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少穗竹荧光特性初探



全 文 :江西林业科技 2009年第 4期
少穗竹荧光特性初探
王 真 1,2 ,郭起荣 2,1★,岳祥华 3 ,胡小康 1 ,任立宁 2 ,李 沁 1,2,严 彦 3
(1.江西省竹子种质资源与利用重点实验室,江西农业大学,江西南昌 330045;2.国际竹藤网络中心,北京 100102;
3.国际竹藤网络中心安徽太平试验中心,安徽黄山 245716)
摘 要:以少穗竹为研究对象,利用 IMAGING-PAM对其进行了荧光成像诱导等研究,结果表明:①:从荧光诱
导曲线,Y、qP和 rETR值均很低,后均逐渐达到稳态。其中 Y、rETR、qP均为一直升高并达到稳态变化趋势一致,NPQ
则有一个先升高再降低逐步达到稳态的过程。②根据快速光曲线的拟合可以得到少穗竹 Ik=145.273 4、α=0.200312、
rETRmax=29.1。③少穗竹各荧光参数存在着大小不一的异质性,除 PSII最大量子产量 Fv/Fm、吸光系数 Abs以外,其
他参数均存在较大的异质性。其中 PSII实际量子产量 Y、光化学淬灭 qP和相对电子传递速率 PS/5O的变化基本一
致,而非光化学淬灭 NPQ/4的变化与前三者相反。
关键词:少穗竹;荧光诱导;快速光曲线;横向异质性
分类号:S795 文献标识码:A 文章编号:1006-2505(2009)04-0005-05
收稿日期:2009-04-16
项目资助:国家自然科学基金项目(项目编号:30460111,30760204)和科技部农转化项目(国科发农字[2007]485号)
作者简介:王真,女,森林培育学硕士,主要从事竹林栽培及生理研究。E-mail:wangzhen1016@126.com
*通讯作者.E-mail:qrguo@icbr.ac.cn
受生理、发育、色素分布、形态等影响,叶片不同部位的
光合作用具有异质性[1]。例如叶脉和叶肉的光合作用差别很
大。利用调制叶绿素荧光成像技术可以方便的判断叶片光合
作用的异质性。传统的调制荧光仪多以光纤为信号传导体,
如 PAM-101/102/103、PAM-2100、MINI-PAM等,只能检测叶
片某一点的光合活性。叶片不同部位的组织结构和叶绿素含
量是不同的,这就导致叶片不同部位的光合作用具有异质
性。因此利用光纤测量的某一点的荧光参数难以反映整个叶
片的光合作用。
2001年,Schreibe设计出了多功能、多参数的调制叶绿素
荧光成像系统 IMAGING-PAM。IMAGING-PAM利用数码相
机 CCD作为检测器,可以检测叶片上每个像素的光合活性,
从而得到全叶片的叶绿素荧光成像[2-3]。利用调制叶绿素荧光
成像不仅可以测量整个叶片的光合作用,而且可以检测叶片
光合作用的异质性,甚至可以早期检测肉眼不可见的胁迫损
伤,并且阐明损伤机理和调节机制。调制叶绿素荧光成像技
术在植物生理学、遗传育种、电生理、病理学、生理生态和生
态毒理学等领域得到了广泛应用[4-7,32-34]。
少穗竹(Oligostachyum sulcatum Z. P. Wang & G. H. Ye)
亦称“大黄苦”,为竹亚科少穗竹属。该竹最早在福建闽清美
菰国营林场发现,仅分布于福建。少穗竹秆中型,材用笋用具
佳。其竹笋味道独特——笋味微苦,但脆嫩可口,能和胃消食
且营养丰富,人们喜食,市场十分畅销,实为笋中珍品,系福
建乡土优特笋用竹种之一。其栽培经济效益很高,开发前景
十分广阔。初步调查表明,少穗竹存量少,在闽清等地有少量
野生竹林,由于被过度采挖破坏严重,亟待拯救性保护。该竹
开发基础薄弱,发展滞后,仅当地群众为食用方便自发在房前
屋后少量栽培,无经营规模。目前,对少穗竹研究报道甚少[8]。
国内对少穗竹的文章大部分来自少穗竹栽培、引种等方面,大
多是笋期、生长量测定等,未见其叶绿素荧光方面的研究报
道。本文对少穗竹进行了荧光诱导试验,一方面对引种竹的
生长情况进行调查,一方面通过荧光诱导试验对少穗竹的荧
光特性进行详细的解剖,为将来的引种及繁育提供最直接最
有效的理论支撑[30,35]。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验材料种植于国际竹藤网络中心安徽太平基地种质资
源保存库内。保存库地位于 32°20′57N~32°20′57N;118°01′
31.80E~118°01′31.80E间(WGS84)。保存库有太平湖小气
候的滋润,属亚热带季风气候,四季分明,雨量充沛。年平均
气温为 15.5℃,极端最高气温为 40.3℃,极端最低气温为-
13.5℃。年平均降雨量为 1 253.9 mm。
试验于 2008年 10月进行,测定植株为 2年生植株,胸径
6 cm,株高 2.5 m。取生长良好、无病虫害中上层冠幅叶片进
行试验,重复 3~8片叶。
本实验利用配备小探头 IMAG-MINI/B的调制荧光成像
系统 MINI-IMAGING-PAM(WALZ,德国)测量叶片叶绿素荧
光,由于 MINI-探头的便携式设计,使其特别适合野外应用。
5· ·
DOI:10.16259/j.cnki.36-1342/s.2009.04.009
调制荧光成像系统 MINI-探头采用强大的 Luxeon LED阵列,
包括 4组(每组 3个)LED,均配有长波截止滤光片。测量光频
率为 1 Hz,强度 0.5 μmol/m2(s;光化光强为 133 μmol/m2(s,持
续时间 10 min;饱和脉冲强度为 6 000 μmol/m2(s,持续时间
0.8 s。IMAG-MINI还有 8个红光(650 nm)和 8个近红外
(780 nm)LED,根据它们照射到叶片后的重发射(红光 R,近
红外 NIR)可求出叶片吸光系数 Abs=1-R/NIR[3,9]。MINI-探头
采用 1、3”数据 CCD(640×480像素)和 F1.2/f=12 mm物镜,其
设目的为测量固定距离下的荧光成像。仪器成像面积为 24
mm×32 mm,放大 6倍。
1.2 试验方法
1.2.1快速光曲线的检测。全叶片叶绿素荧光诱导曲线测量结
束后,马上利用 MINI-IMAGING-PAM测量快速光曲线。快速
光曲线的测量按 Schreiber 等(1997)和 White 与 Critchley
(1999)的方法进行。设置 16个 PAR梯度:0,9,20,29,40,56,
75,102,133,165,204,248 和 297,370,580 μmol/m2·s。每个
梯度持续 10 s,并分别测量实际量子产量 Y和相对电子传递
速率 rETR。rETR随 PAR的变化即为快速光曲线。
1.2.2荧光诱导曲线的检测。测量过程同上。荧光参数的定义
参照 van Kooten和 Snel(1990),计算公式按文献[10-13]进行:PSII
的最大量子产量 Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm;PSII 的有效量子产量
Y=(Fm′-F)/Fm′;相对电子传递速率 rETR=Y×PAR×Abs×0.5;
光化学淬灭 qP=(Fm′-F)/(Fm′-Fo′);非光化学淬灭 NPQ=
(Fm-Fm′)/Fm′。Fo′按公式 Fo′=Fo/(Fv/Fm+Fo/Fm′)计算。
1.2.3叶片荧光成像异质性的测量。选取生长良好、无病虫害
的叶片,暗适应 20 min后测量最小荧光 Fo和暗适应下的最
大荧光 Fm,随后打开光化光诱导荧光动力学,并间隔 20 s打
开饱和脉冲测量瞬时荧光 F和光适应下的最大荧光 Fm′。测
量时可用细线辅助使叶片展平。
荧光参数参照 van Kooten和 Snel(1990),计算公式按文
献[10-13]进行:光系统 II的最大量子产量 Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm;
光系统 II的有效量子产量 Y=(Fm′-F)/Fm′;相对电子传递速
率 rETR=Y×PAR×Abs×0.5;光化学淬灭 qP=(Fm′-F)/(Fm′-
Fo′);非光化学淬灭 NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′。由于远红光会对
CCD 产生严重干扰,因此 MINI-IMAGING-PAM 不能测量
Fo′,Fo′按公式 Fo′=Fo/(Fv/Fm+Fo/Fm′)计算[14]。Abs,Fv/Fm,Y
和 qP在 0~1之间变化,而 NPQ和 rETR(本章用 PS代替)可
能大于 1,为了便于比较,后两个参数用 NPQ/4和 PS/50表
示。为了对叶片荧光参数的异质性进行更好的分析,在叶片
表面取两点(如图 1中 Abs),利用 IMAING-PAM的操作软件
ImagingWin将这两点间每个像素的参数值导出,观察其波动
情况,并用变异系数 CV表示其异质性程度。
2 结果与分析
2.1 少穗竹的快速光曲线
光响应曲线(P-I 曲线)是了解植物光合作用对光强响
应的重要手段,一般可分为光限制、光饱和与光抑制 3个阶
段[16-18]。在光限制阶段,光合速率是光强的线性函数。当随光
强的升高,光合速率达最大时,就达到了光饱和。此后,随光
强的增加往往出现光合速率下降的现象,即为光抑制。
传统的光响应曲线测量要求在每一 PAR梯度下适应一
段时间(约 5~10 min)达稳态后测量光合速率 [19-20],这样反映
的并非自然光合状态,而是被仪器人工光改变过的半自然光
合状态。此外,由于测量时间长,在野外测量时难以作平行测
量。利用调制叶绿素荧光技术,即使每一 PAR强度下的适应
时间很短(如 10 s),也可得出典型的光响应曲线,这被称为快
速光曲线(Rapid Light Curve,RLC)[21-23]。由于测量时间短,测
量过程对光合状态的影响小,所以基本反映了样品的自然光
合状态。由于在短时间内可以做多个样品,因此快速光曲线
更加适合生态学研究。近年来,快速光曲线技术在生理生态
学领域得到了广泛应用[13,23-26]。
为了对快速光曲线做定量比较,需要进行曲线拟合。利
用公式 p=ρm·tanh(α·PAR/ρm)[27]拟合曲线。其中 ρm代表无光抑
制时的最大光合速率,也就是最大潜在相对电子传递速率
rETRmax;α是快速光曲线的初始斜率,反映了光能利用效
率。半饱和光强 Ik=ρm/α。曲线拟合采用最小二乘法,用 Sta-
tistica软件进行。对快速光曲线进行拟合,可以得出最大光合
速率也就是最大潜在相对电子传递。结果如图 1所示,随光
强的升高,rETR逐渐升高,当光强达到饱和点后,rETR达最
大值,此后,随光强的升高,rETR逐渐下降。
图 1 少穗竹快速光曲线拟合图
本章中的叶片快速光曲线测量是在经过 133 μmol/m2·s
光强下照射 10 min达稳态后测量的。由于测量时设置的最大
光强低于 1 000 μmol/m2·s,因此得出的快速光曲线并未出现
光抑制现象。因为 Ik反映了植物耐受强光的能力[28],可知耐
受强光能力强的植物具有较高的最大光合速率。初始斜率 α
反映了叶片捕光能力的高低,它与叶片的吸光系数和 PSll对
捕获的光能的利用能力有关。通过拟合公式我们可以看出
Ik=145.273 4、α=0.200 312、rETRmax=29.1。少穗竹的半饱和
光强与补光能力都不是很高,这也导致其最大光合速率不是
很高的原因。
2.2 少穗竹的荧光诱导曲线
图 2为少穗竹暗适应 20 min后测量的荧光诱导曲线,图
中示出了该植物的 PSII最大量子产量 Fv/Fm(第一个黑方
6· ·
块),以及打开 133 μmol/m2·s的光化光后 PSII实际量子产量
Y、光化学淬灭 qP、非光化学淬灭 NPQ和相对电子传递速率
rETR的变化。经暗适应后打开光化光诱导叶绿素荧光,开始
Y,qP 和 rETR 值均很低,此后均逐渐达到稳态。其中 Y、
rETR、qP均为一直升高并达到稳态,变化趋势一致。NPQ则
有一个先升高再降低逐步达到稳态的过程. 为了更好的比较
荧光参数,取全叶片参数做平均值,测量 3个叶片,得出的结
果如图 2所示。吸光系数 Abs=0.846。
图 2 少穗竹荧光诱导曲线
经过充足的暗适应后测量出的 Fv/Fm反映了 PSII的最
大量子产量,也就是植物的潜在最大光合能力。1980年代人
们就发现,正常整理状态下,Fv/Fm是一个很稳定的值,多数
高等植物为 0.832±0.004[29]。现在一般认为当 Fv/Fm处于 0.8~
0.85间时,植物处于健康状态,当 Fv/Fm低于 0.8时,植物受
到了胁迫。从图 2中可以看出,Fv/Fm值处于 0.8以下,这说
明该植物处于亚健康状态,胁迫下生长。可以根据这个现象,
跟踪性的对移植树种进行荧光的测定记录其恢复的情况,并
且也可以通过荧光的测定指导树木移植技术。开始 Y,qP和
rETR值均很低,这是因为暗适应的植物还不适应这种光照状
态。植物为了适应这种光照状态,会调动调节机制,使光合活
性逐渐提高,Y,qP和 rETR逐渐升高。当 PQ(从 PSII)接收电
子和(向 PSI)送出电子的速率达到平衡时,也就是说当 PSII
和 PSI达到动态平衡时,植物就适应了这种光照状态,Y,qP
和 rETR达到稳态。NPQ反映了植物热耗散能力也就是光保
护能力的高低[15],图中的 NPQ曲线较之其他曲线有个下降之
稳态的过程,这说明少穗竹这种植物这个时期不具备好的调
节机制,不能精确的调节热耗散的程度,需要“过度”增加热
耗散,等光合活性恢复后再降下来。
2.3 少穗竹叶片叶绿素荧光成像异质性
从图 3中可以看出少穗竹各荧光参数存在着大小不一
的异质性。从图中可以明显的看出除 PSII最大量子产量 Fv/
Fm(CV=1.8%)与 Abs(CV=2.25%)以外,其他参数均存在较大
的异质性。这说明了一个很重要的问题,那就是看似完好的
叶片中,其表面分布的叶绿素及其他成分是不均匀的,在以
往的荧光或者是光合等生理研究当中都是以点的形式来代
替整个叶的荧光或者光合特性,从荧光的热成像当中我们可
以看出这样的代替方法存在了很大的误差,所以利用小探头
IMAG-MINI/B的调制荧光成像系统 MINI-IMAGING-PAM测
量叶片叶绿素荧光显然比以前的 PAM2100更具有说服力。
由于少穗竹叶薄且叶脉不明显,故荧光参数的异质性无
规律。为了更具体的表现叶片的异质性,在少穗竹叶片表面
划一条线(如图 1中 Abs),可得出在该线上每个像素的荧光
参数(图 4)。利用变异系数的大小来确定叶片荧光各参数的
异质性大小。可以看出,照射光强为 133 μmol/m2·s的光化光
10 min后得到的 PSII实际量子产量 Y(CV=10.56%)、非光化
光淬灭 NPQ/4(CV=11.89%)、光化学淬灭 qP(CV=7.5%)和相
对电子传递速率 PS/50(CV=10.58%)的异质性均很强。由图 3
和图 4可见,少穗竹叶片 PS/50的变化与吸光系数 Abs的变
化无明显关系。Y、qP和 PS/5O的变化基本一致,而 NPQ/4的
变化与这三者相反。
图 3 少穗竹叶片荧光成像图
(图中Abs为叶片吸光系数,Fv/Fm、Y、NPQ/4、qP和 PS/50为照光 10
min后的稳态荧光参数。PS代表相对电子传递速率 rETR, NPQ除以 4,
PS除以 50,是为了使所有参数在 0~1之间变化,便于颜色显示。)
图 4 少穗竹荧光参数异质性
从图 3、图 4可以看出,少穗竹 PSII的最大量子产量 Fv/
Fm具有较高的匀质性(CV=1.8%),表明少穗竹叶片的不同部
位潜在最大光合能力基本相同。Y反映了植物的实际光合效
Abs Fv/Fm
Y NPQ/4
qP PS/50
7· ·
率,qP反映了植物利用光能进行光合作用的能力,NPQ则反
映了植物将过剩光能耗散为热的能力。由图 3、图 4可以看
出,少穗竹的 Y,qP和 NPQ的变化不同,但他们中 Y和 qP的
变化趋势是基本相同的,而 NPQ的变化趋势则与 Y和 qP相
反。植物吸收的光能有 3条去路:光合作用、叶绿素荧光和热
耗散。正常生理状态下,光合作用与热耗散二者基本呈相反
的关系,光合能量转换的效率高,则耗散为热的能量少[13]。Y
与 qP反映的均是光合活性的高低,因此二者的变化趋势基
本一致。在光合活性高的区域,吸收的光能主要用于光合作
用,耗散为热的比例较少,反之亦然。因此 NPQ的变化趋势与
Y和 qP相反。
相对电子传递速率 rETR是光合速率的一种表达方式,
大量研究表明,在达光饱和前,rETR与光合放氧速率或 CO2
(或 14C)同化速率呈线性相关[10,20]。在相同的光照下,rETR主
要受叶片吸光系数 Abs和 PSII实际量子产量 Y影响。这又可
分为 3种情况,主要受 Abs影响、主要受 Y影响或二者影响
程度差别不大。在图 3和图 4中,Abs的异质性(CV=2.25%)
相对较小,因此 rETR主要受 Y的影响。rETR与 Y和 qP的变
化趋势基本相同,与 NPQ的变化相反。如果 Y的异质性相对
较小,那么 rETR就主要受 Abs的影响。如果 Abs和 Y的异质
性均明显,则二者对 rETR都有显著影响。
叶片主要由叶基、叶脉(主脉和侧脉)、表皮和叶肉组成。
叶基和叶脉是叶片的输导组织,起运输营养物质的作用。多
数植物的叶脉含叶绿体,可进行光合作用。叶肉由栅栏组织
和海绵组织构成,含大量叶绿体,是光合作用的主要部位。表
皮覆盖于叶片表面,不具叶绿体,不能进行光合作用。对许多
植物而言,叶片光合作用的异质性主要是由叶脉引起的。如
在蒲公英(Taraxacum officinale)和白杨(Popul ustrichocarpa)
叶片中就观察到叶脉的光合活性比叶肉部分要高 [3],在番茄
(Lycopersicon esculentum)叶片中观察到叶脉具有较低的吸光
系数[6]。由于本研究中 IMAGING-PAM采用的数码相机 CCD
只有 30万像素的分辨率,因此多数情况下叶脉与叶肉光合活
性的差异并不能清楚的展示出来。本实验中少穗竹的叶肉与
叶脉的展示就不是很清楚。
少穗竹的叶片光合作用均存在不同程度的异质性。在所
有荧光参数中,Fv/Fm和 Abs的匀质性最高。Y和 qP的变化
趋势基本相同,而 NPQ的变化趋势则与 Y和 qP相反。Abs的
异质性相对较小,因此 rETR主要受 Y的影响。
3 小结及讨论
1)从荧光诱导曲线的测定可以看出:Y,qP和 rETR值均
很低,此后均逐渐达到稳态。其中 Y、rETR、qP均为一直升高
并达到稳态变化趋势一致,NPQ则有一个先升高再降低逐步
达到稳态的过程。
2)少穗竹的半饱和光强 Ik=145.273 4、初始斜率 α=
0.200 312、最大潜在相对电子传递速率 rETRmax=29.1。
Fv/Fm 值处于 0.8 以下,说明测量状态下的植株处于亚
健康状态,可能受到某种因子胁迫。
3)少穗竹各荧光参数存在着大小不一的异质性,少穗竹
的叶片光合作用均存在不同程度的异质性。在所有荧光参数
中,Fv/Fm和 Abs的匀质性最高。Y和 qP的变化趋势基本相
同,而 NPQ的变化趋势则与 Y和 qP相反。Abs的异质性相对
较小,因此 rETR主要受 Y的影响。
4)对少穗竹在一个季度内进行了荧光的测定还有更多的
研究可以做,如季节变化动态等。按已有理论数据,测定的少
穗竹正处于胁迫生境下,需要有足够的试验进一步证实之[36]。
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Research of Fluorescence Characteristics
of Oligostachyum sulcatum
WANG Zhen1,2, GUO Qirong2,1★, YUE Xianghua3, HU Xiaokang1, REN Lining2, LI Qin1,2, YAN Yan3
(1. Jiangxi Provincial Key Laboratory for Germplasm Resources and Utilization of Bamboo, Jiangxi Agricultural
University, Nanchang Jiangxi 330045, China; 2. International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102,
China; 3. Anhui Taiping Experimental Station of ICBR, Huangshan Anhui 245716, China)
Abstract: Taking Oligostachyum sulcatum as the object of study, the fluorescence imaging, inducement, rapid light curves
were studied using IMAGING-PAM, the results showed that the heterogeneity of different sizes existed in the fluorescence
parameters, seeing from the figure, in addition to the PSII maximum quantum yield Fv/Fm, absorption coefficient
parameters Abs, other parameters have greater heterogeneity. The change of actual PSII quantum yield Y, the
photochemical quenching qP and relative electron transport rate PS/50 were in the basic agreement, but the change of
non-photochemical quenching NPQ/4 was opposite with other three. According to fluorescence induced curves, values of
Y, qP and rETR were low, then gradually reached steady-state. In which Y, rETR, qP were increased and reached steady-
state has been changing trend, the value was below 0.8, which shows that the plants was in the sub-health state may
stressed by some factors. Under the fast-track light curve of Oligostachyum sulcatum can be fitted that Ik = 145.273 4, α
= 0.200 312, rETRmax = 29.1.
Key words: Oligostachyum sulcatum; Horizontal heterogeneity; Fluorescence inducement; Rapid light curve
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