全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (6): 551~560 551
收稿 2013-03-25　　修定 2013-05-03
资助 国家自然科学基金项目(31000890和31171915)和西北农林科技大学国际科技合作交流项目(A213021202)。
* 通讯作者(E-mail: Lipm@nwsuaf.edu.cn; Tel: 029-87082648)。
利用快速荧光、延迟荧光和820 nm光反射同步测量技术探讨干旱对平邑
甜茶叶片光合机构的伤害机制
张菂, 陈昌盛, 李鹏民∗, 马锋旺
旱区作物逆境生物学国家重点实验室, 西北农林科技大学园艺学院, 陕西杨凌712100
摘要: 本文以苹果砧木平邑甜茶为实验材料, 利用快速叶绿素荧光、延迟荧光及820 nm光反射同步测量技术, 研究了干旱
胁迫对平邑甜茶叶片光合机构的光系统I (PSI)、光系统II (PSII)以及整个光合电子传递链的伤害机制。实验结果表明: 干
旱胁迫下平邑甜茶叶片的整个光合电子传递链都受到不同程度的影响。干旱2 d, PSII反应中心捕获的光能用于还原QA的
能力低于电子从QA
-向下游传递的能力, 电子从QA
-向下游传递给QB和PQ库等中间电子传递体的能力小于电子从QB和PQ库
向PSI受体侧传递的能力, 但干旱5 d上述变化则相反, 且更加显著。由此可以得出, 严重干旱胁迫下, 沿着从PSII到PSI受体
侧的光合电子传递链, 电子传递的能力越来越低。此外, 随着干旱胁迫, PSII和PSI反应中心色素的降解速率快于天线色素,
且PSII的捕光效率和PSI反应中心的含量逐渐降低。快速荧光、延迟荧光及820 nm光反射同步测量结果互相印证了上述结
论。我们推测, 这可能是平邑甜茶叶片对干旱的一种适应机制。
关键词: 平邑甜茶; 快速荧光; 延迟荧光; 820 nm光反射; 干旱
Effects of Drought on the Photosynthetic Apparatus in Malus hupehensis
Leaves Explored by Simultaneous Measurement of Prompt Fluorescence, De-
layed Fluorescence and Modulated Light Reflection at 820 nm
ZHANG Di, CHEN Chang-Sheng, LI Peng-Min*, MA Feng-Wang
State Key Laboratory of Crop Stress Biology for Arid Areas, College of Horticulture, Northwest A&F University, Yangling,
Shaanxi 712100, China
Abstract: In this study, prompt fluorescence, delayed fluorescence and modulated light reflection at 820 nm
were measured simultaneously to explore the effect of drought on PSI and PSII as well as the whole photosyn-
thetic electron transport chain in Malus hupehensis leaves. The results showed that the whole electron transport
chain including the two photosystems was differently affected by drought. At day 2 of drought stress, the capac-
ity of QA reduction by the trapping light in PSII reaction centers was lower than that of electron transfer from
QA
- to the downstream electron carriers, and the capacity of electron transfer from QA
- to the downstream
intermediate carries such as QB and PQ was also lower than that from QB and PQ to PSI acceptor side. Never-
theless, at day 5 of drought stress, the above electron transfer capacities changed contrary with the changes be-
ing more significantly, compared with that at day 2. In general, along the photosynthetic electron transport chain
from PSII to PSI acceptor side, the electron transport capacity decreased gradually under severe drought stress.
The results also exhibited that during drought stress, the degradation of PSII and PSI reaction centers was faster
than that of their antenna pigments. The trapping efficiency of PSII and the content of PSI reaction center also
decreased. The simultaneously measuring results of prompt fluorescence, delayed fluorescence and modulated
light reflection at 820 nm supported the above conclusions, and corroborated each other. We speculate that this
might be an adaption mechanism of Malus hupehensis leaves to drought stress.
Key words: Malus hupehensis Rehd; prompt fluorescence; delayed fluorescence; modulated light reflection at
820 nm; drought
研究报告 Original Papers
植物生理学报552
在我国西北地区, 干旱是植物经常遭受的环
境胁迫之一。干旱导致叶片光合速率下降, 从而
造成产量下降(Lawlor和Cornic 2002)。干旱条件
下, 植物光合速率的下降有多种因素, 这包括气孔
导度下降(Gilbert等2011)、色素降解(Beck 1942)、
光合作用暗反应能力下降(Chaves等2009)及光反
应能力下降(Albert等2011)等。
光合光反应是指两个光系统(光系统II, PSII;
光系统I, PSI)吸收光能后, 经光合电子传递和光合
磷酸化, 产生NADPH、ATP (两者称为同化力)及
氧气的过程, 其强弱主要由两个光系统及两个光
系统之间的光合电子传递链的状态决定。目前,
光合光反应可以通过快速叶绿素荧光(简称快速荧
光)、延迟荧光及820 nm光反射等技术来检测
(Strasser等2010; Goltsev等2012)。
叶绿素吸收光能后, PSII的捕光色素将捕获的
光量子传递给反应中心(P680), 使P680从基态变为激
发态的P680
*, P680
*很不稳定, 诱导发生电荷分解, 产
生P680
+Pheo-, Pheo-将电子传递给下游的电子受体
如初级醌受体(QA)、次级醌受体(QB)及质体醌
(PQ)等, 最后经质兰素(PC)传递给氧化态的PSI反
应中心(P700
+)。而产生的P680
+是一个电子陷阱, 诱
导水发生裂解, 放出氧气, 并传递电子将P680
+还
原。与P680一样, P700受光激发后, 生成P700
*, P700
*将
受激发产生的电子通过电子传递体A0和A1等传递
给铁氧还蛋白(Fd), 生成P700
+, 并最终由Fd-NADP+
还原酶把NADP+还原为NADPH, 用于光合碳还原,
P700
+又可以接受从PSII传来的电子, 形成可持续的
电子传递。在发生光合电子传递的同时, 有一部
分吸收的光能会以热和荧光等形式被耗散掉; 并
且, 它们之间互相竞争, 任何一者的改变都会影
响到其它二者。例如, 当光合电子传递受阻后, 热
耗散和快速荧光就会上升(Krause和Weis 1991;
Strasser和Strasser 1995)。因此, 快速荧光的变化可
以间接反映光合电子传递的变化。
两个光系统与光合电子传递链上发生的氧化
还原反应都是可逆的。当光合电子发生逆向传递,
最终导致P680
+和Pheo-发生电荷重组进而形成P680
*,
PSII的天线色素就会发生延迟荧光现象。由于光
合电子的可逆传递时刻存在, 所以叶绿素受光后,
延迟荧光现象一直发生。虽然快速荧光和延迟荧
光都主要由PSII发出(Wang等2007; Zhang等2007;
Goltsev等2009), 但它们发生的机制完全不同, 寿命
也不同。而相同的是, 二者都可以用来反映光合
电子传递及光合机构的状态变化。
此外, 研究还表明, 当P700被氧化成P700
+时, 氧
化态的P700
+可以特异吸收820 nm波长的光(Schan-
sker等2003)。因此, 可以通过测量820 nm的光反
射来检测PSI的氧化还原反应。
快速荧光、延迟荧光和820 nm光反射动力学
能够快速、灵敏、无损伤地反映两个光系统对光
能的吸收、传递及耗散等生理状况(Krause和Weis
1991; Schansker等2003; Goltsev等2009, 2012;
Strasser等2010), 从而探测逆境对植物光合机构的
影响。近年来, 随着MPEA-2的出现, 科研人员已
经实现了利用上述三种技术对植物的同步监测,
而多种技术的优势互补, 可以使我们更深入、更
准确地了解植物光合机构对逆境的响应。目前,
利用这种同步测量技术研究干旱胁迫对苹果叶片
光合机构的影响还未见报道。本研究以平邑甜茶
为材料, 利用快速荧光、延迟荧光和820 nm光反
射同步测量技术分析了干旱对植物光合机构的影
响, 以期进一步揭示干旱胁迫对植物的伤害机制。
材料与方法
1 材料及处理
试验于2012年4~9月在西北农林科技大学园
艺试验场进行。试验材料为两年生平邑甜茶
(Malus hupehensis Rehd)盆栽苗, 盆口直径30 cm,
高24 cm, 每盆装腐熟园土:沙:腐熟有机肥7:2:1, 7.0
kg。每株为1个重复, 共5次重复, 每次重复测定2
个叶片。所有盆栽苗均于自然光强下生长, 干旱
处理前正常肥水管理。9月上旬, 在灌溉饱和水后
停止供水, 开始干旱处理。每株固定选取新梢中
部完全展开的2片功能叶, 在停止供水后0、2和5 d
进行测定。0、2和5 d的土壤相对含水量分别为
100%、68%和38%, 最大光照强度为(1 900±50)
μmol·m-2·s-1, 最高温度为(28±1) ℃。
2 快速荧光、延迟荧光和820 nm光反射同步测量
快速荧光、延迟荧光和820 nm光反射用多功
能植物效率分析仪(MPEA-2, Hansatech Instruments,
UK)同步测量。测量时间为晚上9点(叶片已经完
张菂等: 利用快速荧光、延迟荧光和820 nm光反射同步测量技术探讨干旱对平邑甜茶叶片光合机构的伤害机制 553
全暗适应2 h), 测定方法参照Strasser等(2010)的方
法并稍作修改。先用5 000 μmol·m-2·s-1的红光同步
测量快速荧光、延迟荧光和820 nm光反射, 然后
关掉红光, 用1 000 μmol·m-2·s-1的远红光单独测量
820 nm光反射。红光波长为(627±10) nm, 远红光
波长为(735±15) nm。同步测量快速荧光、延迟荧
光和820 nm光反射时, 从曝光后的300 μs开始进行
光暗转换, 光下记录快速荧光和820 nm光反射信
号, 暗处记录延迟荧光信号, 具体时间设定参考
Strasser等(2010)方法。单位反应中心吸收的光能
(ABS/RC)、反应中心捕获的量子产额(TRo/ABS
或φPo)、捕获能量中用于电子传递的量子产额
(ETo/TRo或ψEo)、电子传递中用来还原 PSI 受体
侧的量子产额(REo/ETo或δRo)等参数的计算参考
Strasser等(2010)。ABS/RC=4×(FK–FO)×FM/(FJ–
FO)/(FM–FO), TRo/ABS=(FM–FO)/FM, ETo/TRo=(FM–
FJ)/(FM–FO), REo/ETo =(FM –FI)/(FM–FJ); 其中
FM=FP, FO、FK、FJ、F I和FP分别为暗适应后20
μs、300 μs、3 ms和30 ms及最大快速荧光值。由
软件MPEA data-analyzer V.4.4.3自动模拟和计算延
迟荧光衰退曲线的快组分振幅(L1)、次快组分振
幅(L2)和慢组分振幅(L3)。820 nm光反射曲线(MR/
MRo)的最大下降速率VPSI和最大上升速率VPSI+PSII
用软件Excel 2003计算, 其中用MR/MRo的0.7~3
ms阶段的下降斜率计算VPSI, 用7~300 ms范围内的
最大上升斜率计算VPSI+PSII, VPSII=VPSI+VPSI+PSII。
实验结果
1 用MPEA-2测得的三种信号信息
图1为用MPEA-2测量充分暗适应的无胁迫处
理叶片所获得的三种同步测量信号信息。
平邑甜茶叶片的快速荧光诱导动力学曲线在
从O点上升到P点的过程中, 呈现出典型的O-J-I-P
多相变化。植物绿色组织在完全暗适应后, QA被
完全氧化(此时PSII反应中心处于完全开放状态),
荧光产量最低(O点), 随后P680受光激发, 产生光合
电子传递, QA逐渐被还原为QA
-, 荧光产量上升, 到
达J点。J点反映了QA
-的第一次瞬时最大积累, 而
这种积累是因为受到QB位点上还原态与氧化态PQ
交换速率的限制, 从而造成电子从P680到达QA的速
率快于电子从QA
-传递给QB的速率造成的(Schansker
等2005)。因此, O-J阶段反映了照光后QA
-的逐渐
积累过程。J-P阶段是由于次级电子受体QB、PQ
库、PC等逐渐被还原, 进而使QA也最终被完全还
原造成的。研究表明, I点的出现反映了PQ库的异
质性, 与PQ库的再氧化速率相关, J-I阶段反映了整
个PQ库的还原过程; P点的出现与P700受体侧的Fd-
NADP+还原酶在曝光瞬间未被及时激活相关, 因
此, I-P阶段反映了P700受体侧的还原, 快速荧光到
达P点时, PSII反应中心处于完全关闭状态(Govin-
djee 1995; Schansker等2005; Tóth等2007)。
快速荧光的寿命非常短, 在照光后的每个时
间点只能测得一个信号值。延迟荧光的寿命则很
长, 且会发生衰退现象, 所以在照光后的每个时间
点可以测得随时间不断发生变化的一组延迟荧光
信号值。而将照光不同时间后获得的每一条延迟
荧光曲线上某个固定衰退时间的信号(如延迟荧光
衰退时间在20 μs时)以照光时间为横坐标(JIP-
time)作图, 得到的就是这个衰退时间点的延迟荧
光随JIP-time变化的动力学曲线(Strasser等2010)。
光合电子逆向传递造成延迟荧光发生, 电子逆向
传递发生电荷重组的速率越快, 延迟荧光信号越
图1 平邑甜茶叶片中同步测定的快速荧光(PF)和延迟荧光
(DF) (左纵坐标轴)及820 nm光反射
(右纵坐标轴)的动力学曲线
Fig.1 Kinetics curves of prompt and delayed fluorescence (in
different a.u.; left vertical axis) and modulated 820 nm
reflection (right vertical axis) in M. hupehensis leaves
横坐标为对数坐标, 下图同此。
植物生理学报554
强。因此, 理论上讲, 当暗适应的叶片照光后, 随
着光合电子传递链被逐渐还原, 快速荧光信号不
断增强, 而延迟荧光信号应该越来越低。然而, 由
图1可以看出, 延迟荧光在其衰退时间10~30 μs、
40~100 μs等的平均值随JIP-time的变化都呈现先
上升, 到达最高点I1, 然后再下降到最低点D2的趋
势。研究表明, 延迟荧光动力学曲线在JIP-time呈
现先上升的过程主要和放氧复合体的状态转换有
关(Strasser等2010)。放氧复合体根据带正电荷的
多少, 存在S0、S1、S2、S3和S4等五个状态, 当叶片
完全暗适应时, 放氧复合体主要以S0和S1状态存在,
在每次闪光后积累1个正电荷, 积累到4个正电荷
时(S4)能裂解2个H2O释放1个O2, 获取4个电子, 并
回到初始状态S0。这个模型被称为水氧化钟, 由
Kok等(1970)发现。放氧复合体的不同氧化状态发
出的延迟荧光信号强度不同, 其中以S3发生的延迟
荧光信号最强(Buchta等2007)。因此, I1点的出现
反映了暗适应的叶片在照光后其放氧复合体在S3
状态时的第一次瞬时最大积累。随着照光时间的
延长, 放氧复合体在不同状态的比率逐渐达到平
衡, 其状态转换不再引起延迟荧光信号的变化, 此
时, 延迟荧光信号主要和光合电子传递链的氧化
还原相关, 即与快速荧光信号的变化相反。当快
速荧光到达最高点P时, 延迟荧光到达最低点D2。
从I1到D2的下降过程中出现的拐点标记为I2 (Zaha-
rieva和Goltsev 2003; Goltsev等2009)。延迟荧光的
I2点同快速荧光的I点相同, 也与PQ库的氧化还原
过程相关。例如, 弱光条件下, 从P680传递来电子还
原PQ库的速率低于PQ库的再氧化速率, 此时PSII
反应中心的重新开放速率加快, I2点相对升高(Ka-
laji等2012)。
P700处于氧化态P700
+时可吸收820 nm波长的
光, 因此820 nm光吸收或反射的变化可以反映P700
的氧化还原状态(Munekage等2004; Zhang等
2011)。然而, 除了P700
+可以吸收820 nm光外, 植物
的其它组织也吸收820 nm波长的光, 例如, 叶片组
织结构的变化也会影响820 nm光反射的测定
(Strasser等2010)。因此, 本研究中820 nm光反射动
力学曲线用MR/MRo来表示(图1), MRo为开始照
光时的初始反射值, 旨在排除P700外的其它因素对
820 nm光吸收的影响。此时, MR/MRo比值的变化
反映了P700的氧化还原状态的变化。用MPEA-2测
得的每条820 nm光反射曲线从照光后的0.7 ms开
始被准确测量。如图1所示, 当完全暗适应的植物
材料刚开始暴露在红光下时, 两个光系统被单独
激发, 处于还原态的P700受光激发变成P700
+, P700
+吸
收820 nm波长的光, 使其光反射量减少, 导致MR/
MRo快速下降。由于红光可以同时激发两个光系
统, 植物材料曝光一段时间后, 当从PSII传来的电
子到达PSI, P700
+就会被重新还原, 使其对820 nm波
长的光吸收减少, 当P700
+的还原比率大于氧化比率
时, MR/MRo表现为上升趋势(图1)。MR/MRo快速
下降阶段的终止一般出现在7 ms, 此时PF正处于
J-I的上升阶段, 即PQ库的进一步还原阶段(Schan-
sker等2003; Strasser等2004; Tsimilli-Michael和
Strasser 2008)。
2 干旱胁迫对植物叶片快速荧光、延迟荧光及820 nm
光反射的影响
2.1 干旱胁迫对植物叶片快速荧光信号的影响
苹果叶片的快速荧光动力学曲线在干旱胁迫
0、2和5 d的变化趋势如图2-A所示。植物材料的
快速荧光动力学曲线的形状随着干旱胁迫的加剧
发生显著变化。峰值P点(FP)在干旱2 d变化不明
显, 干旱5 d则显著下降(图2-A、表1); J点(FJ)、I点
(FI)及K点(FK)在干旱胁迫2 d变化不明显, 但5 d显
著上升(图2-A、表1)。
图2-B为快速荧光动力学曲线以P点荧光值标
准化后的诱导曲线, 标准化后的曲线在0 d和2 d变
化不明显, 但5 d O-P之间的荧光信号明显上升。
图2-C为快速荧光动力学曲线以I点荧光值标准化
后的诱导曲线, 由该图可以看出, 标准化后的P点
荧光在干旱5 d显著下降, 而J点荧光显著升高。图
2-D为快速荧光动力学曲线以J点荧光值标准化后
的诱导曲线, 由该图可以看出, J-P段荧光信号呈现
随干旱呈现先轻微上升再明显下降的趋势, O-J段
荧光信号在干旱2 d没有明显变化, 在5 d则有所
升高。
由快速叶绿素荧光诱导曲线导出的参数的变
化如表1所示。TRo/ABS在干旱0 d和2 d没有明显
差异, 5 d显著下降。ETo/TRo在干旱2 d有所升高,
5 d则显著下降。REo/ETo的变化趋势与ETo/TRo
相似。ABS/RC随着干旱的加剧逐渐升高。
张菂等: 利用快速荧光、延迟荧光和820 nm光反射同步测量技术探讨干旱对平邑甜茶叶片光合机构的伤害机制 555
2.2 干旱胁迫对植物叶片延迟荧光信号的影响
延迟荧光信号20~30 μs的平均值与40~50 μs
的平均值的差值主要反映延迟荧光微秒级组分随
JIP-time的变化趋势。如图3-A所示, 该延迟荧光信
号在干旱2 d几乎没有变化, 5 d则显著下降, 尤其
是I1点的下降最明显。另一组延迟荧光(100~200
μs的平均值与300~400 μs的平均值的差值, 图3-C)
主要反映延迟荧光次毫秒级组分的变化。该组在
I1点和I2点的信号, 特别是I1, 干旱前期变化不明显,
5 d则显著下降。图3-B和D分别为图3-A和C以I1点
标准化后的延迟荧光动力学曲线。如图3-B所示,
在干旱5 d, 从D0点到I1点的延迟荧光信号上升加
快, 而I1点之后的延迟荧光信号的下降则有所变
慢。图3-D中, I1点后延迟荧光信号的下降随着干
旱胁迫呈现逐渐加快的趋势。
图4为I1和I2点的延迟荧光随自身衰退时间
(delay-time)的变化趋势图。由图4-A可以看出, 随
着干旱胁迫的加剧, 特别是干旱5 d, I1点延迟荧光
信号在刚开始衰退时明显下降, 且随后的衰退明
显变缓。由图4-B可以看出, I2点刚开始衰退时的
延迟荧光信号在干旱2 d有所上升, 5 d则显著下降,
由此, I2点的衰退呈现出先快后慢的变化。由软件
MPEA data-analyzer V.4.4.3自动模拟和计算得来的
I1和I2的快组分振幅L1、次快组分振幅L2及慢组分
振幅L3的变化趋势如表1所示。I1的L1和L2在干旱5
d显著降低, L3在干旱2 d降低, 5 d没有变化。I2的L1
和L2在干旱2 d有所升高, 干旱5 d则明显下降, L3在
干旱2 d没有明显变化, 5 d显著升高。
2.3 干旱胁迫对820 nm光反射的影响
由图5-A可以看出, 用红光同步测量的MR/
MRo曲线的快速下降阶段在干旱2 d已经有所变
化, 下降的最低点升高, 且到达最低点的时间向前
图2 干旱胁迫对平邑甜茶叶片快速荧光的影响
Fig.2 Effects of drought stress on kinetics curves of prompt fluorescence in M. hupehensis leaves
植物生理学报556
偏移, 但MR/MRo的下降速率VPSI没有变化。在干
旱5 d, MR/MRo快速下降阶段的最低点明显向后
图3 干旱胁迫对平邑甜茶延迟荧光的影响
Fig.3 Effects of drought stress on kinetics curves of delayed fluorescence in M. hupehensis leaves
图4 干旱胁迫下延迟荧光衰退曲线的变化
Fig.4 Changes of delayed fluorescence decay curves in M. hupehensis leaves under drought stress
偏移, 并且VPSI显著升高(表1)。对于MR/MRo的缓
慢上升阶段, 其在干旱2 d的上升速率VPSI+PSII显著
张菂等: 利用快速荧光、延迟荧光和820 nm光反射同步测量技术探讨干旱对平邑甜茶叶片光合机构的伤害机制 557
图5 干旱胁迫对平邑甜茶820 nm光反射的影响
Fig.5 Effects of drought stress on kinetics curves of
modulated 820 nm reflection in M. hupehensis leaves
升高, 但在干旱5 d的VPSI+PSII则显著下降, 且干旱5 d
的820 nm光反射动力学曲线振幅明显下降, 上升
的最高点也显著降低。VPSII随干旱胁迫逐渐增加
(表1)。
图5-B为干旱过程中用远红光测量的MR/
MRo变化趋势图。如图所示, MR/MRo曲线在干旱
2 d变化不大, 但在5 d下降趋势明显减弱, 且最低点
升高。
讨　　论
在本次实验中, 为了探讨干旱条件下光合机
构的调节机制, 用MPEA-2同步测量并记录了快速
荧光、延迟荧光和820 nm光反射信号, 这样就使
光合电子传递链的三个部分(PSII的电子供体侧、
PSII和PSI两个光系统之间的电子传递链及PSI的
电子受体侧)的信息被同步收集并做相互印证和
补充。
由图2可以看出, 平邑甜茶叶片的快速荧光诱
导动力学曲线对干旱胁迫十分敏感。通过JIP-test
(Strasser等2010)分析, 我们发现, 平邑甜茶叶片的
整个光合电子传递链在干旱胁迫下都明显受到影
响, 但在程度上略有不同。ABS/RC反映了PSII天
线色素与反应中心色素的比值(Strasser等2010)。
随着干旱胁迫, ABS/RC的变化(表1)表明平邑甜茶
叶片PSII天线色素的降解速率慢于反应中心色
素。TRo/ABS的变化(表1)表明, 随着干旱胁迫, 平
邑甜茶叶片PSII捕获光能用来还原QA的能力逐渐
下降。由于电子从Q A
-向下游继续传递的概率
(ETo/TRo)由两个因素决定, 即供给QA电子的能力
和电子从QA
-向下游传递的能力(Li等2009)。因此,
快速荧光J点和参数ETo/TRo的变化(图2-D、表1)
表明, 在干旱初期, 平邑甜茶叶片供给QA电子的能
力(即PSII捕获光能用来还原QA的能力)小于电子
从QA
-向下游传递的能力, 而随着干旱胁迫的加重,
电子从QA
-向下游传递的能力则远远低于供给QA
电子的能力。J-I反映了整个PQ库的还原过程
(Tóth等2007), 因此, 由图2-C的J-I阶段可以得出,
干旱5 d, 从P680传递电子还原PQ库的能力大于电子
从PQ库向下传递从而发生自身再氧化的能力。同
理, 快速荧光的I-P段和参数REo/ETo的变化则表
明, 在干旱初期, 电子从QA
-向下游传递给QB和PQ
库等中间电子传递体的能力小于电子从QB和PQ库
向PSI受体侧传递的能力, 而随着干旱胁迫的加重,
电子从QA
-向下游传递给QB和PQ库等中间电子传
递体的能力则大于电子从QB和PQ库向PSI受体侧
传递的能力。由于快速荧光K点的升高主要是由
P680的供体侧(如放氧复合体)受伤害引起(Strasser
和Strasser 1995), 因此, 在干旱胁迫5 d, 快速荧光K
点的略微上升表明, 此时平邑甜茶叶片P680的供体
侧可能受到干旱胁迫的伤害。
由于延迟荧光的微秒级组分主要与围绕P680
发生的氧化还原反应相关(Goltsev等2009; Kalaji
等2 0 1 2 ) , 而 I 1主要反映了基团S 3Z P 6 8 0
+Q A
–和
S3Z
+P680QA
–的积累(Kalaji等2012)。因此, 如果干旱
胁迫下P680供体侧受到伤害, 电子供应能力变低, 抑
制P680的重新开放, 就会进而抑制上述两个基团的
植物生理学报558
积累, 使得延迟荧光信号强度降低(图3-A), 到达I1
点速率相对加快(图3-B)。这与快速荧光同步测量
的结果(图2-D)相一致。而ABS/RC下降, 使P680数
量相对减少, 也会造成延迟荧光I1点信号强度减弱
和上升速率相对较快(图3-A、B), 同样印证了快速
荧光同步测定的结果(表1)。延迟荧光次毫秒级组
分主要与P680受体侧的电子传递体QA和QB等的氧
化还原状态相关(Goltsev等2009)。由图3-C和D可
以看出, 标准化之后的延迟荧光在I1点后的下降幅
度随着干旱胁迫的加重而增加, 表明干旱胁迫提
高了P680受体侧的还原程度, 即电子在P680受体侧往
下游继续传递的概率下降, 从而使电子的可逆传
递概率也同时下降, 这也与快速荧光同步测定的
结果(图2-A~C、表1)相一致。由图3-B与图3-D可
以看出, 微秒级与次毫秒级延迟荧光组分的I2随干
旱胁迫变化趋势不同。这是因为, 由于I2与PQ库的
氧化还原程度相关, 当只有微秒级组分时, PQ库的
还原主要取决于从P680传递到PQ库的电子数量, 由
于干旱胁迫降低了PSII捕获光能用来还原QA的能
力(TRO/ABS), 因此, 随着干旱胁迫, 电子从P680传
递到PQ库的能力降低, I2相对略微升高(图3-B)。
而有次微秒级组分存在时, PQ库的还原既与从P680
传递电子还原PQ库的能力相关, 还与PQ库的再还
原相关, 即还与电子从PQ库沿光合电子传递链进
一步往下传递的能力相关。因此, 次微秒级组分I2
的变化表明, 在干旱胁迫下, 电子从P680传递到PQ
库的能力大于电子从PQ库向下传递给PC和P700等
电子传递体的能力(图3-D)。这也与快速荧光的结
果相一致。
此外, 对I1和I2延迟荧光自身的衰退曲线的分
析也可以反映延迟荧光快组分、次快组分及慢组
分的变化(Goltsev等2009)。其中快组分主要反映
了围绕P680发生的氧化还原反应, 而延迟荧光组分
越慢, 表明电子是从P680受体侧距离越远的电子传
递体回传。由软件MPEA data-analyzer V.4.4.3自动
模拟和计算得来的L1主要反映快组分Z
+P680QA
-QB
-
的相对含量变化, L2主要反映次快组分Z
+P680QA
-
QB
=相对含量的变化, 而L3主要反映慢组分S3Z-
P680QA
-QB
=相对含量的变化。随着干旱胁迫的加重,
I1点的L1、L2和L3下降(图4-A、表1), 表明上述延
迟荧光发光基团的积累受到干旱抑制, 这也与干
旱伤害了P680的供体侧和提高了天线色素与反应中
心色素的相对比值, 导致Z+P680QA
-QB
-和Z+P680QA
-
QB
=的积累受到抑制, 和干旱降低了电子在P680受体
表1 干旱对平邑甜茶叶片荧光及820 nm光反射参数的影响
Table 1 Effects of drought stress on fluorescence and 820 nm reflection parameters in M. hupehensis leaves
荧光参数
处理时间/d
0 2 5
F0 5 536±51.2
c 6 575±64.9b 7 329±96.5a
Fk 7 677±92.2
b 7 928±108b 11 576±222a
FJ 14 269±242
b 14 207±225b 20 427±487a
FI 25 725±466
b 26 038±412ab 27 563±773a
FP 34 356±602
a 36 480±527a 29 687±768b
TRo/ABS 0.839±0.003
a 0.842±0.001a 0.752±0.009b
ETo/TRo 0.696±0.008
b 0.725±0.005a 0.414±0.009c
REo/ETo 0.430±0.005
b 0.469±0.004a 0.229±0.02c
ABS/RC 0.998±0.012b 1.038±0.007b 1.488±0.023a
I1 (L1) 20 567±619
a 22 663±615a 10 791±564b
I1 (L2) 7 470±204
a 7 206±159a 2 980±261b
I1 (L3) 2 941±97
a 2 376±64b 2 165±143b
I2 (L1) 8 687±162
b 12 008±291a 5 981±287c
I2 (L2) 1 826±65
b 2 197±54a 1 248±74c
I2 (L3) 1 537±31
b 1 622±37ab 1 682±27a
VPSI (0.00138±3.33)×10
-5a (0.00140±3.02)×10-5a (0.00168±2.36)×10-5b
VPSII (0.00157±3.57)×10
-5b (0.00163±3.36)×10-5ab (0.00173±2.64)×10-5a
VPSI+PSII (0.000189±3.7)×10
-6b (0.000234±4.2)×10-6a (0.000054±6.0)×10-6c
　　同行同一参数数据后标注的不同字母表示差异显著(LSD, P<0.05)。
张菂等: 利用快速荧光、延迟荧光和820 nm光反射同步测量技术探讨干旱对平邑甜茶叶片光合机构的伤害机制 559
侧的传递能力, 从而导致S3ZP680QA
-QB
=的积累受到
抑制相一致。与I1相比, 延迟荧光在I2点发生自身
衰退过程中, 上述三个延迟荧光基团的数量明显
下降(表1)。然而, 与I1点相比, 由于在测量过程中
经历了更多的光暗转换过程, I2点延迟荧光衰退曲
线的变化与更多的电子传递体如PC和P700等的氧
化还原状态相关, 即I2点延迟荧光衰退曲线中包含
的基团Z+P680QA
-QB
-和Z+P680QA
-QB
=的积累除了与
P680供体侧和P680天线色素与反应中心色素的相对
比值相关外, 还取决于电子从QA和QB等继续往下
游传递的能力。因此, 干旱胁迫下, 平邑甜茶叶片
I2的L1和L2的变化与快速荧光参数ETo/TRo和REo/
ETo的变化相一致(表1)。然而, I2的L3的变化呈现
出随着干旱逐渐上升的趋势, 表明还有其他因素
影响了S3ZP680QA
-QB
=的积累。
用远红光测量的MR/MRo的变化(图2-B)表
明, 随着干旱胁迫, 特别是在干旱5 d, 能够发生氧
化还原反应的P700的含量显著下降。而由同步测定
的MR/MRo的下降速率VPSI的变化(图5-A、表1)可
以得出, 随着干旱胁迫的加重, 在电子从PSII传递
到PSI前, P700独立发生的氧化还原速率加快, 这可
能与干旱影响了PSI的天线色素与反应中心色素的
比例有关, 即与干旱对PSII的影响相同, 干旱条件
下, PSI天线色素的降解慢于反应中心P700的降解。
而由干旱过程中MR/MRo到达最低点的时间和
VPSI+PSII的变化(图5-A、表1)可以看出, 电子从PSII
传到被红光激发而处于氧化态的P700的速率在干旱
初期稍微有所增加, 但后期则显著下降。已有研
究表明, 干旱可以改变植物的类囊体膜的结构(Liu
等2011), 而光合电子传递的速率与类囊体膜的结
构密切相关。因此, 干旱情况下两个光系统之间
光合电子传递速率的变化可能与类囊体膜结构的
变化相关。然而, 电子传递体之间传递电子的数
量并不取决于电子传递的速率。由MR/MRo (红光
测定)在干旱5 d其缓慢上升阶段最高点的变化可
以看出(图2-A), 此时电子从PSII经光合电子传递
链传递给处于氧化态的P700的电子数量相对下降,
从而使较少的P700
+被重新还原, 与快速荧光和延迟
荧光的同步测定结果一致。从PSII向PSI传递的光
合电子数量相对下降可以避免光合电子传递链的
过度还原, 从而避免活性氧的产生, 这可能是植物
自身的一种保护机制, 这还有待进一步研究。
由以上分析可以看出, 干旱胁迫会导致PSII和
PSI天线色素的降解慢于其反应中心的降解, 并降
低PSII的捕光效率和PSI反应中心P700的含量, 影响
电子在PSII受体侧(包括PSI)的传递能力, 且这种影
响随着干旱胁迫的变化而变化。严重干旱胁迫下,
沿着从PSII到PSI受体侧的光合电子传递链, 电子
传递的能力越来越低。
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