低溫與光照對茶樹葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

孔海云 張麗霞* 王日為

(1.山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院，山東泰安 271018;2.作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018;3.山東農(nóng)業(yè)大學應用化學與材料科學學院，山東泰安 271018)

所謂光抑制是指光合結(jié)構(gòu)吸收的光能超過光合作用本身所利用的能量而引起光合效率下降的現(xiàn)象。長時間的光抑制可引起光合機構(gòu)的光氧化破壞。Hodgon等［1］將植物在低溫下發(fā)生的光抑制稱為低溫誘導光抑制(chill-induced photoinhibition)或低溫光抑制(chill-temperature photoinhibition)。低溫是影響許多植物產(chǎn)量和地理分布的一個主要環(huán)境因素。起源于熱帶和亞熱帶的植物對溫度反應尤為敏感，當遇到稍低于其適宜生長溫度時，就會受到低溫傷害，植物發(fā)生冷害的臨界溫度一般在10～12℃，當溫度降至引起冷害的臨界溫度時，光合作用就會受到抑制，而且低溫會增加冷敏感植物和抗冷植物發(fā)生光抑制的可能性［2］，在低溫下冷敏感植物對光強特別敏感，中等光強即可引起嚴重的光抑制。

葉綠素熒光動力學是以光合作用理論為基礎，利用葉綠素熒光作為天然探針［3］，研究和探測植物光合生理狀況及各種外界因子對其細微影響的新型植物活體測定和診斷技術(shù)。葉綠素熒光不僅能反映光能吸收、激發(fā)能傳遞和光化學反應等光合作用的原初反應過程，而且與電子傳遞、質(zhì)子梯度的建立及ATP合成和CO2固定等過程有關(guān)。幾乎所有光合作用過程的變化均可通過葉綠素熒光反映出來，而熒光測定技術(shù)不需破碎細胞，不傷害生物體，因此，該技術(shù)具有快速、對環(huán)境變化十分靈敏和非破壞性等優(yōu)點，是研究植物光合作用的良好探針。

近年來，國內(nèi)外利用葉綠素a熒光動力學方法研究了溫度、水分等環(huán)境因子對多種植物光合作用的影響。而對茶樹的研究主要集中在水分脅迫、高溫、強光等方面，有研究表明光照可以加速低溫引起的茶樹光合作用的降低，但應用葉綠素a熒光參數(shù)來研究和探測低溫對茶樹發(fā)生光抑制的研究還未見報道。因此，本試驗通過研究茶樹在不同低溫光照下葉綠素熒光參數(shù)的變化，從而探明低溫光照對茶樹葉片發(fā)生光抑制的影響，以期為山東冬季茶樹栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為健壯、長勢較一致的福鼎大白一年生無性良種茶籽實生苗，栽種在高242 mm、口部直徑161 mm、底部直徑95 mm的塑料缽中，栽培基質(zhì)配方為草炭∶珍珠巖∶石英砂=2∶1∶1。放置于玻璃溫室內(nèi)培養(yǎng)，期間養(yǎng)分、水分供應充足。

1.2 試驗設計

設溫度和光照兩因素5水平試驗，其中溫度設為:0、5、10、15℃和25℃，其中25℃作 CK，光照強度設為:3、4、6、10、15.5 klx，共計 25 個處理。

1.3 測定方法

1.3.1 材料預處理 將盆栽的茶苗在光照培養(yǎng)箱內(nèi)預培養(yǎng)12 h后，每處理各選取10片生理狀態(tài)較一致成熟葉片(做標記)進行葉綠素熒光參數(shù)測定。

1.3.2 葉片葉綠素熒光參數(shù)的測定及計算方法采用英國Hansatech公司生產(chǎn)的FMS-Ⅱ便攜調(diào)制式熒光儀測定葉綠素熒光參數(shù)。將茶苗葉片暗適應15 min后，采用Fv/Fm模式測定暗適應下茶樹功能葉片的熒光參數(shù)，先照射弱檢測光0.12 μmol·m－2·s－1，測得初始熒光(Fo)，再照射飽和脈沖光4000 μmol·m－2·s－1，測得最大熒光(Fm)，然后計算出暗適應最大可變熒光(Fv=Fm－Fo)、暗適應下PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/Fo);再照射作用光后，分別依次照射檢測光和飽和脈沖光，測得作用光存在時的最大熒光(Fm')，關(guān)閉作用光后，立即照射遠紅光 1.67 μmol·m－2·s－1，測得作用光關(guān)閉后初始熒光(Fo')，光化學猝滅系數(shù)(qP)及穩(wěn)態(tài)下熒光(Fs)，然后計算出光適應下可變熒光(Fv'=Fm'－Fo')、光適應下PSⅡ最大光化學效率(Fv'/Fm')、PSⅡ?qū)嶋H光化學效［ΦPSII=(Fm'－Fs)/Fm'］、非光化學猝滅系數(shù)［qN=(Fm－Fm')/(Fm －Fo')］。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫光照對茶樹葉片F(xiàn)o、Fm的影響

基礎熒光Fo表示PSⅡ反應中心全部開放即原初電子受體QA全部氧化時的熒光水平;最大熒光Fm是PSⅡ反應中心完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量，反映了通過PSⅡ的電子傳遞情況。從圖1－A可以看出，在25℃下幼苗葉片F(xiàn)o幾乎處在同一水平，變化幅度極小，但在低溫脅迫下呈現(xiàn)遞增趨勢，且在同一光照強度下，隨著處理溫度的降低，F(xiàn)o逐漸升高。表明低溫光照使PSⅡ反應中心破壞或可逆失活。圖1－B中Fm在25℃下變化不明顯，隨著光照的增強呈略微上升趨勢，但在低溫10、5、0℃脅迫下呈現(xiàn)明顯遞減趨勢，光照越強，則下降幅度越大;另外，在5℃和0℃、光照在3～10 klx時，F(xiàn)m急劇下降，隨后下降趨勢緩慢。

2.2 低溫光照對茶樹葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo的影響

Fv/Fm和Fv/Fo的比值分別代表PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率和PSⅡ的潛在活性，F(xiàn)v/Fm下降是光合作用光抑制的重要特征。從圖1－C可以看出，F(xiàn)v/Fm值在25℃條件下，基本維持在0.83左右，保持穩(wěn)定水平;當光照為3 klx，在不同低溫下，該參數(shù)下降幅度極小，基本保持在0.80左右，光抑制不明顯，隨著光照的增強，F(xiàn)v/Fm下降越明顯;在0℃、3 klx～10 klx之間呈現(xiàn)明顯的急劇下降趨勢，而10 klx以后，下降趨勢略緩，這可能與此時茶苗已經(jīng)發(fā)生凍害，反應機制受損有關(guān);在0℃、15.5 klx時，F(xiàn)v/Fm下降到0.60，光抑制程度最大;由圖1－D可知，F(xiàn)v/Fo變化趨勢與Fv/Fm相似。這說明低溫光照降低了茶苗PSⅡ的原初光能轉(zhuǎn)化效率和潛在活性，使茶樹PSⅡ反應中心受到傷害。

2.3 低溫光照對茶樹葉片ΦPSII、Fv'/Fm'的影響

ΦPSII常用來表示植物光合作用電子傳遞的量子產(chǎn)額，可作為植物葉片光合電子傳遞速率快慢的相對指標;Fv'/Fm'代表了光適應下PSII最大光化學量子產(chǎn)率，或者表征在實際光適應條件下PS反應中心原初光能捕獲效率，它反映有熱耗散存在時PSII反應中心完全開放時的光化學效率。從圖1－E可以看出，ΦPSII值在25℃條件下，隨著光照的增強而呈上升趨勢，但在低溫下，隨著光照的增強而下降，且在同一光照下，隨著溫度降低而下降;由圖1－F可知，F(xiàn)v'/Fm'變化趨勢與ΦPSII相似，且在同一光照下，隨著溫度下降，F(xiàn)v'/Fm'下降幅度較大。由以上分析可知，低溫光照降低了茶苗葉片光合電子傳遞速率及光適應下PSII最大光化學效率。

2.4 低溫光照對茶樹葉片qP、qN的影響

熒光猝滅是葉綠體耗散能量的一種途徑，分為光化學猝滅qP和非光化學猝滅qN兩種。從圖1－G可以看出，qP在25℃下，隨著光照的增強而上升，但在低溫脅迫下呈現(xiàn)明顯下降趨勢，在0℃條件下降幅度最大，且在同一光照下，隨著溫度的降低而下降，同時，光照越強，下降幅度越大;從圖1－H可以看出，qN值與qP值變化趨勢相反，在25℃條件下，隨著光照的加強而降低，而在低溫脅迫下呈上升趨勢，且在同一光照條件下，隨著溫度的降低而上升。

3 討論

葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm在非脅迫條件下變化極小，一般在0.83左右［4］，不受物種和生長條件的影響，而脅迫條件下該參數(shù)明顯下降。因此，在光抑制中常以葉綠素熒光Fv/Fm比值的下降作為衡量光抑制的指標。本研究結(jié)果表明:茶樹葉片在25℃下，F(xiàn)v/Fm基本維持在0.83左右，保持穩(wěn)定水平，未受到光抑制;在15℃下，F(xiàn)v/Fm有輕微下降趨勢，隨著處理溫度的下降，該參數(shù)在不同光強下呈現(xiàn)不同程度的下降，且溫度越低，茶苗產(chǎn)生光抑制所需的光強越小。這說明低溫誘導了光合作用光抑制，這可能與低溫降低了植株 1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)、果糖-1，6-二磷酸酶(FBPase)和景天庚酮糖-1，7-二磷酸酶(SBPase)等碳代謝酶的活性以及核酮糖1，5-二磷酸(RuBP)再生速率有關(guān)［5］。

低溫光照下熒光產(chǎn)量顯著降低，表明低溫光照脅迫使茶樹葉片PSⅡ活性中心受損，光合作用原初反應過程受抑制，光合電子由PSⅡ反應中心向質(zhì)體醌(QA、QB及PQ)庫傳遞過程受到影響，不利于激發(fā)能從天線色素蛋白復合體(LHC)向PSⅡ傳遞。本研究的結(jié)果表明，低溫光照能使熒光參數(shù)ΦPSⅡ下降，表明低溫脅迫使光合電子傳遞過程受抑制和損傷，光合電子傳遞速率下降，光合作用強度減弱。這與在楊梅［6］、黃瓜［7］、辣椒［8］、甜瓜［9］、西瓜［10］等植物方面的研究結(jié)果一致。

隨著低溫光照逆境程度的加劇，qP呈現(xiàn)下降趨勢而qN呈上升趨勢。qP與PSII的光化學反應有關(guān)，反映了PSⅡ原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)，qP下降表明低溫光照下PSII的電子傳遞活性減小，從而使茶樹光合碳同化能力受到影響;qN指由非輻射能量耗散等引起的熒光猝滅，qN上升說明茶樹幼苗通過耗散多余能量以保護光合機構(gòu)免受低溫傷害的能力增強。

綜上所述，本模擬試驗通過對茶苗在不同低溫光照下葉綠素熒光參數(shù)變化的研究，探明了茶苗在不同低溫及光強條件下發(fā)生光抑制的情況。這為合理判斷北方茶區(qū)秋冬及早春低溫條件下發(fā)生光抑制和光損傷的情況提供理論依據(jù)，進一步指導北方茶樹安全越過低溫期。

圖1 不同低溫光照對茶苗葉綠素熒光參數(shù)的影響Fig 1 Effects of different low temperature and light on chlorophyll fluorescence kinetics Parameters in tea seedlings

1 Hodgon R.A.J.，Orrg R.，Raison J.K..Inhibition of photosynthesis by chilling in the light［J］.Plant.Sci.，1987，49:75 － 79.

2 Hetherington S.E.，He J.，Smillie R.M..Photoinhibition at low temperature in chilling sensitible and resistant plants［J］.Plant Physiol.，1989，90:1609 －1615.

3 張守仁.葉綠素熒光動力學參數(shù)的意義及討論.植物學通報，1999，16(4):444 －448.

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