紅葉石楠不同葉位和光照的葉片葉綠素熒光特征差異分析

景 琦，武悅萱，校思澤，胡小瑛，韓佳怡，王晶，張蓓蓓

(陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室/寶雞文理學院地理與環境學院，陜西 寶雞 721013)

1 引言

光是植物進行光合作用最主要的因素，光合作用是生物生長最重要的生理機能［1］。葉綠素熒光與光合作用在自然條件下有著緊密的聯系，它顯示了反應中心及供體側和受體側所處的氧化還原狀態，葉綠素熒光動力學可以反應環境因素對光合作用的影響［2-3］。葉綠素熒光技術是在無損條件下研究葉片光合機構，已普遍應用于植物生理研究［4-5］。快速葉綠素熒光技術可記錄1S內植物熒光的瞬間變化，并呈現出OJIP 曲線形式［6］。OJIP 曲線有O、J、I、P 等相，根據這些相點的熒光特征可評估電子傳遞過程的量子效率等信息，實現無損條件下對植物光合性能的有效監測［7］。葉片是植物光合作用的主要器官，葉綠素熒光參數可以實時反應植物葉片中光化學反應活性及其自我保護能力［8-9］。

紅葉石楠(Photinia fraseri)是景觀植物中最常見的薔薇科石楠屬的常綠小喬木［10］，如今已被廣泛的運用于城市以及校園，前人對農作植物葉片不同葉位的光合特性進行了大量研究［11-13］，而對景觀植物不同葉位葉片的研究較少。對常用景觀植物葉綠素熒光特性的分析具有很高的研究和應用價值。本文以陜西省寶雞文理學院為試驗地，對紅葉石楠不同光照方位以及不同葉位葉片進行葉綠素熒光參數測定，分析其熒光參數之間的不同變化特征，為紅葉石楠的培植管理和園林綠化提供一定的參考價值。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況與試驗材料

試驗地點為陜西省寶雞文理學院高新校區，該地處于秦嶺以北關中平原地區，氣候類型為大陸性季風氣候。供試材料為紅葉石楠(Photinia fraseri Dress)。試驗階段天氣晴朗、無風、干旱少雨，適合對植物葉綠素熒光參數的進行測定。

2.2 試驗方法

于2018 年11 月5 日在園林中選擇5 個健康無蟲咬的5 齡單株，每株選取向陽面和背陰面的高、中、低三個高度發育正常的葉片各3 片(見表1)。于早上8:00～12:00，對植物葉片進行20 min 暗適應，使用德國Walz 公司生產的Mini-Imaging-PAM 葉綠素熒光儀對植物葉片進行葉綠素熒光快速誘導曲線(OJIP)的測定，同時得到的葉綠素熒光參數(見表2)。

表1 試驗處理

表2 葉綠素熒光參數

3 數據分析

利用Excel2010 和SPSS 22.0 進行數據統計和分析，Origin 2018 進行作圖，利用one way-ANOVA 進行單因素方差分析。

4 結果與分析

4.1 紅葉石楠葉片Fv/Fo、Fv/Fm 及PIabs 的差異分析

可變熒光Fv 與最小熒光Fo 的比值Fv/Fo 代表光系統Ⅱ(PSⅡ)潛在活性［14］。由圖1 可知，紅葉石楠H1、H2 處Fv/Fo 值明顯高于其余葉位，以H6 處為最低，說明在H1、H2 處PSⅡ活性為最強;并且向陽面由低位到高位Fv/Fo 值逐漸呈下降趨勢，說明隨著葉位的不斷升高，光強逐漸增強，紅葉石楠PSⅡ活性逐漸減弱;紅葉石楠背陰面與向陽面之間Fv/Fo 值存在顯著性差異，背陰面的不同葉位無顯著性差異，向陽面的不同葉位之間存在顯著性差異。

圖1 紅葉石楠葉片Fv/Fo、Fv/Fm 及PIabs 的差異分析

光系統Ⅱ(PSⅡ)最大光能轉化效率(Fv/ Fm)反映PSⅡ天線吸收的光能被反應中心捕獲的概率［15］。由圖1 可知，H1、H2 處Fv/Fm 值為最高，H6 為最低，向陽面由低位到高位Fv/Fm 值逐漸同樣呈下降趨勢，說明葉位越高，光照越強，紅葉石楠PSⅡ天線吸收的光能被反應中心捕獲的概率越大。并且紅葉石楠向陽面與背陰面之間Fv/Fm 值存在顯著性差異，背陰面的不同葉位無顯著性差異，向陽面的不同葉位之間存在顯著性差異。以吸收光能為基礎的性能指數PIabs 是葉綠素熒光參數中最敏感的參數之一［16］，由圖1 可知，紅葉石楠的PIabs 值之間無顯著性差異，以H1、H2 的值為最高。

4.2 紅葉石楠葉片PSⅡ反應中心狀態的差異分析

4.2.1 PSⅡ受體側的差異分析 反映PSⅡ受體側的變化的參數主要有:PSⅡ捕獲能量從QA 傳遞到QB 的效率(ψo);用于電子傳遞的量子產額(φEo);用于熱耗散的量子比率(φDo)等［17］。由圖2 可知，紅葉石楠葉片向陽面的φEo、ψo 和φDo 值比背陰面高，說明光照越強，紅葉石楠葉片相對電子的傳遞速率越快、用于電子傳遞的量子產額越大以及用于熱耗散的電子越多，并且向陽面與背陰面葉片之間存在顯著性差異;紅葉石楠向陽面和背陰面葉片由高位到低位，φEo 和ψo 值都大致呈下降趨勢，說明隨著葉位的降低，植物葉片相對電子的傳遞速率越慢、用于電子傳遞的量子產額越小以及用于熱耗散的電子也越少，但是不同葉位之間的受體側參數沒有顯著性差異。植物葉片的φEo、ψo 和φDo 值整體上以H1 處為最低，H6 處的值為最高。

圖2 紅葉石楠PSⅡ受體側的差異分析

4.2.2 比活性參數的差異分析 比活性參數可以更準確的反映植物葉片對光能的吸收、轉化和耗散等狀況［18］。比活性參數主要有表示單位激發態面積反應中心數目(RC/CSo)、吸收的光能(ABS/CSo)、被反應中心捕獲的光能(TRo/CSo)、用于電子傳遞的能量(ETo/CSo)和用于熱耗散的能量(DIo/CSo)［19］。由表3 可知，紅葉石楠H1處的RC/CSo、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo 都為最大，H6 處的值為最小;植物向陽面葉片RC/CSo、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo 高于背陰面葉片，并且RC/CSo、ABS/CSo 和TRo/CSo 有顯著差異;隨著葉位的不斷升高，RC/CSo、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo 普遍都呈下降趨勢，DIo/CSo 差異不打。對比F 值可以看出，各處理間的RC/CSo、ABS/CSo 和TRo/CSo 值有極顯著差異，ETo/CSo 有顯著差異，DIo/CSo 沒有差異，其中以RC/CSo 差異最大。

表3 比活性參數的差異分析

圖3 紅葉石楠葉片植物葉綠素熒光快速誘導曲線特征分析

4.3 紅葉石楠葉片葉綠素熒光誘導動力學曲線特征分析

植物葉綠素熒光快速誘導曲線(OJIP)可以反映出大量關于PSⅡ反應中心原初光化學反應的信息，通常植物葉綠素熒光快速誘導曲線會出現O，J，I，P 4 個拐點［20］。從圖3(A)可知，6 種處理下的OJIP 曲線在O 點處的沒有明顯差異。在J 點處(2ms)，H4、H5 處的熒光值差異較小，其他葉位處的熒光值差異較大，其中H1 處的熒光值明顯高于其他葉位，以H6 處的熒光值為最低，并且植物向陽面沒有明顯的J 相。在I 點處(30ms)，H1 處的熒光值顯著高于其他葉位，以H6 處的熒光值最小。在P 點處，熒光值最為穩定，也是最大熒光Fm，熒光值大小表現為:H1 ＞H2 ＞H3 ＞H4:＞H5 ＞H6，植物向陽面到達P 相的時間早于背陰面。6 種不同葉位下的紅葉石楠葉片的OJIP 曲線從O 點到P 點的變化規律大致相同;自J 點處起，6 種不同葉位的紅葉石楠葉片的熒光值差異逐漸增大。并且紅葉石楠背陰面處的熒光值普遍高于向陽面。

圖3(B)為相對可變熒光(Vt)標準化后的OJIP 曲線，Vt 標準化后所得的OJIP 曲線更加準確，能夠各種物理和人為因素的影響，Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)(Ft 指實時熒光參數值)［21］。從圖中可知，植物陰面的OJIP 曲線有明顯的J、I、P相，但陽面三個葉位沒有明顯的J、I 相。J 相的熒光強度升高是大量積累了由于QB 不能及時接受來自QA-的電子;I 相是由于快還原型PQ 庫被完全還原造成的［22］。綜合說明，紅葉石楠陰面電子傳遞速率與過程較快于陽面，低葉位處傳遞電子的速率與過程也快于其他葉位。

5 結論與討論

紅葉石楠的Fv/Fo 和Fv/Fm 值背陰面普遍高于向陽面，說明，隨著光強的升高，PSⅡ活性和PSⅡ最大光能轉化效率逐漸降低;低葉位的Fv/Fo 和Fv/Fm 值普遍高于高葉位，說明隨著葉位的不斷升高，PSⅡ活性和PSⅡ最大光能轉化效率也呈降低趨勢;Fv/Fo 和Fv/Fm 值以H1 和H2 處為最高，說明H1 和H2 處受到的脅迫程度最小。PIabs 是比Fv/Fm 對逆境和脅迫的反應更加靈敏的指數［23］。綜合PIabs 說明紅葉石楠背陰面和低葉位處對光能的利用和光合性能都強于向陽面和高葉位處，其中以H1 和H2 處的光合性能為最強。

紅葉石楠葉片隨著葉位的不斷升高，PSⅡ受體側參數φEo、ψo 和φDo 都呈增長趨勢，說明葉位越高，葉片用于傳遞電子的速率越高，用于熱耗散的電子也越多;植物向陽面用于傳遞電子的速率以及用于熱耗散的電子明顯高于背陰面，并且有顯著性差異。

紅葉石楠光強和葉位的升高，單位激發態面積反應中心數目(RC/CSo)下降，使得吸收的光能(ABS/CSo)隨之降低，導致單位葉面積用來還原QA 的激發能量(TRo/CSo)和用于電子傳遞的能量(ETo/CSo)減少;單位面積用于熱耗散的能量(DIo/CSo)沒有顯著性差異，說明光強并沒有對葉片的熱耗散沒有較大的傷害。

通過OJIP 曲線可以看出紅葉石楠葉片的PSⅡ光合變化，6 種處理下紅葉石楠向陽面與背陰面有差異，向陽面的OJIP 曲線沒有明顯的J 相和I 相。從J 點到I 點之間H1 處葉片PSⅡ反應中心捕獲的能量中電子傳遞比例較高，電子從QA-向QB 傳遞過程中用于耗散的能量較小。相對熒光OJIP 曲線紅葉石楠與向陽面也沒有明顯的J相和I 相，向陽面與背陰面的OJIP 曲線有差異，但是葉位之間沒有明顯的差異，說明光照變強可能對紅葉石楠葉片造成了一定的損傷。

綜上所述，隨著葉位和光照強度的下降，紅葉石楠葉片的葉綠素熒光參數以及葉綠素熒光快速誘導曲線大致呈上升的趨勢。在試驗中。H1 處的紅葉石楠葉片葉綠素熒光特性為最佳，從而推斷在背陰低位處紅葉石楠的長勢最好。但在試驗過程中，植物可能會受到夜景光照的影響，對試驗結果有一定的影響，在以后試驗中，將結合夜景光照分析紅葉石楠生長最適的高度和光照環境。