淹水條件下不同pH值對2種丁香葉綠素熒光特性的影響

孫乃東，李 航，齊 飛，王美杰，張會慧，田 野，王 娟，王晶英

（東北林業(yè)大學 生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

淹水條件下不同pH值對2種丁香葉綠素熒光特性的影響

孫乃東，李 航，齊 飛，王美杰，張會慧，田 野，王 娟，王晶英

（東北林業(yè)大學 生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

為了研究丁香屬植物在淹水條件下對酸堿脅迫的響應，以紫丁香Syringa oblata和小葉丁香Syringa microphylla為試驗材料，在盆栽淹水環(huán)境下研究了5種pH值條件對2種丁香葉綠素含量及葉綠素熒光特性的影響。結(jié)果表明：淹水時，紫丁香在堿性脅迫條件下相對葉綠素含量降低得最快，2種脅迫下受到的光抑制程度較強，在酸性脅迫條件下光合電子傳遞速率較慢，熱耗散變化程度不明顯；小葉丁香在酸性脅迫條件下相對葉綠素含量降低得最快，熱耗散升高較快，2種脅迫下受到的光抑制程度較弱，光合電子傳遞速率較慢；在淹水條件下，紫丁香的抗酸性較強，小葉丁香的抗堿性較強。

丁香屬；淹水脅迫；酸堿脅迫；葉綠素熒光

水分是植物生長的必要條件之一，但是過多的水分會對旱生植物造成嚴重的影響，使植物因根系缺氧而死亡[1]。土壤pH值對植物營養(yǎng)元素的吸收、植物細胞內(nèi)的代謝活動、氣孔的開閉和葉綠素熒光特性都有著重要的影響[2]。葉綠素熒光是電子從第一單線態(tài)回到基態(tài)所釋放出的光能，其變化能夠反映光合結(jié)構(gòu)的狀況[3]，因此，葉綠素熒光被稱為光合作用的探針而被廣泛應用于實驗研究[4-5]。丁香屬Syringa植物屬于木犀科灌木或小喬木，大量分布于我國西南、西北、華北和東北等地區(qū)，因其獨特的芳香和繁茂的花絮而成為園林綠化中不可缺少的花木。在我國東北地區(qū)，年際間的降水差異以及三江平原的沼澤濕地等地形特點對土壤含水量造成了一定的影響[6-7]。近年來東北工業(yè)正穩(wěn)步發(fā)展，但控制污染排放能力較弱，僅2008年工業(yè)SO2排放量就達到了175 000 t[8]，造成土壤酸堿度的變化，使得丁香處于淹水和酸堿的雙重脅迫之下。迄今有關丁香的研究主要集中在其種植栽培以及丁香提取物的藥理作用方面[9]，有關丁香葉綠素熒光特性的研究，特別是淹水和酸堿雙重脅迫條件下丁香的葉綠素熒光特性研究鮮有報道。本實驗對紫丁香Syringa oblata和小葉丁香S. microphylla在不同pH值下進行淹水培養(yǎng)，根據(jù)相對葉綠素含量和葉綠素熒光特性研究淹水條件下不同pH值對其產(chǎn)生的影響，為濕地丁香的廣泛栽培提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料為1年生紫丁香和小葉丁香幼苗，苗高30～40 cm，于2013年8月1日移入盆中，盆高30 cm，以河沙為基質(zhì)，在東北林業(yè)大學生命科學學院實驗區(qū)培養(yǎng)，以1倍Hoagland營養(yǎng)液澆灌培養(yǎng)。

1.2 處理方法

處理期間每天用NaOH和HCl分別調(diào)整1倍Hoagland營養(yǎng)液的pH值，按4.0、5.5、7.0、8.5、10.0的順序排列并標記紫丁香為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5，小葉丁香為 X1、X2、X3、X4、X5，每個處理2盆，每盆3株，培養(yǎng)2周，第3周開始淹水處理，采用雙套盆法，保持水面高于沙層2 cm并維持營養(yǎng)液pH值梯度。分別在淹水脅迫處理第1、4、7天進行測定，每個指標測定3次。

1.3 測定項目和方法

生長情況測各株萎蔫率。相對葉綠素含量采用CCM-200型葉綠素測定儀（Opti-Science公司，美國）測定。葉綠素熒光參數(shù)采用FMS-2型便攜式調(diào)制熒光分析儀（Hansatech公司，英國）測定。選取距離頂端第2和第3枚外形良好經(jīng)過充分光照的葉片，暗適應30 min后分別測定初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）、光合電子傳遞速率（ETR）和非光化學猝滅系數(shù)（qNP）。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計方法

用Excel和DPS對所測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，表中數(shù)據(jù)為處理后平均值±標準差（SE），采用單因素試驗統(tǒng)計分析方法比較不同組之間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水條件下不同pH值對2種丁香幼苗生長情況的影響

由表1可知，處理第4天時紫丁香強酸（Z1）、強堿（Z5）與中性（Z3）處理相比差異均顯著，并且堿性條件下萎蔫率最高，而小葉丁香各組之間差異不顯著。處理第7天時紫丁香堿性條件（Z4、Z5）與其它各組之間差異顯著，并且小葉丁香堿性條件（X4、X5）與紫丁香酸性條件（Z1）相比差異不顯著。

表1 淹水條件下不同pH值對2種丁香幼苗萎蔫率的影響?Table 1 Effects of different pH on two clove seedlings wilting rate under waterlogged conditions

2.2 淹水條件下不同pH值對2種丁香幼苗相對葉綠素含量的影響

本實驗脅迫過程中紫丁香和小葉丁香各處理的相對葉綠素含量變化如表2所示。紫丁香Z1、Z4、Z5在4 d時相對葉綠素含量升高，Z2無明顯變化，但與1 d相比差異均不顯著，唯有Z1葉綠素含量升高最多，與其他4組相比差異顯著；7 d時所有處理相對葉綠素含量均降低，其中只有堿性條件下Z5與4 d時相比降低差異顯著。小葉丁香整體相對葉綠素含量水平要高于紫丁香，處理1 d時X1與X3相比無明顯差異，而X5與X3相比差異顯著；處理4 d時X1無明顯變化，X3與X5均有顯著降低；處理7 d時X1仍無明顯變化。

2.3 淹水條件下不同pH值對2種丁香幼苗葉片初始熒光（Fo）和最大熒光（Fm）的影響

Fo為PSⅡ反應中心處于完全開放時的最大熒光產(chǎn)量，反映了PSⅡ反應中心的穩(wěn)定性。Fm是PSⅡ反應中心處于完全關閉時的熒光產(chǎn)量，反映了PSⅡ反應中心的電子傳遞情況[10]。由圖1可知，紫丁香Fo在處理過程中隨著脅迫時間的增加表現(xiàn)出整體升高的趨勢，其中1 d時Z3的Fo最大；到達4 d時Z1和Z5的升高與其它各組差異顯著，而Z3的升高幅度最小，僅升高了13.27%；7 d時Z4升高了68.03%，Z1升高了39.16%。Fm隨著脅迫時間的增加則表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，其中1 d時Fm的整體水平在900左右，Z2和Z4與其他各組差異顯著；到4 d時Z3升高幅度最大達到了18.86%，Z2升高了14.35%，Z1、Z4和Z5之間差異并不明顯；7 d時各處理的Fm顯著降低，Z4降低了40.74%，與其它各組相比差異顯著。

表2 淹水條件下不同pH值對2種丁香幼苗相對葉綠素含量的影響Table 2 Effects of different pH on two clove seedlings’relative chlorophyll content under waterlogged conditions

由圖2可知小葉丁香Fo隨著脅迫時間的增加有升高的趨勢，但各處理之間的差異不顯著。而大部分Fm隨著脅迫時間的增加表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，4 d時X3降低了37.33%，與其他各組差異顯著，X1、X2、X5到7 d時明顯降低。

圖1 淹水條件下不同pH對紫丁香幼苗葉片初始熒光（Fo）和最大熒光（Fm）的影響Fig.1 Effects of different pH on S. aoblata seedlings minimal initial fl uorescence and maximal fl uorescence under waterlogged conditions

圖2 淹水條件下不同pH值對小葉丁香幼苗葉片初始熒光（Fo）和最大熒光（Fm）的影響Fig.2 Effects of different pH on S. microphylla seedlings minimal initial fl uorescence(Fo) and maximal fl uorescence(Fm)under waterlogged conditions

2.4 淹水條件下不同pH值對2種丁香幼苗葉片PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）的影響

Fv/Fm是PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量，反映了最大PSⅡ的光能轉(zhuǎn)換效率，是衡量光抑制程度的良好指標。

由圖3可知，紫丁香和小葉丁香Fv/Fm在1 d時各處理之間無明顯差異；4 d時紫丁香各組Fv/Fm都有不同程度的降低，Z1和Z5分別降低了3.55%和3.53%，與其他各組相比差異顯著。小葉丁香隨著脅迫時間的增加，F(xiàn)v/Fm整體降低的比較明顯，其中X3降低的幅度最大達到了15.00%；7 d時紫丁香Fv/Fm整體明顯降低，其中Z4降低了35.27%，其值達到了0.65，小葉丁香除X3、X4以外都有明顯降低。

圖3 淹水條件下不同pH值對2種丁香幼苗葉片最大光化學效率（Fv/Fm）的影響Fig.3 Effects of different pH on two clove seedlings Fv/Fm under waterlogged conditions

2.5 淹水條件下不同pH值對2種丁香幼苗葉片光合電子傳遞速率（RETR）的影響

RETR表示光照條件下的表觀電子傳遞效率，可以反映出PSⅡ原初光能的捕獲和光電子傳輸能力。

由圖4可知紫丁香和小葉丁香RETR隨著脅迫時間的增加各組整體表現(xiàn)出降低的趨勢，1 d時紫丁香Z4的值最低，達到了3.70；Z5的值最高，達到了4.40。小葉丁香X3的值最低，達到了3.11，Z1的值最高，達到了4.23；4 d時紫丁香除Z5外各組之間無明顯差異，小葉丁香除X2外各組之間無明顯差異；7 d時紫丁香Z2降低幅度最大達到了32.15%，小葉丁香X1和X5變化明顯，分別降低了23.49%和20.20%，X2和X4僅降低了7.17%和4.93%。

圖4 淹水條件下不同pH值對紫丁香和小葉丁香幼苗葉片光合電子傳遞速率（RETR）的影響Fig.4 Effects of different pH on two clove seedlings RETR under waterlogged conditions

2.6 淹水條件下不同pH值對2種丁香幼苗葉片非光化學猝滅系數(shù)（qNP）的影響

qNP反映了PSⅡ天線色素吸收的光能不進行光合電子傳遞而是以熱耗散的形式消耗掉的部分。

由圖5可知，紫丁香和小葉丁香qNP隨著脅迫時間的增加整體表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，但降低不明顯。1 d時紫丁香Z3和Z4的值最高，分別達到了0.52和0.54，與其它各組相比差異顯著，小葉丁香X3的值最高達到了0.64；4 d時紫丁香和小葉丁香qNP明顯升高，紫丁香各組升高了35.77%～72.52%，但總體水平差異不明顯，小葉丁香X1升高幅度最大達到了45.06%，X4升高了24.38%，各組之間X2的值最低，為0.62；7 d時紫丁香相對平穩(wěn)，小葉丁香除X2明顯降低了11.75%外，其他各處理相對平穩(wěn)。

3 討論與結(jié)論

圖5 淹水條件下不同pH值對紫丁香和小葉丁香幼苗葉片非光化學猝滅系數(shù)（qNP）的影響Fig.5 Effects of different pH on two clove seedlings qNP under waterlogged conditions

葉綠素含量是反應植物生理狀態(tài)和光合作用強度的重要特征之一[11]。大量實驗結(jié)果表明，在受到脅迫時，植物體內(nèi)葉綠素會遭到不同程度的破壞，導致了葉綠素含量的降低[12]。本實驗中紫丁香各處理呈先升高后降低的趨勢，并且在堿性（Z5）條件下相對葉綠素含量降低得最快；小葉丁香各處理在初期就呈現(xiàn)出降低的趨勢，并且在酸性（X2）條件下相對葉綠素含量降低得最快。可能是由于2種丁香在受到酸堿脅迫時，活性氧平衡受到破壞，使細胞內(nèi)積累了較多的氧自由基，破壞葉綠體膜結(jié)構(gòu)，加速葉綠素的分解[13]，并且堿脅迫對紫丁香破壞性較強，酸脅迫對小葉丁香破壞性較強。在植物體中，葉綠素是植物進行光合作用的主要化學物質(zhì)，葉綠素含量的降低勢必會影響植物光合作用的正常進行[14]。葉綠素熒光動力學技術被稱為研究植物光合功能的快速、無損傷探針[15]，在鑒定評價作物的耐逆境能力如耐旱性、耐寒性、耐鹽性等方面的應用越來越多[16]，葉片葉綠素熒光與光合作用中各種反應過程密切相關，同時也反映了環(huán)境因子對光合作用的影響[17-19]。

本實驗結(jié)果表明，紫丁香和小葉丁香隨著處理時間的延長，初始熒光整體呈現(xiàn)出升高的趨勢，其中紫丁香在酸性（Z1）和堿性（Z4）條件下升高得最快，小葉丁香各處理之間無明顯差異。最大熒光紫丁香整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，堿性（Z4）條件下降低得最快，小葉丁香則直接呈現(xiàn)降低的趨勢。最大光化學效率2種丁香隨著處理時間的延長都呈現(xiàn)出降低的趨勢，其中紫丁香在堿性（Z4）條件下降低得最快，小葉丁香各組之間差異不顯著。說明酸堿下丁香葉片發(fā)生了光抑制，而使PSⅡ反應中心活性降低，其中紫丁香在酸堿脅迫條件下受到的抑制程度最強，小葉丁香在酸堿脅迫條件下受抑制程度較弱。光合電子傳遞速率紫丁香在酸性（Z2）條件下降低明顯，小葉丁香在酸性（X1）條件和堿性（X5）條件下降低明顯。說明酸堿脅迫使葉片的電子傳遞受阻，PSⅡ反應中心無法正常接受光量子，使光量子積累而產(chǎn)生過剩的激發(fā)能，引起了光抑制現(xiàn)象，同時也使丁香幼苗葉片的同化力(NADPD和ATP)合成受阻，影響光能的轉(zhuǎn)化效率，其中紫丁香在酸性脅迫條件下受到的抑制程度較強，小葉丁香在酸堿脅迫條件下受到的抑制程度都比較強。2種丁香的非光化學猝滅系數(shù)都呈現(xiàn)出升高的趨勢，小葉丁香在酸性（X1）條件下升高最快，說明淹水和酸堿雙重脅迫破壞了丁香葉片的光合電子傳輸能力，光能用于光化學反應的比例降低，丁香幼苗通過增加熱耗散的比例來減輕過剩激發(fā)能對PSⅡ反應中心的傷害，但相對于淹水脅迫，酸堿脅迫對丁香熱耗散的增加影響較小。

綜上所述，淹水時，紫丁香在堿性脅迫條件下相對葉綠素含量降低得最快，在酸堿脅迫條件下受到的光抑制程度較強，在酸性脅迫條件下光合電子傳遞速率最慢，熱耗散變化程度不明顯；小葉丁香在酸性脅迫條件下相對葉綠素含量降低得最快，熱耗散升高較快，在酸堿脅迫條件下受到的光抑制程度較弱，光合電子傳遞速率較慢。比較2種丁香、紫丁香在堿性脅迫中變化幅度較大，小葉丁香在酸性脅迫中變化幅度較大。因此，在淹水條件下，紫丁香的抗酸性較強，小葉丁香的抗堿性較強。

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Effects of pH on chlorophyll fl uorescence characteristics of twoSyringaunder water-logging stress

SUN Nai-dong, LI Hang, QI Fei, WANG Mei-jie, ZHANG Hui-hui, TIAN Ye, WANG Juan, WANG Jing-ying
(College of Life Science, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

In order to study the responses ofSyringato acid and alkali stress under the condition of water-logging stress,Syringa oblataandSyringa microphyllawere taken a the tested materials, the potted culture experiments were conducted and the effects of 5 kinds of pH conditions on the chlorophyll content and chlorophyll fl uorescence characteristics ofS.oblataandS.microphyllawere studied. The results show that under the stress of water-logging,S.oblata’s relative chlorophyll content decreased with fastest speed under alkaline stress, the extent of photoinhibition was strong under two stresses, the photosynthetic electron transfer rate was slower under acidic stress, no signif i cant changes in heat dissipation;S.microphylla’s relative chlorophyll content decreased fastest under acidic stress, the heat dissipation increased fastest, the extent of photoinhibition was weaker under two stresses. Acid resistance ofS. oblata’s was strong and the alkaline resistance ofS.microphylla’s was strong under the stress of water-logging.

Syringa; water-logging stress; acid and alkali stress; chlorophyll fl uorescence

S718.43；Q945.1

A

1673-923X(2014)09-0044-05

2014-01-10

哈爾濱市優(yōu)秀學科帶頭人項目（2012RFXXN085）

孫乃東（1988-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要從事植物營養(yǎng)生理與分子生物學方面研究；E-mail：soulnana@163.com

王晶英（1960-），女，黑龍江密山人，教授，博士，碩士研究生導師，主要從事植物營養(yǎng)方面研究；

E-mail：wangjingying801@163.com

[本文編校：謝榮秀]