干旱脫水對(duì)狗牙根葉片光合機(jī)構(gòu)的影響

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(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 8320052)

狗牙根(CynodondactylonL.)為禾本科多年生草本，是暖季型草坪草中應(yīng)用最廣的草種之一，因其具有生長(zhǎng)速度快、再生能力強(qiáng)、成坪快、耐熱、耐踐踏、色澤好等優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、游憩場(chǎng)及固土護(hù)坡[1]。近些年來(lái)，隨著全球變暖和環(huán)境惡化，干旱問題日益嚴(yán)重。狗牙根由于其生境特點(diǎn)，常常遭受干旱脅迫，生長(zhǎng)和發(fā)育受到限制。

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需能量的主要來(lái)源，干旱脅迫下，植物水分大量散失，導(dǎo)致植物組織脫水。葉片遭受輕度脫水后氣孔關(guān)閉，光合作用受限；葉片重度脫水會(huì)導(dǎo)致植物組織結(jié)構(gòu)受損、代謝受抑加重植物光合作用的非氣孔限制，從而使植物光合作用嚴(yán)重下降[2-3]。干旱脫水常常伴隨著其他脅迫如高溫[4]、強(qiáng)光[5]、鹽脅迫[6]等的發(fā)生，多重脅迫下，光合作用受抑，會(huì)導(dǎo)致脫水葉片光抑制加重，活性氧大量積累從而對(duì)光合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的傷害。但目前對(duì)于脫水脅迫直接傷害葉片光合機(jī)構(gòu)的了解較少。

光合機(jī)構(gòu)由光系統(tǒng)1(PSⅠ)和光系統(tǒng)2(PSⅡ)共同組成，二者相互作用。當(dāng)PSI和PSII之間的電子傳遞被抑制，會(huì)導(dǎo)致PSII受體測(cè)電子傳遞受阻，同時(shí)導(dǎo)致PSI受體側(cè)電子供應(yīng)不足。PSⅠ活性下降時(shí)，PSII流向PSI的電子被阻斷，在光下會(huì)導(dǎo)致PSII產(chǎn)生大量活性氧，加重PSⅡ光抑制。由于PSⅠ研究手段的限制，此前關(guān)于光合機(jī)構(gòu)對(duì)于干旱脫水的響應(yīng)多集中于PSⅡ[7-8]。脫水脅迫是否會(huì)傷害PSⅠ活性，以及脫水是否會(huì)影響PSⅠ和PSⅡ之間的相互作用，這些問題有待解決。

植物對(duì)820nm光的吸收反映了PSⅠ的氧化還原能力，因此利用植物對(duì)820nm光的吸收技術(shù)可以分析PSⅠ光化學(xué)活性的變化[9-10]?？焖偃~綠素?zé)晒鉁y(cè)定和分析技術(shù)(JIP-test)可以快速分析PSⅡ光化學(xué)活性的變化。本實(shí)驗(yàn)利用這兩種技術(shù)，研究了脫水脅迫對(duì)狗牙根葉片PSⅠ和PSⅡ及其兩者之間相互作用的影響，為狗牙根的抗旱育種及新品種推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料

供試葉片取自新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)建成草坪，清晨日出之前選取生長(zhǎng)健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的葉片用于實(shí)驗(yàn)處理。

1.2 葉片脫水處理

為了排除光合電子傳遞鏈介導(dǎo)的活性氧的傷害，本實(shí)驗(yàn)在黑暗室溫下進(jìn)行。黑暗條件下，將10片新農(nóng)1號(hào)狗牙根(CynodondactylonL. ‘Xin nong No.1’)葉片懸掛在均勻流動(dòng)的空氣中進(jìn)行脫水處理，在28℃下脫水25小時(shí)直到葉片相對(duì)含水量下降到約25%左右。對(duì)照組用濕紗布包裹，相同條件下處理相同的時(shí)間。

1.3 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線

參考Strasser等[10]的方法，葉片先暗適應(yīng)20 min，然后利用M-PEA(Hansatech, 英國(guó))測(cè)定葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(O-J-I-P曲線)。O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線用JIP-test進(jìn)行分析，計(jì)算以下參數(shù)：

PSII的最大光化學(xué)效率Fv/Fm=φPo =1-( Fo/Fm)；J點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后的相對(duì)可變熒光 Vj=(Fj-Fo)/(Fm-Fo)；PSII反應(yīng)中心捕獲的光能中進(jìn)入電子傳遞鏈的概率ψO= ETo/TRo=1-Vj；單位面積吸收的光能ABS/CSm=Fm；光合性能指數(shù)PIABS=(RC/ABS)·[φPo/(1-φPo)]·[ψO/(1-ψO)]。

1.4 P700活性的測(cè)定

P700活性根據(jù)Schansker等[9]的方法使用PEA Senior(Hansatech，英國(guó))進(jìn)行測(cè)定，用△I/Io反映PSI活性。

1.5 葉片相對(duì)含水量的測(cè)定

葉片離體后立刻測(cè)定鮮重，水中浸沒12小時(shí)后測(cè)定飽和鮮重，然后在鼓風(fēng)烘箱中在 80℃烘干48小時(shí)，測(cè)定干重，用如下公式計(jì)算得出處理前葉片的相對(duì)含水量(relative water conter,RWC)約為83%。

計(jì)算公式：RWC(%)=(鮮重-干重)/(飽和重-干重)

試驗(yàn)葉片離體后及脫水處理不同時(shí)間后測(cè)定鮮重，脫水處理結(jié)束后將葉片放入鼓風(fēng)烘箱中在 80℃烘干48小時(shí)，測(cè)定干重，以脫水處理前葉片的相對(duì)含水量為83%計(jì)算不同脫水時(shí)間葉片的相對(duì)含水量。

1.6 葉片葉綠素含量的測(cè)定

取狗牙根葉片，剪碎，稱取2 g左右，放入刻度試管中，加10 ml乙醇：丙酮(1:1)混合液于黑暗條件下浸提24小時(shí)。用CS-190分光光度計(jì)測(cè)定吸光值，以丙酮為空白，在波長(zhǎng)為665 nm、649 nm和470 nm進(jìn)行比色，按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

葉綠素a(Chl a /μg·g-1)=(12.7*A663—2.69*A645)/100*DW

葉綠素b(Chl b /μg·g-1)=( 22.9*A645—4.68*A663)/100*DW

類胡蘿卜素(Caretenoid /μg·g-1)=[4.7*A440—0.27*(Chl a-Chl b)]/100*DW

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2003 軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，用Sigma plot作圖。所有數(shù)據(jù)均為10次重復(fù)測(cè)定的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫水對(duì)狗牙根葉片相對(duì)含水量的影響

在室溫黑暗下，隨著脫水的進(jìn)行，葉片RWC呈線性逐漸下降，最終下降到25%左右；對(duì)照組經(jīng)過相同時(shí)間處理，相對(duì)含水量無(wú)顯著下降(圖1)。

圖1 黑暗脫水處理不同時(shí)間后葉片相對(duì)含水量隨處理時(shí)間的變化。每個(gè)數(shù)據(jù)均為10次重復(fù)的平均值Fig.1 The RWC in Cynodon dactylon L. leaves dehydrated at 28℃ in the dark for different times. Each value is the mean±SE(n=10)

2.2 脫水對(duì)狗牙根葉片色素含量的影響

葉片光合機(jī)構(gòu)是一個(gè)高度密集的多亞單位色素蛋白復(fù)合體。從圖2 觀察到，脫水脅迫導(dǎo)致狗牙根葉片葉綠體色素a、b和類胡蘿卜素含量顯著下降，其中葉綠素a下降程度最大。這表明，脫水脅迫會(huì)導(dǎo)致葉綠素降解，從而導(dǎo)致葉片光合機(jī)構(gòu)的數(shù)量減少。

圖2 黑暗脫水處理對(duì)葉片葉綠素a(Chl a)、葉綠素b (Chl b)和類胡蘿卜素(Car)含量的影響。每個(gè)數(shù)據(jù)均為10次重復(fù)的平均值Fig.2 Effects of dehydration treatments on content of Chl a, Chl b, Car in Cynodon dactylonL. leaves. Each value is the mean±SE(n=10)

2.3 脫水對(duì)狗牙根葉片PSⅡ光化學(xué)活性的影響

快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(OJIP曲線)被廣泛應(yīng)用于PSII活性研究中[9-11]。在進(jìn)行O-P點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的曲線中(圖3)，脫水處理前葉片呈現(xiàn)出了典型的OJIO曲線，而隨著不同脫水時(shí)間的處理，葉片的OJIP曲線出現(xiàn)顯著差異。脫水處理后的葉片OJIP曲線上的J點(diǎn)(2 ms)和I點(diǎn)(30 ms)熒光都有上升。隨著脫水處理時(shí)間的延長(zhǎng)，J點(diǎn)和I點(diǎn)上升程度增加。

圖3 脫水處理不同時(shí)間對(duì)離體葉片OJIP曲線的影響.OJIP曲線按照Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(A)，B圖為脫水不同時(shí)間與處理前的曲線的差值ΔVt=Δ(Vt-Vt0h)Fig.3 Effects of dehydration treatment on OJIP curve of isolated leaves at different time. The OJIP curve is normalized according to Vt = (Ft-Fo)/(Fm-Fo) (A). B is the difference ΔVt=Δ(Vt-Vt0h) between the dehydration time and the curve before treatment

PSII供體側(cè)受到傷害即放氧復(fù)合體(OEC)傷害時(shí)，OJIP曲線的300 μs處出現(xiàn)的K點(diǎn)會(huì)上升。為了觀察K點(diǎn)，我們將OJIP曲線進(jìn)行O-J點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化(圖4)，發(fā)現(xiàn)脫水處理后葉片的OJIP曲線K點(diǎn)均呈上升趨勢(shì)，脫水到25 h后，K點(diǎn)顯著上升。

圖4 脫水處理不同時(shí)間對(duì)離體葉片OJIP曲線的影響OJIP曲線按照Wt=(Ft-Fo)/(Fj-Fo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(A)，B圖為脫水不同時(shí)間與處理前的曲線的差值ΔWt=Δ(Wt-Wt0h)Fig.4 Effects of dehydration treatments on theOJIP curve of isolated leaves at different time. The OJIP curve was normalized according to:Wt=(Ft-Fo)/(FJ-Fo)(A), and B is the differences of ΔWt=Δ(Wt-Wt0h) between the dehydration time and the curve before treatment

葉片最大光化學(xué)效率Fv/Fm反映PSII天線吸收的光能被反應(yīng)中心捕獲的概率，圖5A表明，隨著脫水的進(jìn)行，葉片最大光化學(xué)效率都逐漸下降，但當(dāng)葉片RWC降至25%時(shí)，F(xiàn)v/Fm僅下降到對(duì)照組的10%左右。電子傳遞到QA以下的效率(Ψo，圖5A)反映被PSII反應(yīng)中心捕獲的能量進(jìn)入電子傳遞鏈的概率，隨著脫水時(shí)間的增加，處理葉片的Ψo均有下降，并且在脫水處理10 h后，Ψo大幅下降。單位面積吸收的光能(ABS/CSm，圖5A)反映PSII 天線吸收光能的能力，隨著脫水處理，葉片ABS/CSm逐漸下降，與Ψo相似，在脫水10 h后大幅減小。隨著脫水進(jìn)行，光合性能指數(shù)(PIABS，圖5A)逐漸下降，與Fv/Fm相比，下降程度更大，對(duì)脫水脅迫更敏感。

為進(jìn)一步闡明PSII光化學(xué)活性與葉片脫水狀態(tài)之間的關(guān)系，我們研究了PSII活性相關(guān)參數(shù)隨葉片RWC的變化。隨著葉片RWC逐漸下降，葉片F(xiàn)v/Fm、Ψo、ABS/CSm和PIABS都逐漸下降，其中，葉片RWC對(duì)葉片F(xiàn)v/Fm的影響最小，葉片光合性能指數(shù)PIABS對(duì)于葉片RWC最敏感。由圖5B可知，葉片RWC下降到60%之前，對(duì)Fv/Fm、Ψo、ABS/CSm影響較小，當(dāng)葉片RWC下降到60%之后，F(xiàn)v/Fm、Ψo、ABS/CSm開始大幅下降。

圖5 脫水處理后葉片F(xiàn)v/Fm,Ψo, ABS/CSm和PIABS隨處理時(shí)間(A)和葉片相對(duì)含水量(B)的變化。處理前Fv/Fm和Ψo的值被作為100%，處理后的Fv/Fm和Ψo換算為處理前值的百分比。每個(gè)數(shù)據(jù)均為10次重復(fù)的平均值Fig.5 The changes of Fv/Fm, Ψo, ABS/CSm and PIABS after treatment with time (A) and RWC (B) of the leaves.The values of Fv/Fm and Ψo before treatment were taken as 100%, and the Fv/Fm and Ψo after treatment were converted into percentages of the value of before treatment. Means ± SE of 10 replicates are presented

2.4 脫水對(duì)狗牙根葉片PSⅠ活性的影響

葉片820 nm光吸收技術(shù)廣泛應(yīng)用于葉片PSI的活性研究中[9,12]。圖6A表明，在脫水初期即處理時(shí)間小于10 h時(shí)，PSI光化學(xué)活性維持在較高水平，隨后葉片PSI活性大幅下降，圖6B表明，從葉片RWC下降到60%之前， ΔI/Io幾乎不隨葉片RWC下降而變化，但葉片RWC小于60%時(shí)，PSI活性急劇下降。

為了闡明葉片脫水過程中兩個(gè)光系統(tǒng)之間的相互作用和光合電子傳遞鏈的變化，利用同時(shí)測(cè)定的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線和820 nm光吸收曲線，分析了在相同脫水狀態(tài)下，PSI和PSII光化學(xué)活性的相對(duì)變化。從圖6可以得出，在脫水過程中，PSII最大光化學(xué)效率Fv/Fm以及被PSII反應(yīng)中心捕獲的能量進(jìn)入電子傳遞鏈的概率Ψo逐漸下降，但是下降程度較小，當(dāng)PSII光化學(xué)活性仍處于較高水平時(shí)，葉片PSI活性大幅下降。這說(shuō)明，脫水脅迫對(duì)于狗牙根葉片光合機(jī)構(gòu)PSI的破壞早于對(duì)PSII的破壞。

圖6 脫水處理不同時(shí)間后葉片ΔI/Io隨處理時(shí)間(A)、葉片相對(duì)含水量(B)的變化、Fv/Fm(C)和Ψo(D)的變化。處理前Fv/Fm，Ψo和ΔI/Io的值被作為100%，處理后的Fv/Fm，Ψo和ΔI/Io換算為處理前值的百分比。每個(gè)數(shù)據(jù)均為10次重復(fù)的平均值Fig.6 The activity of the PSI complex (ΔI/Io) in leaves under dehydration treatment for different time (A) and different RWC (B). The activity of the PSI complex (ΔI/Io) (C) and maximum quantum yield of PSII (Fv/Fm, A) (D). ΔI/Io and exciton efficiency of electron transport beyond B) in leaves under dehydration treatment. The initial value of ΔI/Io, Fv/Fm and ΨObefore treatment were taken as 100%, and those after treatment were calculated as percentages of the initial value. Means ± SE of 10 replicates are presented

3 討論

脫水對(duì)于葉片F(xiàn)v/Fm影響較小，但會(huì)引起PSI活性大幅下降，這表明狗牙根葉片PSI對(duì)于脫水脅迫更敏感，而脫水脅迫對(duì)于PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)影響較小，Georgieva等研究表明葉片PSII光化學(xué)活性對(duì)于脫水有一定的抗性[13]。Fv/Fm只表示PSII反映中心對(duì)吸收光能的捕獲效率，而并不能全面的反映整條電子傳遞鏈對(duì)于脅迫的響應(yīng)。ABS/CSm反映了光合機(jī)構(gòu)對(duì)于光能的吸收，脫水降低了葉片的ABS/CSm，這表明脫水改變了天線色素的結(jié)構(gòu)或使天線降解。光合性能指數(shù)(PIABS=(RC/ABS)·[φPo/(1-φPo)]·[ψO/(1-ψO)])反映了整條光合電子傳遞鏈對(duì)光能的捕獲以及電子傳遞整個(gè)過程，更準(zhǔn)確的反映了植物光合電子傳遞鏈的狀態(tài)[14]。在脫水初期，ABS/CSm，Ψo以及Fv/Fm 均無(wú)顯著下降，但PIABS卻顯著下降，隨著脫水程度的加重，ABS/CSm和Ψo下降程度都小于PIABS的下降程度。這表明脫水直接影響了狗牙根葉片光合機(jī)構(gòu)的光合性能。

4 結(jié)論

干旱脫水脅迫導(dǎo)致狗牙根葉片光合機(jī)構(gòu)數(shù)量以及活性下降，限制了葉片的光合作用，最終影響狗牙根的生長(zhǎng)和發(fā)育。在狗牙根實(shí)際栽培生產(chǎn)過程以及抗旱品種的選育過程中，光合性能指數(shù)(PIABS)可以作為一種篩選指標(biāo)，快速有效的反映干旱脅迫對(duì)于狗牙根葉片的影響。