全 文 ：热锻炼对甘蓝幼苗叶片激发能分配的影响 3
付振书　赵世杰 3 3 　孟庆伟　邹　琦
(山东农业大学生命科学学院 ,泰安 271018)
【摘要】　以喜温凉的蔬菜甘蓝为试材 ,研究了热锻炼与对照甘蓝幼苗叶片光合速率和叶绿素荧光参数对高温
胁迫的响应.结果表明 ,叶片温度在 25～35 ℃之间 ,热锻炼苗和对照苗叶片叶绿素可变荧光 ( Fv) 、光化学猝灭
( qP) 、非光化学猝灭( qN) 、PSⅡ光化学效率(制(光破坏)有关的 qNs 明显降低 ,以维持较高的高能态猝灭 ( qNf )耗散过剩激发能 ,保护 PSⅡ反应中心不受破
坏 ,减轻了光抑制 ,这与热锻炼幼苗叶片在高温下具有较高的光合能力是一致的.
关键词 　热锻炼 　光化学猝灭系数 　非光化学猝灭系数 　甘蓝
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 08 - 1353 - 05 　中图分类号 　Q945 　文献标识码 　A
Effect of heat hardening on allocation of excitation energy in Brassica oleracea seedling leaves. FU Zhenshu ,
ZHAO Shijie ,MEN G Qingwei ,ZOU Qi ( College of L if e Science , S handong A gricultural U niversity , Tai’an
271018 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (8) :1353～1357.
In this paper , B rassica oleracea was used to investigate the effect of heat hardening ( HH) on its photosynthetic
characteristics and chlorophyll fluorescence parameters. No distinct changes were observed in the variable fluores2
cence ( Fv) ,photochemical quenching coefficient ( qP) ,non2photochemical quenching coefficient ( qN ) ,and quan2
tum yield of PS Ⅱelectron transport (25～35 ℃. When the leaf temperature was higher than 35 ℃,there were obvious differences in the levels of Fv ,
qP ,treatment were 53 % ,24 % ,and 86 % higher than those in control ,respectively ,but the qN was 22 % lower. The
photoinhibitory quenching( qNs) in HH treatment was significantly decreased. The results showed that‘high en2
ergy’quenching( qNf ) was an important photoprotection mechanism that effectively dissipated the excess excita2
tion energy ,protected the PS Ⅱ reaction center complexes from photodamage ,and increased the ability of resist2
ing photoinhibition ,which were consistent with high photosynthesis rates.
Key words 　Heat hardening , Photochemical quenching coefficient , Non2photochemical quenching coefficient ,
B rassica olexacea. 3 国家重点基础研究发展规划项目 ( G1998010100) 和山东省自然科
学基金资助项目 (Q99D10) .3 3 通讯联系人.
2003 - 08 - 18 收稿 ,2003 - 12 - 24 接受.
1 　引 　　言
在自然条件下 ,植物遭受高温胁迫时往往伴随
着强光 ,对植物光合机构的影响是多方面的. 人们普
遍认为 ,光系统 Ⅱ( PS Ⅱ) 对热胁迫非常敏感[1 ,6 ] ,尤
其是 PS Ⅱ供体侧的放氧复合体 (OEC) 易受到高温
的伤害[14 ] ,引起供体侧的电子传递受抑 ;另外 ,高温
诱导类囊体膜重新组合 ,导致 D1、D2 蛋白的构形发
生变化 ,进而受体侧 QA →QB ( PS Ⅱ的初级电子受
体和次级电子受体) 的电子传递速率下降[2 ] . 高温
胁迫下 PS Ⅱ的电子传递很容易受到抑制 ,PS Ⅱ的光
化学效率降低 ,诱导 PS Ⅱ反应中心失活. 同时 ,一些
光合碳循环及活性氧清除酶系统被钝化. 因此 ,高温
胁迫易导致植物吸收的光能不能被有效地利用 ,产
生大量的过剩激发能 ,会使 PS Ⅱ反应中心发生不可
逆失活.
植物在长期的进化过程中形成了一系列光破坏
防御机制 ,以避免过剩光能对光合机构的破坏 ,如非
光化学猝灭、光呼吸、水水循环等. 其中 ,非光化学猝
灭 ( qN )的增加 ,可耗散过剩光能 ,保护 PS Ⅱ反应中
心不受伤害[5 ] . 根据暗驰豫时间长短 ,可以把 qN 分
为快相 ( qN f , 1～ 2 min) 、中间相 ( qN m , 10～ 15
min)和慢相 ( qNs ,几十分钟) 3 个组分[4 ] ,其中 qN f
依赖于跨类囊体膜的质子梯度 (Δp H) ,同时还需要
叶黄素循环的参与. 叶黄素循环包括 3 种成分 :紫黄
质 (V) ,环氧玉米黄质 (A) ,玉米黄质 ( Z) . 在光下 V
脱环氧化经 A 形成 Z. 实验表明 ,A 和 Z的含量与非
光化学猝灭值密切相关[5 ] , qN m 与状态转化有关.
状态转化是由 PS Ⅰ和 PS Ⅱ两个光合系统处于不同
的激发态引起的 ,通过状态转换激发能可以在 PS Ⅰ
应 用 生 态 学 报 　2004 年 8 月 　第 15 卷 　第 8 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 2004 ,15 (8)∶1353～1357
和 PS Ⅱ之间重新分配. qNs 与光抑制和光破坏有
关[9 ] .
迄今热锻炼提高植物耐热性的研究多集中在热
激蛋白的保护作用、酶活性的提高等方面 ,而从激发
能分配的角度探讨热锻炼 ,提高植物耐热性的研究
鲜见报道. 本实验通过对甘蓝幼苗进行热锻炼处理 ,
研究不同温度下激发能分配的变化以及热锻炼提高
甘蓝耐热性的机理.
2 　材料与方法
211 　试验材料处理
甘蓝 ( B rassica oleracea) 种子于 2003 年 4～5 月播于育
苗盆中 ,土壤取自山东农业大学教学基地肥沃表土 ,自然条
件下生长 ,常规管理 ,用 4 周苗龄 (2 叶 1 心) 的幼苗进行试
验.选取长势一致幼苗 ,分成两批 ,分别置于 2 个规格相同的
光照培养箱中 ,一批进行热锻炼处理 (昼 36 ℃/ 夜 25 ℃,
PFD 为 100μmol·m - 2·s - 1 ,光期 16 h) 3 d ,另一批为对照 (昼
25 ℃/ 夜 25 ℃,PFD = 100μmol·m - 2·s - 1 ,光期 16 h) .
212 　温度处理
选取大小一致的叶片 ,打取叶圆片 (直径 115 cm) ,放于
自制循环水箱上面 ,在水箱的表面铺上湿润的滤纸 ,以保持
叶片及时吸收水分 ,维持膨压 ,用超级恒温水浴控制循环水
箱的温度 ,分别在 25、30、33、35、37、39 和 41 ℃下 (叶片温
度)进行处理. 光源用反射型日光镝灯. 光源与材料之间通以
流动水层 (5 cm)隔温 ,光强为 800μmol·m - 2·s - 1 .
213 　叶片气体交换参数的测定
用英国 PP Systems 公司生产的 CIRAS22 便携式光合作
用系统对活体植株的净光合速率 ( Pn) 、气孔导度 ( Gs) 、细胞
间隙 CO2 浓度 ( Ci) 等参数进行测定. 使用可调节的钨灯光
源控制光强 ,在大气 CO2 浓度和热锻炼温度 (36 ℃) 下 ,按
1 600、1 200、1 000、800、600、400、300、200、100 和 0μmol·
m
- 2·s - 1的光强顺序 ,做 Pn2PFD 响应曲线.
214 　荧光参数的测定
将叶圆片在各处理温度下暗适应 10 min , 以英国
Hansatech 科学仪器公司生产的 FMS2 脉冲调制式荧光仪在
室温下测定初始荧光 ( Fo) 、最大荧光 ( Fm)和可变荧光 ( Fv) .
测定时 ,调制光强度为 2μmol·m - 2·s - 1 ,饱和脉冲光强度为
3000μmol·m - 2·s - 1 . 然后 ,叶圆片在各种温度处理下继续照
光 (800 μmol·m - 2 ·s - 1 ) 10 min ,测定光适应下荧光参数
( Fm′、Fs、Fo′) . 各种参数的计算参考 Deming2Adams 与
Adams[3 ]及 FMS2 使用手册. 叶片照光后最大荧光 ( Fm′) 和
初始荧光 ( Fo′)的测定及叶绿素荧光非光化学猝灭 3 个组分
qNf 、qN m 和 qNs 的计算参照 Quick 和 Stitt 的方法 [9 ] . 非光
化学猝灭系数按下式计算 : qN = 1 - ( Fm′- Fo′) / ( Fm -
Fo) . 每个实验重复 4～6 次.
3 　结果与分析
311 　热锻炼对甘蓝幼苗叶片 Pn 的影响
在 36 ℃下测定了热锻炼甘蓝幼苗叶片的光响
应曲线 (图 1) . 热锻炼苗和对照苗叶片的光饱和点
分别为 1 200 和 800μmol·m - 2·s - 1 . 热锻炼苗叶片
的光饱和点明显提高. 热锻炼苗和对照苗叶片在饱
和光下的光合速率分别为 18 和 13μmol·m - 2·s - 1 .
热锻炼苗叶片净光合速率显著高于对照 ,表明热锻
炼处理使甘蓝幼苗在高温下具有更强的光合能力.
图 1 　36 ℃下热锻炼甘蓝幼苗叶片 Pn2PFD 响应
Fig. 1 Response of Pn to PFD in heat hardening( HH) B rassica cabbage
seedlings at 36 ℃.
312 　热锻炼对甘蓝幼苗叶片 Fo 、Fm、Fv 的影响
由图 2 可以看出 ,随着处理温度的增加 ,热锻炼
图 2 　温度对甘蓝幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响
Fig. 2 Effects of temperatures on chlorophyll fluorescence in leaves of
HH B rassica cabbage seedlings.
Chl 在不同温度下暗适应 10 min 后测定 Chl fluorescence was mea2
sured after 10 min dark adaption under various temperatures.
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和对照甘蓝幼苗叶片的 Fo 逐渐增加 ,而 Fm 和 Fv
却明显下降. 高温下 Fo 的缓慢增加反映了 PS Ⅱ反
应中心的失活或 L HC Ⅱ(捕光色素复合体) 与 PS Ⅱ
的分离[15 ] . 热锻炼幼苗叶片的 Fo 低于对照 ,表明热
锻炼后 PS Ⅱ反应中心的热稳定性提高. Fm 和 Fv 的
变化可以分为两个阶段 :当叶片温度低于 35 ℃时 ,
热锻炼叶片的 Fm 和 Fv 低于对照 ;高于 35 ℃时 ,对
照叶片的 Fm 和 Fv 大幅度下降 ,而热锻炼苗变化不
明显. Fm 的下降是 PS Ⅱ供体侧放氧复合体 (OEC)
在高温下失活的结果[12 ] . Fv 的下降是由 Fm 下降
和 Fo 的上升共同作用的结果. Yamane[14 ]认为 , Fv
是一个很重要的参数 ,高温下 Fv 的下降反映了 PS
Ⅱ复合体变性降解的过程. 37 ℃处理温度下 ,热锻
炼叶片的 Fv 比对照高 53 % ,可见热锻炼处理使 PS
Ⅱ复合体的热稳定性明显增加.
313 　热锻炼对甘蓝幼苗叶片 Fv/ Fm 的影响
在 800μmol·m - 2·s - 1的光强下 ,对离体的甘蓝
幼苗叶片进行不同温度处理 ,室温 (25 ℃) 下暗适应
10 min ,测定最大光化学效率 ( Fv/ Fm) . 在处理温度
低于 35 ℃时 ,无论是热锻炼还是对照叶片的 Fv/
Fm 均无明显变化 (图 3) ;高于 35 ℃时 ,对照叶片的
Fv/ Fm 下降明显 ,而热锻炼叶片在 41 ℃时才轻微
下降. 41 ℃时对照叶片的 Fv/ Fm 为 0115 ,而热锻炼
叶片约为 0165 ,与 25 ℃时相比较 ,分别降低了 80 %
和 21 % ,表明热锻炼后明显减轻了高温下甘蓝叶片
的光抑制.
图 3 　温度对甘蓝幼苗叶片 Fv/ Fm 的影响
Fig. 3 Effects of temperatures on Fv/ Fm in leaves of HH B rassica cab2
bage seedlings.
在 800μmol·m - 2·s - 1光强下测定 Measured under 800μmol·m - 2·s - 1
PFD. 下同 The same below.
314 　热锻炼对甘蓝幼苗叶片 qP 和 qP 表示光化学猝灭系数 ,代表了 PS Ⅱ反应中
心的开放程度[11 ] . 叶片温度低于 35 ℃,热锻炼和对
照甘蓝幼苗叶片的 qP 随温度的升高略有上升 (图
4) ;当处理温度高于 35 ℃时 ,对照叶片的 qP 迅速
下降 ;41 ℃时基本不存在光化学猝灭 ,即反应中心
几乎完全关闭 ,而热锻炼幼苗叶片的 qP 在温度高
于 39 ℃时才下降 ,41 ℃时还有较高的光化学猝灭 ,
高达 015 左右 ,表明约有 50 %的反应中心仍然开
放. 5) . 对照叶片的 热锻炼叶片在高于 39 ℃时轻微下降 ,表明热锻炼后
高温下 PS Ⅱ的光化学效率明显提高.
图 4 　甘蓝幼苗叶片 qP 在不同温度下的变化
Fig. 4 Changes of qP in leaves of B rassica cabbage seedlings upon expo2
sure to various temperatures.
图 5 　甘蓝幼苗叶片 Fig. 5 Changes of posure to various temperatures.
315 　热锻炼对甘蓝幼苗叶片 qN 及其 3个组分的影响
叶片温度低于 35 ℃时 ,随着温度的升高 ,热锻
炼和对照甘蓝幼苗叶片的 qN 轻微下降. 在 35 ℃以
后 ,对照叶片的 qN 迅速增加 ,而热锻炼叶片的 qN
增加缓慢 ,明显低于对照 (图 6) . 在 qN 的 3 个组分
中 , qN m 变化不大 ,维持在一个较低的水平 (图 7) .
热锻炼幼苗叶片的 qN m 低于对照. 叶温低于 35
℃,随着温度的升高热锻炼和对照叶片的 qN f 都轻
微下降 ,与 qN 的下降是一致的 ,说明在这一温度范
围 qN 的变化主要是由 qN f 的变化引起. 叶温高于
35 ℃,对照叶片的 qN f 迅速下降 ,同时 qNs 迅速上
升 ,热锻炼处理叶片的 qN f 基本维持不变 ,其 qNs
在叶温高于 39 ℃时才缓慢上升 ,且明显低于对照.
因此 ,在叶温高于 35 ℃时 , qN 的 3 个组分所占的
比例是不同的 ,热锻炼幼苗叶片的 qN 其主要组分
是 qN f ,而对照叶片主要是 qNs (图 7) . 因此 , qN 的
变化主要受 qN f 和 qNs 的影响.
55318 期 　　　　　　　　　　　　　付振书等 :热锻炼对甘蓝幼苗叶片激发能分配的影响 　　　　　　　　　　　
图 6 　温度对甘蓝幼苗叶片 qN 的影响
Fig. 6 Effect of temperatures on qN in leaves of B rassica cabbage
seedlings.
图 7 　温度对甘蓝幼苗叶片 qN 3 个组分 ( qNf 、qN m 、qNs)的影响
Fig. 7 Effect of temperatures on qNf , qN m , qNs in leaves of B rassica
cabbage seedlings.
4 　讨 　　论
高温下类囊体膜上的电子传递比叶绿体基质中
的酶对热更加敏感 ,PS Ⅱ的供体侧 (OEC) 比受体侧
( PS Ⅱ反应中心) 更易受到伤害 ,稳定锰簇的 33 KD
从 PS Ⅱ中释放出来 ,导致供体侧 (OEC) 活性丧失 ;
Fm 的下降主要由 OEC 的失活引起[12 ] ,进而供体侧
的电子传递受抑 ;同时高温可能诱导了类囊体膜重
新组合 ,D1 和 D2 蛋白的构形发生变化 , PS Ⅱ受体
侧 QA →QB 的电子传递受抑. 因此 ,高温下电子传
递 (供体侧和受体侧) 很容易受到抑制 , PS Ⅱ的光化
学效率下降 ,诱导 PS Ⅱ反应中心失活. Fo 的轻微上
升可能就反映了 PS Ⅱ反应中心的失活[15 ] . 与对照
相比 ,热锻炼处理的甘蓝幼苗叶片有着较高的 Fm
和较低的 Fo (图 2) ,表明其供体侧 (OEC) 和受体侧
( PS Ⅱ反应中心)在高温下更加稳定.
当叶温低于 35 ℃时 ,随着温度的升高热锻炼和
对照叶片的 qN f 轻微下降 ,与 qN 的下降是一致的
(图 6、图 7) . Horton[8 ]认为 , qN f 的下降可能有两个
原因 :一是随着温度的升高 ,A TP 消耗增加 ,类囊体
膜两侧的Δp H 梯度下降 ;二是随着温度的升高 ,类
囊体膜可能发生了质子渗漏 ,不能维持一个较高的
Δp H 梯度. 本实验结果表明 , qN f 的确轻微下降 ,但
不明显 (图 7) . 在 25～35 ℃之间 qN f 的降低 ,可能
是由于 A TP 的消耗增加 ,导致类囊体膜两侧的Δp H
梯度下降造成的 ,类囊体膜发生质子渗漏的可能性
不大. 当叶温高于 35 ℃时 ,热锻炼处理甘蓝幼苗叶
片的 qN 以快组分 qN f 为主 , qN f 与叶黄素循环参
与的高能态猝灭有关 ,依赖于跨类囊体膜的质子梯
度 (Δp H) . 由于热锻炼苗叶片供体侧 (OEC) 和受体
侧 ( PS Ⅱ反应中心) 在高温下较对照叶片稳定 ,电子
传递不易受到抑制 ,维持了较高的跨膜Δp H 梯度 ,
因此有着较高的 qN f ,在高温下可以及时有效地耗
散过剩激发能 ,保护 PS Ⅱ反应中心不受伤害[5 ] . 当
叶温高于 39 ℃时 ,慢组分 qNs 增加 (图 7) . 在叶温
高于 35 ℃时对照甘蓝幼苗叶片主要以 qNs 为主
(图 7c) , qNs 主要与光抑制和光破坏有关[9 ] ,与叶
黄素循环有关的高能态猝灭不再作为一个有效的热
耗散方式 ,而 qNs 不能有效地耗散掉过剩激发能 ,
导致了严重的 PS Ⅱ光抑制 (图 3) . 另外 , qN m 在各
处理温度下一直维持在一个比较低的水平 (图 7) ,
耗散一定的激发能. 有实验表明 ,高温下光系统 Ⅰ和
光系统 Ⅱ的荧光比例发生变化 ,PS Ⅱβ(根据天线色
素的大小 ,可以将 PS Ⅱ分为只含有内周色素蛋白复
合体的 PS Ⅱβ和同时含有内周与外周色素蛋白复
合体的 PS Ⅱα) 反应中心的比例增加. 因此 ,高温可
能诱导反应中心 PS Ⅱβ或 L HC Ⅱ迁移到非堆叠区 ,
将磷酸化的 L HC Ⅱ或者把 PS Ⅱβ与 PS Ⅰ连接起
来 ,耗散过剩激发能[8 ] . 然而本实验结果表明 ,热锻
炼后 qN m 较对照下降 ,在 qN 中占很少一部分 ,可
能是热锻炼使得类囊体膜和 PS Ⅱ(供体侧和受体
侧) 的热稳定性提高 ,维持了较高的高能态猝灭
6531 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
( qN f ) ,不需要诱导 PS Ⅱβ进入堆叠区 ,连接 PS Ⅰ
进行热耗散 ,因此热锻炼后 qN m 较对照下降.
综上所述 ,与对照相比 ,热锻炼的甘蓝幼苗在高
温下可以维持较高的 qN f 和较低的 qNs (图 7) ,明
显地减轻了光抑制 ,提高了光化学效率 (图 3、5) . 在
热锻炼过程中 ,类囊体膜的组分 ( Pr/ 脂)发生了一定
的变化[2 ] ,对 PS Ⅱ的构形进行有效的调整 ,由热敏
感型的 PS Ⅱ转换为耐热型的 PS Ⅱ,显著提高了类
囊体膜和 PS Ⅱ的热稳定性 ,这与热锻炼处理的甘蓝
幼苗在高温下有着更高的光合能力是一致的.
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作者简介 　付振书 ,男 ,1979 年生 ,主要从事光合作用过程
及其分子调控研究. E2mail :richrui @sdau. edu. cn
75318 期 　　　　　　　　　　　　　付振书等 :热锻炼对甘蓝幼苗叶片激发能分配的影响