion by and distribution in A loe vera
p lant under salt stress. J. Plant Physiol. Mol. B iol. , 32 (1) : 73 - 78.
Zhang Feng2de, Fan Ting2yu. 1996. Modern technology of biology. Tianjing: Nankai University Press. ( in Chinese)
张丰德 , 樊廷玉. 1996. 现代生物学技术. 天津 : 南开大学出版社.
Zhu Z J, W ei G Q, L i J, Q ian Q Q, Yu J Q. 2004. Silicon alleviates salt stress and increases antioxidant enzymes activity in leaves of salt2stressed
cucumber (Cucum is sa tivus L. ) . Plant Sci. , 167: 527 - 533.
489