漬害脅迫及其恢復(fù)對油菜幼苗葉片PSⅡ光化學(xué)特性的影響

宗梅，穆丹，范志強

（安慶師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，安徽安慶246011）

漬害脅迫及其恢復(fù)對油菜幼苗葉片PSⅡ光化學(xué)特性的影響

宗梅，穆丹，范志強

（安慶師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，安徽安慶246011）

以中樂油2號和蓉油11號油菜為材料，通過盆栽試驗，研究漬害脅迫及恢復(fù)進(jìn)程中油菜幼苗葉片光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)光化學(xué)特性的變化。結(jié)果表明：隨著漬害脅迫的加劇，兩品種油菜葉片初始熒光（F0）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）不斷上升，最大熒光（Fm）、PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量(Yield)、表觀光合電子傳遞速率（ETR）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）不斷下降，說明隨著漬害脅迫的加劇，PSⅡ部分反應(yīng)中心受到破壞，光合電子傳遞受阻，光能轉(zhuǎn)換效率下降，發(fā)生明顯光抑制；從第13d起進(jìn)行恢復(fù)處理，所有葉綠素?zé)晒鈪?shù)均有所恢復(fù)，但仍未達(dá)到對照水平?？梢?，當(dāng)漬害脅迫超出了油菜機體自我調(diào)節(jié)的閾值時，油菜葉片的部分光合機構(gòu)發(fā)生不可逆的破壞，最終影響油菜的正常生長。

油菜；漬害；恢復(fù)；葉綠素?zé)晒?/p>

葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)是一種以光合作用理論為基礎(chǔ)，利用植物體內(nèi)的葉綠素作為天然探針，研究和探測植物的光合生理狀況及各種外界因子對植物細(xì)微影響的新型植物活體測定和診斷技術(shù)[1-2]。葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)在測定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，與“表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比，葉綠素?zé)晒鈪?shù)更具有反映“內(nèi)在性”的特點[3]。因此，葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)技術(shù)被稱為測定葉片光合作用快速、無損傷的良好探針[4]。目前，對植物體內(nèi)葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)的研究已成為熱點，并在光抑制、干旱、高溫、低溫等逆境生理研究中得到廣泛應(yīng)用。

我國油菜常年種植面積730萬公頃，總產(chǎn)量1190萬噸，占世界的1/3，居世界首位[5]，長江流域是我國油菜主產(chǎn)區(qū)，雖然降雨充沛，但全年降水并不均勻，加之油菜與水稻的輪作制度，季節(jié)性漬害頻繁發(fā)生，導(dǎo)致油菜容易遭受漬害減產(chǎn)。漬害已成為引起該地區(qū)冬油菜產(chǎn)量降低的主要逆境因子，嚴(yán)重地制約了其油菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

以前有關(guān)漬害方面的研究主要集中于小麥[6-7]、芝麻[8]、棉花[9]等農(nóng)作物上，這兩年油菜漬害方面的研究也越來越受到關(guān)注。漬水脅迫加速苗期油菜自由基的產(chǎn)生，膜脂過氧化加劇，抗氧化酶活性先升后降，根生物量顯著降低，根系形態(tài)發(fā)生顯著變化[10]；以油菜產(chǎn)量為指標(biāo)，漬水的敏感性依次為蕾薹期、花期＞苗期、角果發(fā)育成熟期[11]；漬水致使苗期冬油菜光合色素不斷下降，而根系活力、可溶性糖、抗氧化酶先升后降[12]；利用發(fā)芽期相對活力指數(shù)的配合力和遺傳效應(yīng)，可有效鑒定油菜種子萌發(fā)期的耐濕性[13]。而關(guān)于漬害脅迫下油菜葉綠素?zé)晒馓匦缘淖兓形匆妶蟮?，本研究以長江流域主栽油菜品種中樂油2號和蓉油11號為材料，通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定，探討漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程對苗期油菜葉片PSⅡ的光能吸收、分配、電子傳遞特性的影響，以期為油菜漬害的光合機理研究和長江流域油菜高產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設(shè)計

試驗于2010年在安慶師范學(xué)院植物園大棚中進(jìn)行，選用長江流域油菜主栽品種中樂油2號和蓉油11號為供試材料，采用盆栽套桶法，于2010年10月中旬播種于盆內(nèi)，盆高20cm，口徑為25cm，培養(yǎng)土為植物園內(nèi)耕作層土壤，11月中旬定苗，每盆留2株，期間進(jìn)行正常田間管理。

2010年11月底（此時油菜為兩葉一心）進(jìn)行漬害處理：（1）正常供水CK1（中樂油2號）、CK2（蓉油11號)，土壤含水量為田間最大持水量的75%；（2）漬害處理T1（中樂油2號）、T2（蓉油11號），均在盆外再套一塑料桶，保持水層在2cm左右。每天觀察保持漬害處理盆中水層在2cm左右，及時補水，漬害處理持續(xù)12d，從第13d起，進(jìn)行恢復(fù)處理（除去漬害處理盆外的塑料桶）至18d。每處理重復(fù)3次。

1.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

采用德國WALZ公司生產(chǎn)的PAM-2100便攜式調(diào)制熒光儀，于漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程中每隔3d測定1次，測定時間為10:00-12:00，各測定參數(shù)5次讀數(shù)得到平均值。測定前利用配備的葉夾2030-B夾住成熟葉片，充分暗適應(yīng)20min，打開測量光（頻率為600Hz），得到初始熒光（F0）；隨后打開1次飽和脈沖光（8000umol·m-2·s-1；20kHz；0.8s），測得最大熒光（Fm）和PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm），而PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量(Yield)、表觀光合電子傳遞速率（ETR）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）這些葉綠素?zé)晒鈪?shù)在光下直接測得。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所測數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行整理，采用SPSS14.0進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期油菜葉片F(xiàn)0和Fm對漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程的響應(yīng)

初始熒光（F0）是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開放狀態(tài)時的熒光產(chǎn)量。由圖1可知，在正常狀態(tài)下，CK1和CK2的F0基本維持在同一水平上，且二者之間不存在顯著差異；隨著漬害脅迫及其恢復(fù)的進(jìn)行，T1和T2的F0呈現(xiàn)出單峰曲線，具體表現(xiàn)為漬害初期緩慢上升，漬害9d起快速上升，漬害12d達(dá)到峰值，分別為對照組的1.60、1.48倍，在隨后的恢復(fù)期間，兩處理的F0快速下降，但均不能恢復(fù)至對照水平，且T2略低于T1。同時兩處理分別與各自對照之間存在顯著差異（P＜0.05），T1與T2之間差異不顯著。

最大熒光（Fm）是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量，反映通過PSⅡ的電子傳遞情況。如圖1所示，CK1與CK2的Fm基本保持在0.83左右；隨著漬害脅迫的加劇，T1和T2的Fm呈現(xiàn)出不斷下降的變化趨勢，在漬害0-3d與對照相當(dāng)，之后不斷下降，在漬害12d達(dá)到最低值，僅分別為對照組的81.86%、72.02%，在恢復(fù)期雖都有所回升，但仍低于對照組，且T2略高于T1。同時T1與CK1之間存在顯著差異（P＜0.05），T2與CK2之間差異達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），而兩處理間差異不顯著。

圖1 漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程中油菜葉片F(xiàn)0和Fm的變化

2.2 苗期油菜葉片F(xiàn)v/F對漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程的響應(yīng)

PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)反映PSⅡ反應(yīng)中心的原初光能轉(zhuǎn)換效率。從圖2可以看出，F(xiàn)v/Fm與Fm的變化趨勢基本一致（圖1），兩對照組CK1與CK2的Fv/Fm變化不大；在漬害脅迫及其恢復(fù)期間，T1和T2的Fv/Fm均呈現(xiàn)出“V”型變化趨勢，具體表現(xiàn)為漬害0-9d下降較緩慢，漬害9-12d迅速銳減，達(dá)到谷底，分別為對照組的87.98%、73.98%，之后恢復(fù)期間，兩處理均能稍有恢復(fù)，但仍達(dá)不到對照水平，且恢復(fù)期間，T2略高于T1。同時T1與CK1之間存在顯著差異（P＜0.05），T2與CK2之間也存在顯著差異（P＜0.05），T1與T2之間差異不顯著。

圖2 漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程中油菜葉片F(xiàn)v/Fm的變化

2.3 苗期油菜葉片Yield和ETR對漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程的響應(yīng)

PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量(Yield)反映了PSⅡ反應(yīng)中心在部分關(guān)閉的情況下實際原初光能捕獲效率。如圖3所示，CK1與CK2的Yield基本保持在0.72左右，隨著漬害脅迫處理的進(jìn)行，T1與T2的Yield不斷下降，漬害12d達(dá)到最小值，僅分別為對照組的70.40%、73.06%，恢復(fù)期間，兩處理的Yield均有所回升，仍低于對照組，且恢復(fù)期間T1略低于T2。同時T1與CK1之間差異達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），T2與CK2之間差異顯著（P＜0.05），T1與T2之間差異不顯著。

表觀光合電子傳遞速率（ETR）是光合機構(gòu)吸收光能發(fā)生電荷分離產(chǎn)生電子并沿電子傳遞鏈向下傳遞的速率。由圖3可知，兩對照組CK1與CK2的ETR變化不大；在漬害脅迫及其恢復(fù)的進(jìn)程中，T1與T2的ETR總體呈現(xiàn)出“V”型變化趨勢，即先略有上升，再快速下降，漬害12d達(dá)到谷底，僅分別為對照組的36.7%、42.35%，在之后的恢復(fù)期間，兩者皆有所回升，但略低于對照組，且恢復(fù)期間T2略高于T1。同時兩處理分別與各自對照之間存在顯著差異（P＜0.05），T1與T2之間差異不顯著。

圖3 漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程中油菜葉片Yield和ETR的變化

2.4 苗期油菜葉片qP和qN對漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程的響應(yīng)

qP反映的是PSⅡ天線色素吸收光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，光化學(xué)淬滅又在一定程度上反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度。qP與ETR的變化趨勢基本一致（如圖3、圖4），CK1和CK2的qP基本維持在同一水平；隨著漬害脅迫的加劇，兩處理T1與T2的qP也是先略上升，再不斷下降，漬害12d達(dá)到最低值，僅分別為對照的80.83%、79.76%，之后恢復(fù)期間，均有所回升，仍低于對照水平，且恢復(fù)期間T2略高于T1，但各處理與對照間未達(dá)到顯著差異水平。

qN反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能中不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分，熱耗散是植物保護(hù)PSⅡ的重要機制[2]。如圖4所示，qN與F0的變化趨勢大體相似（圖1），CK1與CK2的qN大致維持在0.435左右；隨著漬害脅迫及其恢復(fù)的進(jìn)行，T1和T2的qN呈現(xiàn)出單峰曲線，漬害12d達(dá)到峰值，分別為對照組的1.72、1.60倍，在隨后的恢復(fù)期間，兩處理的qN快速下降，但均不能恢復(fù)至對照水平，且T2略低于T1。同時兩處理分別與各自對照之間存在顯著差異（P＜0.05），T1與T2之間差異不顯著。

圖4 漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程中油菜葉片qP和qN的變化

3 討論

PSⅡ是光合機構(gòu)的重要組成部分，在光合作用的光能轉(zhuǎn)換和電子傳遞過程中起著重要的作用。前人研究表明，PSⅡ被認(rèn)為是逆境對光合器官破壞的原初位點之一[14]。本研究表明，在漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程中，F(xiàn)0先上升，再有所回落，這與盧雪琴等[15]在禾本科植物淹水中的研究結(jié)果相似，說明油菜葉片PSⅡ反應(yīng)中心出現(xiàn)了可逆性的失活和不可逆的破壞。當(dāng)植物處于非逆境條件下時，F(xiàn)v/Fm比值變化較小，一般為0.75~0.85，不受物種和生長條件影響[16]，但在逆境或受傷害時會明顯降低[17]。在本試驗漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程中，F(xiàn)m、Fv/Fm呈現(xiàn)出先下降再回升的變化趨勢，表明PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率下降，抑制了油菜葉片把捕獲的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，這與吳甘霖等[18]在草莓干旱脅迫及復(fù)水中的研究結(jié)果相似，但與蒙祖慶等[19]研究結(jié)果稍有不同，油菜Fv/Fm在干旱之后的復(fù)水中變化較小。

qP反映了PSⅡ天線色素吸收光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，qN是光合機構(gòu)的一種自我保護(hù)機制[2]，它與PSⅡ反應(yīng)中心的光反應(yīng)電子傳遞無密切相關(guān)性，但與ATP和NADPH的形成、累積及光合膜的狀態(tài)有關(guān)[20]。本研究表明，在漬害脅迫及其恢復(fù)進(jìn)程中，qP呈現(xiàn)出先下降后又略有回升的變化趨勢，而qN表現(xiàn)出相反的變化，即先上升后稍回落，反映出PSⅡ的反應(yīng)中心開放程度減小，吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額減少，過剩的光能以熱耗散的方式消耗，從而有效保護(hù)PSⅡ。而ETR、Yield呈現(xiàn)出近似“V”型變化，說明漬害脅迫使油菜幼苗PSⅡ的實際光化學(xué)量子產(chǎn)量下降，光合電子傳遞受到破壞，不能為隨后的CO2同化過程提供充足的同化力，最終影響油菜的光合作用。

整個試驗過程中漬害脅迫初期，油菜葉片為了適應(yīng)環(huán)境的變化，其光合機構(gòu)中PSⅡ反應(yīng)中心會以可逆失活為主，同時加大對過剩光能的耗散，分流過多電子，實現(xiàn)自我保護(hù)。隨著漬害脅迫的加劇，這種損傷超出了油菜機體自我調(diào)節(jié)的閾值，部分光合機構(gòu)發(fā)生了不可逆的破壞，雖然后期進(jìn)行了恢復(fù)處理，但仍然無法恢復(fù)至對照水平；除qP外其它葉綠素?zé)晒鈪?shù)各處理與對照之間達(dá)到差異顯著水平（P<0.05），品種間差異不顯著，表明漬害脅迫時間過長，對中樂油2號和蓉油11號兩油菜主栽品種均能造成嚴(yán)重的損傷，兩品種間無顯著差異，而關(guān)于具體漬害脅迫多長時間是一個界線，還有待于進(jìn)一步的研究。因此，在油菜種植過程中，特別是雨季，一定要做好排水工作，避免油菜長期處于漬害脅迫狀態(tài)；對于油菜與水稻的輪作田地，更要加強田間管理，在整地時就應(yīng)注意解決這一問題。

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Effects of W aterlogging Stress and Recovery Process on PSⅡPhotochem ical Characteristics of Rape at Seed ling Stage

ZONGMei,MUDan,FAN Zhi-qiang

（Schoolof Life Sciences,Anqing NormalUniversity,Anqing 246011,China）

Taking zhongleyou-2 and rongyou-11 ofmain rapesas testobjects,a potexperimentwas conducted to study on PSⅡphotochemical characteristics of rapes at seedling stage underwaterlogging stress and recovery process.The resultshowed thatminimum chlorophyll florescence(F0)and coefficientofnon-photochemicalquenching(qN)increased with waterlogging stress exacerbating,maximum chlorophyll florescence(Fm),themaximal quantum yield of PSⅡ(Fv/ Fm),quantum yield of PSⅡphotochemistry(Yield),estimated electron transport rate(ETR)and coefficient of photochemical quenching(qP)had declined.This shows that the partial response center of PSⅡwas destructed, photosynthetic electron transportwasobstructed,and the conversion efficiency of lightenergy declined.It resulted in an obvious photoinhibition.Recovery processing from the 13th day,F0and qN declined slightly,Fm,Fv/Fm,Yield,ETR and qP had increased slightly.But all had not recovered to control level.This showed that the partial photosynthetic organ had occurred the irreversible destruction,in the end the normal growth of rape had been affected,when waterlogging stresshad exceeded the self-adjusting threshold of the ripebody.

rape;waterlogging;recovery;chlorophyll fluorescence

book=9,ebook=12

S514

A

1008-178X(2012)09-0064-05

2012-07-15

安徽省教育廳自然基金項目（KJ2009B013）；安慶師范學(xué)院引進(jìn)人才項目（044-K05000000034）。

宗梅(1975-)，女，安徽宿松人，安慶師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院講師，碩士，從事植物生理生態(tài)研究。