全 文 ：园 艺 学 报 , 一
〔,
黑暗中脱水对 ‘ 金太阳 ’ 杏离体叶片 和
功能的影响
孙 山‘
·
, 王少敏’ , 王家喜’ , 高辉远 ,
’
’ 山东省果树研究所 , 山东泰安 山东农业大学生命科学学院 山东泰安 , ’ 山东农业大学作物生物
学国家重点实验室 , 山东泰安
摘 要 以 年生 ‘ 金太阳 ’ 杏 ‘ ’ 叶片为试材 , 通过同时测定叶
绿素荧光快速诱导动力学曲线和对 光的吸收曲线 , 分析了黑暗脱水条件下 , 杏叶片光系统
和光系统 功能的变化及相互影响。 结果表明 , 叶片在黑暗中脱水能对光合结构造成严重伤
害
。 黑暗脱水对 供体侧的影响不明显 。 在相对含水量 降到 时 , 快速叶绿素荧光诱导动
力学曲线和 光吸收曲线的形状已有非常明显的变化 , 但对 最大光化学效率 和反映
活性的△ 。 的影响较小。 这说明 大于 时 , 供应电子的能力和 接受电子的能力可
以保持相互匹配 , 即 和 的活性之间是协调的。 低于 时 , 与 之间的上述协调关
系被打破 , △ 的下降早而且大于 的变化 , 表明叶片脱水对 的伤害比 严重。 与
相比 , 以吸收光能为基础的光合性能指数 、 可以较全面地反映两个光系统间光合电子传递的变化。
关键词 杏 脱水 叶绿素荧光 光吸收 光系统
中图分类号 文献标识码 文章编号 一 峨 刃 刁
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收稿 日期 一 一 修回 日期 一 一
基金项 目 国家自然科学基金项 目
通讯作者 , 〔 一
园 艺 学 报 卷
干旱是最常见的逆境之一 , 对植物的主要伤害是通过抑制植物的光合作用造成作物产量下降
, 。 在干旱胁迫下 , 植物叶片发生脱水 , 脱水过程中 , 叶片最早的响应机制是气
孔关闭 , 气孔关闭为轻度和中度干旱胁迫下限制光合作用的主要因子 当叶片严重脱水时 , 一些代谢
途径的抑制就变成光合作用的主要限制因子 , , 。 光合作
用受抑制后 , 叶片吸收的过剩光能增加 , 进而导致过多活性氧的产生和积累。 当这些过量的活性氧不
能被及时清除时 , 就会不可避免地破坏光合机构 , 一 ,
。
光合作用的线性电子传递是由 和 协调作用共同完成 , 因此无论是 还是 受到伤
害 , 或者二者之间的协调性被打破 , 都会导致光合能力的下降。 当 同化能力受到逆境抑制的植物
暴露在光下时 , 的光化学活性经常会主动下调 , 以避免过剩光能对光合机构的伤害
, 。 , 以 。 叶片在黑暗中脱水时 , 由于缺少了光照 , 因而避免了光合电子传
递所介导的活性氧伤害。 在这种条件下 , 脱水是否仍能对光合结构造成严重伤害 , 光合机构中的光系
统 和光系统 之间的协调性在脱水过程是否会破坏 , 脱水对 活性和 活
性哪个影响更大 , 这些都是尚未阐明的问题 。
以往由于受研究手段的限制 , 人们很难同时研究 和 对干旱胁迫的快速响应 。 近些年来 ,
随着研究设备和手段的不断更新和完善 , 人们在探测 结构和功能时 , 可以同时快速地探测
的功能。 利用快速叶绿素荧光测定和分析技术 一 , 可以方便
、
快速和无损伤地分析逆境胁迫
下 的功能变化 , 包括反应中心 、 电子供体侧和受体侧的变化 , 李鹏民
等 , 。 植物对 光的吸收 , 反映了 氧化还原能力的大小 , 因此 , 利用植物对
光的吸收技术可以分析 光化学活性的变化 , , 如果能将上述两个过程同
时测定 , 便可以分析 和 的功能
、 它们对逆境的不同响应以及二者之间的相互作用 。 英国
公司新近开发的
一
就是这样一种可以同时快速测定植物叶片快速叶绿素荧光诱导
动力学曲线和 光吸收曲线的系统。 作者将利用这一技术 , 以杏树叶片为材料研究和 回答以上
提出的问题 。
杏树多栽培于缺少灌溉条件的山区 , 易遭受干旱胁迫。 阐明杏叶
、
功能及光合电子传
递链对叶片脱水的响应 , 对深人理解杏树的抗旱机制 , 以及为杏树抗旱性的遗传改良提供理论依据都
有重要的理论意义 。
材料与方法
试验材料
试材为种植于山东省果树研究所试验场的 年生 ‘ 金太阳 ’ 杏 ‘
’ 叶片。 年 月上旬从长势相似的 株树上用 植物效率分析仪 , 英
国 筛选最大光化学效率相近的枝条顶端的完全展开叶。 选好的叶片从枝条上取下后立 即放人塑料
袋中。
脱水处理
筛选的叶片取下后 , 于 内置人 ℃ 培养箱进行黑暗下 自然脱水处理 。 在处理的
、 、 、
各取样 次 , 进行有关测定 。
相对含水量 《 的测定
用称重法测定叶片相对含水量 , 相对含水量的计算公式如下 二 鲜样质量 一 干样质
量 饱和鲜样质量 一 干样质量 。
期 孙 山等 黑暗中脱水对 ‘ 金太阳 ’ 杏离体叶片 和 功能的影响
快速叶绿素荧光诱导动力学曲线和 对 光吸收动力学曲线的同时测定
分别于叶片脱水处理的
、 、 、 进行测定 时叶片测定前先用叶夹暗适应 巧 。 根据
等 的方法 , 启动 , 英国 的 红光作用光光源 持续时
间 测量叶片的快速叶绿素荧光 一 一 一 曲线 , 同时启动 远红光调制测量光光源 峰
值 , 测定叶片对 光的吸收曲线。
一 一 一 曲线由 林
· 一 ’ · 一 ’的作用光诱导 , 荧光信号记录是从 泌 开始 , 至 结束 ,
记录的初始速率为每秒种 , 个数据。 一 一 一 荧光诱导曲线用 一 , 李
鹏民 等 , 进行分析 , 导出以下荧光参数 最大光化学效率 单位反应中心吸收的
光能 。
· · 甲 点 的相对可变荧光 二 一 。 一
, 捕获的激子将电子传递到电子传递链中超过 、 的其它电子受体的概率 平。 二 。 二
以吸收光能为基础的光合性能指数 、 二
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平
平。 〕。 的光吸收曲线从 泌 开始记录 , 至 结束 , 记录的初始速率为每秒种 了个数据。
以 光吸收的最大值与最小值的相对差值 △ 。 作为衡量 最大氧化还原能力的指标
文中简称为 “ 活性 ” , 。
本试验中所有项 目均重复测定 个不同的叶片。
结果与分析
黑暗脱水过程中叶片相对含水量 的变化
图 表明 , 黑暗脱水过程中杏叶片的相对含水量 随时间的延长而下降 , 开始 内下降
速度较快 , 从对照的 下降到 , 随后缓慢匀速地下降 , 至 脱水结束时降到 。
快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的变化
图 为杏叶片在 ℃下黑暗脱水过程中的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的变化。 在其多相上
升中 , 分别于 、 一 和 处出现 点
、
点和 点。 随着叶片的 下降 , 一 相上升。 当
下降到 后 , 不仅最小荧光 明显上升 , 点的最大荧光 明显下降。
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图 黑暗脱水过程中 ‘ 金太阳 ’ 杏叶片相对含水量 的变化
每个点为 个不同叶片测定的平均值 ,
以下各图
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图 黑暗脱水不同时间后 ‘ 金太阳 ’ 杏叶片快速叶绿素
荧光诱导动力学曲线的变化
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园 艺 学 报 卷
为了进一步阐明叶片脱水过程中 和光合电子传递链的变化 , 以 为基础 , 比较了从快速
叶绿素荧光诱导动力学曲线导出的部分参数 表 。
表 黑暗脱水过程中 ‘ 金太阳 ’ 杏叶部分叶绿素荧光参数和△ 的变化
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从表 可以看出 , 的最大光化学效率 , 随脱水程度的加重而下降 , 但在 下降
到 之前变化不明显 。 同样作为光合活性综合指标的 、 、 , 则比 变化显著
, 随脱水程度的
加重而持续下降。 光合电子传递链中的 一 积累量 , 随脱水程度的加重而逐渐上升 , 而单位反
应中心吸收的光能 未见明显变化。
当 的供体侧受到伤害时 , 叶绿素荧光产量在 点之前会出现 点 照光后大约 脚 处的
特征位点 , 多相荧光 一 一 一 变为 一 一 一 一 , , 但 一 相的上升在
一 一 一
曲线中常被 一 相的上升所掩盖 。
为了观察有无 点的出现 , 我们将 点 、 之前的叶绿素荧光动力学曲线用
、
点的荧光
、
进行了标准化 图 。
从图 可以看出 , 杏叶片黑暗脱水过程中 , 在荧光上升的早期 一 脚 没有明显的差异 ,
即没有出现 点 。
对 光吸收动力学曲线的变化
由图 可以看出 , 在黑暗中脱水的杏叶片 , 红光诱导的 光吸收曲线的形状发生 了明显变
化。 随着脱水程度的加重 , 光吸收的振幅逐渐变小 , 说明 的活性逐渐下降。
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图 黑暗脱水不 同时间后 ‘ 金太阳 ’ 杏叶片快速叶绿素
荧光动力学曲线 一 相的相对可变荧光变化
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图 黑暗脱水不同时间后 ‘ 金太阳 ’ 杏叶片
光吸收曲线的变化
期 孙 山等 黑暗中脱水对 ‘ 金太阳 ’ 杏离体叶片 和 功能的影响
为了阐明叶片脱水过程中两个光系统间的协
调关系和光合电子传递链的变化 , 利用同时测定
的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线和 光吸
收曲线 , 分析了 和 光化学活性在脱水过
程中的相对变化。
从图 可以看出 , 在 下降到 之前 ,
的活性 △ 。 和 最 大量 子效率
均没有明显变化 , 但当 低于
后 , △ 。 开始下降 , 而 在 低于
后才开始下降 , 且 的下降速率小于
△ 的下降速率。 捕获的激子将电子传递到
电子传递链 中超过 、 的其它 电子 受体的概率
平。 , 在 下降到 之前便有明显 的下
降 , 随后基本趋于平稳。
讨论
活性同时受其供体侧和受体侧两方面的
影响。 叶绿素荧光快速诱导曲线中 点的出现是
供体侧放氧复合体 受伤害的一个标
志 , 点的相对变化代表放氧复合体被破坏的程
度。 研究表明 , 随着杏叶片脱水程度的加重 ,
“ 。
图 黑暗脱水过程中 ‘ 金太阳 ’ 杏叶片 、 。 、
物 和 △ 变化率
将脱水处理前的各原始参数当成
, 处理后的各参数换算为
处理前参数的相对值。 脱水处理前的
、
, 、 、
平。
、
△ 值分别为
、 、 , 、 。
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、
、。、 , 平 △ , ,
, ,
几乎没有变化 图 , 即没有 点出现 , 说明黑暗中脱水对杏叶片的 没有造成伤害。 而叶绿素
荧光快速诱导曲线中的 相相对可变荧光 在脱水过程逐渐上升 表 , 表明光合电子传递链
中的 八一 积累增加 , 的相对电子传递能力下降。 的相对电子传递能力不仅与 供体侧对
反应中心的电子供应能力有关 , 而且与 受体侧接受电子的能力有关 , 。
既然 的供体侧在脱水过程中没有受到伤害 , 那么在叶片脱水过程中 一 的大量积累就表明
的受体侧电子传递链受到了抑制 , 它可能是由受体侧的电子传递体的活性下降造成的 , 也可能是由
活性下降被动造成的。 叶片对 光的吸收 △ 。 反映了 反应中心 的最大氧化
还原能力 , , 在脱水过程中 △ 的下降 , 说明 的活性受到抑制 。
一些研究表明 , 叶片在光下脱水对光合电子传递链 , 特别是 最大量子效率 影响
不大 , 铭 , 。 本研究也表明 , 当杏叶片相对含水量
高于 时 , 叶片黑暗中脱水对 的影响较小 , 但 的活性 △ 对叶片脱水的敏感程
度要显著大于 表
、
图 。
只反映 反应中心对吸收光能的捕获效率 , 它无法反映整个电子传递链特别是 、下游
的电子传递链对叶片脱水的响应 而光合性能指数 、 、 , 不仅反映 反应中心对吸收光能的捕
获效率 , 还反映了 有活性反应中心的数 目以及电子在 和 之间传递的能力
, , 李鹏民 等 , , 所以 可 以更全面地反映整个光合电子传递链的变化。 本研
究结果显示 , 在脱水初期 , 当 下降到 之前 , 最大量子效率
、 单位反应中心
吸收的光能 和 的活性 △ 。 均没有明显变化 , 只有 平。 下降 图 , 说明 , 脱
水初期光合性能 、 的下降主要是由 的受体侧电子传递体包括 、 的活性下降所引起的 表 。
但当 低于 后 , 平。 变化不大 , 的下降迟于且小于 △ 的下降速率 , 而 、 随
着 △ 的下降而持续下降。 说明黑暗中叶片脱水不仅仅影响了 反应中心对吸收光能的捕
获效率和 受体侧电子传递链的活性 , 叶片的进一步脱水也可显著地抑制 的活性 图 。 如
果 活性的下降 , 导致 向 的电子传递受阻 , 造成 厂增加 , 这些因素均会进一步抑制
及其受体侧的电子传递体的活性。 根据本文的结果 , 我们推测当叶片 低于 后 , 的活
性下降是导致光合性能指数进一步下降的主要原因。
综上所述 , 杏叶片在黑暗中脱水 , 虽然避免了光合电子传递所介导的活性氧产生 , 但仍能对光合
机构造成严重伤害。 在 降到 之前 , 光合性能已下降 , 但 最大量子效率和 的活性
均没有明显变化 , 表明此时光合机构中的光系统 供应电子的能力和光系统 接受电子的能力仍能相
互匹配 , 即 和 的活性之间是协调的。 随着脱水程度的进一步加重 , 两光系统之间的协调性
被破坏 , 的活性开始直线下降 , 导致 最大量子效率和光合性能的进一步下降 , 表明黑暗脱
水对杏叶 活性的影响更大 , 黑暗中严重脱水对 的伤害是造成 受体侧电子传递链活性受
抑 、 导致光合性能大幅度下降的主要原因 。
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高辉远 快速叶绿素荧光诱导动力学分析在光合作用研究中的应用 植物生理 与分子生物学学报
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