毛竹苗期NPQ和ETR特征初步研究

鄭波 高志民

(國(guó)際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心 國(guó)家林業(yè)局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 100102 北京)

竹子是重要的森林資源，目前已經(jīng)成為木材資源的有益補(bǔ)充，在發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)保護(hù)中都發(fā)揮著重要作用。竹子主要分布在低緯度的熱帶或亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，種植區(qū)在春、夏、秋季常持續(xù)出現(xiàn)高溫高光天氣，會(huì)直接影響竹子的生長(zhǎng)，因此,研究光照對(duì)竹子光合作用的影響對(duì)于提高其對(duì)光能的利用效率具有重要意義。

在光合作用過程中，綠色植物利用光能將水和空氣中的二氧化碳合成碳水化合物并釋放氧氣,光合作用是植物光合器官利用光能驅(qū)動(dòng)合成有機(jī)化合物的復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。然而，過量的光能會(huì)抑制光合作用，降低光合效率，即光抑制，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成光合機(jī)構(gòu)的光氧化破壞[1]。為適應(yīng)復(fù)雜多變的光脅迫環(huán)境，竹子形成了多種保護(hù)機(jī)制，其中非光化學(xué)猝滅(NPQ)是最為重要的自我保護(hù)機(jī)制之一，即光合機(jī)構(gòu)通過熱耗散將吸收的過剩光能以熱的形式耗散掉，從而緩解環(huán)境對(duì)光合作用的不良影響，對(duì)光合結(jié)構(gòu)起一定的保護(hù)作用。由于熱耗散不是把能量用于光化學(xué)反應(yīng)，所以也被稱為非光化學(xué)猝滅(NPQ)，NPQ反映了植物耗散過剩光能為熱的能力和光保護(hù)能力。

研究表明，植物對(duì)光強(qiáng)的反應(yīng)與它在光下通過非光化學(xué)猝滅增加耗散過剩光能的能力有密切關(guān)聯(lián)[2]。表觀光合電子傳遞速率（ETR）反映光照條件下的表觀電子傳遞效率, 與植物凈光合速率呈顯著正相關(guān)[3]。ETR還與光合作用中的循環(huán)式光合電子傳遞和抗壞血酸的電子傳遞過程有關(guān)[4]。研究竹子NPQ與ETR的變化規(guī)律，對(duì)于揭示竹子的光防御機(jī)制和光能利用效率具有重要意義。

因此，本研究利用葉綠素?zé)晒鈨x對(duì)毛竹苗期的葉綠素?zé)晒鈪?shù)NPQ和ETR進(jìn)行了測(cè)定，目的在于揭示竹子光合機(jī)構(gòu)在不同光照強(qiáng)度條件下NPQ和ETR的變化規(guī)律,為尋求合理的種苗培育條件提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

通過購(gòu)買毛竹種子，在本實(shí)驗(yàn)室播種于直徑為10cm的塑料盆中，以蛭石為培養(yǎng)介質(zhì)，用1/3 B5培養(yǎng)液培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25℃，光周期為光/暗=16h/8h。6個(gè)月的實(shí)生苗用于試驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用Imaging-PAM(WALZ，德國(guó))測(cè)定毛竹實(shí)生苗的葉片非光化學(xué)猝滅(NPQ)和表觀光合電子傳遞速率（ETR）。將葉片經(jīng)過黑暗適應(yīng)12 h后，采用不同的光照強(qiáng)度（0、5、100、200、300 … 1800 μmol.m-2s-1）處理，分別獲取葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，每個(gè)光照強(qiáng)度處理時(shí)間為1min。另外，將葉片經(jīng)過黑暗適應(yīng)12h后，用低強(qiáng)度的光（200μmol.m-2s-1），進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化的測(cè)定時(shí)（每隔20s測(cè)定一次），所有指標(biāo)測(cè)定均重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照強(qiáng)度下NPQ和ETR的特征

有研究表明植物體可以通過LHCⅡb的可逆磷酸化過程遷移在光系統(tǒng)Ⅰ與光系統(tǒng)Ⅱ之間，動(dòng)態(tài)分配兩個(gè)光系統(tǒng)的激發(fā)能，當(dāng)從優(yōu)先激發(fā)光系統(tǒng)Ⅱ轉(zhuǎn)向優(yōu)先激發(fā)光系統(tǒng)Ⅰ時(shí)，一個(gè)激酶系統(tǒng)活化并磷酸化一部分LHCⅡb，并與光系統(tǒng)Ⅰ結(jié)合[5,6]。毛竹葉片經(jīng)過12h暗適應(yīng)后，測(cè)量其在不同的光照強(qiáng)度下的NPQ，結(jié)果表明：隨著光照強(qiáng)度的逐漸增加，NPQ也隨之呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)（圖1）。表明隨著光照強(qiáng)度的增加，激發(fā)能由光系統(tǒng)Ⅱ向光系統(tǒng)Ⅰ分配比例增加，光系統(tǒng)Ⅱ的熒光逐漸降低，相對(duì)NPQ不斷增加。

圖1 NPQ隨光照強(qiáng)度的變化

圖2 ETR隨光照強(qiáng)度的變化

圖3 NPQ隨時(shí)間的變化

圖4 ETR隨時(shí)間的變化

ETR則呈現(xiàn)先上升，約在600μmol.m-2s-1時(shí)達(dá)到最大值，即到達(dá)光飽和；之后平穩(wěn)下降，至1100μmol.m-2s-1后迅速下降，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到1700μmol.m-2s-1時(shí)降至為零，說明電子傳遞終止（圖2），明顯抑制毛竹葉片光化學(xué)反應(yīng)啟動(dòng)速率，降低毛竹葉片光能利用率。在低光條件下（＜600μmol.m-2s-1），ETR基本隨著光照強(qiáng)度的增大而呈線性增加，但在較強(qiáng)的光照下這種增加變緩并且電子傳遞能力逐漸達(dá)到飽和（600μmol.m-2s-1），光照再增加，ETR開始逐漸下降，從1100μmol.m-2s-1之后迅速下降，至1700μmol.m-2s-1將為零。

2.2 較低光照強(qiáng)度下NPQ和ETR的特征

用低強(qiáng)度的光（200μmol.m-2s-1）處理后，毛竹葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定結(jié)果表明，在弱光下光化學(xué)反應(yīng)能量相對(duì)份額下降最小，使得NPQ份額相對(duì)增大，但弱光下NPQ和ETR較強(qiáng)光（600μmol.m-2s-1）下均有所下降，其中NPQ則呈現(xiàn)先上升，在20～80s內(nèi)迅速達(dá)到最大值，之后逐漸下降，至380s時(shí)趨于平穩(wěn)（圖3）。表明暗適應(yīng)后，在幾十秒內(nèi)低強(qiáng)度的光尚未用于光化學(xué)反應(yīng)即通過非光化學(xué)淬滅而釋放，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，光化學(xué)反應(yīng)能量相對(duì)份額逐漸增加，NPQ份額逐漸下降并趨于平穩(wěn)。

ETR則呈現(xiàn)先迅速上升，在20～40s時(shí)略有下降，40s之后又逐漸上升，至380s時(shí)趨于平穩(wěn)（圖4）。弱光下生長(zhǎng)的毛竹葉片的電子傳遞速率的光飽和點(diǎn)低于強(qiáng)光照下的葉片，相應(yīng)的飽和電子傳遞速率也較低，光能利用能力也較低，其非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ也明顯降低，而其光能吸收能力增強(qiáng)，但較低的光能利用能力和過剩光能耗散能力導(dǎo)致其容易發(fā)生光抑制甚至光破壞。

3 小結(jié)與討論

光合作用過程的各個(gè)步驟密切偶聯(lián)，因此任何一步的變化都會(huì)影響到光系統(tǒng)II從而引起熒光變化，也就是說通過葉綠素?zé)晒鈳缀蹩梢蕴綔y(cè)所有光合作用過程的變化，因此，葉綠素?zé)晒馐枪夂献饔玫挠行结榌7,8]，是研究脅迫條件下毛竹光合作用的有效工具。

研究表明，活體葉綠素?zé)晒庵饕獊?lái)源于光系統(tǒng)Ⅱ（不是光系統(tǒng)Ⅰ），熒光產(chǎn)量與其他兩種激發(fā)途徑（光化學(xué)和熱耗散）密切相關(guān)，光合能力轉(zhuǎn)換和熱耗散都能降低熒光產(chǎn)量。在自然環(huán)境中，各種環(huán)境因子更為復(fù)雜，竹子對(duì)環(huán)境的適應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。光適應(yīng)可以導(dǎo)致光合器官發(fā)生顯著的變化，這可以明顯促進(jìn)光合活性（電子從光系統(tǒng)Ⅱ向后傳遞的速率增加）。飽和脈沖可以暫時(shí)關(guān)閉光系統(tǒng)Ⅱ，此時(shí)熒光猝滅只由熱耗散引起。在飽和脈沖的幫助下，光系統(tǒng)Ⅱ的量子產(chǎn)量可以在1秒內(nèi)得出。暗適應(yīng)狀態(tài)下得到的光系統(tǒng)II的量子產(chǎn)量最大，此時(shí)所有光系統(tǒng)Ⅱ處于開放狀態(tài)，并且熱耗散最小。暗適應(yīng)的葉片照光后，熒光產(chǎn)量先迅速上升隨后緩慢下降（Kautsky效應(yīng)），而光系統(tǒng)Ⅱ的量子產(chǎn)量首先迅速下降隨后緩慢上升。在較低的光照強(qiáng)度下，電子傳遞速率和光照強(qiáng)度基本呈線性關(guān)系，但在較強(qiáng)的光照強(qiáng)度下此線性關(guān)系不復(fù)存在，并且電子傳遞速率會(huì)達(dá)到飽和。由此表明，引起毛竹光抑制的原因除了NPQ之外，分配給光系統(tǒng)Ⅱ能量增加后進(jìn)一步促進(jìn)光系統(tǒng)Ⅱ可逆失活是非常重要的因素。

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