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脱水和复水过程中金发藓(Polytrichum commune)与湿地匐灯藓(Plagiomnium acutum)叶绿素荧光特性变化的比较研究



全 文 :收稿日期: 2012-08-31;修回日期: 2012-10-29
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(30470181);湖南省教育厅优秀青年项目(09B082);湖南省重点学科建设项目(JSU0713Z11);湖南
省高校科技创新团队支撑计划项目(201208Z02)
作者简介: 杜晓濛(1985-),男,河南安阳人,硕士研究生,从事苔藓植物的生理生态学研究;*通讯作者:田向荣(1979-),男,苗族,湖南沅陵
人,吉首大学讲师,博士,主要从事植物生理生态学研究,Tel: 0743-8564416, Fax: 0743-8560620, E-mail: dna_rna_pro@126.com.
脱水和复水过程中金发藓(Polytrichum commune)
与湿地匐灯藓(Plagiomnium acutum)叶绿素荧光
特性变化的比较研究
杜晓濛a, 田向荣a, b*, 李 菁a, b, 石进校a
(吉首大学 a. 生物资源与环境科学学院; b. 植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室, 中国湖南 吉首 416000)
摘 要: 以来自不同水分生境的金发藓(Polytrichum commune)和湿地匐灯藓(Plagiomnium acutum)为材料 , 利用
叶绿素荧光成像技术比较了脱水和复水过程中两种藓类的荧光光响应曲线、 光系统Ⅱ光能转化效率 (ratio of
chlorophyll variation fluorescence, Fv/Fm)、光系统Ⅱ光量子产量(quantum yielding of PSⅡ, Y(Ⅱ))、光化学猝灭
(photochemical quenching, qP)和非光化学猝灭(none-photochemical quenching, NPQ)的变化. 结果显示, 在脱水
过程中, 金发藓的抑制光强可维持在 800 μmol/(m2·s)以上, 而湿地匐灯藓可低至 400 μmol/(m2·s)左右; 金发藓
ETR (electron transportation rate)值始终可维持在 20 附近, 而湿地匐灯藓可降至 0; 两种藓类的 Fv/Fm、Y(Ⅱ)、qP
均下降, 但金发藓较湿地匐灯藓高; NPQ 先升后降, 金发藓的峰值早于湿地匐灯藓, 而幅度低于湿地匐灯藓. 在
复水过程中, 两种藓类抑制光强和 ETR 均迅速恢复后略有下降, 金发藓的恢复较湿地匐灯藓慢但波动小; 两种
藓类 Fv/Fm 和 Y(Ⅱ)均能恢复到正常水平, 金发藓均高于湿地匐灯藓; 两种藓类 qP 略有上升, NPQ 则略有下降.
说明藓类植物对脱水伤害的耐受能力主要体现在复水的修复能力上, 而脱水持续和程度会对不同生境的藓类
产生不同的胁迫效应. 从光保护能力的角度来看, 生活于易产生水分亏缺条件下的金发藓比生活在水分充沛条
件下的湿地匐灯藓具有更强的脱水耐受能力.
关键词: 脱水与复水; 叶绿素荧光光响应曲线; 光系统Ⅱ光能转化效率; 光系统Ⅱ光化学量子效率; 光化学猝灭
系数; 非光化学猝灭系数
中图分类号: Q945.79 文献标识码: A 文章编号: 1007-7847(2012)06-0521-05
Comparison on Alternation of Chlorophyll Fluoroscence Between
Polytrichum commune and Plagiomnium acutum During
Dehydration and Rehydration
DU Xiao-menga, TIAN Xiang-ronga, b*, LI Jinga, b, SHI Jin-xiaoa
(a. College of Biology and Environmental Science; b. Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Utilization,
Jishou University, Jishou 416000, Hunan, China)
Abstract: Polytrichum commune from relative drought habitat and Plagiomnium acutum from wet habitat
were used as materials, and their chlorophyll fluroscence characteristics, such as ETR-PAR (Photosyntheti-
cally Active Radiation-electron transportation rate) light respond curves, Fv/Fm (ratio of chlorophyll variation
fluorescence), Y(Ⅱ) (quantum yielding of PSⅡ), qP (photochemical quenching) and NPQ (none-photochemi-
cal quenching) in diferent dehydration and rehydration treatments were detected by IMAGING-PAM analyzer
(WALZ). In the procedure of desiccation, P. commune could sustain a higher inhibit light intensity (over 800
第 16 卷 第 6 期 生命科学研究 Vol.16 No.6
2012 年 12 月 Life Science Research Dec. 2012
DOI:10.16605/j.cnki.1007-7847.2012.06.013
生 命 科 学 研 究 2012 年
μmol/(m2·s)) and a stable ETR value (about 20), but inhibit light intensity of P. acutum menifested a dramatic
decline and decreased to about 400 μmol/(m2·s), and ETR value could be inhibited to null. Fv/Fm, Y (Ⅱ),
qP of both two bryophyta species displayed a drop trends, nevertheless, P. commune contain a higher value.
NPQ of two bryophytes manifested an obvious peak, and the peak of P. commune occured early and possess
a lower alternative range. In the process of rehydration, inhibit light intensity and ETR value of both species
recover rapidly, and P. commnue menifested slowly and was provide with less alternation. Fv/Fm, Y (Ⅱ) of
both species recover to normal state, and values of P. commune was higher. Results indicated that desicca-
tion tolerance of bryophytes primarily rely on the repair ability in recovery process. But bryophytes from difer-
ent habitat should reflect distinct response on desiccation, P. commune from relative drought habitat possess
stronger desicccation tolerance than P. acutum from wet habitat.
Key words: dehydration and rehydration; ETR-PAR (photosynthetically active radiation-electron transporta-
tion rate) curve; Fv/Fm (ratio of chlorophyll variation fluorescence); Y (Ⅱ) (quantum yielding of PSⅡ); qP
(photochemical quenching); NPQ (none-photochemical quenching)
(Life Science Research,2012,16(6):521~525)
叶绿素荧光动力学技术是一种以光合作用
理论为基础, 利用植物体内的叶绿素作为天然探
针, 研究和探测其光合生理状况及各种外界因子
对其细微影响的新型植物活体测定和诊断技术,
其在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的
吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用 ,
几乎可以反映所有环境因子对植物的影响以及
植物生理功能在不同水平上的变化[1, 2].
苔藓植物是植物界的一个特殊的类群, 它们
经常在砂碛、荒漠、冻原和裸露岩石作为先锋植
物类群出现, 说明它们具有很强的适应水湿和干
旱的能力[1]. 为了在极端干旱的环境中生存, 苔藓
植物大多具备特殊的生存机制, 脱水状况下其新
陈代谢几乎停滞, 短暂的降水甚至微量的露水即
可迅速恢复激活其新陈代谢活动, 脱水和复水的
时间、强度等都会影响其休眠、复苏过程 [3]. 不同
种的苔藓植物对脱水速率和脱水强度的耐受能
力不同, 脱水、复苏过程中的代谢活动也存在差
异[4]. 本文以生活在易发生水分亏缺生境的金发
藓 (Plagiomnium acutum) 和水分充沛生境下的湿
地匐灯藓 (Polytrichum commune)为研究材料 , 探
究并分析其在不同脱水、复水时间处理下叶绿素
荧光特性的变化, 探讨藓类植物耐脱水性与其生
境的关系.
1 材料和方法
1.1 实验材料
湿地匐灯藓采自湖南省吉首市德夯风景区
雷公洞附近溪流旁, 金发藓采自湖南省吉首大学
砂子坳校区后山郁闭度低的稀疏樟林下. 材料连
同少量基质一起采集放入透明塑料袋, 密封后带
回室内用于实验. 材料采集后, 于 25 ℃光照培养
箱中培养. 凭证标本存于吉首大学植物标本室.
每种材料分为 3组 6个处理, 其中对照组不
进行任何脱水和复水处理, 脱水组材料于硅胶上
脱水 30 min和 60 min, 复水组材料则在脱水 60
min 后, 于去离子水中进行复水培养 30、60、120
min, 每个处理 3次重复.
1.2 对应含水量的测定
取各脱水、复水处理大小一致、色泽一致的
材料各 5枝进行对应含水量的测定. 测定方法参
照宋松泉等的方法[5], 以干重为基础计算对应含
水量, 即每 g 干重对应多少 g 水分, 单位为 g/g.
每个处理组 3次重复.
1.3 叶绿素荧光参数的测定
取各脱水、复水处理组大小一致、色泽一致
的湿地匐灯藓和金发藓枝条. 参照 Garbary等的
方法进行叶绿素荧光参数的测定 [6]. 用荧光诱导
动力学曲线来选择实验所用的饱和激发光强, 叶
绿素荧光参数用调制叶绿素荧光仪 Image-PAM
(WALZ, 德国) 测量. 不同材料组脱水、复水处理
后, 分别测定 Fv/Fm (ratio of chlorophyll variation
fluorescence)、Y (Ⅱ) (quantum yielding of PSⅡ)、
ETR (electron transportation rate)、qP (photochemi-
cal quenching )、NPQ (none-photochemical quench-
ing)等叶绿素荧光参数.
1.4 数据分析
用 SPSS13.0 进行各实验数据的差异显著性
522
第 6 期
分析.
2 结果
2.1 脱水与复水过程中湿地匐灯藓与金发藓的
对应含水量变化
脱水与复水过程中两种藓类对应含水量的
变化趋势一致, 且都具有较大的变化范围(如图 1
所示). 正常情况下, 金发藓和湿地匐灯藓的干重
对应含水量分别为 5.66和 4.82 g/g. 快速脱水情
况下, 两种藓类的干重对应含水量迅速下降, 至
60 min 达到最低值的 0.054和 0.075 g/g, 相当于
高等植物种子超干保存的水平, 水分变化幅度与
原有对应含水量的比值分别达到 99%和 98%; 从
下降幅度上看, 金发藓的对应含水量变化比湿地
匐灯藓略快, 在脱水 30 min湿地匐灯藓对应含水
量下降了 87.6%, 而同期金发藓相对对应含水量
下降了 95%. 脱水后迅速复水, 两种藓类的对应
含水量均能迅速恢复, 复水 30 min均已接近正常
情况下的对应含水量, 无论绝对值和变化幅度变
化并无差别.
2.2 脱水与复水过程中金发藓与湿地匐灯藓叶
绿素荧光光响应曲线
脱水与复水过程中两种藓类的荧光光响应
曲线区别明显 (见图 2). 正常情况下, 虽然两种藓
类的抑制光强都达到 1 600 μmol/(m2·s) 左右, 但
金发藓最大光合电子通量(ETR)值为湿地匐灯藓
的约 2倍, 具有更高的光合效率.
脱水 30 min 时, 两种藓类的抑制光强都在
800 μmol/(m2·s)附近, 但金发藓 ETR最大值降低
到与湿地匐灯藓近似的水平 , 均在 20 左右, 其
ETR在脱水过程中变化幅度较湿地匐灯藓大. 脱
水 60 min 时 , 金发藓的抑制光强为 400 μmol/
(m2·s), 为湿地匐灯藓的近 2倍; 同时, 当光强高
于 800 μmol/(m2·s) 以后, 金发藓仍能维持基本水
平的光合电子通量, 而湿地匐灯藓则完全被抑制.
复水过程中, 两种藓类的抑制光强恢复迅速.
在复水 30 min 时即已恢复到 1 600 μmol/(m2·s),
但湿地匐灯藓在复水 120 min 时, 又降到约 400
μmol/(m2·s) 左右. ETR的数值方面, 两种藓类均
出现迅速回升又下降的趋势. 复水过程中, 金发
藓的 ETR值在 30 min时恢复到正常情况的 50%
左右, 随后略有下降; 而湿地匐灯藓的 ETR值在
复水 30 min即超过正常水平, 而后又迅速回落到
正常情况的一半左右.
2.3 脱水与复水过程中湿地匐灯藓和金发藓的
叶绿素荧光参数的变化
2.3.1 光能转化效率(Fv/Fm)和光量子产量(Y(Ⅱ))
脱水与复水过程中, 两种藓类的 Fv/Fm值与
对应含水量变化的趋势一致, 呈现先降后升的趋
势, 且复水后均能恢复到正常水平. 多数情况下,
图 1 脱水复水过程中金发藓与湿地匐灯藓的对应含水
量(干重基础)变化
Fig.1 Change of moisture content of two different bryo-
phytes during dehydration and rehydration
6
4
2
0
W
at
er
co
nt
en
t/(
g/
g)
P.commune
P.acutum
Control D30 D60 R30 R60 R120
Desiccation and rehydration treatments
图 2 脱水与复水过程中金发藓与湿地匐灯藓的荧光光响应曲线
(A) 金发藓; (B) 湿地匐灯藓.
Fig.2 Changes of ETR-PAR curves of P. commune and P. acutum during dehydration and rehydration
(A) P. commune; (B) P. acutum.
100
80
60
40
20
0 400 800 1 200 1 600 2 000
Control
D30
D60
R30
R60
R120
ET
R/(
μm
ol
/(m
2 ·
s))
Desiccation and rehydration treatments
(A)
50
40
30
20
10
0 400 800 1 200 1 600 2 000
Control
D30
D60
R30
R60
R120
ET
R/(
μm
ol
/(m
2 ·
s))
Desiccation and rehydration treatments
(B)
杜晓濛等:脱水和复水过程中金发藓(Polytrichum commune)与湿地匐灯藓(Plagiomnium acutum)叶绿素荧光特性变化的比较研究 523
生 命 科 学 研 究 2012 年
图 3 脱水与复水过程中金发藓与湿地匐灯藓的叶绿素荧光特性变化
(A) 光系统Ⅱ光能转化效率; (B) 光系统Ⅱ光量子产量; (C) 光化学淬灭; (D) 非光化学淬灭.
Fig.3 Changes of chlorophyll fluroscence characteristics of P. commune and P. acutum during dehydration and rehy-
dration
(A) Fv/Fm; (B) Y(Ⅱ); (C) qP; (D) NPQ.
(C) (D)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Control D30 D60 R30 R60 R120
P.acutum
P.commune
Desiccation and rehydration treatments
(A)
Fv
/F
m
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Control D30 D60 R30 R60 R120
P.acutum
P.commune
Desiccation and rehydration treatments
(B)
Y(

)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Control D30 D60 R30 R60 R120
P.acutum
P.commune
Desiccation and rehydration treatments
qP
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
Control D30 D60 R30 R60 R120
P.acutum
P.commune
Desiccation and rehydration treatments
NP
Q
金发藓的 Fv/Fm值高出湿地匐灯藓 9%~12%; 而
脱水 60 min时, 金发藓的 Fv/Fm值高出湿地匐灯
藓 1倍左右. Y(Ⅱ)值方面,两种藓类的变化趋势与
Fv/Fm值的变化趋势近似,但金发藓在脱水过程中
下降较慢,在复水过程中上升较快(见图 3A、B).
2.3.2 光化学淬灭(qP)和非光化学淬灭(NPQ)
随着脱水时间的延长, 金发藓和湿地匐灯藓
的 qP值都有所下降, 而复水过程中则均保持在
相对稳定水平, 略有升高. 金发藓的 qP值在脱水
过程中下降较湿地匐灯藓快, 而复水过程中, 较
湿地匐灯藓慢. 两种藓类的 NPQ值在脱水过程中
均表现先升后降的趋势, 但湿地匐灯藓的变化较
金发藓而言反应时间长且幅度大, 脱水 60 min时
达到最大值 0.835, 为金发藓的两倍多. 复水过程
中, 两种藓类的 NPQ值均无明显变化或略有下降
(见图 3C、D).
3 讨论
众多实验结果都表明藓类植物的光合作用
在脱水过程中受到抑制, 而在复水过程中则可以
迅速的恢复. 目前, 对这一现象的解释是藓类植
物有一套完整的光保护机制[7, 8], 而对适应不同生
境的藓类植物的光保护机制的差别及其生理生
态意义探讨则几乎没有. 将生活在水分充沛和易
产生水分亏缺小生境的两种不同藓类进行对应
含水量变化和叶绿素荧光特性的对比将为理解
脱水耐性及生态意义提供重要参考.
对应含水量变化方面, 苔藓植物作为变水植
物 (poikiohydric plant), 其对应含水量在正常条件
下对应含水量很高, 而变化幅度可以非常大. 来
自两种不同生境的藓类植物无明显差异, 均具有
典型的变水特性, 正常对应含水量都很高, 且变
化幅度可以达到正常对应含水量的 98%以上. 结
合复水与光合作用恢复的结果, 两种藓类植物营
养组织都可以耐受相当于种子植物种子超干处
理(5%)的对应含水量, 体现类藓类植物强大的脱
水耐性.
Fv/Fm、Y(Ⅱ)和 qP 反映 PSⅡ反应中心的光
能转换效率[9, 10], 其变化可直接体现植物受胁迫的
情况. 脱水与复水过程中, 两种藓类的 Fv/Fm和
524
第 6 期
Y(Ⅱ)的变化趋势一致, 都能在复水后迅速恢复,
说明它们均具有极强的耐脱水能力, 而这种能力
是几乎所有藓类植物都具备的. 而从 Fv/Fm和 Y
(Ⅱ) 的绝对值上看, 适生于易缺水环境的金发藓
明显高于适生于水分充沛环境下的湿地匐灯藓,
说明其在脱水与复水胁迫下的光保护能力更强.
NPQ反映 PSⅡ吸收光能中不能用于光合电
子传递而以热能形式耗散的部分, 而热耗散是保
护植物 PSⅡ的重要机制 [11]. 脱水过程中, 两种藓
类的 NPQ变化趋势均呈现先升后降的趋势, 但金
发藓的峰值较湿地匐灯藓早且低, 说明脱水伤害
的光合热耗散的保护机制金发藓较湿地匐灯藓
更灵敏, 且更稳定. 可见适生于易发生水分亏缺
环境的金发藓较适生于水分充沛条件的湿地匐
灯藓而言, 有更低的热耗散光保护需求即能适应
脱水. 有意思的是, 两种藓类的 NPQ在复水过程
中的变化均不明显, 是否意味着光合热耗散的光
保护机制在复水过程中不起作用, 或者由于热耗
散相关的叶黄素循环恢复慢于 PSⅡ的恢复, 都值
得探讨.
脱水与复水过程中, 抑制光强和光合电子传
递效率(ETR)的绝对值和稳定性方面, 适生于易缺
水环境的金发藓均明显高于适生于十分充沛生
境的湿地匐灯藓. 同样, 我们的研究结果还显示
Fv/Fm和 Y(Ⅱ)两个参数随对应含水量变化而变
化的趋势基本与 ETR变化的趋势一致, 由于叶绿
素荧光光响应曲线所体现的抑制光强、ETR和实
测的叶绿素荧光特性与光系统Ⅱ (PSⅡ)光-电转
化效率有关, 可以推测适生于易缺水环境下的金
发藓在光合结构的组成上, 如色素组分、捕光复
合体与 P680的紧贴程度以及类囊体膜内质体醌
的含量多少等优于适生于水分充沛条件下的湿
地匐灯藓. 虽然 PSⅡ的光合结构组成与脱水耐性
的关系已有相关报道[12], 但其是否是所有苔藓植
物和复苏种子植物适应干旱乃至脱水的重要影
响因素则值得进一步研究.
基于以上讨论, 可以认为藓类植物无论其生
境如何都具有极强的脱水耐性, 能在对应含水量
降到鲜重的 5%以下仍能继续存活, 在复水后可
以迅速恢复代谢活性, 但不同适生环境下的藓类
植物在光保护机制上仍然呈现出不小的差异. 适
生于易发生水分亏缺生境的金发藓比适生于水
分充沛条件下的湿地匐灯藓更能适应水胁迫生
态环境. 而其原因从光保护的角度而言, 可能是
在水胁迫下具有更稳定的光合机构和功能. 同时,
从方法上看, 叶绿素荧光特性反映了丰富的光合
作用信息, 可以快速、灵敏、无损地研究苔藓植物
光合作用对生存环境的适应性, 是苔藓植物生理
生态学的重要新手段.
参考文献(References):
[1] 吴鹏程. 苔藓植物生物学[M]. 北京: 科学出版社(WU Peng-
cheng. Biology of Bryophytes[M]. Beijing: Science Press), 1998, 12.
[2] BEWLEY J D. Physiological aspects of desiccation tolerance[J].
Annual Review of Plant Physiology, 1979, 30: 195-238.
[3] KRAUSE G H, WEIS E. Chlorophyll fluorescence and photo-
synthesis: the basics[J]. Annual Review of Plant Physiology, 1991,
42: 313-349.
[4] WOO N S, BADGER M R, POGSON B J. A rapid, non-inva-
sive procedure for quantitative assessment of drought survival
using chlorophyll fluorescence[J]. Plant Method, 2008, 4(11): 27.
[5] 宋松泉, 程红焱, 龙春林, 等. 种子生物学实验指南[M]. 北
京: 科学出版社 (SONG Song-quan, CHEN Hong-yan, LONG
Chun-lin et al. Protocols in Seed Biology[M]. Beijing: Science
Press), 2005. 1.
[6] GARBARY D J, MILLER A G, SCROSATI R, et al. Distribu-
tion and salinity tolerance of intertidal mosses from Nova Sco-
tian salt marshes[J]. The Bryoloogist, 2008, 111(2): 282-291.
[7] OLIVER M J, VELTEN J, WOOD A J. Bryophytes as experi-
mental models for the study of environmental stress tolerance:
Tortula ruralis and desiccation tolerance in mosses[J]. Plant
Ecology, 2000, 151(1): 73-84.
[8] PROCTOR M C F, OLIVER M J, WOOD A J, et al. Desicca-
tiontolerance in Bryopgytes: A Review[J]. The Bryologist, 2007,
110(4): 595-621.
[9] LICHTENTHALER H K, MIEHE J A. Fluorescence imaging
as a diagnostic tool for plant stress[J]. Trends in Plant Science,
1997, 2(8): 316-320.
[10] MISRA A N, SRIVASTAVA A, STRASSER R J. Utilization of
fast chlorophyll a fluorescence technique in assessing the salt/
ion sensitivity of mung bean and Brassica seedlings[J]. Journal
of Plant Physiology, 2001, 158(9): 1173-1181.
[11] CSINTAL Z, PROCTOR M C F, TUBA Z. Chlorophyll fluores-
cence during drying and rehydration in the mosses Rhytidi-
adelphus loreus (Hedw) Warnst, Anomodon viticulosus (Hedw)
Hook & Tayl and Grimmia pulvinata (Hedw) Sm[J]. Annals of
Botany, 1999, 84(2): 235-244.
[12] PROCTOR M C F, SMIRNOFF N. Rapid recovery of photo-
sys-tems on rewetting desiccation-tolerant mosses: chlorophyll
fluorescence and inhibitor experiments[J]. Journal of Experi -
mental Botany, 2000, 51(351): 1659-1704.
杜晓濛等:脱水和复水过程中金发藓(Polytrichum commune)与湿地匐灯藓(Plagiomnium acutum)叶绿素荧光特性变化的比较研究 525