水楊酸對高溫脅迫下及恢復期間葡萄幼苗葉片光合機構(gòu)ＰＳⅡ的影響

摘要：以葡萄京秀(VitisviniferaL.cv.jingxiu)幼苗為試材，用O.1mmol·L^-1。水楊酸噴施葡萄幼苗，進行高溫脅迫(43℃，5h)，然后進行恢復處理(25℃，4d)，在此處理過程中利用便攜式脈沖調(diào)制式熒光儀(FMS-2型)和植物效率分析儀測定葡萄葉片光合機構(gòu)PSⅡ的熒光參數(shù)，探討了水楊酸能否減輕高溫脅迫對葡萄葉片PsⅡ的抑制或傷害。結(jié)果表明，一定程度的高溫脅迫抑制了葡萄葉片光合機構(gòu)PSⅡ(包括供體側(cè)和受體側(cè)以及反應中心)的功能，外施水楊酸不能減輕PsⅡ受到的直接高溫傷害，但是能夠使PSⅡ功能恢復的更快，從而最終減輕了高溫傷害。

關鍵詞：葡萄葉片；高溫脅迫；PsⅡ供體側(cè)；PSⅡ受體側(cè)；PSⅡ反應中心

中圖分類號：S663.1

文獻標識碼：A

文章編號：1009—9980(2009)05—623—05

溫度是植物生存的基本環(huán)境條件。20世紀70年代以來，由于溫室效應，全球氣溫持續(xù)升高。我國不少地區(qū)6月中旬到8月底最高溫度達到35qc，有時達到40℃，甚至更高，包括葡萄在內(nèi)的許多作物受到高溫脅迫的影響。保護地栽培的葡萄由于放風不及時和通風量不足等原因造成的突發(fā)性短時極端高溫危害也時有發(fā)生。光是維持植物生長的能量來源。植物吸收的光能往往超過植物本身所能利用的程度，在脅迫條件下，過量的激發(fā)能沒有及時耗散，最終會對植物造成傷害。極端高溫會嚴重地影響葡萄葉片的光合作用，造成一定程度的產(chǎn)量和品質(zhì)的下降。噴施植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)是提高植物防御高溫傷害的有效手段。水楊酸(salicylicaeid，SA)是一種廣泛存在于高等植物體內(nèi)的酚類物質(zhì)，能誘導植物對多種逆境產(chǎn)生抗性。Wang等的研究表明。外施水楊酸能夠誘導葡萄幼苗的抗熱性，減少高溫脅迫下葡萄葉片的凈光合速率的下降。但是水楊酸究竟對高溫脅迫下的葡萄葉片的光合機構(gòu)PSⅡ有何影響并不清楚。作者對此進行了研究，為將來更好地在葡萄上利用水楊酸防御高溫脅迫提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料的培養(yǎng)

試驗材料為中國科學院植物研究所的京秀葡萄幼苗。2008年3月中旬，在溫室中(最高溫度27℃，最低溫度18℃)把已經(jīng)通過休眠的1a生扦插苗栽植到塑料盆中。盆高25cm，盆底和盆口直徑分別為15cm和20cm。每盆栽1株。盆栽用土為園土：草炭土4:6。其他按常規(guī)管理。

1.2 試驗處理

在葡萄幼苗長到具有10枚葉片的時候，選擇生長健壯一致的作為試驗材料。在人工生長控制室中適應2d，白天從6:30到18:30照光，光照強度為700μmol·m^-2·s^-1。日夜溫度為25／20℃，空氣相對濕度為70％～80％。在適應的第3天上午9:30測定葉綠索熒光指標，隨后將試驗苗分為2組，在16:30分別噴施無離子水(作為對照)和0.1mmol·L^-1的水楊酸溶液(作為處理)。第4天上午9:30繼續(xù)測定相關指標，之后立即進行高溫(43℃)處理到14:30，并測定相關指標。然后恢復為25℃，恢復4d，環(huán)境條件同最初的適應條件，每天上午9:30測定相關指標。單株小區(qū)，5次重復。在每株苗子從下往上數(shù)的第5片葉測定相關指標，并用SPSS13.1軟件進行統(tǒng)計分析。

1.3 葉綠素熒光參數(shù)的測定

用英國Hansatech公司生產(chǎn)的FMS-2便攜式脈沖調(diào)制式熒光儀測定熒光參數(shù)。葉片置于暗適應夾中適應20min，用非常弱的調(diào)制測量光(小于1μmol·m·^-2·s^-1)測定初始熒光(F^O)，然后用飽和脈沖光(5000μmol·m·^-2·s^-1)照射0.8s測定最大熒光(F_m)。飽和脈沖光照射以后，用500μmol·m^-2·s^-1的活化光照射葉片，記錄穩(wěn)定F₁，F(xiàn)₁穩(wěn)定時的熒光值即為F_s。然后再次打開飽和脈沖光(5000μmol·m^-2·s^-1。)照射0.8s測定F^′_m，關閉活化光同時打開遠紅光照射3s測定F^′₀。按照以上所得參數(shù)，進一步計算其他參數(shù)：光適應下PSⅡ的最大光化學效率F^′_v/F^′_m=(F^′_m^′₀)／F^′_m；光化學猝滅系數(shù)：q^p=(F^′_m-F^s)／(F^′_m-F^′₀；PSⅡ的實際光化學效率：Φ^PSⅡ=(F^′-F^m)／_′m非光化學猝滅系數(shù)：NPQ=F_m／F_′／F_m－1

用英國Hansatech公司生產(chǎn)的植物效率分析儀(PEA)測定葡萄葉片的熒光誘導曲線(0JIP曲線)。曲線上的參數(shù)：F₀最小熒光；F_k在300μs時的熒光；F_i在2ms時的熒光；f_i在30ms時的熒光，f_m最大熒光。從以上參數(shù)可進一步獲得表示PSⅡ供體側(cè)功能的參數(shù)：W_k=(F_k-f₀)／(F_j-f₀)，表示放氧復合體受傷害程度；表示PSⅡ反應中心變化的參數(shù)：Non-Q_b相對含量=(F_i-f_o)／(F_m-f_o)，表示非Q_B日還原反應中心相對含量；表示PSⅡ受體側(cè)功能的參數(shù)：ψ=ETo／TRo=(F_m-F_j)／(F_m-F_o)表示捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中Q_A一下游的其他電子受體的概率；ФETo／ABS=[1-(F/F_m)]×ψ，表示用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(在t=O時)；M₀=4(F_k-F₀)／(F_m-F₀)，表示Q_A被還原的最大速率；S_m=Area／(F_m-F₀)，S_m為標準化后J—P相和直線F=Fm之間的面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 SA對葡萄葉片PSⅡ供體側(cè)的影響

W_k可以表示PSⅡ供體側(cè)放氧復合體受傷害的程度。圖1表明，SA的噴施并沒有引起Wk的明顯的變化。經(jīng)過高溫脅迫后，SA噴施葉和對照葉的W_k都迅速升高，但是相互之間沒有顯著差異。在隨后的恢復的第1天，SA處理葉的W_k就急劇回落，對照葉W_k卻回落緩慢，2者差異顯著(P<0.05，以下同)。到恢復的第2天，2者都恢復到SA噴施前的水平，在恢復的第3天和第4天，2者都沒有發(fā)生顯著變化。

2.2 SA對葡萄葉片PSII受體側(cè)的影響

從圖2中可以看出。噴施SA1d后并沒有引起ψ，Ф_eo，M_o和S_m等PSⅡ受體側(cè)參數(shù)的顯著變化。高溫脅迫后，SA處理葉和對照葉的ψ，Ф_eo，和S_m急劇下降，眠急劇升高，不過，2者沒有顯著差異。在隨后的恢復過程中，SA處理葉的ψ_o、Ф_Eo和M_o恢復迅速，ψ_oФ_Eo在恢復的第1天和第2天顯著高于對照葉的，M_o。在恢復的第1天和第2天顯著低于對照葉的。SA處理葉的這些參數(shù)在恢復的第2天就達到SA處理前的水平，但對照葉經(jīng)過3d的恢復才達到SA噴施前的水平。SA處理葉和對照葉的，s_m恢復進程相似。

2.3 SA對葡萄葉片PSⅡ光化學效率和激發(fā)能耗散的影響

SA噴施后，表示PSⅡ光化學效率和激發(fā)能耗散的參數(shù)F^′_v／F^′)F^m，ФPSⅡ，q^p，和NPQ并沒有顯著變化，不過，高溫脅迫導致F^′_v／F^′)F^m，ФPSⅡ，q^p急劇下降，NPQ迅速升高，SA處理葉和對照葉沒有顯著差異(圖3)。在隨后的恢復過程中，F(xiàn)^′_v／F^′)F^m，ФPSⅡ，q^p逐漸升高，而且SA處理葉的這些參數(shù)始終大于對照噴施水的。其中SA處理葉的F^′_v／F^′)F^m在恢復第1天顯著高于對照，Q^p。在恢復第1天和第2天都顯著高于對照。SA處理葉的Ф_PSⅡ在恢復的4d中一直高于對照。在恢復的第1天，SA處理葉的NPQ迅速下降，但對照葉的NPQ依然保持很高的值，到處理的第2天才回落下來。此后，處理和對照沒有顯著差異。

2.4 SA對葡萄葉片Q_B非還原性PSⅡ反應中心(Non-Q_B)相對含量的影響

Non-Q_B相對含量的大小可以表示PSⅡ的光合電子傳遞從Q_A到Q_B的受阻程度。從圖4中可以看出，噴施SA1d后并沒有引起Non-Q_B相對含量顯著變化。在高溫脅迫后，SA處理葉和對照葉的Non-Q_B相對含量急劇升高，不過，2者沒有顯著差異。在隨后的恢復過程中，SA處理葉的Non-Q_B相對比例恢復迅速。在恢復的第1天就幾乎達到SA噴施前的水平，但對照葉反應中心的Non-Q_B相對比例恢復緩慢，在第1天回落的很少，直到第2天才恢復到SA噴施前的水平。

3 討論

光抑制是高等植物中普遍發(fā)生的現(xiàn)象，特是在脅迫存在的情況下，植物葉片吸收的光能不能被有效利用時，便會引起光抑制。近些年來，快速葉綠素熒光誘導動力學的應用，使人們能夠更清楚地了解PSⅡ的供體側(cè)和受體側(cè)的電子傳遞情況。在快速葉綠素熒光誘導動力學曲線參數(shù)中，W_K反映了PSⅡ的供體側(cè)放氧復合體的情況，w_K升高意味著放氧復合體受到傷害。ψ、Ф_EO、S_m、M_o等參數(shù)主要反映了PsⅡ的受體側(cè)的變化。ψ_o反映了在反應中心捕獲的激子傳遞到Q_A下游的其他電子受體的概率，即照光2ms時有活性的反應中心的開放程度。Ф_EO反映了反應中心吸收的光能用于電子傳遞的量子產(chǎn)額。M_O反映了Q_A被還原的最大速率，即O-J過程中Q_A還原的速率，它與反應中心色素、捕光色素和Q_A所處的狀態(tài)有關。S_m反映了使Q_A完全被還原所需要的能量，即PSⅡ反應中心受體側(cè)PQ庫的大小，電子從Q_A進入電子傳遞鏈越多，則到達F_m所需的時間越長，S_m越大。本研究結(jié)果表明，高溫脅迫導致了SA處理葉和對照葉的W_K值和M_o顯著升高，ψ。Ф_EO、S_m、顯著下降。說明高溫脅迫導致了PSⅡ的供體側(cè)和受體側(cè)的光抑制，在隨后的恢復過程中，W_K和M_O逐漸降低，ψ。Ф_EO、S_m、逐漸升高，但SA處理葉的這些參數(shù)要比對照的降低或升高的更快。即SA處理葉的受抑制的供體側(cè)和受體側(cè)恢復正常得更快。

研究結(jié)果表明，高溫脅迫顯著降低了光適應下PsⅡ最大光化學效率F_′v／F_′m。光合電子傳遞量子效率Ф_PSⅡ和光化學猝滅系數(shù)q_p，并使非光化學猝滅系數(shù)NPQ升高，這與高溫脅迫在其他作物上的研究一致，說明高溫導致PSⅡ捕獲激發(fā)能的能力下降。抑制了光合碳代謝的電子供應，同時非輻射能量消耗增加。在隨后的恢復過程中，SA處理葉的F_′v／F_′m，q_p和Ф_PSⅡ迅速升高，NPQ迅速下降，表明SA預處理能使葉片更快地恢復光合能力。可以捕獲更多的激發(fā)能用于光化學反應。我們以前的研究表明，SA可以誘導葡萄葉片抗氧化系統(tǒng)活性增強，增強細胞對活性氧的清除能力。這些因素可能是SA處理葉的光合機構(gòu)能夠更快恢復的重要原因。另一方面。PSⅡ是含有多亞基的蛋白復合體，核心部分是D₁和D₂:2條多肽。在高溫脅迫下，這些蛋白可能發(fā)生部分變性或表達受到抑制。當溫度恢復正常時，這些蛋白開始復性，恢復功能。以往的研究表明，SA能夠誘導熱激蛋白的表達，在脅迫條件下，熱激蛋白具有防止變性蛋白聚合以及幫助蛋白再折疊的功能。因此推測在本試驗中SA能夠使PSⅡ恢復的更快。可能與SA誘導了熱激蛋白，從而保護了PSⅡ蛋白復合體，使PSⅡ功能恢復的更快有關。