叶面喷施酵母对植物光合作用的影响

高 静,刘阿萍，陈 莹，王根轩，彭 亮，胡本祥

(1.陕西中医药大学 药学院，陕西省秦岭中草药应用开发工程技术研究中心，陕西 咸阳 712000；2.浙江大学 生命科学学院，浙江 杭州 310029)

由于全球变暖，干旱频发，导致每年全球作物产量减少65%，在许多发展中国家甚至超过80%[1]。为了提高植物抗旱性，相应的节水技术应运而生，其中利用生物技术提高水资源利用率的研究项目因为具有高产、环保、低碳等优点，受到了广泛关注[2]。生物节水技术可以通过培育抗旱节水新品种，利用有益生微生物复合菌肥等手段在分子遗传和生理水平上进行调控。

有益生微生物复合菌肥包括对植物生长和健康具有重要作用的真菌、细菌和放线菌，植物叶片构成了最大的陆地微生物栖息地之一[3]，同时气孔作为叶片上重要的器官，直接影响植物蒸腾作用[4]。越来越多的学者关注到通过不同方式调节气孔开度和改善叶面微环境可以提高作物抗旱性[5]。有研究表明喷施代谢型抗蒸腾剂后，可以适当降低气孔开度，从而提高植物水分利用效率[5,6]。通过喷施叶面肥可以改善植物的光合作用能力，提高其水分利用率，从而增强抗旱能力[7]。酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)作为一种附生真菌，是一种植物天然的生长促生剂，研究表明，酿酒酵母可以诱导气孔关闭，提高水稻水分利用效率，但其对其余植物光合作用的影响尚不清楚[8]。笔者研究以蚕豆(ViciafabaL.)、番茄(Lycopersicumesculentum)和水稻(OryzasativaL.)作为试验材料，探讨叶面喷施酵母对不同植物光合作用和水分利用效率的影响，以期为作物抗旱节水技术提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为蚕豆“大青皮”、籼稻 “汕优63”、番茄“粉冠一号”和酿酒酵母BY4741菌株。

1.2 试验方法

1.2.1 材料培养 蚕豆和番茄种子用75%酒精消毒30 min后用清水冲洗干净，在水中浸泡4 d，然后播种在培养土(蛭石：珍珠岩：营养土为1:1:1)中。每天浇适量的水，保持土壤湿润。

将水稻种子用0.1% 的HgCl2溶液消毒20 min，用清水冲洗干净，将种子用浸湿的纱布包裹放在烧杯中黑暗30℃条件下泡至种子露白，再转移到水稻全营养液中，待水稻长到5片叶子时，将其转移到水稻土中继续种植。每天浇水，无任何胁迫处理。

酿酒酵母BY4741用YPD培养基在30℃、200 r·min-1的摇床中过夜培养后3 000 r·min-1离心10 min，弃掉上清液，用蒸馏水将酵母孢子重悬至1×109CFU·mL-1，用血球计数板进行计数。

1.2.2 试验处理 选取5周龄的蚕豆和番茄以及分蘖期的水稻，分别喷施水、1×103、1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母，叶片正反面喷施均匀，以有水滴滴下为限。处理7 d后测定光合作用相关参数。

1.3 项目测定

采用美国CID公司产CI-340便携式全自动光合作用仪进行测定。测定指标为净光合作用速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)。内在水分利用效率(WUEi)的计算公式为Pn/Gs。水分利用效率(WUE)的计算公式为Pn/Tr。测定时选择生长良好植株上部的成熟健康叶片，每株 3 片叶，每片 3次取值，每个处理重复3株，测定时间为10:00-14:00之间。

1.4 数据处理

获得的数据用SPSS 13.0 (SPSS, Chicago, USA)进行Tukey HSD检验，凡P<0.05的视为显著，P<0.01的视为极显著。采用Origin 8.0软件作图。

2 结果

2.1 酵母对植物净光合速率(Pn)的影响

如表1所示，叶面喷施不同浓度的酵母后，与对照组相比，均导致蚕豆的Pn下降，随着酵母浓度的升高，Pn值越小。1×103CFU·mL-1酵母处理后使番茄和水稻的Pn有所增加，但并不显著(P>0.05)。叶面喷施1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母后，番茄和水稻的Pn低于对照，其中1×107CFU·mL-1酵母使番茄和水稻的Pn最低。

表1 外源喷施酵母对三种植物净光合速率(Pn)的影响 (μmol·m-2·s-1)

2.2 酵母对植物蒸腾速率(Tr)的影响

如表2所示，1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母使蚕豆的Tr均低于对照组，喷施酵母浓度越高，蚕豆的Tr越低。1×107和1×109CFU·mL-1酵母使番茄的Tr有所下降，其中1×107CFU·mL-1酵母处理组的效果最显著。叶面喷施1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母后，水稻的Tr均比对照降低，3个浓度酵母处理组之间无显著性差异(P>0.05)。

表2 外源喷施酵母对三种植物蒸腾速率(Tr)的影响 (mmol·m-2·s-1)

2.3 酵母对植物内在水分利用效率(WUEi)的影响

如表3所示，与对照相比，1×105、1×107和1×109CFU·mL-1酵母使蚕豆的WUEi有不同程度的升高，三个浓度酵母处理组之间无显著差异(P>0.05)。1×105和1×107CFU·mL-1酵母使番茄的WUEi均比对照升高，其中1×105CFU·mL-1酵母的效果最显著。1×107和1×109CFU·mL-1酵母使水稻WUEi显著高于对照组(P<0.05)，其中1×109CFU·mL-1水稻的效果最显著。

表3 外源喷施酵母对三种植物内在水分利用(WUEi；Pn/Gs)的影响

2.4 酵母对植物水分利用效率(WUE)的影响

如表4所示，与对照组相比，1×107和1×109CFU·mL-1酵母使蚕豆的WUE有不同程度的升高(P<0.05)。叶面喷施酵母对番茄的WUE与对照组相比差异不大(P>0.05)。1×103和1×105CFU·mL-1酵母处理后，水稻WUE均显著高于其它处理(P<0.05)。

表4 外源喷施酵母对三种植物水分利用(WUE；Pn/Tr)的影响 (mmol·mmol-1)

2.5 光合作用参数与气孔导度(Gs)的关系

由图1可知，Gs与Pn具有显著的相关关系，多元回归分析表明：随着Gs的增加，植物摄入CO2的量增加，Pn的值持续增加，最后趋于平缓。由图2可知，Gs直接影响Tr的大小，两者呈显著的线性相关关系，Tr 随着Gs的增加而增加。图3表明，在一定的Gs范围内，三种植物的WUE随着Gs的增加缓慢上升至最大值，而后随着Gs的继续升高而出现降低的趋势。

A：蚕豆Vicia faba L；B：番茄Lycopersicum esculentum；C：水稻Oryza sativa L. The same below.

3 讨论与结论

气孔是叶片上控制着植物与外界环境水分和气体的交换的重要通道，它的开闭受到湿度、温度、CO2浓度和光质等多方面的影响[7～10]。叶面喷施酵母后，显著降低了3种植物的Pn、Tr和Gs，这可能与酵母能诱导气孔关闭有关，酵母携带有寡聚糖等真菌激发子类物质，这类物质可以使气孔开度降低，从而降低Gs，减少蒸腾失水，同时降低用于光合作用的原料CO2的浓度，导致Pn降低[8～12]。

笔者研究中，酵母提高了蚕豆、番茄和水稻叶片水平水分利用效率WUEi和WUE，这可能是由于Gs与Tr呈线性相关，随着Gs的下降，Pn下降的速度比Tr小，导致水分利用效率升高，有利于植物贮存水分应对逆境环境[13,14]。虽然酵母使得蚕豆、番茄和水稻的WUEi和WUE不同程度上升，但是对于不同植物，酵母提高植物水分利用效率的最佳浓度不一样。这可能是由于一方面植物的生活型和功能型不一样，蚕豆属于豆科(Leguminosae)，番茄是茄科(Solanaceae)，水稻是禾本科(Gramineae)，三者都属于草本植物。有研究表明禾本科植物的水分利用效率都高于其余非禾本科植物，而固氮能力强的豆科植物的光合速率和水分利用效率又比非豆科植物的要高[13-15]。另一方面，蚕豆和番茄同属于双子叶植物，保卫细胞呈肾形，水稻属于禾本科植物，保卫细胞呈哑铃型，不同植物的气孔构型不同，叶片构造不同都有可能导致对微生物的敏感性也不同[15-17]。

植物WUE是其适应逆境环境的关键因子之一，土壤水分、养分、温度、植物生活型等都可影响WUE的大小。在一定条件下，提高WUE可以改善植物抗旱性[13]。通过叶面喷施抗蒸腾剂来改善气孔阻力，使植物在节约用水和CO2同化之间进行权衡，可以控制植物合理的Gs值，从而获取较高的WUE[13,14]。有研究表明叶面喷施壳聚糖后可以通过提高植物体内脱落酸(ABA)的含量，导致气孔适度关闭，提高WUE[18]。在本研究中，喷施一定浓度酵母处理后，可能通过真菌激发子类物质作用于气孔，使气孔孔径减小，而显著提高WUE。因此，酵母可以通过调节气孔运动，控制植物蒸腾失水和CO2吸入，在一定浓度下它作为一种有效的抗蒸腾剂，有利于植物应对干旱环境。