葉綠素熒光分析在研究植物熱脅迫中的應用

馮　濤　劉紀鳳

摘要 葉綠素熒光是光合作用能量轉換的探針,葉綠素熒光分析具有測量準確、獲得結果迅速、反應靈敏的優點。利用葉綠素熒光儀(FMS-2)研究熱脅迫引起的光合作用失活結果表明:不同溫度(35℃、40℃、42℃、44℃、46℃、48℃、50℃、52℃)處理下,植物葉片受傷害程度不一樣。35℃作為對照,溫度越高,植物受傷害程度越深,光系統Ⅱ最大量子產量(Fv/Fm)和有效量子產量(△F/Fm′)越小。

關鍵詞 葉綠素熒光;Fv/Fm;植物熱脅迫

中圖分類號 Q945.78 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739(2009)13-0360-01

光合作用是指含光合色素(主要是葉綠素)的植物細胞和細菌吸收光能,將無機物轉化為有機物并釋放出氧氣的過程。熒光是指物質吸收光能發出的較長波長的光,它是第一單線態的葉綠素回到基態所發出的光。當熒光被葉綠素分子吸收后,葉綠素分子由基態躍遷到激發態,激發態很不穩定,會釋放能量回到基態,這種現象稱熒光現象[1]。在正常的生理溫度條件下,葉片所發射的熒光,大部分來自光系統Ⅱ的葉綠素a。

在熒光分析中最常用的基本熒光參數是初始熒光(FO)、暗適應后最大熒光產量(Fm)、可變熒光(Fv)、最大光化學效率(Fv/Fm)、光照下最大熒光產量(Fm′)、給定光強下穩態熒光(Fs)、光照下光系統Ⅱ的有效量子產量(Yield)、光化學猝滅系數(qP)、非光化學猝滅系數(qN和NPQ)。在這里FO是已經暗適應的光合機構光系統Ⅱ反應中心均處于開放時的熒光強度,它與所激發的強度和葉綠素濃度有關,而與光合作用的光反應無關。Fm為充分暗適應后的最大熒光,是已經暗適應的光合機構光系統Ⅱ反應中心全部關閉時的熒光強度。Fv是熒光的可變部分,受QA還原程度和其他可能耗散能量的途徑等因素的影響,反應QA還原情況。Fv/Fm是表明光化學反應狀況的一個重要參數,反應光系統Ⅱ反應中心的最大光能轉換效應。Fm′是光照下打開飽和脈沖時得到的最大熒光產量。一般來講,因為光照啟動了非輻射能量耗散(即熱耗散也稱為非光化學猝滅),Fm′往往小于Fm,Fs代表在給定光強下的穩態熒光,Yield代表光照下光系統Ⅱ的有效量子產量,是通過(Fm′-Fs)/Fm′=△F/Fm′得到的,它比Fv/Fm低,因為光系統Ⅱ的部分反應中心已經關閉,非輻射能量耗散已經啟動。qN和NPQ是光系統Ⅱ天線色素吸收的不能用于光合電子傳遞而以熱形式散失掉的光能部分,它是一種自我保護機制,對光合機構起一定的保護作用。qN和NPQ的變化都反應熱耗散的變化,但是NPQ比qN能更準確地反映無性系的非光化學猝滅的情況。qP和qN這2個參數是在恒定的穩態光照強度下的值,不同光照強度下此值不同。如果在不同的光環境下和不同的光累積時間后測定,其結果不能進行比較。一般qP和qN值在0～1之間變化,NPQ大于1,但其測定也要注意條件。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

以大豆幼苗為試驗材料,將大豆種子用自來水浸泡24h后播種于盛有細砂的高12cm、內徑11cm的小桶中,放于溫室中培養。每天定時澆水,待幼苗發芽后澆完全營養液,當幼苗長到一定程度后取其葉子做試驗。

儀器主要有FMS-2便攜式調制熒光儀。

1.2 試驗方法

取大小一致、部位相同的大豆葉片80片,每組10片,依照先后順序分別放入到35℃、40℃、42℃、44℃、46℃、48℃、50℃和52℃的水浴中保溫5min。熱脅迫結束后8組樣品分別用濕濾紙包住,暗適應1h后測量葉綠素熒光,35℃的樣品作為對照。測量時首先測量暗適應后葉片的Fv/Fm值,然后將葉片在光照下處理一段時間后測定其光系統Ⅱ的有效量子產量。

2 結果與分析

熱脅迫處理對光系統Ⅱ量子產量的抑制作用。

FO隨著溫度的升高而升高說明了熱脅迫處理使植物光合作用失活,量子產量的平均值隨處理溫度升高而下降進一步證明了光合作用的失活。試驗是在相同的PAR強度下進行的,因此光系統Ⅱ量子產量的降低直接反映了光合作用的失活。試驗材料是大豆的葉片,測量Fv/Fm(暗適應)得到的T50為49℃,而測量△F/Fm′(暗適應后的葉片又經過光照處理)得到的T50為44℃。

3 結論與討論

葉綠素熒光可以分析光系統Ⅱ的光化學電荷分離的效率,所有的電子都是通過光系統Ⅱ“泵”出的,對電子傳遞過程的任何影響均可以通過葉綠素熒光的變化反映出來。本試驗中高溫脅迫引起大豆葉片光系統Ⅱ反應中心的失活和補光色素蛋白復合物的降解,由類囊體膜上的葉綠素蛋白復合體發出的熒光,可以作為熱脅迫引起的膜流動性和穩定性變化的敏感指標。類囊體膜結構的改變,首先反映在FO的上升,FO上升反映了高溫下大豆葉片光系統Ⅱ潛在活性和原初光能轉換效率的減弱。大豆葉片Fv/Fm值在高溫下的下降進一步證實了上述結果。暗適應樣品光系統Ⅱ的量子產量(Fv/Fm)不受參與Calvin循環的酶被熱破壞的影響,因此Fv/Fm反映的是光系統Ⅱ的狀態,而不是整個光合作用。從測量Fv/Fm(暗適應)得出的T50要高于測量△F/Fm′(經光照后)得出的T50可以看出,熱脅迫對光合作用的破壞首先發生在暗反應所需要的酶,而不是光反應,光系統Ⅱ反應中心的的抗熱性要強于整個光合作用過程。

4 參考文獻

[1] 王寶山.植物生理學[M].北京:科學出版社,2003.

[2] 周蘊薇,劉艷萍,戴思蘭.用葉綠素熒光分析技術鑒定植物抗寒性的剖析[J].植物生理學通訊,2006,42(5):945-949.

[3] 孫年喜,宗學風,王三根.不同供氮水平對玉米光合特性的影響[J].西北農業大學學學報(自然科學版),2005,27(2):389-396.

[4] 鞏擎柱,呂金印,徐炳成,等.水分脅迫和種植方式對小麥葉綠素熒光參數及水分利用效率的影響[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2006,34(5):83-87.

[5] 孫群,胡竟江.植物生理學研究技術[M].西安:西北農林科技大學出版社,2005.

[6] [德]ULRICH SCHREIBER.德國WALZ中國技術服務中心[M].韓志國,譯.上海:澤泉科技有限公司,2004.

[7] 李靜,徐志防,葉萬輝.不同脅迫處理對刺栲葉片葉綠素a熒光的影響[J].武漢植物學研究,2006,24(5):429-434.