全 文 ：核 农 学 报 2010，24(3):623 ～ 627
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
文章编号:1000-8551(2010)03-0623-05
旺长期烤烟叶片的叶绿素荧光特性与激发能分配
刘德育1，2 于方玲1 孙冰玉1 贺国强1，2 元 野2 赵光伟2 李恒全2 孙广玉1
(1. 东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040;2. 牡丹江烟草研究所，黑龙江 牡丹江 157011)
摘 要:以烤烟品种龙江 911 为试验材料，研究了烤烟植株上、中、下 3 个部位叶片实际光化学效率(ΦPS
Ⅱ)和 PSⅡ最大光能转化效率(Fv /Fm)的日变化，以及激发能的分配特性。结果表明，烤烟叶片 Fv /Fm
和实际光化学效率(ΦPSⅡ)中午降低，PSⅡ功能下调，有明显的光抑制。在光合有效辐射(PPFD)逐渐
增强过程中，Fv /Fm 和 ΦPSⅡ降低，非光化学猝灭(NPQ)增加，激发能由 PSⅠ向 PSⅡ分配的比例增加，
说明引起烤烟光抑制的原因除了 NPQ 之外，分配给 PSⅡ能量增加是光抑制非常重要的因素。PPFD 逐
渐减小时，光抑制逐渐减缓，光化学效率恢复，激发能分配不平衡性系数(β /α － 1)下降，PSⅡ能量负荷
减轻，失活的 PSⅡ恢复活性。
关键词:烤烟;叶绿素荧光;状态转换
CHARACTERISTICS OF CHLOROPHYLL FLUORESCENCE AND EXCITED ENERGY
DISTRIBUTION IN LEAVES OF TOBACCO AT FAST GROWING STAGE
LIU De-yu1，2 YU Fang-ling1 SUN Bing-Yu1 HE Guo-qiang1，2
YUAN Ye2 ZHAO Guang-wei2 LI Heng-quan SUN Guang-yu1
(1. Tobacco Institute of Mudanjiang，Mudanjiang，Harbin，Heilongjiang 157011;
2 . College of Life Science，Northeast Forest University，Harbin，Heilongjiang 150040)
Abstract:A study was conducted，using chlorophyll fluorescence technique and tobacco variety Longjiang 911 as
material，to investigate the diurnal changes of PSⅡ and maximum quantum efficiency of photosystem II photochemistry
(Fv /Fm)and excited energy distribution in upper，middle and bottom stalk leaves of tobacco，respectively. The results
showed that the decreasing of Fv /Fm and actual photochemical efficiency of PSⅡ(ΦPSⅡ)with obvious midday-
depression，and down-regulation of the functional photosystem Ⅱ reaction centers result in significant photoinhibition.
With the increasing of photosynthetic actual irradiation (PAR)，Fv /Fm and ΦPSⅡ gradual declined，nonphotochemical
quenching (NPQ) and the fraction of excited energy allocated to PS Ⅱ increased. These results indicated that
photoinhibition in tobacco leaves were caused primarily by increasing of excited energy allocated to PSⅡ to enhance
reversible inactivation of PSⅡcenters other than NPQ. With the decreasing of PAR，Fv /Fm and ΦPSⅡ increased，and
NPQ and unbalance index of excited energy allocated to PSⅡ and PSⅠ (β /α-1)declined respectively. It was indicated
that the recovery of PSⅡ photochemical efficiency was caused primarily by renewing PSⅡ activation due to unloading
the energy burden of PSⅡ .
Key words:Nicotiana tobacum L.;chlorophyll fluorescence;state transition
收稿日期:2009-09-30 接受日期:2010-01-20
基金项目:国家烟草专卖局(110200302003)，黑龙江省烟草专卖局(2007)项目
作者简介:刘德育(1963-)，男，黑龙江海伦人，高级农艺师，硕士研究生，主要从事烤烟栽培生理研究。E-mail:ldy676@ 126. com
通讯作者:孙广玉(1963-)，男，黑龙江巴彦人，教授，博士生导师，主要从事植物生理学研究。E-mail:sungy@ vip. sina. com
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烤烟的旺长期是叶片形成和生长的关键时期，决
定着植株叶片数量、叶片面积和叶片干物质积累，对烤
烟产量和质量有着明显的作用［1］。光是植物光合作
用的能量来源，直接影响植物的生物生产力。因此，旺
长期每天的光照强度由弱变强再逐渐转弱的日变化过
程直接影响温度、湿度等生态因子的变化，这种周而复
始的变化制约烤烟叶片的光合日进程和烤烟的光合生
产力。在光照强度较弱的条件下，植物叶片吸收的大
部分光能被用来驱动光合作用;而当光照强度较强时，
植物叶片吸收的光能超过光合作用所能利用的，会出
现光能过剩，引起光合的光抑制。当植物的光合作用
受到抑制时，植物叶片对光能的吸收却不受影响，长期
的光抑制将损伤光合机构［2］。因此，安全吸收和耗散
叶片吸收的过剩光能对保护光合机构免受损伤具有重
要作用［3］。大量的研究表明，当中午发生光合速率降
低和光抑制时，热耗散是重要的光保护机制［4，5］。为
此，本文以烤烟品种龙江 911 为试验材料，利用叶绿素
荧光技术，检测了烤烟叶片光合机构的日变化进程，旨
在探讨影响烤烟叶片光合作用午间受到抑制的程度以
及激发能的分配和耗散机制，以期为充分发挥烤烟光
合能力和生产潜力提供基础数据。
1 材料和方法
1. 1 试验地概况和供试材料
试验于 2007 年在黑龙江省牡丹江市东北烟草试
验站试验地进行，供试品种为龙江 911。该地区属于
第二积温带，≥10℃的活动积温 2500℃ ～ 2700℃，无
霜期 130 ～ 140d，大田生长期(5 ～ 9 月)降雨量 450mm
左右。试验地地势平坦，土壤质地为粘壤土，肥力中
等，含粗砂 47%，有机质 2. 07%，碱解氮 86. 2mg /kg，
速效磷 23. 0mg /kg，速效钾 255mg /kg，pH7. 3。前茬为
春小麦，2006 年小麦收获后翻地并起垄。
1. 2 方法
选择长势一致的 5 株烤烟植株，每株均选择下数
第 12 片、第 17 片和第 23 片完全展开叶，分别代表植
株的上、中、下 3 个部位进行测定。测定之前将试验区
浇以充足的水分，以免缺水。文中的数据均为 5 株测
定的平均值。
1. 2. 1 荧光日变化的测定 利用调制式荧光仪 FMS-
2(Hansatech，UK)测定 3 个叶位叶片叶绿素荧光参数
变化的日进程，每隔 2h 测定 1 次。以冠层叶自然光强
为作用光，测定 PPFD (光合有效辐射)、Fv /Fm (PSⅡ
最大光化学效率)、NPQ(非光化学猝灭)的日变化。
按照日变化光强逐渐增强时的荧光参数变化:叶
片经 50min 暗适应后用弱测量光测定初始荧光(Fo)，
施加饱和脉冲光(饱和脉冲光强度为 5000μmol·m － 2·
s － 1，光脉冲持续时间为 0. 7s)后测得最大荧光 Fm，
30s 后打开作用光(100μmol·m － 2·s － 1)作用 4min 后施
加第一次饱和脉冲光(饱和脉冲光强度为 5000μmol·
m － 2·s － 1，光脉冲持续时间为 0. 7s)测得第一个 Fm′，之
后每隔 4min 改变 1 次作用光强度(100，200，400，
600，800，1000，1200μmol·m － 2·s － 1)重复测定 Fm′。
模拟一天日变化光强逐渐减弱时的荧光参数变化:作
用光强度逐渐减弱时的响应曲线与作用光强度逐渐增
加时的响应测定方法相同，但作用光强度从 1200μmol
·m － 2·s － 1到 50μmol·m － 2·s － 1按照每 100μmol·m － 2·
s － 1的次序逐渐递减。
1. 2. 2 叶片状态转换的测定 叶片经过照光处理后，
关闭光源，打开测量光，测定初始荧光 Fo，再用一饱和
闪光测定最大荧光 Fm，等到荧光降到 Fo 水平后，打开
远红外光，并用饱和闪光测定最大荧光 Fm′，每隔 20s
测 1 次，直到数值恒定。两个光系统激发能分配系数
按 Braun 和 Malkin［6］方法计算:光系统Ⅰ激发能分配
系数 α = f /(1 + f)，光系统Ⅱ激发能分配系数 β = 1 /
(1 + f)，f = (Fm′ － Fs)/(Fm′ － Fo′)。光系统Ⅰ和光
系统Ⅱ激发能分配不平衡性用(β /α － 1)表示。
2 结果与分析
2. 1 Fv /Fm、ΦPSⅡ和 NPQ 的日变化
Fv /Fm 表示叶片充分暗适应的 PSⅡ最大光化学
效率，ΦPSⅡ表示 PSⅡ实际光化学效率。图 1 结果显
示，在 6∶ 00 － 10 ∶ 00 之间，随着光照强度(图 2 － A)的
逐渐增加，Fv /Fm 变化在 0. 78 ～ 0. 82 之间(图 1 － A)，
而 ΦPSⅡ在 8∶ 00 之后开始降低(图 1 － B)。在 11 ∶ 00
－ 14∶ 00 Fv /Fm 和 ΦPSⅡ出现低谷，而在此期间的光
照强度(PPFD)却达到全天最高水平(图 2 － A)。14 ∶
00 之后，随着光强的逐渐减弱，叶片的 Fv /Fm 和 ΦPS
Ⅱ开始回升。不同叶位的叶片之间，上部与中部叶的
Fv /Fm 和 ΦPSⅡ在 11∶ 00 － 14 ∶ 00 降低的程度大于下
部叶，尤其在 14∶ 00 时达到显著差异水平(P < 0. 05)。
Fv /Fm 和 ΦPSⅡ变化均出现了中午降低的现象，表明
PSⅡ活性随着光强增加而降低，出现了光合作用的光
抑制。14∶ 00 随光强减弱，Fv /Fm 和 ΦPSⅡ有所回升，
但没有恢复到 6∶ 00 － 8∶ 00 时的水平，且回升的速率较
下降的速率慢，说明中午 PSⅡ活性的降低是 PSⅡ活性
可逆失活变化的过程。
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3 期 旺长期烤烟叶片的叶绿素荧光特性与激发能分配
3 个叶位叶片的 NPQ 随光强的变化呈现与 Fv /
Fm 和 ΦPSⅡ相反的趋势(图 2 － B)，最高峰均出现在
14∶ 00，说明烤烟叶片在中午较强光强下能够耗散掉多
余的热量。
图 1 烤烟叶片最大光化学效率和实际光化学效率的日变化
Fig. 1 The diurnal changes of Fv /Fm and ΦPSⅡin leaves of tobacco
图 2 烤烟叶片 NPQ 和光照强度的日变化
Fig. 2 The diurnal changes of NPQ in tobacco leaves and light intensity
2. 2 光合有效辐射(PPFD)逐渐增加对烤烟叶片
ФPSⅡ和激发能分配的影响
为进一步探讨烤烟叶片光合机构对上午光照强度
由弱到强变化的响应机理，分析了 PPFD 从 0 ～
1200μmol·m － 2·s － 1逐渐增强的过程中，ФPSⅡ、光化学
猝灭(qP)和非光化学猝灭(NPQ)的变化情况。从图 3
－ A 可以看出，随着 PPFD 的增强 ФPSⅡ逐渐降低，当
PPFD 接近 1200μmol·m － 2·s － 1时，ФPSⅡ仅为 100μmol
·m － 2·s － 1时的 23. 19%。qP 与 ΦPSⅡ呈现相同的变化
趋势，说明在短时间内光强由弱变强对烤烟叶片 PSⅡ
活性产生抑制，光系统失活。NPQ 则随光强的增加而
增加，在光强 400 ～ 800μmol·m － 2·s － 1的范围内，NPQ
近似线性增加。这是由于在较低光强下(0 ～ 400μmol
·m － 2·s － 1)PSⅡ天线色素吸收的光能以激发态电子的
形式通过光合电子传递而形成同化力(NADPH 和
ATP)，用于碳同化;当光强较高时，激发态电子出现过
剩，不能完全形成同化力，多余部分主要以热耗散，即
NPQ 的形式耗散。如果多余激发态电子不能以 NPQ
形式耗散，就会激发光合机构释放的 O2 形成 O2 自由
基而伤害膜系统。因此，NPQ 起到了缓解强光伤害的
作用。
图 3-B 表示了叶片激发能的分配变化，随着 PPFD
的增加，分配给 PSⅠ激发能的份额(α)逐渐降低，而
分配给 PSⅡ激发能的份额(β)逐渐增大，2 条曲线呈
现逐渐相离的变化，激发能分配由状态 2 向状态 1 转
换，从而使激发能分配不平衡系数(β /α － 1)逐渐加
大，也就是说激发能在 2 个光系统之间的分配极其不
平衡。
2. 3 PPFD 逐渐减弱对烤烟叶片 ФPSⅡ和光能分配的
影响
图 4 － A 可以看出，在光强从 1400 ～ 50μmol·m － 2
·s － 1逐渐减弱的过程中，ΦPSⅡ、qP 和 NPQ 均表现出
与 PPFD 增强时相反的趋势。ΦPSⅡ和 qP 有一定程
度的增加，但上升的速度缓慢，说明在下午 PPFD 由强
到弱的过程中，PSⅡ系统由于中午强光的影响仍有一
部分处于失活状态。NPQ 随 PPFD 的减弱相应减小，
通过热耗散作用耗散过剩激发能的能力比上午弱。
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图 3 光强对 ФPSⅡ、qP、NPQ 和激发能分配的影响
Fig. 3 Effects of light intensity on ФPSⅡ，qP，NPQ and excited energy distribution
图 4 － B 结果显示，随着下午 PPFD 的逐渐减弱，
分配给 PSⅠ激发能的份额(α)逐渐增加，而分配给 PS
Ⅱ激发能的份额(β)逐渐减小，两者的曲线慢慢靠近，
从而使激发能分配不平衡系数(β /α － 1)逐渐减小，即
激发能在 2 个光系统之间的分配逐渐趋于平衡。这一
结果说明烤烟叶片在光化学效率恢复过程中除了通过
热耗散来消耗过剩的激发能之外，激发能分配给 PSⅠ
和PSⅡ的比例发挥着更为重要的作用，激发能由分配
给PSⅠ份额增加，减少了过剩激发能对 PSⅡ的破坏，
提高了 PSⅠ对光能的利用。
图 4 光强对 ФPSⅡ、qP、NPQ 和激发能分配的影响
Fig. 4 Effects of light intensity on ФPSⅡ，qP，NPQ and excited energy distribution
3 讨论
光强升高过程中，烤烟叶片 Fv /Fm 和 ФPSⅡ降低
(图 1)，表明强光下烤烟叶片发生了光抑制［3］，光强
越高光抑制越严重。光强降低，Fv /Fm 和 ФPSⅡ开始
增加，光抑制得到缓解。说明中午光抑制并非光合机
构被破坏所致，而是避免光破坏的保护性功能下调。
光合机构的热耗散是植物叶片防止光破坏的重要机制
之一，它能够将过剩激发能耗散掉，从而减轻光系统Ⅱ
反应中心的激发能压力，缓解光抑制［7，8］。本研究中，
随着光强的升高，烤烟叶片 NPQ 升高(图 2)，说明光
合机构热耗散能力增强。在中午强光下，烤烟叶片热
耗散增多的同时，叶片卷曲(沿主脉合拢)避免强光
直射，减少光能截获，这也是烤烟光保护策略之一。
在烤烟光合机构的日变化过程中，NPQ 中的状态
转换对减轻光抑制起到了较大作用。吸收光能在
PSⅠ和 PSⅡ的分配状态及其转换，即状态转换，普遍
存在于光合生物中，从蓝细菌、红藻到绿藻和高等植
物，光合能量传递都受到状态转换调控。光合生物在
> 700nm 的远红光照射下，PSⅠ吸收的光能多于 PS
Ⅱ，可诱导激发能向 PSⅡ分配的比例增加，这时称为
状态 1;在 > 650nm 远红光照射下，PSⅡ吸收的光能多
于 PSⅠ，可诱导激发能向 PSⅠ分配的比例增加，这时
称为状态 2［9，10］。这是光合生物为了适应环境中光强
的变化，通过调节捕光天线和光系统间的能量传递效
率，将吸收的光能均衡分配给 PSⅠ和 PSⅡ，避免光破
坏，提高光合作用效率。随着光质和外界条件的不同，
光合生物的光合作用在状态 1 和状态 2 间进行转化，
这就是“状态转换”。状态转换在减轻 PSⅡ的负荷方
面起着重要作用［11］。大多数研究结果认为，植物在逆
境下为了避免逆境或缓解逆境对其光合机构的损伤，
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往往发生状态 1 向状态 2 的转换，即 PSⅡ的分配系数
β 逐渐降低，PSⅠ的分配系数 α 逐渐升高［10，11］。本试
验结果表明，烤烟叶片随着 PPFD 逐渐增加，NPQ 随之
增加(图 2)，以缓解光能过剩的危害，但是，激发能向
PSⅡ分配的份额增多(图 3)，激发能由状态 2 向状态
1 转换，叶片 PSⅡ系统承受更大的压力，这一研究结果
与前人报告有所不同［12］，可能与 PPFD 增强后减少了
分布于基粒类囊体中央不能与 PSⅠ靠近的 PSⅡ-
LHCII 复合体的数量，有利于 PSⅡ与 PSⅠ在基粒类囊
体边缘和两端的相互靠近，激发态的 PSⅡ将过剩的激
发能流向 PSⅠ，即能量从 PSⅡ向 PSⅠ满溢［13］。因
此，当 PPFD 减弱时，烤烟叶片光合日变化中激发能由
状态 2 向状态 1 转换，增加了 PSⅡ系统的能量负荷，
促进了 PSⅡ反应中心的可逆失活，以免发生光抑制时
保护光合机构受到伤害。当 PPFD 减弱时，激发能由
状态 1 向状态 2 转换。说明在下午的烤烟叶片光抑制
减缓过程中，光合机构的变化并不是光抑制发生过程
的完全可逆过程。
4 结论
在烤烟光合机构的日变化过程中，叶片 Fv /Fm 和
ΦPSⅡ均出现了中午降低的现象，PSⅡ活性在中午降
低，表现出了烤烟中午光合作用的光抑制。在上午
PPFD 逐渐增加的过程中，过剩激发能主要以 NPQ 形
式耗散，而在下午 PPFD 逐渐降低过程中，NPQ 所占份
额较小，过剩激发能向 PSⅡ分配的比例减小，即通过
状态转换作用减轻了 PSⅡ承受的能量压力。
参考文献:
［1 ］ 刘国顺，赵献章，韦凤杰，汪文杰 . 旺长期遮光及光照转换对不
同烟草品种光合效率的影响［J］. 中国农业科学，2007，40
(10):2368 － 2375
［2 ］ 孟令曾，张教林，曹坤芳，许再富 . 迁地保护的 4 种龙脑香冠层
叶光合速率和叶绿素荧光参数的日变化［J］. 植物生态学报，
2005，29 (6):976 － 984
［3 ］ Demming Adams B，Adams Ⅲ W W. Photoprotection and other
responses of plants to high light stress［J］. Annu Rev Plant Physiol
Plant Mol Biol，1992，43:599 － 626
［4 ］ Franco A C， Lüttge U. Midday depression in savanna trees:
coordinated adjustments in photo-chemical efficiency，
photorespiration，CO2 assimilation and water use efficiency ［J］.
Oecologia，2002，131:356 － 365
［5 ］ 眭晓蕾，毛胜利，王立浩，李 伟，张宝玺，张振贤 . 低温对弱光
影响甜椒光合作用的胁迫效应［J］. 核农学报，2008，22(6):880
－ 886
［6 ］ Braun G，Malkin S. Regulation of the imbalance in light excitation
between PhotosystemⅡ and PhotosystemⅠ by cations and by the
energized state of the thylakoid membrane ［J］. Biochim Biophys
Acta，1990，1017:79 － 90
［7 ］ 姜闯道，高辉远，邹 琦，蒋高明，李凌浩 . 叶角、光呼吸和热耗
散协同作用减轻大豆幼叶光抑制［J］. 生态学报，2005，25(2):
319 － 325
［8 ］ 张亚杰，冯玉龙，冯志立，曹坤芳 . 绒毛番龙眼对生长光强的形
态和生理适应［J］. 植物生理与分子生物学学报，2003，29(3):
206 － 214
［9 ］ 杨胜铭，高辉远，邹 琦 . 状态转换对光合作用中激发能分配的
调节及其与光破坏防御的关系［J］. 植物生理学通讯，2001，37
(2):89 － 94
［10］ 刘贤德，马为民，沈允钢 .植物光合机构的状态转换［J］. 植物生
理与分子生物学学报，2006，32(2):127 － 132
［11］ Demmig B，Winter K. Characterization of three components of
nonphotochemical fluorescence quenching and their response to
photoinhibition［J］. Plant Physiol，1988，15:163 － 177
［12］ Christa C. Photoinhibition of photosynthesis in vivo: the role of
protein turnover in photosystem［J］. Physiologia Plantarum，1994，
92:188 － 196
［13］ 苏吉虎，沈允钢 . 珊瑚树阳生和阴生叶片光合特性和状态转换
的比较［J］. 植物生理与分子生物学报，2003，29(5):443 － 448
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