甘蔗葉片葉綠素熒光參數日變化研究

王勤南 許環映 陳俊呂 劉壯 常海龍　周峰 金玉峰 胡后祥 符成 劉少謀

摘 要 為探索甘蔗光合作用及光合能力的規律性，為甘蔗高光效品種選育與栽培，高光效親本篩選提供理論參考。本文以甘蔗常用核心親本93-159、CP72-1210和ROC26為材料，采用PAM-2500便攜式熒光儀對甘蔗葉片葉綠素熒光參數原初光能轉化效率（Fv/Fm）、實際原初光能捕獲效率Y（Ⅱ）、非光化學淬滅系數NPQ、光化學淬滅系數qP和光響應曲線參數（α、ETRm、Ik）值進行日變化研究。結果顯示，甘蔗具有較強的光呼吸能力和光抑制自我保護能力，較高的光能利用效率，較低的飽和光強，吸收的光能較少地分配到熱耗散，能保證吸收的光能最大程度進入電子傳遞系統進而進行碳固定。

關鍵詞 甘蔗 ；葉綠素熒光參數 ；光合作用 ；日變化

分類號 S566.1

光是影響光合作用最重要的因素，光合作用是植物生長和發育的基礎，是衡量作物光合生產力的重要指標，是決定作物產量和品質構成的主要因素[1]。自1960年Kautsk發現葉綠素熒光產量的變化之后，開始通過研究葉綠素熒光產量等來獲得植物光合性能的有用信息。經過50多年的發展，形成了葉綠素熒光動力學技術，通過對水稻[2]、小麥[3]、玉米[4]、番茄[5]、茶葉[1]、園林植物[6]等的研究，在測定光合作用時發現，光系統對光能吸收、傳遞和耗散分配方面發揮重大作用，在植物光合作用、機理研究及作物增產潛力預測和環境保護等方面得到廣泛的應用。

甘蔗既是一種重要的糖料作物.也是一種重要的高生物量生物能源作物[7]。甘蔗的光合作用是其生產力構成的主要因素，也是甘蔗糖分形成的基礎。目前，國內外對影響甘蔗光合作用的因素及其相互關系的研究[8-12]，為甘蔗良種選育與栽培管理提供有益的理論依據。但是，關于甘蔗葉片中葉綠素熒光特性方面的研究少有報道。因此，本文采用葉綠素熒光分析技術，通過分析甘蔗葉片葉綠素熒光參數，初步探索甘蔗光合作用規律性，以期為甘蔗品種選育、栽培、環境脅迫、抗逆鑒定和篩選提供相應的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料

試驗材料為甘蔗常用核心親本粵糖93-159、CP72-1210和ROC26，選擇生長狀況基本一致的植株，設3個重復，每個重復3株，每株選擇-1葉，用以葉片測量。

1.1.2 試驗時間、地點

研究田間時間于2013年8月在廣州甘蔗糖業研究所海南甘蔗育種場（農業部廣東甘蔗種質資源與利用科學觀測實驗站）的大田甘蔗親本圃里進行。

1.2 方法

1.3.1 葉綠素熒光動學參數測定

采用PAM-2500便攜式熒光儀（德國Walz公司）測定葉綠素熒光動力學參數，于2013年8月測定，選擇晴朗的白天7：00～19：00進行測量，測量前植株葉片用葉片夾夾住并進行充分的暗反應，每隔2個小時測量1次。測量參數有熒光淬滅參數包括PSⅡ最大光化學潛力Fv/Fm、實際光能轉化效率Y（Ⅱ），非光化學淬滅系數NPQ、光化學淬滅系數qP和光響應曲線參數包括α光能利用效率、ETRm最大電子傳遞效率、Ik最小飽和光強。

1.2.2 統計分析

各項指標均取3個親本數據的平均值，光響應曲線參數α、ETRm、Ik采用Eilers and Peeters （Ecological Modelling 42（1988） 199-215）公式進行光響應曲線擬合計算。數據統計分析和作圖采用Microsoft Excel和DPS6.5軟件系統。

2 結果分析

2.1 甘蔗葉片的Fv/Fm值日變化

Fv/Fm反映PSⅡ反應中心原初光能轉化效率，是植物光抑制的重要指標[13]，其值越低證明植物發生光抑制的程度越高[14]。測定結果表明，甘蔗葉片的Fv/Fm值先升后降再升再降的“M”型趨勢變化，9：00以后，隨著光照強度的增強，甘蔗葉片的Fv/Fm值迅速下降，在11：00左右達到最低值，且均顯著小于其7：00、9：00、15：00、17：00和19：00的Fv/Fm值（P<0.05）。表明在強光和高溫下，PSⅡ的光化學效率下降，出現光合作用的光抑制（午休現象）。午后，隨著光強的減弱，Fv/Fm值逐漸回升，在17：00恢復到上午7：00的Fv/Fm值水平，說明光合作用器官在中午并沒有受到損傷，只是光合作用暫時受到抑制。可見中午PSⅡ的功能下降是可逆的。見圖1。

2.2 甘蔗葉片的Y（Ⅱ）值日變化

Y（Ⅱ）用來反映PSⅡ反應中心在有部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率，其值先升后降再升再降的“M”型趨勢與Fv/Fm值變化趨勢一致，10：00以后，隨著光照強度的增強，Y（Ⅱ）值迅速下降，在11：00左右達到最低值，且均顯著小于其9：00和17：00的Y（Ⅱ）值（P<0.05）。午后，隨著光強的減弱，Y（Ⅱ）值逐漸回升，并在17：00恢復到上午9：00的水平。見圖2。

2.3 甘蔗葉片非光化學淬滅系數NPQ值日變化

葉綠素吸收的光能主要通過光合電子傳遞、葉綠素熒光和熱耗散3種途徑消耗，這3種途徑間存在著相互關系[15]。非光化學淬滅系數NPQ反映PSⅡ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，是防御光抑制帶來的破壞，是植物保護PSⅡ免受傷害的重要機制[16]。甘蔗葉片的NPQ值呈先升后降的趨勢，在11：00左右達到最大值，且均顯著大于其他時間段的NPQ值（P<0.05）。說明從上午9：00到下午15：00由于光照強度和溫度較高，致使葉片吸收的光能較多地分配到熱耗散。見圖3。

2.4 甘蔗葉片光化學淬滅系數qP值日變化

qP反映了植物光合活性的高低，表示PSII 中處于開放狀態的反應中心所占的比例。甘蔗葉片qP值的日變化曲線呈近”M”形。早晨光照較弱，光合活性較低，隨著光照強度的增加，光合活性緩慢升高，在11：00點和15：00出現2個峰值，且顯著大于7：00、9：00、17：00和19：00的qP值（P<0.05）。說明甘蔗葉片在11：00到15：00時間段具有較強光合活性。見圖4。

2.5 甘蔗葉片光響應曲線參數α、ETRm、Ik值日變化

光響應曲線反映當前狀態下光合作用的信息，通過對光響應曲線進行擬合，可以得到參數α、ETRm和Ik。α為光響應曲線的初始斜率，反映植物光能利用效率。甘蔗葉片α值表現出先降后上升再降的變化趨勢。從上午9：00開始隨著光照強度的增加，甘蔗葉片光能利用效率緩慢下降到13：00最低值，然后又緩慢上升到17：00的最大值，且在7：00、9：00和17：00顯著大于11：00、13：00、15：00和19：00的α值（P<0.05），說明甘蔗葉片在7：00、9：00和17：00時間段光能利用效率較高。見圖5。

ETRm為植物最大電子傳遞速率，反映電子在PSⅡ和PSⅠ的傳遞情況，與碳同化、光呼吸和電子流有關。甘蔗葉片ETRm值表現出先緩慢上升后緩慢下降的變化趨勢。從上午7：00開始，隨著光照強度和溫度的不斷上升，甘蔗葉片的最大電子傳遞速率也緩慢上升，13：00達最大值，且顯著大于7：00、9：00、17：00和19：00的ETRm值（P<0.05）。說明甘蔗葉片在11：00到15：00時間段具有較強的電子傳遞速率。見圖6。

Ik為最小飽和光強（半飽和光強），反映植物對強光的耐受能力。甘蔗葉片Ik值呈現出先緩慢上升后下降的趨勢，從上午7：00開始，隨著光照強度和溫度的升高，甘蔗葉片Ik值緩慢上升，13：00達最大值，且顯著大于7：00、17：00和19：00的Ik值（P<0.05）。說明在9：00、11：00、13：00和15：00具有較大的最小飽和光強。見圖7。

3 討論與結論

Fv/Fm反映PSⅡ反應中心最大的光化學效率，Y（Ⅱ）反映PSⅡ反應中心實際原初光能捕獲效率，兩參數變化日變化趨勢均呈“M”型，說明甘蔗葉片光合作用的器官在中午光能轉化效率受到抑制是暫時，隨后光合器官的功能得到恢復，光合器官并沒有受到損傷。NPQ反映PSⅡ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，參數的日變化趨于0，只有在上午9：00到下午13：00微小的變化，說明從上午9：00到下午13：00由于光照強度和溫度較高，甘蔗葉片具有較強的自我保護能力和將吸收的光能較多地分配到熱耗散。qP反映了植物光合活性的高低，其值日變化曲線較為穩定，在早晨9：00前和傍晚17：00后較低外，均表現較高的光合活性，說明甘蔗能夠接受強光照射，可以在強光下環境生長。光響應曲線參數α反映植物光能利用效率，其日變化曲線在午后13：00點較低外，表現較為穩定，說明甘蔗具有較高的光能利用效率。ETRm為植物最大電子傳遞速率，反映電子在PSII和PSⅠ的傳遞情況，與碳同化、光呼吸和電子流有關，其日變化曲線在早上9：00前和傍晚17：00后較低外，均表現較高的最大電子傳遞速率，說明甘蔗具有較強的碳同化、光呼吸和電子流。Ik為最小飽和光強（半飽和光強），反映植物對強光的耐受能力。其日變化在11：00到13：00較高外，均表現出較低的最小飽和光強，說明甘蔗具有較低的飽和光強，較強的強光耐受能力。

綜合以上參數分析表明，甘蔗具有較強的光呼吸能力和光抑制自我保護能力，較高的光能利用效率，較低的飽和光強，吸收的光能較少地分配到熱耗散，能保證吸收的光能最大程度進入電子傳遞系統進而進行碳固定。

參考文獻

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