光照強度對巴西橡膠樹淡綠期葉片光合特性和活性氧代謝的影響

王立豐等

摘 要 橡膠樹種苗培育過程中需要避免強光照射，但光照強度對橡膠樹幼苗葉片生理活性的作用機制尚不清楚。以橡膠樹品系GT1的實生苗為材料，對植株進行不同光照強度處理，測定其淡綠期葉片在不同光照強度下的光合特性和活性氧代謝情況。結果表明，隨著光照強度的增加，橡膠樹淡綠期葉片的光化學效率（Fv/Fm）呈現上升規律，同時過氧化物的含量也呈現上升趨勢，但是由于抗氧化酶對活性氧清除的作用，1 000 μmol/m2·s的高光照強度并沒有對橡膠樹葉片造成傷害。說明200～400 μmol/（m2·s）的光照強度比較適合橡膠樹苗淡綠期葉片的生長和發育。

關鍵詞 巴西橡膠樹；光照強度；光合特性；活性氧

中圖分類號 S794.1 文獻標識碼 A

Effects of Different Light Intensity on Photosynthetic

Characteristics and ROS Metabolism in

Light Green Leaves of Rubber Tree

（Hevea brasiliensis Müll. Arg.）

WANG Lifeng1， LU Yanxi2， DENG Yujie2

1 Key Laboratory of Biology and Genetic Resources of Rubber Tree， Ministry of Agriculture / State Key Laboratory Incubation

Base for Cultivation and Physiology of Tropical Crops， Rubber Research Institute， CATAS， Danzhou， Hainan 571737， China

2 College of Agriculture， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract Cultivation of rubber tree seedlings should avoid strong light irradiation. However， the effect of light intensity on leaf physiology in rubber tree seedlings is still unclear. In this study， rubber tree clone GT1 seedlings were treated with different light intensity， and the photosynthetic characteristics and reactive oxygen species（ROS）metabolism were assayed in the treated light green leaves. Results showed that photosynthetic activity and ROS contents increased along with the increase of the light intensity. However， due to the role of active oxygen-scavenging system， there was no damage to the light green leaves even under the high light intensity of 1 000 μmol/m2·s. Therefore， 200-400 μmol/（m2·s）light intensity was a proper light condition for growth and development of light green leaves in rubber tree seedlings.

Key words Hevea brasiliensis； Light intensity； Photosynthetic characteristics； Reactive oxygen species

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.06.015

光是植物光合作用的能量來源，但植物也需要保護自身免受光的傷害[1]。植物可以通過調節葉綠素捕光天線來調節對光能的吸收[2-3]。吸收的光能用于熱力學耗散和光化學反應。光化學反應包括CO2固定，光呼吸[4]，水裂解和經過光系統I（PSI）的電子傳遞[5]等過程。光對光合細胞器（光合系統）的潛在氧化傷害來自于光合作用氧形成過程中激發和產生的活性中間產物[6]。適量的活性氧在植物抗病防御機制中起重要作用，高濃度活性氧會導致蛋白質、脂膜、DNA以及其他細胞組分的損傷，超過植物耐受界限則會引起植物衰老，直至死亡。光化學反應中不可避免地要產生氧化分子[7]，此時植物自身的抗氧化系統通過一系列修復和合成反應來降低光氧化的傷害[8]。自由基清除劑可分為酶類清除劑和非酶類清除劑兩大類，酶類清除劑一般為抗氧化酶，主要有超氧化物歧化酶（SOD）[9-10]，過氧化物酶（POD）[11]等。非酶類自由基清除劑是一些抗氧化劑，如維生素E、β-胡蘿卜素等。

巴西橡膠樹起源于南美洲亞馬遜河流域，該地區具有氣溫較高，濕度大，降雨充沛而分布均勻以及微風的氣候環境[12-13]。巴西橡膠樹乳管細胞合成天然橡膠（聚異戊二烯）的原料來自葉片光合作用產生的蔗糖[14-15]。橡膠樹育苗過程對提高移栽成活率起關鍵作用，干旱等逆境對橡膠樹葉片光合作用的影響也有報道[16]。苗期培育過程中一個重要環節是保護幼苗避免高光照強度對其造成的傷害。高光照強度對多種植物幼苗的抑制作用報道較多[17-19]。但光照強度對橡膠樹幼苗葉片光合特性的影響尚未有報道。巴西橡膠樹新生葉片的發育分為古銅期，變色期，淡綠期和成熟期四個時期[20]。淡綠期是橡膠樹葉片發育的一個特殊時期，具有顏色呈現淡綠，葉片薄而軟等特點。在淡綠期向穩定期轉化過程中，質體的發生、發育是葉片顏色變化的重要原因。研究光照強度對淡綠期葉片的影響為闡明橡膠樹葉片發育過程中質體的發生、發育及其對光強度的適應機制具有重要意義。因此，本研究以橡膠樹實生苗GT1為材料，測定不同光照強度處理下，植株淡綠期葉片光合活性、SOD和過氧化氫（H2O2）等活性氧代謝相關產物的含量變化，為闡明橡膠樹葉片發育過程對光強度的適應機制奠定基礎，為橡膠樹種苗培育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

以中國熱帶農業科學院橡膠研究所實驗基地培育的橡膠樹實生苗GT1為材料，實生苗種植于草炭土與蛭石比例為3 ∶ 1的育苗袋中。待實生苗長出第二蓬葉后，對植株進行光照處理，每個光照梯度處理3株，每株取葉柄中間的一片淡綠期葉片進行分析。

1.2 方法

1.2.1 光照處理和葉綠素熒光動力學參數的測定

采用1 000 W鎢燈作為照明設備，光照強度分別為100、200、400和1 000 μmol/（m2·s），燈光與實生苗樣品之間有循環水隔熱。100 μmol/（m2·s）為白天上午光照值，400 μmol/（m2·s）是中午最強光照值，1 000 μmol/（m2·s）是橡膠樹飽和光照強度[21]。每個光照強度照射2 h后，暗適應30 min，然后采用PAM-2500便攜式熒光儀（Walz Effeltrich， Germany）測定葉片的光誘導葉綠素熒光動力學參數，數據用Pamwin3（Heinz. Walz）軟件進行處理。

1.2.2 生理指標測定的方法 葉片中葉綠素含量的測定參照Wang等[22]進行。超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）和過氧化物酶（POD）含量的測定參照李合生[23]的方法。H2O2的測定參照蔡甫格等[24]的方法進行。

1.3 統計分析

試驗測定均為6批次重復。采用IBM-SPSS 20.0單因素方差分析對數據進行統計分析，并采用OriginPro 9.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 光照強度對橡膠樹淡綠期葉片光合特性的影響

從圖1可以看出，初始熒光Fo在100和200 μmol/（m2·s）照射下無明顯變化，但在400和1 000 μmol/（m2·s）光照強度下明顯下降。說明高光強降低了質醌A（QA）的完全氧化狀態，改變了捕光色素蛋白復合體和反應中心蛋白復合體的結構。最大熒光產量Fm則隨著光照強度的增加而持續上升。在光照強度低于400 μmol/（m2·s）時，Fv/Fm值隨著光照強度的增加而逐步上升，但400 μmol/（m2·s）以后不再隨著光照強度的增加而增加，而是維持在一個穩定的水平。反應通過PSII電子傳遞情況的參數（Fm/Fo）隨著光照強度增加而逐步增高。這說明，隨著葉片吸收光能的增加，橡膠樹淡綠期葉片吸收和傳遞的光能均在增加。隨著光照強度的增加，光化學淬滅系數qP、實際量子產量Y（II）及電子傳遞速率ETR均呈上升趨勢，說明激發能有效地在光系統間傳遞，用于CO2同化作用。與此同時，光誘導非光化學熒光淬滅量子產量Y（NPQ）、非光化學淬滅NPQ和qN在低于400 μmol/（m2·s）光照強度下均隨著光照強度的增加而上升，在400 μmol/（m2·s）達到峰值，但光照強度增加至1 000 μmol/（m2·s）時，這3個指標均下降。無光誘導的非光化學淬滅Y（NO）則呈現相反的變化趨勢，即在低于400 μmol/（m2·s）光照強度下，Y（NO）隨著光照強度的增加而降低，在400 μmol/（m2·s）達到最低值，在1 000 μmol/（m2·s）有小幅度上升，但遠低于100 μmol/（m2·s）光照強度下的數值。假定與PSII天線有聯系的光化學淬滅qL則一直呈現上升狀態。表明隨著光照強度的增加，橡膠樹葉片的光合效率也提高，增加吸收的光能用于光化學作用和非光化學淬滅作用。高光照強度[1 000 μmol/（m2·s）]處理沒有影響橡膠樹淡綠期葉片的光能利用能力。

2.2 光照強度對橡膠樹淡綠期葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響

葉綠素作為植物進行光合作用原初反應的光能“捕獲器”，其含量是植物對光照強度反映敏感性的重要指標，在光能傳遞與轉換中起著重要作用。從圖2可見，隨光照強度的增加，橡膠樹淡綠期葉片中葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）、總葉綠素（Chl a+b）、類胡蘿卜素（β-Car）總體均表現為下降-上升-下降的趨勢，200 μmol/（m2·s）光照強度下達到最低值，隨后在400 μmol/（m2·s）有所上升，但在1 000 μmol/（m2·s）又下降。Chl a/b含量在400 μmol/（m2·s）顯著下降，在1 000 μmol/（m2·s）上升并恢復至100 μmol/（m2·s）的水平。這說明，淡綠期葉片對高光照強度具有波動性的適應過程。在200～400 μmol/（m2·s）光照強度下，細胞中葉綠體開始增加Chl b的合成比例，導致Chl a/b顯著下降。

2.3 光照強度對橡膠樹淡綠期葉片活性氧代謝的影響

不同光照強度下橡膠樹淡綠期葉片活性氧代謝的變化規律見表1。由表1可知，隨著光照強度增加，H2O2的含量呈現上升趨勢，在400 μmol/（m2·s）和1 000 μmol/（m2·s）光照強度下達顯著水平。MDA是細胞內活性很高的脂類過氧化物，能交聯脂類、核酸、糖類及蛋白質。MDA的含量在200 μmol/（m2·s）光照時下降，但在400 μmol/（m2·s）時，顯著增加，較100 μmol/（m2·s）增幅大于80%，光照強度達到1 000 μmol/（m2·s）時，MDA含量比400 μmol/（m2·s）光照強度下顯著下降。隨著光照強度增加，具有活性氧清除作用的SOD和POD活性均表現為先下降再升高的變化趨勢。SOD酶活性在400 μmol/（m2·s）光照強度下達到最高值，但與100 μmol/（m2·s）時的酶活性差異不顯著。而POD酶活性則在400 μmol/（m2·s）時達到最小值，在1 000 μmol/（m2·s）時恢復到100 μmol/（m2·s）時的50%左右。

3 討 論

葉綠素熒光技術作為一種快速、靈敏、無損傷技術廣泛用于研究和探測各種逆境對植物光和生理的影響[25]。PSII的潛在光化學效率（Fv/Fm）是衡量植物光能利用能力的大小的指標，Fv/Fm值大，表明該植物的光能利用潛力大。在脅迫環境條件下，Fv/Fm值會明顯下降，所以Fv/Fm是標明環境脅迫程度的良好指針和探針[26-27]。Fo少量增加與PSII光化學量子產量的可逆下降有關，Fo大量增加與來源于PSII捕光復合體的不可恢復的斷開有關[28]。本研究發現，在光照強度低于400 μmol/（m2·s）時，Fv/Fm值隨著光照強度的增加而逐步上升，但400 μmol/（m2·s）以后維持在一個穩定水平，不再隨著光照強度的增加而增加。Fo則是呈現下降趨勢。這些研究結果表明，高光照強度并沒有引起巴西橡膠樹苗木淡綠期葉片的損傷，相反，高光照強度促進了淡綠期葉片光合活性的增加。這與反應通過PSII電子傳遞情況的Fm/Fo，光化學淬滅系數qP和假定有關連的PSII天線光化學熒光淬滅系數qL持續增加的結果一致。另一方面，非光化學淬滅qN和NPQ在低于400 μmol/（m2·s）光照強度時呈現上升趨勢，隨后下降。此時，淡綠期葉片通過調整葉綠素含量來調控對光能的吸收。在對紅樺幼苗的研究中發現，強光對其幼苗的光合作用具有一定的負效應[29]，這說明熱帶喬木和溫帶喬木對光照的適應性不同。熱帶雨林冠層樹種絨毛番龍眼和中層樹種滇南風吹楠幼苗在全光照射下Fv/Fm顯著降低，活性氧含量和SOD等酶活性增加[30]，說明橡膠樹淡綠期葉片與這兩種熱帶作物的幼苗葉片對光響應的機制也存在差異。

通常，適量地增加光照強度可以提高葉片中色素的含量，但是，過高的光照強度會產生光抑制，使葉片中色素含量降低。葉片中的主要色素為葉綠素，正常情況下，葉綠素參與大部分的光合作用。隨著光照強度的增強，葉綠素會分解，導致其含量降低，此時，作為植物中的第二光合色素-β-Car的含量會上升，以維持葉片中的光合作用，但是，其單位色素含量的光合效率不如葉綠素。巴西橡膠樹新生葉片的發育分為古銅期，變色期，淡綠期和成熟期四個時期[14]。在這個發育過程中，伴隨著葉片組織的逐步發育健全，光合酶尤其是Rubisco酶含量和活性的提高以及葉綠素含量逐漸增加，使得葉片光合活性不斷提高，直至成熟期達到穩定。本研究中，橡膠樹苗淡綠期葉片隨光照強度的增加，其Chl a、Chl b、Chl a+b、β-Car總體表現為下降的趨勢，200 μmol/（m2·s）光照強度下達到最低值，隨后有所上升。而Chl a/b含量在400 μmol/（m2·s）光照強度下顯著下降，在1 000 μmol/（m2·s）光照強度下上升并恢復到100 μmol/（m2·s）光照強度下的水平。這表明，橡膠樹苗淡綠期葉片的色素含量容易受到強光照的影響，通過調整Chl a和b的比例調控對光能的吸收和利用。本結果與菊科的蒲公英研究結果相似。蒲公英在910 μmol/（m2·s）光照強度下葉綠素含量最高，其光合效率亦為最佳[31]。與之相反，研究煙草對高光照的反應時發現，高光照[630 μmol/（m2·s）]后煙草不同位置的葉片葉綠素含量呈不可逆的下降趨勢[17]。說明橡膠樹等大戟科植物對光照強度的響應機制和光飽和點其它種屬植物顯著不同，更適應熱帶高光照強度的環境。

光合作用過程中會產生過氧化物，過多的過氧化物積累對植物細胞造成損害。隨著光照強度增加，過氧化物H2O2和MDA含量、抗氧化酶SOD和POD的酶活性均表現為先下降再升高的變化趨勢。在400 μmol/（m2·s）光照強度下，SOD酶活性達到最高值，而POD酶活性則為最小值，表明抗氧化酶SOD與POD具有一定的互補作用，高光照強度增加過氧化物的含量，同時抗氧化酶的活性也增強以清除積累的過氧化物，從而保護植物免受光氧化的傷害。在高光照處理的煙草和全光照射的絨毛番龍眼中也發現了類似結果，高光照導致H2O2增加，SOD等抗氧化酶酶活性升高[17，30]。對車前、萵苣等10種植物葉片和細胞溶質研究亦發現光照強度使SOD酶活性明顯提高[10]。綜合本研究在不同光照強度下，橡膠樹苗期葉片的光合特性和活性氧代謝的結果，認為在200～400 μmol/（m2·s）光照強度有利于橡膠樹苗淡綠期葉片色素合成和葉綠體發育，使葉片的光能利用能力處于良好的狀態，促進淡綠期葉片的生長發育。在種苗培育過程中，尤其在新葉生長期，應做好遮光保護，避免新生葉片受強光直射的傷害。

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責任編輯：趙軍明