全 文 ：　第 49卷　第 1期
2010年　1月
中山大学学报 (自然科学版)
ACTA　SCIENTIARUM　NATURALIUM　UNIVERSITATIS　SUNYATSENI
Vol.49　No.1
Jan.　2010 　
石地钱 Rebouliahemisphaerica光系统 Ⅱ对氮沉降的响应特征＊
雷纯义1 , 刘蔚秋 2 , 刘滨扬 3 , 张以顺 2
(1.广东黑石顶省级自然保护区 , 广东 肇庆 526536;
2.中山大学生命学科学学院 , 广东 广州 510275;
3.暨南大学生态学系 , 广东 广州 510632)
摘　要:对石地钱 Rebouliahemisphaerica在不同模拟氮沉降条件下的叶绿素荧光动力学特征进行了研究。结果
显示加氮对石地钱的光系统Ⅱ产生明显影响 , 40和 60kg· hm-2· a-1 (以 N质量计)处理对其光系统Ⅱ产生严
重破坏。加氮导致植物单位面积捕获的光能降低 , 并导致 PSⅡ反应中心电子受体侧的氧化还原状态及异质性发
生变化 , 破坏电子传递链 , 叶片吸收的光能无法在电子传递链中消耗 , 迫使其大幅提高荧光和热耗散的比率以
消耗掉电子传递链中的能量 , 从而使光系统Ⅱ的性能指数大幅下降。对推动力指数的分析显示 , Q-A 后面的电子
传递对加氮最为敏感。
关键词:氮沉降;叶绿素荧光诱导曲线;石地钱 Rebouliahemisphaerica
中图分类号:Q945.1　　文献标志码:A　　文章编号:0529-6579 (2010) 01-0072-04
ResponsesofPhotosystemⅡ of
RebouliahemisphaericatoNitrogenDeposition
LEIChunyi1 , LIUWeiqiu2 , LIUBinyang3 , ZHANGYishun2
(1.HeishidingNatureReserveofGuangdongProvince, Zhaoqing526536, China;
2.SchoolofLifeSciences, SunYat-senUniversity, Guangzhou510275, China;
3.DepartmentofEcology, JinanUniversity, Guangzhou510632, China)
Abstract:ChlorophylfluorescencetransientkineticsofRebouliahemisphaericaunderdiferentsimulated
nitrogendepositionconditionswasstudied.Theresultsshowedthatnitrogentreatmentscausedchangesof
chlorophylfluorescencetransientofRebouliahemisphaerica.NtreatmentsafectedPSⅡ byreducingthe
capacityofenergytrapofunitareaaswelaschangingtheredoxstatesandtheheterogeneityofthefiling
upofthePSⅡ acceptorside, destroyingtheelectronflow, especialytheelectronflowbeyondQ-A , asa
result, theabsorbedenergycannotbeconsumedintheelectronflowandhavetobeconsumedbyfluores-
cenceandheat.ItcanbededucedfromtheJIP-testthat40 and60kg· hm-2· a-1 treatmentsleadseri-
ousdamagestoRebouliahemisphaerica.
Keywords:nitrogendeposition;chlorophylfluorescencetransientkinetics;Rebouliahemisphaerica
　　人为排放的氮 (N)对大气造成的污染日趋严
重 , 全球化的大气 N沉降增加已引起广泛关注 [ 1] 。
高氮对植物的代谢产生很大的影响 , 如改变光合速
率 、提高膜透性 、改变细胞 pH值 、 导致营养元素
比例改变等[ 2-3] 。由于苔藓植物没有角质层等保护
性结构 , 主要从空气中吸收养分 , 因此多数苔藓植
物对 N沉降的敏感度远高于维管植物 [ 4-6] 。苔藓
植物在氮过量时 , 不仅对氮代谢产生显著影响 , 导
＊ 收稿日期:2009-04-09
基金项目:广东省自然科学基金资助项目 (06300428);国家自然科学基金资助项目 (30770398, U0633002)
作者简介:雷纯义 (1965年生), 男 , 工程师;通讯作者:刘蔚秋;E-mail:lsslwq@mail.sysu.edu.cn
　第 1期 雷纯义等:石地钱 Rebouliahemisphaerica光系统Ⅱ对氮沉降的响应特征
致硝酸还原酶诱导活性降低 , 总氮含量下降 , 同时
对碳代谢过程亦产生显著影响 , 使光合速率降低 ,
淀粉含量下降而可溶性糖含量上升 [ 7] 。
叶绿素荧光诱导动力学是 Kautsky于 1931年
发现 , 也称为 Kautsky效应[ 8] 。叶绿素荧光技术被
认为是检测植物光合机构 , 特别是光系统 Ⅱ行为的
有效工具。近年来发展起来的针对快速叶绿素荧光
诱导曲线的数据分析和处理方法— JIP-测定
(JIP-test)为深入研究光合作用原初反应提供了有
力的工具。但目前尚未见有人从叶绿素荧光动力学
的角度研究氮沉降对植物光合机构的影响 。石地钱
Rebouliahemisphaerica(L.)Raddi广泛分布于我国
华南地区 , 本文研究了其在模拟 N沉降条件下的
叶绿素荧光动力学特征 , 分析过量氮对其光合机构
及过程的影响 , 探讨过量氮对植物光合系统的影响
机理。
1　实验材料及方法
1.1　研究地概况
研究地设立于广东省肇庆市封开县七星镇内的
黑石顶自然保护区 , 地理位置 23°27′N, 111°53′E,
海拔 145 ～ 927 m, 属南亚热带湿润季风气候 , 年
均气温 19.6℃, 年降雨量 1 743.8 mm, 年均相对
湿度在 80%以上。自然概况见有关文献 [ 9 -10] 。保
护区内平均每年雨水氮沉降中 , 氨态氮为 4.74 kg·
hm-2 (以 N质量计 , 下同), 硝态氮为 5.58 kg·
hm-2 (以 N质量计 , 下同 , 未发表数据)。
1.2　样地设置及处理
1.2.1　样地设置　于 2006年 2月在保护区北缘海
拔 200m处路边自然生长石地钱 Rebouliahemispha-
erica(L.)Raddi的石坡上设置样地。 N处理设 1
个对照及 3个 N处理水平 (20 kg· hm-2 · a-1 ,
40 kg· hm-2· a-1 , 60 kg· hm-2· a-1), 每种处
理设 3个重复 , 共设立样地 12个。每个样地面积
为 30cm×60 cm。
1.2.2　加氮处理　于 2006年 5月 -2008年 2月间
分 8次进行加样处理 (每年 4次), 每次加氮量分
别为 0, 5, 10, 15 kg· hm-2 , 分别配成不同浓度
的 NH4NO3溶液 200 mL用手持式喷雾器均匀喷洒
至样地 。
1.3　叶绿素荧光测定
叶绿素荧光利用植物效率仪 (PEA, Hansatech
公司 , 英国)于室温下测定。在最后一次加氮处
理的 15 d后 , 于各样地分别选取生长正常 , 长势
在该样地中较好的植株 , 每个样地选 3份材料进行
测定 , 测定前材料暗适应 20min。
叶绿素荧光诱导曲线依据 JIP-测定进行分析 ,
O、 J、 I、 P分别是指照光初始时 、 2ms时 、 30 ms
时及 1 s时的荧光值。本文利用的参数主要包括:
①单位反应中心吸收的光能 (ABS/RC), 捕获的
光能 (TR0 /RC), 用于电子传递的能量 (ET0 /
RC)和热耗散能量 (DI0 /RC);②单位材料面积
吸收的光能 (ABS/CS), 捕获的光能 (TR0 /CS),
用于电子传递的能量 (ET0 /CS)和热耗散能量
(DI0 /CS);③最大光化学效率 (φP0), 反应中心
捕获的激子中用于推动电子传递到电子传递链中超
过 QA—的其它电子受体的激子占用于推动 QA还原
激子的比率 (ψ0), 用于热耗散的量子比率
(φD0), 用于电子传递的量子产额 (φE0);④以吸
收光能为基础的性能指数 PIabs, 及其推动力指数
DFabs。各参数的计算参见有关文献 [ 11-12] 。
图 1　加氮 2a后石地钱叶绿素荧光平均诱导曲线
Fig.1　Chlorophylfluorescencekinetics(meancurves)of
RebouliahemisphaericaaftertwoyearsofNtreatment
(0、 1、 2和 3分别代表对照 , 20, 40和 60 kg· hm-2· a-1处理 ,
平均曲线包含n=9次荧光测定 , 下同)
2　结果与分析
2.1　叶绿素 a荧光诱导曲线
由图 1可见 , 对照及低 N处理的石地钱叶绿
素荧光诱导曲线的形状相似 , 但是低氮处理材料的
73
中山大学学报 (自然科学版) 第 49卷　
总体荧光值高于对照材料 。中氮和高氮处理材料不
仅在起始点 F0的值高于对照及低 N处理材料 , 诱
导曲线形状亦明显异于后者 , 前者在 J-I点间呈
下降趋势 , 至 I点后又上升至 P点 , 而后者不存在
明显的 I点 , 在 J-P期间荧光值持续上升。 O点
荧光值反映了 PSⅡ反应中心接受光量子的最大限
度 , 随加 N浓度升高 F0依次升高显示加 N导致石
地钱在 PSⅡ反应中心完全开放时接受光量子的能
力减小 , 而中高氮处理使诱导曲线的形状发生改
变 , 特别是 J-P点间的变化说明此时 PSⅡ反应中
心电子受体侧 (包括初级醌受体 QA, 次级醌受体
QB和质体醌 PQ)的氧化还原状态及异质性发生变
化 [ 13] 。
2.2　叶绿素 a荧光 JIP-测定
由于 JIP测定获得的数据量大 , 常用雷达图对
多个参数进行分析。由图 2可见 , 加氮使单位反应
中心吸收的光能 (ABS/RC)升高 , 对单位反应中
心捕获的光能 (TR0 /RC)影响不大 , 但使单位面
积反应中心的数量 (RC/CSm)下降 , 最终导致单
位面积捕获的光能 (TR0 /CSm)降低 , 同时捕获
的光能中用于传递到电子传递链 Q-A后的电子受体
的比率 (ψ0)、 用于电子传递的量子产额 (φE0)
单位面积和单位反应中心的量子产额均大幅降低
(ET0 /CSm, ET0 /RC), 而单位面积 的热耗散
(DI0 /CSm)及用于热耗散的能量比例 (φD0)大幅
上升 , 导致性能指数 (PIabs)大幅下降 , 其中 40
和 60kg· hm-2· a-1处理使 PIabs降至仅为对照的
8%和 3%左右 , 可见光系统 Ⅱ的光合效率受到严
重抑制 。
性能指数的推动力 (DFabs)可以分解成 3个
部分 , RC/ABS(吸收单位光能的反应中心数),
φP0 / (1-φP0)和 ψ0 / (1-ψ0)[ 12] , 由图 3可见加
氮使组成 DF的三个部分均减小 , 但以 ψ0 / (1 -
ψ0)的变化最明显 , 而 ψ0反映捕获的光能中用于
推动电子传递链中 Q-A后的电子传递的比率 , 说明
Q-A后面的反应对加氮最为敏感 。
3　结　论
植物光合作用受有效氮的强烈影响 [ 14] , 在对
种子植物的研究中发现 , 一定量氮沉降使可使组织
叶绿素含量升高 , 净光合速率增加 , 但过量氮沉降
则会产生相反的效应[ 6, 15] 。本研究结果表明 , 模
拟氮沉降对石地钱光系统 Ⅱ产生明显影响 , 特别是
40和 60 kg·hm-2· a-1处理对地钱造成严重胁迫 。
一方面导致单位单位面积捕获的光能降低 , 另一方
面加氮导致 PSⅡ反应中心电子受体侧的氧化还原
状态及异质性发生变化 , 使电子传递链受到破坏 ,
叶片吸收的光能无法在电子传递链中消耗 , 迫使其
大幅升高荧光和热耗散的比率以消耗掉电子传递链
中的能量 , 且以 Q-A后面的反应对加氮最为敏感。
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