全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月 459
低磷和高照度光下两种不同磷效率玉米幼苗的几种光合参数变化
陶佩琳，连丽君，张可炜 *
山东大学生命科学学院，济南 250100
提要：以完全培养液(HP，1 000 µmol·L-1 KH2PO4)培养 15 d的玉米自交系KH5 (磷高效)和 SD502 (磷低效)幼苗转入低磷
(LP，5 µmol·L-1 KH2PO4)条件下培养 20 d后，检测叶中几种与光合作用有关参数的结果表明，低磷下两自交系玉米叶中
无机磷含量、植株生物量和叶片的净光合速率(Pn)均下降，KH5的降幅小于SD502。两自交系玉米叶片以高照度光(1 600
µmol·m-2·s-1)照射 1 h后，叶片的 PSII实际光化学效率(ΦPSII)、PSII最大光化学效率(Fv/Fm)和表观光合电子传递速率(ETR)
均下降，而初始荧光(Fo)、非光化学猝灭(NPQ)和天线热耗散(HDR)均升高。在强光胁迫过程中，玉米幼苗叶片发生光抑
制，自交系 SD502在低磷下的光抑制比KH5严重。
关键词：玉米；耐低磷；光合作用；叶绿素荧光；光抑制
Changes in Some Photosynthetic Parameters of Maize Inbred Lines under
Strong Light and Low Phosphorus Level
TAO Pei-Lin, LIAN Li-Jun, ZHANG Ke-Wei*
School of Life Science, Shandong University, Jinan 250100, China
Abstract: Maize inbred lines KH5 (Pi efficient) and SD502 (Pi inefficient) were grown in high phosphate (HP,
1 000 µmol·L-1 KH2PO4) nutrient solution for 15 d, then half of seedlings continued to grow in HP condition and
the other were cultured in low phosphate (LP, 5 µmol·L-1 KH2PO4) nutrient solution for 20 d. Several photosyn-
thetic parameters of the two hydroponic maize inbred lines were measured at seedling stage under two different
phosphate levels. The results indicated that low-phosphorus stress decreased the content of inorganic phospho-
rus in leaves of two maize inbred lines, biomass of maize seedlings and net photosynthetic rate (Pn). The extent
of decline of KH5 was less than that of SD502. When leaves of two maize inbred lines were luminated with
strong light (1 600 µmol·m-2·s-1) for 1 h, actual PSII efficiency (ΦPSII), the maximum PSII efficiency (Fv/Fm) and
the apparent photosynthetic electron transport rate (ETR) declined while initial of yield (Fo), non-photochemical
quenching coefficient (NPQ) and hot dissipation of antenna (HDR) increased. During strong light stress,
photoinhibition occurred in leaves of maize seedlings; and it was more significant in SD502 than in KH5.
Key words: maize (Zea mays); low-phosphorus tolerance; photosynthesis; chlorophyll fluorescence;
photoinhibition
收稿 2008-02-18 修定 2008-05-06
资助 山东省自然科学基金(Y 20 04D 04 )和国家“8 63”计划
(20 01 AA24 10 51、2 00 6AA1 0A10 7)。
* 通讯作者( E -m a i l：Z h a n g k w @ s d u . e d u . c n；T e l：
0 53 1-88 3 64 81 5)。
磷在光合同化力形成和 Calvin循环中的作用
是不言而喻的。Starck等(2000)报道，磷饥饿下
番茄(Lycopersicon esculentum Miller)的净光合速率
(Pn)、气孔导度(Gs)和 PSII最大光化学效率(Fv/Fm)
下降，供磷可以恢复光合作用和气孔导度，Fv/Fm
也有轻微提高。陈屏昭等(2003)也报道，温州蜜
柑(Citrus unshiu Marcov.)经不同程度磷胁迫处理
后，其净光合速率(Pn)、光呼吸速率(Pr)、表观
量子效率(apparent quantum efficiency，AQY)、羧
化效率(carboxylation efficiency，CE)、最大荧光
(Fm)、光化学效率(Fv/Fm)、表观光合电子传递速
率(electron transport rate，ETR)均下降，但光呼
吸 /光合比(Pr/Pn)和初始荧光(Fo)升高。低磷条件
下温州蜜柑叶片中无机磷含量、Rubisco活性、
RuBP再生速率、AQY、Fv/Fm、ETR 均下降，
光系统 II反应中心可逆失活，但叶中叶绿素含量
受到的影响不显著(郭延平等 2002)。Hernández等
(2007)的研究表明，缺磷菜豆(Phaseolus vulgaris
L . )叶片的最大净光合速率是磷供应充足下的
60%，这与他们测得的叶片中磷含量下降，影响
Rubiso和果糖 -1,5-二磷酸的再生，进而光合作用
植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月460
受抑程度加大的结果相一致。J acob 和 Lawlor
(1991)认为低磷导致光合速率下降是由于磷素不足
影响了代谢过程，气孔导度的下降不是主要原
因。低磷还影响同化力的形成、Calvin循环中酶
的活性、RuBP的再生以及同化物的运输(于海秋等
2005)。可见，低磷胁迫对作物生长发育和光合
作用是有影响的，所以研究低磷对作物光合作用
的影响很有意义。本文以 2个磷效率不同的玉米
自交系为材料，测定了不同供磷水平下两者叶片
的叶绿素荧光和光合参数，比较低磷胁迫下不同
磷效率玉米在光能转化和利用上的差异，为进一
步探讨耐低磷玉米自交系的耐低磷机制建立基础。
材料与方法
材料为玉米(Zea mays L. )自交系 KH5和
SD502。前者为磷高效玉米(李绍长等 2004)，由
山东省种子站提供。后者是我们实验室通过以下
途径获得的：采用细胞工程技术得到不同低磷耐
受性植株(张可炜等 2000)，子一代经过砂培和多
代自交筛选获得磷低效自交系 SD502。
选取大小均一的玉米种子，以 70%的酒精和
0.1%的升汞灭菌，用无菌水冲洗干净后放在人工
气候箱中(28 ℃)育苗。种子萌发至胚根突破种皮
大约 1.5 cm时以培养液培养。基础营养液组成含
(Li等 2007) ：2 mmol·L-1 Ca(NO3)2·4H2O、1.25
mmol·L-1 NH4NO3、0.1 mmol·L-1 KCl、0.65
mmol·L-1 K2SO4、0.65 mmol·L-1 MgSO4、10.0
mmol·L-1 H3BO3、0.5 mmol·L-1 (NH4)6Mo7O24、1.0
mmol·L-1 MnSO4、0.1 mmol·L-1 CuSO4·5H2O、1.0
mmol·L-1 ZnSO4·7H2O、0.1 mmol·L-1 Fe-EDTA。
设 2个磷水平：低磷(LP，5 µmol·L-1 KH2PO4)与
高磷(HP，1 000 µmol·L-1 KH2PO4)。LP的营养液
以KCl补足K+的浓度，即与HP营养液中的K+浓
度相同。营养液的起始 pH值为 6.0±0.1，每 3 d
更换一次营养液。玉米生长条件：温度 25 ℃/18
℃ (昼 /夜)，光照强度(PFD) 800 µmol·m-2·s-1，光照
时间为 13.5 h·d-1。每处理重复 6次，每盆 2株苗。
植株在完全培养液中培养 15 d后分组培养(LP组和
HP组)，分组培养 20 d后开始取材测定相关指标。
取生长 35 d的玉米植株，冲洗干净，根和
地上部分别置于 80 ℃烘箱中烘干至恒重后，测定
植株生物量。叶中无机磷含量测定按 A r t h u r
(1989)文中的方法。全磷含量测定用H2SO4-H2O2
消煮后，以钼锑抗比色法测定(鲍士旦 2002)。叶
中叶绿素的提取和测定参考Arnon (1949)的方法。
Pn-PFD响应曲线用GFS-3000便携式光合仪
(Walz，Effeltrich，Germany)测定。采用可调式
光源在叶室温度为 25 ℃下按光照强度值 2 000、
1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、
400、200、100、50、0 µmol·m-2·s-1的顺序作
Pn-PFD响应曲线，用玉米第 3全展开的叶片，测
定位置与测定叶绿素荧光参数和无机磷的位置一致。
同时记录在光照强度为 1 600、1 400、1 200、1 000
µmol·m-2·s-1时叶片的气孔导度(Gs，单位mmol·m-2·s-1)、
细胞间隙 CO2浓度(Ci，单位 µmol·m-2·s-1)和大气
CO2浓度(Co，单位 µmol·m-2·s-1)，并计算气孔限
制值(Ls=1-Ci/Co) 。
将植株置于光下，叶片平展于人工气候室中
(25 ℃)在 1 600 µmol·m-2·s-1光照强度下照射 1 h。
测定叶片净光合速率的同一位置上用便携式调制叶
绿素荧光仪 P AM -2 10 0 ( Wa lz，E ffe l t r i ch，
Germany)测定荧光参数。PSII最大光化学效率 Fv/
Fm=(Fm-F o) /Fm，式中，Fm为最大荧光，Fv为
可变荧光，Fo为初始荧光(Genty等 1989)。用于
电子传递的光能占叶片所吸收光能的比例，即
PSII实际光化学效率按Φ PSII=(Fm-Fs)/Fm计算，
式中，Fm为光适应条件下的最大荧光，Fs为稳
态荧光。通过 PSII的电子传递速率 ETR=Φ PSII×
PFD×0.5×0.84，式中，PFD为光量子通量密度。
非光化学猝灭 NPQ=(Fm-Fm) /Fv；天线热耗散
HDR=(1-Fv/Fm)×PFD×0.5×0.84，式中，Fv为光
适应条件下的可变荧光(Demmig-Adams和Adama
1992)。在进行高强度光处理之前，将植株置于
暗处 30 min以上以获得其完全暗适应后的 Fv/Fm
值；强光处理过程中的Fv/Fm值，在暗适应 5 min后
测定。测定条件为：作用光强度为 800 µmol·m-2·s-1，
与培养材料时的光强度一致，饱和光强度为12 000
µmol·m-2·s-1，环境温度为(25±1) ℃。数据用 SPSS
11.5软件统计分析，用 SigmaPlot 9.0软件绘图。
结果与讨论
1 低磷水平下玉米幼苗生物量、叶中叶绿素和磷
含量的变化
磷水平影响自交系KH5和SD502干物质的积
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累，低磷下KH5和SD502苗期生物量均有不同程
度的降低。在同一水平磷的条件下KH5的干物质
积累量显著高于 SD502，表明KH5更能有效利用
环境中的磷素。玉米苗期的相对生物量可衡量植
株对磷的敏感程度。KH5 的相对生物量稍高于
SD502，说明其对磷营养的敏感性比 SD502稍
低。磷水平又影响玉米植株中磷含量。低磷下
KH5和 SD502植株的磷含量和叶片的无机磷含量
下降，与各自的高磷处理相比达到显著水平(P<
0.05)。相同水平磷下，KH5的植株含磷量和叶
中无机磷含量显著高于 SD502，表明KH5可能有
较强的从环境中获取磷的能力(表 1)。低磷下KH5
和 SD502的叶绿素 a、b及总的叶绿素含量与高磷
处理下相比均有不同程度的升高。低磷胁迫下自
交系 SD502的叶绿素含量高于KH5，这也与低磷
胁迫下生长到35日时SD502底部叶片边缘呈紫红
色，其它叶片呈暗绿色的现象相一致。
2 低磷水平下玉米叶片的净光合速率变化
与高磷相比，低磷下玉米叶片的净光合速率
(Pn)和光饱和点显著下降(图 1)。在 340 µmol (CO2)·
图 1 不同光强对不同磷水平下生长的玉米叶片 Pn、C i、Gs和 Ls的影响
Fig.1 Effects of different light intensities on Pn、Ci、Gs、Ls in leaves of maize at different phosphorus levels
数据为平均 ± S D，n = 5。下图同此。
表 1 低磷对玉米幼苗的生物量、叶绿素含量以及叶中无机磷和植株磷含量的影响
Table 1 Effects of low phosphorus on biomass, chlorophyll contents, inorganic phosphorus
contents in leaves and phosphorus contents in plant of maize seedlings
自交系 处理
生物量 叶绿素含量 /mg·g-1 (FW)
植株中磷含量 / 叶片无机磷含量 /
mg·分株 -1 mg·g-1 (DW) 植株生物 相对生 叶绿素 a 叶绿素 b 总叶绿素
量 /g (DW) 物量 /%
KH5 低磷 1.93±0.04c 78.78 1.70±0.15b 0.57±0.04b 2.27±0.20b 17.24±2.15c 0.27±2.35×10-2c
高磷 2.45±0.12a 100.00 1.27±0.07d 0.44±0.05c 1.71±0.19c 51.46±3.21a 0.46±2.98×10-2a
SD502 低磷 1.14±0.02d 50.67 1.91±0.23a 0.67±0.11a 2.58±0.44a 10.86±1.83d 0.14±2.69×10-2d
高磷 2.25±0.01b 100.00 1.47±0.08c 0.53±0.06b 2.20±0.26b 36.38±2.63b 0.32±2.66×10-2b
植株生物量为 2 株之和，为 3 次重复的平均值。同一处理中不同的小写字母表示差异达到 5% 显著水平。
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mol-1和低磷条件下，KH5和SD502的光饱和点和
最大净光合速率分别为 1 400 µmol·m-2·s-1、16.03
µmol (CO2) m-2·s-1 和 1 200 µmol·m-2·s-1、14.12 µmol
(CO2)·m-2·s-1。同一处理下 KH5的光合速率大于
SD502，与KH5有较大干物质积累量的结果(表1)
一致。低磷处理使KH5和SD502叶片的气孔导度
(Gs)降低，细胞间隙 CO2浓度(Ci)增加，气孔限制
值(Ls)降低(图 1)。在同等处理条件下，KH5和
SD502叶片的 G s、C i、L s差异均不显著。根据
Farquhar和 Sharkey (1982)提出的气孔限制值分析
的观点，低磷下KH5和SD502叶片净光合速率的
降低可能是非气孔因素。推测原因可能是在磷胁
迫下，参与光合碳同化的酶类活性受到抑制，进
而影响叶片的净光合速率。因为磷的缺乏不仅会
通过ATP供应不足来影响磷酸甘油酸(PGA)的还原
和 RuBP的再生，使光合作用减慢，而且会通过
PGA的积累导致叶绿体间质 pH降低。低 pH会使
Rubisco和磷酸核酮糖激酶等多种参与光合卡尔文
循环的酶活性降低，从而降低叶片的光合速率
(Sharkey等1986)。低磷条件下KH5叶片的无机磷
含量显著高于 SD502 (表 1)，这可能是KH5净光
合速率速度受到较小影响的原因之一。
3 低磷水平下玉米叶片的PSII光化学效率(Fv/Fm)
变化
低磷下KH5和SD502的第 3全展叶片用强光
处理 1 h后，其叶片的PSII最大光化学效率(Fv/Fm)
大幅度下降，处理结束时，KH5和 SD502的 Fv/
Fm值分别为0.527和0.478 (图2)。这说明玉米KH5
和 SD502叶片发生了较为严重的光抑制。在光抑
制条件(1 h)下，KH5的 PSII光化学效率(Fv/Fm)下
降 27.78%，而SD502下降 41.78%。KH5和SD502
的初始荧光(Fo)在整个处理过程中是上升的，高
照度光处理 1 h后，KH5的 Fo升高 15.37%，而
SD502升高 18.51%。一般认为，Fo升高与 PSII
反应中心的D1蛋白质的失活或降解有关(Krause和
Weis 1991；Yamane等 1997)，这表明 PSII反应
中心的可逆失活很可能是玉米叶片的一种有效光保
护机制(Xu和Wu 1996)。Fv/Fm下降，Fo上升，
是植物发生光抑制的可靠指标(杨广东等 2002)。
低磷下SD502的Fv/Fm下降幅度和Fo上升幅度均高
于KH5，表明 SD502受光抑制的程度比KH5重，
KH5对高照度光的适应能力优于 SD502。KH5在
低磷环境中获取磷的能力强可能是其发生光抑制较
SD502为轻的原因。
4 低磷水平下玉米叶片PSII实际光化学效率(ΦPSII)
和ETR的变化
随着高照度光处理时间的延长，用于电子传
递的能量占 PSII所吸收光能的比例Φ PSII逐渐下
降，通过 PSII反应中心的表观光合电子传递速率
(ETR)也明显降低，表明光抑制程度加重(图 3)。
Φ PSII越高，意味着PSII光化学反应所利用的光能
就越多，同时表明过剩的光能越少，因此光抑制
程度越小。在低磷条件下，KH5的Φ PSII和 ETR
均高于 SD502，高照度光处理 1 h后，KH5和
SD502的Φ PSII分别下降 19.19%和 45.39%；ETR
分别下降 43.41%和 64.27%。表明低磷下KH5的
光能转换和电子传递效率高于 SD502，且受低磷
的影响较小。低磷条件下SD502的ΦPSII和ETR均
比KH5低，在高照度光下SD502发生的光抑制程
度更大，这种差异可能是它们耐低磷的能力不同
所造成的。
5 低磷水平下玉米叶片能量耗散的变化
高照度光下，玉米叶片的非光化学猝灭
(NPQ)明显增加，在低磷条件下，KH5和 SD502
图 2 高照度光对不同磷水平下生长的玉米叶片 Fv/Fm和 Fo的影响
Fig.2 Effects of strong light on Fv/Fm and Fo in leaves of maizes at different phosphorus levels
植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月 463
的NPQ由处理前的0上升到处理结束时的1.5和2.5
左右，表明玉米叶片通过热耗散途径消耗过剩光
能的作用是加强的。天线热耗散(HDR)也大幅度
增加，KH5和SD502在低磷下分别由0上升到150
µmol·m-2·s-1和 250 µmol·m-2·s-1。这表明高照度光
照射过程中NPQ和HDR都起到有效耗散过剩能量
的作用，因而通过非辐射能量耗散途径散失过剩
激发能的作用加强。在高照度光条件下，NPQ的
热耗散作用是保证植物光合器官降低受光抑制程度
和免受光氧化破坏的有效途径。低磷条件下，自
交系 SD502叶片耗散的过剩能量较自交系 KH5
高，因而用于光化学反应的份额减少，用于光合
作用的能量低于KH5，这与KH5叶片的净光合速
率高于 SD502的结果相一致。
综上所述可以得出以下结论：(1)磷缺乏导致
玉米叶片光合速率和光饱和点下降。 (2)缺磷的玉
米叶片最大光化学效率(Fv/Fm)下降，Fo增加，揭
示 PSII反应中心发生可逆(或 /和不可逆)的破坏，
高照度光下缺磷玉米叶片发生较严重的光抑制。
(3)缺磷玉米叶片的ΦPSII和通过PSII反应中心的表
图 3 高照度光对不同磷水平下生长的玉米叶片Φ PSII和 ETR的影响
Fig.3 Effects of strong light on Φ PSII and ETR in leaves of maizes at different phosphorus levels
观光合电子传递速率(ETR)均明显下降，因而导
致光抑制的程度加重。(4)缺磷的玉米叶片非光化
学猝灭(NPQ)和天线热耗散(HDR)均大幅度增加，
高照度光下NPQ和HDR均起有效耗散过剩能量的
作用，因而通过非辐射能量耗散途径散失过剩激
发能的作用加强。(5) KH5和 SD502叶片净光合速
率降低的原因可能是非气孔因素。低磷对玉米自
交系KH5和SD502幼苗叶片光合参数影响的差异
可能与二者叶片中无机磷含量的不同有关。
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图 4 高照度光对不同磷水平下生长的玉米叶片能量耗散的影响
Fig.4 Effects of strong light on energy dissipation in leaves of maize at different phosphorus levels
植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月464
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