典型巖溶濕地植物狹葉香蒲對鈣脅迫的光合熒光響應*

彭 博 徐鳴洲 王 妍 王艷霞# 劉云根，2

(1.西南林業大學生態與環境學院，云南 昆明 650224;2.云南省山地農村生態環境演變與污染治理重點實驗室，云南 昆明 650224)

葉綠素熒光動力學作為一種非破壞性的評價方法，可以在脅迫環境下準確、快速地了解植物光合作用能量吸收、傳遞、耗散、分配，與“表觀性”的氣體交換指標相比，葉綠素熒光參數更具有反映“內在性”的特點[15]，在環境穩定或環境因素波動的情況下快速靈敏準確地研究和探測植物狀況。本研究以巖溶濕地典型挺水植物狹葉香蒲為對象，研究了狹葉香蒲在高鈣環境下的光合特征和響應，有助于進一步認識和了解挺水植物在濕地生態系統中的功能，為巖溶生態系統構建提供理論指導和技術參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試植物

狹葉香蒲系多年生草本植物，水生或旱生，根狀莖呈乳黃色、灰黃色，前段白色。地上莖直立，粗壯，高1.2～2.5 m。在云南中部高原地區，狹葉香蒲生長周期較為穩定，幼苗期、花果期、枯黃期分別在4月中旬至6月上旬、6月中旬至9月下旬、10月上旬至12月上旬。本研究供試狹葉香蒲取自昆明市泛亞苗圃基地，挑選生長狀況及培養時間相近的幼株，試驗前先緩苗14 d。

1.1.2 供試土樣

供試土樣取自昆明市盤龍區海拔1 900 m的呼馬山低洼沼澤地段表層(0～20 cm)，采樣后土樣在陰涼條件下自然晾干，通過錘碎、磨細后過4 mm篩備用，供試土樣基本性質見表1。

表1 供試土樣基本性質

1.2 試驗設計

通過向供試土樣中添加Ca(NO3)2·4H2O的方式，設置8個不同鈣脅迫處理，分別為0(空白對照)、300、600、900、1 200、1 500、1 800、2 100 mg/kg，每個梯度設置3個重復。試驗裝置為圓柱形聚氯乙烯培養桶(半徑8.0 cm，高23.0 cm)，每個桶中放置3.5 kg供試土樣，灌水5 L，使土壤處于水淹狀態，熟化2周后在每個培養桶中栽種性狀基本一致的香蒲6株，模擬構建濕地植物-水-底泥體系。試驗過程中每個處理組的光照、通風條件一致，白天培養溫度(25±5) ℃，夜晚培養溫度(15±5) ℃，試驗共進行90 d，每30 d為一個周期，測定狹葉香蒲葉綠素含量和快速葉綠素熒光參數。葉綠素含量采用無水乙醇法(Amon法)提取并測定[16]；快速葉綠素熒光誘導動力學(OJIP)曲線由美國Opti-science公司生產的OS5P+便攜式脈沖調制葉綠素熒光儀測取。

2 結果與分析

2.1 鈣脅迫對狹葉香蒲葉綠素含量的影響

植物中葉綠素的含量在一定程度上反映了其光合作用的程度，葉綠素含量高，植物光合作用強，植物長勢好[17]。此外，植物耐營養鹽的特性也與植物葉片光合作用有密切聯系，從而影響植物的生長[18]。由圖1可見，在相同鈣脅迫濃度下，培養時間對狹葉香蒲中葉綠素含量的影響呈現出不同的規律，在相對較低水平的鈣脅迫(0～900 mg/kg)下，培養60 d的狹葉香蒲葉綠素含量最大，而在較高水平的鈣脅迫(1 200～1 800 mg/kg)下，長時間的培養有助于植物抵抗鈣脅迫，隨培養時間延長，狹葉香蒲葉綠素含量逐漸增加。可見，狹葉香蒲生活在一定濃度的營養鹽中，可使葉綠素增加和捕獲的光能增加并進行較高效的光合作用，有助于植物生長。

圖1 不同鈣脅迫水平下狹葉香蒲的葉綠素質量濃度Fig.1 Mass concentration of Typha angustifolia L. chlorophyll under different levels of calcium stress

在相同培養時間下，狹葉香蒲中葉綠素含量隨鈣脅迫濃度的增加也呈現出不同變化趨勢。對于培養30 d的狹葉香蒲，其葉綠素含量隨鈣脅迫濃度的增加總體呈下降趨勢，在300～2 100 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲中葉綠素含量與空白對照組相比下降2%～51%；對于培養60、90 d的狹葉香蒲，隨著鈣脅迫質量濃度從300 mg/kg增至2 100 mg/kg，葉綠素含量總體呈先上升后下降的趨勢。當培養60 d時，狹葉香蒲在900 mg/kg鈣脅迫下葉綠素質量濃度最高，為29.18 mg/g，培養達90 d時的狹葉香蒲在1 200 mg/kg鈣脅迫下葉綠素質量濃度最高，為32.67 mg/g，比相同培養時間下的空白對照組多出123%。

狹葉香蒲在中等鈣脅迫(900～1 800 mg/kg)下開啟自我防御機制，使其在長時間的脅迫過程中呈現一定的抗逆性，總體生長良好，葉綠素質量濃度增加；在高水平鈣脅迫(2 100 mg/kg)下，不同培養時間的狹葉香蒲可以生存，但生長緩慢，葉綠素含量與空白對照組相比均顯著降低(p<0.05)，表明狹葉香蒲自身調節能力具有一定局限，即調節能力存在一定的閾值，若超過閾值則無法正常進行生命活動，無法正常生長。AGASTIAN等[19]的研究指出，造成葉綠素含量降低的原因可能是高濃度鈣脅迫打破了植物根系離子間平衡，從而限制了鐵離子向原卟啉分子運輸。葉綠素含量降低減少葉片對光子的捕獲，進而降低光合機構受光氧化的破壞，這也是植物適應干旱和強光脅迫的一種光保護調解機制[20]。由以上分析得出，不同條件下，耐營養鹽能力強弱與光合作用的強弱聯系密切，葉綠素可作為觀測高鈣環境中挺水植物研究的一項重要指標。

2.2 鈣脅迫對狹葉香蒲OJIP曲線的影響

植物的OJIP曲線可以反映植物光系統Ⅱ(PSⅡ)的原初光化學反應及光合機構電子傳遞狀態等過程[21]。圖2為培養30、60、90 d狹葉香蒲的OJIP曲線。由圖2可知：(1)培養90 d的狹葉香蒲，在不同鈣脅迫水平下熒光強度均迅速上升，在快速熒光0.1 s后達到1 500以上。(2)培養60、90 d的狹葉香蒲，在2 100 mg/kg鈣脅迫下OJIP曲線初始斜率最低，此時光合電子最大傳遞效率較小，光合能力較弱。(3)隨著培養時間的延長，不同水平鈣脅迫下狹葉香蒲OJIP曲線差異變小，1 500～2 100 mg/kg處理組上升趨勢較大。培養30 d的狹葉香蒲，不同水平鈣脅迫下熒光強度有所差距；培養90 d的狹葉香蒲OJIP曲線趨勢較集中。可見狹葉香蒲在長時間脅迫下通過自身調節應對不同濃度脅迫從而提高自身光合和捕獲光子能力，且在不同脅迫水平下達到相近熒光強度，緩解葉綠素熒光產額下降，繼續維持體內正常化學反應和生理機能。

圖2 狹葉香蒲葉片在不同水平鈣脅迫下的OJIP曲線Fig.2 The OJIP curve of Typha angustifolia L. leaves under different levels of calcium stress

2.3 鈣脅迫對狹葉香蒲PSⅡ核心熒光參數的影響

參考文獻[22]，計算狹葉香蒲PSⅡ在不同鈣脅迫水平及不同培養時間下的最大光化學效率(Fv/Fm)，結果見圖3。由圖3可知，狹葉香蒲Fv/Fm平均值在0.616～0.842，總體變化較穩定。在300～1 200 mg/kg的鈣脅迫下Fv/Fm基本持平在0.808～0.842，相比其他水平的鈣脅迫處理，變化相對穩定。隨著鈣脅迫水平增加，Fv/Fm出現下降趨勢并在2 100 mg/kg處理組出現最低值(0.616)。這是因為隨著鈣脅迫水平增加，狹葉香蒲內葉綠素含量降低，集光色素捕獲的光子減少，使PSⅡ光反應中心有效光能轉化效率下降，從而導致Fv/Fm下降[23]。Fv/Fm通常用來反映植物受外界脅迫的程度[24]，一般為0.80～0.85，當植物遭受脅迫后將明顯下降。從圖3可見，300～1 200 mg/kg鈣脅迫下狹葉香蒲的Fv/Fm在正常區間，說明此濃度下挺水植物狹葉香蒲反應中心受損程度小，有較大光化學量子效率以進行光合作用；2 100 mg/kg鈣脅迫下Fv/Fm顯著降低，反映了PSⅡ反應中心電荷分離的實際量子效率降低，最終影響到自身生長。

圖3 不同鈣脅迫水平下狹葉香蒲的Fv/Fm變化Fig.3 Changes of Fv/Fm of Typha angustifolia L. under different levels of calcium stress

參考文獻[25]，利用葉綠素熒光動力學參數計算狹葉香蒲PSⅡ在不同鈣脅迫濃度下單位反應中心吸收的光能(ABS/RC)、單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量(ET0/RC)以及單位截面用于電子傳遞的能量(ET0/CS)，結果見圖4。在不同鈣脅迫水平下，狹葉香蒲的ABS/RC與ET0/RC變化趨勢相似。對于培養30 d的狹葉香蒲，隨著鈣脅迫水平增加，ABS/RC與ET0/RC總體呈上升趨勢，并在2 100 mg/kg達到最大值，說明狹葉香蒲表現出較明顯抗逆性。培養過程中，狹葉香蒲ET0/CS相對較高，900～1 200 mg/kg的鈣脅迫處理下，狹葉香蒲ET0/CS基本維持在203.284～226.421，且培養時間對ET0/CS的影響不顯著(p>0.05)。隨著鈣脅迫質量濃度提高到1 500 mg/kg，狹葉香蒲ET0/CS均達到相對低值，說明鈣脅迫對于狹葉香蒲的生長發育產生阻礙作用，植物通過降低光能吸收，以保護光合器官不會受到破壞。進一步提高鈣脅迫質量濃度，狹葉香蒲ET0/CS有所升高，且不同培養時間下的差異逐漸增大，可見植物已經逐漸適應高鈣環境，啟動維持自身生命活動的生理機制。

圖4 不同鈣脅迫水平下狹葉香蒲ABS/RC、ET0/RC和ET0/CS的變化Fig.4 Changes of ABS/RC，ET0/RC and ET0/CS of Typha angustifolia L. under different levels of calcium stress

綜上得出，在不同鈣脅迫水平下，狹葉香蒲的熒光參數存在相應變化，總體看來，900～1 200 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲在不同培養時間的熒光參數都較為穩定，1 800～2 100 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲熒光參數隨著培養時間的變化出現波動且不穩定。

3 結 論

(1) 不同水平鈣脅迫下，狹葉香蒲葉片葉綠素含量指標變化有較明顯差異。狹葉香蒲在鈣脅迫下導致生命活動和各種生理反應受到了阻礙，隨著鈣脅迫水平和培養時間的增加，葉綠素質量濃度最高可達32.67 mg/g。900～1 800 mg/kg的鈣脅迫下培養一段時期后生長較良好，更高濃度鈣脅迫(2 100 mg/kg)處理下，狹葉香蒲可以生存，但生長緩慢。因此在鈣脅迫水平為900～1 800mg/kg外界環境中可以優先考慮建植挺水植物狹葉香蒲。

(2) 鈣脅迫對香蒲OJIP曲線的影響明顯，培養30 d的狹葉香蒲，不同水平鈣脅迫下熒光強度有所差距，培養90 d的狹葉香蒲OJIP曲線趨勢較集中，狹葉香蒲在脅迫環境中可在一定時間內通過自身調節來提高光合和捕獲光子能力，緩解葉綠素熒光產額下降，繼續維持體內正常化學反應和生理機能。

(3) 鈣脅迫對狹葉香蒲的光合特性和葉綠素熒光參數影響明顯，總體看來900～1 200 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲在不同培養時間的熒光參數都較為穩定，1 800～2 100 mg/kg的鈣脅迫下，狹葉香蒲熒光參數隨著培養時間的變化出現波動且不穩定。可見，隨著鈣脅迫時間增加以及脅迫水平增大，狹葉香蒲通過對自身調整以及電子傳遞限制，降低對PSⅡ的損傷，提高對鈣脅迫的耐受性，但其自身調節具有一定能力局限，即調節能力存在一定的閾值，若超過閾值則無法正常進行生命活動。