弱光對(duì)菊花光合特性和氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響

韓霜

摘要：對(duì)南農(nóng)雪峰和南農(nóng)宮粉2個(gè)菊花品種進(jìn)行弱光處理，研究這2個(gè)品種光合特性和氮代謝關(guān)鍵酶活性的變化。以菊花品種南農(nóng)雪峰和南農(nóng)宮粉為試驗(yàn)材料，設(shè)置對(duì)照（自然光照）和處理（30%自然光照）2種光照度，利用 LI-6400型便攜式光合儀測(cè)定不同光照度處理對(duì)2個(gè)菊花品種光響應(yīng)曲線和光合參數(shù)凈光合速率（Pn）的影響，并利用分光光度計(jì)研究弱光對(duì)葉片硝酸還原酶（nitrate reductase，簡(jiǎn)稱NR）、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，簡(jiǎn)稱GS）活性的影響。結(jié)果表明，弱光下菊花光飽和點(diǎn)（light saturation point，簡(jiǎn)稱LSP）上升、光補(bǔ)償點(diǎn)（light compensation point，簡(jiǎn)稱LCP）、光飽和時(shí)光合速率、表觀量子效率（apparent quantum efficiency，簡(jiǎn)稱AQY）下降；弱光條件下NR與GS活性均下降，其中南農(nóng)雪峰的NR和GS活性整體高于南農(nóng)宮粉的相應(yīng)酶活性。

關(guān)鍵詞：弱光；光合特性；氮代謝；硝酸還原酶；谷氨酰胺合成酶

中圖分類號(hào)： S682.1+10.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）19-0217-03

收稿日期：2016-05-19

基金項(xiàng)目：河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：142102110184、142102110185）；河南省教育廳項(xiàng)目（編號(hào)：2016-JSJYYB-085）。

作者簡(jiǎn)介：韓 霜（1982—），女，河南商丘人，博士，講師，主要從事植物光合作用方面的研究。E-mail：htshd_012@163.com。 菊花（Chrysanthemum morifolium）是中國(guó)十大名花和世界四大切花之一，具有較高的觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。菊花是短日照、喜陽植物，它是中國(guó)主要的出口創(chuàng)匯花卉，生產(chǎn)上主要采用集約化設(shè)施栽培，然而設(shè)施栽培中普遍存在弱光問題，嚴(yán)重影響菊花品質(zhì)[1]。設(shè)施弱光是制約菊花生產(chǎn)的主要因素之一，弱光使光合速率下降，同時(shí)影響氮素的吸收。研究弱光環(huán)境下菊花的光合特性和氮代謝關(guān)鍵酶活性的變化，有助于加快耐弱光菊花育種進(jìn)程和優(yōu)化設(shè)施栽培技術(shù)[2]。

光是植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)，不僅可以調(diào)節(jié)植物的正常發(fā)育，為植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供同化力，促進(jìn)氣孔開放，而且在植物關(guān)鍵酶活化方面也有重要作用。在弱光與植物光合特性關(guān)系的研究中，目前人們已經(jīng)在番茄、黃瓜、甜瓜、辣椒、草莓、油桃、葡萄等多種植物上進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究[3]。植物的生長(zhǎng)發(fā)育是在遺傳和環(huán)境2個(gè)因素相互作用條件下通過一系列復(fù)雜的生理、生化反應(yīng)完成的。低、高等植物獲得有機(jī)氮的主要途徑是無機(jī)氮（主要是NO3-）的還原、同化和有機(jī)氮化合物的合成及它們之間的相互轉(zhuǎn)化[4]。前人在弱光對(duì)蔬菜氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響研究中發(fā)現(xiàn)，弱光可降低氮代謝的還原能力和同化關(guān)鍵酶[硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）]的含量和活性以及含氮化合物的累積量，這些變化導(dǎo)致蔬菜體內(nèi)硝酸鹽吸收與還原同化的不平衡，從而造成NO3-的累積，因此弱光是影響蔬菜硝酸鹽積累的主要因素之一，植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育和最基本的物質(zhì)代謝都是通過氮代謝完成的[5]。以往的研究多關(guān)于單個(gè)因素，即弱光對(duì)單一品種的研究，而弱光對(duì)不同菊花品種光合特性和氮代謝關(guān)鍵酶活性影響方面的研究較少。本試驗(yàn)主要關(guān)于弱光對(duì)不同菊花品種生理和生化方面的影響與變化進(jìn)行研究，探討不同菊花品種耐弱光能力的差異，為培育耐弱光的菊花品種奠定基礎(chǔ)，從而提高菊花的產(chǎn)量和品質(zhì)，給人們帶來更高的觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 材料與方法

本試驗(yàn)于2015年6—8月在商丘師范學(xué)院進(jìn)行。

1.1 試驗(yàn)材料和處理

供試材料為菊花品種南農(nóng)雪峰和南農(nóng)宮粉。選擇生長(zhǎng)一致的枝干插穗，扦插生根后移植到花盆中，花盆土壤中營(yíng)養(yǎng)土、珍珠巖、蛭石體積比=2 ∶1 ∶1。緩苗后，隨機(jī)分組，一組為正常光照，另一組用遮陽網(wǎng)遮蓋。2015年7月1日—7月28日處理，光照度分別設(shè)為正常光照（對(duì)照）和30%光照（弱光處理），分為正常南農(nóng)雪峰（ZXF）、弱光南農(nóng)雪峰（RXF）、正常南農(nóng)宮粉（ZGF）、弱光南農(nóng)宮粉（RGF），以7 d為1個(gè)周期，共5個(gè)時(shí)間點(diǎn)，測(cè)量光合特性及氮代謝關(guān)鍵酶活性。隔天澆水，隔5 d澆營(yíng)養(yǎng)液。調(diào)查期間每天9：00—11：00取樣，每隔7 d取樣1次，取樣時(shí)用同一打孔器打出圓片，先用錫箔紙包裹放入液氮中，采集完再放入超低溫冰箱中，整個(gè)試驗(yàn)樣品采集結(jié)束后，統(tǒng)一進(jìn)行GS、NR活性檢測(cè)，每個(gè)處理3次重復(fù)。最后1個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)量光合參數(shù)，繪制CO2響應(yīng)曲線。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 光合特性的測(cè)定 選取同等葉位的功能葉片，利用LI-6400光合儀（美國(guó)LI-COR公司）通過控制光照度進(jìn)行光響應(yīng)曲線測(cè)定，每個(gè)品種每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，最后測(cè)定結(jié)果取平均值。

1.2.1.1 光合參數(shù)和光響應(yīng)曲線測(cè)定 在CO2濃度為 380 μmol/mol，溫度為25～30 ℃，葉室內(nèi)光合有效輻射（簡(jiǎn)稱PAR）梯度設(shè)置為1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol/（m2·s）的條件下，測(cè)定光合參數(shù)[凈光合速率（Pn）等]。響應(yīng)曲線以x軸為光合有效輻射，y軸為凈光合速率，分別用y=a+bx和y=ax2+bx+c方程擬合。從而得出Pn-PAR光響應(yīng)曲線，求出光飽點(diǎn)（簡(jiǎn)稱LSP）、光補(bǔ)償點(diǎn)（簡(jiǎn)稱LCP）和表觀量子效率（簡(jiǎn)稱AQY）。

1.2.1.2 CO2響應(yīng)曲線的繪制 安裝CO2鋼瓶（“O”形圈），將蘇打管調(diào)節(jié)旋鈕擰到完全Scrub位置，干燥劑管調(diào)節(jié)旋鈕擰到完全Bypass位置，設(shè)定CO2梯度為400、300、200、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200 μmol/（m2·s）分別進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)處理3次重復(fù)。endprint

1.2.2 氮代謝關(guān)鍵酶活性的測(cè)定 光響應(yīng)曲線測(cè)定結(jié)束后選取同等葉位的2個(gè)功能葉片進(jìn)行打孔，用錫箔紙包裹后迅速放入液氮中，進(jìn)行氮代謝關(guān)鍵酶活性的測(cè)定。

1.2.2.1 NR活性的測(cè)定 NR活性測(cè)定參照王小純等的方法[6]進(jìn)行。測(cè)定之前準(zhǔn)備好需要用到的試管和離心管并標(biāo)上對(duì)應(yīng)標(biāo)記，每個(gè)品種、每個(gè)處理分別進(jìn)行3次重復(fù)，取平均值，用分光光度計(jì)在540 nm條件下比色。

1.2.2.2 GS活性的測(cè)定 GS活性的測(cè)定參照Zhang等的方法[7]進(jìn)行，用分光光度計(jì)在540 nm條件下比色。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用單因素方差分析同一品種不同處理對(duì)菊花光合特性和氮代謝關(guān)鍵酶的影響，并進(jìn)行Duncans多重比較，采用雙因素方差分析光照和品種對(duì)各測(cè)定參數(shù)的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2007軟件整理，統(tǒng)計(jì)分析用SPSS V21.0（美國(guó)）軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 弱光對(duì)不同菊花品種光合特性的影響

2.1.1 弱光對(duì)不同菊花品種光合參數(shù)的影響 由表1可知，2個(gè)菊花品種在飽和點(diǎn)的光合速率均為對(duì)照>弱光，說明弱光處理能導(dǎo)致凈光合速率下降。表觀量子效率可以反映植株在一定弱光下的適應(yīng)能力[8]。最大表觀量子效率隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)有所變化，且在正常光照下，南農(nóng)雪峰的表觀量子效率高于正常光照下的南農(nóng)宮粉（表1）。同一品種在不同處理?xiàng)l件下，正常處理表觀量子效率大于弱光條件下的，說明光照度降低，表觀量子效率也會(huì)隨之降低，但南農(nóng)宮粉弱光條件下的表觀量子效率比南農(nóng)雪峰低，可能是弱光下南農(nóng)宮粉對(duì)光吸收能力受到限制，從而降低了凈光合速率。

暗呼吸速率的降低是植物為適應(yīng)弱光環(huán)境所表現(xiàn)出的，越是耐弱光的植物，其暗呼吸速率越低，分析對(duì)照和弱光下的Pn-PAR曲線，可以得到相似的結(jié)論。弱光條件下暗呼吸速率降低，有助于植物積累碳，南農(nóng)雪峰弱光條件下暗呼吸速率低于南農(nóng)宮粉的暗呼吸速率，由于暗呼吸速率是植物適應(yīng)弱光的一種體現(xiàn)，這就說明南農(nóng)雪峰較南農(nóng)宮粉更能適應(yīng)弱光。

2.1.2 弱光對(duì)不同菊花品種光合響應(yīng)曲線的影響 圖1中2個(gè)菊花品種在弱光和正常光處理下的Pn-PAR響應(yīng)曲線顯示，當(dāng)對(duì)照南農(nóng)雪峰、對(duì)照南農(nóng)宮粉和弱光南農(nóng)雪峰、弱光南農(nóng)宮粉PAR范圍分別為800～1 200、1 000～1 200、1 000～1 200、600～800 μmol/（m2·s）時(shí)，Pn隨著PAR的增大幾乎呈線性增加，而當(dāng)PAR超過上述值則隨PAR的增大，Pn增加緩慢，甚至有所下降，表明PAR已接近或達(dá)到光飽和點(diǎn)。

2.1.3 弱光對(duì)不同菊花品種CO2響應(yīng)曲線的影響 由圖2可知，在不同光照條件下，Pn對(duì)CO2濃度變化的響應(yīng)趨勢(shì)相同，即隨著CO2濃度的升高，Pn逐漸升高直至趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明CO2濃度的升高有利于菊花Pn的提高。但是不同菊花品種對(duì)弱光的響應(yīng)有差異，表現(xiàn)為南農(nóng)雪峰在弱光條件下對(duì)CO2利用與自然光照條件差異不明顯，南農(nóng)宮粉在弱光條件下在CO2濃度>1 000 μmol/mol范圍內(nèi)對(duì)CO2的利用效率明顯下降，說明南農(nóng)宮粉對(duì)弱光的適應(yīng)性差。

2.2 弱光對(duì)菊花關(guān)鍵酶活性的影響

2.2.1 弱光對(duì)NR活性的影響 由圖3可見，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，正常光照下南農(nóng)雪峰的NR活性大于弱光下的南農(nóng)雪峰NR活性，7 d后NR活性迅速降低，但南農(nóng)宮粉的NR活性在0～14 d呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。結(jié)果表明，南農(nóng)雪峰的NR活性平穩(wěn)下降，而南農(nóng)宮粉的NR活性變化不穩(wěn)定?？梢姡庹斩饶苡绊懖煌栈ㄆ贩N的NR活性，不同菊花品種對(duì)弱光的響應(yīng)有差異，南農(nóng)宮粉對(duì)弱光較南農(nóng)雪峰敏感，說明南農(nóng)雪峰更能適應(yīng)弱光環(huán)境。

2.2.2 弱光對(duì)GS活性的影響 由圖4可知，正常光照下南農(nóng)雪峰的GS活性明顯高于南農(nóng)宮粉的GS活性，而且上升速度較快，而弱光條件下2個(gè)品種均呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，試驗(yàn)開始7 d時(shí)南農(nóng)宮粉GS活性大于南農(nóng)雪峰，之后弱光條件下南農(nóng)雪峰GS活性整體上大于南農(nóng)宮粉GS活性。根據(jù)差異顯著分析，正常光照下2個(gè)品種差異不顯著，而在弱光條件下2個(gè)品種差異顯著，后期正常光照下GS保持較高活性，而弱光下GS活性較低。

3 結(jié)論與討論

光照條件的變化能明顯改變?nèi)~片的光合作用、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠體超微結(jié)構(gòu)、最終影響物質(zhì)的積累[8-10]。光合速率下降的主要原因是光能的供應(yīng)，由于氮素是菊花生長(zhǎng)發(fā)育過程中需要量最大的營(yíng)養(yǎng)元素之一，在氮代謝的整個(gè)途徑中，NR作為植物體內(nèi)的關(guān)鍵酶和限速酶，同時(shí)也是一種誘導(dǎo)酶，可提供光合作用所需要的能量；光照度對(duì)NR活性有重要影響，同時(shí)NR作為限制性關(guān)鍵酶調(diào)控整個(gè)氮素還原同化進(jìn)程[11-12]。弱光降低了菊花對(duì)NO3-的利用，從而降低了菊花對(duì)氮素的吸收，同時(shí)菊花的氮素還原力和同化能力也有所降低，不利于氮素的積累，導(dǎo)致碳、氮代謝受阻，光合速率下降。從數(shù)據(jù)的分析中可以得出，南農(nóng)雪峰更能適應(yīng)弱光環(huán)境，在一定的弱光條件下，光合特性和氮代謝關(guān)鍵酶所受影響不是特別明顯，而南農(nóng)宮粉對(duì)弱光較敏感。

高等植物氮同化的主要途徑是由GS[13]和谷氨酸合酶（GOGAT）構(gòu)成的循環(huán)反應(yīng)，此循環(huán)反應(yīng)是整個(gè)氮代謝的中心，在氮素的利用及高等植物的各個(gè)發(fā)育階段的氨同化過程中起著十分重要的作用[14]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，NR和GS活性易受光照的影響，遮光條件下對(duì)光合作用參數(shù)影響較大，弱光條件下Pn下降，同時(shí)也受到細(xì)胞內(nèi)NO3-濃度的影響。因此可知，弱光對(duì)2個(gè)菊花品種的光合特性和氮代謝關(guān)鍵酶活性有明顯影響，而南農(nóng)雪峰比南農(nóng)宮粉更易于適應(yīng)弱光。

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