石地錢Reboulia hem isphaerica光系統(tǒng)Ⅱ對氮沉降的響應特征＊

雷純義,劉蔚秋,劉濱揚,張以順

(1.廣東黑石頂省級自然保護區(qū),廣東肇慶526536;2.中山大學生命學科學學院,廣東廣州510275;3.暨南大學生態(tài)學系,廣東廣州510632)

人為排放的氮(N)對大氣造成的污染日趨嚴重,全球化的大氣N沉降增加已引起廣泛關注[1]。高氮對植物的代謝產(chǎn)生很大的影響,如改變光合速率、提高膜透性、改變細胞pH值、導致營養(yǎng)元素比例改變等[2-3]。由于苔蘚植物沒有角質層等保護性結構,主要從空氣中吸收養(yǎng)分,因此多數(shù)苔蘚植物對N沉降的敏感度遠高于維管植物[4-6]。苔蘚植物在氮過量時,不僅對氮代謝產(chǎn)生顯著影響,導致硝酸還原酶誘導活性降低,總氮含量下降,同時對碳代謝過程亦產(chǎn)生顯著影響,使光合速率降低,淀粉含量下降而可溶性糖含量上升[7]。

葉綠素熒光誘導動力學是Kautsky于1931年發(fā)現(xiàn),也稱為Kautsky效應[8]。葉綠素熒光技術被認為是檢測植物光合機構,特別是光系統(tǒng)Ⅱ行為的有效工具。近年來發(fā)展起來的針對快速葉綠素熒光誘導曲線的數(shù)據(jù)分析和處理方法—J IP-測定(J IP-test)為深入研究光合作用原初反應提供了有力的工具。但目前尚未見有人從葉綠素熒光動力學的角度研究氮沉降對植物光合機構的影響。石地錢Reboulia hem isphaerica(L.)Raddi廣泛分布于我國華南地區(qū),本文研究了其在模擬N沉降條件下的葉綠素熒光動力學特征,分析過量氮對其光合機構及過程的影響,探討過量氮對植物光合系統(tǒng)的影響機理。

1 實驗材料及方法

1.1 研究地概況

研究地設立于廣東省肇慶市封開縣七星鎮(zhèn)內(nèi)的黑石頂自然保護區(qū),地理位置23°27′N,111°53′E,海拔145～927 m,屬南亞熱帶濕潤季風氣候,年均氣溫19.6℃,年降雨量1 743.8 mm,年均相對濕度在80%以上。自然概況見有關文獻[9-10]。保護區(qū)內(nèi)平均每年雨水氮沉降中,氨態(tài)氮為4.74 kg·hm-2(以N質量計,下同),硝態(tài)氮為5.58 kg·hm-2(以N質量計,下同,未發(fā)表數(shù)據(jù))。

1.2 樣地設置及處理

1.2.1 樣地設置 于2006年2月在保護區(qū)北緣海拔200 m處路邊自然生長石地錢Reboulia hem isphaerica(L.)Raddi的石坡上設置樣地。N處理設1個對照及3個N處理水平(20 kg·hm-2·a-1,40 kg·hm-2·a-1,60 kg·hm-2·a-1),每種處理設3個重復,共設立樣地12個。每個樣地面積為30 cm×60 cm。

1.2.2 加氮處理 于2006年5月-2008年2月間分8次進行加樣處理(每年4次),每次加氮量分別為0,5,10,15 kg·hm-2,分別配成不同濃度的NH4NO3溶液200 mL用手持式噴霧器均勻噴灑至樣地。

1.3 葉綠素熒光測定

葉綠素熒光利用植物效率儀(PEA,Hansatech公司,英國)于室溫下測定。在最后一次加氮處理的15 d后,于各樣地分別選取生長正常,長勢在該樣地中較好的植株,每個樣地選3份材料進行測定,測定前材料暗適應20 min。

葉綠素熒光誘導曲線依據(jù)J IP-測定進行分析,O、J、I、P分別是指照光初始時、2 ms時、30 ms時及1 s時的熒光值。本文利用的參數(shù)主要包括:①單位反應中心吸收的光能(ABS/RC),捕獲的光能(TR0/RC),用于電子傳遞的能量(ET0/RC)和熱耗散能量(D I0/RC);②單位材料面積吸收的光能(ABS/CS),捕獲的光能(TR0/CS),用于電子傳遞的能量(ET0/CS)和熱耗散能量(D I0/CS);③最大光化學效率(φP0),反應中心捕獲的激子中用于推動電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA—的其它電子受體的激子占用于推動QA還原激子的比率(ψ0),用于熱耗散的量子比率(φD0),用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(φE0);④以吸收光能為基礎的性能指數(shù)PIabs,及其推動力指數(shù)DFabs。各參數(shù)的計算參見有關文獻[11-12]。

圖1 加氮2 a后石地錢葉綠素熒光平均誘導曲線Fig.1 Chlorophyll fluorescence kinetics(mean curves)of Reboulia hem is phaericaafter two years ofN treatment

2 結果與分析

2.1 葉綠素a熒光誘導曲線

由圖1可見,對照及低N處理的石地錢葉綠素熒光誘導曲線的形狀相似,但是低氮處理材料的總體熒光值高于對照材料。中氮和高氮處理材料不僅在起始點F0的值高于對照及低N處理材料,誘導曲線形狀亦明顯異于后者,前者在J-I點間呈下降趨勢,至I點后又上升至P點,而后者不存在明顯的I點,在J-P期間熒光值持續(xù)上升。O點熒光值反映了PSⅡ反應中心接受光量子的最大限度,隨加N濃度升高F0依次升高顯示加N導致石地錢在PSⅡ反應中心完全開放時接受光量子的能力減小,而中高氮處理使誘導曲線的形狀發(fā)生改變,特別是J-P點間的變化說明此時PSⅡ反應中心電子受體側(包括初級醌受體QA,次級醌受體QB和質體醌PQ)的氧化還原狀態(tài)及異質性發(fā)生變化[13]。

2.2 葉綠素a熒光J IP-測定

由于J IP測定獲得的數(shù)據(jù)量大,常用雷達圖對多個參數(shù)進行分析。由圖2可見,加氮使單位反應中心吸收的光能(ABS/RC)升高,對單位反應中心捕獲的光能(TR0/RC)影響不大,但使單位面積反應中心的數(shù)量(RC/CSm)下降,最終導致單位面積捕獲的光能(TR0/CSm)降低,同時捕獲的光能中用于傳遞到電子傳遞鏈后的電子受體的比率(ψ0)、用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(φE0)單位面積和單位反應中心的量子產(chǎn)額均大幅降低(ET0/CSm,ET0/RC),而單位面積的熱耗散/CSm)及用于熱耗散的能量比例(φD0)大幅上升,導致性能指數(shù)(PIabs)大幅下降,其中40和60 kg·hm-2·a-1處理使PIabs降至僅為對照的8%和3%左右,可見光系統(tǒng)Ⅱ的光合效率受到嚴重抑制。

性能指數(shù)的推動力(DFabs)可以分解成3個部分,RC/ABS(吸收單位光能的反應中心數(shù)),φP0/(1-φP0)和ψ0/(1-ψ0)[12],由圖3可見加氮使組成DF的三個部分均減小,但以ψ0/(1-ψ0)的變化最明顯,而ψ0反映捕獲的光能中用于推動電子傳遞鏈中后的電子傳遞的比率,說明后面的反應對加氮最為敏感。

3 結 論

植物光合作用受有效氮的強烈影響[14],在對種子植物的研究中發(fā)現(xiàn),一定量氮沉降使可使組織葉綠素含量升高,凈光合速率增加,但過量氮沉降則會產(chǎn)生相反的效應[6,15]。本研究結果表明,模擬氮沉降對石地錢光系統(tǒng)Ⅱ產(chǎn)生明顯影響,特別是40和60 kg·hm-2·a-1處理對地錢造成嚴重脅迫。一方面導致單位單位面積捕獲的光能降低,另一方面加氮導致PSⅡ反應中心電子受體側的氧化還原狀態(tài)及異質性發(fā)生變化,使電子傳遞鏈受到破壞,葉片吸收的光能無法在電子傳遞鏈中消耗,迫使其大幅升高熒光和熱耗散的比率以消耗掉電子傳遞鏈中的能量,且以后面的反應對加氮最為敏感。

[1] GALLOWAYJ N,COWL ING EB.Reactive nitrogen and the world:200 years of change[J].Ambio,2002,31:64-71.

[2] SOARES A,PEARSON J.Short-term physiological responses of mosses to atmospheric ammonium and nitrate[J].Water,Air and Soil Pollution,1997,93:225-254.

[3] PEARCE I S K,WOOD IN S J,VAN DER WAL R.Physiological and growth responses of the montane bryophyteRacom itriumlanuginosumto atmospheric nitrogen deposition[J].New Phytologist,2003,160:145-155

[4] LEE J A,CAPORN S J M.Ecological effects of a tmospheric reactive nitrogen deposition on semi-natural terrestrial ecosystems[J].New Phytologist,1998,139:127-134.

[5] SKR INDO A,?KLAND R H.Effects of fertilization on understorey vegetation in a Nor wegian Pinus sylvestris forest[J].Applied Vegetation Science,2002,5:167-172.

[6] TOMASSEN H B M,S MOLDERS A J P,LAMERS L P M,et al.Stimulated growth of Betula pubescensand Molinia caeruleaon ombrotrophic bogs:role of high levels of a tmospheric nitrogen deposition[J].Journal of Ecology,2003,91:357-370.

[7] 劉濱揚,劉蔚秋,雷純義,等.三種苔蘚植物對模擬N沉降的生理響應[J].植物生態(tài)學報,2009,33(1):141-149.

[8] KAUTSKY H,H IRSCH A.Neue Versuche zur Kohlens?ureassimilation[J].Naturwissenschaften,1931,19:96

[9] 劉雄恩,王伯蓀.黑石頂自然保護區(qū)植被分類系統(tǒng)和主要類型及分布[J].生態(tài)科學,1987(1/2):19-34.

[10] L I Z H,PIIPPO S.Preliminary list of bryophytes of Heishiding Nature Reserve,Guangdong Province,China[J].Tropical Bryology,1994,9:35-41.

[11] VAN HEERDEN P D R,STRASSER R J,KRüGER G H J.Reduction of dark chilling stress in N2-fixing soybean by nitrate as indicated by chlorophyll a fluorescence kinetics[J].Physiologia Plantarum,2004,121:239-249.

[12] 李鵬民,高輝遠,STRASSER R J.快速葉綠素熒光誘導動力學分析在光合作用研究中的應用[J].植物生理學與分子生物學學報,2005,31(6):559-566.

[13] STRASSER RJ,SR IVASTAVA A,GOV INDJEE.Polyphasic chlorophyll a fluorescence transient in plants and cyanobacteria[J].Photochemistry and Photobiology,1995,61(1):32-42.

[14] LAMBERS H,STUART CHAP IN I I I F,PONS T L.Plant physiological Ecology[M].New York:Springerverlag,1998:10-95.

[15] 樊后保,黃玉梓.陸地生態(tài)系統(tǒng)氮飽和對植物影響的生理生態(tài)機制[J].植物生理與分子生物學學報,2006,32(4):395-402.