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Effect of enhanced UV-B radiation on photosynthetic structure and photosynthetic characteristics of Mentha piperita

增强UV-B辐射对胡椒薄荷叶片光合机构和光合特性的影响



全 文 :·研究论文·
增强 UVB辐射对胡椒薄荷叶片光合机构和
光合特性的影响
吴能表,马红群,胡丽涛,洪鸿,孙金春,张扬欢,戴大临
(西南大学 生命科学学院 三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715)
[摘要] 目的:为了阐明紫外辐射胁迫对药用植物胡椒薄荷生长发育的影响,模拟大气中紫外辐射增强的情况,考查了
不同强度UVB辐射胁迫对胡椒薄荷的光合作用的影响。方法:实验设置了自然光对照(0W·m-2),轻度 UVB辐射胁迫
(015W·m-2)和重度辐射胁迫(035W·m-2)3个不同处理组,探讨了不同强度UVB辐射对胡椒薄荷叶绿体超微结构、光
合作用和叶绿素荧光参数的影响。结果:在轻度UVB辐射胁迫下,胡椒薄荷叶绿体超微结构虽然受到了一定程度的破坏,但
处理过程中,Fv/Fm,Fv/Fo,qP,ΦPSⅡ和ETR在一段时间内降低后仍能恢复到和自然光对照相当的水平,qN表现出先升高后
降低的趋势,而处于重度UVB辐射胁迫下的胡椒薄荷,由于其光合机构受到严重破坏,通过自身保护机制已不能恢复到相应
水平。结论:胡椒薄荷处于轻度UVB辐射胁迫时,光合能力虽然在一定程度上有所降低,但是可以通过较强的热耗散来保护
光合机构。研究证实胡椒薄荷对轻度紫外辐射胁迫有良好的适应能力,可在紫外辐射偏强的地方广泛种植,具有一定的经济
效应。
[关键词] 胡椒薄荷;UVB辐射胁迫;光合特性;叶绿体超微结构;叶绿素荧光
[收稿日期] 20090402
[基金项目] 国家自然科学基金项目(30500041);三峡库区生态环
境教育部重点实验室自由探索基金项目(EF200516)
[通信作者] 吴能表,Email:wunb@swu.edu.cn
  近年来,全球出现臭氧层的逐渐消蚀,导致到达
地球表面的 UVB辐射增强。UVB辐射增强不仅
会降低植物叶绿素含量,影响光化学反应和类囊体
膜上的光系统Ⅱ,破坏植物光合作用,引起作物减
产[1],还会降低Hil反应速率和 Ca2+,Mg2+ATPase
的活性,因此植物对 UVB辐射的响应引起了人们
的极大关注[2]。此外,UVB辐射增强下植物进行
光合磷酸化时,类囊体膜上的光系统Ⅱ对 UVB辐
射最为敏感[3],对北极地区 UVB辐射增强的研究
也表明,笃斯越橘叶绿素荧光动力学参数发生明显
变化,PSⅡ原初光能转化效率、光合系统Ⅱ的潜在
活性等均明显降低,引起净光合速率明显下降[4]。
薄荷为唇形科植物薄荷MenthahaplocalyxBriq
的干燥地上部分,全草可入药。胡椒薄荷Mpiperi
taL是目前世界上种植面积最大、应用最广的薄荷
品种。目前对薄荷的研究,主要集中在其栽培技术、
有效成分的提取及药理作用等方面[5],对薄荷的光
合生理方面的研究少见报道,尤其因环境污染造成
的不良生存条件对薄荷光合机构的发育和叶绿素荧
光特性的研究未见报道。据此,本研究从叶绿体超
微结构和光合特性方面出发,探讨了 UVB辐射增
强的条件对胡椒薄荷光合作用的影响,为其次生代
谢产物的变化及综合开发利用提供理论依据。
1 材料
供试材料胡椒薄荷种子购于南京丰泰园艺有限
责任公司。2007年12月将种子播于西南大学苗圃
内,次年3月选取长势一致的幼苗移栽于盛有充分
混匀壤土的营养袋内(13cm×15cm),恢复生长后
进行UVB的辐射处理。紫外B灯为国产(北京市
光电源研究所),发射光谱区为290~400nm,UVB
辐射剂量由北京师范大学制造的便携式 UVB辐照
计 测 定。从 2008 年 4 月 10 日 起,每 天
12:00-13:00,用015,035W·m-2的辐射强度处
理胡椒薄荷,以自然光为对照。在处理的过程中,每
10d选取相同位置叶片进行各项指标的测定,共处
理50d。
2 方法
21 叶片表面结构和叶绿体超微结构的观察
叶绿体超微结构的观察采用戴大临[6]的
方法。
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22 光合作用光响应曲线的测定
用 Li6400便携式光合作用系统测定叶片的
净光合速率(Pn),测定从1800μmol·m
-2·s-1
光强开始,依次降为 1500,1300,1000,800,
600,400,200,100,50,0μmol·m-2·s-1,测定
时每一光强下停留 3min。测定前叶片在 600
μmol·m-2·s-1光强下诱导60min,叶片与光源
之间具8cm厚的流动隔热水层,以减少叶片升
温。以光量子通量密度(PFD)为横轴,Pn为纵轴
拟合光合作用光响应曲线(PnPFD曲线)方程,
并计算下列参数:最大净光合速率(Pmax),即光
合能力;光饱和点(LSP);光补偿点(LCP);暗呼
吸速率及表观量子效率(AQY)。
23 叶绿素荧光参数
4月19日取胡椒薄荷相同位置幼嫩叶片做好标
记,将标记的各叶片充分暗适应(2h),每天晚上
19:00用PAM2100(Walz,德国)便携式脉冲调制式叶
绿素荧光仪测定各标记叶片的Fo(初始荧光),Fm(最
大荧光),Fv/Fm(PSI原初光能转化效率)。测定时,
先打开测量光,(PPFD<01μmol·m-2·s-1,频率
600Hz)测定 Fo,再打开1次饱和脉冲光(PPFD为
8000μmol·m-2·s-1,频率20KHz,08s,1个脉
冲),测定Fm及Fv/Fm;然后打开光化光(PPFD约336
μmol·m-2·s-1,白光)照射叶片,Ft(光下稳态荧
光)稳定后(6min),再打开1次饱和脉冲光测定Fm′,
最后关闭光化光,打开1次远红光(PPFD约为5μmol
·m-2·s-1,3s)测定 Fo′,qP(PSI光化学猝灭系
数),qN(PSI非光化学猝灭系数),ETR(电子传递速
率)ΦPSⅡ(PSI实际光化学效率):
ΦPSⅡ=(Fm′Ft)/Fm′
所有指标均重复测定3次,数据采用 SPSS115
进行统计分析和方差检验。
3 结果与分析
31 增强 UVB辐射对胡椒薄荷叶绿体超微结构
的影响
叶绿体是植物进行光合作用的器官。通过对胡
椒薄荷叶片透射电镜的观察,发现增强 UVB辐射
对叶绿体超微结构有很大影响(图1)。自然光对照
下的胡椒薄荷叶片,类囊体垛叠紧密,排列整齐,基
粒片层结构清晰完整,油脂颗粒少而小。当叶片受
到UVB辐射时,随着辐射强度的加深,油脂颗粒增
大,叶绿体类囊体膨胀粘连、出现囊泡,基粒片层开
始松散,片层数目减少,排列紊乱,方向发生变化,从
平行排列变成纵、横、斜多向排列。UVB辐射胁迫
下叶绿体结构的破坏是导致胡椒薄荷光合作用降低
的一个重要原因。
从左到右分别自然光对照,015,035W·m-2UVB辐射(Bar=02μm)。
图1 增强UVB辐射对胡椒薄荷叶绿体超微结构的影响
32 增强 UVB辐射对胡椒薄荷叶片主要光合指
标的影响
与自然光对照相比,015,035W·m-2下胡椒
薄荷叶片的光饱和点显著降低,而光补偿点均显著
升高,随着胁迫强度的加深和胁迫时间的延长,胡椒
薄荷叶片的光补偿点升高而光饱和点降低,这样就
大大减弱了胡椒薄荷的光能利用率和对 UVB辐射
胁迫的适应能力,导致最大净光合速率显著下降,对
  胡椒薄荷的生长发育带来了不利的影响(表1)。
UVB辐射增强下胡椒薄荷叶片的表观量子效
率(AQY)显著下降而暗呼吸速率(Rd)显著上升。
与自然光对照相比,015,035W·m-2下 AQY分
别降 低 了 1401%,1889%,Rd 分 别 升 高 了
3679%,4350%。
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表1 增强UVB辐射对胡椒薄荷叶片主要光合指标的影响(珋x±s,n=3)
处理方法
/W·m-2
光补偿点LCP/
μmol·m-2·s-1
光饱和点LSP/
μmol·m-2·s-1
表观量子效率
AQY
暗呼吸速率Rd/
μmol·m-2·s-1
最大净光合速率Pmax
/μmol·m-2·s-1
自然光 17.6±0.37c 464±2.03a 0.0307±0.0002a 0.54±0.017b 13.7±0.058a
UVB0.15 34±0.66b 362±3.46b 0.0264±0.0004b 0.899±0.016a 8.66±0.040b
UVB0.35 37±0.32a 358±9.94b 0.0249±0.0008c 0.922±0.020a 7.74±0.015c
  注:同一列数据中字母不同者表示差异达5%显著水平。
33 增强 UVB辐射对胡椒薄荷叶绿素荧光参数
的影响
未受UVB胁迫处理的样品(自然光对照)原初
光能转化效率 Fv/Fm和类囊体膜上 PSⅡ潜在活性
Fv/Fo相对稳定,在处理时间内其变化幅度不大。经
过 UVB辐射处理后,015W·m-2下 Fv/Fm和
Fv/Fo均表现出先降低后升高的趋势,在处理40d
达到最低值;035W·m-2下Fv/Fm和Fv/Fo在处理
的前10d降低,随后趋于平稳,在处理的最后10d
逐渐升高到与015W·m-2相当的水平(图2)。
图2 增强UVB辐射对胡椒薄荷片叶绿素
荧光参数的影响
从qP和qN的变化曲线可以看出,自然光对照
下胡椒薄荷叶片非光化学猝灭系数 qN和光化学猝
灭系数qP变化不大,随着时间的延长,有缓慢升高
的趋势,015,035W·m-2下qN和qP变化趋势比
较明显。015,035W·m-2下qP均呈现出先降低
后升高的趋势,并且分别在40d和30d达到最低
值,035W·m-2下降幅度更大;015W·m-2下qN
先缓慢升高然后下降,在40d达到峰值,而035W
·m-2下qN则先缓慢降低,在30d达到最低值后
再逐渐升高(图2)。
自然光对照下胡椒薄荷叶片实际光化学效率
ΦPSⅡ和电子传递速率 ERT变化趋势不明显,而
015,035W·m-2下 ΦPSⅡ和 ERT均出现先降低
后上升的趋势,且在 30d达到最低值,035W·
m-2下ΦPSⅡ和ERT下降趋势更明显,下降幅度更
大(图2)。
4 讨论
本实验中,在增强UVB辐射处理下,胡椒薄荷
光饱和点逐渐降低而光补偿点逐渐升高,从而导致
叶片能接受的光合有效辐射范围变窄,最大净光合
速率降低。同时,表观量子效率(AQY)减小,暗呼
吸速率增加,表明胡椒薄荷叶片吸收与转换光能的
色素蛋白复合体可能减少[8],与 Musil[9]的研究结
果一致。
本实验中随着 UVB辐射强度的增强,基粒片
层垛叠越来越松散,基粒类囊体边缘轮廓越来越模
糊,说明UVB辐射对叶片产生了重要的影响。作
为CO2进出的重要器官,气孔在进化过程中的变化
对于研究光合速率的变化有重要意义[10]。通常在
干旱、高温等逆境胁迫下,叶片气孔都有不同程度的
关闭[11]。表皮细胞和气孔结构的破坏以及叶片中
叶绿体基粒数量的多少,片层结构的紧密程度、排列
方式与净光合速率和叶绿体类囊体膜电子传递活性
可能存在密切的联系。
本实验条件下,015,035W·m-2的 qP均比
自然光对照低,015W·m-2下 qN最大。可见,轻
度UVB胁迫时,胡椒薄荷叶片的热耗散能力最强,
在处于紫外辐射的逆境胁迫下,胡椒薄荷能通过增
强自身保护机制来降低光合能力下降的幅度,这也
是在经过一段时间紫外胁迫后 ΦPSⅡ和 ETR逐渐
回升的原因。此外,非胁迫条件下 Fv/Fm的变化极
小,不受物种和生长条件的影响,胁迫条件下该参数
明显下降[1213],是植物受到光抑制的显著特征。自
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然光对照下Fv/Fm和 Fv/Fo基本无变化,015,035
W·m-2的 Fv/Fm和 Fv/Fo均降低,且辐射强度越
大,下降幅度越大,说明受到UVB辐射的胡椒薄荷
受到光抑制的同时,还使胡椒薄荷叶片潜在光化学
活性降低。
本实验证实胡椒薄荷对紫外辐射胁迫有一定的
适应能力,从相同处理下胡椒薄荷药用成分的研究
发现其精油内总黄酮、薄荷醇、薄荷酮、胡薄荷酮等
药用成分大幅上升,说明在紫外辐射偏强的地区,该
品种可作为成本消耗少、经济效益好的药用植物大
面积栽培。
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EfectofenhancedUVBradiationonphotosyntheticstructureand
photosyntheticcharacteristicsofMenthapiperita
WUNengbiao,MAHongqun,HULitao,HONGHong,SUNJinchun,ZHANGYanghuan,DAIDalin
(KeyLaboratoryofEcoenvironmentsinThreeGorgesReservoirRegion(MinistryofEducation),SchoolofLife
Science,SouthwestChinaUniversity,Chongqing400715,China)
[Abstract] Objective:TorevealtheefectsofUVBradiationonthegrowthofmedicalplantMenthapiperita,simulateanen
hancedUVBradiationandevaluateintensityofradiationonthephotosynthesisofM.piperita.Method:ThreediferentlevelsofUV
Bradiationweresetintheexperimentwhichincluded:naturallightcontrol(0W·m-2),lightUVBradiationstress(0.15W·
m-2)andheavyUVBradiationstress(0.35W·m-2).Thechloroplastultrastructure,photosynthesisindexesandchlorophylfluo
rescenceparametersoftheM.piperitawereobservedunderthethreetreatments.Result:Althoughthechloroplastultrastructurewas
destroyedtosomedegreeunderthelightUVBradiationstress,Fv/(F)m,Fv/Fo,qP,ΦPSⅡ andETRcouldresumetothecompara
tivelevelofnaturallightcontrol.Atthesametime,qNincreasedfirstlyanddecreasedthereafter.ButunderthehighstrengthUVB
radiationstress,thephotosyntheticstructureswerebadlydestroyed,whichcouldnotrecoverthroughprotectingmechanismbyitself.
Conclusion:ItwasshowedthatM.piperitawasabletoprotectphotosyntheticstructuresbyincreasingrespirationanddissipationwhen
photosyntheticcapacityreducedunderlightUVBradiationstress.ItisdemonstratedthatM.piperitahashighadaptationtolightUV
Bradiationstress,whichiskindofpromisingmedicalplantforareawithhigherUVBradiation.
[Keyword] Menthapiperita;UVBstress;photosyntheticcharacteristics;chloroplastultrastructure;chlorophylfluorescence
[责任编辑 吕冬梅]
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