全 文 ：武汉植物学研究 2008，26(1)：81～86
Jotritl~ Wulum Bomn~M Research
甲基紫精对水稻不同耐冷品种叶绿素荧光参数的影响
王国莉 ，郭振飞
(1．惠州学院生命科学系，广东惠州 516007；2．华南农业大学生命科学学院，广州 510642)
摘 要：研究了不同浓度甲基紫精(MV)对水稻幼苗进行浸根处理，对不同耐冷品种常温和低温下叶绿素荧光参
数的影响。结果发现，常温下，低浓度短时间的MV处理引起水稻原初光能转换效率(Fv／Fm)、光合电子传递量子
效率( Ⅱ)和光化学猝灭系数(g尸)较对照增加 ，高浓度 、长时间的 MV处理则使各参数下降并低于对照，耐冷品
种可以维持较高的非光化学猝灭系数(NPQ)。低温下只有5 I~mo[／L甲基紫精(简称MV )短时间处理时两品种的
／ Tm增加，各处理引起 Ⅱ和 g尸下降 ，低浓度、短时间 MV处理时 NPQ增加。这说明轻度氧化胁迫可以刺激水
稻的光合能力增加，但氧化胁迫会加剧水稻的低温伤害，耐冷品种也可以通过维持较高的线性电子传递速率和热
耗散来避免这种过氧化伤害，表现出强的抗冷性。
关键词：甲基紫精；水稻；叶绿素荧光参数；低温
中图分类号：Q945；s511 文献标识码 ：A 文章编号：1000．470x(2008)01．0081．06
Efects of M ethyl Viologen on Chlorophyll Fluorescence Parameters
in Rice Cultivars with Diferent Cold-sensitivity
WANG Guo．Li ，GUO Zhen—Fei
(1．Department of Science，Huk~u University，Huizhou，Guangdong 516007，China；
2．Colege ofLife Science，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)
Abstract：The roots of rice seedlings were treated with diferent concentrations of Methyl Viologen(MV)
solutions．and the effects of diferent oxidative stress on the chlorophyll fluorescence parameters of dife卜
ent cold—sensitive cuhivars at normal and low temperature were studied．The results showed that at norm al
temperature ／Fm ， PsⅡand qP of rice seedlings were higher whereas the parameters were lower trea—
ted by higher concentration of MV in longer time than that in their controls．an d the cuhivar with cold—
tolerance had higher NPQ．At low temperature F ／Fm increased only when treated by s in shorter
time。 PS and qP both decreased with all treatments，andⅣj increased with treatm ents of less concen—
tration MV in shorter time．This suggests that less oxidative stress may promote the photosynthetic capacity
of rice。but oxidative stress could prick up the hurt to rice at low temperature。and the cold—tolerant cuhi—
var showed stronger cold—tolerance because it could relieve the excessive oxidative hurt through maintai．
ning higher linear electron transport rate and heat dissipation ability．
Key words：Methyl Viologen(MV)；Rice；Chlorophyl fluorescence parameters；Low temperature
植物的光氧化损伤机理及对光氧化胁迫的抗性
是近年来环境生理、分子生物学和农作物抗性育种
中备受关注的问题。植物细胞的氧化逆境是由高光
强及其他限制光合作用的胁迫而导致植物伤害的重
要因子_1]。低温引起绿色植物体内活性氧增加，一
方面对光合机构产生破坏作用 ，但另一方面又可
以充当植物抗氧化能力的诱导者，调节光合机构对
光能的利用 ]。甲基紫精(MV)作为光系统 I(PSI)
电子传递到0 的有效人工次生电子受体，是细胞内
产生氧化逆境的促进剂，常被用来研究 O 介导的
植物氧化伤害 J，低浓度的MV被用作植物幼苗
或细胞抗性诱导与筛选的指标 ．9 J。MV轻度胁迫
引起光系统 I(PsⅡ)活性的下调和可逆失活，可以
使光化学猝灭系数(qP)和非光化学猝灭系数(qN)
增加 。¨。，光保护作用得到加强；但严重胁迫刺激
Ps I的 0，光还原作用，使 PsⅡ功能和结构受到伤
害 ，气孔部分关闭和关键酶类氧化失活，从而抑
制了光合作用 J。研究表明轻度氧化胁迫预处理可
收稿日期 ：2007—04—18，修回日期：2007—12—03。
基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(30370131)；广东省 自然科学基金资助项 目(020979)；惠州学院博士科研启动基金资助项 目
(c5 03．02．04)。
作者简介：王国莉(1974一)，女，山西万荣人，博士，副教授，主要从事植物逆境生理及分子生物学方面的研究。
维普资讯 http://www.cqvip.com
82 武 汉 植 物 学 研 究 第 26卷
以提高水稻幼苗的抗冷力，严重氧化胁迫预处理则
削弱水稻幼苗的抗冷力_1 。由于叶绿素 a荧光参
数包含了丰富的光合作用信息，极易受逆境的影响，
是快速、灵敏无损伤地研究和探测逆境对光合作用
影响的理想方法 ，近年来，叶绿素荧光技术在植
物抗逆性的研究领域逐渐增多，在植物抗冷性、抗冻
性方面也显示出良好的应用前景 ’ j。我们用不
同浓度的 MV对水稻不同耐冷品种在常温和低温下
进行处理，通过对叶绿素荧光参数变化的研究，主要
探讨不同氧化胁迫条件对水稻不同耐冷品种光合能
力的影响，为水稻低温下光合机理及抗冷机理的研
究补充证据。
1 材料和方法
1．1 材料培养和处理
以水稻(Oryza sativa L．)‘湘糯 1号 ’(耐冷品
种)和‘IRS0’(冷敏感品种)为材料 ，采用刘春玲等
的方法 ¨培养幼苗至三叶期，选择长势一致的两个
品种幼苗进行 MV浸根处理。MV溶液浓度分别为
5 i~mol／L(简称 MV5)、10 I~mol／L(简称 MVl0)和
20 i~mol／L(简称 MV 。)，以不含 MV(简称 MV。)培
养的水稻幼苗为对照。将水稻幼苗移至光照强度为
160 p~mol·m～·s～、湿度80％ 的人工气候箱中进行
低温(8℃)处理。分别取处理 12 h、24 h和 48 h后
的水稻幼苗进行叶绿素荧光参数的测定。
1．2 叶绿素荧光动力学参数测定
参照王国莉等的方法Ⅲj，以 FMS一1脉冲调制式
荧光仪(英国 Hansatech)进行测定。按 Genty等的
公式 计算出原初光能转换效率( ／ )、光化学
猝灭系数(gP)、非光化学猝灭系数(NPQ)和光合电
子传递量子效率( P5Ⅱ)。
2 结果与分析
2．1 Fv／Fm的变化
n／ 是表明光化学反应状况的一个重要参
数，反映 PSⅡ反应中心的最大光能转换效率，逆境
条件下，植物受到胁迫或由于某种原因猝灭了荧光，
这一效率值(0．8)就明显下降 ¨。我们研究发现，
在常温下，‘湘糯 1号’中各处理的 ／ ’m与对照相
比没有显著差异；MV 处理可提高 ／ ，MV。和
MV 。处理使 ／ 下降，其中MV 与MV 。处理间
的差异显著。在‘IRS0’中，用 MV 处理 12 h，可显
著提高 ／ ，随后下降并低于对照，而 MV。和
MV加处理则降低Fv／Fm，处理48 h时，各处理之间
差异达到显著水平 ，其中MV加处理与对照之间差异
达极显著(见表 1)。这些结果表明，常温下 MV处理
对‘湘糯 1号 ’ ／，m的影响较小，但对 ‘IR50’的
影响较大，低浓度可促进 ／，m上升，高浓度则抑
表 1 不同MaC处理对两个品种低温和常温下 Fv／Fm的影响
Table 1 The efect of diferent MV treatments on Fv／Fm of two cuhivars at normal and low temperature
N0tes：MV5- Treatment with 5 In0 L MV；MVl0- Treatment with 10 m0L／L MV；MV20- Treatment with 2O m0L／L MV
维普资讯 http://www.cqvip.com
第 1期 王国莉等：甲基紫精对水稻不同耐冷品种叶绿素荧光参数的影响 83
F∞／Fmo
低温逆境条件下，PsⅡ反应中心的光化学伤害
可引起FvlFm的下降。在‘湘糯 1号’中，MV 处理
能够提高水稻 ，而 MV 。和 MV∞处理使
Fm降低，处理 48 h时，MV 处理的 极显著
高于其它处理和对照，MV 。和 MV∞处理则使
下降极显著并低于对照。在 ‘IRS0’中，MV 处理
12 h内Fv!Fm增加，处理 48 h显著下降，比对照低
19．7％，而其它处理则会造成 Fv／Fm下降并低于对
照，以MV∞处理对 的影响最大，与对照和其
它处理间的差异极为显著(表 1)。这一研究结果表
明，低温可以显著降低两品种的 ，MV 处理
可以提高水稻的FvlFm，使其抗冷性提高，但 MV。
和 MV∞长时间处理则会使 Fv／Fm下降并低于对照
水平。
2．2 Ⅱ的变化
Ⅱ是实际光化学效率，代表线性电子传递的
量子效率。研究发现，常温下 MV 和 MV 。处理12 h
内‘湘糯 1号’的 Ⅱ增加高于对照，但差异不显
著；随处理时间延长，MV。和 MV 。处理引起水稻
Ⅱ显著降低，MV∞和 MV 处理在 12 h后的差异
极显著。在‘IRS0’中， Ⅱ对 MV处理比较敏感 ，除
MV 处理 12 h内 Ⅱ高于对照外，随处理时间延
长和处理浓度增加， Ⅱ下降加速，处理48 h时，各
处理与对照比， Ⅱ差异显著，MV。和MV∞处理与
对照之间的差异达到极显著水平(表2)。这些研究
表明，在耐冷品种中，低浓度短时间的MV处理会刺
激电子传递速率增加而提高光合能力，而冷敏感品
种在氧化胁迫时PsⅡ反应中心和电子传递体易于
受到伤害，引起量子效率下降，光合能力迅速降低。
低温下水稻两品种的 Ⅱ均降低，随 MV处理
时间延长，处理浓度增加， Ⅱ都下降并低于对照。
两品种比较，‘IR50’对 MV处理比较敏感。处理
48 h，‘湘糯 1号’和‘IR50’中各处理与对照间的差
异都达极显著水平(表2)。这些结果说明，低温下
水稻对 MV处理的敏感性增加，MV处理加剧了水
稻的低温伤害，可引起 PsⅡ反应中心的不可逆伤
害，线性电子传递的量子效率下降，光合能力降低。
2．3 qP的变化
光化学猝灭反映了光反应中心(Q )的还原状
态，gP愈大，PsⅡ的电子传递活性愈大。常温下，
MV 处理时‘湘糯 1号’的 gP比对照增加，但二者
差异不显著；MV 。和 MV∞处理 12 h后，就会对其造
成氧化胁迫，使 口P下降，处理 48 h，qP极显著低于
对照和 MV 处理水平。在‘IR50’中，短时间(12 h)
低浓度(MV 和 MV 。)的MV处理引起gP比对照增
加，但随着处理时间延长，各处理 gP降低，处理48 h
时，与对照之间的差异达极显著水平(表3)。这一结
表 2 不同 MV处理对两品种低温和常温下 的影响
Table 2 The efect of diferent MV treatments OI1 Ⅱoftwo cultivars at normal and low temperature
Note：What need notes refer to table 1
维普资讯 http://www.cqvip.com
84 武 汉 植 物 学 研 究 第 26卷
temperature CK
‘lR50’
MV
MV10
MV20
0．8137±0．o0l2
0．7767±0．0153
0．7730±0．0l20
0．7370±0．0135
a a 0．8100±0．0010
— 4．5473 ab ab 0．7630±0．0o92
— 4．9980 b ab 0．7325±0．0274
— 9．4224 b b 0．6930±0．0179
a a 0．7533±0．0301 a a
一 5．8025 ab ab 0．6075±O．0l99 一I9．3584 b ab
一 9．5679 bc ab 0．5l10±0．0491 —32．168l b bc
一 14．4444 e b 0．3665±0．021l 一51．3496 c c
Note：What need notes refer to table 1
果再次表明，耐冷品种在轻度氧化胁迫条件下可以
通过较高的光化学猝灭保持 PsⅡ的电子传递活性，
而冷敏感品种容易受到氧化胁迫伤害， 下降。
低温条件下，两品种的 都随低温时间延长
下降加剧，MV处理加剧低温伤害，表现为 较对
照下降增加，而且随处理浓度增加下降更为明显。
两品种中，‘湘糯 l号’较 ‘IR50’对 MV的抗性强，
处理 48 h，各处理与对照之间的差异都达到显著水
平，‘湘糯 1号’中 分别 比对照下降 11．0％、
23．0％和 50．4％；‘IR50’中 分别 比对照下 降
19．4％、32．2％和51．3％(表 3)。这说明氧化胁迫
加剧了水稻的低温伤害，对 PSⅡ反应中心及电子传
递体造成氧化伤害， 较对照降低，但耐冷品种较
冷敏感品种在低温下的 高。
2．4 NPQ的变化
NPQ是 PSⅡ天线色素吸收的不能用于光合电
子传递而以热形式耗散掉的光能部分，它是一种 自
我保护机制，对光合机构起一定的保护作用，NPQ
能更准确地反映无性系的非光化学猝灭的情况 ¨。
研究发现，常温下 MV处理时‘湘糯 1号’的NPQ较
对照增加，但差异不显著；‘IR50’中只有 MV 处理
24 h内NPQ增加，其余处理都会引起 NPQ下降，处
理 48 h，各处理的 NPQ显著低于对照水平，3个处
理依次比对照低 16．5％、28．6％和 30．0％(表 4)。
这说明耐冷品种在遭受氧化胁迫时可以通过维持较
高的热耗散而耗散过剩光能，保护光合机构不受氧
化伤害，但冷敏感品种的 NPQ下降，暗示天线系统
受到了氧化伤害。
低温下，MV 和 MV。处理都会使‘湘糯 1号’的
NPQ较对照增加，而 MV∞处理 24 h内 NPQ增加，
处理48 h NPQ下降，且极显著低于对照和其它两个
处理，说明天线系统在高浓度长时间的 MV胁迫下
受到了严重的氧化伤害。‘IR50’中，各处理在 24 h
内NPQ较对照增加，但处理 48 h，天线系统遭受氧
化伤害，NPQ下降，分别比对照低 13．7％、26．1％和
39．1％(表 4)。这表明低温下氧化胁迫会造成水稻
体内过剩光能的进一步积累，需要通过较高的热耗
散来进行过剩光能耗散，但过度氧化胁迫会伤害天
线系统，最终导致这一耗散能力下降并低于对照。
比较来说，低温下冷敏感品种对 MV处理比较敏感，
耐冷品种可通过维持较高的热耗散保护光合机构免
受伤害。
3 结论与讨论
水稻在其生育期内容易受低温伤害，引起产量
明显下降。低温条件下植物叶绿体内活性氧增加会
对光合机构产生破坏作用，引起酶失活、色素脱色、
蛋白降解和脂质过氧化 。但光合机构也能够通过
舢
0 矗
慨懈 嗍
斯 研扔
0 0 0 0
_鲁 a b b
a a _鲁 b
仰 耋1
3 4
吣
0 0 0 0
盯
0 0 0 0
㈣蝴唧哪
姗 峨
0 0 0 0
愕喈r №
粮
维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 王国莉等：甲基紫精对水稻不同耐冷品种叶绿素荧光参数的影响 85
temperature CK 0．6083±0．0136
MV 0．6190±0．0l07 1．7534
‘IB50’
MVl0 0．6253±0．0095 2．7945
klV20 0．6273±0．0147 3．1233
Note：What need notes refer to table 1
活性氧的产生和分解调节光能的利用 j，研究表明
H O 和 MV可刺激水稻叶片抗氧化酶活性的增加，
提高抗逆性‘6’ j。近年来，叶绿素荧光动力学在植
物抗逆生理研究中的应用较多，研究发现环境胁迫
的程度与植物体内 ／ 、 Ⅱ、qP、qN等参数的
受抑制程度呈显著相关 ¨。彭长连等‘6 研究发现，
高浓度 MV造成的光氧化作用降低了叶绿素荧光参
数 ／ 、 Ⅱ和gP，而qN则或提高或几乎不变甚
至有所降低。 ／ 是植物抗冷性的主要敏感指
标，已经 用 于玉 米 等多 种植 物 的抗 寒 性 鉴定
中 一圳。
为探讨活性氧代谢与水稻抗冷性的关系，我们
采用不同浓度的MV对水稻两品种的幼苗进行了常
温和低温处理。研究发现，常温下 MV 处理会引起
耐冷品种 ／ 、gP、 Ⅱ和 NPQ增加，但随处理
时间延长，处理浓度增加，除NPQ外，其它参数就会
下降并低于对照。在 ‘IR50’中，只有 MV 在 12 h
内会引起上述参数增加，随处理浓度增加和处理时
间延长，各参数显著下降，比对照低。这说明低浓度
短时间的MV处理可以刺激水稻的光合能力提高，
这与前人的研究结果一致 j，表现为 口和 gP
比对照增加。但高浓度和长时间的 MV处理则会造
成水稻光合能力下降，与彭长连等 的研究结果相
同，其原因有可能是氧化胁迫造成 PSⅡ反应中心部
分失活，qP、 Ⅱ和 ⅣPQ下降的缘故。但耐冷品种
较冷敏感品种对氧化胁迫的抗性强。
低温可降低植物利用光能的能力，同时也抑制
叶黄素循环参与的非光化学能量耗散或抑制蛋白修
复循环，从而提高了植物对光抑制的敏感性。低温
下，水稻耐冷品种 ／ 、gP、 Ⅱ值下降，NPQ增
加，而冷敏感品种的 gP和 M)Q都会受到高度抑
制‘1 7’ 。由于细胞内活性氧代谢的变化与植物抗
冷力变化密切相关 J，所以 MV处理极易加剧水稻
的低温伤害。本研究中，MV 处理使叶绿素荧光参
数增加，说明低浓度的 MV可以刺激水稻抗冷力提
高；相反，高浓度长时间 MV处理则会加剧水稻低温
伤害，叶绿素荧光参数下降 J，但耐冷品种可通过
维持较高的热耗散抵御低温活性氧的伤害。
参考文献：
[1] Lanneli M A。Breasegem F V，Montagu M V．Tolerance to low
temperature and paraquat—mediated oxidative stress in two maize
genotype[J]．JExp Bot，1999，50：523—532．
[2] Asada K．Production and scavenging of active oxygen in chloro—
plasts[A]．In：Scandalios J G ed．Molecular Biology of Free Radi—
cal Scavenging Systems[M]．New York：CSHL Press，1992．73—
192．
[3] Foyer C H，Lelandais M，Kune~ K J．Photooxidative stres in
plants[J]．Physiol Plant，1994，92(4)：696—717．
【4] 林植芳，彭长连，林桂珠．光氧化作用引起几种亚热带木本植
硼螂猢
蚴 毗
彻 伽讹
勉 ㈣
伽懈懈
姗i羹 姗
伽哪
m m 9
唧㈣帆
蛳蚴伽彻
臀
糯
a _鲁 _鲁 b
a _鲁 k c
珊㈣
功
嘶嘶㈣
如 加 彻姗
O O O O
a _鲁 _鲁 b
毗
2 4 8
咖眦㈣
舢㈣伽
O O O O
维普资讯 http://www.cqvip.com
武 汉 植 物 学 研 究 第 26卷
物膜损伤和 PsⅡ失活[J]．植物学报，1999，41(8)：871—
876．
[5] 林植芳，彭长连，林桂珠．c3、c4植物叶片叶绿素荧光猝灭 日
变化和对光氧化作用的响应[J]．作物学报，1999，25(3)：
284—290．
[6] 彭长连，林植芳，林桂珠．光氧化胁迫下几种植物叶片的超氧
自由基产生速率和光合特性[J]．植物生理学报 ，2000，26
(2)：81—87．
[7] 林植芳，彭长连，林桂珠．光氧化条件下碳代谢中间产物与光
合电子传递对 PsⅡ光化学活性的调节作用[J]．热带亚热带
植物学报，2005，13(1)：1—7．
[8] Aono M，Saji H，Sakamato A，Tanaka K，Kando N．Paraquat toler-
ance of tran sgenic Nicotiana tabacum with enhanced activities of
glutathione reductase and superoxide dismutase[J]．Plant Cel
Phys~l，1995，36：1687—1691．
[9] 曹树青 ，徐巧婷，周红军．利用氧化剂甲基紫精筛选拟南芥寿
限延长突变体[J]．实验生物学报，2003，36(3)：233—237．
[1O] 徐志防，罗广华，柯德森．超氧阴离子诱导的叶绿素荧光猝灭
[J]．生物化学与生物物理进展，2002，29(1)：139—143．
[11] Krause G H．Photoinhibition of photosynthesis．An evaluation of
damaging and protective mechanisms[J]．Phys~l Plant，1988，
74：566—574．
[12] 李美茹，刘鸿先，王以柔．氧化胁迫对水稻幼苗抗冷力的影晌
[J]．热带亚热带植物学报，1999，7(4)：323—328．
[13] Horton P，Ruban A V，Waltem R G．Regulation oflight harvesting
in green plants[J]．Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol，
1996，47：655—684．
[14] 周蕴薇 ，刘艳萍，戴思兰．用叶绿素荧光分析技术鉴定植物抗
寒性的剖析[J]．植物生理学通讯，2006，42(5)：945—950．
[15] 陈建明，俞晓平，程家安．叶绿素荧光动力学及其在植物抗逆
生理研究中的应用[J]．浙江农业学报，2006，l8(1)：5l一55．
[16] 刘春玲，陈慧萍，刘娥娥．水稻品种对几种逆境的多重耐性及
与 ABA的关系[J]．作物学报，2003，29：725—729
[17] 王国莉，郭振飞．低温对水稻不同耐冷品种幼苗光合速率和
叶绿素荧光参数的影响[J]．中国水稻科学，2005，19(4)：
38l一383．
[18] Genty B，Briantais J M，Baker N R．The relationship between
quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching
of chlorophyl nuOreseence[J]．Biochim Biophys Acta，1989，990：
87—92．
[19] Sj6rkman 0，Demmig B．Photon yield of O2 evolution and chlom—
phyll fluorescence characteristics at 77k among vascular plants of
diverse origins[J]．Planta，1987，170(4)：489—504．
[2O] 王爱国，罗广华，邵从本．植物的氧代谢及活性氧对细胞的伤
害[A]．见：中国科学院华南植物研究所集刊[c]．1989，5：
ll一24．
[21] Ying J，Lee E A，Tolenaar M．Response of maize leaf photosyn—
thesis to low temperature during the grajn—filing period[J]．Field
CropsRes，2000，68(2)：87—96．
[22] Perks M P，Osborne B A，Mitchel D T．Rapid predictions of cold
tolerance in Douglas—fir seedlings using chlorophyll fluorescence
afterfreezing[J]．New Forests，2004，28(1)：49—62．
[23] 李国景，刘永华，吴晓花，汪宝根，鲁忠富．长豇豆品种耐低温
弱光性和叶绿素荧光参 数等 的关系 [J]．浙江农业学报，
2005，17(6)：359—362．
[24] 王国莉．H202处理对水稻不同耐冷品种幼苗叶绿素荧光参
数的影响[J]．惠州学院学报，2006，26(3)：6—9．
[25] Foyer C H，Nector G．Oxygen processing in photosynthesis：regula-
tion and signaling[J]．New Phys~l，2000，146(3)：359—388．
维普资讯 http://www.cqvip.com