全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(5): 818−822 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 中国科学院知识创新工程重要方向项目(KSCX2-YW-N-003)
作者简介: 邵瑞鑫(1982–), 女, 河南人, 硕士, 主要从事植物生理生态学研究。E-mail: shao_rui_xin@126.com
*
通讯作者(Corresponding author): 上官周平。E-mail: shangguan@ms.iswc.ac.cn
Received(收稿日期): 2007-09-17; Accepted(接受日期): 2007-12-20.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.00818
外源一氧化氮供体 SNP对受旱小麦光合色素含量和 PS II光能利用能
力的影响
邵瑞鑫 上官周平
(中国科学院水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)
摘 要: 以−0.5 MPa PEG模拟干旱胁迫, 0.1 mmol L−1 SNP作为外源NO供体, 从荧光诱导动力学角度研究了干旱胁
迫下SNP对小麦光合色素含量的变化和PS II光能利用能力的影响。结果显示, 干旱胁迫虽然引起光合色素含量的增
加, 却减少了PS II反应中心的开放比例(qP), 从而限制PS II对光能的利用(Fv/Fm)和光合功能的正常运行(LPFD)。经
SNP和PEG同时处理的小麦光合色素含量明显增加, 细胞膜相对透性降低, 避免因干旱引起的光合功能的限制(LPFD);
SNP还能增加受旱小麦PS II开放反应中心的比例(qP), 使更多的光能传递给PS II反应中心, 减少激发能用于非光化学
反应的热耗散(NPQ), 从而促使更多的激发能用于光化学反应(Fv/Fm)。另外, SNP减轻了干旱胁迫对PS II反应中心施
加的激发压力, 引起QA的还原程度(1−qP)降低。因此, 干旱条件下外源NO供体SNP可能参与了受旱小麦光合色素的合
成和PS II对光能的利用。
关键词: 硝普钠(SNP); 水分胁迫; 光合色素; PS II; 光能利用能力; 小麦
Effects of Exogenous Nitric Oxide Donor Sodium Nitroprusside on Pho-
tosynthetic Pigment Content and Light Use Capability of PS II in Wheat
under Water Stress
SHAO Rui-Xin and SHANG-GUAN Zhou-Ping
(Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences, Yangling 712100, Shaanxi, China)
Abstract: Nitric oxide (NO) has emerged as a key molecule involving in the regulation of various abiotic stresses that induces
physiological responses in plants. NO acts as an antioxidant to protect chloroplast from oxidative damages by maintaining chloro-
plast membrane intactness, thus keeps high activity of PS II. The experiment was conducted under PEG stress of −0.5 MPa, while
we chose 0.1 mmol L−1 sodium nitroprusside (SNP) as NO donor. The effects of SNP on the content of photosynthetic pigments
and the ability of utilizing the light in PS II of winter wheat (Triticum aestivum L.) under drought stress were studied through
chlorophyll fluorescence kinetic technique. The results showed that the content of photosynthetic pigment increased, but the pro-
portion of opened PSII reaction centers (indicated by qP) decreased under drought stress, thus drought restricted the utilization of
light-energy in PS II (Fv/Fm) and the exertion of photosynthetic function (LPFD). SNP could help to increase photosynthetic pig-
ment content, and decrease the cell permeability, thus avoided decreasing the confined value of photosynthetic function (LPFD) by
drought. Furthermore, SNP increased the proportion of opened PS II reaction centers (indicated by qP), leading to transference of
the more excited light-energy to PS II function center, decreased the dissipation of excited energy in antenna pigments (NPQ),
which increased the more absorbed light to participate in photochemical reaction (Fv/Fm). In addition, SNP alleviated the excited
pressure in PS II reaction center imposed by drought and lowered the deoxidization of QA (1 − qP). Therefore, exogenous nitric
oxide donor (SNP) may participate in the synthesis of photosynthetic pigments and the utilization of light-energy in PS II of wheat
under drought stress.
Keywords: Sodium nitroprusside (SNP); Water stress; Photosynthetic pigment; PS II; Light use capability; Wheat
第 5期 邵瑞鑫等: 外源一氧化氮供体 SNP对受旱小麦光合色素含量和 PS II光能利用能力的影响 819


干旱条件下植物的光能利用效率下降, 用于非
光化学反应的热耗散增加常导致光抑制的发生 [1],
而PS II是植物发生光抑制的主要部位[2]。干旱能诱
发PS II反应中心发生可逆失活, 光合电子由P680向
QA→QB→PQ库的传递能力变弱 , 进而阻碍激发能
从天线色素蛋白复合体(LHC)向PS II传递[3]。这时大
量激发能在天线上被耗散, 捕获的光能中用于光化
学反应的比例便会减少[4]。一氧化氮(nitric oxide, NO)
是植物体内一种重要的生长调节剂, 在非生物逆境
适应机制中作为信号分子起着非常重要的作 用[5]。
它通过保护PS II电子传递链上的主要蛋白D1 对抗
活性氧[6], 保护PS II不受光抑制的伤害。干旱胁迫下,
外源NO处理不但能提高果树对光能的转换效率和
PS II反应中心的潜在活性, 而且有利于保护光合机
构免受胁迫的伤害[7]。缺铁时, NO能促进玉米类囊体
色素蛋白复合体的装配, 引起电子传递速率的增加
和光合活性的增强[8]。但也有研究表明, NO处理使
PS II反应中心的活性降低[9-10]。植物光系统是由多种
色素蛋白复合体组成的, 周围的天线色素起吸收、
传递光能的作用[11]。研究干旱胁迫下外源NO对小麦
光合色素含量和PS II利用、传递光能的影响具有非
常重要的意义。目前这方面的研究鲜为报道。本文
旨在明确外源NO在光合电子传递过程中的作用机
制, 为阐明干旱条件下信号分子在植物光保护机制
中的作用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料与处理
精选小麦品种小偃 22种子, 用 3%双氧水消毒 5
min, 浸种 20 h, 在 25℃恒温培养箱内暗催芽, 萌发
后选取露白一致的种子播种在沙盘上。用 1/2
Hoagland培养至第 9 天(苗 1 叶 1 心)时, 转移至
ZPW-280B植物培养箱 (东拓公司 )内仍用 1/2
Hoagland培养 , 昼 /夜温度为 (25±2) /(18±2) , ℃ ℃ 光
强为 400 μmol m−2 s−1, 湿度为(60±5)%, 培养 7 d后,
换用全Hoagland培养。每 2 d换一次营养液, 每天通
气 8~10 h。待幼苗长至 3叶 1心时, 选取长势一致、
健康的植株进行根际饲喂处理, 处理期间每天更换
营养液。
设Hoagland (CK)、−0.5 MPa PEG (6000) +
Hoagland和−0.5 MPa PEG (6000) + 0.1 mmol L−1
SNP + Hoagland 3 个处理。SNP为NO供体硝普钠
[Na2Fe(CN)5], 纯度 98.5%。先用蒸馏水配成 40 mmol
L−1的母液, 4℃下黑暗保存, 用时按所需浓度稀释,
每个处理 3次重复。
1.2 测定指标及方法
1.2.1 光合色素含量 参考Arnon[12]的方法, 称
取处理后 1 d的叶片鲜样 0.1 g, 加 96%乙醇 10 mL研
磨至组织变白, 然后用 96%乙醇定容至 50 mL。用
UV-2300分光光度计测定A663、A646及A470值, 计算出
Chl a、Chl b和Car的含量, 用mg g−1干重表示。
1.2.2 细胞膜相对透性 参考高俊凤 [13]的方法,
将处理后 1 d有代表性的小麦叶片用DDS-11A型电
导仪(上海)测定外渗液的电导值(L1), 随后将组织杀
死再次测定外渗液的电导值(L2)。细胞膜相对透性
(%)=(L1/L2)×100。
1.2.3 叶绿素荧光 根据Demming等 [14]的方法 ,
以FMS2 脉冲调制式荧光仪(Hansatech, UK)测定处
理后植株的Fm、Fo、Fm、Fs及Fo等荧光参数。测定
暗适应最大荧光Fm及初始荧光Fo时, 需要把叶片夹
入暗适应夹中适应 20 min。测定前 , 利用该系统
Modfluor软件编程并将测定程序输入荧光仪, 由荧
光仪自动测量完成整个过程。按光通量密度(PFD) 2
000、1 500、1 000、800、600、400、200、100、50、
25 和 0 μmol m−2 s−1的顺序做Fv/Fm − PFD, NPQ
− PFD, (1− qP) − PFD响应曲线。参照Demming-
Adams和Adams[14]方法 : NPQ = (Fm − Fm)/Fm =
Fm/Fm − 1, 反映非光化学反应的热耗散; 开放的PS
II反应中心捕获的激发能转化效率, Fv/Fm = (Fm −
Fo)/Fm, 由它可计算某PFD下植物叶片的量子效率
相对限制或光合功能的相对限制 (LPFD), LPFD = 1
− (qP × Fv/Fm) / 0.83; 1 − qP表示QA的还原程度, 1−
qP = 1− (Fm − Fs)/(Fm − Fo)。
1.3 数据分析方法
数据采用 Microsoft Excel 绘图, 采用 SAS(8.0)
统计软件对数据进行方差分析和相关分析 , 用
Duncan新复极差法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 SNP 改善受旱小麦光合色素含量和细胞膜
的相对透性
受旱胁迫后 1 d 的小麦叶片光合色素含量显著
820 作 物 学 报 第 34卷

高于对照, 但 SNP 施入 PEG 溶液后相对单独 PEG
处理显著提高了干旱胁迫下光合色素的含量(表 1),
其中, Chl a、Chl b和 Car含量分别增加 45%、25%
和 36%, Chl a增加最明显。植物受干旱胁迫后也引
起了细胞质膜的透性增大, 胁迫后 1 d, 小麦叶片的
膜相对透性增加 19%, 但是 SNP和 PEG同时处理恢
复了叶片细胞膜的稳定性, 比单独干旱处理的小麦
叶片膜透性降低 22%。
2.2 SNP减少受旱小麦叶片过剩光能的耗散
在强光条件下 , 对照和单独PEG处理的Fv/Fm
都低于弱光下的相应值, 尤其PEG胁迫 1 d后在小麦
的叶片中降低更明显(图 1-A), 表明小麦受旱后叶片
捕获的激发能中有相当一部分没有传递给PS II反应
中心, 很可能耗散了。小麦受旱后叶片的NPQ明显
高于对照, 尤其在高光强下(PFD≥1 000), 例如在
PFD为 1 000、1 500、2 000 μmol m−2 s−1条件下分别
高于对照 75%、91%、60%。但SNP加入PEG处理后
Fv/Fm和NPQ都十分接近对照(图 1-B)。因此, 干旱
胁迫条件下小麦叶片捕获的光能中用于非光化学反
应热耗散的部分增加, SNP溶液的增加能提高受旱
小麦捕获的激发能转化效率 , 减少PS II的热耗散 ,
使得捕获的光能更多地用于光化学过程。

表 1 干旱胁迫后 1d SNP对叶片光合色素含量和细胞膜透性的影响
Table 1 Effects of SNP on contents of photosynthetic pigments and relative permeability of cell membrane one
day after drought stress
处理
Treatment
Chl a
(mg g−1)
Chl b
(mg g−1)
Car
(mg g−1) Chl a/Chl b Car/Chl
膜相对透性
Relative permeability of membrane
(%)
CK 11.01±1.1 c 3.55±0.1 c 1.99±0.0 c 3.10±0.0 c 0.14±0.0 a 18.63±1.2 a
PEG 19.78±1.5 b 5.66±0.6 b 3.60±0.5 b 3.49±0.1 b 0.14±0.0 a 22.19±2.3 a
PEG+SNP 28.59±2.3 a 7.07±0.1 a 4.91±0.3 a 4.04±0.9 a 0.14±0.0 a 17.35±1.9 a
表中数据为 5 次重复的平均值±标准误。同一列中标以不同字母的数据差异达 5%显著水平。CK：Hoagland; PEG：−0.5 MPa
PEG(6000) + Hoagland; PEG+SNP：−0.5 MPa PEG(6000) + 0.1 mmol L−1 SNP + Hoagland。
Data in the table are mean ± SE of 5 replicates. Values followed by a different letter within a column are significantly different at P<5%.
CK: Hoagland; PEG: −0.5 MPa PEG(6000) + Hoagland; PEG+SNP: −0.5 MPa PEG(6000) + 0.1 mmol L−1 SNP + Hoagland.


○ CK ● PEG ▲ PEG+SNP

图 1 SNP处理后受旱小麦叶片的天线转化效率Fv/Fm (A)和非光化学荧光猝灭NPQ (B)对光强的适应能力
Fig. 1 Adaptation of transference efficiency of absorbed light energy Fv/Fm (A) and non-photochemical quenching (B) of drought
stressed leaves to light intensity after SNP treatment
Treatments described as in Table 1.

2.3 SNP缓解干旱对小麦光合功能的相对限制
干旱胁迫 1 d后, 小麦的光合功能受损, 光照越
强, LPFD越大(图 2)。干旱条件下, PFD≤800 μmol m−2
s−1时, LPFD基本无变化。但当PFD超过 1 000 μmol m−2
s−1时, PEG处理的LPFD值显著高于对照。如果PEG中
加入了SNP, 高光强在干旱胁迫下对植物光合功能
的限制明显得到缓解(图 2)。尤其是PFD≥ 1 000
μmol m−2 s−1时, SNP的作用效果更明显。说明干旱条
件下, 植物光合机构的运行对光强的敏感程度大于
正常条件下, 但SNP处理后能恢复干旱条件下光合
机构的部分功能。
2.4 SNP降低了干旱条件下叶片QA的还原程度
植物有随光强升高, 关闭的反应中心比例增加
的趋势。干旱胁迫下, 小麦叶片的 1 − qP值增加, 且
第 5期 邵瑞鑫等: 外源一氧化氮供体 SNP对受旱小麦光合色素含量和 PS II光能利用能力的影响 821


胁迫的时间越长其 1 − qP值越大。但SNP和PEG同时
处理时受旱小麦叶片的 1 − qP值降低, 特别是处理
后第 1天, 光强超过 1 000 μmol m−2 s−1时, 其 1 − qP
值显著低于单独干旱处理, 处理 2 d后 1 − qP降低趋
势比较缓和, 但是处理后 3 d, 1 − qP又恢复到干旱处
理时的水平。因此, 干旱降低了PS II反应中心开放
的程度(图 3), 反应中心捕获的激发能将电子传递到
QA就不再往下传递, 增加了激发压力和QA的还原能
力, 且胁迫时间越长, PS II反应中心开放的比例越
小。SNP能增加受旱小麦的开放PS II反应中心, 减轻
干旱胁迫带来的激发压力 , 从而降低QA的还原程
度。但是SNP具有短效性, 在处理后的 1~3 d内, 随
着处理时间的延长, 其对QA还原能力的调控作用逐
渐下降。

○ CK ● PEG ▲ PEG+SNP

图 2 SNP对干旱胁迫条件下小麦叶片的光合功能相对限制值
LPFD的影响
Fig. 2 Effects of SNP on confined value of photosynthetic
function LPFD of drought stressed wheat leaves
Treatments described as in Table 1.



○ CK ● PEG ▲ PEG+SNP

图 3 SNP处理后 1~3 d小麦叶片关闭的PS II反应中心 (1 − qP) 对光强的适应性
Fig. 3 Adaptation of closed PS II reaction centers (1 − qP) to light intensity during 1–3 days after SNP treatment
Treatments described as in Table 1.

3 讨论
NO是一种对叶绿体大分子具有强氧化性的活
性氮[15], 能够促进胁迫条件下植物类囊体膜蛋白复
合体的组装和稳定, 增强叶绿体对光能的吸收和利
用能力[8]。本试验表明, 单独干旱处理后, 光合色素
含量明显增加 , 使光合作用在干旱下得以顺利进
行。虽然天线色素可把吸收的光能传递并分配到光
反应中心进行光化学反应[11], 但反应中心一定程度
上的关闭也不能将吸收的光能有效地用于光化学反
应(图 3)。SNP和PEG同时加入后不仅能加快小麦光
合色素的合成(表 1), 还缓解了PS II反应中心的激发
压力为光合电子的传递创造有利条件(图 3)。据此,
我们推测NO可能参与了受旱小麦的光合色素合成,
且对光化学反应的有效运行起一定的促进作用, 这
与前人研究结果一致[16-18]。另外, SNP还能在一定程
度上减轻干旱胁迫对叶绿体膜机构的损伤(表 1), 使
胁迫对光合功能的限制得到缓解(图 2), 这与吴雪霞
等[19]的研究结果一致。
干旱胁迫不利于激发能从天线色素蛋白复合体
(LHC II)向PS II反应中心传递[20-21], 且破坏PS II电
子传递链上的主要蛋白D1、D2和LHC II[22], 这样反
应中心的激发能将电子传递到QA就不再往下传递
[23], 这些激发能便可能通过脱去外周天线色素的PS
II或Cytb-559 耗散掉, QA的还原能力降低[24]。NO是
一个重要的逆境信号, 能作用于任何一种光捕获蛋
白复合物, 调控胁迫条件下植物的光合电子传递[8]。
本试验表明, 外源NO不但增加了PS II反应中心开
放的比例同时还减少PS II天线色素上的热耗散(图 1
和图 3)。因此, 我们认为外源NO可能通过两种机制
来调控植物PS II对干旱的适应能力, 一是改善捕光
色素的含量, 提高光合作用对激发电子的利用效率
(表 1)。二是通过增加PS II反应中心开放的比例改善
光能的利用方式, 增加光能用于光化学反应的比例
822 作 物 学 报 第 34卷

(图 1和图 3)。
4 结论
干旱胁迫限制了小麦幼苗光合机构功能的正常
发挥, 因为光合色素含量虽然明显增加但其PS II反
应中心一定程度上的关闭使反应中心捕获的激发能
将电子传递到QA就不再往下传递, PS II对光能的利
用能力明显下降。外源NO的供体SNP不但能明显改
善受旱小麦的光合色素含量, 还增加了PS II反应中
心开放的比例, 一定程度上减少PS II反应中心的激
发能, 提高了小麦光合机构对干旱的适应能力。
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