本研究由José Delatorre-Herrera（第一作者及通讯作者，智利Arturo Prat大学）、Karina B. Ruiz（智利Arturo Prat大学健康科学学院）和Manuel Pinto（智利奥希金斯大学农学与兽医学研究所植物生理学实验室）合作完成，发表于期刊《Plants》2021年第10卷第5期（2021年5月6日在线发表），标题为《The Importance of Non-Diffusional Factors in Determining Photosynthesis of Two Contrasting Quinoa Ecotypes (Chenopodium quinoa Willd.) Subjected to Salinity Conditions》。
学术背景
该研究属于植物生理学与逆境生物学交叉领域，聚焦盐胁迫对藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）光合作用的调控机制。全球约1/3灌溉农田受盐渍化影响，而藜麦作为耐盐性突出的伪谷物，其不同生态型对盐胁迫的响应差异机制尚不明确。先前研究表明，盐胁迫通过降低土壤水势、诱导离子毒性（如Na⁺积累）及破坏光合器官等途径抑制植物生长，但关于盐胁迫下藜麦光合作用限制因素（扩散性限制与非扩散性限制）的权重及其基因型差异缺乏系统研究。本研究选取智利两种对比生态型藜麦——耐盐的”Amarilla”（高原盐沼生态型）和盐敏感的”Hueque”（沿海生态型），旨在阐明盐胁迫下二者光合作用差异的关键生理与生化基础，特别是非扩散性因素（如Rubisco酶活性、电子传递效率）的作用。
研究流程
材料培养与盐处理
- 样本：两种藜麦生态型种子经消毒后，在珍珠岩基质中培育至第三对真叶展开（45天），随后分为对照组（无NaCl）和盐处理组（0.4 M NaCl，通过每日递增0.1 M避免盐冲击）。
- 实验设计：2×2因子设计（生态型×盐浓度），每组6次重复，每重复含8株植物。盐处理持续至第四或第五对真叶发育（70-75天）。
生理指标测定
- 离子含量：通过火焰光度计测定根、茎、叶中Na⁺和K⁺浓度，评估离子分配策略。
- 渗透调节物质：分光光度法测定叶片和根中的甘氨酸甜菜碱（Glycine betaine, GB）和脯氨酸（Proline, Pro）含量，反映渗透保护机制。
光合参数分析
- 气体交换：使用Licor 6200便携式红外分析仪测定光响应曲线（A/PFD）和CO₂响应曲线（A/Ci），获取最大CO₂同化速率（Amax）、表观量子效率（φ）、暗呼吸速率（Rd）等参数。
- 叶肉导度（gm）：通过Harley模型计算，结合A/Ci曲线与电子传递速率（J）数据。
- 光化学效率：调制荧光仪测定PSII量子效率（φPSII）、光化学淬灭（qP）和非光化学淬灭（NPQ）。
Rubisco活性与电子传递
- 基于Farquhar模型拟合A/Ci曲线，计算最大Rubisco羧化速率（Vcmax）、最大电子传递速率（Jmax）和磷酸丙糖转运速率（TPU）。
- 气孔限制解除实验：通过阶段性调控CO₂浓度（50→1500 µL/L）诱导气孔开闭，区分气孔限制与非气孔限制对光合作用的影响。
主要结果
渗透调节与离子平衡
- 盐胁迫下，敏感型Hueque叶片GB含量显著增加（7.95倍于根部），而耐盐型Amarilla增幅较小（4.34倍），且根部Na⁺积累量更高（耐盐型比敏感型高33%），表明其通过根部截留Na⁺减少向叶片运输。
- K⁺/Na⁺比值在根部显著下降，但叶片K⁺维持稳定，说明两种生态型均优先保护光合器官的离子稳态。
光合性能差异
- 盐胁迫导致Amax下降，但耐盐型降幅（37.7%）显著低于敏感型（65.1%）。
- 敏感型的光饱和点（957→420 µmol photons m⁻²s⁻¹）和量子效率（φPSII下降29.2%）受盐胁迫影响更显著，表明其光能捕获与转化效率受损更严重。
限制因素解析
- 气孔限制：敏感型Hueque的CO₂同化率下降90%可归因于气孔导度（gs）降低，而耐盐型仅46%，暗示后者非扩散性因素更重要。
- 非扩散性限制：耐盐型在解除气孔限制后，Vcmax和TPU未显著变化，而敏感型分别下降36.6%和17.9%，证实其Rubisco活性和碳同化代谢受损是主要限制。
结论与价值
本研究揭示耐盐生态型Amarilla通过协同调控离子分配（根部Na⁺区隔化）、渗透保护（GB合成）及维持Rubisco活性，在盐胁迫下保持较高光合能力。其核心优势在于非扩散性因素（如羧化效率与电子传递链稳定性）的强韧性，而非单纯依赖气孔或叶肉导度调节。这一发现为选育耐盐藜麦品种提供了生理标记（如Vcmax、GB积累），并为理解C3植物盐适应机制贡献了新视角。
研究亮点
- 方法创新：结合气孔限制解除实验与Farquhar模型，量化了扩散性/非扩散性限制对光合作用的贡献权重。
- 生理机制：首次阐明藜麦耐盐性差异与Rubisco底物亲和力及K⁺稳态维持的直接关联。
- 应用潜力：鉴定GB合成与Na⁺区隔化为关键耐盐性状，可指导分子育种。
其他价值
研究数据表明，盐敏感生态型虽通过大量合成GB和Pro试图缓解胁迫，但其代谢成本过高，导致光合机构不可逆损伤。这一发现对解析植物”渗透保护-生长权衡”策略具有普遍意义。