甘蔗苗期不同葉位葉綠素?zé)晒馓匦匝芯?/h1>
2015-10-21 01:04:35安東升魏長(zhǎng)斌曹娟竇美安
熱帶作物學(xué)報(bào) 2015年11期
安東升 魏長(zhǎng)斌 曹娟 竇美安
摘 要 為明確不同葉位和葉片不同部位葉綠素?zé)晒馓匦缘姆植家?guī)律及其隨生長(zhǎng)時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)甘蔗光合潛力的快速評(píng)價(jià)，本研究通過(guò)桶栽試驗(yàn)對(duì)3個(gè)甘蔗主栽品種（ROC22、ROC16、桂柳05-136）不同葉位和葉片不同部位的葉綠素?zé)晒馓匦赃M(jìn)行比較分析，并研究葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)。結(jié)果表明：光系統(tǒng)II（PSII）量子效率（ΦII）隨著倒數(shù)葉位的增加而下降，在葉片不同部位之間表現(xiàn)為葉中部>葉尖端>葉基部，相同葉位不同品種間ΦII的差異不顯著；可調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNPQ）則隨著倒數(shù)葉位的增加而上升；非調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNO）在不同葉位（除倒四葉）及品種間并無(wú)顯著差異。隨著生長(zhǎng)時(shí)間的推進(jìn)，上部葉位具有較高的ΦII和較低的ΦNPQ；中部葉位的ΦII和光化學(xué)猝滅（qL）變化很小；下部葉位在葉片生長(zhǎng)的前兩周，能量分配在ΦII和ΦNPQ之間進(jìn)行，ΦNO基本保持不變；而超過(guò)3周后，3個(gè)供試品種的ΦII、qL和最大光能利用效率（Fv/Fm）均有不同程度的下降，降幅為ΦII>qL>Fv/Fm，同時(shí)伴隨著ΦNO的增加。上述結(jié)果表明光能利用效率以上部葉位最高，中部葉位穩(wěn)定，而下部葉位最低且差異較為顯著。而不同葉位相對(duì)電子傳遞速率（rETR）對(duì)生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)研究表明，在苗期上部第一片全展葉的中部葉位光能轉(zhuǎn)化能力最強(qiáng)，可選擇該葉片的中部葉位進(jìn)行葉綠素?zé)晒馓匦詸M向比較。本研究初步明確了不同葉位光能的利用效率及其隨生長(zhǎng)時(shí)間的變化趨勢(shì)，為如何選擇合適的葉位進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈾z測(cè)，進(jìn)而開(kāi)展甘蔗冠層光合潛力的快速評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 甘蔗；葉綠素?zé)晒猓蝗~位；生長(zhǎng)時(shí)間
中圖分類(lèi)號(hào) S314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
Abstract To investigate the light excitation energy allocation characters in photosystem II （PSII） of different leaf position and growth time for three tested sugarcane cultivars（ROC22， ROC16 and GUI LIU 05136），several chlorophyll fluorescence parameters were measured and analyzed by using pot experiments. Results showed that， the quantum efficiency of PSII （ΦII） decreased with the leaf counting from the top downward， for different leaf position in three regions of 4 leaves were in order of the middle， the apical， the basal， but there was no significant difference among cultivars. The down-regulated energy dissipation （ΦNPQ） showed an opposite trend compared with ΦII while the non-light induced energy dissipation （ΦNO） remained stable in different cultivars and leaf position. With leaf growth， the upper leaf position showed a relatively high ΦII and low ΦNPQ while the lower leaf position showed a complicate scenario： the light excitation energy distributed between ΦII and ΦNPQ at the first two weeks with stable ΦNO， but over three weeks， ΦII， qL and Fv/Fm declined with different degree（ΦII>qL>Fv/Fm）accompanied the inclined ΦNO， which implied that the middle leaves remained constant， the upper leaves possess the high light use efficiency（LUE） while the lower leaves had low LUE significantly among different leaf position. The analysis of relative electron transport rate（rETR） in different growth time indicated that the middle of the first fully expanded leaf from the top had the maximum rETR in the same period， thus indicating that this leaf could be chosen for chlorophyll fluorescence parameters comparison and evaluation as functional leaf. The results clarified the light use efficiency distributed among canopy， thus could be used in choosing appropriate leaf position for chlorophyll fluorescence diagnosis and set up the basis for the quick evaluation of the photosynthetic potential of sugarcane canopy.
Key words Sugarcane；Chlorophyll fluorescence；Leaf position；Growth time
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.11.016
甘蔗是中國(guó)最重要的糖料作物，種植面積和總產(chǎn)量居世界第三，但中國(guó)甘蔗的單產(chǎn)較低[1]。中國(guó)甘蔗的植期以春植和秋植為主，氣候變化導(dǎo)致西南華南地區(qū)季節(jié)性干旱頻發(fā)[2]，極大的影響新植蔗出苗率和幼苗的生長(zhǎng)，因此，通過(guò)合理的光合作用指標(biāo)對(duì)甘蔗品種光合潛力及耐旱性進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，是從光能利用角度對(duì)甘蔗進(jìn)行災(zāi)損評(píng)估的基礎(chǔ)性工作，也是篩選高光效甘蔗品種、提高甘蔗產(chǎn)量的重要途徑之一。
光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，其中葉綠素?zé)晒鈪?shù)被廣泛用于檢測(cè)植物光系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況[3-4]。常用的葉綠素?zé)晒鈪?shù)基于對(duì)光系統(tǒng)兩種假設(shè)得出，Puddle-model假設(shè)天線色素和光系統(tǒng)II（PSII）反應(yīng)中心是一一對(duì)應(yīng)的，以此推導(dǎo)出熒光猝滅qP和非光化學(xué)猝滅NPQ[5]；而Lavergne和Trissl等人[6]的研究認(rèn)為天線色素系統(tǒng)作為一個(gè)整體為PSII反應(yīng)中心提供電子，Kramer等人[7]在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出qL及兩個(gè)新的葉綠素?zé)晒鈪?shù)：可調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNPQ）和非調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNO），與PSII量子效率（ΦII）一同描述激發(fā)光能的分配特性。從定義和計(jì)算結(jié)果來(lái)看，ΦPSII等同于由Puddle-model計(jì)算的PSII實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSII）和基于Lake-model計(jì)算的PSII量子效率（ΦII）。對(duì)于包括甘蔗在內(nèi)的C4喜光作物，當(dāng)光合作用處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，PSII光化學(xué)量子產(chǎn)額（ΦPSII）和CO2同化量子產(chǎn)額（ΦCO2*）的比值在一個(gè)相當(dāng)大的光合有效輻射（PAR）（40～2 700 μmol/m2·s）和CO2（30～370 μL/L）變化范圍內(nèi)保持恒定，因作物品種而異[8]。其中ΦPSII由“開(kāi)放”的光反應(yīng)中心捕獲電子的效率（Fm′-Fo′）/Fm′和開(kāi)放的PSII反應(yīng)中心所占的比例 （Fm′-Fs′）/（Fm′-Fo′）共同決定[9]。以上研究表明，通過(guò)葉綠素?zé)晒鈪?shù)估算光合作用是可行的。
前人研究表明，因葉片的光學(xué)和光化學(xué)性質(zhì)不同而導(dǎo)致不同葉位在不同發(fā)育時(shí)間內(nèi)的光合能力有所差異[10]。因此，只有了解不同葉位的葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)發(fā)育時(shí)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，才能選擇合適的葉片進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于葉綠素?zé)晒鈪?shù)的脅迫診斷和光合作用的評(píng)價(jià)。在大宗農(nóng)作物上，選取對(duì)產(chǎn)量形成有絕對(duì)貢獻(xiàn)的功能葉片作為葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究對(duì)象，已得到較為一致的結(jié)論，如在小麥[11]和水稻[12]上均選用旗葉來(lái)研究PSII高溫傷害及生理活性對(duì)干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，在棉花[13]上則選擇對(duì)位葉研究棉鈴干物質(zhì)積累的影響等。而針對(duì)C3作物（棉花[14]、黃瓜[15]、小麥[16]）和C4作物（玉米、高粱）[17]中不同葉位的光合或葉綠素?zé)晒馓匦裕捕加休^為系統(tǒng)的研究。在甘蔗上，雖然楊麗濤等[18]和羅俊等[19]分別針對(duì)糖蔗和能源蔗不同葉位的葉片形態(tài)和光合特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，但尚未對(duì)葉片不同部位和不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)葉綠素?zé)晒馓匦赃M(jìn)行比較分析，因而不能對(duì)甘蔗光合能力進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，相關(guān)研究并未見(jiàn)報(bào)道。
甘蔗是全莖稈收獲作物，不同于棉花的對(duì)位葉和稻麥的旗葉對(duì)產(chǎn)量形成起決定作用，因此任何單一葉片的測(cè)定均不能反映整株光合潛力。本研究通過(guò)對(duì)3個(gè)主栽品種甘蔗苗期不同葉位葉片在不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定分析，明確不同葉位葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)，為利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行光合潛力的快速評(píng)價(jià)，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)甘蔗高光效品種的鑒定與篩選和災(zāi)損評(píng)估奠定一定的理論基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況
對(duì)于試驗(yàn)材料的選擇，由于目前針對(duì)甘蔗葉綠素?zé)晒馓匦匝芯枯^少，在材料選擇方面缺乏參考，為了使研究結(jié)果有較好的代表性，本研究采用3個(gè)主栽品種進(jìn)行試驗(yàn)研究。供試品種為新臺(tái)糖16號(hào)（ROC16）、新臺(tái)糖22號(hào)（ROC22）和桂柳05-136。
試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院湛江實(shí)驗(yàn)站，供試土壤為紅壤土，速效N、P、K和有機(jī)質(zhì)分含量別為65.81 mg/kg、19.26 mg/kg、80.11 mg/kg和21.04 g/kg。栽培方式為桶栽，栽培桶規(guī)格為桶口直徑40 cm、桶底直徑32 cm、桶高40 cm，栽培桶參考大田甘蔗種植距離擺放，擺放密度為6桶/m2，每桶種植種莖3段，每段1個(gè)芽，每個(gè)品種種植25桶。栽培桶置于基地硬化地面上，無(wú)遮陽(yáng)措施。
1.2 方法
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 不同葉位和葉片不同部位的葉綠素?zé)晒馓匦匝芯吭囼?yàn)：于2014年5月12～14日試驗(yàn)，試驗(yàn)期間多云天氣。于甘蔗生長(zhǎng)至六片真葉期，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株作為試驗(yàn)材料，每個(gè)品種3個(gè)重復(fù)，于每日上午8：00～11：00測(cè)試，每天測(cè)試1個(gè)品種，葉位選擇為倒數(shù)第一、二、三、四片全展葉片，分為葉基部、葉中部和葉尖端3部分。
不同葉位葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)試驗(yàn)：于2014年10月8日開(kāi)始，11月5日結(jié)束，試驗(yàn)期間天氣晴朗有時(shí)多云。選擇幼苗長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，針對(duì)不同葉位進(jìn)行定株觀測(cè)，每個(gè)品種3個(gè)重復(fù)，每周測(cè)量1次，葉位選擇為第1～6片真葉的中部葉位，觀測(cè)于每日上午8：00～11：00進(jìn)行。
1.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 采用德國(guó)PAM公司生產(chǎn)的Mini-PAM于每日早8：00進(jìn)行30 min暗適應(yīng)后進(jìn)行暗反應(yīng)參數(shù)的測(cè)定（測(cè)試時(shí)避開(kāi)主葉脈）：首先給出1個(gè)微弱的非光化光，測(cè)量初始熒光（Fo）；接著給出1個(gè)飽和光，測(cè)量最大熒光（Fm）。接著于上午9：00在自然光下進(jìn)行30 min光適應(yīng)，于9：30～11：00使用光葉夾補(bǔ)充人工光源測(cè)量光化光下（強(qiáng)度約為290 μmol/m2·s）光反應(yīng)參數(shù)：光化光控制時(shí)間為90 s，測(cè)定穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）；接著給出1個(gè)飽和光，測(cè)定穩(wěn)態(tài)最大熒光（Fm′）。試驗(yàn)一和試驗(yàn)二測(cè)量時(shí)刻溫度變化范圍分別為31～34 ℃和27～29 ℃，光合有效輻射（PAR）范圍為285～295 μmol/m2·s。根據(jù)Kramaer[7]公式計(jì)算出基于Lake-model的葉綠素?zé)晒鈪?shù)： PSII量子效率ΦI= （Fm′-Fs）/Fm； 光化學(xué)猝滅qL=（Fo′/Fs）（Fm′-Fs）/（Fm′-Fo′）； 非調(diào)節(jié)性能量耗散ΦNO=1/[NPQ+1+qL（Fm/Fo-1）]， 其中NPQ（Fm/Fm′-1）為非光化學(xué)猝滅； 可調(diào)節(jié)性能量耗散ΦNPQ=1-ΦII-ΦNO；相對(duì)電子傳遞速率rETR=PAR×0.84×0.5×ΦII。其中， 0.84為經(jīng)驗(yàn)性吸光系數(shù)， 0.5為假設(shè)天線色素吸收的光能被兩個(gè)光系統(tǒng)平均分配[20]。最大光能利用效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm；穩(wěn)態(tài)最小熒光根據(jù)Oxborough和Baker[21]的公式計(jì)算得出Fo′=Fo/[（Fv/Fm）+（Fo/Fm′）]。
1.3 數(shù)據(jù)處理
采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件中Duncan多重比較分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 光系統(tǒng)實(shí)際光化學(xué)效率在品種間、葉位間和葉片不同部位間的變化
2.1.1 相同品種和葉位葉片不同部位ΦII的變化 ΦII反映限定光強(qiáng)下PSII的量子效率，可用來(lái)衡量PSII實(shí)際光化學(xué)效率[3]。對(duì)不同葉片部位的ΦII的分析表明，除了ROC16倒二葉的葉尖端大于葉中部（但并無(wú)顯著差異）之外，3個(gè)供試品種不同葉位的葉片均表現(xiàn)為葉中部>葉基部>葉尖端。ROC22除倒四葉之外的葉片差異不顯著；ROC16葉基部與另外兩個(gè)部位差異顯著；桂柳05136則表現(xiàn)出各部位間倒三和倒四葉差異較為顯著。ROC16葉基部的ΦII是3個(gè)品種中最低的，而葉尖端的ΦII則是3個(gè)品種中最高的（圖1）。
2.1.2 相同葉位和葉片部位不同品種ΦII的變化 對(duì)相同葉位和葉片部位不同品種間的ΦII分析結(jié)果表明，3個(gè)供試品種之間的差異均表現(xiàn)為不顯著（圖2）。
2.1.3 相同品種和葉片部位不同葉位ΦII的變化 對(duì)各個(gè)供試品種葉片相同部位不同葉位的ΦII進(jìn)行比較，結(jié)果顯示3個(gè)供試品種不同葉位間基本隨著倒數(shù)葉位的增加而減小。對(duì)于ROC22的葉基部和葉中部，倒四葉與其他3片葉差異顯著，葉尖端4個(gè)葉位差異不顯著；ROC16葉基部和葉中部不同葉位間差異不顯著，葉尖端表現(xiàn)為倒一倒二葉大于倒三倒四葉；桂柳05136則表現(xiàn)出中部葉位的倒四葉與其他3片差異顯著，葉基部4個(gè)葉位無(wú)顯著差異，葉尖端倒三葉和倒四葉顯著下降（圖3）。
2.1.4 ΦII在品種間、葉位間和葉片不同部位間的變化 對(duì)品種、葉片部位、葉位的差異顯著性分析表明，3個(gè)供試品種間差異不顯著；葉片部位表現(xiàn)為葉中部>葉尖端>葉基部，差異顯著；葉位表現(xiàn)為倒一>倒二>倒三>倒四，倒一倒二葉與倒三倒四葉之間差異顯著（圖4）。
2.2 光系統(tǒng)能量耗散在品種間、葉位間和葉片不同部位間的變化
光系統(tǒng)對(duì)能量耗散的水平可以反映植物光保護(hù)能力的強(qiáng)弱，葉綠素?zé)晒鈪?shù)中非光化學(xué)猝滅是反映這一水平的指標(biāo)。基于Lake-model計(jì)算出的非光化學(xué)猝滅分為反映光系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)性的能量耗散部分（ΦNPQ）和其他非光化學(xué)猝滅途徑不可調(diào)節(jié)的能量耗散部分（ΦNO）[7]。研究表明，對(duì)于ROC22和桂柳05136，ΦNPQ的總體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著倒數(shù)葉位的增加而遞增，葉片部位間變化為葉基部>葉尖端>葉中部；而ROC16不同葉位的ΦNPQ則相對(duì)穩(wěn)定，且葉片不同部位間仍以葉基部能量耗散水平最強(qiáng)，葉尖端>葉中部（倒三葉除外）。除桂柳05136的倒四葉、ROC22的倒一和倒四葉之外，ΦNO在各個(gè)葉片部位之間的差異不顯著，且隨著葉位的遞增并無(wú)明顯變化（圖5）。相同葉位和葉片部位，不同品種之間ΦNPQ和ΦNO均表現(xiàn)為差異不顯著（數(shù)據(jù)未列出）。
2.3 不同葉位葉綠素?zé)晒馓匦詫?duì)不同生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)
通過(guò)不同葉位和葉片不同部位的葉綠素?zé)晒馓匦匝芯吭囼?yàn)，表明葉綠素?zé)晒鈪?shù)在品種間、葉片部位間和葉位間的差異以葉片部位間最顯著，其中葉片中部實(shí)際光化學(xué)效率最高，而葉綠素?zé)晒鈪?shù)在3個(gè)供試品種間的變化規(guī)律趨于一致，且差異不顯著。因此，在葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)試驗(yàn)中，選取3個(gè)品種中部葉位共9張葉片的平均值做比較分析。
基于Lake-model計(jì)算的PSII量子效率（ΦII）、可調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNPQ）和非調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNO）共同描述PSII中激發(fā)能分配特性（ΦII+ΦNPQ+ΦNO=1）[7]。結(jié)果表明：ΦII隨著正數(shù)葉位的增加呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，以觀測(cè)葉片的倒二葉（即葉鞘完全展開(kāi)的倒一葉）最大；正一葉和正二葉的ΦII隨著時(shí)間的推移而遞減，正三葉基本維持恒定，正四葉和正五葉則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（正四葉由10月29日至11月5日略有下降）。
ΦNPQ則剛好表現(xiàn)出與ΦII完全相反的變化趨勢(shì)；除正一葉和正二葉的ΦNO分別在10月29日和11月5日略有增加，其余葉位的的ΦNO在不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)并無(wú)顯著變化。正一葉和正二葉在展葉初的2周ΦNPQ的上升彌補(bǔ)了ΦII的下降，但是隨著時(shí)間的持續(xù)推移ΦNO逐漸上升；3周后的正一葉和正二葉的ΦII分別降了9.8%和8.1%，ΦNPQ和ΦNO則分別增加7.8%、6.2%和1.9%、2%。正三葉到正六葉則保持相對(duì)較高的ΦII和較低的ΦNPQ，而ΦNO則基本保持不變（表1）。
基于Lake-model計(jì)算出的光化學(xué)猝滅qL描述處于開(kāi)放狀態(tài)的PSII反應(yīng)中心所站比例[7]，F(xiàn)v/Fm用來(lái)衡量PSII潛在最大光能利用效率[3]。qL和Fv/Fm的變化趨勢(shì)均與ΦII趨于一致，但是變化幅度為ΦII>qL>Fv/Fm（以正一葉為例，ΦII、qL和Fv/Fm分別下降了9.8%、4.9%和3.4%）。以上結(jié)果說(shuō)明，上部葉片具備較高的實(shí)際光化學(xué)效率，而下部葉片則表現(xiàn)為實(shí)際光化學(xué)效率下降，同時(shí)伴隨著能量耗散的增加，表明植株葉片是通過(guò)增加能量耗散和降低PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放程度來(lái)防止多余的光能造成的損傷。
2.4 3個(gè)品種不同葉位線性電子傳遞速率的動(dòng)態(tài)變化
rETR用來(lái)描述PSII中線性電子傳遞速率，即PSII在額定光強(qiáng)下的單位量子產(chǎn)額，反映PSII光能轉(zhuǎn)化能力[3]。對(duì)葉片中部位點(diǎn)的rETR在不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的研究表明，3個(gè)供試品種的正一葉和正二葉均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且正一葉下降幅度大于正二葉；正三葉的rETR較為穩(wěn)定；正四葉和正五葉分別表現(xiàn)為先上升后下降和上升趨勢(shì)。對(duì)于每次測(cè)量rETR的最大值出現(xiàn)在測(cè)量當(dāng)天的倒數(shù)第二葉位，而此時(shí)的倒數(shù)第一葉位為新發(fā)出葉片，葉鞘并未完全展開(kāi)（圖6）。因此，最上部的全展葉的中部葉位具備最大的的相對(duì)電子傳遞速率，代表植株最大光能轉(zhuǎn)化能力，可選做進(jìn)行葉綠素?zé)晒馓匦蜋M向比較的葉位。
3 討論
3.1 葉位對(duì)不同甘蔗品種葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
C4植物光合碳同化途徑從光系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)和生化功能角度進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整（如利用蘋(píng)果酸循環(huán)濃縮可利用的CO2，消除加氧反應(yīng)以降低光呼吸），補(bǔ)充完善C3途徑，以應(yīng)對(duì)強(qiáng)光、高溫和干旱的氣候條件[22]。在成熟的C4葉片中，消除加氧反應(yīng)使得CO2同化成為線性電子流的主要去路，在很大的光強(qiáng)范圍內(nèi)，PSII實(shí)際光化學(xué)效率和CO2同化速率線性相關(guān)[23]。甘蔗品種的選擇需要同時(shí)考慮高光效和適應(yīng)性，ROC16和ROC22從定植至伸長(zhǎng)初期光合速率并無(wú)顯著差異[24]，這與本研究得出的ΦII在品種間差異不顯著的結(jié)論相吻合，且桂柳05136在苗期的光合活性與兩個(gè)ROC品種處于同等水平。而引種試驗(yàn)報(bào)告表明，ROC22和ROC16的產(chǎn)量和蔗糖分分別為99.63 t/hm2、90.66 t/hm2和14.15%、14.49%[25]。這說(shuō)明3個(gè)主栽品種在經(jīng)濟(jì)性狀上的差異并非葉片光合潛力的影響造成的，而是可能與干物質(zhì)分配和品種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等因素有關(guān)。
王燕鵬等人[26]對(duì)玉米C4光合葉不同部位解剖結(jié)構(gòu)和光抑制特性的比較分析認(rèn)為，維管束鞘和細(xì)胞葉綠體數(shù)量、光合速率及光抑制的恢復(fù)能力均表現(xiàn)為中部>頂部>基部，我們的試驗(yàn)結(jié)果表明ΦII對(duì)葉位的響應(yīng)總體表現(xiàn)為葉中部>葉尖端>葉基部，這與王燕鵬等[26]的研究趨于一致。但是對(duì)于3個(gè)甘蔗供試品種，ROC22相同葉位不同葉片部位間差異不顯著，而對(duì)于ROC16和桂柳05136，個(gè)別葉位出現(xiàn)葉尖端與中部葉位持平或大于中部葉位的現(xiàn)象，這可能是由于相對(duì)玉米葉片，甘蔗葉片短、窄、直挺的甘蔗基因型冠層輻射特征參數(shù)大（包括中下部葉位），有利于光能的吸收和利用[27]。
PSII轉(zhuǎn)化的能量除了供給電子傳遞之外，還用于進(jìn)行能量耗散。對(duì)玉米光合葉的研究表明，葉綠素a/b的含量隨著距葉耳距離的增加而減小，且葉基部最易發(fā)生光抑制現(xiàn)象且修復(fù)能力差[28]，這也解釋了本研究得出的ΦNPQ表現(xiàn)為葉基部最大的結(jié)論。同時(shí)，雖然玉米葉片不同部位葉綠素含量差異顯著，但是正常光照條件下，相同位點(diǎn)PSII最大光化學(xué)效率之間并無(wú)顯著差異[26]，這說(shuō)明葉片不同位點(diǎn)葉綠素中PSII均保持完好的功能。而安東升等人[29]對(duì)基于Lake-model的葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究進(jìn)一步表明，甘蔗葉片PSII處于正常狀態(tài)和對(duì)脅迫的應(yīng)激反應(yīng)狀態(tài)時(shí)，在不同光溫背景下ΦNO會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定，ΦNPQ與ΦII剛好呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，這同樣可以解釋本研究中ΦNO在不同品種葉位和不同的葉片部位間差異總體上差異并不顯著，而ΦNPQ與ΦII剛好呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)的原因。
3.2 生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)不同葉位葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
對(duì)玉米和高粱不同葉位SPAD的研究表明，隨著發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)，下部葉位SPAD的值呈遞減趨勢(shì)，中部葉位則表現(xiàn)為先上升后下降，而上部葉位則出現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是由于不同葉片由于生長(zhǎng)發(fā)育的先后順序不同所致[30]。本研究對(duì)于苗期生長(zhǎng)時(shí)間不同葉位相對(duì)電子傳遞速率變化的研究表明，正一葉和正二葉的rETR呈下降趨勢(shì)，正三葉和正四葉基本呈先上升后下降的趨勢(shì)，正五葉呈上升趨勢(shì)。這與前人對(duì)不同葉位SPAD隨發(fā)育進(jìn)程的演變相一致，即不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，葉片傳遞電子能力的大小與不同葉位的葉綠素含量有關(guān)[30]。且對(duì)于正一葉和正二葉在展葉一周至兩周，葉片中入射光的能量分配在ΦII和ΦNPQ之間進(jìn)行；而第三周后，ΦNO開(kāi)始逐漸上升，并伴隨著qL和Fv/Fm用的下降。其中qL的變化幅度小于ΦII的變化幅度，說(shuō)明在限定光強(qiáng)下上部葉位的PSII仍能維持較高的開(kāi)放程度，而此時(shí)中下部葉位表現(xiàn)出的非調(diào)節(jié)性能量耗散增加和潛在最大光能利用效率降低的現(xiàn)象，可能是由于N素的再分配而導(dǎo)致的葉綠素含量的降低，從而引起的光抑制現(xiàn)象所致。
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安東升 魏長(zhǎng)斌 曹娟 竇美安
摘 要 為明確不同葉位和葉片不同部位葉綠素?zé)晒馓匦缘姆植家?guī)律及其隨生長(zhǎng)時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)甘蔗光合潛力的快速評(píng)價(jià)，本研究通過(guò)桶栽試驗(yàn)對(duì)3個(gè)甘蔗主栽品種（ROC22、ROC16、桂柳05-136）不同葉位和葉片不同部位的葉綠素?zé)晒馓匦赃M(jìn)行比較分析，并研究葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)。結(jié)果表明：光系統(tǒng)II（PSII）量子效率（ΦII）隨著倒數(shù)葉位的增加而下降，在葉片不同部位之間表現(xiàn)為葉中部>葉尖端>葉基部，相同葉位不同品種間ΦII的差異不顯著；可調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNPQ）則隨著倒數(shù)葉位的增加而上升；非調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNO）在不同葉位（除倒四葉）及品種間并無(wú)顯著差異。隨著生長(zhǎng)時(shí)間的推進(jìn)，上部葉位具有較高的ΦII和較低的ΦNPQ；中部葉位的ΦII和光化學(xué)猝滅（qL）變化很小；下部葉位在葉片生長(zhǎng)的前兩周，能量分配在ΦII和ΦNPQ之間進(jìn)行，ΦNO基本保持不變；而超過(guò)3周后，3個(gè)供試品種的ΦII、qL和最大光能利用效率（Fv/Fm）均有不同程度的下降，降幅為ΦII>qL>Fv/Fm，同時(shí)伴隨著ΦNO的增加。上述結(jié)果表明光能利用效率以上部葉位最高，中部葉位穩(wěn)定，而下部葉位最低且差異較為顯著。而不同葉位相對(duì)電子傳遞速率（rETR）對(duì)生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)研究表明，在苗期上部第一片全展葉的中部葉位光能轉(zhuǎn)化能力最強(qiáng)，可選擇該葉片的中部葉位進(jìn)行葉綠素?zé)晒馓匦詸M向比較。本研究初步明確了不同葉位光能的利用效率及其隨生長(zhǎng)時(shí)間的變化趨勢(shì)，為如何選擇合適的葉位進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈾z測(cè)，進(jìn)而開(kāi)展甘蔗冠層光合潛力的快速評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 甘蔗；葉綠素?zé)晒猓蝗~位；生長(zhǎng)時(shí)間
中圖分類(lèi)號(hào) S314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
Abstract To investigate the light excitation energy allocation characters in photosystem II （PSII） of different leaf position and growth time for three tested sugarcane cultivars（ROC22， ROC16 and GUI LIU 05136），several chlorophyll fluorescence parameters were measured and analyzed by using pot experiments. Results showed that， the quantum efficiency of PSII （ΦII） decreased with the leaf counting from the top downward， for different leaf position in three regions of 4 leaves were in order of the middle， the apical， the basal， but there was no significant difference among cultivars. The down-regulated energy dissipation （ΦNPQ） showed an opposite trend compared with ΦII while the non-light induced energy dissipation （ΦNO） remained stable in different cultivars and leaf position. With leaf growth， the upper leaf position showed a relatively high ΦII and low ΦNPQ while the lower leaf position showed a complicate scenario： the light excitation energy distributed between ΦII and ΦNPQ at the first two weeks with stable ΦNO， but over three weeks， ΦII， qL and Fv/Fm declined with different degree（ΦII>qL>Fv/Fm）accompanied the inclined ΦNO， which implied that the middle leaves remained constant， the upper leaves possess the high light use efficiency（LUE） while the lower leaves had low LUE significantly among different leaf position. The analysis of relative electron transport rate（rETR） in different growth time indicated that the middle of the first fully expanded leaf from the top had the maximum rETR in the same period， thus indicating that this leaf could be chosen for chlorophyll fluorescence parameters comparison and evaluation as functional leaf. The results clarified the light use efficiency distributed among canopy， thus could be used in choosing appropriate leaf position for chlorophyll fluorescence diagnosis and set up the basis for the quick evaluation of the photosynthetic potential of sugarcane canopy.
Key words Sugarcane；Chlorophyll fluorescence；Leaf position；Growth time
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.11.016
甘蔗是中國(guó)最重要的糖料作物，種植面積和總產(chǎn)量居世界第三，但中國(guó)甘蔗的單產(chǎn)較低[1]。中國(guó)甘蔗的植期以春植和秋植為主，氣候變化導(dǎo)致西南華南地區(qū)季節(jié)性干旱頻發(fā)[2]，極大的影響新植蔗出苗率和幼苗的生長(zhǎng)，因此，通過(guò)合理的光合作用指標(biāo)對(duì)甘蔗品種光合潛力及耐旱性進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，是從光能利用角度對(duì)甘蔗進(jìn)行災(zāi)損評(píng)估的基礎(chǔ)性工作，也是篩選高光效甘蔗品種、提高甘蔗產(chǎn)量的重要途徑之一。
光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，其中葉綠素?zé)晒鈪?shù)被廣泛用于檢測(cè)植物光系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況[3-4]。常用的葉綠素?zé)晒鈪?shù)基于對(duì)光系統(tǒng)兩種假設(shè)得出，Puddle-model假設(shè)天線色素和光系統(tǒng)II（PSII）反應(yīng)中心是一一對(duì)應(yīng)的，以此推導(dǎo)出熒光猝滅qP和非光化學(xué)猝滅NPQ[5]；而Lavergne和Trissl等人[6]的研究認(rèn)為天線色素系統(tǒng)作為一個(gè)整體為PSII反應(yīng)中心提供電子，Kramer等人[7]在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出qL及兩個(gè)新的葉綠素?zé)晒鈪?shù)：可調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNPQ）和非調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNO），與PSII量子效率（ΦII）一同描述激發(fā)光能的分配特性。從定義和計(jì)算結(jié)果來(lái)看，ΦPSII等同于由Puddle-model計(jì)算的PSII實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSII）和基于Lake-model計(jì)算的PSII量子效率（ΦII）。對(duì)于包括甘蔗在內(nèi)的C4喜光作物，當(dāng)光合作用處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，PSII光化學(xué)量子產(chǎn)額（ΦPSII）和CO2同化量子產(chǎn)額（ΦCO2*）的比值在一個(gè)相當(dāng)大的光合有效輻射（PAR）（40～2 700 μmol/m2·s）和CO2（30～370 μL/L）變化范圍內(nèi)保持恒定，因作物品種而異[8]。其中ΦPSII由“開(kāi)放”的光反應(yīng)中心捕獲電子的效率（Fm′-Fo′）/Fm′和開(kāi)放的PSII反應(yīng)中心所占的比例 （Fm′-Fs′）/（Fm′-Fo′）共同決定[9]。以上研究表明，通過(guò)葉綠素?zé)晒鈪?shù)估算光合作用是可行的。
前人研究表明，因葉片的光學(xué)和光化學(xué)性質(zhì)不同而導(dǎo)致不同葉位在不同發(fā)育時(shí)間內(nèi)的光合能力有所差異[10]。因此，只有了解不同葉位的葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)發(fā)育時(shí)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，才能選擇合適的葉片進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于葉綠素?zé)晒鈪?shù)的脅迫診斷和光合作用的評(píng)價(jià)。在大宗農(nóng)作物上，選取對(duì)產(chǎn)量形成有絕對(duì)貢獻(xiàn)的功能葉片作為葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究對(duì)象，已得到較為一致的結(jié)論，如在小麥[11]和水稻[12]上均選用旗葉來(lái)研究PSII高溫傷害及生理活性對(duì)干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，在棉花[13]上則選擇對(duì)位葉研究棉鈴干物質(zhì)積累的影響等。而針對(duì)C3作物（棉花[14]、黃瓜[15]、小麥[16]）和C4作物（玉米、高粱）[17]中不同葉位的光合或葉綠素?zé)晒馓匦裕捕加休^為系統(tǒng)的研究。在甘蔗上，雖然楊麗濤等[18]和羅俊等[19]分別針對(duì)糖蔗和能源蔗不同葉位的葉片形態(tài)和光合特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，但尚未對(duì)葉片不同部位和不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)葉綠素?zé)晒馓匦赃M(jìn)行比較分析，因而不能對(duì)甘蔗光合能力進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，相關(guān)研究并未見(jiàn)報(bào)道。
甘蔗是全莖稈收獲作物，不同于棉花的對(duì)位葉和稻麥的旗葉對(duì)產(chǎn)量形成起決定作用，因此任何單一葉片的測(cè)定均不能反映整株光合潛力。本研究通過(guò)對(duì)3個(gè)主栽品種甘蔗苗期不同葉位葉片在不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定分析，明確不同葉位葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)，為利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行光合潛力的快速評(píng)價(jià)，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)甘蔗高光效品種的鑒定與篩選和災(zāi)損評(píng)估奠定一定的理論基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況
對(duì)于試驗(yàn)材料的選擇，由于目前針對(duì)甘蔗葉綠素?zé)晒馓匦匝芯枯^少，在材料選擇方面缺乏參考，為了使研究結(jié)果有較好的代表性，本研究采用3個(gè)主栽品種進(jìn)行試驗(yàn)研究。供試品種為新臺(tái)糖16號(hào)（ROC16）、新臺(tái)糖22號(hào)（ROC22）和桂柳05-136。
試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院湛江實(shí)驗(yàn)站，供試土壤為紅壤土，速效N、P、K和有機(jī)質(zhì)分含量別為65.81 mg/kg、19.26 mg/kg、80.11 mg/kg和21.04 g/kg。栽培方式為桶栽，栽培桶規(guī)格為桶口直徑40 cm、桶底直徑32 cm、桶高40 cm，栽培桶參考大田甘蔗種植距離擺放，擺放密度為6桶/m2，每桶種植種莖3段，每段1個(gè)芽，每個(gè)品種種植25桶。栽培桶置于基地硬化地面上，無(wú)遮陽(yáng)措施。
1.2 方法
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 不同葉位和葉片不同部位的葉綠素?zé)晒馓匦匝芯吭囼?yàn)：于2014年5月12～14日試驗(yàn)，試驗(yàn)期間多云天氣。于甘蔗生長(zhǎng)至六片真葉期，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株作為試驗(yàn)材料，每個(gè)品種3個(gè)重復(fù)，于每日上午8：00～11：00測(cè)試，每天測(cè)試1個(gè)品種，葉位選擇為倒數(shù)第一、二、三、四片全展葉片，分為葉基部、葉中部和葉尖端3部分。
不同葉位葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)試驗(yàn)：于2014年10月8日開(kāi)始，11月5日結(jié)束，試驗(yàn)期間天氣晴朗有時(shí)多云。選擇幼苗長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，針對(duì)不同葉位進(jìn)行定株觀測(cè)，每個(gè)品種3個(gè)重復(fù)，每周測(cè)量1次，葉位選擇為第1～6片真葉的中部葉位，觀測(cè)于每日上午8：00～11：00進(jìn)行。
1.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 采用德國(guó)PAM公司生產(chǎn)的Mini-PAM于每日早8：00進(jìn)行30 min暗適應(yīng)后進(jìn)行暗反應(yīng)參數(shù)的測(cè)定（測(cè)試時(shí)避開(kāi)主葉脈）：首先給出1個(gè)微弱的非光化光，測(cè)量初始熒光（Fo）；接著給出1個(gè)飽和光，測(cè)量最大熒光（Fm）。接著于上午9：00在自然光下進(jìn)行30 min光適應(yīng)，于9：30～11：00使用光葉夾補(bǔ)充人工光源測(cè)量光化光下（強(qiáng)度約為290 μmol/m2·s）光反應(yīng)參數(shù)：光化光控制時(shí)間為90 s，測(cè)定穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）；接著給出1個(gè)飽和光，測(cè)定穩(wěn)態(tài)最大熒光（Fm′）。試驗(yàn)一和試驗(yàn)二測(cè)量時(shí)刻溫度變化范圍分別為31～34 ℃和27～29 ℃，光合有效輻射（PAR）范圍為285～295 μmol/m2·s。根據(jù)Kramaer[7]公式計(jì)算出基于Lake-model的葉綠素?zé)晒鈪?shù)： PSII量子效率ΦI= （Fm′-Fs）/Fm； 光化學(xué)猝滅qL=（Fo′/Fs）（Fm′-Fs）/（Fm′-Fo′）； 非調(diào)節(jié)性能量耗散ΦNO=1/[NPQ+1+qL（Fm/Fo-1）]， 其中NPQ（Fm/Fm′-1）為非光化學(xué)猝滅； 可調(diào)節(jié)性能量耗散ΦNPQ=1-ΦII-ΦNO；相對(duì)電子傳遞速率rETR=PAR×0.84×0.5×ΦII。其中， 0.84為經(jīng)驗(yàn)性吸光系數(shù)， 0.5為假設(shè)天線色素吸收的光能被兩個(gè)光系統(tǒng)平均分配[20]。最大光能利用效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm；穩(wěn)態(tài)最小熒光根據(jù)Oxborough和Baker[21]的公式計(jì)算得出Fo′=Fo/[（Fv/Fm）+（Fo/Fm′）]。
1.3 數(shù)據(jù)處理
采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件中Duncan多重比較分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 光系統(tǒng)實(shí)際光化學(xué)效率在品種間、葉位間和葉片不同部位間的變化
2.1.1 相同品種和葉位葉片不同部位ΦII的變化 ΦII反映限定光強(qiáng)下PSII的量子效率，可用來(lái)衡量PSII實(shí)際光化學(xué)效率[3]。對(duì)不同葉片部位的ΦII的分析表明，除了ROC16倒二葉的葉尖端大于葉中部（但并無(wú)顯著差異）之外，3個(gè)供試品種不同葉位的葉片均表現(xiàn)為葉中部>葉基部>葉尖端。ROC22除倒四葉之外的葉片差異不顯著；ROC16葉基部與另外兩個(gè)部位差異顯著；桂柳05136則表現(xiàn)出各部位間倒三和倒四葉差異較為顯著。ROC16葉基部的ΦII是3個(gè)品種中最低的，而葉尖端的ΦII則是3個(gè)品種中最高的（圖1）。
2.1.2 相同葉位和葉片部位不同品種ΦII的變化 對(duì)相同葉位和葉片部位不同品種間的ΦII分析結(jié)果表明，3個(gè)供試品種之間的差異均表現(xiàn)為不顯著（圖2）。
2.1.3 相同品種和葉片部位不同葉位ΦII的變化 對(duì)各個(gè)供試品種葉片相同部位不同葉位的ΦII進(jìn)行比較，結(jié)果顯示3個(gè)供試品種不同葉位間基本隨著倒數(shù)葉位的增加而減小。對(duì)于ROC22的葉基部和葉中部，倒四葉與其他3片葉差異顯著，葉尖端4個(gè)葉位差異不顯著；ROC16葉基部和葉中部不同葉位間差異不顯著，葉尖端表現(xiàn)為倒一倒二葉大于倒三倒四葉；桂柳05136則表現(xiàn)出中部葉位的倒四葉與其他3片差異顯著，葉基部4個(gè)葉位無(wú)顯著差異，葉尖端倒三葉和倒四葉顯著下降（圖3）。
2.1.4 ΦII在品種間、葉位間和葉片不同部位間的變化 對(duì)品種、葉片部位、葉位的差異顯著性分析表明，3個(gè)供試品種間差異不顯著；葉片部位表現(xiàn)為葉中部>葉尖端>葉基部，差異顯著；葉位表現(xiàn)為倒一>倒二>倒三>倒四，倒一倒二葉與倒三倒四葉之間差異顯著（圖4）。
2.2 光系統(tǒng)能量耗散在品種間、葉位間和葉片不同部位間的變化
光系統(tǒng)對(duì)能量耗散的水平可以反映植物光保護(hù)能力的強(qiáng)弱，葉綠素?zé)晒鈪?shù)中非光化學(xué)猝滅是反映這一水平的指標(biāo)。基于Lake-model計(jì)算出的非光化學(xué)猝滅分為反映光系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)性的能量耗散部分（ΦNPQ）和其他非光化學(xué)猝滅途徑不可調(diào)節(jié)的能量耗散部分（ΦNO）[7]。研究表明，對(duì)于ROC22和桂柳05136，ΦNPQ的總體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著倒數(shù)葉位的增加而遞增，葉片部位間變化為葉基部>葉尖端>葉中部；而ROC16不同葉位的ΦNPQ則相對(duì)穩(wěn)定，且葉片不同部位間仍以葉基部能量耗散水平最強(qiáng)，葉尖端>葉中部（倒三葉除外）。除桂柳05136的倒四葉、ROC22的倒一和倒四葉之外，ΦNO在各個(gè)葉片部位之間的差異不顯著，且隨著葉位的遞增并無(wú)明顯變化（圖5）。相同葉位和葉片部位，不同品種之間ΦNPQ和ΦNO均表現(xiàn)為差異不顯著（數(shù)據(jù)未列出）。
2.3 不同葉位葉綠素?zé)晒馓匦詫?duì)不同生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)
通過(guò)不同葉位和葉片不同部位的葉綠素?zé)晒馓匦匝芯吭囼?yàn)，表明葉綠素?zé)晒鈪?shù)在品種間、葉片部位間和葉位間的差異以葉片部位間最顯著，其中葉片中部實(shí)際光化學(xué)效率最高，而葉綠素?zé)晒鈪?shù)在3個(gè)供試品種間的變化規(guī)律趨于一致，且差異不顯著。因此，在葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)試驗(yàn)中，選取3個(gè)品種中部葉位共9張葉片的平均值做比較分析。
基于Lake-model計(jì)算的PSII量子效率（ΦII）、可調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNPQ）和非調(diào)節(jié)性能量耗散（ΦNO）共同描述PSII中激發(fā)能分配特性（ΦII+ΦNPQ+ΦNO=1）[7]。結(jié)果表明：ΦII隨著正數(shù)葉位的增加呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，以觀測(cè)葉片的倒二葉（即葉鞘完全展開(kāi)的倒一葉）最大；正一葉和正二葉的ΦII隨著時(shí)間的推移而遞減，正三葉基本維持恒定，正四葉和正五葉則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（正四葉由10月29日至11月5日略有下降）。
ΦNPQ則剛好表現(xiàn)出與ΦII完全相反的變化趨勢(shì)；除正一葉和正二葉的ΦNO分別在10月29日和11月5日略有增加，其余葉位的的ΦNO在不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)并無(wú)顯著變化。正一葉和正二葉在展葉初的2周ΦNPQ的上升彌補(bǔ)了ΦII的下降，但是隨著時(shí)間的持續(xù)推移ΦNO逐漸上升；3周后的正一葉和正二葉的ΦII分別降了9.8%和8.1%，ΦNPQ和ΦNO則分別增加7.8%、6.2%和1.9%、2%。正三葉到正六葉則保持相對(duì)較高的ΦII和較低的ΦNPQ，而ΦNO則基本保持不變（表1）。
基于Lake-model計(jì)算出的光化學(xué)猝滅qL描述處于開(kāi)放狀態(tài)的PSII反應(yīng)中心所站比例[7]，F(xiàn)v/Fm用來(lái)衡量PSII潛在最大光能利用效率[3]。qL和Fv/Fm的變化趨勢(shì)均與ΦII趨于一致，但是變化幅度為ΦII>qL>Fv/Fm（以正一葉為例，ΦII、qL和Fv/Fm分別下降了9.8%、4.9%和3.4%）。以上結(jié)果說(shuō)明，上部葉片具備較高的實(shí)際光化學(xué)效率，而下部葉片則表現(xiàn)為實(shí)際光化學(xué)效率下降，同時(shí)伴隨著能量耗散的增加，表明植株葉片是通過(guò)增加能量耗散和降低PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放程度來(lái)防止多余的光能造成的損傷。
2.4 3個(gè)品種不同葉位線性電子傳遞速率的動(dòng)態(tài)變化
rETR用來(lái)描述PSII中線性電子傳遞速率，即PSII在額定光強(qiáng)下的單位量子產(chǎn)額，反映PSII光能轉(zhuǎn)化能力[3]。對(duì)葉片中部位點(diǎn)的rETR在不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的研究表明，3個(gè)供試品種的正一葉和正二葉均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且正一葉下降幅度大于正二葉；正三葉的rETR較為穩(wěn)定；正四葉和正五葉分別表現(xiàn)為先上升后下降和上升趨勢(shì)。對(duì)于每次測(cè)量rETR的最大值出現(xiàn)在測(cè)量當(dāng)天的倒數(shù)第二葉位，而此時(shí)的倒數(shù)第一葉位為新發(fā)出葉片，葉鞘并未完全展開(kāi)（圖6）。因此，最上部的全展葉的中部葉位具備最大的的相對(duì)電子傳遞速率，代表植株最大光能轉(zhuǎn)化能力，可選做進(jìn)行葉綠素?zé)晒馓匦蜋M向比較的葉位。
3 討論
3.1 葉位對(duì)不同甘蔗品種葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
C4植物光合碳同化途徑從光系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)和生化功能角度進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整（如利用蘋(píng)果酸循環(huán)濃縮可利用的CO2，消除加氧反應(yīng)以降低光呼吸），補(bǔ)充完善C3途徑，以應(yīng)對(duì)強(qiáng)光、高溫和干旱的氣候條件[22]。在成熟的C4葉片中，消除加氧反應(yīng)使得CO2同化成為線性電子流的主要去路，在很大的光強(qiáng)范圍內(nèi)，PSII實(shí)際光化學(xué)效率和CO2同化速率線性相關(guān)[23]。甘蔗品種的選擇需要同時(shí)考慮高光效和適應(yīng)性，ROC16和ROC22從定植至伸長(zhǎng)初期光合速率并無(wú)顯著差異[24]，這與本研究得出的ΦII在品種間差異不顯著的結(jié)論相吻合，且桂柳05136在苗期的光合活性與兩個(gè)ROC品種處于同等水平。而引種試驗(yàn)報(bào)告表明，ROC22和ROC16的產(chǎn)量和蔗糖分分別為99.63 t/hm2、90.66 t/hm2和14.15%、14.49%[25]。這說(shuō)明3個(gè)主栽品種在經(jīng)濟(jì)性狀上的差異并非葉片光合潛力的影響造成的，而是可能與干物質(zhì)分配和品種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等因素有關(guān)。
王燕鵬等人[26]對(duì)玉米C4光合葉不同部位解剖結(jié)構(gòu)和光抑制特性的比較分析認(rèn)為，維管束鞘和細(xì)胞葉綠體數(shù)量、光合速率及光抑制的恢復(fù)能力均表現(xiàn)為中部>頂部>基部，我們的試驗(yàn)結(jié)果表明ΦII對(duì)葉位的響應(yīng)總體表現(xiàn)為葉中部>葉尖端>葉基部，這與王燕鵬等[26]的研究趨于一致。但是對(duì)于3個(gè)甘蔗供試品種，ROC22相同葉位不同葉片部位間差異不顯著，而對(duì)于ROC16和桂柳05136，個(gè)別葉位出現(xiàn)葉尖端與中部葉位持平或大于中部葉位的現(xiàn)象，這可能是由于相對(duì)玉米葉片，甘蔗葉片短、窄、直挺的甘蔗基因型冠層輻射特征參數(shù)大（包括中下部葉位），有利于光能的吸收和利用[27]。
PSII轉(zhuǎn)化的能量除了供給電子傳遞之外，還用于進(jìn)行能量耗散。對(duì)玉米光合葉的研究表明，葉綠素a/b的含量隨著距葉耳距離的增加而減小，且葉基部最易發(fā)生光抑制現(xiàn)象且修復(fù)能力差[28]，這也解釋了本研究得出的ΦNPQ表現(xiàn)為葉基部最大的結(jié)論。同時(shí)，雖然玉米葉片不同部位葉綠素含量差異顯著，但是正常光照條件下，相同位點(diǎn)PSII最大光化學(xué)效率之間并無(wú)顯著差異[26]，這說(shuō)明葉片不同位點(diǎn)葉綠素中PSII均保持完好的功能。而安東升等人[29]對(duì)基于Lake-model的葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究進(jìn)一步表明，甘蔗葉片PSII處于正常狀態(tài)和對(duì)脅迫的應(yīng)激反應(yīng)狀態(tài)時(shí)，在不同光溫背景下ΦNO會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定，ΦNPQ與ΦII剛好呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，這同樣可以解釋本研究中ΦNO在不同品種葉位和不同的葉片部位間差異總體上差異并不顯著，而ΦNPQ與ΦII剛好呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)的原因。
3.2 生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)不同葉位葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
對(duì)玉米和高粱不同葉位SPAD的研究表明，隨著發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)，下部葉位SPAD的值呈遞減趨勢(shì)，中部葉位則表現(xiàn)為先上升后下降，而上部葉位則出現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是由于不同葉片由于生長(zhǎng)發(fā)育的先后順序不同所致[30]。本研究對(duì)于苗期生長(zhǎng)時(shí)間不同葉位相對(duì)電子傳遞速率變化的研究表明，正一葉和正二葉的rETR呈下降趨勢(shì)，正三葉和正四葉基本呈先上升后下降的趨勢(shì)，正五葉呈上升趨勢(shì)。這與前人對(duì)不同葉位SPAD隨發(fā)育進(jìn)程的演變相一致，即不同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，葉片傳遞電子能力的大小與不同葉位的葉綠素含量有關(guān)[30]。且對(duì)于正一葉和正二葉在展葉一周至兩周，葉片中入射光的能量分配在ΦII和ΦNPQ之間進(jìn)行；而第三周后，ΦNO開(kāi)始逐漸上升，并伴隨著qL和Fv/Fm用的下降。其中qL的變化幅度小于ΦII的變化幅度，說(shuō)明在限定光強(qiáng)下上部葉位的PSII仍能維持較高的開(kāi)放程度，而此時(shí)中下部葉位表現(xiàn)出的非調(diào)節(jié)性能量耗散增加和潛在最大光能利用效率降低的現(xiàn)象，可能是由于N素的再分配而導(dǎo)致的葉綠素含量的降低，從而引起的光抑制現(xiàn)象所致。
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