全 文 ：第 35 卷第 12 期
2015年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.12
Jun.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:中国烟草总公司科技项目(110201002008, Ts鄄01鄄2011003); 贵州省烟草专卖局资助项目(中烟黔科也2012页11号); 河南省烟草专卖
局科技攻关项目(hykj200817)
收稿日期:2013鄄08鄄21; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄07鄄02
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yangtiezhao@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201308212124
杨志晓, 丁燕芳, 张小全, 薛刚, 王轶, 任学良, 任周营, 杨铁钊.赤星病胁迫对不同抗性烟草品种光合作用和叶绿素荧光特性的影响.生态学
报,2015,35(12):4146鄄4154.
Yang Z X, Ding Y F, Zhang X Q, Xue G, Wang Y, Ren X L, Ren Z Y, Yang T Z. Impacts of Alternaria alternata stress on characteristics of
photosynthesis and chlorophyll fluorescence in two tobacco cultivars with different resistances.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4146鄄4154.
赤星病胁迫对不同抗性烟草品种光合作用和叶绿素荧
光特性的影响
杨志晓1, 2, 丁燕芳3, 张小全1, 薛摇 刚1, 王摇 轶2, 任学良2, 任周营4, 杨铁钊1,*
1 河南农业大学烟草学院, 郑州摇 450002
2 贵州省烟草科学研究院, 烟草行业烟草分子遗传重点实验室, 贵阳摇 550081
3 河南省农业科学院烟草研究所, 许昌摇 461000
4 江西中烟工业公司, 南昌摇 330096
摘要:以不同烟草赤星病抗性品种 JYH(抗病品种)和 CBH(感病品种)为材料,在盆栽试验条件下,调查不同烟草赤星病胁迫程
度(轻度胁迫、中度胁迫和重度胁迫)对光合色素含量、光合作用参数和叶绿素荧光动力学特征的影响。 结果显示:1)烟草赤星
病胁迫导致 2个品种的叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均呈下降趋势,且 JYH的降幅小于 CBH。 2)除 JYH的
净光合速率在轻度胁迫下有所增加外,JYH、CBH 的净光合速率、气孔导度因烟草赤星病胁迫而降低。 2 个品种的胞间 CO2浓
度、气孔限制值变化具有明显差异,烟草赤星病胁迫导致 CBH的胞间 CO2浓度上升,气孔限制值则明显下降,这与 JYH在重度
胁迫下的变化趋势一致。 而 JYH的胞间 CO2浓度在轻度、中度胁迫降低,气孔限制值则呈上升趋势。 3)烟草赤星病胁迫下,2
个品种的初始荧光(F0)、非光化学猝灭系数(NPQ)均有所增加。 重度胁迫下,JYH、CBH的 F0分别比对照增加 16.5%、34.48%,
NPQ分别上升 95.54%、137.45%,差异均达到显著水平。 而各品种的最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PS域最大光化学效率(Fv /
Fm)、PS域潜在活性(Fv / F0)、光化学淬灭系数(qp)、PS域实际光化学效率(椎PS域)在烟草赤星病胁迫下均呈下降趋势,降幅表现
为 JYH性能是对烟草赤星病具有较强抗性的生理基础。
关键词:烟草; 烟草赤星病; 光合色素; 光合特性; 叶绿素荧光参数
Impacts of Alternaria alternata stress on characteristics of photosynthesis and
chlorophyll fluorescence in two tobacco cultivars with different resistances
YANG Zhixiao1,2, DING Yanfang3, ZHANG Xiaoquan1, XUE Gang1, WANG Yi2, REN Xueliang2, REN
Zhouying4, YANG Tiezhao1,*
1 College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
2 Key Laboratory of Molecular Genetics, Guizhou Academy of Tobacco Science, Guiyang 550081, China
3 Tobacco Research Institute of Henan Academy of Agricultural Sciences, Xuchang 461000, China
4 China Tobacco Jiangxi Provincial Industrial Company, Nanchang 330096, China
Abstract: Tobacco brown spot is one of the most serious diseases in tobacco production in China leading to enormous losses
in yield and quality. It is necessary to select resistant tobacco cultivars to meet the demands for high quality tobacco
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production, but there have only been occasional reports on the pathogenesis of tobacco brown spot in the past. It is therefore
very important to study the disease mechanism of tobacco brown spot in order to establish recommendations and a foundation
for breeding resistant cultivars. The responses of photosynthetic pigment content, photosynthetic parameters and chlorophyll
fluorescence kinetic characteristics were investigated under three different stress levels of tobacco brown spot ( mild,
moderate and severe stress) at maturity using pot cultures. Two tobacco cultivars with different resistances to tobacco brown
spot were selected as experimental materials to determine whether there was a correlation between photosynthetic
characteristics and resistance. The cultivars selected were JYH ( resistant cultivar) and CBH ( sensitive cultivar) . The
results showed that tobacco brown spot stress could decrease chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll and carotenoids
in the two cultivars with different resistances. In addition, the decreased range of photosynthetic pigments was less in JYH
than in CBH. Tobacco brown spot stress decreased both the net photosynthetic rate and stomatal conductance. However, the
net photosynthetic rate of JYH increased under mild stress whereas there was a decrease under moderate and severe stress.
In the two cultivars with different resistances, the changes in intercellular CO2 concentration and stomatal conductance were
divergent. The intercellular CO2 concentration in CBH tended to rise under the three different tobacco brown spot stress
levels, whereas the stomatal limitation value showed a significant decrease. In JYH under severe stress, the photosynthetic
parameters consisting of both intercellular CO2 concentration and stomatal conductance showed the same trend as in CBH.
However, compared with the rising trend of intercellular CO2 concentration under severe stress, the stomatal limitation value
of JYH decreased under both mild and moderate stress. With the increasing levels of tobacco brown spot stress, the initial
fluorescence (F0) and non鄄photochemical quenching (NPQ) of the two cultivars with different resistances both increased.
Compared with controls (no stress), the increases in F0 in JYH and CBH were 16.50% and 34.48%, respectively under
severe stress, whereas NPQ increased by 95.54% and 137.45%, respectively, at the same time. For these two parameters,
all the differences between severe stress and control conditions were significant for JYH and CBH. However, the chlorophyll
fluorescence kinetic parameters including maximal fluorescence (Fm), variable fluorescence (Fv), maximal photochemical
efficiency (Fv / Fm), PS域 potential efficiency (Fv / F0 ), photochemical quenching coefficient ( qp ) and PS域 actual
quantum yield (椎PS域) for the two cultivars with different resistances all decreased by varying degrees under the three levels
of tobacco brown spot stress, and the decreased range was less in JYH than in CBH. These results indicate that tobacco
brown spot disease had a destructive effect on photosynthetic characteristics. The photosynthetic pigments, photosynthesis
and chlorophyll fluorescence characteristics of JYH were less influenced by tobacco brown spot stress than CBH. So a higher
photosynthetic performance may be a major physiological trait of resistant cultivars in the adaptability to tobacco brown spot
infection.
Key Words: tobacco; tobacco brown spot; photosynthetic pigment; photosynthetic characteristics; chlorophyll
fluorescence parameters
烟草赤星病[Alternaria alternata]是中国烟叶生产中的主要病害之一,属于真菌性病害。 该病具有潜育期
短、流行速度快的特点,烟株现蕾后至成熟期为易感病阶段;在环境条件适宜的情况下,短时间内即可大面积
发生流行。 烟草赤星病主要侵染叶片,严重时还会危害茎杆、花梗和蒴果,严重影响烟叶产量和品质,不利于
优质烟叶生产,但至今尚无有效的防治手段[1鄄3]。 因此,深入研究烟草赤星病的致病机理,选育抗性较好的优
质烟草品种是目前烟叶生产中亟待解决的问题。 而现阶段关于烟草赤星病致病机理的研究报道较少,主要集
中在感病组织形态结构的描述上。 Lioyd[4]认为细嫩组织细胞壁较厚是烟株苗期较抗赤星病的原因之一。
Stavely[5]对病叶组织的显微观察发现,烟叶组织在侵染点周围形成瘢痕层,阻止菌丝胞间伸长,病斑扩展
受阻。
光合作用是最重要的基础生理活动,为植物生长发育提供所需的物质和能量,是决定产量和品质的主要
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因素。 一些研究发现,病原菌侵染能够引起光合作用的改变,导致光合速率明显下降,叶绿体结构受到破坏,
叶绿素含量降低,光合电子传递活力减弱,光合磷酸化作用受抑[6鄄7]。 相关研究结果显示,病原菌抑制光合作
用可能是由气孔导度下降引起的[8]。 而同时大量报道又表明,光合电子放氧复合体活性降低、PS玉和 PS域电
子传递速率下降等非气孔限制因素也对其有着重要影响[9鄄10]。 因此,病原菌胁迫如何影响植株内部的生理活
性进而抑制光合作用始终是抗病育种研究的重点。
在正常情况下,叶绿体吸收的光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散 3种途径散失,这 3 种途
径存在此消彼长的关系,因此叶绿素荧光的变化可以直接反映植物光合系统对光能的吸收和利用情况,病原
菌侵染对光合机构的影响也可通过它体现出来[11鄄12]。 目前,关于外界逆境对光合作用和叶绿素荧光特性的
影响主要集中在玉米、大豆等作物上[13鄄14],而关于烟草赤星病侵染对烟草叶片光合作用和荧光特性的影响研
究较少。 因此,本文以 2个不同烟草赤星病抗性品种为材料,从光合色素含量、光合作用参数以及叶绿素荧光
动力学特征入手,探讨不同烟草赤星病胁迫程度对光合作用和叶绿素荧光特性的影响,旨在揭示烟草赤星病
胁迫与光合作用及相关指标之间的关系,以期为抗烟草赤星病新品种选育提供理论依据和参考指标。
1摇 材料与方法
1.1摇 供试材料
供试烟草(Nicotiana tabacum L.)品种为抗病品种 JYH、感病品种 CBH[15鄄16]。 采用漂浮育苗方式进行育
苗,挑选生长整齐一致的壮苗(6叶 1心)进行盆栽种植,行株距为 120 cm ´50 cm,每盆植烟 1 株。 每盆装土
10 kg,供试土壤为壤质潮土(有机质 8.50 g / kg、全氮 0.89 g / kg、速效氮 65.46 mg / kg、速效磷 24.42 mg / kg、速效
钾 108.00 mg / kg,pH值 7.91)。 每盆烟株 N、P 2O5、K2O 的施入量分别为 0.13、0.13、0.39 g / kg,肥料分 3 次施
入,施入时间分别为移栽当天、移栽后第一周和第二周,肥量比例为 2颐1颐1。 烟株进入现蕾期进行打顶,每株留
叶数均为 18片叶,其他管理措施均按照优质烟叶生产技术规程进行。 试验设 3次重复,每个品种每次重复种
植 50盆。
以致病力较强的烟草赤星病菌种 GM831为供试菌株。 将供试菌株在 PDA平板上 25 益培养 7 d,待充分
产孢后,加 1%无菌葡萄糖溶液 10 mL浸泡 15 min,用无菌棉签洗下孢子和菌丝体,经 4层无菌纱布过滤,除去
菌丝体,再用 1%无菌葡萄糖溶液配成孢子悬浮液(浓度为 1.0伊105个 / mL)待用。
1.2摇 试验设计及取样
当下部烟叶变黄成熟时(移栽后 60 d),开始进行烟草赤星病菌接种。 将孢子悬浮液以悬滴法接种于烟
株的第 3、4叶位叶片(自下而上数,下同),均等距离每叶点 12 滴,每滴为 25 滋L,以 1%无菌葡萄糖溶液处理
为对照[17]。 根据在品种、温度和菌株组成一定的条件下,叶面湿润时数与烟草赤星病侵染概率呈线性关系这
一研究结论[18],将烟株接种后在人工气候室中 25 益分别保湿 24、96 和 168 h,9 d 后统计发病情况。 根据张
明厚的分级标准[19],调查发病情况,计算发病率和病情指数。 根据病情指数,把叶片分为正常生长(CK,病情
指数 0,无病症)、轻度胁迫(病情指数 25%)、中度胁迫(病情指数 50%)和重度胁迫(病情指数 75%)。 选取第
10叶位叶片进行各项指标测定。
1.3摇 试验测定指标及方法
1.3.1摇 光合色素含量
采用 Arnon[20]的方法测定,结果以 mg / gFW表示。 每处理重复 3次。
1.3.2摇 光合作用气体交换参数
在晴天 9:30—11:30,采用 LI鄄 6400 便携式光合仪(Li鄄Cor Inc.,USA)测定净光合速率(Pn,滋mol CO2 m
-2
s-1),气孔导度(Gs, mmol m
-2 s-1),胞间 CO2浓度(C i, 滋mol / mol),气孔限制值(Ls)根据 Berry[21]的方法计算
(Ls = 1-C i / C0)(C0为空气中 CO2浓度)。 测定时选择红蓝光源叶室,使用开放式气路,叶室温度设定为 25 益,
空气相对湿度为 60%—70%,CO2浓度为 400 滋mol / mol,光照强度为 1000 滋mol m
-2 s-1,光量子通量密度 800
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mol m-2 s-1。 每株测 1片叶, 每处理重复 5次,取平均值。
1.3.3摇 叶绿素荧光动力学参数
选择晴天 9:30—11:30利用 FMS鄄2脉冲调制式荧光仪(Hansatech, UK), 以叶脉为轴的对称点测量叶绿
素荧光参数。 叶片经暗适应 30 min 后用弱测量光测定初始荧光(F0),然后给一个强闪光(5000 滋mol m
-2
s-1),脉冲时间 0.7 s,测得最大荧光(Fm)。 然后在自然光下适应 20 min 后,当荧光基本稳定时测得叶片实际
生长光强下的荧光值(Fs)。 再给一个强闪光(5000 滋mol m
-2 s-1),脉冲时间 0.7 s,荧光上升到最大荧光
(Fm忆)。 关闭作用光后,立即打开远红光,5 s 后测最小荧光(F0忆)。 参照 Demming鄄Adams[22]的方法计算可变
荧光 Fv、PS域最大光化学效率 Fv / Fm、PS域潜在活性 Fv / F0、PS域实际光化学效率椎PS域、光化学淬灭系数 qp和
非光化学猝灭系数 NPQ。 其中 Fv = Fm -F0,Fv / Fm = (Fm -F0) / Fm,椎PS域 = (Fm忆-Fs) / Fm忆, qp = (Fm忆-Fs) /
(Fm忆-F0忆),NPQ=(Fm-Fm忆) / Fm忆。 每株测 1片叶,每处理重复 5次,取平均值。
1.4摇 数据处理摇
采用 Microsoft Excel 2010和 SPSS 16.0 软件进行统计分析,采用 Duncan忆s 新复极差法检验显著性,结果
用平均值依标准差表示。
2摇 结果与分析
2.1摇 烟草赤星病胁迫对不同抗性烟草品种光合色素含量的影响
如表 1所示,烟草赤星病侵染导致 CBH的叶绿素和类胡萝卜素含量有所下降,不同胁迫程度处理与对照
相比,均达到显著差异水平。 在重度胁迫下,CBH 的叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素和类胡萝卜素较对照分别
下降 43.92%、22.81%、38.07%和 71.92%。 而 JYH 的叶绿素和类胡萝卜素含量在轻度胁迫下呈上升趋势,叶
绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素和类胡萝卜素含量较对照分别上升 1.51%、1.26%、2.35%和 1.59%,但无显著差异;
此后,随着胁迫程度的加剧,叶绿素和类胡萝卜素含量均下降,在重度胁迫下,叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素和
类胡萝卜素的降幅分别为 15.07%、19.93%、16.91%和 21.59%,与对照相比达到显著差异水平。
表 1摇 烟草赤星病胁迫对不同抗性烟草品种光合色素含量的影响
Table 1摇 Effects of tobacco brown spot stress on photosynthetic pigment contents of two tobacco cultivars with different resistance
处理
Treatment
总叶绿素
Total chlorophyll / (mg / g)
JYH CBH
叶绿素 a
Chlorophyll a / (mg / g)
JYH CBH
叶绿素 b
Chlorophyll b / (mg / g)
JYH CBH
类胡萝卜素
Carotenoids / (mg / g)
JYH CBH
对照 CK 21.11依0.13 a 21.54依0.24 a 15.13依0.28 a 15.46依0.25 a 5.97依0.09 a 6.05依0.01 a 3.15依0.13 a 3.17依0.15 a
轻度胁迫 Mild stress 21.43依0.33 a 18.66依0.38 b 15.32依0.14 a 13.13依0.31 b 6.11依0.05 a 5.53依0.12 b 3.20依0.09 a 2.43依0.08 b
中度胁迫 Moderate stress 20.97依0.21 a 15.63依0.26 c 15.11依0.12 a 10.34依0.17 c 5.86依0.06 a 5.29依0.02 c 3.18依0.11 a 1.62依0.16 c
重度胁迫 Severe stress 17.54依0.19 b 13.34依0.34 d 12.85依0.11 b 8.67依0.08 d 4.78依0.11 b 4.67依0.15 d 2.47依0.06 b 0.89依0.07 d
摇 摇 JYH:净叶黄 Jingyehuang,CBH:长脖黄 Changbohuang; 表内数据为平均值依标准差; 每列数据右侧字母相同者表示差异未达显著水平(P>
0.05); 字母不同者表示差异达显著水平(P<0.05)
2.2摇 烟草赤星病胁迫对不同抗性烟草品种光合作用参数的影响
光合作用为植物提供所需的物质和能量,是植物生长发育的基础,光合作用参数的变化可以直接反映烟
草赤星病侵染对烟株的伤害程度。
2.2.1摇 净光合速率(Pn)
从表 2可以看出, CBH受到烟草赤星病侵染后,Pn呈下降趋势,而且随着胁迫程度的加剧,降幅也随之增
加,重度胁迫下,CBH的 Pn较对照下降 31.41%,呈显著差异。 在轻度胁迫下,JYH 的 Pn较对照有小幅上升,
增幅为 1.81%,但差异不显著,此后下降;重度胁迫下,降幅达到 10.25%,与对照相比达到显著差异水平。
2.2.2摇 气孔导度(Gs)
烟草赤星病侵染使不同抗性品种 Gs均呈下降趋势, CBH的降幅明显高于 JYH(表 2)。 除轻度、中度胁迫
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使 JYH的 Gs降幅未达到显著差异外,JYH、CBH 的 Gs在烟草赤星病胁迫处理下与对照间均达到显著差异水
平,重度胁迫下降幅分别为 19.23%、48.94%。 烟草赤星病胁迫引起 Gs下降,导致光合作用所需的 CO2向叶肉
细胞的运输受阻,且 CBH受阻程度更大。
2.2.3摇 胞间 CO2浓度(C i)
正常生长条件下,不同抗性品种的 C i相差不大。 如表 2所示,在轻度、中度胁迫下,JYH的 C i较对照降低
2.64%、4.53%,但未达到显著差异水平, 说明经气孔扩散进入叶肉细胞的 CO2浓度下降, 不能满足叶片进行
正常光合作用的需要。 而 CBH则呈上升趋势,增幅为 5.17%、9.58%,差异达到显著水平。 此后,随着胁迫程
度的增加,2个品种的 C i均升高。 在重度胁迫下,JYH、CBH的 C i增幅分别为 7.17%、15.13%,均达到显著差异
水平。 C i升高, 表明叶肉细胞光合能力下降, 导致 CO2过剩, 同时光合产物相应减少。
2.2.4摇 气孔限制值(Ls)
从表 2可以看出,在轻度、中度胁迫下,JYH的 Ls呈上升趋势,较对照分别升高 10.71%、17.86%,但差异不
显著;在重度胁迫下,Ls则呈下降趋势,与对照相比,降幅为 39.39%,呈显著差异水平。 而 CBH 在烟草赤星病
侵染下,Ls均呈下降趋势,与对照相比,在轻度、中度和重度胁迫下分别降低 22.86%、45.71%和 65.71%,差异
均达到显著水平。
表 2摇 烟草赤星病胁迫对不同抗性烟草品种光合作用参数的影响
Table 2摇 Effects of tobacco brown spot stress on photosynthetic parameters of two tobacco cultivars with different resistance
品种
Cultivar
处理
Treatment
净光合速率
Net photosynthetic rate
气孔导度
Stomatal conductance
胞间 CO2浓度
Intercellular CO2
concentration
气孔限制值
Stomatal limitation value Ls
JYH 对照 23.81依0.15 a 0.52依0.02 a 265依5.13 a 0.28依0.03 a
轻度胁迫 24.24依0.03 a 0.50依0.06 a 258依8.46 a 0.31依0.01 a
中度胁迫 23.46依0.02 a 0.48依0.07 a 253依4.95 a 0.33依0.05 a
重度胁迫 21.37依0.11 b 0.42依0.02 b 284依7.62 b 0.17依0.02 b
CBH 对照 22.13依0.07 a 0.47依0.05 a 271依6.22 d 0.35依0.11 a
轻度胁迫 20.65依0.14 b 0.41依0.06 b 285依8.18 c 0.27依0.03 b
中度胁迫 18.44依0.01 c 0.31依0.08 c 297依5.89 b 0.19依0.08 c
重度胁迫 15.18依0.05 d 0.24依0.10 d 312依8.64 a 0.12依0.02 d
摇 摇 表内数据为平均值依标准差; 每列数据右侧字母相同者表示差异未达显著水平(P>0.05); 字母不同者表示差异达显著水平(P<0.05)
2.3摇 烟草赤星病胁迫对不同抗性品种叶绿素荧光动力学参数的影响
叶绿素荧光是光合作用变化的探针,通过对各种荧光动力学参数的分析可以获知有关光能利用途径的
信息。
2.3.1摇 最大光化学效率
在正常生长及烟草赤星病胁迫下,CBH 的 F0均高于 JYH(表 3)。 烟草赤星病侵染导致 JYH、CBH 的 F0
升高,且增幅随着胁迫程度的加剧而增大。 与对照相比,轻度、中度和重度胁迫下,JYH 的 F0增幅分别为
4.85%、9.71%和 16.5%,在重度胁迫下达到显著差异水平。 CBH分别为 10.34%、16.38%和 34.48%,与对照相
比均达到显著差异水平。 烟草赤星病导致 F0增加,表明 PS域反应中心破坏或可逆失活。 JYH增幅较小,显示
其反应中心受破坏程度较低。
如表 3所示,在烟草赤星病胁迫下,Fm、Fv均呈下降趋势。 JYH的 Fm、Fv在各处理间均未达到显著差异水
平。 而 CBH的 Fv除轻度胁迫处理与对照无显著差异外,其他处理间 Fm、Fv均达到显著差异水平。 重度胁迫
下,JYH的 Fm、Fv与对照相比,分别下降 10.88%、13.66%,CBH降幅分别为 45.37%、69.39%。 JYH的 Fm、Fv降
幅较小,表明其在烟草赤星病胁迫下具有较高的 PS域光化学活性。
烟草赤星病胁迫使 2个品种的 Fv / F0均有所下降,且降幅随胁迫程度的上升而增加(表 3)。 与对照相比,
轻度、中度和重度胁迫使 JYH 的 Fv / F0分别减少 8.54%、18.09%和 25.63%,各处理间无显著差异。 CBH 的
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Fv / F0分别下降 20.12%、47.74%和 77%,与对照相比达到显著差异水平。 Fv / F0下降,表明 PS域受到伤害,抑
制光合作用原初反应过程,光合电子由 PS域反应中心向 QA、QB及 PQ库传递过程受到影响。
从表 3可以看出,随着烟草赤星病胁迫程度的加剧,JYH、CBH的 Fv / Fm均呈下降趋势,降幅表现为 JYH<
CBH。 JYH在轻度、中度和重度胁迫下 Fv / Fm分别降低 4.84%、12.90%%和 24.19%,与对照相比无显著差异;
而 CBH分别下降 10.77%﹑ 27.69%和 55.38%,达到显著差异水平。 CBH 的 Fv / Fm降幅较大, 表明其叶绿素
荧光受烟草赤星病胁迫影响较重。 同时也表明烟草赤星病侵染烟株时,PS域活性中心受到损伤,原初光能转
化效率下降。
表 3摇 烟草赤星病胁迫对不同抗性烟草品种叶绿素荧光参数的影响
Table 3摇 Effects of tobacco brown spot stress on chlorophyll fluorescence kinetic parameters of two tobacco cultivars with different resistance
品种
Cultivar
处理
Treatment
初始荧光
Initial fluorescence
最大荧光
Maximal fluorescence 可变荧光Variable fluorescence
PS域潜在活性
PS域 potential efficiency
PS域最大光化学效率
Maximal photochemical
efficiency
JYH 对照 103依16.92 a 331依15.84 a 205依22.81 a 1.99依0.11 a 0.62依0.07 a
轻度胁迫 108依23.53 a 320依19.53 a 197依14.84 a 1.82依0.09 a 0.59依0.04 a
中度胁迫 113依24.66 a 309依12.47 a 184依15.06 a 1.63依0.03 a 0.54依0.08 a
重度胁迫 120依13.54 b 295依16.82 a 177依19.32 a 1.48依0.06 a 0.47依0.05 a
CBH 对照 116依21.26 b 298依21.07 a 194依19.63 a 1.67依0.05 a 0.65依0.06 a
轻度胁迫 128依15.34 a 290依23.43 b 171依21.58 a 1.34依0.13 b 0.58依0.04 b
中度胁迫 135依12.63 a 242依17.86 c 118依22.62 b 0.87依0.07 c 0.47依0.08 c
重度胁迫 156依15.41 a 205依19.07 d 60依17.34 c 0.38依0.02 d 0.29依0.01 d
摇 摇 表内数据为平均值依标准差; 每列数据右侧字母相同者表示差异未达显著水平(P>0.05); 字母不同者表示差异达显著水平(P<0.05)
2.3.2摇 荧光猝灭动力学
正常生长条件下,JYH和 CBH的 qp相差不大。 烟草赤星病侵染使 2个品种的 qp均有所下降,并且随着胁
迫程度的增加,降幅越来越大(表 4)。 JYH的 qp受烟草赤星病侵染影响小于 CBH,只有重度胁迫处理与对照
表 4摇 烟草赤星病胁迫对不同抗性烟草品种 qp,NPQ 和 囟PS域的影响
Table 4摇 Effects of tobacco brown spot stress on photochemical quenching coefficient ( qp ),non鄄photochemical quenching (NPQ) and PS域
actual quantum yield (囟PS域) of two tobacco cultivars with different resistance
荧光参数
Fluorescence kinetic parameters 处理 Treatment JYH CBH
对照 0.725依0.025 a 0.710依0.028 a
光化学淬灭系数 轻度胁迫 0.692依0.013 a 0.644依0.014 b
Photochemical quenching coefficient 中度胁迫 0.674依0.021 a 0.561依0.008 c
重度胁迫 0.591依0.032 b 0.418依0.024 d
对照 0.202依0.006 b 0.275依0.011 d
非光化学猝灭系数 轻度胁迫 0.214依0.053 b 0.321依0.021 c
Non鄄photochemical quenching NPQ 中度胁迫 0.286依0.039 b 0.419依0.026 b
重度胁迫 0.395依0.002 a 0.643依0.056 a
对照 0.467依0.012 a 0.453依0.006 a
PS域实际光化学效率 轻度胁迫 0.434依0.025 a 0.331依0.018 b
PS域 actual quantum yield 中度胁迫 0.421依0.004 a 0.215依0.031 c
重度胁迫 0.388依0.022 b 0.102依0.011 d
摇 摇 表内数据为平均值依标准差; 每列数据右侧字母相同者表示差异未达显著水平(P>0.05); 字母不同者表示差异达显著水平(P<0.05)
间达到显著差异水平。 而 CBH各处理间与对照相比,均达到显著差异水平。 qP下降说明 PS域中的 QA 氧化
态数量减少,导致 PS域反应中心开放部分比例降低,使 QA向 QB光合电子传递受到抑制。 JYH的 qP较高,表
1514摇 12期 摇 摇 摇 杨志晓摇 等:赤星病胁迫对不同抗性烟草品种光合作用和叶绿素荧光特性的影响 摇
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明在烟草赤星病胁迫下其 QA重新氧化的能力较强,烟草赤星病对 PS域受体电子传递的破坏程度较轻,也显
示出该品种在烟草赤星病胁迫下具有较强的电子传递活性和光氧化速率,从而保持较高的光合速率。
如表 4所示,烟草赤星病胁迫下,JYH和 CBH的 NPQ均呈上升趋势。 与对照相比,JYH的 NPQ在轻度、
中度和重度胁迫下分别较对照升高 5.94%、41.58%和 95.54%,在重度胁迫下与对照达到显著差异水平,CBH
分别为 16.73%、52.36%和 137.45%,与对照相比均呈显著差异水平。 NPQ 上升说明 PS域反应中心耗散过剩
光能的能力增强, CBH的 NPQ增幅高于 JYH,表明其吸收的光能通过热量形式耗散较多, 而 JYH耗散较少,
光能转化率高。
从表 4可以看出,随着烟草赤星病胁迫程度的增加,2 个品种的 囟PS域均呈下降趋势, 但降幅不同。 在轻
度、中度胁迫下, JYH的 囟PS域与对照差异不显著, 而在重度胁迫处理下, 较对照降低 16.92%,达到显著差异
水平; 而 CBH的 囟PS域在轻度、中度和重度胁迫处理下, 分别比对照降低 26.93%、52.54%和 77.48%,各处理
间差异显著。
3摇 讨论
3.1摇 烟草赤星病胁迫对光合色素含量的影响
植物进行光合作用的能量主要来源于光合色素捕获的光能,所以光合色素含量的高低与光合功能密切相
关[23]。 光合色素中叶绿素 a是光反应的中心色素分子, 而叶绿素 b 是捕光色素分子。 类胡萝卜素一方面是
光合色素,吸收光能并传递给反应中心, 参与光合作用;又是细胞内源抗氧化剂,能够吸收剩余光能, 淬灭活
性氧, 防止细胞膜脂过氧化[24]。 在本文中,不同抗性品种的叶绿素和类胡萝卜素含量在烟草赤星病侵染下
均有所下降,说明烟草赤星病不仅使光合色素的合成受阻, 也可能促进光合色素的降解。 其主要原因可能是
烟草叶片感染赤星病后,导致叶绿素分解酶活性上升,使叶绿素转化为叶绿素酯和叶绿素醇,因此叶绿素含量
降低[25];也有可能是烟草赤星病侵染破坏叶绿体结构和功能,导致叶绿素含量下降[8]。 烟草赤星病侵染导致
光合色素含量降低,在一定程度上减少烟株的有效光合面积,限制碳素同化能力,从而抑制光合作用。 同时,
由于类胡萝卜素含量下降,减弱对活性氧的猝灭,导致细胞内积累较多的活性氧自由基,破坏叶绿体膜结构,
加速叶绿素降解,从而降低光合作用中光能的吸收和传递[26]。 烟草赤星病胁迫下 JYH的叶绿素和类胡萝卜
素含量高于 CBH,表明抗病品种的光能转换、吸收和传递能力较强,在烟草赤星病侵染下仍具有较高的光合
速率,从而维持烟株体内光合碳素同化活动的正常进行。 而感病品种光合色素含量大幅下降,光合作用减弱,
使光合产物积累减少,碳素同化能力受到严重抑制,加速衰老死亡。
3.2摇 烟草赤星病胁迫对光合作用的影响
光合作用是植物生长的生理基础,反映植株的生长势和抗逆性[27]。 导致光合速率降低的因素包括气孔
限制和非气孔限制。 气孔限制因素是由于气孔导度的降低导致 C i下降,使叶绿体内 CO2运输受阻。 非气孔因
素则是由于叶肉细胞使气孔扩散的阻力增加、CO2溶解度下降、Rubisco 酶对 CO2的亲和力降低和 RuBP 再生
能力下降或光合机构关键成分的稳定性因逆境胁迫而降低等原因所致[28鄄29]。 根据 Farquhar 和 Sharkey[30]的
气孔限制值分析观点,判定引起光合速率降低主要因素的依据是 C i和 Ls的变化方向,C i降低和 Ls升高表明气
孔导度降低是主要原因,而 C i增高和 Ls降低则表明引起光合速率降低的主要原因是非气孔因素。
在本文中,JYH在轻度、中度胁迫下,Gs下降,Ls升高,同时伴随 C i降低, 导致 Pn下降, 表明气孔导度导致
CO2供应减少是引起 Pn下降的主要原因,这是由于烟草赤星病侵染使叶片气孔收缩,气孔导度降低,引起 CO2
由外界向细胞内扩散的阻力增加,光合碳固定的底物减少[31]。 此后,JYH的 Pn、Gs在重度胁迫下均呈下降趋
势,但 C i转向升高,Ls下降,这可能是由于随着胁迫程度的加剧,烟草赤星病胁迫破坏叶片光合机构,造成叶肉
细胞气孔扩散阻力增加,Rubisco酶对 CO2的亲和力降低,碳同化能力下降,说明此时非气孔限制已成为导致
光合速率降低的主要因素。 而 CBH在烟草赤星病侵染下,随着 Gs的下降,C i上升和 Ls降低,表明感病品种光
合速率降低主要是由非气孔限制因素引起。 这可能是由于烟草赤星病胁迫破坏叶绿体结构,光合器官受到不
2514 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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可逆伤害,光合细胞活性降低[32]。 CBH的光合参数受烟草赤星病胁迫影响明显大于 JYH,表现感病特性,而
JYH 在烟草赤星病胁迫下具有相对较高的光合速率和气孔开放度,表现出良好的抗病性。 在轻度胁迫下,
JYH的 Pn有小幅上升,表明抗病品种通过提高净光合速率以抵抗烟草赤星病侵染,但当胁迫程度增强时,抗
病品种的净光合速率最终还是受到影响。
3.3摇 烟草赤星病胁迫对叶绿素荧光特性的影响
叶绿素荧光特性常用于检测光合机构对环境胁迫的响应[33]。 本文研究表明,烟草赤星病侵染导致 Fm、
Fv / F0和 Fv / Fm下降,说明烟草叶片发生光抑制[34]。 而同时 F0上升,表明 PS域受到破坏[35],伤害部位可能位
于 PS域氧化侧,或者 PS域反应中心,或者 PS域原初电子受体,也可能 3 个部位均受到伤害[36]。 但也有研究
表明 Fv / Fm降低并不是 PS域反应中心发生不可逆转的失活或破坏,而是植物保护反应的结果[37]。 JYH的 F0
增幅较小,显示烟草赤星病胁迫对抗病品种 PS域破坏程度较轻,光合色素吸收的能量仍主要进行光化学反
应。 不同抗性品种 Fm降幅为 10.88%—69.39%,表明烟草赤星病胁迫降低 PS域反应中心 QA 的氧化态数量。
抗、感品种的 Fv / F0和 Fv / Fm均降低,表明烟草赤星病侵染阻碍光合电子传递,导致同化力(NADPH、ATP)的
合成受阻,进而影响暗反应阶段 CO2的固定与同化[38]。 JYH在烟草赤星病胁迫下 Fv / Fm、Fv / F0降幅较小,表
明抗病品种可降低烟草赤星病侵染对 PS域活性中心的损伤,有利于维持 PS域较高的光化学活性和光合电子
传递正常进行。 而烟草赤星病胁迫导致感病品种的原初光能转换效率下降比例较大,潜在活性中心受损,严
重抑制光合作用原初反应。
植物对光能的利用主要包括光化学反应转化光能、非光化学热能耗散和以叶绿素荧光形式耗散过剩的光
能。 光化学反应和热耗散的变化会引起叶绿素荧光猝灭过程的相应变化, 叶绿素荧光猝灭有光化学猝灭和
非光化学猝灭两个过程, 光化学猝灭与 PS域电子传递和初始电子受体 QA的氧化还原有关[39]。 本研究结果
表明,在烟草赤星病胁迫下,不同抗性品种的 qP和 椎PS域均有所下降,这进一步证实光合电子传递受到抑制,
PS域光能转换效率降低, 过剩激发能增加[40]。 JYH的椎PS域和 qP下降幅度较小, 说明抗病品种在烟草赤星病
胁迫下光能捕获与转化能力仍然较强, 能够保持较高的光能利用效率和光合作用潜力,是其对烟草赤星病具
有抗性的光合生理原因。 NPQ是衡量过剩激发能耗散的指标[41], 烟草赤星病侵染后抗、感品种 NPQ均不同
程度的上升, 导致 PS域将过剩光能以热能形式耗散,以防止过剩光能对光合机构造成进一步伤害[42]。 JYH
的 NPQ增幅小于 CBH, 说明烟草赤星病胁迫下抗病品种热耗散较少, 碳同化能力和 PS域激发能利用效率较
高。 在相同胁迫程度下,感病品种叶绿素荧光动力学参数变化幅度明显高于抗病品种,说明烟草赤星病侵染
导致其光合机构受损,原初电子受体遭到破坏,荧光产量减少,导致 PS域活性下降,光化学反应减弱,无法耗
散过剩光能,从而使烟株受到光抑制和光破坏。 而抗病品种各荧光参数降幅较小,可能是叶绿体未受损伤部
分的光合能力仍较强,或是结合在光合膜上的一些作用中心色素或电子传递体的蛋白质复合体受损程度较
轻,从而对光合电子传递速率影响较小,有效保护光合机构。
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