全 文 ：植物生理学通讯 第 45 卷 第 9 期，2009 年 9 月 851
收稿 2009-05-18 修定 　2009-07-31
资助 国家自然科学基金项目(30 67 1 21 4)。
* 通讯作者(E-mail: zhaohj303@163.com; Tel: 0371-63555319)。
外源Ca2+对高温强光胁迫下灌浆期小麦叶片光合机构运转的影响
李利红 1,2, 杨亚军 3, 赵会杰 3,*, 马培芳 3
1 河南农业大学农学院, 郑州 450002; 2 郑州牧业工程高等专科学校药物工程系, 郑州 450011; 3 河南农业大学生命科学学院,
郑州450002
提要: 灌浆期叶面喷施 10 mmol·L-1 CaCl2对高温强光胁迫下小麦叶片光合电子传递、放氧速率、叶绿素荧光参数和D1蛋
白的影响结果表明, Ca2+预处理可保护D1蛋白, 削弱其降解, 提高光系统 I (PSI)和光系统 II (PSII)电子传递速率、全链电子
传递速率、净光合速率(Pn)、PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、PSII实际光化学效率(ΦPSII)和光化学猝灭(qP), 维持较低的Fo, 最
终导致小麦适应高温强光的能力提高。
关键词: 小麦; 高温强光胁迫; Ca2+; 光合电子传递速率; 叶绿素荧光参数; D1蛋白
Effects of Exogenous Ca2+ on the Photosynthetic Apparatus in Wheat (Triticum
aestivum L.) Leaves under Heat and High Irradiance Stress
LI Li-Hong1,2, YANG Ya-Jun3, ZHAO Hui-Jie3,*, MA Pei-Fang3
1College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2Department of Pharmaceutical Engineering,
Zhengzhou College of Animal Husbandry Engineering, Zhengzhou 450011, China; 3College of Life Sciences, Henan Agricultural
University, Zhengzhou 450002, China
Abstract: This article aimed at proving the effects of Ca2+ on photosynthetic apparatus in leaves of wheat
(Triticum aestivum) at filling stage under high temperature and irradiance stress. The results showed that pre-
treatment with Ca2+ at the concentration of 10 mmol·L-1 protected D1 protein and alleviated its degradation. As a
result, higher electron transport rate in PSI, PSII and whole chain, Pn, Fv/Fm, ΦPSII, qP and lower Fo were kept
under high temperature and irradiance stress. Finally, adaptability of wheat was improved under high tempera-
ture and irradiance stress.
Key words: wheat; high temperature and irradiance stress; Ca2+; photosynthetic electron transport rate; chloro-
phyll fluorescence parameters; D1 protein
在我国北方地区, 小麦灌浆期间经常处于高温
和强光共存的逆境条件。在这种条件下, 植物光合
作用更易受强光的抑制和破坏, 小麦体内 O 2－· 、
H2O2 等活性氧大量积累, 脂质过氧化作用加剧, 光
系统 II (photosystem II, PSII)光化学效率及电子传
递速率明显下降(La Porta 等 2004)。单线态氧还
会造成PSII反应中心蛋白的破坏, 从而导致光抑制
(Yamamoto 2001)。近年来, 随着光抑制机制及光
系统 II功能研究(许大全1999; 刘文娟等2007)的深
入, 人们逐渐将注意力转向外源物质对光合机构的
防护效应和作用机制的探讨。研究外源信号物质
对高温强光胁迫下小麦叶片类囊体膜蛋白和 PSII
功能的影响, 对决定生产技术措施来说, 可能有一
定的参考意义。如 Ca2+ 不仅是植物体内的一种元
素, 也作为耦联胞外信号与胞内生理生化反应的第
二信使, 参与植物的光合作用、各种逆境下的渗透
调节、光周期反应、细胞伸长与激素平衡的生理
过程(Bush 1995; 陈华新等 2003)。有关钙提高植
物抗逆性的研究在许多植物中均有报道, 认为钙有
稳定细胞膜系统、保持细胞完整性和调节抗氧化
酶活性的作用(由继红等 2 0 0 2 ; 梁颖和王三根
2001)。这些研究主要集中在高温、低温、盐胁
迫等单因子胁迫下钙对植物的影响, 而对高温强光
胁迫的影响以及钙提高植物抗逆性过程中各种生理
生化指标变化的研究较少, 钙离子对PSII反应中心
D1作用的研究更是鲜有报道。本文研究Ca2+对高
温强光胁迫下灌浆期小麦光合电子传递、叶绿素
荧光的动态变化以及 D1 蛋白的影响, 以阐明其对
光合机构防护作用的机制, 进而为生产中采取抗逆
应变技术提供参考。
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材料与方法
以小麦(Triticum aestivum L.)品种 ‘ 豫农 949’
为材料。试验于 2007年 10月 ~2008年 6月在本校
科教园区进行。采用盆栽试验, 盆高 40 cm, 内径
40 cm, 盆内装入 20 kg 耕层潮土。土壤的有机质
含量为10.5 g·kg-1 (土), 全氮含量为1.01 g·kg-1 (土),
碱解氮含量为 75.4 mg·kg-1 (土), 速效磷为 26.7
mg·kg-1 (土), 速效钾为 87.6 mg·kg-1 (土)。10 月 15
日播种, 播种后将盆埋入试验田土中, 出苗后每盆
留苗 5 株, 常规管理。旗叶完全展开时, 将其分为
两组并分别叶面喷施10 mmol·L-1的CaCl2和水。每
天 1 次, 连喷 5 d。3 d 后将盆带回实验室进行温、
光处理。试验设置 1 个对照和 2 个处理: (1)对照,
植株喷水, 置于温光分别为 25 ℃、600 μmol·m-2·
s-1 条件下; (2)处理 1, 植株喷水, 作高温强光处理
(36 ℃, 1 800 μmol·m-2·s-1); (3)处理 2, CaCl2 预处理
植株, 作高温强光处理(36 ℃, 1 800 μmol·m-2·s-1)。
照光前各处理作 12 h 的暗适应, 高照度光由 1 000
W 钨灯提供。在人工气候室中设置一铁架, 放置
1 cm厚的流动水槽(钨灯与材料之间), 通过调整灯
的高度控制旗叶部位达到设定的辐射强度。于高
温强光处理后的 0 (处理前)、1、2、3 h 取旗叶
并置于对照小麦的温光条件下恢复 3 h, 而后取样
测定。每个处理重复 4次, 所取旗叶样品的一部分
用于叶绿素荧光分析, 另一部分立即保存于液氮中
备用。
用FMS-2型脉冲调制式叶绿素荧光分析仪(英
国Hansatech公司)测定, 测定前叶片暗适应15 min,
作用光为400 μmol·m-2·s-1, 饱和脉冲光强度为8 000
μmol·m-2·s-1。PSII 最大光化学效率 Fv/Fm=(Fm-Fo)/
Fm, 其中, Fo为初始荧光, Fm为最大荧光, Fv为可变
荧光。光合放氧速率用Chlorolab-2氧电极系统(英
国 Hansatech 公司)测定(李晓明等 2006)。光合电
子传递速率用Clark-氧电极按Tripathy和Mohanty
( 1 9 8 0 ) 的方法进行。参照郭军伟等( 2 0 0 6 ) 、
Tripathy和 Mohanty (1980)文中的方法分别提取不
同处理叶片的类囊体膜。得到的样品按 Ar non
(1949)书中的方法测定叶绿素含量, 然后储存于液
氮中备用。S D S - 聚丙烯酰胺凝胶电泳( S D S -
PAGE)和Western Blotting分析参照杜林方等(1995)
和Rintamaki等(1996)文中的方法进行, SDS-PAGE
采用 12% 含 6 mol·L-1 尿素的分离胶(pH 8.8)和 5%
浓缩胶(pH 6.8)。在 Western Blotting 分析中, 一抗
为叶绿体 D1 蛋白多克隆抗体(Agrisera 公司提供),
二抗为碱性磷酶标记抗体 IgG(H+L) (中杉金桥公
司)。显色系统为 BCIP/NBT显色浓缩液。图片采
用凝胶成像系统照相并进行定量分析。引入抑制
剂时将剪下的叶片于水下再剪去一段, 然后转移到
10 mmol·L-1的链霉素水溶液中, 高温强光胁迫前置
于 30 μmol·m-2·s-1 的弱光下 1 h。对照叶片浸于蒸
馏水中, 参照 Hong 和 Xu (1999)文中的方法进行。
采用 Excel 2003 进行数据处理, 测定均重复 5
次, 结果以平均值±标准差(mean±SE)表示, LSD法
进行多重比较。
结果与讨论
1 Ca2+对小麦叶片D1蛋白的影响
由图 1 可知, 引入链霉素后再进行 3 h 的光抑
制, 其 D1 蛋白明显减少, 并且少于其他处理。这
可能是由于链霉素抑制了 D1 蛋白的合成而致使
D1 蛋白净含量下降。高温强光胁迫下, Ca2+ 处理
的D1蛋白含量与胁迫前相比变化不明显, 经过3 h
的暗恢复后其D1蛋白含量恢复到胁迫前的水平, 而
喷水的经3 h的胁迫之后D1蛋白含量明显下降, 但
仍明显高于链霉素处理的, 在随后的暗恢复过程中
不能恢复到胁迫前的水平。说明在高温强光共同
胁迫下, 喷水预处理的D1蛋白破坏比较严重, 而预
喷 Ca2+ 可有效地保护 D1 蛋白, 使逆境条件下小麦
受光抑制程度减轻。
图 1 Ca2+ 对小麦叶片中 D1 蛋白的影响
Fig.1 Effect of Ca2+ on D1 protein of wheat leaves
1: 对照; 2: 引入链霉素后高温强光胁迫 3 h; 3: Ca2+ 处理, 胁
迫前; 4: Ca2+ 处理, 胁迫 3 h; 5: Ca2+ 处理, 恢复 3 h; 6: 喷水处理,
胁迫前; 7 : 喷水处理, 胁迫 3 h; 8: 喷水处理, 恢复 3 h。
2 Ca2+对小麦叶片叶绿体电子传递速率和光合放
氧速率的影响
由图 2 可知: (1)高温强光处理前(0 h), 对照、
喷水和Ca2+处理的各种指标几乎没有变化, 始终处
于稳态水平。在高温强光胁迫下, PSI、PSII、全
链电子传递速率及净光合速率(Pn)均呈下降趋势,
在随后的恢复过程中都有一定的恢复, 但幅度不
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同。(2)逆境胁迫下, PSII 电子传递速率迅速下降,
胁迫 2 h 时其下降有所减缓, 这可能是植物对逆境
有所适应之故, 3 h 时又有较大幅度的下降。(3)全
链电子传递速率的变化趋势与PSII相似, 但其变化
幅度小于 PSII 电子传递速率。(4)高温强光胁迫对
Pn 的影响较大, 并且在随后的恢复过程中, 喷水处
理未能恢复到其应有的水平。(5)与 PSII 和全链电
子传递速率相比, 高温强光胁迫对 PSI的电子传递
速率影响较小。经过 3 h 的恢复喷水和给 Ca2+ 后
均恢复到原有的水平。说明高温强光胁迫下光合
机构受到破坏的原初部位是 PSII, 而 PSI比较稳定。
方差分析表明, 4个指标在不同处理之间的差异极显
著(PSI、PSII、全链电子传递速率及 Pn 的 P 值分
别为 0.004、0.008、0.003 和 0.005), 各处理的不
同时间之间的差异不显著(PSI、PSII、全链电子
传递速率及 Pn 的 P值分别为 0.051、0.095、0.067
和 0.117)。经邓肯氏新复极差测验表明, 4 个指标
在对照和Ca2+处理间的差异不显著, 而喷水处理与
前两个处理差异显著(PSI 电子传递速率、PSII 电
子传递速率、Pn)或者极显著(全链电子传递速率)。
图 2 Ca2+ 对小麦叶片叶绿体电子传递速率和光合放氧速率的影响
Fig.2 Effects of Ca2+ on electron transport rate and net photosynthetic oxygen evolution rate of wheat leaves
3 Ca2+对小麦叶片荧光参数的影响
由图 3 可知: (1)在非胁迫条件下, Fo、Fv/Fm、
PSII 实际光化学效率(ΦPSII)、光化学猝灭(qP)在不
同处理间几乎没有变化, 处于稳态水平。在光胁迫
下除了 Fo 呈先升后降的趋势外, Fv/Fm、Φ PSII、qP
均呈下降趋势, 在随后的恢复阶段又有所恢复。Fo
是初始荧光, 其上升表明PSII反应中心失活。(2)高
温强光胁迫下, 喷水处理和Ca2+处理的Fo均呈上升
趋势, 并且随着胁迫时间的延长而上升, 前者上升
幅度大于后者。在随后的恢复阶段, Ca2+处理的Fo
能够恢复到对照水平。(3)在胁迫条件下喷水处理
和 Ca2+ 处理的 Fv/Fm、ΦPSII、qP 均呈下降趋势, 在
随后的恢复阶段又有所恢复, 但两者下降幅度不同,
前者的下降幅度明显大于后者, 并且在随后的恢复
阶段, 后者的各指标均能恢复到对照水平, 前者则
否。方差分析表明, Fo、Fv/Fm、Φ PSII、qP 在各处
理间差异极显著(P值分别为 0.009、0.004、0.0003
和 0.007), 除 qP 外, 其他指标在各处理的不同时间
差异不显著。经邓肯氏新复极差测验表明, Fo 在
对照和Ca2+处理间差异不显著, 这两个处理均与喷
水处理差异显著。
植物生理学通讯 第 45 卷 第 9 期，2009 年 9 月854
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