全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2007, 34 (1) : 157 - 162
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2006 - 08 - 01; 修回日期 : 2006 - 11 - 273 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: zhjzhu@ zju1edu1cn)
干旱胁迫对转基因 ( PSAG12 2ipt) 非洲菊光合作用
的影响
赖齐贤 1, 2 , 包志毅 1 , 朱祝军 13 , 毛碧增 3 , 钱琼秋 1 , 何　勇 1
(1 浙江大学园艺系 , 杭州 310029; 2 中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所 , 海南儋州 571737; 3 浙江大学生
物技术研究所 , 杭州 310029)
摘 　要 : 采用转基因 ( PSAG12 2ipt) 非洲菊为材料 , 研究干旱胁迫对叶绿素荧光和光合作用的影响。结
果发现 , 随着干旱胁迫加剧 , PSⅡ电子传递量子效率 (ΦPSⅡ)、开放的 PSⅡ反应中心捕获激发能效率
( Fv’/Fm’)、光化学猝灭系数 ( qP)、表观光合电子传递速率 ( ETR ) 都表现出降低的趋势 , 光化学反应
的能量 ( P) 在叶片所吸收的光能中所占的比例也逐渐减少 , 净光合速率 ( Pn)、气孔导度 ( Gs) 也出现
同样下降的趋势。随着干旱胁迫的解除 , ΦPSⅡ、Fv’/Fm’、 qP、ETR、Pn、Gs都显著上升 , 缓慢恢复。
转基因植株与非转基因对照相比 , 叶绿素荧光参数和光合作用参数的变化幅度较小 , 在干旱胁迫下各项参
数下降较慢 , 干旱胁迫结束后各项参数恢复较快。在干旱胁迫和恢复过程中 , P在光能分配中所占的比例 ,
转基因植株大于对照。反应中心由非光化学反应耗散的能量 ( E) 在干旱胁迫过程和恢复过程中没有明显
的变化。
关键词 : 非洲菊 ; 干旱胁迫 ; 光合作用 ; 叶绿素荧光
中图分类号 : S 68211　　文献标识码 : A　　文章编号 : 05132353X (2007) 0120157206
Effects of D rought Stress on Photosyn thesis of Gerbera M od if ied by PSAG12 2ip t
LA IQ i2xian1, 2 , BAO Zhi2yi 1 , ZHU Zhu2jun13 , MAO B i2zeng3 , Q IAN Q iong2qiu 1 , and HE Yong1
(1 D epartm ent of Horticulture, Zhejiang U niversity, Hangzhou 310029, China; 2 Tropical C rops Germ plasm Resource Institu te,
Chinese A cadem y of Tropical A gricu ltura l Sciences, D anzhou, Hainan 571737, Ch ina; 3B iotechnology Institu te, Zhejiang U niversi2
ty, Hangzhou 310029, China)
Abstract: The chlorophyll fluorescence parameters ( actual quantum yield of PSⅡ photochem istry, ΦPS
Ⅱ; quantum efficiency of open PSⅡ reaction centers, Fv’/Fm’; photochem ical quenching coefficient, qP;
electron transport rate, ETR) and photosynthesis parameters ( net photosynthetic rate, Pn; stomatal conduct2
ance, Gs) of the gerbera modified by PSAG12 2ipt were investigated under drought stress. The results showed that
ΦPSⅡ, Fv’/Fm’, qP, ETR, Pn and Gs decreased after drought stress and gradually increased after wate2
ring recovery. However, these decreases caused by drought stress were lower in the modified gerbera than in
the wild type. The modified gerbera showed a higher tolerance to drought stress. The fraction of absorbed light
in photochem istry ( P) decreased under drought stress, but being higher in the modified gerbera than in the
wild type. The fraction of thermal dissipation (D) was increased under drought stress. However, the fraction
of excess energy ( E) was not changed during drought stress and recovery.
Key words: Gerbera; D rought stress; Chlorophyll fluorescence; Photosynthesis
在我国 , 非洲菊 (Gerbera jam eson ii Bolus) 的生产主要采用露地或者简易大棚栽培方式 , 因此常
常受到干旱或者间歇性干旱的影响。
干旱胁迫导致叶片衰老 , 光合作用能力显著下降 (赵丽英 等 , 2004a)。提高抗旱性能 , 延缓因
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干旱引起的衰老是非洲菊育种的方向。
从拟南芥中克隆出的衰老特异性的正调控基因 SAG12 (Lohman et al. , 1994) 作为启动子 PSAG12 ,
与异戊烯转移酶基因 ( ipt) 拼接构成一个具有特异抑制植物衰老功能的融合基因 ( Gan & Amasino,
1995)。
异戊烯转移酶是合成细胞分裂素的关键酶 , 该酶的含量增加后 , 细胞中细胞分裂素的合成量也增
加。在叶片开始衰老时 , 该融合基因中的衰老特异性启动子 PSAG12开始启动 ipt基因表达 , 细胞中细胞
分裂素含量增加 , 从而抑制了叶片的衰老。而细胞分裂素浓度的升高反过来又抑制 SAG12表达 , 限
制细胞分类素的过量合成。转入融合基因 PSAG12 2ipt的番茄 (封碧红 等 , 2003)、白菜 (袁政 等 ,
2002) 等园艺作物种都表现出延缓叶片衰老的特性。
作者探讨了转基因 ( PSAG12 2ipt) 非洲菊在干旱胁迫下光合机构的生理变化。
1　材料与方法
111　植物材料和生长条件
试材为转基因 ( PSAG12 2ipt) 非洲菊 (G. jam eson ii) 植株及其非转基因对照植株。
试验在浙江大学农场温室里进行 , 夜间最低温 20℃, 白天最高温 30℃, 相对湿度 60% ～80% ,
中午最大光照强度为 500μmol·m - 2 ·s- 1。
试材栽培在直径 18 cm、高 18 cm的塑料盆中 , 每盆 1株。栽培基质由泥炭、珍珠岩和蛭石 ( 3
∶1∶1) 配成 , 营养液采用荷兰 Florist非洲菊盆栽配方。供水和营养液采用滴灌方式统一控制。所有
植物材料均栽培到开花后开始处理。
112　干旱胁迫处理
选取生长一致的转基因植株和对照各 8株 , 分为 2组。一组在正常条件下培养 (栽培介质含水率
80% ) , 一组停止供水和营养液 9 d (栽培介质含水率低于 25% ) , 然后恢复供水和营养液 6 d。单株
重复。从 4株材料中选取 3株外观表现一致的进行测定 , 共 3次重复 , 取平均值。
113　叶绿素荧光和光合参数的测定
采用 L I26400便携式光合作用系统仪于 9～11时测定 PSⅡ电子传递量子效率 (ΦPSⅡ)、开放的
PSⅡ反应中心捕获激发能效率 ( Fv’/Fm’)、光化学猝灭系数 ( qP)、表观光合电子传递速率 ( ETR)
和净光合速率 ( Pn)、气孔导度 ( Gs) 等。
测定选取完全展开的功能叶。测定时间为停水处理前 (0 d) , 停水处理后 3、6、9 d, 恢复供水
后 3 d (即第 12天 ) 和 6 d (第 15天 )。
计算叶片吸收光能分配情况 :
天线色素上耗散的能量 D = 1 - Fv’/Fm’。
光化学反应的能量 P = qP ×Fv’/Fm’。
反应中心耗散的能量 E = (1 - qP) ×Fv’/Fm’。1 - qP表示 PSⅡ中 PQ还原程度 (Demm ig2Ad2
am s et al. , 1996)。
2　结果与分析
211　形态学观察
在干旱胁迫中 , 植物叶片形态的变化直接反映出试验材料是否受到了干旱胁迫以及植物的耐旱能
力。通过观察发现 , 干旱胁迫后第 9天 , 对照植株所有叶片和花序全部下垂 , 而转基因的植株在此时
老叶下垂 , 新叶和花序依然直立。由此可以看出 , 转基因植株比对照植株耐旱 (图 1)。
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　1期 赖齐贤等 : 干旱胁迫对转基因 ( PSAG12 2ipt) 非洲菊光合作用的影响 　
图 1　非洲菊植株干旱胁迫第 9天的表现
A: 干旱胁迫下的转基因植株 ; B: 正常条件下的转基因植株 ; C: 干旱胁迫下的对照植株 ; D: 正常条件下的对照植株。
F ig. 1　The appearance of genetica lly m od if ied ( GM ) gerbera and w ild type (W T) gerbera under drought stress for 9 days
A: GM gerbera under drought; B: GM gerbera in normal condition; C: W T gerbera under drought; D: W T gerbera in normal condition.
212　PSⅡ电子传递量子效率 (ΦPSⅡ) 的变化
图 2表明 , ΦPSⅡ随着干旱胁迫时间的延长 ,
呈逐渐下降的趋势 ; 第 9天以后 , 随着供水的恢
复而上升。与对照相比 , 转基因植株ΦPSⅡ下降
较慢 , 恢复较快 , 变化幅度相对较小。
213　开放的 PSⅡ反应中心捕获激发能效率的变化
随着干旱胁迫的延续 , 开放的 PSⅡ反应中心
捕获激发能效率 ( Fv’/Fm’) 逐渐下降 , 恢复供
水后逐渐回复 ; 转基因植株高于对照 (图 3)。
214　光化学猝灭系数 ( qP) 的变化
经过干旱胁迫处理 , 转基因和对照非洲菊叶
片中的 qP均随着干旱胁迫程度加深而明显下降 ,
图 2　干旱胁迫和解除胁迫过程中ΦPSⅡ的变化
F ig. 2　The changes of ΦPSⅡ dur ing the
drought stress and recovery
对照植株 qP的下降程度明显高于转基因植株。恢复供水后转基因植株 qP恢复比对照植株快 (图 4)。
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215　叶片吸收光能分配的变化
从图 5可以看出 , 无论是转基因植株还是对照植株 , 非光化学反应耗散的能量 ( E) 在干旱胁迫
过程和恢复过程中没有明显的变化。
天线色素上耗散的能量 (D) 随着干旱胁迫的加重逐渐升高 , 在第 9天干旱胁迫最严重的时候达
到最高 , 随着供水的恢复 , D逐渐降低。
干旱胁迫过程中 , D的升高导致光化学反应的能量 ( P) 的降低 ; 随着干旱胁迫的解除 , P也随
着 D的减少而增加。
在干旱胁迫和恢复过程中 , 转基因植株 P在光能分配中所占的比例大于对照植株。
图 5　干旱胁迫和解除胁迫过程中的植株吸收光能在光化学放应能 ( P)、天线色素耗散能 ( D )
和非光化学反应耗散能 ( E) 间的分配变化
F ig. 5　The changes of d istr ibution of absorbed light in photochem istry ( P) , therma l d issipa tion ( D )
and excess energy ( E) in leaves of gerbera dur ing the drought stress and recovery
216　干旱胁迫对净光合速率、气孔导度和表观光
合量子传递效率的影响
经过 9 d干旱胁迫的处理 , 转基因植株和对
照植株叶片净光合速率 ( Pn)、气孔导度 ( Gs)
和表观光合量子传递效率 ( ETR ) 均受到影响而
发生变化。
从图 6～图 8可以看出 , 干旱胁迫处理后 ,
Pn、Gs和 ETR 显著下降 , 对照植株更为明显 ,
而转基因植株相对较小。
图 6　干旱胁迫 9 d叶片 Pn的变化
F ig. 6　The effects of Pn in the
leaves under drought stress for 9 days
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　1期 赖齐贤等 : 干旱胁迫对转基因 ( PSAG12 2ipt) 非洲菊光合作用的影响 　
3　讨论
植物在受到水分胁迫时会产生适应、伤害、修复以及补偿等不同阶段性反应 (赵丽英 等 ,
2004b) , 叶片衰老和死亡是重要的生理现象 ( Gan & Amasino, 1995)。
叶绿素荧光可快速检测完整植株在胁迫下光合作用的真实行为 , 用来评价光合机构的功能以及环
境胁迫对它的影响。研究结果表明 , 随着干旱胁迫的加剧 , ΦPSⅡ、Fv’/Fm’、qP、ETR都表现出降
低的趋势 , Pn、Gs也出现同样的趋势。说明适度水分胁迫时 , 植物可以作出一定的适应性调节反应 ,
但随着干旱胁迫的加剧 , 光合结构遭到一定程度的破坏 , 转基因和对照植株相比 , ΦPSⅡ、 Fv’/
Fm’、qP、ETR和 Pn、Gs降低的幅度均较小 , 说明转基因植株光合机构受破坏的程度也较小。这和
李永华等 (2003) 研究小麦抗旱品种的结果一致。
植物对于光能的利用主要包括光化学反应转化光能和非光化学热能耗散以及叶绿素荧光形式耗散
过剩的光能 , 光化学反应和热耗散的变化会引起叶绿素荧光猝灭过程的相应变化 (Lu et al. , 2001)。
叶绿素荧光猝灭有光化学猝灭和非光化学猝灭两个过程构成 , 光化学猝灭与从光系统 II电子传
递和初始电子受体 QA的氧化还原有关。
随着干旱胁迫的加剧 , qP呈降低的趋势 , 在胁迫后第 9天降到最低 , 恢复浇水后又有所增加
(图 4) , 这可以看出非洲菊叶片在受到干旱胁迫时 , 光合电子传递活性降低 , 而且越来越多的吸收光
能通过非光化学的途径被耗散 , 表现出自我保护机制。两个材料相比 , 转基因非洲菊叶片吸收光能通
过非光化学的途径被耗散能量比较小 , 则是由于光合途径所利用的光能较多 , 转基因植株在干旱胁迫
下仍具有较强的光合作用的能力 , 从而表现出较强的抗旱性。
植物叶片通过天线色素吸收光能 , 并把光能传递给 PSⅡ。叶片ΦPSⅡ反映了 PSⅡ反应中心在环
境胁迫中有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率 , 也是实际的 PSⅡ反应中心进行光化学反应的
效率 (Carrasco et al. , 2002)。
干旱胁迫及其恢复过程中ΦPSⅡ的变化说明 , 干旱胁迫引起开放的 PSⅡ反应中心捕获激发能效
率下降 , PSⅡ的功能也受到影响而转化效率降低。转基因与对照植株相比 , 开放的 PSⅡ反应中心捕
获激发能效率受到的影响较小 , 因此净光合速率下降也较小。
在干旱胁迫和恢复的过程中 , 非洲菊叶片吸收光能用于光化学反应部分 ( P) 随干旱胁迫程度增
加逐渐减少 , 解除胁迫以后逐渐增大。而通过天线色素耗散部分 (D ) 则相反。干旱胁迫对转基因和
对照植株叶片吸收光能分配有不同的影响。在整个过程中 , 转基因非洲菊叶片中吸收光能用于光化学
反应部分 ( P) 所占的比例比对照大 (图 5)。反应中心耗散 ( E) 在干旱胁迫和恢复过程中没有明显
的变化 , 说明干旱胁迫没有对光合机构造成不可逆的破坏。这是因为 , E的增加可使单线态叶绿素
(1 Chl)不能及时返回三线态叶绿素 (3 Chl) , 1 Chl的积累会将能量传递给 O2 , 形成活性极强的单线态
氧 (1 O2 ) (A sada, 1999) , 引起光合机构的失活甚至破坏。
因此 , 转基因非洲菊植株具有较强的抗旱能力 , 在受到干旱胁迫时 , 表现出叶片衰老延迟 , 在胁
迫解除以后具有较强的恢复光合作用的能力。
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