全 文 :书温度胁迫对柱花草叶绿素荧光参数
和光合速率的影响
莫亿伟1,郭振飞2,谢江辉1
(1.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所,广东 湛江524091;2.华南农业大学生命科学学院,广东 广州510642)
摘要:为了探讨柱花草对不同温度的适应机制,以播种后40d的幼苗为试验材料,在光照培养箱内分别用高温
(36℃)处理5d,低温(6℃)处理2d,并以常温(25℃)处理5d为对照,测定光合速率及叶绿素荧光参数等相关指标
在不同温度胁迫下的变化。结果表明,低温处理2d,叶绿素荧光参数的最大光化学效率(Fv/Fm)、光系统Ⅱ电子
传递量子效率(ФPSⅡ)、光化学猝灭系数(qP)和非光化学猝灭系数(NPQ)、叶片光合速率、叶片ATP含量及RuBP
case和FBPase活性显著降低;而高温处理5d对其光合效率没有产生明显的抑制作用。在温度胁迫条件下,足够
的ATP供应对保证柱花草的光合能力是有必要的。
关键词:柱花草;温度胁迫;叶绿素荧光参数;光抑制;光合速率
中图分类号:S541;Q945.78 文献标识码:A 文章编号:10045759(2011)01009606
温度是影响植物生长的重要环境因子之一,不适的温度条件势必会影响植物的光合效率[1],遭受温度胁迫时
更易发生光抑制现象。最大光化学效率(Fv/Fm)是表示叶绿体光系统Ⅱ(PSⅡ)受到伤害的指标,对环境胁迫较
为敏感[2,3],其大小可反映植物PSⅡ受伤害的程度[4];PSⅡ光合电子传递量子效率(ФPSⅡ)反映了植物吸收的光
子供给PSⅡ反应中心的效率,Fv/Fm与ФPSⅡ有很高的相关性,两者都可作为研究植物光抑制的一种快速的、非
损伤性的指标[5]。Masahiko等[6]发现,抗热性越强的植物,在高温胁迫下就越能保持较高的Fv/Fm值。当植物
在环境胁迫条件下发生光抑制时,不但影响叶绿素的各项荧光参数,还进一步影响了光能转化为电势能的能力,
使叶绿体光合链上电子传递速率受到抑制,光合电子传递速率(electrontransportrate,ETR)变小[7,8]。同时,温
度胁迫还可能导致光合作用暗反应中CO2 同化的关键酶1,5二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPcase)活性受到影响[9],
导致植物净光合速率降低,如棉花(犌狅狊狊狔狆犻狌犿spp.)幼苗受到低温处理2d,就发现叶片的Fv/Fm、RuBPcase和
果糖1,6二磷酸酯酶(FBPase)的活性及光合速率都发生显著性地下降[10],其原因主要是植物处于高于或低于
最适的温度时,光合色素吸收过多的能量而不能及时被利用[11],使光反应中心过分的活化导致光抑制的发生,直
接降低了电子传递速率等,最终影响了光合速率[1]。
柱花草(犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊)是热带地区重要的豆科牧草,具有茎叶产量高、草品质好、耐旱、耐酸性瘦
土的特点,广泛用于青饲料、草粉生产、放牧、水土保持、果园覆盖和绿肥作物等。但其对低温胁迫较为敏感,易发
生冷害,严重制约了它的种植范围。柱花草喜热带潮湿气候,适合在年均气温19~25℃,年均降水为1000mm
的地区种植。在温度、降水量和日照3个气象因子中,温度因子对柱花草生长和产量的影响最大。我国华南地区
大部分地处亚热带,冬季时常有低于10℃寒流袭击,这严重危害柱花草的越冬,甚至引起植株的死亡,因此冷害
是柱花草栽培过程中存在的主要问题之一。在柱花草抗寒研究中,周碧燕和郭振飞[12]、Zhou等[13]发现低温处理
前喷施适量的外源脱落酸(abscisicacid,ABA)能够提高叶片内源ABA的含量,也诱导了柱花草抗氧化酶的活性
和抗氧化物质含量的增加,提高其抗寒性,虽然前人在柱花草品种间的分子标记[14]、抗寒突变体筛选[15]、抗病
性[16]以及低温胁迫后对环境适应性已做过一些相关的研究[17]。但是在温度胁迫环境下,柱花草发生光抑制的同
时如何影响其光合速率的还未见报道,本试验以柱花草为试验材料,探讨温度胁迫对其叶绿素荧光参数变化和光
合速率的影响。
96-101
2011年2月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第20卷 第1期
Vol.20,No.1
收稿日期:20100419;改回日期:20100820
基金项目:海南省自然科学基金项目(309053)资助。
作者简介:莫亿伟(1971),男,广西融安人,副研究员,博士。Email:ywmo@163.com
1 材料与方法
1.1 材料种植
柱花草品种:热研4号。浸种12h后用泥炭土盆栽试验,每周用1/2Hoaglands营养液浇灌1次,每2d浇
水1次,在自然光照条件下生长。试验分别于2005年和2006年的10-12月份在华南农业大学校内玻璃温室内
进行,处理前柱花草种植的环境昼夜温度为23/19℃~26/21℃。选取播种40d后生长一致的柱花草幼苗,分成
3组,每组3个重复,在光照培养箱内分别用高温(36℃)处理5d,低温(6℃)处理2d,并以常温(25℃)处理5d为
对照,各处理的光照强度均为400μmol/(m
2·s),相对湿度保持在80%~85%,处理结束后,选取植株的倒2片
叶和倒3片叶为测试材料。
1.2 测定方法
参照王国莉和郭振飞[18]的方法采用FMS1便携调制式荧光仪(英国 Hansatech公司)测定叶片最大光化学
效率(Fv/Fm)、光系统Ⅱ电子传递量子效率(ΦPSⅡ)、光化学猝灭系数(qP)和非光化学猝灭系数(NPQ);用
LI6400测定净光合速率,叶室光强控制在800μmol/(m
2·s),测定时叶室为2×3cm,叶室光强为800μmol/
(m2·s),叶室温度为25℃,叶室气体流速为500μmol/(m
2·s),气孔比率为2,测得值为净光合速率(μmol/
m2·s);用氧电极测定叶片光合放氧速率[19],用中国科学院上海植物生理研究所生产“生物ATP含量测定试剂
盒”利用荧光素酶———荧光素发光法测定叶片 ATP含量[19];参照现代植物生理学实验指南的方法测定叶片
RuBPcase和FBPase活性[20];用考马斯亮兰法测定蛋白质含量[19]。
1.3 统计分析
所有的试验重复2年,每年重复3次,试验结果用平均值±标准差表示,用SPSS13.0软件进行方差分析,采
用最小显著差数法(LSD法),显著性水平为犘=0.05,不同的小写字母表示差异显著。
2 结果与分析
2.1 温度胁迫对柱花草叶绿素荧光参数Fv/Fm,ФPSⅡ,qP和NPQ的影响
Fv/Fm的大小是表示PSⅡ受伤害的程度。6℃低温处理柱花草2d,Fv/Fm值与对照相比下降了13.2%,
达显著性差异;而高温处理5d,只比对照下降了2.2%,与对照没有显著性差异(表1)。Fv/Fm值下降说明柱花
草受低温胁迫后发生严重的光抑制。ΦPSⅡ反映了光合链上电子传递的速率,低温处理2d,ΦPSⅡ的值比对照下降
了23.7%,达显著差异水平,而高温处理5d,ΦPSⅡ的值与对照相比,差异不显著(表1)。
表1 温度胁迫对柱花草叶绿素荧光参数犉狏/犉犿,Ф犘犛Ⅱ,狇犘和犖犘犙的影响
犜犪犫犾犲1 犈犳犳犲犮狋狅犳狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊狋狉犲狊狊狅狀犉狏/犉犿,Ф犘犛Ⅱ,狇犘犪狀犱犖犘犙犻狀犛.犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊犾犲犪狏犲
处理类型Treatmenttype Fv/Fm ФPSⅡ qP NPQ
对照Control 0.85±0.02a 0.76±0.01a 0.93±0.01a 0.29±0.02b
低温处理Lowtemperaturestress 0.77±0.04b 0.58±0.05b 0.71±0.11b 0.31±0.05b
高温处理 Hightemperaturestress 0.83±0.02a 0.73±0.02a 0.91±0.02a 0.40±0.09a
注:数值用平均数±标准差表示,同列不同的字母表示差异性显著(犘≤0.05)。下同。
Note:Valuesaremean±standarddeviation,meanswiththediferentlettersintheeachcolumnaresignificantdifferenceat犘≤0.05.Thesamebelow.
qP表示叶绿素吸收的光能用于光化学反应的大小,它的大小也可表示PSⅡ将光能转变为电势能的能力,低
温处理2d,qP比对照下降了23.8%,达显著性差异,而36℃的高温处理5d,只比对照下降了2.6%(表1)。
NPQ是非光化学荧光淬灭系数,它的大小表示叶绿体吸收来的光能以热能形式散去的部分。在强光条件下它对
保护PSⅡ的结构有重要的作用。低温处理2d,与对照相比没有显著性的差异,而高温处理5d,NPQ的值增加,
与对照相比达显著性差异(表1)。
2.2 温度胁迫对柱花草叶片光合放氧速率的影响
光合作用释放的氧来源于叶绿体PSⅡ端的光合放氧复合体对水的光解。结果表明,36℃高温处理5d,对柱
79第20卷第1期 草业学报2011年
花草叶片的光合放氧速率影响较小,光合放氧速率保持在14.23mmolO2/(gFW·h),只比对照下降了6.0%。
而6℃的低温处理2d,叶片光合放氧速率已下降到3.67mmolO2/(gFW·h),比对照下降了75.8%,差异极显
著(表2)。说明低温胁迫严重影响柱花草叶片的光合放氧速率。
2.3 温度胁迫对柱花草叶片ATP含量的影响
6℃的低温处理2d,柱花草叶片ATP含量比对照下降了62.9%,达显著性差异,而36℃的高温处理5d,与
对照相比仅下降了19.1%,差异不显著(表2)。说明高温对柱花草叶片的ATP含量影响较少,而低温胁迫对柱
花草叶片ATP含量影响较大。
表2 温度胁迫对柱花草叶片光合放氧速率、犃犜犘含量、犚狌犅犘犮犪狊犲活性、净光合速率和犉犅犘犪狊犲活性的影响
犜犪犫犾犲2 犈犳犳犲犮狋狅犳狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊狋狉犲狊狊狅狀狆犺狅狋狅狊狀狔狋犺犲狋犻犮狉犲犾犲犪狊犲犗2狉犪狋犲,犃犜犘犮狅狀狋犲狀狋,犚狌犅犘犮犪狊犲犪犮狋犻狏犻狋狔,
狀犲狋狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狊犻狊狉犪狋犲犪狀犱犉犅犘犪狊犲犪犮狋犻狏犻狋狔犻狀犛.犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊犾犲犪狏犲狊
处理类型
Treatmenttype
光合放氧速率
Photosyntheticrelease
O2rate
(mmolO2/gFW·h)
ATP含量
ATPcontent
(nmol/gDW)
RuBPcase活性
RuBPcaseactivity
(μmolCO2/mg
蛋白Protein·min)
净光合速率
Netphotosynthesis
rate
(μmolCO2/m2·s)
FBPase活性
FBPaseactivity
(μmolPi/mg
蛋白Protein·h)
对照Control 15.15±1.13a 249.38±37.64a 6.86±1.03a 15.63±2.46a 0.39±0.05a
低温处理Lowtemperaturestress 3.67±0.58b 127.68±57.47b 3.34±0.52b 7.74±1.27b 0.08±0.03c
高温处理 Hightemperaturestress 14.23±0.27a 209.74±28.28a 6.07±1.43a 12.79±2.33a 0.24±0.05b
注:Pi为无机磷。
Note:Piisinorganicphosphorus.
2.4 温度胁迫对柱花草叶片RuBPcase活性的影响
当6℃的低温处理2d,柱花草叶片RuBPcase活性已比对照下降了51.4%,差异达显著性水平,而36℃的高
温处理5d,其活性只比对照下降11.6%,没有达到显著性差异(表2)。说明柱花草叶片的RuBPcase活性对低
温胁迫较为敏感,而对高温胁迫具有较强的耐受性。
2.5 温度胁迫对柱花草净光合速率的影响
6℃的低温处理2d,它的净光合速率比对照下降了50.5%,达显著性差异。而36℃高温处理5d后,叶片仍
然保持绿色,光合速率虽然略有下降,仍保持在对照的91.2%(表2)。说明低温胁迫柱花草对它的光合速率影响
较大。
2.6 温度胁迫对柱花草叶片FBPase活性的影响
FBPase是卡尔文循环中的一个重要调节酶,它催化1.6二磷酸果糖(FBP)转变为6磷酸果糖(F6P)的反
应,该酶直接影响到碳水化合物的累积和光合效率。低温对柱花草叶片的FBPase活性影响较大,因为低温处理
2d,叶片FBPase的活性已比对照下降了80.0%,达显著差异。高温处理5d后,叶片FBPase活性比对照下降
38.5%(表2)。说明高温胁迫对柱花草叶片的FBPase活性抑制程度较小,而低温胁迫对FBPase活性抑制很大。
3 讨论
3.1 温度胁迫对叶绿体PSⅡ叶绿素荧光参数和能量转换功能的影响
叶绿素荧光参数的变化能在一定程度上说明植物对温度胁迫的耐受能力,本试验结果表明低温胁迫使柱花
草叶绿体的PSⅡ功能受到严重影响,而高温处理5d对柱花草叶绿素荧光参数影响不大,但是低温胁迫2d却使
柱花草Fv/Fm,ΦPSⅡ和qP值急剧降低,产生了明显的光抑制,说明柱花草耐高温而不耐低温的胁迫。这与Guo
等[3]发现耐高温柑桔(犆犻狋狉狌狊狌狀狊犺犻狌)品种叶片能保持高Fv/Fm和ΦPSⅡ,不耐高温的品种Fv/Fm和ΦPSⅡ明显降
低的结果是一致。发生光抑制的原因是低温使PSⅡ反应中心受到了破坏[21]。
在研究中也发现,柱花草受高温胁迫后NPQ 的值却在明显增加,可能是植物在热胁迫的条件下,通过提高
89 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.1
NPQ来散失光合色素吸收过多的光能,从而降低光抑制产生的伤害。Veerana等[22]在玉米(犣犲犪犿犪狔狊)的研究中
也发现,高温胁迫使玉米叶片Fv/Fm、qP、ΦPSⅡ和光合速率降低的同时通过提高NPQ来散失过多的热量,防止光
合色素吸收过多的光能而来不及利用引起类囊体膜永久性受到破坏,因此在不适宜的温度条件下,NPQ的值增
加对植物是有利的。因此柱花草在高温下提高NPQ的值对其耐受高温具有积极的意义。柱花草可以通过提高
NPQ的值将过多的光能以热能的形式散失掉。
Martin等[23]研究结果也表明,高温破坏了PSⅡ,使大麦(犎狅狉犱犲狌犿狏狌犾犵犪狉犲)PSⅡ的电子供体和电子受体失
活,光合放氧复合体的功能下降,大麦光合放氧速率降低。本研究中,柱花草受低温胁迫发生光抑制后,使光合放
氧速率急剧下降,说明柱花草的光合放氧复合体也受低温伤害。光合放氧复合体位于PSⅡ端,PSⅡ对温度胁迫
最为敏感,但是柱花草耐高温,因此高温胁迫对柱花草光合放氧复合体影响较小。类似的结果已在多种植物的叶
绿体PSⅡ放氧复合体的研究中得到证实[24,25],因此低温使柱花草的净光合速率及光合放氧速率降低,其可能原
因是温度胁迫使PSⅡ功能受到破坏,使光合电子传递速率降低[26]。
3.2 PSⅡ功能受损、ATP供应的能力受阻降低了叶片光合速率
叶片内的ATP由多条途径产生的,其中大部分是由氧化磷酸化产生的,一部分是通过叶绿体光合磷酸化产
生的。本试验发现,当柱花草受低温胁迫后,不但发生了严重的光抑制,同时叶绿体的PSⅡ正常功能受阻,叶片
的ATP含量也降低了。其可能原因是低温胁迫影响了水的光解,也影响了光合链上的电子传递速率,导致光合
磷酸化的质子梯度的形成受损,光合磷酸化合成ATP的能力下降。大量的研究表明,ATP合酶活性的降低取决
于质子梯度的形成[27,28]。当叶绿体内的ATP含量降低时,影响光合作用暗反应所需要光合力的供给,从而影响
柱花草叶片的光合速率。Tang和 Wei[29]研究表明,解偶联剂valinomycin和nigericin处理后,绿藻(犆犺犾犪犿狔犱狅
犿狅狀犪狊狉犲狀犺犪狉犱狋犻犻)的ATP合成能力降低,光合速率也明显降低。而 Wang等[30]研究则表明,低浓度的NaHSO3
能促进光合磷酸化和光合放氧能力,提高犛狔狀犲犮犺狅犮狔狊狋犻狊PCC6803的ATP含量和光合速率。这些研究结果说明
叶片内ATP的供应能力与光合速率是密切相关的。另外,ATP含量降低也可能直接引起RuBPcase活性下降,
因为RuBPcase的活化必须有ATP的参与[31]。本试验也表明低温胁迫2d后,RuBPcase活性显著下降,同时由
于ATP供应不足,导致暗反应不能正常进行,可能是低温胁迫引起光合速率下降的一个主要原因,同时由于低
温使FBPase活性受到明显的抑制,会导致柱花草叶片内的卡尔文(Calvin)循环更新能力下降,最后加快了光合
速率的降低,但柱花草耐高温,所以高温处理5d对其光合能力还是影响不大。
3.3 总结
柱花草在低温胁迫下PSⅡ不能行使正常的功能,导致光抑制的发生,影响叶绿体对光能的吸收和利用,导致
ATP量减少,使暗反应得不到足够的光合力供应,同时低温胁迫降低了其暗反应相关酶的活性,最终导致其叶片
光合速率降低。
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犈犳犳犲犮狋狊狅犳狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊狋狉犲狊狊狅狀犮犺犾狅狉狅狆犺狔犾犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊
犪狀犱狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮狉犪狋犲狊狅犳犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊
MOYiwei1,GUOZhenfei2,XIEJianghui1
(1.SouthSubtropicalCropResearchInstitute,ChineseAcademyofTropicalAgriculturalScience,
Zhanjiang524091,China;2.ColegeofLifeScience,SouthChinaAgricultural
University,Guangzhou510642,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Inordertoexploretheadaptationmechanismsof犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊totemperaturestress,the
responsesofChlorophylfluorescenceparametersandphotosyntheticratesinleavesunderlowandhightemper
aturestresseswerestudied.40daysoldseedlingsweredividedintothreegroupsandtransferredtogrowth
chamberswithdifferenttemperaturetreatments.Thefirstgroupwassubjectedtotemperatureat6℃for2days
aslowtemperaturestress,thesecondgroupat36℃for5daysashightemperaturestress,andthethirdgroup
at25℃for5daysasthecontrol.Theexperimentalresultsshowedthatthechlorophylfluorescenceparameters
(Fv/Fm,ФPSⅡ,qP)andphotosyntheticratesintheleavesof犛.犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊decreasedsignificantlyastreated
withcoldstress,andwerenotaffectedunderheatstress,whichindicatesthatphotosystem Ⅱactivityin犛.
犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊wasmoresensitivetocoldstressthanheatstress.Inaddition,ATPcontentandactivitiesofRuBP
caseandFBPaseintheleavesof犛.犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊werealsodecreasedundercoldstress,butitwasnotaffectedun
derheatstress.Therefore,sufficientATPcontentinleavesperhapscanpreventdecreasingphotosyntheticrate
in犛.犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊leaves.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊;temperaturestresss;chlorophylfluorescenceparameters;photoinhiti
tion;photosyntheticrate
101第20卷第1期 草业学报2011年