歐洲云杉PSⅡ的熱穩(wěn)定性對(duì)溫度升高的響應(yīng)*

賈子瑞 王 亞 馬建偉 安三平 胡繼文 王軍輝

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 北京 100091； 2.林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091； 3.甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所 天水741020； 4. 甘肅省次生林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天水 741020)

氣候變暖顯著影響溫帶、寒溫帶和高山森林的生長(zhǎng)發(fā)育和健康(Leemansetal., 2004； Kauretal., 2017； Ponocnáetal., 2016)。根據(jù)氣候變化對(duì)物種、生態(tài)系統(tǒng)和陸地景觀以及相應(yīng)的溫度和降水模式的影響，溫帶和北方森林對(duì)氣候變化最為敏感，尤其溫帶和寒溫帶針葉林更易受到顯著影響(Leemansetal., 2004)。氣候變暖對(duì)寒溫帶地區(qū)樹(shù)木的影響依樹(shù)種不同而異，如對(duì)松(Pinus)和樺(Betula)有利，對(duì)冷杉(Abies)的影響不大，對(duì)云杉(Picea)和山毛櫸(Fagus)則不利(Carreretal., 2012； Takahashietal., 2013； Camareroetal., 2015； Ziacoetal., 2016； Franketal., 2017； Kolaretal., 2017； Ponocnáetal., 2016)。云杉屬全世界約35種，主要分布于北半球的亞熱帶高海拔、溫帶和北方地區(qū)(鄭萬(wàn)鈞等，1978； Tayloretal., 1994)，我國(guó)有18種，其中7個(gè)特有種，2個(gè)引進(jìn)栽培種； 歐洲云杉(P.abies)在我國(guó)引種后成功馴化，其適應(yīng)性和長(zhǎng)勢(shì)超過(guò)了許多鄉(xiāng)土云杉種(李青粉等， 2012； 祁萬(wàn)宜等， 2006)。但作為北半球一種重要的經(jīng)濟(jì)生態(tài)樹(shù)種，正面臨氣候變化產(chǎn)生的威脅(Tjoelkeretal., 2007; Bollietal., 2007)。

高溫脅迫是影響植物光合作用的重要因素之一，葉綠體光合活性是高等植物的熱敏感部位，很容易被熱脅迫摧毀破壞。 光合系統(tǒng)的PSⅡ、PS I、電子傳遞鏈、ATP合成、碳固定等其他組分對(duì)熱脅迫都很敏感，尤其PSⅡ更易被高溫摧毀(Ashrafetal., 2013、Mathuretal., 2014)。因此，研究在熱脅迫下PSⅡ的熱穩(wěn)定性，對(duì)促進(jìn)植物適應(yīng)未來(lái)氣候變暖十分必要。在應(yīng)用葉綠素?zé)晒鈱?duì)樹(shù)木PSⅡ熱激反應(yīng)的光合效率方面已有很多研究，例如： 短葉雪松(Cedrusbrevifolia)、黎巴嫩雪松(C.libani)和大西洋雪松(C.atlantica)(Ladjaletal., 2000)，橡樹(shù)(Quercuspalustris)(Daasetal., 2008)，花旗松(Pseudotsugamenziesii)和西部黃松(P.ponderosa)(Mariasetal., 2016), 歐洲冷杉(A.alba)(Konopkovaetal., 2018)等。目前，已對(duì)分布在中國(guó)的云杉屬紅皮云杉(P.koraiensis)、青木千(P.wilsonii)、青海云杉(P.crassifolia)、粗枝云杉(P.asperata)、紫果云杉(P.purpurea)、川西云杉(P.likiangensisvar.rubescens)、西藏云杉(P.spinulosa)、林芝云杉(P.likiangensis. var.linzhiensis)(楊毅， 2017)9個(gè)樹(shù)種的PSⅡ熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，但對(duì)歐洲云杉PSⅡ的熱穩(wěn)定性未展開(kāi)系統(tǒng)的研究。

本研究以5年生歐洲云杉幼苗為對(duì)象，應(yīng)用hand-PEA和image-PAM檢測(cè)其針PSⅡ熱反應(yīng)，并根據(jù)前人對(duì)松科植物熱激脅迫下PSⅡ熱穩(wěn)定性的研究，從40～54 ℃設(shè)定10個(gè)熱激脅迫的溫度梯度，來(lái)研究歐洲云杉PSⅡ的初始脅迫溫度和極限脅迫溫度以及熱損傷的敏感部位，為探討歐洲云杉在未來(lái)氣候變暖下的適應(yīng)能力提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇3個(gè)歐洲云杉無(wú)性系的5年生幼苗、每個(gè)無(wú)性系10個(gè)分生株，共計(jì)30個(gè)分生株，放入人工氣候室培養(yǎng)。培養(yǎng)條件是： 白天/夜間18/23 ℃變溫，光密度是640 μmol·m-2s-1，空氣相對(duì)濕度是40%，CO2濃度是370 μmol·mol-1。

1.2 熱激處理前對(duì)照設(shè)置

在人工氣候室培養(yǎng)2周的幼苗，應(yīng)用hand-PEA 和image-PAM檢測(cè)葉片的熒光參數(shù)和影像作為熱激處理前的對(duì)照，記為CG。

1.3 熱激臨界溫度的選擇

在熱激處理組(記為HS)中，將在人工氣候室培養(yǎng)過(guò)2周的3個(gè)無(wú)性系幼苗放入38 ℃培養(yǎng)箱中，在低光條件下預(yù)熱5 h(預(yù)熱能增強(qiáng)云杉屬植物的耐熱性)，光照強(qiáng)度215 μmol·m-2s-1，CO2濃度是370 μmol·mol-1，空氣相對(duì)濕度40%。然后在40、42、43、44、46、 48、 50、 52、53和 54 ℃下分別熱激30 mins，每個(gè)處理3個(gè)無(wú)性系(每個(gè)無(wú)性系1個(gè)分生株)。應(yīng)用image-PAM檢測(cè)熒光影像和PSⅡ的光化學(xué)能Y(Ⅱ)，熱耗散Y(NPQ)和熒光淬滅Y(NO)。選擇歐洲云杉幼苗的初始脅迫溫度、極限脅迫溫度2個(gè)閾值。

1.4 熱激后PSⅡ自行修復(fù)的測(cè)定

在熱激后的恢復(fù)組(記為RT)中，將熱激后選擇的2個(gè)臨界溫度處理的幼苗再次放入人工氣候室正常條件下培養(yǎng)2周(見(jiàn)1.1)。培養(yǎng)2周后的幼苗，用hand-PEA 和image-PAM檢測(cè)幼苗葉片的熒光參數(shù)和影像。研究歐洲云杉PSⅡ熱激后的自我修復(fù)能力。

1.5 熒光參數(shù)測(cè)定

1.5.1 熱激臨界溫度選擇 應(yīng)用image-PAM檢測(cè)PSⅡ的光化學(xué)能Y(Ⅱ)，熱耗散Y(NPQ)和熒光淬滅Y(NO)的熒光影像、參數(shù)和動(dòng)力學(xué)曲線，用來(lái)篩選初始和極限脅迫溫度，其中：

Y(NPQ)=1-Y(Ⅱ)-1/[NPQ+1+qL(Fm/F0-1)]，式中，Y(NPQ)為PSⅡ處調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量。

Y(NO)=1/(NPQ+1+qL(Fm/F0-1))，Y(NO)為非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量，且Y(Ⅱ)+Y(NPQ)+Y(NO)=1。

1.5.2 熱激臨界溫度下PSⅡ熒光參數(shù)測(cè)定 應(yīng)用Image-PAM檢測(cè)PSⅡ的熒光參數(shù)Fm、Fv/Fm、NPQ、qL和qP的影像，熒光參數(shù)NPQ、qL和qP動(dòng)力學(xué)曲線用來(lái)評(píng)估44和52 ℃熱激處理組與熱激處理后恢復(fù)組的熱損傷情況(2018)。各參數(shù)的計(jì)算如下：

Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm，

式中，F(xiàn)v/Fm為PSⅡ的最大量子產(chǎn)量，反映了植物的潛在最大光合能力。

應(yīng)用hand-PEA進(jìn)一步檢測(cè)葉片PSⅡ的熒光參數(shù)，各參數(shù)計(jì)算公式參考李鵬民等(2005)。ABS/RC是單位反應(yīng)中心吸收的光能； DI0/RC為單位反應(yīng)中心耗散掉的能量(在t=0時(shí))； TR0/RC為單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量(在t=0時(shí))； ET0/RC為單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量(在t=0時(shí))； RE0/RC用于熱耗散的量子比率(在t=0時(shí))； phi(P0)=Fv/Fm，代表初級(jí)光化學(xué)反應(yīng)的最大量子產(chǎn)量； psi(E0)=ψ0≡ET0/TR0，是捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過(guò)QA的其他電子受體的概率(在t=0時(shí))； phi(E0)=ET0/ABS，是用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(在t=0時(shí))； delta(R0)反應(yīng)中心吸收的能量用于熱耗散的比率(在t=0時(shí))； phi(R0)=RE0/ABS，代表天線色素(Chl)吸收能量(ABC)的光化學(xué)反應(yīng)的能力； ABS/CS0≈Fo，單位面積吸收的光能(在t=0時(shí))； DI0/CS0為單位面積的熱耗散(在t=0時(shí))； TR0/CS0為單位面積捕獲的光能(在t=0時(shí))； ET0/CS0為單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額(在t=0時(shí))； RE0/CS0代表熒光淬滅通量，它是被激發(fā)的單位橫截面積上熒光淬滅的通量(在t=0時(shí))； ABS/CSm≈Fm，單位面積吸收的光能(在t=m時(shí))； DI0/CSm為單位面積的熱耗散(在t=m時(shí))； TR0/CSm為單位面積捕獲的光能(在t=m時(shí))； ET0/CSm為單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額(在t=m時(shí))； RE0/CSm代表熒光淬滅通量，它是被激發(fā)的單位橫截面積上熒光淬滅的通量(在t=m時(shí))； PIABS是在吸收基礎(chǔ)上的執(zhí)行指數(shù)。

圖1 不同溫度梯度下Y(Ⅱ)、Y(NO) 和 Y(NPQ)的熒光影像Fig.1 Fluorescence image of Y(Ⅱ), Y(NO) and Y(NPQ) by image-PAM under different temperature gradients

1.6 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用image-PAM檢測(cè)來(lái)篩選臨界溫度的參數(shù)Y(Ⅱ)、Y(NPQ)和Y(NO)的熒光動(dòng)力學(xué)曲線和臨界溫度下參數(shù)NPQ、qL和qP的熒光動(dòng)力學(xué)曲線，應(yīng)用R語(yǔ)言軟件包中的ggplot2繪制。用處理組/對(duì)照組將各參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，再將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)應(yīng)用EXCEL繪制雷達(dá)圖。OJIP曲線也是標(biāo)準(zhǔn)化后應(yīng)用EXCEL進(jìn)行繪制的，標(biāo)準(zhǔn)化公式為Vt=(Ft-F0)/(Fm-F0)。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱激臨界溫度的選擇

圖2 不同溫度梯度Y(Ⅱ)、Y(NO) 和 Y(NPQ)的熒光動(dòng)力學(xué)曲線Fig.2 Kinetics curves of Y(Ⅱ), Y(NO) and Y(NPQ) under different temperature gradients

Y(NPQ)是光保護(hù)的重要指標(biāo)，若Y(NPQ)較高，一方面表明植物接受的光強(qiáng)過(guò)剩，另一方面則說(shuō)明植物仍可以通過(guò)調(diào)節(jié)(如將過(guò)剩光能耗散為熱)來(lái)保護(hù)自身； Y(NO)是光損傷的重要指標(biāo)，若Y(NO)較高，則表明光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和保護(hù)性的調(diào)節(jié)機(jī)制(如熱耗散)不足以將植物吸收的光能完全消耗掉，入射光強(qiáng)超過(guò)了植物能接受的程度，這時(shí)植物可能已經(jīng)受到損傷，或者(盡管還未受到損傷)繼續(xù)照光的話植物將要受到損傷； Y(Ⅱ)代表PSⅡ的光化學(xué)能力。應(yīng)用image-PAM對(duì)10個(gè)溫度梯度熱激脅迫下測(cè)定的參數(shù)Y(NPQ)、Y(NO)和Y(Ⅱ)的熒光影像和曲線進(jìn)行對(duì)比研究，見(jiàn)圖1、圖2。最終選擇了初始脅迫和極限脅迫的2個(gè)閾值。當(dāng)歐洲云杉幼苗在44 ℃熱激后與對(duì)照組比： 它的熒光影像開(kāi)始發(fā)生變化，Y(Ⅱ)和Y(NO)的影像開(kāi)始變淡； 并且它的PSⅡ的光化學(xué)能Y(Ⅱ)的熒光動(dòng)力學(xué)曲線開(kāi)始下降，熱耗散Y(NPQ)和熒光淬滅Y(NO)的影像動(dòng)力學(xué)曲線開(kāi)始上升； 因此，選擇44 ℃作為熱激脅迫的初始脅迫溫度。當(dāng)幼苗在53 ℃熱激下時(shí)，葉片開(kāi)始脫落，組織器官開(kāi)始摧毀，形成不可逆的損傷； 并且光化學(xué)能Y(Ⅱ)的動(dòng)力學(xué)曲線開(kāi)始趨向0，Y(NPQ)曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)照，而Y(NO)曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照，說(shuō)明葉片已經(jīng)受到嚴(yán)重的損傷。 因此，選擇52 ℃熱激作為熱激脅迫的極限溫度。

2.2 應(yīng)用image-PAM測(cè)定臨界溫度下PSⅡ的熒光參數(shù)

由圖3、圖4可知，熒光影像顯示在44 ℃熱激脅迫下，F(xiàn)m、Fv/Fm的影像被減弱，而qL和qP的熒光影像被增強(qiáng)，NPQ的影像沒(méi)有變化。而在52 ℃熱激脅迫下，F(xiàn)m和NPQ被增強(qiáng)，而Fv/Fm、qL和qP影像被減弱，通過(guò)分析NPQ、qL和qP熒光動(dòng)力學(xué)曲線發(fā)現(xiàn)，在44 ℃熱激下3個(gè)參數(shù)的曲線都高于對(duì)照組，而在52 ℃熱激下，這3個(gè)參數(shù)的曲線低于對(duì)照組。以上結(jié)果說(shuō)明，44 ℃熱激下PSⅡ的電子吸收、捕獲與傳導(dǎo)、以及非光化學(xué)熒光淬滅的執(zhí)行效率在一定程度上有促進(jìn)作用，而在52 ℃熱激下，它們受到嚴(yán)重抑制作用。

圖3 臨界溫度下F0、Fm、Fv/Fm、NPQ、qL和qP的熒光影像Fig. 3 Determinating fluorescence image of F0,Fm,Fv/Fm,NPQ,qL and qP under the critical temperature of heat shock stress

圖4 臨界溫度下NPQ、qL和qP的熒光動(dòng)力學(xué)曲線Fig.4 Determinating fluorescence curves of NPQ, qL and qP by under the critical temperature of heat shock stress

2.3 應(yīng)用hand-PEA測(cè)定的臨界溫度下的PSⅡ的熒光參數(shù)

2.3.1 葉綠素(Chl)對(duì)光能的吸收和捕獲 由圖5和表1可知，在44 ℃熱激下，雷達(dá)圖顯示熒光參數(shù)ABS/RC、TR0/RC、ABS/CS0、(F0)、ABS/CSm(Fm)、TR0/CS0和TR0/CSm都偏離對(duì)照不是很明顯(圖5)，它們分別是對(duì)照的1.056、1.03、0.946、1.056、1.031和0.925倍。而在52 ℃熱激下，都顯著偏離對(duì)照，其中ABS/RC、TR0/RC、ABS/CS0和TR0/CS0上升為對(duì)照的2.782、1.562、2.142和1.248倍，而ABS/CSm和TR0/CSm下降為對(duì)照組的0.745和0.484倍。以上結(jié)果說(shuō)明，在44 ℃熱激下，葉綠素吸收和捕獲光能的能力并沒(méi)有受到顯著影響，但在52 ℃熱激下，F(xiàn)0時(shí)刻的反應(yīng)中心吸收的光能和捕獲的光能增強(qiáng)，而Fm時(shí)刻葉綠素吸收和捕獲的光能受到明顯的抑制。

2.3.2 光化學(xué)反應(yīng) 在44 ℃熱激脅迫下phi(P0)參數(shù)曲線與對(duì)照組偏離不明顯，為對(duì)照組的97.7%； 而phi(R0)參數(shù)曲線明顯偏離對(duì)照，phi(R0)升為對(duì)照組的121.8%。在52 ℃熱激脅迫下，2個(gè)參數(shù)曲線都明顯偏離對(duì)照，phi(P0)降為對(duì)照組的63.2%，而phi(R0)降為對(duì)照組的71.2%。以上結(jié)果說(shuō)明，在44 ℃熱激脅迫下對(duì)初級(jí)光化學(xué)反應(yīng)的最大量子產(chǎn)量沒(méi)有變化，而使天線色素(Chl)吸收能量(ABC)的光化學(xué)反應(yīng)的能力增強(qiáng)了； 在52 ℃熱激下二者都被抑制。

2.3.3 電子傳遞鏈效率 在44 ℃ 熱激下，ET0/RC、ET0/CS0、ET0/CSm、psi(E0) 和phi(E0)參數(shù)曲線偏離對(duì)照不明顯，量值分別是對(duì)照組的1.009、1.009、0.904、0.978和0.955倍。在52 ℃熱激下，ET0/CS0、ET0/CSm, psi(E0) 和 phi(E0) 參數(shù)曲線明顯偏離對(duì)照，量值分別降為對(duì)照組的0.401、0.179、0.486和0.336倍。以上結(jié)果說(shuō)明，44 ℃ 熱激下對(duì)PSⅡ的電子傳遞沒(méi)有影響，但52 ℃熱激脅迫明顯抑制了PSⅡ的電子傳遞通量。

2.3.4 熒光淬滅的能力 在44 ℃熱激下，RE0/CS0和RE0/CSm參數(shù)曲線開(kāi)始偏離對(duì)照，升為對(duì)照的1.284和1.158倍(見(jiàn)表1)； 在52 ℃熱激下，兩參數(shù)曲線明顯偏離對(duì)照，分別為對(duì)照的1.483和0.499倍。以上結(jié)果說(shuō)明，在44 ℃熱激下，PSⅡ調(diào)節(jié)過(guò)剩光能量的機(jī)制，可以通過(guò)熒光淬滅的形式把過(guò)剩的熱量散失掉； 但52 ℃熱激下F0時(shí)刻可以通過(guò)熒光淬滅的形式將過(guò)剩的熱量散失掉，而Fm時(shí)刻通過(guò)熒光淬滅調(diào)節(jié)熱耗散的機(jī)制被抑制。

2.3.5 熱耗散的能力 在44 ℃熱激下，DI0/RC、DI0/CS0、DI0/CSm和delta(R0)參數(shù)曲線開(kāi)始偏離對(duì)照，量值分別為對(duì)照的1.193、1.189、1.056和1.218倍，這說(shuō)明一定程度上促進(jìn)熱耗散。但52 ℃熱激下，DI0/RC、DI0/CS0、DI0/CSm和delta(R0)參數(shù)曲線明顯偏離對(duì)照，量值分別為對(duì)照的9.296、6.927、2.142和17.806倍，說(shuō)明大部分能量以熱耗散的能力散失掉，并且熱耗散的量子比率上升至對(duì)照的17.806倍。

2.3.6 PSⅡ光合作用執(zhí)行效率 在44 ℃熱激脅迫下，OJIP曲線與對(duì)照組基本一致，沒(méi)發(fā)生明顯偏離； PIABS曲線開(kāi)始偏離對(duì)照，為對(duì)照組的79.5%。在52 ℃熱激脅迫下，OJIP曲線明顯偏離了對(duì)照組，出現(xiàn)“K”點(diǎn)，表明PSⅡ中的放氧復(fù)合體(OCE)遭到破壞； 而PIABS曲線明顯偏離對(duì)照，僅為對(duì)照組的6.6%。以上結(jié)果說(shuō)明，44 ℃熱激脅迫下，PSⅡ光合作用的執(zhí)行效率沒(méi)受到大的影響； 而在52 ℃熱激脅迫下，光能的吸收、捕獲和傳遞都明顯發(fā)生抑制。

2.4 臨界溫度脅迫后恢復(fù)的PSⅡ的熒光參數(shù)

由圖3、圖6、圖7和表1可知，恢復(fù)組檢測(cè)的PSⅡ熒光參數(shù)和影像，又幾乎回到對(duì)照水平，顯示從44～52 ℃度之間這8 ℃溫差的過(guò)渡都沒(méi)有引起歐洲云杉PSⅡ光能捕獲、吸收和電子傳遞效率受到不可恢復(fù)的損傷，說(shuō)明歐洲云杉對(duì)溫度有較高的彈性適應(yīng)機(jī)制。

圖5 臨界溫度脅迫下標(biāo)準(zhǔn)化后PSⅡ熒光參數(shù)Fig.5 Radar chart of standardizing fluorescence parameter under the critical temperature of heat shock stress

表1 臨界溫度脅迫下PSⅡ熒光參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)①Tab.1 Fluorescence parameter and standardizing result under the critical temperature of heat shock stress

圖6 臨界溫度脅迫下標(biāo)準(zhǔn)化后的OJIP曲線Fig.6 Standardizing OJIP curvesunder the critical temperature of heat shock stress

圖7 應(yīng)用hand-PEA測(cè)定的臨界溫度脅迫下二周自行恢復(fù)后標(biāo)準(zhǔn)化PSⅡ熒光參數(shù)Fig.7 Radar chart of standardizing fluorescence parameter by hand-PEA determining under the critical temperature of heat shock stress after self-recovery for two weeks

3 討論

3.1 歐洲云杉PSⅡ抗熱能力評(píng)估

執(zhí)行效率指數(shù)(PIABS)和PSⅡ的最大量子產(chǎn)量φPo=Fv/Fm是檢測(cè)各種脅迫比較敏感的參數(shù)，它們被廣泛用作對(duì)比研究光合作用系統(tǒng)的整體光合效率。對(duì)小麥(Tritiumaestivum)的研究，表明在活體植物的葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定中Fv/Fm和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)在高于37.5 ℃時(shí)就開(kāi)始下降(Lu, 2000)；而在40 ℃熱激下，PIABS降至14%(Mathuretal., 2011)。在巴旦木(Prunuspersica)葉片研究中，觀察到了PIABS值在30和35 ℃熱激下升高，在40 ℃熱激下降低，在45 ℃熱激下最小。此外，當(dāng)葉片暴露在40和45 ℃時(shí)，F(xiàn)v/Fm顯著降低，“K”和“L”帶大幅度呈現(xiàn)(Martinazzoetal., 2012 )。在對(duì)栓皮櫟(Q.variabilis)的研究中，熱激初始脅迫溫度T50是42 ℃, 當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃時(shí)，任一光照狀態(tài)下的PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)趨向于0，因此它的脅迫溫度是42～54 ℃(陳景玲等，2013)。而仁用杏(Armeniacavulgarisvs.sibirica)30 ℃為初始脅迫溫度，PIABS降為對(duì)照組的64%，F(xiàn)v/Fm和OJIP曲線維持不變； 50 ℃為極限脅迫溫度，PIABS降為對(duì)照組的10.3%，F(xiàn)v/Fm為對(duì)照的37.8%，OJIP曲線在300 us處K點(diǎn)急劇上升(杜國(guó)棟等，2011)。在對(duì)歐洲冷杉的研究中，發(fā)現(xiàn)不同種源初始和極限脅迫溫度都不相同，初始脅迫溫度范圍是42.7～43.2 ℃，F(xiàn)v/Fm降至50%的極限脅迫溫度是51 ℃，種源地溫度越高，臨界溫度的值就越高(Konpkováetal., 2018)。對(duì)國(guó)內(nèi)9種云杉屬植物PSⅡ熱穩(wěn)定性研究中發(fā)現(xiàn)，半致死溫度FT50在45～50 ℃之間，長(zhǎng)葉云杉(Piceasmithiana)的半致死溫度48.35 ℃為9種云杉中的最高值，具有最強(qiáng)的PS Ⅱ熱穩(wěn)定性；紅皮云杉、青海云杉和紫果云杉的半致死溫度均在46～47 ℃之間相對(duì)較低，PSⅡ熱穩(wěn)定性較差；其余云杉屬植物類群的半致死溫度都在47～48 ℃，PSⅡ熱穩(wěn)定性處于中間水平(楊毅，2017)?？傮w來(lái)說(shuō)針葉樹(shù)種Fv/Fm降到50%的溫度，處于45～53 ℃之間(Krauseetal., 2010; Mariasetal., 2017)，也有研究報(bào)道歐洲冷杉的Fv/Fm在40 ℃時(shí)急劇降低(Robakowskietal., 2002.)。在本研究發(fā)現(xiàn)44 ℃短時(shí)熱激下image-PAM檢測(cè)的PSⅡ光化學(xué)能Y(Ⅱ)，熱耗散Y(NPQ)和熒光淬滅Y(NO)的熒光參數(shù)的影像和動(dòng)力學(xué)曲線都開(kāi)始發(fā)生改變；但應(yīng)用hand-PEA檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Fv/Fm、OJIP曲線都沒(méi)有明顯變化，但PIABS降至為對(duì)照組的79.2%，說(shuō)明脅迫剛剛開(kāi)始；而52 ℃短時(shí)熱激下，PSⅡ的光化學(xué)能Y(Ⅱ)，熱耗散Y(NPQ)和熒光淬滅Y(NO)已發(fā)生明顯的抑制，OJIP曲線也出現(xiàn)大幅度的“K”帶，F(xiàn)v/Fm降為對(duì)照組的62.4%，PIABS僅為對(duì)照組的6.6%；在53 ℃短時(shí)熱激下，Y(Ⅱ)趨向于0，葉片脫落，組織器官開(kāi)始被破壞；因此本研究未發(fā)現(xiàn)Fv/Fm降為對(duì)照組的50%的FT50的溫度點(diǎn)，52 ℃是歐洲云杉幼苗短時(shí)熱激的極限溫度；將44 ℃和52 ℃短時(shí)熱激的幼苗放入人工氣候室中正常條件下恢復(fù)2周后，各熒光參數(shù)的及其影像又幾乎都恢復(fù)到正常水平，說(shuō)明歐洲云杉的PSⅡ在44～52 ℃之間的短時(shí)熱激下的損傷可以自行修復(fù)。在楊樹(shù)(Populussimonii)高溫脅迫的研究也發(fā)現(xiàn)，在42 ℃下熱激脅迫短于6 h 時(shí)，PSⅡ經(jīng)過(guò)自我修復(fù)可恢復(fù)正常功能；但溫度超過(guò)6 h就會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷(Songetal.， 2014)。與以往研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，歐洲云杉的抗高溫能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一些草本植物，也高于一些木本被子植物，如栓皮櫟(Quercusvariabilis)和仁用杏，在針葉樹(shù)種(歐洲冷杉和花旗松)中它的高溫耐力處于較高水平，也高于國(guó)內(nèi)的已研究的9種云杉(楊毅，2017)，這與它的原生境條件較溫暖濕潤(rùn)相關(guān)。

3.2 歐洲云杉PSⅡ臨界溫度下?lián)p傷分析

短期高溫處理造成的云杉屬植物葉片PSⅡ的損傷，可通過(guò)已測(cè)定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)反映(楊毅，2017)。本研究通過(guò)葉綠素?zé)晒鈪?shù)，對(duì)短時(shí)不同程度的熱激下PSⅡ的量子產(chǎn)量、光能的吸收和捕獲、電子傳遞以及熒光淬滅和熱耗散進(jìn)行研究，揭示了高溫脅迫下歐洲云杉PSⅡ的損傷與自我修復(fù)能力。

高溫脅迫下PSⅡ的量子產(chǎn)量的估測(cè)，常用PSⅡ的最大量子產(chǎn)量phi(P0)(或Fv/Fm)和還原PSI受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額phi(R0)來(lái)表述。在本研究中，44 ℃熱激脅迫下phi(P0)(或Fv/Fm)降為對(duì)照的97.7%，而phi(R0)升高為對(duì)照的1.218；在52 ℃熱激脅迫下phi(P0)(或Fv/Fm)降為對(duì)照的63.7%，而phi(R0)降為對(duì)照的71.2%；說(shuō)明44 ℃脅迫對(duì)PSⅡ側(cè)光化學(xué)效率的抑制剛開(kāi)始，但促進(jìn)了PSⅠ的光化學(xué)效率，52 ℃脅迫對(duì)光系統(tǒng)PSⅠ和PSⅡ側(cè)的光化學(xué)效率都產(chǎn)生抑制。在對(duì)我國(guó)9種云杉屬植物的短時(shí)熱激研究中發(fā)現(xiàn)，45 ℃瞬時(shí)高溫脅迫對(duì)PSⅡ光化學(xué)效率就產(chǎn)生抑制作用(楊毅，2017)，說(shuō)明歐洲云杉與其他云杉屬相比較有較強(qiáng)的抗高溫能力。

高溫脅迫下，參數(shù)ABS/CS0(或F0)和ABS/CSm(或Fm)也是反應(yīng)植物熱損傷程度的重要指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，由于受到高溫脅迫，植物類囊體膜結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)變化導(dǎo)致基礎(chǔ)熒光的緩慢增加，而使最大熒光降低，因此基礎(chǔ)熒光值的增加值與最大熒光的降低與植物PSⅡ的反應(yīng)中心受到的損傷程度呈現(xiàn)相關(guān)關(guān)系。本研究中，44 ℃熱激脅迫下ABS/CSm(或Fm)降為對(duì)照的94.6%，而ABS/CS0(或F0)升高為對(duì)照的105.6倍，也說(shuō)明脅迫剛開(kāi)始；在52 ℃熱激脅迫下ABS/CSm(或Fm) 降為對(duì)照的74.5%，ABS/CS0(或F0)升高為對(duì)照的214.2%。我國(guó)9種云杉屬植物45 ℃瞬時(shí)高溫脅迫基礎(chǔ)熒光值都開(kāi)始增加，到50 ℃高溫脅迫下基礎(chǔ)熒光也增加2倍以上(楊毅，2017)。仁用杏的研究中也發(fā)現(xiàn)，50 ℃高溫導(dǎo)致初始熒光(Fo) 也顯著升高，為對(duì)照的2.26 倍(杜國(guó)棟等，2011)。本研究中光能的吸收和捕獲參數(shù)44 ℃熱激脅迫無(wú)明顯變化，52 ℃熱激脅迫下初始光能的吸收和捕獲參數(shù)ABS/RC、TR0/RC、ABS/CS0和TR0/CS0上升為對(duì)照的2.782、1.562、2.142和1.248倍，而t=m時(shí)的ABS/CSm和TR0/CSm下降為對(duì)照組的0.745和0.484倍，說(shuō)明52 ℃熱激下PSⅡ?qū)δ芰康牟东@和吸收的能力增強(qiáng)，而天線色素捕獲和吸收能量的能力減弱。已研究的我國(guó)9種云杉屬植物，ABS/RC和TR0/RC在20～40 ℃熱激時(shí)變化也不明顯，而在到50 ℃時(shí)反應(yīng)中心有活性的數(shù)量越來(lái)越少，使ABS/RC和TR0/RC顯著升高，其中ABS/RC升高為對(duì)照的40倍以上，ABS/CSm和TR0/CSm顯著下降(楊毅，2017)。與其對(duì)比，說(shuō)明歐洲云杉PSⅡ供體側(cè)的抗高溫能力顯著高于國(guó)內(nèi)其他云杉屬。在高溫脅迫下PSⅡ的電子傳遞的能力也受到了不同程度的損傷阻斷。本研究44 ℃熱激下，電子傳遞效率變化不明顯。在52 ℃熱激下，ET0/RC、ET0/CS0、ET0/CSm、psi(E0) 和 phi(E0)分別降為對(duì)照組的0.441、0.401、0.179、0.486和0.336倍。在對(duì)我國(guó)9種云杉屬植物，20～45 ℃短時(shí)熱激下ET0/RC和ET0/CS下降；在50 ℃熱激下都明顯下降，ET0/RC降為對(duì)照的0.47倍左右(楊毅，2017)。與其對(duì)比，說(shuō)明歐洲云杉PSⅡ受體側(cè)的抗高溫能力處于中等水平。

熒光淬滅參數(shù)，在44 ℃熱激下，RE0/CS0和RE0/CSm升至對(duì)照的1.284和1.158倍；在52 ℃熱激下，RE0/CS0和RE0/CSm分別為對(duì)照的1.483和0.499倍。熱耗散參數(shù)在44 ℃熱激下DI0/RC、DI0/CS0、DI0/CSm和delta(R0)分別為對(duì)照的1.193、1.189、1.056和1.218倍；但在52 ℃熱激下，DI0/RC、DI0/CS0、DI0/CSm和delta(R0)分別為對(duì)照的9.296、6.927、2.142和17.806倍。我國(guó)9種云杉屬植物20～45 ℃短時(shí)熱激下，DI0/RC和DI0/CS略有增加，而在50 ℃熱激下是正常狀態(tài)下的40倍左右(楊毅，2017)。說(shuō)明歐洲云杉PSⅡ在熱激狀態(tài)下自主調(diào)節(jié)熱量散失的能力高于國(guó)內(nèi)其他云杉屬樹(shù)種。

4 結(jié)論

1) 找到了歐洲云杉幼苗短時(shí)熱激脅迫下的初始脅迫溫度44 ℃和極限脅迫溫度52 ℃，并預(yù)測(cè)歐洲云杉在未來(lái)氣候變暖的情況下有較強(qiáng)的抗熱能力，在抗熱性上處于同屬物種及其近緣物種的較高水平。2) 預(yù)測(cè)44 ℃短時(shí)熱激下，PSⅡ的光化學(xué)反應(yīng)、熱耗散和熒光淬滅的能力都被促進(jìn)；但52 ℃短時(shí)熱激下，PSⅡ的光化學(xué)反應(yīng)、熱耗散和熒光淬滅的能力都被明顯抑制。3) 44 ℃初始脅迫溫度雖使PIABS略有降低，但葉綠素(Chl)對(duì)光能的吸收和捕獲、電子的傳遞、電子傳遞鏈中心蛋白的活性都沒(méi)受到明顯的抑制，52 ℃極限脅迫溫度下葉綠素(Chl)對(duì)光能的吸收和捕獲、光化學(xué)反應(yīng)、熒光淬滅和電子傳遞的能力遭到嚴(yán)重的抑制，并且電子傳遞鏈的放氧復(fù)合體(OEC)也被破壞。說(shuō)明在未來(lái)氣候變暖的情況下歐洲云杉在午間瞬時(shí)高溫的影響下，會(huì)主要抑制葉片PSⅡ反應(yīng)中心的活性和受體側(cè)電子傳遞，改變PSⅡ反應(yīng)中心能量流分配，而對(duì)PSⅡ供體側(cè)的影響較小。4) 在恢復(fù)組中，2種脅迫溫度下幼苗針葉的熒光參數(shù)和影像都恢復(fù)接近對(duì)照水平，說(shuō)明歐洲云杉對(duì)短期的脅迫有較強(qiáng)的自我修復(fù)能力。因此可預(yù)測(cè)，在未來(lái)氣候變化的情況下歐洲云杉有較強(qiáng)的彈性適應(yīng)生理機(jī)制，來(lái)應(yīng)對(duì)極端天氣午間的短時(shí)高溫，它在短時(shí)熱脅迫下可自我恢復(fù)的溫度范圍在44～52 ℃。