全 文 ：温州蜜柑叶片光合作用光抑制的保护机理*
宋丽丽1 郭延平2* * 徐 凯2 张良诚2
( 1 安徽农业大学园艺系,合肥 230036; 2浙江大学园艺系, 杭州 310029)
=摘要> 晴天条件下, 使用便携式调制荧光仪和分光光度计观察了温州蜜柑叶片光合作用光抑制发生过
程中几个主要荧光参数(初始荧光 F0、最大荧光 Fm、PSÒ 的光化学效率 Fv/ Fm、非光化学猝灭 qN 及其快
相 qNf和慢相 qN s)、电子传递速率( ETR)和玉米黄素相对含量的日变化. 结果表明, 随着光强的增强,
ETR、qN 及其 qNf 与 qN s以及玉米黄素相对含量升高, Fv/ Fm、Fm和 F 0下降. 用 DTT 处理后, qNs较对照
明显下降, F0 较对照明显上升.可以认为, 柑橘在光合作用日变化中存在依赖于叶黄素循环和类囊体膜质
子梯度两种非辐射能量耗散方式, 而且它们在防御光破坏方面起着重要作用.
关键词 温州蜜柑 光抑制 叶绿素荧光 叶黄素循环
文章编号 1001- 9332(2003) 01- 0047- 04 中图分类号 Q945. 11 文献标识码 A
Protective mechanism in photoinhibition of photosynthesis in Citrus unshiu leaves. SONG Lili1 , GUO Yan2
ping2 , XU Kai2, ZHANG Liangcheng2( 1 Depar tment of H or ticultur e, Anhui Agr icultur al University, Hefei
230036, China ; 2 Depar tment of Hor ticulture , Zhejiang University , Hangzhou 310029, China ) . 2Chin . J .
Appl . Ecol . , 2003, 14( 1) : 47~ 50.
By using a por table PAM22000 fluorometer and a spectrophotometer ( 722 Model) , the diurnal var iation in main
chlorophyll fluorescence parameters such as initial fluor escence (F0 ) , maximal fluor escence (Fm) , ratio of vari2
able fluorescence to maximal fluorescence ( Fv/ Fm) , non2photochemical quenching (qN) , fast2phase (qN f) and
slow2phase (qNs) of non2photochemical quenching, electron transport rate ( ETR) , and relative content of xeax2
anthin in Citrus unshiu leaves were observed on fine days. The results showed that ETR, qN, qNf , qNs and
relative content of xeaxanthin increased with increasing light intensity, but Fm, F 0, photo2chemical efficiency of
PSÒ (Fv/ Fm) decreased. After treated by DTT , qN swas much lower, but F 0 was much higher than control.
These r esults indicated that xant hophyll cycle and v pH existed, and played an impor tant protective role against
photo2damage to the photosynthetic apparatus in Citrus unshiu leaves dur ing diurnal var iat ion of photosynthetic
efficiency.
Key words Citrus unshiu , Photoinhibition, Chlorophyll fluor escence, Xanthophyll cycle.
* 国家自然科学基金 ( 39970525)和浙江省自然科学基金资助项目
( 399470) .
* * 通讯联系人.
2001- 11- 05收稿, 2002- 05- 15接受.
1 引 言
光是植物光合作用的首要因子, 因而研究光对
植物光合作用的影响非常重要.在没有水分亏缺、营
养不足和温度限制等环境胁迫条件下, 晴天田间许
多植物在光合作用日变化中, 中午光合速率下降, 出
现/午睡0现象. 强光引起的光抑制是光合/午睡0的
重要原因[ 20] .光合作用的光抑制有两种情况:一是
PSÒ (光系统 Ò )的次级电子受体 QB 蛋白的降解导
致 PS Ò 反应中心破坏,光合功能恢复很慢[19] ;二是
通过与叶黄素循环、类囊体膜质子梯度、PS Ò 反应
中心的可逆失活等有关的非辐射能量耗散来消耗过
多的光能, 光合功能恢复很快[1~ 3, 6, 7, 14] .柑橘在光
合速率日变化中也存在/午睡0现象,光呼吸增强和
光抑制是其重要原因[5, 13] . 但柑橘光抑制发生的机
理属于哪种情况还不清楚. 本研究的目的在于揭示
柑橘光合作用日变化过程中光抑制发生的机理, 为
柑橘的栽培管理提供理论依据.
2 材料与方法
21 1 实验材料
采用 3 年生生长健壮的枳砧盆栽温州蜜柑( Citrus un2
shiu )为试材. 盆土重约 7. 0~ 8. 0 kg, 土质为粉壤土.试验时,
选取完全成熟的还未显衰老的叶片. 试验期间浇以充足的水
分以免发生水分胁迫, 晴天条件下进行测定,至少 3次重复 .
21 2 研究方法
21 21 1 柑橘叶片荧光参数日变化的测定 春季室外晴天条
件下, 选取事先标记好的向阳叶片, 从早晨 5B00 至晚上 20B
00,用便携式调制荧光仪 PAM22000 (Walz, Germany)并连
接微量子/温度探头(型号为 2030 B)每隔 1 h 测定一次投射
于叶面的太阳光的光强 ( PFD)和叶绿素荧光参数 F0、Fm、
Fv/ Fm 及电子传递速率.
应 用 生 态 学 报 2003 年 1 月 第 14 卷 第 1 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jan. 2003, 14( 1)B47~ 50
21212 光合作用非光化学猝灭 ( qN)及其快相( qNf)和慢相
( qNs)的测定 早晨测定前,让叶片暗适应至少 2h. 测定时,
打开检测光(频率为 600Hz)测定初始荧光参数 F0, 再打一次
饱和脉冲光(PFD约为 3000Lmol#m22# s - 1, 每次 0. 8 s, 频率
为 20kHz)测定最大荧光参数 Fm. 参照 Quick 和 St itt 的方
法[ 18] , 让经过阳光照射的叶片在暗中恢复 5s 后, 打开检测
光并打一次饱和脉冲光测量 Fmc , 继以一次远红外光 ( PFD
= 0. 9Lmol#m- 2# s- 1 , 3 s)以测量 F 0c , 测完后关闭检测光, 然
后在暗恢复条件下每隔 100 s测定一次 Fmc . 暗恢复 1800s
后,改为每隔 200s测定一次 Fmc ,利用暗恢复过程中测得的
Fmc和 F0c计算 qN、qNf、和 qN s.
21213 玉米黄素相对含量的测定 由于玉米黄素的吸收峰
在 505 nm, 因而可以通过该波段光吸收的变化来检测玉米
黄素含量的变化.参照洪涛和许大全的方法[ 15]并稍作改动,
从至少暗适应 2 h 的叶片中脉左右对称部分剪取同样大小
的 2个片段 ,分别放入底部盛有少量水(以防叶片失水)的 2
个比色杯中,然后一个置于暗中, 另一个放入自然直射光下,
以暗中的片段作参比(零点) ,每隔 2 h 用 722 分光光度计测
定照光片段的 505 nm处的光吸收, 观察叶片在一天中 505
nm处光吸收的变化.
21214 叶片的二硫苏糖醇( DTT)处理 将荧光参数相近的
两个叶片在水中从叶柄处剪下, 一个叶片插入 5 mmol# L - 1
的 DTT 溶液中, 另一叶片插入蒸馏水中作为对照, 两个叶片
一同置于 PFD 约 20Lmol #m- 2# s- 1的弱光下至少 2 h, 然后
置于室外.从早晨 5B00 至晚上 20B00, 观察不同处理的叶片
的初始荧光和非光化学猝灭慢相( qNs)在一天中的变化.
3 结果与分析
311 晴天光强和温州蜜柑叶片 ETR的日变化
晴天条件下,温州蜜柑叶片的光合电子传递速
率( ETR)日变化与光强日变化趋势相似(图 1) .
图 1 晴天光强和温州蜜柑叶片电子传递速率的日变化
Fig. 1 Diurnal variat ions in irradiance ( A) and elect ron transport rate
( B) of Citr us unshiu leaves on a clear day.
312 温州蜜柑叶片荧光参数 F0、Fm、Fv/ Fm 的日
变化
温州蜜柑叶片最大荧光 Fm和 PS Ò 的光化学
效率( Fv/ Fm)的日变化趋势相似, 中午最大光强时
达到最低值,下午光强减弱后又逐步恢复;初始荧光
F0 则从早晨 5B00开始上升,至 8B00左右达到最高
值,后随着光强的增强而下降, 到中午降到最低值,
下午又出现上升的趋势(图 2) .
图 2 温州蜜柑叶片叶绿素荧光参数 F0、Fm和 Fv/ Fm的日变化
Fig. 2 Diurnal variat ions in chlorophyll fluorescence parameters F0, Fm
and Fv/ Fm of Cit rus unshiu l eaves on a clear day.
313 叶片的非光化学猝灭( qN)及其快相( qNf)和
慢相( qNs)日变化
温州蜜柑叶片的非光化学猝灭系数 qN、qNf和
qNs均随着光强的增加呈上升趋势,中午达到最大,
而后逐渐下降(图 3) .
314 柑橘叶片玉米黄素相对含量的日变化
505 nm处的光吸收可反映叶片中的玉米黄素
的含量[ 4] . 温州蜜柑叶片 505 nm处的光吸收(图 4)
图 3 柑橘叶片叶绿素荧光非光化学猝灭及其组分的日变化
Fig. 3 Diurnal variat ions in the non2photoch emical quenching ( qN) and
its components ( qNf, qNs) in Cit rus u nshiu leaves in the outdoor.
48 应 用 生 态 学 报 14卷
图 4 温州蜜柑叶片 505 nm 处光吸收的日变化
Fig. 4 Diurnal variat ions of light absorben cy at 505 nm in Citr us unshiu
leaf sect ions ex posed to outdoor natural light .
变化与光强的变化(图 1)相似.
315 DTT 处理对叶片非光化学猝灭的慢相( qNs)
及初始荧光( F0)的影响
用 DTT 处理叶片的 qNs 与对照相比, 随着光
强的增强差异逐渐增大, 到了中午, DTT 处理叶片
的qNs比对照下降了 40%, 下午随着光强的减弱,
差异逐渐缩小, 至下午 16B00以后,两者不再有明显
的差异(图 5A) . DTT 处理叶片的 F0 较对照出现升
高趋势,而且随着光强的增强, 升高趋势更加明显
(图 5B) .
图 5 DTT处理对温州蜜柑叶片非光化学猝灭慢相( qNs)和初始荧
光( F0)的影响
Fig. 5 Effect of DTT treatment on slow2phase non2photochemical
quenching of chlorophyll fluorescen ce ( qNs) (A) and initial fluorescen ce
( F0) ( B) in Citru s unshiu leaves in the outdoor.
4 讨 论
光抑制的本质是光合机构吸收的过剩光能引起
光合功能下降. 因此, 光越强光抑制越严重. 一般来
讲, Fv/ Fm和 Fm下降是植物叶片发生光抑制的重
要特征[6, 11] .本研究结果表明,晴天条件下,温州蜜
柑叶片叶绿素荧光参数 Fm和 Fv/ Fm在日进程中,
随中午光强的增强而下降(图 1、图 2) .可见,柑橘叶
片在光合作用的日变化中光抑制发生明显.
植物发生光抑制时, 往往伴随非辐射能量耗散
的增加, 这种非辐射能量耗散通常可用荧光参数的
qN(非光化学猝灭系数)来检测[ 17] . 在温州蜜柑光
合作用的日进程中, qN 中午升高(图 3) , 说明在发
生光抑制的同时也发生了非辐射能量耗散.
依赖叶黄素循环的热耗散是近年来人们经常关
注的一种重要的非辐射能量耗散方式. Demmig2
Adams等[8]认为与叶黄素有关的热耗散可能是防
御光破坏的主要途径. 在非光化学猝灭的暗适应过
程中,其慢相( qNs, > 20 min)往往与叶黄素循环有
关[ 9, 16] . 玉米黄素是叶黄素循环的最终产物. 我们
在观察 qNs的日变化中发现,柑橘叶片的 qNs和玉
米黄素含量(A505nm 处光吸收值)在中午强光下出
现上升趋势(图 3、图 5) . 这是柑橘叶片叶黄素循环
在起作用的一个证据.
F 0 的上升, 表明 PS Ò 反应中心受到破坏或发
生可逆失活, F0的下降, 表明依赖叶黄素循环的热
耗散增强[6, 8] .植物大豆在日变化过程中, 随着光强
的增强 F0上升[ 15] .而我们的实验结果表明,上午8B
00以后,随着光强的增强 F0 下降, 下午随着光强减
弱略有恢复(图 2) ,可能是不同植物 F0 的日变化不
尽相同. F0 的变化趋势与 qNs 和玉米黄素含量的变
化趋势相反, 表明强光下 F0的下降确实与叶黄素循
环密切相关. 当叶黄素循环被抑制后. F 0 出现明显
上升(图 4) , 这是因叶黄素循环被抑制后而不能耗
散过多的光能,导致 PS Ò 反应中心受到破坏.因此,
对柑橘而言, 依赖于叶黄素循环的非辐射能量耗散
在防御光破坏方面起着重要作用.
F0 在早上 5B00~ 8B00期间的变化中出现上升
的趋势,这在以前其它植物的报道中从未见过. 这一
上升现象不能说它与光破坏有关, 其原因有待进一
步研究.
激发能的非光化学过程可以影响光合机构的电
子传递速率[ 12]. 当电子传递随着光强增加时, 非辐
射能量耗散上升[ 10] .我们发现,柑橘叶片的 ETR随
光强增强而升高, 而且非辐射能量耗散也在增强,表
明电子传递在非辐射能量耗散中确实起着重要的作
用.
依赖于类囊体膜质子梯度的热耗散也能消耗过
剩光能.但由于它能力有限,往往在不足以完全耗散
掉过剩光能时,叶黄素循环就开始运转.珊瑚树就属
491 期 宋丽丽等:温州蜜柑叶片光合作用光抑制的保护机理
于这种类型[15] . 而本实验柑桔与珊瑚树有所不同,
其叶片的 qNf(非光化学暗适应的快相, 可间接地反
映类囊体膜的质子梯度状况[ 8, 9] )在中午强光下升
高(图 3) , 说明中午强光下存在依赖于跨类囊体膜
的质子梯度热耗散.结合以上有关叶黄素循环的研
究结果及光合机构未被强光破坏的事实可见, 柑桔
叶片在耗散过剩光能方面同时存在依赖于跨类囊体
膜质子梯度和叶黄素循环两种热耗散方式, 保护光
合机构免遭强光破坏.
参考文献
1 Adams Ó WW & Demmig2Adams B. 1992. Operation of the xan2
thophyll cycle in higher plants in response to diurnal changes in inci2
dent sunlight . Pla nta , 186: 390~ 398
2 Baker NR. 1991. A possible role for photosystem Ò . Environmental
pertubat ions of photosynthesis. Physiol Plant , 81: 563~ 570
3 Bilger W & BjÊrkman O. 1990. Role of the xanthophyll cycle in
photoprotection elucidated by measurements of light2 in duced ab2
sorbance changes, fluorescence and photosynthesis in leaves of
H edera canariensi s. Photosynth Res, 25: 173~ 185
4 Bilger W, BjÊ rkman O & Thayer SS. 1989. Light2induced spect ral
absorbance changes in relation to photosynthesis and the epoxida2
t ion state of xanthophyll cycle components in cotton leaves. Plant
Physiol , 91: 542~ 551
5 Chen Z2H (陈志辉) , Zhang L2C(张良诚) . 1994. Diurnal variat ion
in photosynthet ic efficiency of leaves in Satsuma Mandarin. Acta
Phytop hysiol Sin (植物生理学报) , 20( 3) : 263~ 271( in Ch inese)
6 Demmig B, Winter K, Krger A, et al . 1987. Photoinhibit ion and
zeaxanthin formation in intact leaves:A possible role of the xantho2
phyll cycle in the dissipat ion of excess light energy. Plant Physiol ,
84: 218~ 224
7 Demmig2Adams B & Adams Ó WW. 1996. Xanthophyll cycle and
light st ress in nature: uniform response to excess direct sunlight a2
mong higher plant species. Pla nta , 198: 460~ 470
8 Demmig2Adams B & Adams Ó WW. 1992. Photoprotect ion and
other responses of plants to high light st ress. Ann Rev Plant Physi2
ol P lant Mol Biol , 43: 599~ 626
9 Demmig2Adams B & Winter K. 1988. Characterizat ion of three
components of non2photochemical fluorescence quenching and their
response to photoinhibition. Aust J Plant Physiol , 15: 163~ 177
10 Demmig2Adams B, Adams Ó WW, Baker DH, et al . 1996. Using
chlorophyll fluorescence to assess th e fract ion of absorbed light allo2
cated to thermal dissipat ion of excess excitat ion. Physiol Plant , 98:
253~ 264
11 Dodd IC, Critchley C, Woodall GS, et al . 1998. Photoinhibit ion in
different ly colored juvenile leaves of Syzygium species. J Exp er
Bot , 49( 325) : 1437~ 1445
12 Genty B, Briantais JM, Baker NR. 1989. The relat ionship between
the quantum yield of photosynthetic electron t ransport and quench2
ing of chlorophyll fluorescence. Biochem Biophys Acta , 990: 87~
92
13 Guo Y2P(郭延平) , Zhan L2C(张良诚) , H ong S2S(洪双松) , et
al . 1999. Photoinhibition of photosynthesis in Satsuma Mandarin
( Cit rus u nshiu Marc. ). Acta Hor tic Sin (园艺学报) , 26( 5) : 281
~ 286. ( in Chinese)
14 H ong Shuang2Song, Xu Da2Quan. 1999. Light2 induced increase in
initial chlorophyll fluorescence F0 level and the reversible inact iva2
tion of PSÒ reactivat ion centers in soybean leaves. Photosynth Res ,
61: 269~ 280
15 Hong T (洪 涛 ) , Xu D2Q ( 许大全 ) . 1999. Non2photochemical
quenching of chlorophyll fluorescence in soybean and sweet vibur2
num leaves. Acta Phytop hysiol Sin (植物生理学报) , 25( 1) : 15~
21 (in Chinese)
16 Horton P, Hague A. 1988. Studies on the induct ion of chlorophyll
fluorescence in isolated barley protoplast s Ô . Resolut ion of non2
photochemical quenching. Biochem Biophys Acta , 932: 107~ 115
17 Horton P, Ruban A, Walters RG. 1994. Regulat ion of light havest2
ing in green plants: indicat ion by non2photochemical quenching of
chlorophyll fluorescence. Plan t Physiol , 106: 415~ 423
18 Powles SB. 1984. Photoinhibition of photosynthesis induced by visi2
ble light . Annu Rev Plant Physiol , 35: 15~ 44
19 Quick WP, Stit t M . 1989. An examination of factors cont ribut ing
to non2photochemical quenching of chlorophyll fluorescence in bar2
ley leaves. Biochem Biophys Acta, 977: 287~ 296
20 Xu D2Q(许大全) , Xu B2 J(徐宝基) , Shen Y2G(沈允钢 ) . 1990.
Diurnal variation of photosynthetic efficiency in C3 plants. Acta
Phy tophysiol Sin (植物生理学报) , 16: 1~ 5 ( in Chinese)
作者简介 宋丽丽, 女, 1974 年生,硕士,主要从事果树生态
生理的研究, 已发表论文 4 篇, E2mail: ypguo@zju. edu. cn
50 应 用 生 态 学 报 14卷