淹水條件下紫丁香幼苗葉片的PSⅡ能量分配特點(diǎn)

李冬梅 葛云花

摘要 [目的]為探究淹水條件下紫丁香幼苗葉片PSⅡ能量分配特點(diǎn)。[方法]在盆栽條件下，利用葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)曲線研究脅迫對(duì)紫丁香葉片PSⅡ能量分配的影響。[結(jié)果]淹水脅迫下紫丁香幼苗葉片單位反應(yīng)中心吸收光能ABS/RC增加，其原因可能是由于在淹水脅迫導(dǎo)致紫丁香幼苗有活性PSⅡ反應(yīng)中心數(shù)量降低的情況下，通過(guò)以剩余有活性反應(yīng)中心的功能增強(qiáng)的方式來(lái)維持淹水脅迫下PSⅡ的光能供應(yīng)。在剩余有活性PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能增強(qiáng)造成PSⅡ反應(yīng)中心壓力增大的情況下，紫丁香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心的光能分配參數(shù)發(fā)生了明顯的改變，淹水6 d后紫丁香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)額（ФPSⅡ）明顯降低，而失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散量子產(chǎn)額（ФNF）明顯增加，說(shuō)明淹水脅迫導(dǎo)致紫丁香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)效率降低，失活反應(yīng)中心的比例也隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。但在淹水過(guò)程中紫丁香幼苗葉片Фf，D呈增加趨勢(shì)，而ФNPQ呈先增加后降低趨勢(shì)。[結(jié)論]紫丁香幼苗不但可以通過(guò)熱能和熒光的形式耗散過(guò)剩光能，而且可以通過(guò)啟動(dòng)依賴(lài)于葉黃素循環(huán)的非輻射能量耗散過(guò)程來(lái)調(diào)整過(guò)量能量的耗散，以降低PSⅡ反應(yīng)中心過(guò)剩光能的壓力，但是在淹水第10天開(kāi)始ФNPQ卻呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明在長(zhǎng)期淹水脅迫下這種光保護(hù)機(jī)制的作用逐漸降低，從而導(dǎo)致光能分配到失活反應(yīng)中心的比例劇增。

關(guān)鍵詞 淹水脅迫；紫丁香；葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線；PSⅡ

中圖分類(lèi)號(hào) S688 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）16-04964-03

紫丁香（Syringa oblata）為木犀科（Oleaceae）丁香屬（Syringa spp.）灌木。紫丁香不但冠型好、花期長(zhǎng)、花香濃郁、花色鮮艷[1]，而且對(duì)干旱、低溫、鹽堿等非生物逆境具有極強(qiáng)的耐受性[2-3]。它是我國(guó)北方園林綠化中重要的植物[4]。但是，有研究發(fā)現(xiàn)，紫丁香對(duì)淹水脅迫耐受性較差[5]，淹水脅迫7 d左右就會(huì)導(dǎo)致紫丁香生長(zhǎng)受到抑制，甚至死亡[6]。逆境下合理的PSⅡ能量分配是防止光合機(jī)構(gòu)損傷以及植物正常生長(zhǎng)的保證。研究逆境下植物葉片PSⅡ能量分配特點(diǎn)也是研究逆境下植物光保護(hù)機(jī)制的重要方向之一[7]。目前，有關(guān)紫丁香幼苗淹水脅迫下的研究多集中在葉片生理響應(yīng)以及光合能力的降低等方面，而對(duì)淹水后紫丁香幼苗葉片PSⅡ能量分配方面的研究較少。為此，筆者研究了紫丁香葉片PSⅡ能量分配特點(diǎn)對(duì)淹水脅迫的響應(yīng)，為深入分析紫丁香的不耐淹水特性提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理 供試材料為一年生紫丁香幼苗，株高約0.3 m，無(wú)分枝。在2013年5月將幼苗移植于塑料花盆中，花盆高30 cm、直徑30 cm，以體積比2∶ 1草炭土與蛭石為培養(yǎng)基質(zhì)，移栽5盆，即5次重復(fù)，每盆定植5株，共計(jì)25株。室外正常光溫環(huán)境下生長(zhǎng)，移栽后正常澆水和除草管理。在2013年7月，待幼苗進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，進(jìn)行淹水處理。淹水采用“雙套盆法”，澆水后保持水層沒(méi)過(guò)土層表面2～3 cm，并且在處理期間隨時(shí)補(bǔ)水。分別于淹水后第0、2、4、6、8、10和12天進(jìn)行葉片快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線（OJIP）和PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能分配參數(shù)的測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.2.1 PSⅡ單位反應(yīng)中心比活參數(shù)的測(cè)定。在處理的第0、2、4、6、8、10和12天上午9：00，利用暗適應(yīng)夾，將紫丁香幼苗倒數(shù)第3片完全展開(kāi)葉片進(jìn)行0.5 h暗適應(yīng)，然后利用Mini調(diào)制式掌上葉綠素?zé)晒鈨x（FluorPen FP 100 max，捷克）測(cè)定各暗適應(yīng)后葉片的單位反應(yīng)中心吸收的光能（ABS/RC）、單位反應(yīng)中心吸收光能用于還原QA的能量（TRo/RC）、單位反應(yīng)中心吸收光能用于電子傳遞的能量（ETo/RC）和單位反應(yīng)中心熱耗散掉的能量（DIo/RC）等。

1.2.2 PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能分配參數(shù)的測(cè)定。利用便攜式脈沖調(diào)制熒光儀FMS2（Hansatch公司，英國(guó)） 參照Hu等[8]方法測(cè)定可變熒光（Fv）、穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）以及光適應(yīng)下的最大熒光（Fm），計(jì)算PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能分配參數(shù)，即用于光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)額（ФPSⅡ）、依賴(lài)于類(lèi)囊體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度和葉黃素循環(huán)的量子產(chǎn)額（ФNPQ）、基本的熒光量子產(chǎn)額和熱耗散的量子產(chǎn)額（Фf，D）和失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散量子產(chǎn)額（ФNF），其中ФNF+ФPSⅡ+ФNPQ+Фf，D=1[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法 運(yùn)用Excel（2003）和SPSS（7.05）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析（Oneway ANOVA）和最小顯著差異法（LSD），比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫對(duì)紫丁香幼苗葉片PSⅡ單位反應(yīng)中心比活參數(shù)的影響 從圖1可以看出，淹水0～6 d紫丁香幼苗葉片的ABS/RC和DIo/RC沒(méi)有發(fā)生明顯變化，而淹水第6天后，隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)ABS/RC和DIo/RC在0.05水平顯著增加。紫丁香幼苗葉片的TRo/RC在淹水過(guò)程中變化幅度較小，其中淹水前10 d均沒(méi)有發(fā)生明顯變化，僅在第12天呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但僅與第0天達(dá)顯著差異水平（P<0.05），而與其他淹水處理時(shí)間之間差異均不顯著。淹水過(guò)程中紫丁香幼苗葉片的ETo/RC呈明顯的降低趨勢(shì)，并且在淹水第4天較第0天顯著降低，在淹水第12天時(shí)ETo/RC較第0天降低了51.71%（P<0.01）。

注：不同大小寫(xiě)字母分別表示差異在0.01、0.05水平顯著。

2.2 淹水脅迫對(duì)紫丁香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能分配參數(shù)的影響 從圖2可以看出，淹水前4 d紫丁香幼苗葉片的PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能分配參數(shù)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，但淹水4 d后，隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，紫丁香幼苗葉片的ФPSⅡ呈明顯的降低趨勢(shì)，ФNF顯著增加，Фf，D有小幅度的增加，ФNPQ呈先增加后降低趨勢(shì)。淹水第8天時(shí)，ФNPQ達(dá)最大值，此時(shí)ФNPQ為淹水第0天的3.92倍，而此時(shí)ФPSⅡ比淹水第0天降低了57.11%。而在淹水第12天ФNPQ雖明顯高于淹水第0天，但比淹水第8天降低了22.42%，而此時(shí)與淹水第0天相比，Фf，D增加了39.18%，ФPSⅡ降低了77.05%，而ФNF為淹水第0天的55.48倍。

3 結(jié)論與討論

單位反應(yīng)中心比活參數(shù)不但可以直接反映植物對(duì)光能的吸收和利用情況，而且可以間接反映植物反應(yīng)中心的活性和數(shù)量[10]。試驗(yàn)中，隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，單位反應(yīng)中心吸收的光能ABS/RC呈明顯的增加趨勢(shì)，其原因可能與長(zhǎng)時(shí)間的淹水脅迫導(dǎo)致紫丁香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心失活的比例增加，有活性的反應(yīng)中心數(shù)量降低，而植物為適應(yīng)這種逆境迫使剩余的有活性反應(yīng)中心的功能增強(qiáng)，以保證植物逆境下正常的光能供應(yīng)。但是，在淹水脅迫下紫丁香幼苗葉片單位反應(yīng)中心吸收的光能用于電子傳遞的能量比例ETo/RC降低，因此為降低反應(yīng)中心的過(guò)剩光能壓力，紫丁香幼苗將更多的光能以熱能形式耗散（DIo/RC增加）。研究還表明，隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，單位反應(yīng)中心吸收光能用于還原QA的能量（TRo/RC）變化較小，僅在淹水第12天有小幅度降低。這也說(shuō)明淹水脅迫對(duì)紫丁香幼苗電子由Pheo傳給QA（即QA被還原為QA-）的過(guò)程并沒(méi)有受到明顯的影響，電子傳遞鏈上電子受阻主要發(fā)生在QA向QB的傳遞過(guò)程中。

為保證淹水脅迫下紫丁香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心的光能供應(yīng)，單位反應(yīng)中心吸收的光能ABS/RC明顯增加，但在逆境條件下PSⅡ吸收過(guò)多的光能會(huì)造成PSⅡ反應(yīng)中心壓力的增加，加劇PSⅡ發(fā)生光抑制的風(fēng)險(xiǎn)[11]。為了適應(yīng)這種情況，紫丁香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心的光能分配參數(shù)發(fā)生明顯的變化。在淹水第6天，光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)額（ФPSⅡ）明顯降低，而失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散量子產(chǎn)額明顯增加，說(shuō)明淹水脅迫導(dǎo)致紫丁香幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)效率的降低，并且在隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，失活反應(yīng)中心的比例增加。淹水過(guò)程中紫丁香幼苗葉片基本的熒光量子產(chǎn)額和熱耗散的量子產(chǎn)額有小幅度的增加，說(shuō)明淹水脅迫過(guò)程中紫丁香可以通過(guò)增加熱能和熒光的形式耗散PSⅡ中的過(guò)剩光能。另外，淹水脅迫下紫丁香幼苗葉片依賴(lài)于類(lèi)囊體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度葉黃素循環(huán)的量子產(chǎn)額呈先增加后降低趨勢(shì)，在淹水第8天ФNPQ達(dá)最大值。有研究認(rèn)為，逆境下當(dāng)植物葉片中存在過(guò)剩光能時(shí)，受光激發(fā)產(chǎn)生的三線激發(fā)態(tài)的葉綠素分子可以與基態(tài)的O2分子反應(yīng)產(chǎn)生單線態(tài)氧，單線態(tài)氧的生成是逆境下導(dǎo)致植物發(fā)生光抑制甚至光氧化破壞的重要原因之一。為了降低單線態(tài)氧的生成，首先要防止葉綠素生成三線態(tài)或?qū)⑷€態(tài)的葉綠素淬滅。有研究表明，葉綠素三線激發(fā)態(tài)的形成以及淬滅與葉黃素循環(huán)之間有明顯的關(guān)系[12]。因此，淹水脅迫過(guò)程中紫丁香來(lái)還可以通過(guò)啟動(dòng)依賴(lài)于類(lèi)囊體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度的葉黃素循環(huán)過(guò)程來(lái)調(diào)整過(guò)量能量的耗散，以降低PSⅡ反應(yīng)中心過(guò)剩光能的壓力，保護(hù)PSⅡ反應(yīng)中心免受過(guò)剩光能的傷害。但是，在淹水第10天ФNPQ表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，說(shuō)明紫丁香幼苗葉片依賴(lài)于葉黃素循環(huán)的光破壞防御機(jī)制對(duì)長(zhǎng)期淹水脅迫也比較敏感，淹水第10天這種光破壞防御機(jī)制的作用逐漸降低，反應(yīng)中心大量失活。這種光破壞防御機(jī)制對(duì)淹水的敏感性較強(qiáng)也可能是紫丁香不耐淹水的重要原因之一。

研究表明，淹水脅迫下紫丁香幼苗葉片吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例降低，紫丁香幼苗不但可以通過(guò)熱能和熒光的形式耗散過(guò)剩光能，而且可以通過(guò)以啟動(dòng)依賴(lài)于葉黃素循環(huán)為主的非輻射能量耗散機(jī)制來(lái)耗散掉不能用于光合作用的光能，以降低PSⅡ反應(yīng)中心的壓力。但是，當(dāng)淹水第10天依賴(lài)于葉黃素循環(huán)為主的能量耗散機(jī)制的貢獻(xiàn)率降低，導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心的大量失活。

參考文獻(xiàn)

[1] 張會(huì)慧，張秀麗，王娟，等.利用快相葉綠素?zé)晒鈪?shù)綜合評(píng)價(jià)3種丁香的耐鹽性[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，37（5）：13-19.

[2] 安玉艷，梁宗鎖，韓蕊蓮.黃土高原3種鄉(xiāng)土灌木的水分利用與抗旱適應(yīng)性[J].林業(yè)科學(xué)，2011，47（10）：8-15.

[3] 郭二果，王成，彭鎮(zhèn)華，等.半干旱地區(qū)城市單位附屬綠地綠化樹(shù)種的選擇——以神東礦區(qū)為例[J].林業(yè)科學(xué)，2007，43（7）：35-43.

[4] 李海梅，何興元，陳瑋.沈陽(yáng)城市森林主要綠化樹(shù)種——丁香的光合特性研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（12）：2245-2249.

[5] 許小妍，李娟娟，張會(huì)慧，等.鹽和淹水雙重脅迫對(duì)3種丁香幼苗葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊慬J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40（11）：48-52.

[6] 李娟娟，許曉妍，朱文旭，等.淹水脅迫對(duì)丁香葉綠素含量及熒光特性的影響[J].經(jīng)濟(jì)林研究，2012，30（2）：43-47.

[7] 張會(huì)慧，張秀麗，許楠，等.鹽脅迫下桑樹(shù)葉片D1蛋白周轉(zhuǎn)和葉黃素循環(huán)對(duì)PSⅡ的影響[J].林業(yè)科學(xué)，2013，49（1）：99-106.

[8] HU Y B，SUN G Y，WANG X C.Induction characteristics and response of photosynthetic quantum conversion to changes in irradiance in mulberry plants[J].Journal of Plant Physiology，2007，164：959-968.

[9] 張會(huì)慧，張秀麗，胡彥波，等.高粱-蘇丹草雜交種的生長(zhǎng)特性和光合功能研究[J].草地學(xué)報(bào)，2012，20（5）：881-887.

[10] 張會(huì)慧，張秀麗，許楠，等.外源鈣對(duì)干旱脅迫下烤煙幼苗光系統(tǒng)Ⅱ功能的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22（5）：195-200.

[11] 張會(huì)慧，張秀麗，胡彥波，等.堿性鹽脅迫對(duì)桑樹(shù)幼苗葉片葉綠素?zé)晒馓匦院图ぐl(fā)能分配的影響[J].經(jīng)濟(jì)林研究，2011，30（1）：6-12.

[12] LI X P，BJORKMAN O，SHI C，et al.A pigmentbinding protein essential for regulation of photosynthetic light harvesting[J].Nature，2000，403：391-395.