盐碱条件下不同浓度叶面铁肥对缺铁水稻幼苗叶绿素荧光特性的影响

水稻是世界性的粮食作物，全世界超过50%的人口以水稻为主食。因此确保并增加稻米产量对稳定世界粮食安全至关重要。在水稻生长过程中，获得耐旱、耐热、耐盐、耐重金属等逆境胁迫能力，是水稻生产中需要解决的首要问题。盐分胁迫是限制水稻生长和发育的第二大非生物胁迫，并且盐碱胁迫对植物的伤害远超过单独盐分胁迫。在水稻生长发育中，铁肥的投入尤为重要，但由于铁的化学性质更为活跃，铁在碱性环境中很容易转化为不溶性铁羟基络合物，这严重限制了水稻根系对铁的吸收和利用。在盐碱条件下，铁的有效性降低，这很容易导致缺铁并抑制水稻的光合作用。

吉林农业大学农学院水稻栽培创新团队在中国东北地区松嫩平原开展水稻生理生态学研究，利用英国Hansatech公司生产的M-PEA植物效率分析仪的叶绿素荧光诱导和820nm调制反射技术，测定了不同处理水稻幼苗快速叶绿素荧光诱导动力学曲线，研究了在盐碱和缺铁胁迫下，喷施不同浓度铁肥对水稻叶片原始反应和光合电子传递链的影响。研究结果“Effect of different concentrations of foliar iron fertilizer on chlorophyll fluorescence characteristics of iron-deficient rice seedlings under saline sodic conditions”发表在Plant Physiology and Biochemistry（IF=5.437）杂志上。

图1不同铁肥浓度下碱胁迫下缺铁水稻叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的变化。（A和C）在对数时间尺度上，Chl A荧光上升动力学标准化为F_O和F_M，V_t=（F_t–F_O）/（F_M–F_O）。（B和D）为振幅变化，[DVt=DVt（处理）-DVt（对照）]（n=4-6）。

图1显示了不同铁肥喷施浓度对盐碱胁迫下缺铁水稻的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP）的影响。在缺铁与盐碱共同处理下，水稻叶片J点升高并成为荧光动力学曲线上升的主峰，导致J-I-P相近乎一条直线。随着铁浓度的增加，K、J、I点均呈现先降低后增加的趋势，在Fe3处理最低。相同铁肥浓度下，长白（CB）的DVt峰值更高，这表明CB品种对铁肥更为敏感。与Fe0相比，铁肥的喷施可以不同程度降低K、J、I点，其中K和J点降幅较大，这表明铁主要作用于PSII供体侧性能(K点降低)和受体侧性能（J点降低）来改善PSII性能。

表1两个品种在不同浓度的铁肥条件下，碱胁迫下缺铁水稻叶片部分荧光参数的比较

铁肥的喷施有利于提高量子产额与效率，减少能量耗散比率，促进水稻性能指数的提高。由表1可以看出，随着铁肥浓度的增加，盐碱胁迫下缺铁水稻幼苗的量子产额等参数呈现先增加后降低的趋势（jDo相反）。盐碱胁迫下的缺铁水稻PSII单个活性反应中心吸收的能量通量主要有两个去向：被捕获以及能量耗散。喷施铁肥后两个水稻品种的单位ABS的量子产率jPo、jEo、jRo和单位TR的量子效率yEo、yRo均显著提升，热耗散则显著下降，在各个处理中，Fe3处理的提升最大。此外，dRo表示PSI受体侧末端电子受体还原的量子效率。从表中可以看出，喷施铁肥对dRo的提升没有达到显著作用（Fe5除外）。这表明铁对电子从传递载体到PSI受体侧的转移过程中没有显著影响，但在高浓度铁处理下dRo显著提升。PI_ABS是基于ABS吸收的PSII功能活性指数，在一定程度上可以反应PSII活性反应中心浓度、初级光化学反应和电子传递的性能。由表可以看出喷施铁肥后PIABS呈现先增加后降低的趋势，在Fe3处理时PI_ABS达到最大，植株生长状况较好。

图2 喷施铁肥后盐碱胁迫下缺铁水稻叶片O-J相的变化

上图是通过O~J相间的双重标准化（W_OJ= (F_t-F_O)/(F_J-F_O) ）对K峰进一步分析，∆W_OJ= W_OJ(treated or control) - W_OJ(control)，K峰的增加表明PSII供体侧性能的降低，一般对应的是放氧复合体OEC的失活。但K峰随铁浓度的增加呈现先降低后增加的趋势，表明适量的铁肥可以提高放氧复合体OEC的活性，然而过量铁肥会破坏其活性。

图3 不同铁肥浓度下盐碱胁迫对缺铁水稻荧光O–I阶段的变化。（A和C）O和I阶段之间的可变荧光[WOI=（Ft−FO）/（FI−FO）]，[ΔWOI=WOI（处理）−WOI（对照）]；（B和D）WOI≥1（n=4–6）。

对O-I相进行分析，发现两个水稻品种整体趋势变化一致。WOI≥ 1部分I~P相的振幅反应了PSI受体侧末端电子受体库的大小，振幅越小则PSI受体侧末端电子受体库相对较小。由图可以看出适量铁肥的施用可以增加PSI受体侧末端电子受体库的大小，但过量铁肥会破坏PSI受体侧末端电子的受体库，阻碍电子的进一步传递。此外， BJ在Fe3处理时WOI≥ 1部分最大，而CB品种在Fe2处理与Fe3处理间差异不大。这说明CB的PSI受体侧末端电子受体库对铁肥的需求更少。

图4 喷施铁肥后在盐碱胁迫下缺铁水稻叶片膜模型的变化

上图为不同处理间膜模型的变化，该图反映了单位反应中心的能量到PSII反应中心的流动情况，可以看出缺铁情况下，单位反应中心吸收的能量较高，并主要用于被捕获和热耗散，用于传递和传递到下游的能量较少。喷施铁肥后，吸收、捕获和热耗散的能量降低，用于传递的能量和PSI的能量增强，能量的分配更为均衡。而过量铁处理后，单位反应中心吸收、捕获和热耗散的能量呈现增加趋势，用于电子传递的能量减少，这表明铁在电子传递链中有利于维持能量在电子传递链中的传递。在BJ各处理中，Fe3处理用于热耗散的能量最低，用于传递并且传递到PSI末端电子受体使其还原的电子通量最高。而在CB各个处理中，Fe2处理的ET0/RC与RE0/RC最高，虽然与Fe3处理无显著差异，但这表明了CB在能量传递和PSI受体侧对铁的需求要小于BJ。

图5  在不同浓度铁肥的盐碱性胁迫下，缺铁水稻的标准化调制820nm反射动力学及相关参数。

光诱导调制820 nm反射（MR/MR0）动力学可用于检测PSI反应中心中P700+的积累，以及P680最初捕获的电子对PC+和P700+随后的再还原。在这项研究中，PSI的氧化（Vox）和还原（Vred）速率在缺铁条件下与联合盐水处理（Fe0）严重受限。这可能是因为缺铁和盐胁迫破坏或减少了PSI的核心复合物和电子转运蛋白，抑制了P700和PC的氧化和还原速率。本试验中随着铁肥浓度的增加，两个品种的MR/MRO值均呈现先降低后增加的趋势，BJ和CB分别在Fe3和Fe2处理是最低。快相的末端(最小MR/MRO)是一个短暂的稳态，具有相同的氧化和再还原速率。当再还原速率快于氧化速率时，MR/MRo开始增加(慢相)，并在PF瞬态达到最大值时趋于平稳。与PC和P700的氧化速率相比，喷施铁肥对PC和P700再还原速率的影响效果更明显。

文章最后，作者作出如下总结： 缺铁/过量铁和盐碱胁迫严重损伤水稻叶片光系统的电子传递链，打破能量流动平衡，限制水稻的生长发育。盐碱胁迫下喷施铁肥可以提高缺铁水稻叶片光系统II供/受体侧性能以及PSI的氧化还原能力，从而修复光合电子传递链，提升电子传递效率，促进能量分配平衡，使缺铁水稻恢复生长，提高了缺铁水稻的耐盐碱性。本试验初步揭示了喷施铁肥对盐碱胁迫下缺铁水稻叶片的叶绿素荧光动力学的影响规律。作者认为适量的铁是保证光合电子传递链中电子与能量传递通畅的前提，喷施铁肥对提高水稻耐盐碱性有积极作用。下一步应借助蛋白组学深入探究光合相关蛋白的相关变化。