金邊黃楊和大葉黃楊的光能吸收分配特征及其機制分析

張開明,王 珂,祝亞軍,李永華,李永剛

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450002；3.郟縣農(nóng)業(yè)局，河南 平頂山 467100 )

斑葉植物是指植物葉面上呈現(xiàn)出異色斑點或條紋的植物[1]，因具有較高的觀賞價值而被廣泛應(yīng)用于城市綠化中.葉片特殊斑塊的形成與葉綠素及花色素等色素含量或成分發(fā)生有關(guān)，其中黃、白斑主要由葉綠素a和葉綠素b的降解引起，而橙至紅斑則是由于類胡蘿卜素和花色素的積累引起.研究表明大部分彩葉植物的葉片中基粒發(fā)育不良，LHCⅡ色素蛋白復(fù)合物的單體和三聚體明顯減少，突變體的天線系統(tǒng)相對較小、捕光效率較低，且PSⅡ活性低于正常綠色葉片[2].彩葉植物的光合能力一般較綠色植物低，通常認為是由葉色突變減少了捕光色素蛋白復(fù)合體的含量，因而影響到光系統(tǒng)Ⅱ供體側(cè)的穩(wěn)定性而造成的[3].外部環(huán)境因素(光照、溫度、水分等)對植物葉片色素含量具有顯著地影響，已有研究表明，許多斑葉植物的斑點(塊)在強光下較為清晰，而遮陰或者光照不足時則斑點(塊)面積比例減小甚至完全消失[4,5]，這表明斑塊的出現(xiàn)有可能是對強光的一種防御機制.而斑葉植物葉片的斑點(塊)區(qū)域葉綠素含量往往顯著減少，如花葉芒(Miscanthussinensis‘Varigatus’)[5]和秋海棠(Begonia)[6]等，從而削弱了葉片的光合能力[7].大葉黃楊(Euonymusjaponica)在栽培過程中因葉片葉綠素含量減少而形成了一個栽培品種金邊黃楊(E.japonicacv. Aure-ma)，其葉片邊緣能較長時間地呈現(xiàn)金黃色，為園林綠化中用途非常廣泛的一種斑葉植物.莊猛等[7]研究表明金邊黃楊總?cè)~綠素含量極顯著低于大葉黃楊.還有報道認為花葉類植物的白色或黃色部分幾乎沒有光合能力，而只是作為葉片光合作用產(chǎn)物的一個“庫”[8,9]，然而金邊黃楊的黃色邊緣區(qū)域的光合特性尚不清楚.因此，本研究對金邊黃楊黃色邊緣區(qū)域的光合特性進行探討，旨在為斑葉植物光合特性的栽培生產(chǎn)及園林應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1材料

本試驗采用5 a生，長勢一致的金邊黃楊和大葉黃楊健康植株為材料.

1.2方法

試驗選用金邊黃楊與大葉黃楊植株的2 a生枝條第2對長勢一致的葉片為材料，進行色素、葉黃素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定和切片觀察.

光抑制試驗用金邊黃楊與大葉黃楊的離體葉片進行處理：所有葉片先置于正常的環(huán)境中(溫度為25 ℃，光照為400 μmol·m-2·s-1)，穩(wěn)定2 h后，再置于模擬光抑制環(huán)境中(溫度為13 ℃，光照為1 000 μmol·m-2·s-1)，4 h后，再放置在正常環(huán)境中恢復(fù)3.5 h.整個過程保證葉柄基部一直處于水中，并分別在光抑制前、光抑制后、恢復(fù)后測定葉綠素?zé)晒鈪?shù).

1.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

葉片暗適應(yīng)30 min后，用Imaging-PAM(Walz公司，德國)調(diào)制式熒光成像系統(tǒng)，以LED作為光源測定葉綠素?zé)晒鈪?shù).

試驗所用光化光和飽和脈沖光的光合有效輻射(Photosynthetic Active Radiation PAR)分別為185 μmol·m-2·s-1和4 000 μmol·m-2·s-1葉片吸光值直接測定讀數(shù)；參照AIT等[10]的方法計算光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)量子效率(ΦPSⅡ)，可調(diào)節(jié)的能量耗散量子效率，即非光化學(xué)量子效率(ΦNPQ)，不可調(diào)節(jié)的能量耗散量子效率(ΦNO)等參數(shù)；參照KOOTEN等[11]的方法計算暗適應(yīng)下PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm).

1.4色素含量測定

采用ARNON[12]的方法，用直徑為0.864 cm的打孔器在每片葉上取5片樣品，測定葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和類胡蘿卜素(Car)含量.用80 % 丙酮提取，UV-2410 PC分光光度計(Shimadzu公司，日本)分別測定445,644和662 nm處的吸光值，并計算葉綠素和類胡蘿卜素的含量.

1.5葉黃素含量測定

分別取金邊黃楊與大葉黃楊葉片的綠色區(qū)域和金邊黃楊的黃色邊緣進行葉黃素各組分含量的測定.葉黃素循環(huán)色素(紫黃質(zhì)V，Violaxanthin；環(huán)氧玉米黃質(zhì)A，Anroxanthin；玉米黃質(zhì)Z，Zeaxanthin)用丙酮在黑暗中研磨提取2 500 g離心10 min后，上清液用FA 0.45 pm的微孔濾膜過濾，采用THAYER等[13]的方法用高效液相色譜法測定.葉黃素循環(huán)的脫環(huán)氧化程度用(A+Z)/(V+A+Z)表示.

1.6顯微切片

從金邊黃楊的植株上取正常健康的葉片，用鋒利的雙面刀片切成約50 μm寬的切片，以水封片，用正置熒光顯微鏡(Leica MZ 95，德國)觀察，用彩色相機(Leica DFC 300FX，德國)輸出圖像，背景用Adobe Photoshop 7.0(Adobe System，美國)處理.

1.7統(tǒng)計分析

所有數(shù)值均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，每測定重復(fù)5次，采用DPS3.01軟件進行分析，用鄧肯測驗進行差異顯著性分析(P<0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1金邊黃楊與大葉黃楊色素含量和光能吸收差異

金邊黃楊與大葉黃楊其不同區(qū)域的葉綠素含量差異如表1所示.就綠色區(qū)域來說，金邊黃楊的各色素(Chla ，Chlb和Car)含量均顯著低于大葉黃楊，但Chla/b和Car/Chl(a+b)比值在金邊黃楊與大葉黃楊間無顯著差異;就金邊黃楊的黃色和綠色區(qū)域來說，各色素(Chla，Chlb和Car)含量在黃色區(qū)域均顯著降低，但各組分色素降低的程度不同，Chlb僅減少了19%，而Car和Chla分別減少了97%和83%，因此，金邊黃楊黃色區(qū)域的Chla/b和Car/Chl(a+b) 比值極顯著低于其綠色區(qū)域和大葉黃楊.結(jié)果表明，金邊黃楊與大葉黃楊之間的光合物質(zhì)基礎(chǔ)在量上存在顯著差異，而在金邊黃楊的黃色邊緣區(qū)域，Chla和Car 功能顯著衰退，僅保留部分Chlb的功能.

表1 金邊黃楊與大葉黃楊不同部位的葉綠素和類胡蘿卜素含量

為進一步探討金邊黃楊黃色邊緣色素含量變化帶來的影響，本研究分析了金邊黃楊與大葉黃楊其不同區(qū)域在光能的吸收和反射方面的差異(圖1).由圖1看出,金邊黃楊綠色區(qū)域的吸光系數(shù)和發(fā)射率與大葉黃楊差別不大，但金邊黃楊的黃色邊緣區(qū)域吸光系數(shù)較綠色區(qū)域顯著降低，而反射率則顯著增加，與表1的結(jié)果一致.同時，金邊黃楊的葉片橫切面(圖2)表明，黃色邊緣區(qū)域葉肉細胞無柵欄組織和海綿組織之分，且細胞間排列緊密，所以橫切面顯著變薄，減少了葉片對光能的吸收.此外，柵欄組織含有較多的葉綠素，在葉片光合作用中起到重要作用[14]，植物在遭受脅迫或葉色發(fā)生變異時，柵欄組織較海綿組織易受到影響[15].因此,本研究中金邊黃楊部分柵欄組織退化，葉肉細胞間隙變小，排列緊密可能是在栽培過程中，降低其光合能力，這可能是對環(huán)境強光的一種適應(yīng).

圖1 金邊黃楊和大葉黃楊對光能的吸光和反射的比較

2.2金邊黃楊與大葉黃楊的光能分配差異

基于金邊黃楊的色素含量和光能吸收反射等差異，對金邊黃楊與大葉黃楊間的光能分配利用情況進行了分析測定(圖3).在經(jīng)過充分的暗適應(yīng)之后，用Imaging-PAM在相同的光化光下(185 μmol·m-2·s-1)對金邊黃楊與大葉黃楊的葉片激發(fā)300 s后，植物吸收的光能已經(jīng)基本穩(wěn)定地分為3部分：光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換(ФPSⅡ)；調(diào)節(jié)性的熱耗散(ФNPQ)；非調(diào)節(jié)熱耗散(ФNO).在相同的PAR(185 μmol·m-2·s-1)下，隨時間的延長，2者的非調(diào)節(jié)熱耗散(ФNO)無顯著差異(約為0.2)，表明金邊黃楊與大葉黃楊均未受到明顯的光損傷.但2者用于光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)性能量耗散的比例明顯不同，大葉黃楊葉片將吸收的能量主要用于轉(zhuǎn)化為光化學(xué)反應(yīng)(ФPSⅡ)，而金邊黃楊的正常綠色部分則主要將能量用于調(diào)節(jié)性的熱耗散(ФNPQ).結(jié)果表明，金邊黃楊的光化學(xué)效率雖然較低，但熱耗散及光保護能力較強.

圖2 顯微鏡下金邊黃楊的橫切面

2.3金邊黃楊與大葉黃楊的葉黃素循環(huán)庫差異

金邊黃楊的綠色區(qū)域較大，葉黃楊具有較高的熱耗散效率(ФNPQ)，那么是否與葉黃素循環(huán)有關(guān)，本研究又比較了金邊黃楊與大葉黃楊各個部位的葉黃素含量.由表2看出，葉黃素的各組分含量未能檢測出來，這是由于金邊黃楊黃色邊緣部分的Car含量極低的緣故(表1)；而金邊黃楊的綠色區(qū)域雖然具有和大葉黃楊同等程度的脫環(huán)氧化能((A+Z)/(A+Z+V))，但其葉黃素循環(huán)庫(A+Z+V)總含量卻顯著高于大葉黃楊，因此，可能使金邊黃楊的熱耗散效率(ФNPQ)較高.

圖3 金邊黃楊和大葉黃楊(綠色區(qū)域)光能分配的差異

表2金邊黃楊與大葉黃楊不同部位的色素組成

Table2PigmentcompositionofE.japonicacv.Aureo-maandE.japonicaindifferentareas

材料Material區(qū)域Area葉黃素循環(huán)庫/(ug·g-1)A+Z+V脫環(huán)氧化程度(A+Z)/(Z+A+V)金邊黃楊E．Japonicacv．Aureo?ma黃色部分綠色部分———679．77±79．38a———0．06±0．01a大葉黃楊E．Japonica綠色部分566．20±12．30b0．06±0．001a

2.4金邊黃楊與大葉黃楊的光抑制及恢復(fù)的差異

根據(jù)以上結(jié)果分析推測：金邊黃楊較大葉黃楊具有較好的光保護能力.為了證明這一推斷，本研究仍選用2 a生枝條上的第2對葉片進行光抑制處理4 h，之后恢復(fù)3.5 h；同時測定Fv/Fm值.結(jié)果表明，處理前，金邊黃楊與大葉黃楊的Fv/Fm均無顯著差異；光抑制處理后，金邊黃楊與大葉黃楊均發(fā)生顯著的光抑制現(xiàn)象(Fv/Fm顯著下降)，且抑制程度相近(均下降了8 %左右，金邊黃楊與大葉黃楊無顯著差異)，但在恢復(fù)3.5 h之后，金邊黃楊可恢復(fù)至處理前水平，而大葉黃楊僅恢復(fù)至處理前的82.92%. 此表明，相對大葉黃楊，金邊黃楊在試驗的光抑制環(huán)境下，雖未表現(xiàn)出較強的光保護能力，但對光抑制過程中的傷害修復(fù)能力較強.

3 討論

光雖然是植物光合作用所必需的，但當(dāng)植物吸收的光能超出所能利用的范圍時，會導(dǎo)致光合功能降低，表現(xiàn)為量子效率和光能量轉(zhuǎn)換效率降低，即光合作用的光抑制[16].植物在長期的進化中也形成了許多相應(yīng)的防御和抵抗機制：首先是減少光能吸收(如改變?nèi)~片伸展方向和表面結(jié)構(gòu)，減少葉綠素含量等)；其次是改變光能的分配利用情況(如降低光化學(xué)能量、增強熱耗散等)；最后是增強抗氧化防御系統(tǒng)(包括酶促和非酶促2種)[17].

本研究中，金邊黃楊的黃色邊緣部分帶來的主要影響源于葉綠素和類胡蘿卜素的改變，因此，其光能的吸收和分配利用也可能發(fā)生了很大的變化.

金邊黃楊的黃色區(qū)域色素含量(Chla,Chlb和Car)顯著低于正常的綠色區(qū)域，因此，葉片對光能的吸收和光合作用將顯著降低. 本研究結(jié)果表明，金邊黃楊的黃色邊緣區(qū)域在光能吸收方向存在顯著障礙，吸光值幾乎為0. 同時，金邊黃楊的黃色邊緣區(qū)域?qū)饩€的反射相較綠色區(qū)域大大增加. 同時，黃色邊緣區(qū)域的葉綠體結(jié)構(gòu)退化，色素含量減少，橫切面較薄，減少了光能的吸收和傳遞. 因此，就金邊黃楊來說，黃色邊緣減少了整個葉片對光能的吸收和傳遞，而增加了對光能的反射.這些措施都直接減少了整個葉片的光能吸收量和吸收效率[18]，從而可能在強光下起到積極的作用.

表3 金邊黃楊與大葉黃楊的光抑制4 h和恢復(fù)3.5 h后的Fv/Fm變化

就金邊黃楊與大葉黃楊的綠色區(qū)域來說，金邊黃楊的綠色部分具有較低的Chla，Chlb和Car含量，但Chla/b和Car/Chl(a+b)比值相當(dāng)，具有較低光能吸收能力和較高的反射率，但差異不大. 因此，本研究又對金邊黃楊綠色區(qū)域吸收光能的分配和利用進行了比較，結(jié)果顯示，金邊黃楊的光能分配以熱耗散占優(yōu)勢，而對照則光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換較多；同時，雖然金邊黃楊的(A+Z)/(A+Z+V)并不比大葉黃楊高，但卻具有較高的(A+Z+V)含量，從而造成了金邊黃楊與對照在光能分配上存在顯著差異.

從以上結(jié)果推測出，金邊黃楊可能具有潛在較強的光保護能力.為了證明這一推測，本研究又用金邊黃楊與大葉黃楊進行了光抑制試驗，結(jié)果表明，金邊黃楊雖未表現(xiàn)出較強的光保護能力，但對光抑制過程中的傷害修復(fù)能力較強.

綜上，金邊黃楊的黃色邊緣部分降低了整個葉片的光能吸收和傳遞，而增加了光的反射，從而降低了整個葉片的光能吸收量和吸收效率；而綠色區(qū)域具有較高的熱耗散效率，因此使金邊黃楊具有較強的光保護能力.

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