对照（CK）、0.25 mmol/L As5+（As0.25）、0.35 mmol/L As5+（As0.35）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.25+Si）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.35+Si）。结果表明，砷胁迫下烟草φPSⅡ、Fv/Fm、Sm、φEo、ψo显著或极显著降低，说明砷胁迫导致PSⅡ反应中心受损，受体侧PQ库容量变小，电子传递受到抑制，从而使电子传递速率下降。硅可使砷胁迫下烟草光反应中心保持较高的活性，使无效能利用所引起的热耗散（DIo/RC）降低，对光合器官的结构性能参数（PIABS）和单位反应中心的电子传递能力（ETo/RC）均有增加。
关键词：砷胁迫;烟草;硅;叶绿素荧光特性
中图分类号： S572.01文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2019）08-0092-04
近年来，土壤砷污染问题严重，且威胁生态环境和人体健康[1]。烟草是我国重要的经济作物[2]，土壤砷会抑制烤烟的生长发育，导致其生育期延迟，株高、叶片数和叶面积减少，产量降低[3]。含砷烟草中的砷在抽吸过程中会进入人体，对人体造成危害[4]。由于烟草砷污染的风险，美国食品和药品管理局已将砷列为烟草制品及烟雾中的有害物质[5]。我国香烟抽样检测中砷的平均含量为0.82 mg/kg，高于加拿大产品 2～3倍[6]。因此，烟草砷污染的防治工作成为了人们关注的一大热点问题。
目前，硅元素虽未被认定为高等植物的必需营养元素[7]，但已有许多研究表明，硅对作物的非生物胁迫（重金属、盐胁迫等）[8]和生物胁迫（病虫害）[9]有一定的缓解作用。加硅可显著抑制水稻[10-16]、小麦[17]、玉米[18-19]、生菜[20]、番茄[21]对砷的吸收和转运。Hu等[11]和Sanglard等[14]的研究结果均表明，砷胁迫会导致水稻作用净光合速率降低，而硅可提高砷胁迫下水稻净光合速率。Silva等[19]的研究表示，砷胁迫下施K2SiO3能减少玉米叶绿体的损坏，提高玉米叶绿素a、总叶绿素含量和光合速率。然而，该研究采用K2SiO3作为硅源，没有消除处理间K+差异所带来的影响，有研究表明，K+会降低砷胁迫下独行菜（Lepidium sativum Linn.）对砷的吸收[22]，因此该研究不能得出硅影响砷叶绿荧光的结论。目前，关于硅对砷胁迫下烟草光合荧光参数的影响鲜见报道。因此，本研究通过水培试验，探究硅对砷胁迫下烟草叶绿素荧光参数的影响和机制，以期为烟草安全生产提供参考。
1材料与方法
1.1试验设计
水培试验于福建农林大学资源与环境学院盆栽房，自然光、温条件下进行。供试烟草品种为云烟87，选取漂浮育苗生长至6片真叶的烟苗，将烟苗用海绵固定在具孔的塑料板上，放置在盛有9 L营养液的黑色聚乙烯塑料桶上，每桶植烟4株。培养液采用1/2浓度Hoagland营养液，并加入Arnon配方的微量元素（铁为FeEDTA），烟苗培养3周后间苗至2株，在前期预备试验的基础上，设置5个处理，分别为：对照（CK）、0.25 mmol/L As5+（As0.25）、0.35 mmol/L As5+（As0.35）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.25+Si）、1.0 mmol/L SiO2+0.25 mmol/L As5+（As0.35+Si）。每个处理重复5次。以Na3AsO4·12H2O作为砷源，Na2SiO3·9H2O作为硅源，用已知浓度的NaCl消除因添加Na3AsO4·12H2O、Na2SiO3·9H2O所带来的钠离子影响，使各处理的钠离子浓度一致。营养液pH值用NaOH和HCl溶液调节至6.5±0.2，每7 d换1次营养液，每2天调1次pH值，用电动泵每隔1 h通气1 h。
1.2测定方法
烟草培育35 d时采样，此时As0.25、As0.35处理表现出植株矮小、叶色黄化和萎蔫的症状，As0.25+Si和As0.35+Si处理烟株虽也有相同的症状，但叶片黄化和萎蔫的程度明显较As0.25和As0.35处理轻。选择烟株从上往下数的第3片叶用于测定叶绿素荧光参数。
1.2.1叶绿素荧光参数采用植物效率分析仪（Plant Efficiency Analyzer，PEA Hansatech，UK）测定，测定前叶片预先暗适应。
1.2.2快速诱导动力学曲线测量及JIP-test参数采用便携式植物效率分析仪PEA（Handy-PEA，英国汉莎科学公司生产）测量荧光诱导动力学曲线。根据Srivastava等[23]的 JIP-test 计算的荧光参数能够为光合器官的结构性能提供大量的动力学信息。计算公式见表1。
2結果与分析
2.1硅对砷胁迫下烟草叶绿素荧光参数
表2显示，与CK相比，As0.25、As0.35处理的PSⅡ光化学量子效率（φPSⅡ）、最大荧光（Fm）、PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）因砷胁迫而降低，分别降低了28.94%～47.14%、33.20%～45.41%、12.88%～22.11%，但叶片初始荧光强度（Fo）无显著差异。加硅显著或极显著地提高了砷胁迫下烟草的φPSⅡ、Fm、Fv/Fm，与As0.25、As0.35处理相比，As0.25+Si、As0.35+Si处理的φPSⅡ、Fm、Fv/Fm分别提高了15.18%、28.18%、4.76%和12.59%、56.51%、18.25%。
2.2硅对砷胁迫下烟草叶绿素荧光O-J-I-P曲线的影响
叶绿素荧光O-J-I-P曲线被认为是可以提供受损植物光合作用更详细的信息[26]。图1为硅对砷胁迫下各处理烟草叶片O-J-I-P曲线。随着营养液供砷浓度的增加，动力学曲线的I点（F30 ms）和P点荧光（Fm值）下降幅度增大，而加硅的As0.25+Si、As0.35+Si处理与As0.25、As0.35处理比较，缓解了I点和P点的下降（图1）。
2.3硅对砷胁迫下烟草JIP-test参数的影响
对快速诱导叶绿素荧光曲线进行JIP-test分析，可得出一系列反映烟草光合器官结构和功能的信息[24]。由图2可以看出，随着营养液供砷浓度的增加，与CK处理相比，As0.25、As0.35处理的Mo、Sm、φEo、ψo、PIABS都有显著或极显著的降低，Mo无明显差异，而VJ极显著升高。As0.25+Si、As0.35+Si处理的Sm、φEo、ψo、PIABS、VJ分别较As0.25、As0.35处理都有显著或极显著的升高，Mo则无明显变化。
2.4硅对砷胁迫下烟草JIP-tes光合作用能量流动分配的影响
砷胁迫降低PSⅡ反应中心吸收光能的能力（ABS/RC）、反应中心用于还原QA的能量（TRo/RC）和反应中心用于电子传递的能量（ETo/RC），而热耗散（DIo/RC）无明显差异（图3），硅可降低砷胁迫下烟草PSⅡ热耗散（DIo/RC），提高反应中心的电子传递能力（ETo/RC）（图3）和光合器官的结构性能（PIABS）（图2）。
2.5硅对砷胁迫下烟草光化学猝灭系数的影响
光化学猝灭系数（qP）反映了PSⅡ原初电子受体QA的还原状态和PSⅡ开放中心的数目[25]，而非光化学猝灭系数（NPQ）反映了PSⅡ天线色素吸收的光能以热耗散的形式耗散掉的部分[27]。与CK处理相比（图4），As0.25、As0.35处理的qP降低了26.78%～44.25%，NPQ增大了52.56%～143.77%。与As0.25、As0.35处理比较，As0.25+Si、As0.35+Si处理的qP分别提高了17.89%和20.89%，qN分别下降了13.81%和28.02%。
3讨论与结论
光合作用中各个反应过程与叶绿素荧光有着密不可分的关系，所有逆境对光合作用的影响都可通过叶绿素荧光诱导动力学参数的变化表达出来[26-27]。已有研究表明[24]，O-J-I-P曲线中的J期代表了QA-QB（质体醌A-和质体醌B）的积累，而I期和P期分别代表PQ库的异质性和QB从QA-接受电子形成QB2-的能力。图1中砷胁迫下I、P点的下降表明，砷胁迫会抑制电子由QA-向PQ的传递，进而影响PSⅡ反应，加硅可以减轻砷胁迫对电子传递的抑制作用。Mo、Sm、φEo反映PSⅡ受体侧的变化，Mo表示QA的最大还原速率，Sm反映QA还原所需要的能量，φEo反映光能用于电子传递的量子产额[24]。砷胁迫会导致烟草PSⅡ反应中心受体侧PQ库容量（Sm）变小，电子传递速率（φEo）下降，而加硅可提高砷脅迫下烟草的Sm，使更多的电子从QA-进入电子传递链（图2）。砷胁迫会导致烟草PSⅡ电子传递活性减小，电子传递受阻且以热耗散掉的光能增加，硅可优化砷胁迫下烟草激发能的分配，降低非光化学的淬灭能量，从而提高光能利用效率（图3、图4）。
由此可以推测，砷抑制烟草生长发育的一部分原因是由于光合作用中PSⅡ反应中心受损。研究表明[28]，砷会竞争性地占据PSⅡ位于D1蛋白上的QB的结合位，从而阻断从QA到QB的电子传递。砷胁迫下烟草叶绿荧光参数的降低，受体侧PQ库容量变小，抑制光合电子由QA-往下的传递，从而导致电子传递速率下降（表2、图1、图2）。同时，加硅可缓解烟草的砷胁迫，其可能原因是：提高PSⅡ反应中心的活性。在光合电子传递过程中，硅能优化激发能的分配，使非光化学能量淬灭减少，无效能利用引起的热耗散（DIo/RC）降低，因此提高了单位反应中心的电子传递能力（ETo/RC）和光合器官的结构性能（PIABS），提高了砷胁迫下烟草最大光化学效率（图2、图3、图4）。
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