弱光淹澇后強光對‘極高’葡萄葉片PSI和PSII的影響

徐玉涵，傅彩琦，盧蕾，翟衡，杜遠鵬*

（山東農業大學園藝科學與工程學院，山東泰安 271018）

我國屬于大陸季風性氣候，雨熱同季，因此淹澇是我國夏季主要的自然災害。陰雨澇害后經常突然放晴又造成強光脅迫。研究表明，淹澇主要影響植物的PSII[1-2]，進而加速葉片衰老并減少生物量的積累[3]。強光會造成植物葉片光系統功能的抑制[4]。孫永江等[5]的研究表明，植物在遭受逆境后產生光抑制，此時疊加強光交互作用后會產生附加效應，加劇對植物光系統的傷害。適應了弱光環境的葉片在突然遇到強光環境后光合受到顯著抑制甚至死亡[6-8]。Eiia等[9]認為，植株由淹澇-弱光環境到強光環境時，葉片的光合機構在強光下產生較高水平的活性氧，使植物受到較大的氧化傷害，導致光合機構的光抑制。

田間調研發現，淹澇1周內葡萄便出現淹澇癥狀。但很多研究者通過模擬淹澇脅迫發現，植物出現淹澇癥狀的時間遠遠超過田間。李艷等[10]對葡萄進行淹水脅迫發現，在脅迫達到12 d時葡萄葉片的葉綠素含量、PSII活性等指標才會出現顯著性變化，在淹水前期葡萄葉片的表觀癥狀并沒有發生顯著性變化。探究原因發現，田間淹澇一般伴隨雨后連陰天突然放晴的情況，發生淹澇癥狀的時間多在放晴后。而試驗模擬淹澇一般都在正常光照條件下，由此說明強光能夠加劇陰天淹澇發生程度，為探討葡萄淹澇后強光對兩個光系統的影響。本試驗以葡萄栽培品種‘極高’為試材，前期弱光下淹澇模擬連續陰雨天發生，后期淹澇疊加強光脅迫模擬雨后的強光，研究淹澇后強光對葡萄葉片光合特性響應，以期為葡萄淹澇恢復提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗于2018年8月在山東農業大學園藝實驗站葡萄園基地進行，選取葡萄品種‘極高’為試驗材料，種植于直徑23.5 cm、高14 cm的塑料花盆中，栽培基質為沙：土=1：2。待生長到7～8片葉時，選取長勢一致的植株16盆，放置于長50 cm、寬40 cm、高50 cm的白箱子中，進行淹水至塑料盆上沿，對照8株正常管理。淹澇時模擬連續陰雨天氣，放置于室外遮陽網下（采用光強儀測定遮陽網下一天中光照強度為300～400 μmol/(m2·s)），處理第14天開始將淹水處理植株分為等量兩部分，其中8株連同白箱子撤除遮陽網，于第14、15、16天進行連續強光脅迫淹水處理（自然光照，采用光強儀測定遮陽網下一天中光照強度，達到強光脅迫1400～1600 μmol/(m2·s)的時間為每天12時至16時，總共6 h），其余8株繼續弱光條件下（遮陰網下）淹水處理。于開始淹澇后的0、3 d、6 d、9 d、14 d、15 d、16 d測定植株中部節位長勢一致的葉片的葉綠素熒光參數。

1.2 葉綠素熒光參數的測定

參考邢浩等[11]方法，用連續激發式熒光儀（Handy PEA，Hansatech，英國）測定OJIP曲線，包括初始熒光（Fo）、在300 μs時的熒光（Fk）、在2 ms時的熒光（Fj）、在30 ms時的熒光（Fi）、最大熒光（Fm）、PSII最大光化學量子產量（Fv/Fm）和PSII潛在活性（Fv/Fo）。測定前葉片預先暗適應15 min，通過對OJIP曲線的分析得出反映PSII供體側、受體側及PSII反應中心功能的參數。用Wk=(Fk-Fo)/(Fj-Fo)表示受體側放氧復合體受傷害程度；用捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中QA-下游其他電子受體的概率φEo=(Fm-Fj)/(Fm-Fo)來表示PSII受體側電子傳遞的功能；用單位面積有活性反應中心數量RC/CSm=Fm×φPo×(Vj/Mo)，表示PSII反應中心變化。

參考Klughammer等[12-13]的方法進行葉綠素熒光光響應曲線的測定。采用Dual-PAM100熒光儀（Walz，德國）進行飽和脈沖分析，在人工光源（800 μmol/(m2·s)）下適應1 h，測定葉片在穩定光源下的熒光參數，之后測定葉片暗適應15 min后的初始熒光產量（Fo）和最大熒光產量（Fm），其中Fv=Fm-Fo。處理結束后，進行熒光光響應曲線的測定，照射樣品30 s后打開飽和脈沖光進行最大熒光產量（F'm）及光下最大量子產量（P'm）的測量，Pm為最大光氧化P700+。按照如下公式進行熒光參數的計算。

PSII實際光化學效率Y(II)=(F'm-Fs)/F'm。

非調節能量耗散的量子產率Y(NO)=1/[NPQ+1+qL(Fm/Fo-1)]。

可調節能量耗散的量子產率Y(NPQ)=1-Y(II)-1/[NPQ+1+qL(Fm/Fo-1)]。

PSI的有效量子產率Y(I)=1-Y(ND)-Y(NA)。

PSI供體側限制引起的非光化學能量耗散的量子產量Y(ND)=1-P700red。

PSI受體側限制引起的非光化學能量耗散的量子產量Y(NA)=(Pm-P'm)/Pm。

PSI激發能分配系數α=f/(1+f)，PSII激發能分配系數β=1/(1+f)，f=(F'm-Fs)/(F'm-F'o)，用β/α-1表示PSI和PSII間激發能分配的不平衡性[14]。

2 結果與分析

2.1 淹澇和強光交互作用下葉片表觀癥狀

淹澇脅迫16 d及淹澇和強光交互作用3 d后葡萄葉片外觀出現明顯的癥狀。在淹澇脅迫前期未表現出明顯的癥狀，至淹澇脅迫處理16 d時，葉片出現萎蔫現象，表現出葉尖、葉緣或葉脈黃化且有輕微的焦枯現象。進行淹澇-強光交互作用后，葉片淹澇癥狀顯著加劇，在交互脅迫處理3 d時，葉緣、葉尖焦枯現象嚴重，部分葉片出現脫落現象。

2.2 淹澇和強光交互作用對葡萄葉片PSII及PSI的影響

2.2.1 淹澇和強光交互作用對葡萄葉片PSII和PSI活性的影響

PSII最大光化學量子產量（Fv/Fm）可以反映PSII受脅迫程度。從圖1A可以看出，淹澇處理3 d就已經出現顯著性降低，比對照降低了11%；淹澇脅迫至14 d、16 d時Fv/Fm分別顯著降低了23.2%、36.5%；淹澇脅迫至14 d后疊加強光脅迫處理進一步加劇了Fv/Fm下降幅度，處理至14 d、16 d與對照相比，顯著下降了29.6%、51.1%。

最大光氧化P700+(Pm)可以反映PSI活性。由圖1B可知，淹澇處理3 d，Pm開始降低，但是降低程度不顯著，處理至9 d與對照相比降低了0.7%，未達到顯著性差異。直至淹澇14 d、16 d時才與對照出現顯著下降（8.8%、36.7%）；淹澇脅迫至14 d后疊加強光脅迫處理后進一步加劇了Pm下降幅度，脅迫至14 d、16 d與對照相比，顯著下降了16.6%、48.8%。說明淹澇至第14天導致‘極高’葉片PSI發生明顯光抑制，且疊加強光脅迫后加劇了光抑制程度。

圖1 淹澇和強光交互作用對葡萄品種Fv/Fm、Pm的影響Figure 1 Interaction effect of water-logging and high lightstress on Fv/Fm and Pm in grapevine leaves

2.2.2 淹澇和強光交互作用對葡萄葉片PSII供體側、活性反應中心數量、受體側的影響

K點相對可變熒光（Wk）表示PSII供體側放氧復合體受傷害程度[15]。隨著淹澇處理時間的增加，Wk值逐漸升高。與對照相比淹澇至14 d、16 d，顯著增加了19.8%、38.6%；淹澇脅迫至14 d后疊加強光脅迫處理進一步加劇了其上升幅度，與對照相比，處理至14 d、16 d顯著增加了23.3%、67.5%（圖2A）。表明‘極高’葉片PSII供體側受到了傷害，疊加強光脅迫后，‘極高’葉片PSII供體側受到傷害加劇。

淹澇處理第3天時單位面積有活性反應中心數量（RC/CSo）就比對照出現顯著性降低，淹澇14 d、16 d時單位面積有活性反應中心數量（RC/CSo）與對照相比降低了24.2%、26.1%；淹澇脅迫至14 d后疊加強光脅迫處理進一步加劇RC/CSo下降幅度，與對照相比，處理至14 d、16 d顯著降低了32.7%、45.3%（圖2B）。

由圖3C可知，隨著淹澇脅迫處理時間的延長，PSII受體側電子傳遞的效率（φEo）逐漸降低。淹澇至第3天顯著降低，至14 d、16 d，φEo與對照相比，顯著降低了20.3%、30.3%；淹澇脅迫至14 d后疊加強光脅迫處理后下降幅度加劇，處理至14 d、16 d與對照相比顯著降低了25.5%、46.1%。由此說明，淹澇脅迫3 d后就顯著地抑制了PSII光合電子傳遞鏈，淹澇疊加強光脅迫進一步抑制了‘極高’葉片PSII光合電子傳遞鏈。

2.3 淹澇和強光交互作用對光系統能量分配及熱耗散的影響

2.3.1 淹澇和強光交互作用對光系統能量分配的影響

淹澇以及淹澇疊加強光脅迫明顯改變了PSII和PSI的能量分配。隨著淹澇時間增加，PSII實際光化學效率Y(II)及不可調節的熱耗散Y(NO)逐漸降低（圖3D和3F），可調節的熱耗散Y(NPQ)逐漸升高（圖3E），淹澇至第3天便出現顯著性變化。淹澇脅迫至14 d后疊加強光脅迫處理后使得PSII的Y(II)下降速率加劇，Y(NPQ)變為下降趨勢，Y(NO)變為上升趨勢，表明PSII活性受到抑制明顯，且疊加強光脅迫后，依賴光保護的熱耗散機制并不能耗散掉所有的光能，隨著強光脅迫時間的延長，過剩光能的比例越來越高，葉片光抑制加劇。

圖2 淹澇和強光交互作用對葡萄葉片供體側（Wk）、反應中心（RC/CSm）及受體側（φEo）的影響Figure 2 Interaction effect of water-logging and high light stress on donor side (Wk)，reaction center (RC/CSm) and receptor side (φEo) of PSII in grapevine leaves

隨著淹澇至第6天PSI實際光化學效率Y(I)及氧化態P700+顯著降低（圖3A和3C），PSI受體側在淹澇至第6天受抑制程度便顯著增加（圖3B），淹澇脅迫至14 d疊加強光脅迫處理后，進一步加劇了Y(I)及氧化態P700+降低速率，PSI受體側受抑制程度加劇。進一步表明淹澇疊加強光脅迫導致了PSI光抑制的發生。

淹澇脅迫第3天，‘極高’葉片PSII和PSI間激發能分配不平衡性（β/α-1）顯著性增大，淹澇至14 d、16 d時處理的β/α-1比對照顯著增加了53%、230.6%；淹澇脅迫至14 d疊加強光脅迫處理后，β/α-1上升速率加劇，淹澇疊加強光處理至14 d、16 d分別比對照升高了73.5%和249%（圖4）。

2.3.2 淹澇和強光交互作用對熱耗散的影響

非光化學淬滅（NPQ）表示PSII天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而是通過光保護途徑以熱的形式耗散掉的光能所占的比例[5,16-17]。從圖5中可以看出，淹澇脅迫至第6天時，NPQ出現顯著性上升。淹澇脅迫至14 d疊加強光脅迫后NPQ進一步顯著上升，表明光系統通過提高熱耗散來進行光保護。

3 討論與結論

葉綠體是植物進行光合作用的細胞器，對葉片的葉綠素熒光參數進行分析能夠反映脅迫條件下植物光合器官的傷害程度。當植物吸收的光能超過所能利用的光能時，過剩光能便會導致光合機構的光抑制，甚至光破壞[18-19]。本試驗發現淹澇后PSII最大光化學效率呈線性下降，但在淹澇脅迫后期下降趨勢漸緩。淹澇強光交互作用下，PSII的最大光化學效率較同時期單因素淹澇脅迫低，且隨著淹澇強光脅迫時間的增加，下降顯著。這說明弱光環境PSII反應中心的壓力較小，因此僅僅在淹澇脅迫下，植株開始逐漸適應高濕、弱光的環境，但是突然將植株移至高光強下，對已經受到抑制的PSII光合反應中心造成壓力，使得過剩激發能增加，這些能量以電子的形式存在于電子傳遞鏈中并形成活性氧，過量的ROS既能直接破壞PSII[20]，也可以抑制D1蛋白再循環[21]，最終導致光破壞。

有研究表明，PSII到PSI的電子傳遞速率的降低保護PSI免受進一步的光抑制[22]。但也有研究表明，當PSII的活性被抑制至一定程度，PSII到PSI的電子流被嚴重阻斷，PSI的受體側無法正常的接受電子，使得PSI的光合作用無法正常完成[23]。本試驗發現，淹澇脅迫對PSI的最大光氧化P700+(Pm)前期影響較小，在處理6 d才出現顯著性影響，淹澇強光交互脅迫處理后，Pm顯著下降。造成這種現象的原因可能有兩方面：一是在淹澇脅迫下，PSII活性受到了抑制，降低了PSII到PSI的電子傳遞速率（圖2C），使得PSI的活性雖然受到了一定程度的抑制，但是影響不顯著。淹澇強光交互作用后，葉片兩個光系統間激發能分配不平衡性顯著增加（圖4），PSII活性中心受抑制嚴重，PSI和PSII的光能分配出現嚴重失衡，葉片吸收的光能不能有效地從PSII傳遞到PSI，導致由PSII傳遞給PSI的電子大量減少，PSI不能有效的進行光合作用；二是在淹澇強光脅迫下，產生大量無法有效利用的光能，這些能量以電子的形式存在于電子傳遞鏈中并形成活性氧，過量的活性氧會攻擊PSI活性中心，抑制PSI的活性。二者協同作用，造成PSI最大光氧化P700+受到抑制。

圖5 淹澇和強光交互作用對葡萄品種非光化學淬滅（NPQ）的影響Figure 5 Interaction effect of water-logging and high light stress on non-photochemical quenching (NPQ) in leaves

NPQ表示PSII天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞，而是通過光保護途徑以熱的形式耗散掉的光能所占的比例，反映PSII處理過剩光能的能力。因此，NPQ可作為光保護能量耗散的重要指標。試驗結果表明，NPQ隨著淹澇及淹澇后強光脅迫時間的增加不斷上升，說明淹澇強光脅迫下，光系統通過提高熱耗散來進行光保護。且淹澇強光交互脅迫3 d后使得PSII的可調節能量耗散的量子產率Y（NPQ）變為下降趨勢，不可調節能量耗散的量子產率Y（NO）變為上升趨勢，表明淹澇脅迫處理的葉片還能通過熱耗散來進行自我調節，但淹澇強光交互脅迫后，依賴光保護的熱耗散機制并不能耗散掉所有的光能，隨著強光脅迫時間的延長，過剩光能的比例越來越高，葉片光抑制加劇。

綜上所述，淹澇脅迫使葡萄葉片光系統II和光系統I的活性產生了抑制作用；葡萄葉片在淹澇過程中受到強光照射后，強光導致了PSII的光抑制和反應中心失活，進一步加劇了PSI的抑制。