溫度對木薯葉片葉綠素熒光及Rubisco酶的影響

張振文，林立銘，余厚美，李開綿，陳松筆

(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院 熱帶作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)部木薯種質(zhì)資源保護與利用重點實驗室/國家薯類加工技術(shù)研發(fā)分中心，海南 儋州 571737)

溫度對木薯葉片葉綠素熒光及Rubisco酶的影響

張振文，林立銘，余厚美，李開綿，陳松筆*

(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院 熱帶作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)部木薯種質(zhì)資源保護與利用重點實驗室/國家薯類加工技術(shù)研發(fā)分中心，海南 儋州 571737)

木薯；葉片；葉綠素熒光；溫度；Rubisco

光合生理是淀粉積累和產(chǎn)量形成的生物學基礎(chǔ)，其生理生態(tài)過程一直是植物應用基礎(chǔ)研究的一個重要領(lǐng)域。隨著新型的葉綠素熒光動力學技術(shù)的發(fā)展和應用，這種快速、無損傷、能較好地反映植物葉片光合功能的技術(shù)，已經(jīng)成為研究植物葉片光合生理過程的重要技術(shù)手段，在植物葉片光合生理和抗逆性研究中得到廣泛的應用[1-4]。植物葉綠色熒光絕大部分是由光合系統(tǒng)Ⅱ天線葉綠素a發(fā)出的，與光合作用過程的各個步驟密切偶聯(lián)，任何一步的變化都會影響到光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)，從而引起熒光變化，進而反映了光合作用過程的變化，是光合作用的有效探針[5]。研究表明，熒光參數(shù)與溫度關(guān)系密切，在低溫脅迫下木薯葉片葉綠素含量和熒光參數(shù)出現(xiàn)不同程度的差異[6-8]，且不同品種間存在顯著性差異[9]，同時誘導葉綠素熒光還可以有效地降低葉片花葉病發(fā)病程度[10]。同樣，作為木薯葉光合作用中關(guān)鍵酶之一的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)，其活性和表達量也受溫度的影響，與凈光合速率基本保持一致[11]，但在高溫脅迫下不同品種間的葉片葉綠素熒光參數(shù)和光合系統(tǒng)中所需Rubisco的表達情況如何，尚不清楚。

為此，本文以木薯盆栽苗為研究對象，探討了葉片葉綠素熒光在不同溫度條件下的變化，分析不同品種在不同溫度下其光合生理和Rubisco酶表達情況，有利于了解木薯苗期葉片對溫度的耐受能力，為木薯高產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料來源于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶作物品種資源研究所木薯種質(zhì)資源圃保存的3個品種，分別是華南5(ManihotesculentaCrantz. cv. M. South China 205，SC205)、華南8號(ManihotesculentaCrantz. cv. M. South China 8，SC8)和從泰國引進的KU50，以及從國際熱帶農(nóng)業(yè)中心(CIAT)引進的野生木薯(ManihotglazioviiMueller von Argau，Wild)。

1.2 實驗方法

Fv=Fm-F0

1.2.2 蛋白質(zhì)印跡 塊根總蛋白提取參考莊盈婷[12]的丙酮沉淀法，抗體使用試劑盒(Agrisera公司生產(chǎn))。

1.3 統(tǒng)計與分析

采用Sigmaplot 11.0軟件制作圖表，利用Gel-Pro Analyzer 4.0分析蛋白質(zhì)印跡，并利用SAS 8.1軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光化學量子效率

圖1 不同木薯品種最大光量子產(chǎn)量比較

然而，從實際光化學量子效率PhiPS2(ΦPSⅡ)來看，KU50和Wild在不同溫度條件下，其PhiPS2均顯著高于栽培中的SC205和SC8(圖2)，且達到極顯著差異(表1)，可見國內(nèi)主要栽培品種SC205和SC8的實際光能利用率不高，遠低于KU50和Wild。此外，在25 ℃條件下，SC205和SC8葉片的PhiPS2極顯著高于其他溫度條件，說明25 ℃是該品種木薯苗期葉片光合作用較為適應的溫度，適應我國木薯種植地的氣溫條件。

表1 不同品種木薯苗期葉片熒光參數(shù)方差分析

表2 不同溫度木薯苗期葉片熒光參數(shù)方差分析

圖2 不同木薯品種實際光量子產(chǎn)量比較

2.2 光化學淬滅系數(shù)

光化學淬滅(qP)反映PSⅡ天線色素分子吸收光能后，用于光化學電子傳遞的份額，因此也反映了色素天線吸收的光能用于光合電子傳遞的變化，由光合作用引起的熒光淬滅，反映了光合活性的高低[14]；同時，qP也反映PhiPS2初級電子受體(QA)氧化還原狀態(tài)的變化。要保持高的光化學淬滅，就要使PSⅡ反應中心處于開放狀態(tài)。本研究發(fā)現(xiàn)，qP在KU50和Wild的葉片中極顯著高于SC205和SC8(圖3-A)，與PhiPS2的變化基本一致，且不同溫度條件下qP差異不顯著，說明KU50和Wild對環(huán)境適應性較強。SC205和SC8這2個品種卻在25 ℃時才表現(xiàn)出較高的光化學活性，并在45 ℃時達到最低水平(圖3-A)，說明高溫對這2個品種苗期葉片光合十分不利，處于光抑制狀態(tài)。

在非光化學猝滅(NPQ)系數(shù)中，NPQ反映了由于內(nèi)囊體膜內(nèi)基質(zhì)酸化而引起的內(nèi)囊體膜能化的能量耗散，能量耗散主要發(fā)生在天線色素上，跨類囊體膜質(zhì)子梯度的形成是引起NPQ變化的必要條件，反映了植物過剩光能。本研究發(fā)現(xiàn)，25 ℃下，葉片剩余的光能較多，而45 ℃時相對較少，說明葉片吸收后的光能未能被充分利用，其中KU50和Wild葉片的NPQ在不同溫度條件下均極顯著高于SC205和SC8(圖3-B，表1)，說明這2個品種的光補償點低于常規(guī)栽培品種SC205和SC8。

圖3 光化學和非光化學淬滅系數(shù)

2.3 Rubisco差異表達分析

一直以來，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是探討作物光合機理的重要限速酶，存在于葉綠體基質(zhì)中，是C3植物光合作用的關(guān)鍵羧化酶，催化CO2固定和參與光呼吸。研究表明：增強Rubisco酶活力是提高光合作用的重要途徑，而環(huán)境溫度是影響其活化狀態(tài)的主要原因[15]。木薯是一種高光效的熱帶作物，含有一定的量Rubisco酶。本研究表明，隨著溫度的升高4個品種對溫度的響應存在差異。在45 ℃高溫下，KU50和野生品種葉片中Rubisco酶具有較高的表達，且野生品種(Wild)在45 ℃條件下，其表達量極顯著高于25 ℃，但栽培種SC8和SC205在45 ℃時Rubisco表達量最低；在15 ℃低溫下，SC205的Rubisco表達量最高，并呈現(xiàn)隨著溫度升高而降低的趨勢(圖4)。

3 結(jié)論與討論

3.1 溫度對熒光參數(shù)的影響

圖4 不同溫度下木薯葉片Rubisco差異表達分析

3.2 溫度對Rubsico酶活性的影響

Rubisco酶是光合碳同化作用的關(guān)鍵酶，是調(diào)節(jié)光合和光呼吸，從而決定凈光合的一個關(guān)鍵酶，具有熱不穩(wěn)定性，其羧化、加氧活性受環(huán)境溫度影響十分明顯[20]。多數(shù)研究表明，影響植物光合作用的各種生態(tài)因子都通過Rubisco而起作用[21]。本研究表明，隨著溫度的升高，野生品種葉片中Rubisco表達的量增加，說明野生種適應高溫條件，這與野生種高溫條件葉片的高熒光效率相一致。對于栽培種，一般認為光合最適溫度為25 ℃，但3個栽培品種僅有SC8的Rubisco表達量在25 ℃時達最高，而KU50甚至出現(xiàn)最低，這很可能是不同品種Rubisco活化酶(RCA)對溫度的響應并不一致[21]。

由此可知，木薯葉片葉綠素熒光效率與溫度和品種密切相關(guān)，而葉片葉綠素熒光效率可以間接地反映RCA含量的變化情況，也間接反映出Rubisco酶的活性。然而，木薯葉片中還存在另一個碳同化的途徑，不同溫度條件下，這2個碳同化途徑是如何協(xié)同調(diào)節(jié)木薯葉片的光合作用有待進一步研究。

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(責任編輯：曾小軍)

Effects of Temperature on Chlorophyll Fluorescence Parameters and Rubisco Activity in Cassava Leaves

ZHANG Zhen-wen, LIN Li-ming, YU Hou-mei, LI Kai-mian, CHEN Song-bi

(Institute of Tropical Crop Genetic Resources, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of Conservation and Utilization of Cassava Genetic Resources, Ministry of Agriculture / National Center of Potato Processing Technique Research and Development, Danzhou 571737, China)

Cassava; Leaf; Chlorophyll fluorescence; Temperature; Rubisco

2016-07-05 基金項目：國家自然科學基金項目(No.31371684)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-12)；農(nóng)業(yè)部木薯種質(zhì)資源創(chuàng)新利用重點實驗室 共同資助項目。

張振文,副研究員，主要從事木薯光合和采后生理研究。*通訊作者：陳松筆。

S533

A

1001-8581(2017)01-0001-05