全 文 ：温州蜜柑叶片光系统反应中心光能分配的变化*
郭延平1* * 宋丽丽2 徐 凯1, 2 张良诚1
( 1 浙江大学园艺系 农业部园艺植物生长发育与生物技术重点开放实验室, 杭州 310029;
2 安徽农业大学园艺系, 合肥 230036)
摘要 为深入了解果树光化学反应中心光能分配的状况,以柑橘为试材, 采用调制荧光法对叶片光系统
在高光强和低光强下的状态转换进行了研究. 结果表明, 光系统在 100 mol!m- 2!s- 1的低光强下, 由于
QA 的还原使PQ库处于还原状态,导致光能由 PS∀转向 PS#分配,光系统处于状态 2;在 1 000mol!m- 2
!s- 1的高光强下, PQ 库无法得到电子而处于氧化状态, 导致光能分配由 PS#转向 PS∀ , 光系统处于状态
1.叶片经磷酸酯酶抑制剂 NaF处理后, 光系统从高光强下状态 2 到状态 1 的转换受到抑制. 高光强下过
多的光能由 PS#向 PS∀分配是导致 PS∀光破坏的重要原因.
关键词 温州蜜柑 光强 叶绿素荧光 状态转换 PQ 库
文章编号 1001- 9332( 2004) 11- 2087- 04 中图分类号 Q945 11; S666 1 文献标识码 A
Changes of light energy distribution in reaction centers of Citrus unshiu leaf photosystem under different light
intensities. GUO Yanping1 , SONG L ili2, XU Kai1, 2, ZHANG L iangcheng1( 1State Agriculture M inistry L abora
tory of Hor ticultural Plant Grow th Development and Biotechnology , D epar tment of Hor ticultur e, Zhej iang U
niver sity , Hangzhou 310029, China; 2Depar tment of Hor ticul tur e, Anhui Agr icultural Univ ersity , H ef ei
230036, China) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2004, 15( 11) : 2087~ 2090.
In order to fur ther understand the light energy distribution in photochemical r eaction centers of fruit tr ees, this
paper employed modulated fluorescence technique to study the state transition of photosystem in Citrus unshill
leaves under high and low light intensities. The results indicated that under low light intensity of 100 mol!m- 2
!s- 1, the PQ pool w as in reduction state due to QA reduction, w hich made the light energ y distr ibution in pho to
system changed from PS∀ to PS# ; while under high light intensity of 1 000mol!m- 2!s- 1 , the PQ pool could
no t get electron and w as in oxidation state, making light energ y distr ibut ion changed from state 2 to state 1.
When the leaves were tr eated by a phosphatase inhibitor NaF, the state 2 to state 1 tr ansitio n of photosystem was
inhibited under high light int ensity , and the excessive light ener gy distribution from PS# to PS∀ caused damage
to PS∀ . T hese finding s would be helpful to understand the mechanisms of the photoinhibition of photosynthesis
and the photodamage of photosynthetic apparatus of fruit trees.
Key words Citrus unshiu , L ight intensit y, Chlorophyll fluorescence, State transition, PQ pool.
* 国家自然科学基金项目( 39970525)和浙江省自然科学基金资助项
目( 399470) .
* * 通讯联系人.
2003- 09- 08收稿, 2004- 05- 02接受.
1 引 言
自1969 年 Murata 等[ 16]提出光系统状态转换
的概念以来,人们对状态转换的机理已有初步认识.
所谓光系统的状态转换, 是指在有利于 PS ∀的光的
作用下, PQ 库被逐渐还原,被磷酸化的 LHC ∀脱离
PS∀,从类囊体膜垛叠区向非垛叠区转移, 并与 PS
#结合,使更多的激发能向 PS #分配, 此时光系统
从状态1转向状态2; 相反,在不利于 PS ∀的光的作
用下, PQ库被逐渐氧化, 磷酸化的 LHC ∀去磷酸化
后,由类囊体膜非垛叠区返回垛叠区重新与 PS ∀结
合,光系统从状态 2转向状态 1 [ 1, 4, 17] . 状态转换是
光合机构调节光能在两光系统间分配的重要方式.
光是影响植物光系统状态转换的重要因子. 光
质对状态转换的作用, 普遍认为红光有助于光能从
PS∀转向 PS# ,缓解光能对 PS ∀的破坏; 而远红外
光能导致光能自 PS #向 PS ∀分配,加重 PS ∀的破
坏[ 3] . 光强对状态转换的影响有两种观点: 一是强
光下激发能从 PS∀向 PS #分配,耗散过多的光,能
保护光合机构,防御强光破坏[ 11, 21] ; 二是强光下不
发生状态转换,只会加重 PS ∀的破坏,只有在弱光
下才会出现激发能自 PS ∀到 PS#的分配 [ 2, 15].
光能被叶绿素分子吸收后,其中有 1%~ 2%的
光能以叶绿素荧光的形式发射掉. 叶绿素荧光与光
合作用的光能吸收、传递、耗散、分配等方面有密切
联系.因此, 叶绿素荧光分析技术被称为研究植物叶
片光合作用无损伤的探针, 被广泛地应用[ 13] . 用调
制荧光法研究植物连体叶片的状态转换, 具有简便
和不损伤叶片的特点. 一般农作物的光合效率为
应 用 生 态 学 报 2004年 11 月 第 15 卷 第 11 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Nov . 2004, 15( 11)∃2087~ 2090
005~ 0055[ 23] . 作为长江流域种植面积最大的柑
橘的光合效率仅为 0021[ 6] ,远低于农作物,而且经
常受到强弱光的影响. 强光极易引起柑橘光合作用
的光抑制[ 7, 9, 19] .本文以柑橘完整叶片为试材, 用调
制荧光这一新技术并结合生物化学方法, 对高光强
和低光强下光能在两光系统间的分配进行了研究,
旨在阐明不同光强下光能在两光系统间的分配方
式.这对研究果树光合作用的光抑制机理及提高光
合效率具有积极的意义.
2 材料与方法
21 供试材料
试验材料为 3 年生枳砧盆栽早宫川温州蜜柑 ( Citrus
unshiu ) .
22 试验方法
221 强弱光处理 试验前将材料置于 700mol!m- 2!s- 1的
镝灯下预培养 1 个月.测定时选取生理状态一致的对生的 2
个叶片, 分别照以 100 和1 000mol!m- 2!s- 1白光1 5 h,光源
为光强可调节的卤钨灯(型号为 2050H, Walz, Germany) ,用便
携式调制荧光仪 PAM2000(Walz, Germany )测定叶绿素荧光
参数. 测定期间浇以充足的水分,以免缺水. 3 次重复.
222 叶片非光化学猝灭中间相( qNm )的测定 参照 Quick
和Stitt 的方法[ 17] ,让经过照光的叶片在暗中恢复 5 s后,打开
检测光并打 1次饱和脉冲光( PFD约为 8 000 mol!m- 2!s- 1 )
测量 Fm%, 继以 1 次远红外光( PFD< 0 9 mol!m- 2!s- 1, 3 s)
以测量 F0%, 测完后关闭检测光, 然后在暗恢复条件下每隔
100 s 测定 1 次 Fm%, 直至相对恒定为止. 利用暗恢复过程中测
得的 Fm%和公式 qNm = Fm%( 5 s) / Fm%(恒定)计算 qNm .
223 叶片状态转换的测定用饱和闪光法[ 18] . 叶片经过照
光处理后, 关闭光源, 打开测量光,测定初始荧光 Fo, 再用一
饱和闪光 ( PFD 约为 8 000 mol!m- 2!s- 1 ) 测定最大荧光
Fm , 等到荧光降到 Fo水平后, 打开远红外光, 并用饱和闪光
测定最大荧光 F m%,每隔 20 s 1次, 直到数值恒定.
224 叶片的快相荧光诱导动力学 参照 Lichtenthaler [ 12]
和 Govindjee等[ 5]的方法,经照射处理的叶片关闭光源后, 以
1 000 s!point- 1的测样速率照射红光 ( PFD 约为 50 mol!
m- 2!s- 1 ) , 整个过程持续 4 s. 为了使得 PQ 库完全被氧化,
在快相荧光诱导动力学测定之前,照射 5 s 的远红外光.
225 叶片的 NaF 处理 选取生理状态一致的对生片叶, 在
水中剪下叶柄,置于 20 mmol!L- 1的 NaF 中, 对照置于蒸馏
水中, 二者均过夜. 对 NaF 处理的叶片进行高光强( 1 000
mol!m- 2!s- 1)状态转换测定.
3 结果与分析
31 高光强与低光强下叶绿素荧光非光化学猝灭
的中间相( qN m )比较
叶绿素荧光非光化学猝灭的中间相( qNm )在高
光强与低光强下的变化不同,在高光强下 qN m 较低
光强下约低 24%(表 1) .
表 1 高光强和低光强下温州蜜柑叶片叶绿素荧光非光化学猝灭的
中间相
Table 1 Middlephase of chlorophyll fluorescence nonphotochemical
quenching ( qNm ) in Citrus unshiu leaves under high and low l ight in
tensities
光强
PFD ( mol!m- 2!s- 1) 非光化学猝灭的中间相(相对单位)qN m( Relat ive unit )
100 0186 & 0018*
1 000 0142 & 0012
* 平均值& 标准误 Means& SE ( n= 4) .下同 The sam e below .
32 叶绿素荧光非光化学猝灭中间相( qN m )的动
态变化
在光合作用非光化学猝灭的日变化过程中,
qN m 的动态变化为双峰型, 即 8: 00 前随着光强的
增强而上升, 随后又下降, 中午光最强时达到最低
值,下午光强降低后又恢复(图 1) .
图 1 晴天条件下温州蜜柑叶片叶绿素荧光非光化学猝灭中间相的
日变化
Fig. 1 Diurnal variat ions in middlephase of chlorophyll fluorescen ce non
photochemical quenching( qN m) of Cit rus unshiu l eaves on a clear day.
值为重复 6次的平均值 & 标准 Values are means& SE of six replica
tions.下同 The same below .
33 高光强与低光强下温州蜜柑叶片的 F m/ F o与
Fm%/ F o的变化
低光强下,荧光参数 F m / F o和远红外光诱导下
的荧光参数 F m%/ Fo 差别不明显;高光强下, Fm%/ Fo
值比 F m / F o 明显高. 高光强下 Fm / Fo 比低光强下
明显低(表 2) .
34 高光强下 NaF 对 Fm%/ F o- Fm / Fo 的影响
经 NaF 处理、强光照射温州蜜柑叶片后, Fm%/
Fo- Fm / F o较对照( H2O)下降 37%(图 2) .
2088 应 用 生 态 学 报 15卷
表 2 高光强和低光强下温州蜜柑叶片叶绿素荧光参数的变化
Table 2 Changes of chlorophyll fluorescence parameters in Citrus un
shiu leaves under high and low l ight( n= 6)
光强
PFD (mol!m- 2!s - 1) F m/ F o F m% / F o
100 301 & 0121 295 & 0153
1 000 113 & 0063 142 & 0007
图 2 高光强下 NaF 对温州蜜柑叶片 F m%/ Fo- F m/ Fo 值的影响
Fig. 2 Ef fect of NaF on F m% / F o- Fm/ F o in Cit rus u nshiu leaves under
h igh light intensity.
35 高、低光强下叶绿素荧光快相诱导动力学差异
荧光快相诱导动力学表示荧光在 2 s 内由初始
点 O经中间态 I 到最高点 P 的上升, F o、F I、F p 分
别表示 O、I、P点的荧光强度. 在荧光诱导动力学曲
线中, OI阶段和 IP 阶段的变化分别用参数( FI-
F o) / ( F p- Fo )和 IP 的斜率表示. OI 阶段的变化
(即( F I- Fo ) / ( Fp- F o )值的大小)反映了 PS ∀中
QB非还原中心的百分比, 即 PS ∀反应中心失活的
状况,而 IP 阶段的变化(即 IP 的斜率大小)反映
了 PS∀活化反应中心还原态 QA 积累的情况[ 24] . 温
州蜜柑叶片在高、低光强下的快相荧光诱导动力学
曲线存在明显差异: 高光强下( FI- F o ) / ( F P- F o )
较低光强下高, IP 的斜率较低光强下低(表 3) , 说
明强光下 PS ∀中 QB 非还原中心的百分比高, PS ∀
活化反应中心还原态 QA 数量少.
表 3 高光强和低光强下叶片荧光快相诱导动力学曲线( FI- Fo) /
( FP- F o)值和 FI至 Fp的斜率
Table 3 Ratio of ( F I- F o) to ( FpFp) and the slope from F I to Fp
from fast fluorescence induction kinetics in leaves under high and low
l ight intensity
光强
PFD (mol!m- 2!s - 1) ( F I- F o) / ( FP- F o)( % ) F I至 Fp 斜率Slope f rom F I t o Fp
100 394 & 19 186 & 32
1 000 565 & 102 303 & 04
4 讨 论
叶绿素荧光非光化学猝灭中间相 qN m 的变化
反映了光合机构的状态转换. qN m 升高,激发能从
PS∀向 PS #分配, 光合机构从状态 1转向状态 2;
qN m 下降,激发能从 PS#向 PS ∀分配,光合机构从
状态 2转向状态 1[ 17, 20, 22] . 本实验从在低光强( 100
mol!m- 2!s- 1,低于叶片光合作用光响应的直线阶
段) 下温州蜜柑叶片的 qN m 较高, 高光强 ( 1 000
mol!m- 2!s- 1, 高于叶片光合作用光响应的饱和
光)下较低(表 1) ,以及中午光最强时 qN m 最低,下
午光强减弱后 qNm 又恢复的事实(图 1) , 推想低光
强下光合机构可能处于状态 2,激发能可能从 PS ∀
向 PS #分配, 到了高光强下后,光合机构可能从状
态 2转向状态 1,激发能从 PS#向 PS ∀分配.
光能在两光系统间的分配可能存在明显的日变
化. 6: 00~ 8: 00 qN m 逐渐升高, 光合机构从状态 1
转向状态 2, 激发能从 PS ∀向 PS #分配; 8: 00~
12: 00 qN m开始逐渐下降,光合机构从状态 2转向
状态 1,激发能从 PS #向 PS ∀分配; 12: 00至 16: 00
qN m 又开始回升,光合机构又从状态 1转向状态 2,
激发能从 PS∀向 PS #分配; 16: 00~ 18: 00 qN m 又
开始逐渐下降,光合机构从状态 2转向状态 1,激发
能从 PS#向 PS ∀分配. 在黑暗条件下,单细胞藻类
的光合机构从状态2转向状态1[ 14] .作为C3植物柑
橘,在弱光或黑暗下光合机构也是从状态 2向状态
1转变,与单细胞的藻类有些相似.
光合机构处于状态 2时, 电子传递体 QA 处于
还原态, F m / F o值较高[ 10] .本实验测定 Fm / F o时也
发现,弱光下 Fm / F o值较高(表 2) , 这为温州蜜柑
叶片在弱光下可能处于状态 2 提供了另一证据. 远
红外光诱导的 F m%/ Fo 较 Fm / Fo 升高是光合机构
自状态 2转向状态 1的重要特征[ 18] . 将温州蜜柑叶
片置于强光下后, 发现远红外光诱导下的荧光参数
Fm%/ Fo 较 F m / F o大得多,这表明强光下温州蜜柑
叶片可能发生了光合机构自状态 2到状态 1 的转
换. NaF 是光合机构由状态 2向状态 1 转换的抑制
剂.用 NaF 处理强光照射的叶片后, 发现由状态 2
向状态 1的转换明显受到抑制(图 2) .这说明了在
强光下高等植物温州蜜柑叶片的光合机构很可能由
状态 2转向状态 1.
光合机构由状态 2转向状态 1后, 会伴随着过
多的能量分配到 PS ∀, 可能会加剧 PS ∀的破坏.这
主要是因为: 弱光下温州蜜柑叶片荧光强度较高,
QB非还原中心的百分比较低, QA 的还原速率上升,
还原态 QA 能将电子及时传递给氧化态的 PQ库,光
能在两个光系统之间均衡分配; 强光下 PS ∀中 QB
非还原中心的比率上升, QA 的还原速率下降, PQ
库无法得到电子而处于氧化态, 导致过多的光能加
208911 期 郭延平等: 温州蜜柑叶片光系统反应中心光能分配的变化
重了对 PS∀的破坏(表 3) . 我们先前的工作发现,
柑橘叶片在强光下发生的光合作用的光抑制[ 7] , 以
及低温强光照条件下,叶片的 PS ∀反应中心受到破
坏[ 8] ,均可能与过多的光能向 PS ∀分配有关. 由此
可以推测, 果树叶片在强光下光能向 PS ∀分配可能
是导致强光或低温强光下 PS ∀反应中心破坏的重
要原因.
致谢 沈允钢院士提出多宝贵意见,特此感谢 !
参考文献
1 Allen JF. 1992. Protein phosphorylat ion in regulat ion photosynthe
sis. Biochim Biophys Acta, 1098( 3) : 275~ 335
2 Bukhov NG, W iese C, Neimanis S , et al . 1996. Cont rol of photosys
t em ∀ . In spinach leaves by cont inuous light and by light pulses
given in the dark. Photosy nth Res, 502( 1) : 181~ 191
3 Chow WS, Telfer A, Chapman DJ, et al . 1981. State 1state 2 t ran
sit ion in leaves and it s association w ith AT Pinduced chlorophyll
f luorescence quenching. Biochim Biophys Acta, 638( 1) : 60~ 68
4 Finazzi G, Furia A, Barbagallo RP, et al . 1999. S tate t ransit ion,
cyclic and linear elect ron t ransport and photophosphorylat ion in
Chlamydomonas reinhar dt ii . Biochim Biophys A cta , 1413 ( 3 ) :
117~ 129
5 Gocindjee. 1995. Sixtyth ree years since Kautsky: Chlorophyll a
f luorescence. A ust J Plan t Physiol , 22( 1) : 131~ 160
6 Guo YP (郭延平 ) , Zhang LC( 张良诚 ) , S hen YG(沈允钢) .
1998. Effect s of chilling stress on photosynthesis of sat suma man
darin ( Ci tr us u nshiu Marc. ) . A cta Hort S in (园艺学报) , 25( 2) :
111~ 116( in Chinese)
7 Guo YP(郭延平) , Zhang LC(张良诚) , H ong SS (洪双松) , et
al . 1999. Photoinh ibit ion of photosynthesis in satsuma mandarin
( Ci tr us u nshiu Marc. ) leaves. Acta Hort S in(园艺学报) , 26( 5) :
281~ 286( in Chinese)
8 Guo YP(郭延平) , Zhang LC(张良诚) , H ong SS (洪双松) , et
al . 2000.Responses of gas exchange and chlorophyll f luorescence to
dif ferent low temperature in satsuma mandarin ( Cit rus unshiu
Marc. ) . A cta Phytop hysiol S in ( 植物生理学报) , 26( 2 ) : 88~ 94
( in Chinese)
9 Guo YP(郭延平) , Zhou HF (周慧芬) , Zeng GH (曾光辉) , et
al . 2003. Effect s of high tem perature stress on net photosynthet ic
rate and photosystem ∀ . Act ivity in Cit rus . Chin J Ap pl Ecol (应
用生态学报) , 14( 6) : 867~ 870 ( in Chinese)
10 Krause GH. 1991. Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: T he
bas ics. A nn Rev Plant Physiol Plant Mol Biol , 42: 313~ 349
11 Kyle DJ, Ohad I, Amtzen CJ. 1984. Membrane protein damage and
repair: Selective loss of a quinoneprotein funct ion in chloroplast
membranes. Proc N atl A cad S ci USA , 81( 13) : 4070~ 4074
12 Lichtenthaler HK. 1992. The kautsky ef fect: 60 years of chloro
phyll fluorescence induct ion kinetics. Photosyntheti ca, 27 ( 1) : 45~
55
13 Maxw ell K, Johnson Giles N. 2000. Chlorophyll f luorescence∋ A
pract ical guide. J Exp Bot , 51( 345) : 659~ 668
14 Meunier PC, ColnLpez MS , Sherman LA. 1997. T emporal
change in state t ransitions and photosystem organizat ion in the un i
cellular, diazot rophic Cyanobacterium cyanothece sp. ATCC 51142.
Plant Physiol , 115( 5) : 991~ 1000
15 Mller P, Li XP, Niyogi KK. 2001. Nonphotochem ical quenching.
A response to excess light energy. Plant Physiol , 25: 1558~ 1566
16 Murata N. 1969. Cont rol of excitation transfer in photosynth esis
# . Light induced change of chlorophyll a f luorescence in Por
phyrid ium cr uentum . Biochim Biophys Acta, 172( 3) : 243~ 251
17 Quik WP, St it t M . 1989. An examination of factors cont ribut ing to
nonphotochemical quenching of chlorophyll fluorescence in barley
leaves. Biochim Biophys A cta , 977( 3) : 287~ 296
18 Schreiber U, Endo T, M i H. 1995. Quenching analysis of chloro
phyll fluorescence by the saturat ion pulse method: Part icular aspects
relat ing to the study of eukaryot ic algae and cyanobacteria. Plant
Cel l Physiol , 36( 8) : 873~ 882
19 Song LL( 宋丽丽) , Guo YP( 郭延平) , Xu K (徐 凯 ) , et al .
2003. Protect ive mechanism in photoinhibit ion of photosynthesis in
Ci t rus u nshiu leaves. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) , 14( 1 ) :
47~ 50( in Chinese)
20 Sonoike K. 1999. The different roles of chilling tem peratures in the
photoinhibit ion of photosystem # and photosystem ∀ . J Pho
t ochem Photobiol Biol , 48( 1) : 136~ 141
21 Veeranjaneyulu K, Charland M ,Leblanc RM. 1998.Highirradiance
stress and photochemical activities of photosystems 1 and 2 in v i
v o. Photosy nthet ica, 35( 2) : 177~ 190
22 Walters RG,Horton P. 1991. Resolution of compon ents of nonpho
tochem ical chlorophyll fluorescence quenching on barley leaves.
Photosy nth Res, 27( 1) : 121~ 133
23 Xu DQ (许大全) . 1988. Photosynthet ic ef ficiency. Plant Physiol
Com(植物生理学通讯) , 24( 5) : 1~ 7( in Chinese)
24 Zhang J, Lu C. 1998. Modification in photosystem ∀ . Photochem
ist ry in senescent leaves of maize plants. J Ex p Bot , 49( 327) : 1671
~ 1679
作者简介 郭延平, 男, 1963 年生, 博士后, 副教授, 主要从
事果树生理与环境生物学研究, 发表论文 30 多篇. Email:
guoyping@ mail. hz. zj. cn
2090 应 用 生 态 学 报 15卷