鹽脅迫下二色補(bǔ)血草葉片色素的光保護(hù)作用

劉永慧，楊?，?/p>

(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南 250103)

在鹽漬條件下，當(dāng)植物吸收的光能超過其利用能力時(shí)，會出現(xiàn)光能過剩，從而引起光抑制，甚至光氧化、光破壞。在長期的進(jìn)化過程中，植物形成了多種光保護(hù)機(jī)制來耗散過剩光能，如熱耗散、活性氧清除系統(tǒng)及環(huán)式電子傳遞等。這些機(jī)制反映了植物在生理和生化以及形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面對鹽漬環(huán)境的適應(yīng)性。因此，鹽脅迫下植物光保護(hù)機(jī)制的研究，就成為植物抗鹽生理研究的一個(gè)重要課題。

葉黃素循環(huán)被認(rèn)為在植物的抗光抑制中起到十分重要的作用(Niyogi 1999;Müller等2001)。葉黃素循環(huán)是指光合膜上三種色素組分－紫黃質(zhì)(voilaxanthin，V)、花藥黃質(zhì)(antheraxanthin，A)和玉米黃質(zhì)(zeaxanthin，Z)之間依據(jù)吸收的激發(fā)能過剩程度進(jìn)行的相互轉(zhuǎn)化(董高峰等1999)。當(dāng)激發(fā)能過剩時(shí)，含雙氧的紫黃質(zhì)會在脫環(huán)氧化酶(VDE)的作用下，經(jīng)過中間產(chǎn)物含單環(huán)氧的花藥黃質(zhì)(又名環(huán)氧玉米黃質(zhì))，轉(zhuǎn)化成去環(huán)氧的玉米黃質(zhì)。不再含有過剩激發(fā)能時(shí)，玉米黃質(zhì)和花藥黃質(zhì)又會在環(huán)氧化酶(ZE)的作用下形成紫黃質(zhì)。其中，主要是玉米黃質(zhì)行使耗散過剩激發(fā)能的功能(Niyogi 1999)。

為了避免活性氧(ROS)可能造成的傷害，植物在進(jìn)化過程中形成了一套完整的抗氧化系統(tǒng)，包括酶促反應(yīng)系統(tǒng)和非酶促反應(yīng)系統(tǒng)。類胡蘿卜素屬于非酶促反應(yīng)系統(tǒng)，包括葉黃素類，是膜結(jié)合的抗氧化物質(zhì)，能夠猝滅3Chl和1O2，抑制膜脂過氧化?；ㄇ嗨厥且环N多元酚類化合物，具有重要的生理作用;花青素能清除自由基從而減輕逆境造成的傷害，有利于逆境下植物的生長發(fā)育(Wei Kang等2007)。葉片中花青素具有光保護(hù)作用，是基于它能接受光能減少葉綠體的光能負(fù)擔(dān)。

二色補(bǔ)血草是一種典型泌鹽植物，具有較強(qiáng)的抗鹽能力。本文通過研究不同NaCl處理對二色補(bǔ)血草葉片色素組分的影響，闡明了鹽脅迫下二色補(bǔ)血草葉黃素循環(huán)的熱耗散機(jī)制，并探討了類胡蘿卜素和花青素積極的光保護(hù)作用。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

二色補(bǔ)血草(Limonium bicolor Bge.Kuntz)種子經(jīng)0.1%HgCl2消毒10 min，用自來水充分沖洗后播種于裝有細(xì)砂的塑料盆中，出苗后用1/2 Hoagland營養(yǎng)液澆灌，長至4～5片真葉時(shí)，移苗，每盆3棵。30多天后進(jìn)行NaCl處理，預(yù)定濃度分別為0(對照)、100、200、400 mmol·L－1(NaCl溶液用完全Hoagland營養(yǎng)液配置)，每個(gè)處理至少6個(gè)重復(fù)。為避免鹽沖擊效應(yīng)，NaCl處理的濃度每12 h遞增50 mmol·L－1，直至預(yù)定濃度。每天定時(shí)定量澆灌一次，澆灌量為細(xì)砂持水量的3倍，約2/3的溶液流出(交換以前的積余鹽)，以保持NaCl濃度恒定為預(yù)定濃度。處理15 d后，測定各相關(guān)指標(biāo)。

1.2 光譜測量

采用 Unispec－SC光譜分析儀(PP Systems，USA)進(jìn)行測定。光譜儀的光纖前端結(jié)合一個(gè)葉片夾。葉片夾使光纖與葉片表面成垂直方向60°(水平方向30°)。先將植物葉片暴露在強(qiáng)光下30 min，使葉黃素組分完全氧化，取受光一致的葉片進(jìn)行測定。測定條件為光強(qiáng)為 1200 μmol·m－2·s－1，溫度為26℃。由光譜儀內(nèi)置光源供光。用反射率99%的白色標(biāo)準(zhǔn)板(Spectration，Labsphere，North Dutton，NH，USA)的反射除葉片的反射，得葉片的反射率。葉片的葉綠素含量是用參數(shù)mSR705來估計(jì)的(Sims和Gamon2002)，也可以利用相關(guān)公式估計(jì)類胡蘿卜素含量和花青素含量。

1.3 葉黃素脫環(huán)化程度(DPS)的測定

參考趙世杰等(1995)的方法。用內(nèi)徑為1 cm打孔器取葉圓片15個(gè)，放入研缽中，加入3.5 ml無水丙酮、少許石英砂和CaCO3，弱光和低溫下研磨，勻漿后0～4℃下10275×g離心10 min，上清液供高效液相色譜測定，分析葉黃素循環(huán)組分。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl對二色補(bǔ)血草葉片葉綠素相對含量(Chl%)的影響

圖1 不同處理對葉片葉綠素相對含量的影響

如圖1，隨著鹽濃度的升高，葉綠素相對含量逐漸升高，且在 200、400 mmol·L－1 NaCl處理下Chl%較對照有顯著的上升(P＜0.05)。

2.2 NaCl對二色補(bǔ)血草葉片葉黃素脫環(huán)化程度(DPS)的影響

圖2 不同處理對葉片葉黃素脫環(huán)化程度的影響

由圖2可見，隨著處理鹽濃度的升高，DPS逐漸升高。在 200、400 mmol·L－1NaCl處理下 DPS較對照顯著上升(P＜0.05)，在 400 mmol·L－1 NaCl處理下比對照增加了8.2%。

2.3 NaCl對二色補(bǔ)血草葉片類胡蘿卜素相對含量(Car%)的影響

圖3 不同處理對葉片類胡蘿卜素相對含量的影響

如圖3，類胡蘿卜素相對含量隨著鹽度的增加而增加。在 100、200 mmol·L－1 NaCl處理下Car%與對照差異顯著(P＜0.05);在400 mmol·L－1 NaCl處理下Car%比對照增加了21%，且差異極顯著(P＜0.01)。

2.4 NaCl對二色補(bǔ)血草葉片花青素相對含量(Anth%)的影響

隨著鹽濃度的增加，花青素相對含量升高尤其顯著。如圖4所示，在200和400 mmol·L－1NaCl處理下，Anth%較對照分別上升了52%和66%，且差異極顯著(P＜0.01)。

圖4 不同鹽處理對葉片花青素相對含量的影響

3 討論

葉黃素是結(jié)合于LCHⅡ中的一類色素(Ruban等1994)，能夠與其他色素協(xié)同作用將光能傳遞給葉綠素。此外，葉黃素能夠通過非輻射能量耗散過量的激發(fā)能從而猝滅3Chl，還可以直接清除1O2(Foyer和Harbinson 1999)。而非輻射能量耗散(NPQ)主要與依賴于葉黃素循環(huán)的能量耗散有關(guān)(Horton等1996)。

實(shí)驗(yàn)中，隨著處理鹽濃度的升高，DPS逐漸升高，其變化趨勢與NPQ、qE(依賴類囊體膜內(nèi)外的質(zhì)子濃度差△pH的熱耗散)相一致(劉永慧等2008)，而且在較高鹽分條件下均明顯上升。表明二色補(bǔ)血草中依賴于葉黃素循環(huán)的能量耗散在增加，原因可能有:其一DPS的升高表明Z和A生成量的增加。毫無疑問，Z的增加，能大幅度提高依賴于葉黃素循環(huán)的能量耗散。其二可能與鹽脅迫引起的pH梯度有關(guān)。依賴于葉黃素循環(huán)的能量耗散除需要Z和A之外，還需要 pH梯度(Horton等1996;Thiele和Krause 1994)。較高鹽度下，qE的顯著升高表明△pH也在升高。所以，在二色補(bǔ)血草中，不斷升高的△pH是依賴于葉黃素循環(huán)的熱耗散增加的前提，而后者對前者的熱耗散起到“放大器”的作用。DPS與qE的變化一致，可能qE的形成與玉米黃質(zhì)的合成相關(guān)。其三可能與鹽脅迫引起的類胡蘿卜素含量增加有關(guān)。Car相對含量隨鹽度升高一直在顯著上升，到400 mmol·L－1NaCl處理時(shí)較對照升高極顯著(P＜0.01)。類胡蘿卜素中包括一部分葉黃素循環(huán)的色素(Demming－Adams和Adams 1994)，所以Car含量的增加可能意味著部分用于葉黃素循環(huán)的色素含量也增加了。

實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn):鹽脅迫下二色補(bǔ)血草葉片中類胡蘿卜素和花青素的相對含量均有顯著提高，這意味著二者對于二色補(bǔ)血草在鹽脅迫下的光保護(hù)具有積極的意義。對于類胡蘿卜素來說，它包括胡蘿卜素、葉黃素類，是膜結(jié)合的抗氧化物質(zhì);提高其含量不僅能耗散掉天線上的過剩光能，還能夠猝滅3Chl和1O2，抑制膜脂過氧化，從而穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)。對于花青素來說，其含量增多一方面可以吸收光能(主要是蘭紫光和紫外線)，這樣就減少了葉綠體色素對光能的吸收，對植物起到保護(hù)作用，另一方面，還可以清除自由基從而減輕逆境造成的傷害，有利于逆境下植物的生長發(fā)育。不過對于這一點(diǎn)，我們還需要進(jìn)一步的研究。

［1］董高峰，陳貽竹，蔣躍明(1999).植物葉黃素循環(huán)與非輻射能量耗散［J］.植物生理學(xué)通訊，35(2):141～144.

［2］劉永慧，高靜，李亭亭，王瓊，范海(2008).NaCl對二色補(bǔ)血草氣體交換及非輻射能量耗散的影響［J］.山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，23(2):119～121.

［3］趙世杰，孟慶偉，許長城，韓紅巖，鄒琦(1995).植物組織中葉黃素循環(huán)組分的高效液相色譜分析［J］.植物生理學(xué)通訊，31(6):438～442.

［4］Demming－Adams B，Adams WWIII(1994).Capacity for energy dissipation in the pigment bed in leaves with different xanthophylls cycle pools［J］.Aust JPlant Physiol，21:575～588.

［5］Foyer C H，Harbinson J.Relationships between antioxidant metabolism and carotenoids in the regulation of photosynthesis(1999)［J］.In Frank H A，Young A J，Britton G，Cogdell R J，eds，The Photochemistry of Carotenoids.The Netherlands:Kluwer Academic Publishers，Dordrecht，305～325.

［6］Horton P.，Ruban A V，Walters R G(1996).Regulation of light harvesting in green plants［J］.Annu Rev Plant Phys，47:655 ～684.

［7］Müller P，Li X P，Niyogi K K(2001).Non－photochemical quenching:a response to excess light energy［J］.Plant Physiol，125:1558 ～1566.

［8］Niyogi K K(1999).Photoprotection revisited:genetic and molecular approaches［J］.Annu Rev Plant Phys，50:333～359.

［9］Ruban A V，Young A J，Pascal A A，Horton P(1994).The effects of illumination on the xanthophyll composition of the photosystem IIlight harvesting complexes of spinach thylakoid membranes［J］.Plant Physiol，104:227 ～ 234.

［10］Sims DA and Gamon JA(2002).Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species，leaf structures and developmental stages［J］.Remote Sensing of Environment，81:337 ～354.

［11］Thiele A，Krause GH(1994).Xanthophyll cycle and thermal energy dissipation in photosystem II:Relationship between zeaxathin formation，energy－dependent fluorescence quenching and photoinhibition［J］.J Plant Physiol，144:324～332.

［12］Wei Kang，Shamsi Imran Haider，Zhang Guo － ping(2007).Synergistic interaction of NaCl and Cd on growth and photosynthetic parameters in soybean genotypes differing in salinity tolerance［J］.Journal of Zhejiang University －Science B，8:266～271.