鹽脅迫下二色補血草葉片色素的光保護作用

劉永慧，楊?，?/p>

(山東商業(yè)職業(yè)技術學院，山東濟南 250103)

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

葉黃素循環(huán)被認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)能過剩程度進行的相互轉(zhuǎn)化(董高峰等1999)。當激發(fā)能過剩時，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，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，植物在進化過程中形成了一套完整的抗氧化系統(tǒng)，包括酶促反應系統(tǒng)和非酶促反應系統(tǒng)。類胡蘿卜素屬于非酶促反應系統(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作用，是基于它能接受光能減少葉綠體的光能負擔。

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

1 材料與方法

1.1 材料及處理

二色補血草(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，移苗，每盆3棵。30多天后進行NaCl處理，預定濃度分別為0(對照)、100、200、400 mmol·L－1(NaCl溶液用完全Hoagland營養(yǎng)液配置)，每個處理至少6個重復。為避免鹽沖擊效應，NaCl處理的濃度每12 h遞增50 mmol·L－1，直至預定濃度。每天定時定量澆灌一次，澆灌量為細砂持水量的3倍，約2/3的溶液流出(交換以前的積余鹽)，以保持NaCl濃度恒定為預定濃度。處理15 d后，測定各相關指標。

1.2 光譜測量

采用 Unispec－SC光譜分析儀(PP Systems，USA)進行測定。光譜儀的光纖前端結(jié)合一個葉片夾。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光下30 min，使葉黃素組分完全氧化，取受光一致的葉片進行測定。測定條件為光強為 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%的白色標準板(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來估計的(Sims和Gamon2002)，也可以利用相關公式估計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，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(Horton等1996)。

實驗中，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。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。其三可能與鹽脅迫引起的類胡蘿卜素含量增加有關。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。

實驗中我們還發(fā)現(xiàn):鹽脅迫下二色補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血草在鹽脅迫下的光保護具有積極的意義。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。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，我們還需要進一步的研究。

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