春季楊樹葉片發(fā)育過程的研究*

宋玉光　馬宗琪　董　蔚　楊發(fā)斌　楊曉剛　邱念偉

（曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院野生動(dòng)植物保護(hù)與利用重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山東　曲阜　273165）

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春季楊樹葉片發(fā)育過程的研究*

宋玉光馬宗琪董蔚楊發(fā)斌楊曉剛邱念偉**

（曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院野生動(dòng)植物保護(hù)與利用重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山東曲阜273165）

摘要：楊樹葉片發(fā)育從葉片大小（用葉面積表示）上看，其生長(zhǎng)呈現(xiàn)出典型的“S”形曲線，在5月初葉面積達(dá)到最大；新生葉剛展開時(shí)葉綠素和類胡蘿卜素就已開始合成，在5月底達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的最大值；可溶性蛋白在葉片發(fā)育早期便達(dá)到成熟葉片水平。楊樹葉片的PSII最大光化學(xué)效率、光能吸收和傳遞效率、質(zhì)體醌庫(kù)大小和反應(yīng)中心數(shù)目等在4月底逐步趨于穩(wěn)定，說明此時(shí)楊樹葉片光系統(tǒng)已發(fā)育完善。熒光參數(shù)中性能指數(shù)PI在葉片成熟過程中變化最為靈敏，可以作為量化楊樹葉片成熟度的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：楊樹；葉片；發(fā)育；葉綠素?zé)晒?/p>

*國(guó)家自然科學(xué)基金（31300220，31501328）；曲阜師范大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室開放基金（SK201501，Jp2015018，sj201409）資助

楊樹是我國(guó)最為著名的速生用材林和綠化樹種，長(zhǎng)期以來關(guān)于楊樹的研究主要集中在速生品種選育、品質(zhì)與抗性改良、基因資源挖掘等方面［3］，其葉片發(fā)育過程中的生理功能變化鮮有報(bào)道。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是檢測(cè)葉片光合功能的快速、靈敏、無損傷的探針，可以靈敏檢測(cè)激發(fā)能的傳遞、光系統(tǒng)Ⅱ（PhotosystemⅡ，PSⅡ）原初光化學(xué)反應(yīng)、PSⅡ供體側(cè)及受體側(cè)的電子傳遞及光合效率等光合信息，為研究楊樹葉片發(fā)育過程中光合功能的變化提供了新方法［1-2］。本文首次利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)對(duì)楊樹葉片發(fā)育過程進(jìn)行了檢測(cè)，并結(jié)合葉面積、蛋白質(zhì)含量和光合色素含量等生理指標(biāo)，系統(tǒng)揭示了楊樹葉片的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

植物材料為曲阜師范大學(xué)校園內(nèi)（35°36′N，116°58′E，海拔60.5m）生長(zhǎng)健壯、樹齡在10年左右的毛白楊（Populus tomentosa）朝陽(yáng)部分。從4月2日幼葉剛展開時(shí)開始收集樣本進(jìn)行測(cè)定，每隔5天取樣1次，截止到5月2日（葉綠素和類胡蘿卜素的測(cè)定取樣延長(zhǎng)至5月31日，從5月2日以后每10天取樣次）。每早晨8點(diǎn)摘取1年生枝條上的最大葉片，用濕紗布包裹，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其葉面積、葉綠素含量、類胡蘿卜素含量和蛋白質(zhì)含量，晚上8點(diǎn)充分暗適應(yīng)后，活體測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。葉片采自同一顆楊樹的下部枝條。

1.2葉面積的測(cè)定

楊樹葉片的葉面積用Li-3000A型葉面積儀（美國(guó)LI-COR）測(cè)定，每次采樣測(cè)定5個(gè)重復(fù)。

1.3葉綠素、類胡蘿卜素含量測(cè)定

取樣后，用打孔器打取3個(gè)葉圓片，切成0.1mm寬的細(xì)絲，用80％丙酮浸泡提取葉綠素和類胡蘿卜素，具體測(cè)定步驟參照張秀君等2011年的方法［3］。

1.4葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定與解析

晚上楊樹葉片充分暗適應(yīng)后，用植物效率分析儀（Handy PEA；Hansatech Instrument Ltd.，UK）活體測(cè)定不同時(shí)期葉片的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)。測(cè)定光源的波長(zhǎng)為650nm，光照強(qiáng)度為3000μmol·m-2·s-1，光束聚集在直徑為4mm2的葉片夾測(cè)試孔上，熒光信號(hào)的記錄時(shí)程為1s，每個(gè)時(shí)期的葉片測(cè)定10個(gè)重復(fù)。利用專業(yè)軟件可解析出以下熒光參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)化面積（Sm=Area/Fv），該參數(shù)與質(zhì)體醌庫(kù)的大小成正比；PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）；單位激發(fā)態(tài)面積被反應(yīng)中心捕獲的能量（TRo/CSo）；單位激發(fā)態(tài)面積吸收的能量（ABS/CSo）；單位激發(fā)態(tài)面積的反應(yīng)中心密度（RC/CSo）；單位激發(fā)態(tài)面積用于電子傳遞的能量比例（ETo/CSo）；單位激發(fā)態(tài)面積以熱能形式耗散的能量比例（DIo/CSo）；葉片的綜合性能指數(shù)（PI）。

1.5可溶性蛋白含量測(cè)定

葉片可溶性蛋白含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G250染色法，以牛血清白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)蛋白，每個(gè)時(shí)期的樣品做5個(gè)重復(fù)，具體步驟參照邱念偉等2013年的方法［4］。

2結(jié)果與分析

2.1楊樹葉片發(fā)育過程中葉面積的變化

4月份楊樹葉片生長(zhǎng)較快，葉面積的變化規(guī)律呈典型的“S”型，即早期（4月2日前后）生長(zhǎng)較慢；隨后進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期（4月7日～4月22日），葉面積成倍增大；最后階段（4月27日～5月2日）葉面積達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定（圖1）。從每5天葉面積增大倍數(shù)上看，4月2日～12日的增大倍數(shù)最大，分別增大了2.53倍和2.41倍，之后依次為1.86、1.57、1.06和1.01倍，4月22日后葉面積趨于穩(wěn)定，楊樹葉片葉面積的增大大約只需要3周（4月2日至4月22日）。

圖1　楊樹葉片發(fā)育過程中葉面積的變化規(guī)律

2.2楊樹葉片發(fā)育過程中光合色素含量的變化

植物的光合色素主要有葉綠素和類胡蘿卜素兩類，通過測(cè)定整個(gè)葉片發(fā)育過程中兩種色素的含量發(fā)現(xiàn)，楊樹葉片在4月2日剛展開時(shí)已合成了少量葉綠素和類胡蘿卜素，隨后兩者的含量均逐漸增高，到5月底時(shí)均達(dá)到最高值，并仍有微弱的增大趨勢(shì)（圖2）。從兩者的整體增長(zhǎng)速率來看，葉綠素的增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于類胡蘿卜素，在葉片發(fā)育早期（4月2日至4月17日），葉綠素和類胡蘿卜素的增長(zhǎng)速率相似，但從4月17日開始，葉綠素的增長(zhǎng)速率則明顯快于類胡蘿卜素，5月22日以后兩者的增長(zhǎng)速率明顯變緩（圖2）。從葉綠素和類胡蘿卜素的含量上分析，無論初始含量還是最終含量，葉綠素均明顯高于類胡蘿卜素，為類胡蘿卜素的1.5～3.8倍；隨著葉片成熟，二者的比例逐漸增大，如葉片剛展開時(shí)葉綠素含量約為1.31mg/dm2，而類胡蘿卜素含量約為0.82mg/dm2；葉片發(fā)育成熟以后葉綠素含量達(dá)到8.34mg/dm2，而類胡蘿卜素含量?jī)H為2.25mg/dm2。

圖2　春季楊樹葉片光合色素含量的變化規(guī)律

2.3楊樹葉片發(fā)育過程中可溶性蛋白的變化

可溶性蛋白質(zhì)含量是反映葉片活力的常用生化參數(shù)。通過測(cè)定楊樹葉片中可溶性蛋白含量發(fā)現(xiàn)，在楊樹葉片發(fā)育過程的前期階段（4月2日～12日），其可溶性蛋白含量快速增多，從最初的2.96mg/gFW增加到4.14mg/gFW。隨后其含量緩慢增大，并很快趨于穩(wěn)定，最終增大至約4.3mg/gFW（圖3）。表明在葉片發(fā)育過程中需要大量蛋白質(zhì)的參與，在葉片發(fā)育早期就需要大量合成蛋白質(zhì)。

圖3　春季楊樹葉片可溶性蛋白含量的變化規(guī)律

2.4楊樹葉片發(fā)育過程中光合功能的變化

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)不僅能夠測(cè)定葉片的光合活力，也能探測(cè)葉片光合結(jié)構(gòu)和光合效率的變化，是研究葉片功能的高新技術(shù)。由表1可知，楊樹葉片的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）在葉片展開后便快速增大，在4月17日時(shí)已經(jīng)接近成熟葉片（所有高等植物的成熟健康葉片的Fv/Fm值均在0.830左右），說明此時(shí)PSII的結(jié)構(gòu)已經(jīng)比較完善，葉片質(zhì)體醌庫(kù)的大小（Sm）隨著葉片的發(fā)育也呈逐漸增大趨勢(shì)，說明楊樹葉片的電子傳遞能力在逐漸增強(qiáng)；單位激發(fā)態(tài)面積的光能吸收和利用效率參數(shù)（ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo）結(jié)果顯示，從4月12日開始楊樹葉片的光合效率逐漸趨于穩(wěn)定；單位激發(fā)態(tài)橫切面的熱能耗散比例（DIo/CSo）隨葉片的成熟稍有波動(dòng)，但從4月7日開始便趨于相對(duì)穩(wěn)定；葉片的綜合性能指數(shù)（PI）是楊樹葉片發(fā)育過程中變化最為敏感的，隨著葉片的發(fā)育成熟呈逐漸增大趨勢(shì)，在5月2日時(shí)達(dá)到最大值，說明此時(shí)楊樹葉片的光合系統(tǒng)已基本完善。

表1　春季楊樹葉片光合功能變化規(guī)律

3討論

3.1楊樹春季葉片的發(fā)育是其后續(xù)一切發(fā)育的基礎(chǔ)，從其葉面積的測(cè)量數(shù)據(jù)來看，楊樹萌發(fā)的幼葉發(fā)育為成熟葉片僅需3周的時(shí)間，發(fā)育過程中葉面積的變化呈現(xiàn)出典型的“S”形曲線，這與我們前期測(cè)量的楊樹葉片發(fā)育模式一致［10］。楊樹葉片剛剛從葉芽萌發(fā)時(shí)（4月2日的葉片），其葉面積僅為成熟葉片的4.8％，但其葉綠素、類胡蘿卜素以及質(zhì)體醌庫(kù)大小已經(jīng)分別達(dá)到成熟葉片的15.6％、36.4％和43.0％，說明此時(shí)已經(jīng)具備了一定的光合能力，另外在葉片發(fā)育最初的5天內(nèi)（4月2日～7日），其光能吸收和利用效率的相關(guān)參數(shù)（ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo）均快速增長(zhǎng)并達(dá)到接近成熟葉片的水平，表明在葉片發(fā)育初期，其主要任務(wù)是盡快的建立成熟的光合系統(tǒng)，進(jìn)行光合作用，為葉片后續(xù)的發(fā)育提供物質(zhì)和能量，這與其他物種葉片的發(fā)育模式是一致的［5］。在各個(gè)葉綠素?zé)晒鈪?shù)中，單位激發(fā)態(tài)面積以熱能形式耗散的能量比例（DIo/CSo）的變化比較特殊，在葉片發(fā)育前期其數(shù)值相對(duì)較低，而發(fā)育后期則逐漸升高，而后又稍有下降。推測(cè)這是由于葉片發(fā)育早期其吸收的光能較少，因此熱耗散較少；而前半期光合系統(tǒng)還未完全成熟，吸收光能中用于光合作用的比例較低，以熱能形式耗散的比例較大［6］；后期葉片光合功能完善，光合效率升高，熱耗散反而又有所下降。4月22日時(shí)，楊樹葉片的PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）已接近成熟葉片的正常值，此時(shí)PSII的結(jié)構(gòu)已完整構(gòu)建，且PSII反應(yīng)中心的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到成熟葉片的95.7％，此時(shí)光合效率顯著提高，DIo/CSo迅速下降。熒光參數(shù)中葉片綜合性能指數(shù)（PI）變化最為靈敏，4月7日至5月2日的PI值分別為4月2日的1.32、1.56、1.88、1.96、2.00、2.10倍，已有文獻(xiàn)證明PI與植物的光合速率呈正比［7］，因此可用PI來量化楊樹葉片的發(fā)育成熟程度。

3.2在4月22日時(shí)，楊樹的葉面積便接近成熟葉片，但其葉綠素含量?jī)H為成熟葉片的50％，其葉片擴(kuò)展速度遠(yuǎn)快于葉綠素、類胡蘿卜素的增長(zhǎng)速度。由于植物體內(nèi)葉綠素、類胡蘿卜素的合成受到了溫度和光照強(qiáng)度的嚴(yán)格調(diào)控，且兩種色素的合成非常復(fù)雜，整個(gè)生物合成過程需要十幾步反應(yīng)以及幾十種酶的參與才能完成［8］，所以隨著光照強(qiáng)度和溫度的升高，葉片內(nèi)的葉綠素和類胡蘿卜素的合成才逐漸達(dá)到最高水平。

3.3葉片可溶性蛋白含量測(cè)定結(jié)果顯示，在楊樹葉片剛剛露出葉芽時(shí)其內(nèi)部的可溶性蛋白含量就比較高，說明楊樹嫩葉代謝比較旺盛。隨著葉片的繼續(xù)發(fā)育，在15天后便接近成熟葉片的含量。由于可溶性蛋白還是植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗逆保護(hù)物質(zhì)，其含量的快速增大和積累能提高細(xì)胞的保水能力和抗冷能力，是植物抗寒性的重要指標(biāo)之一［9-10］。因此推測(cè)在葉片發(fā)育早期，由于氣溫還普遍偏低，楊樹葉片中可溶性蛋白的快速積累除了為促進(jìn)幼葉的代謝活動(dòng)外，還具有保護(hù)葉片不會(huì)受到冷凍傷害的功能。

參考文獻(xiàn)

［1］陳蓮花，劉雷.葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在藻類光合作用中的應(yīng)用［J］.江西科學(xué)，2007，25（6）：788-790.

［2］李鵬民，高輝遠(yuǎn)，Strasse RJ.快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)分析在光合作用研究中的應(yīng)用［J］.植物生理學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31（6）：559-566.

［3］張秀君，孫錢錢，喬雙，等.菠菜葉綠素提取方法的比較研究［J］.作物雜志，2011（3）：57-60.

［4］邱念偉，周峰，王穎，等.松樹與楊樹葉片葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)特征比較［J］.林業(yè)科學(xué)，2013，49（3）：136-143.

［5］Koehn AC，Roberds JH，Doudrick RL.Variation among slash pine families in chlorophyll fluorescence traits［J］.Canadian Journal of Forest Research，2003，33（6）：1102-1109.

［6］楊翠翠，彭帥，李爽，等.銀杏葉片發(fā)育過程中葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)的特征研究［J］.林業(yè)科技，2013，38（3）：9-11.

［7］邱念偉，周峰，顧祝軍，等.5種松屬樹種光合功能及葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)特征比較［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，23（5）：1181-1187.

［8］王平榮，張帆濤，高家旭，等.高等植物葉綠素生物合成的研究進(jìn)展［J］.西北植物學(xué)報(bào)，2009（29）：629-636.

［9］何云，李賢偉，李西，等.2種野生巖生植物葉片可溶性蛋白含量對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（18）：7552-7553.

［10］王學(xué)順，孫一丹，黃安民.木材紅外光譜的樹種識(shí)別研究［J］.2015，31（6）：65-70.

（責(zé)任編輯：張亞楠）

Study on the Development Process of Populus tomentosa Leaf in Spring

SONGYuguang
（College of Life Science，Qufu Normal University，Shandong Qufu 115200）

AbstractPopulus tomentosa is the species which are widely distribute d，adaptable and often used as fast growing timber and urban afforestation.To acquire more information about Populus tomentosa's growth rule，the development process of its leaves were observed systematically.Looking from the size of leaf（expressed in leaf area），the growth curve of Populus tomentosa leaf clearly show a“S”shape，and leaf area reached a maximum size in early May.At last reached the relatively stable maximum content at the end of May.The accumulation of soluble protein in young leaves was very fast，then quickly reached the content of mature leaves.Performance index of plants（PI）is the most sensitive parameter among all the fluorescence parameters，which can be used to quantize photosynthetic function of Populus tomentosa leaf during the development process.

Key wordsPopulus tomentosa；Leaf；Development；Photosynthesis

中圖分類號(hào)：S792.11，S718.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9499（2016）03-0020-04

作者簡(jiǎn)介：第1宋玉光（1983-），男，講師，研究方向：表觀遺傳與植物的逆境脅迫響應(yīng)。

收稿日期：2016-02-11