光強(qiáng)對(duì)黑麥草萌發(fā)生長(zhǎng)、葉片葉綠素含量及光系統(tǒng)II的影響

張 輝，王 荷，張蓓蓓，武悅萱，王苗苗

(陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寶雞文理學(xué)院，陜西 寶雞 721013)

光照條件是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育中最重要的環(huán)境因子之一，光合作用過(guò)程中吸收光能的是葉綠體色素(葉綠素a和葉綠素b)和類胡蘿卜素，其中葉綠素是主要的光能吸收物質(zhì)，直接影響植物光合過(guò)程中光能的利用，研究表明葉綠體色素含量與其光合能力有較好的相關(guān)性[1]。植物的光合作用對(duì)環(huán)境因子變化非常敏感，光強(qiáng)因子就是其中之一[2]，當(dāng)光能過(guò)剩并高于植物光飽和點(diǎn)后PSII部位會(huì)發(fā)生光抑制的現(xiàn)象[3]，而弱光環(huán)境又會(huì)影響植物的光合效率。葉綠素?zé)晒饪梢匝杆?、?zhǔn)確、無(wú)損傷地檢測(cè)到光脅迫下植物光合作用的狀態(tài)，通過(guò)分析熒光參數(shù)的變化可以直接觀測(cè)脅迫對(duì)植株的影響[4]。植物經(jīng)過(guò)暗適應(yīng)后暴露在可見(jiàn)光下，熒光值會(huì)隨時(shí)間有所變化，形成的曲線就是葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線(OJIP)。這條曲線能夠反映PSII的初始光化學(xué)反應(yīng)及光合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)等變化[5-7]。

黑麥草是一種禾木科草本植物，由于其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，生長(zhǎng)較快，種植范圍廣，所以它不僅是一種優(yōu)質(zhì)的牧草，同時(shí)也有很大的商業(yè)用途。黑麥草經(jīng)常會(huì)被當(dāng)做草坪用在高爾夫球道和城市綠地。黑麥草作為草坪用草時(shí)不僅受到太陽(yáng)光照的影響也會(huì)受到人工光源的影響。目前有關(guān)黑麥草的研究較多，主要集中在黑麥草的重金屬吸附能力及各脅迫對(duì)黑麥草生長(zhǎng)生理的影響方面[8-10]，但黑麥草作為綠地景觀植物，受到光照影響的研究報(bào)道較少。其中，李雪琴[11]通過(guò)對(duì)比4種草坪用草葉綠素?zé)晒馓匦裕l(fā)現(xiàn)黑麥草耐光抑制能力較弱。因此，本研究選取不同光照強(qiáng)度對(duì)黑麥草進(jìn)行水培試驗(yàn)，結(jié)合萌發(fā)生長(zhǎng)狀況、葉片葉綠素含量及葉綠素?zé)晒馓匦?，分析光照?duì)黑麥草生長(zhǎng)及生理的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與處理方法

丹麥紳士多年生黑麥草(寶雞市林業(yè)局提供)，選取顆粒飽滿種子，用0.1% HgCl2浸泡消毒10 min，消毒后用純水沖洗3遍。在干凈的培養(yǎng)皿里鋪上濾紙，將種子用鑷子擺放在濾紙上，每個(gè)培養(yǎng)皿中整齊擺放100粒種子，并且保持培養(yǎng)皿濕潤(rùn)。將培養(yǎng)皿放入Fytosys人工氣候箱中，晝夜時(shí)間為14 h/10 h，溫度為25℃/15℃。設(shè)計(jì)6組不同光強(qiáng)處理L1、L2、L3、L4、L5和L6，分別為100、200、300、400、500 μmol·m-2·s-1和600 μmol·m-2·s-1，每個(gè)光強(qiáng)6次重復(fù)。觀察種子萌發(fā)，以胚芽長(zhǎng)度超過(guò)種子長(zhǎng)度二分之一視為發(fā)芽，第三天開(kāi)始記錄發(fā)芽數(shù)。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 種子生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 芽長(zhǎng)為胚軸與芽之間的過(guò)渡點(diǎn)開(kāi)始到芽末端的長(zhǎng)度；根長(zhǎng)為胚軸與根之間的過(guò)渡點(diǎn)開(kāi)始到根末端的長(zhǎng)度[12]。

發(fā)芽率[13](%)=7 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

發(fā)芽勢(shì)[14](%)=3 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

發(fā)芽指數(shù)[13]

GI=∑(Gt/Dt)

其中，Gi為發(fā)芽指數(shù)；Gt為第t天的發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

活力指數(shù)[15]VI=發(fā)芽指數(shù)(GI)×芽長(zhǎng)度(cm)。

1.2.2 葉綠素含量測(cè)定 將水培第7天的黑麥草葉片剪下稱取0.2 g，用25 ml 95%乙醇提取葉片葉綠素，并利用分光光度計(jì)分別在波長(zhǎng)665、649、470 nm下測(cè)定吸光度，計(jì)算葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和葉綠素a/b的值[16]。

建設(shè)生態(tài)文明是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)大計(jì)。2013年，長(zhǎng)江委積極落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度，嚴(yán)守“三條紅線”，扎實(shí)推進(jìn)水資源管理，不斷加強(qiáng)水資源、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)，努力讓一江清水造福兩岸億萬(wàn)人民。

1.2.3 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的測(cè)定 在水培黑麥草第7天上午9∶00，隨機(jī)選取黑麥草葉片，經(jīng)過(guò)20 min暗適應(yīng)，利用德國(guó)Walz公司生產(chǎn)Mini-Imaging-PAM熒光儀進(jìn)行快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線測(cè)定，得出OJIP曲線。同時(shí)，得到的參數(shù)分別為：暗適應(yīng)后最小熒光強(qiáng)度(Fo)；暗適應(yīng)后最大熒光(Fm)；PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)；捕獲光能與熱耗散能量的比例(Fv/Fo)；OJIP熒光誘導(dǎo)曲線初始斜率(Mo)；單位反應(yīng)中心吸收的能量(ABS/RC)；單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量(TRo/RC)；單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量(ETo/RC)；單位反應(yīng)中心熱耗散的能量(DIo/RC)；PSII捕獲能量從QA傳遞到QB的效率(ψo(hù))；用于電子傳遞的量子比率(φEo)；用于熱耗散的量子比率(φDo)；以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)(PIabs)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理；SPSS 19.0進(jìn)行one way-ANOVA分析[17]，用LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和多重比較；采用Origin 8.0作圖[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光強(qiáng)對(duì)水培黑麥草種子萌發(fā)和根芽生長(zhǎng)的影響

種子的萌發(fā)能力可以通過(guò)發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)表現(xiàn)出來(lái)。由表1可看出隨著光照強(qiáng)度從L1升至L6后水培黑麥草發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都有一個(gè)先上升再下降的趨勢(shì)。不同光照處理間發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均達(dá)顯著差異(表1)。在L3光照處理下黑麥草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均達(dá)到最大值。L3處理下黑麥草發(fā)芽率顯著高于其他處理(P<0.05)。發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)在L3處理下與其他5組光照有顯著差異(P<0.05)，說(shuō)明在L3處理下黑麥草的種子發(fā)芽整齊且迅速?；盍χ笖?shù)是種子發(fā)芽速率和生長(zhǎng)量的綜合反映，從表1可以看出在L3處理下黑麥草活力指數(shù)最大，顯著高于其他5組光強(qiáng)處理且有差異顯著(P<0.05)。

從表1可以看出L3和L4處理下，水培黑麥草生長(zhǎng)最好。根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)均達(dá)到最大值，但兩組之間差異不顯著(P>0.05)。L1和L2處理下及L5、L6根芽長(zhǎng)度沒(méi)有明顯差異(P>0.05)。但L3和L4與其他4組處理有顯著差異(P<0.05)。

表1 不同光照處理對(duì)水培黑麥草種子萌發(fā)和根芽生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects on seed germination and root growth of ryegrass under different light intensities in hydroponic

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。*P<0.05，**P<0.01。下同。

Note: The values presented were the mean±standard errors； different letters means different significance atP<0.05 level. *P<0.05, **P<0.01. The same below.

2.2 不同光強(qiáng)處理下水培黑麥草葉綠素含量比較

葉綠素是葉片光合功能的重要性狀之一， 其含量高低反應(yīng)了葉片生理功能的強(qiáng)弱，將直接影響葉片的光合能力[19]。從表2可以看出，葉綠素a和葉綠素a/b隨著光照強(qiáng)度的增加有一個(gè)先升高后降低的趨勢(shì)，且不同光照處理下黑麥草葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及葉綠素a/b有顯著差異。光強(qiáng)為L(zhǎng)3時(shí)，總?cè)~綠素含量最高，葉片葉綠體可以吸收更多的光能，光合效能較強(qiáng)。L3處理下葉綠素a含量分別高出L1、L4、L5、L6處理7.04%、21.13%、22.54%和30.99%(P<0.05)。L3處理下葉綠素b含量比L1、L2、L5和L6處理分別高出4.7%、33.33%、3.7%和25.93%(P<0.05)。葉綠素a/b反映捕光色素復(fù)合體Ⅱ在總?cè)~綠素的結(jié)構(gòu)中所占的比例，能夠說(shuō)明捕光能力的強(qiáng)弱，從表2可以看出在L2處理下水培黑麥草捕光能力是最強(qiáng)。

2.3 不同光強(qiáng)對(duì)水培黑麥草葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

2.3.1 對(duì)水培黑麥草葉片F(xiàn)o和Fm的影響 從圖1中可以看出，光照處理從L1到L6，初始熒光(Fo)呈下降趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在L2處理，最小值出現(xiàn)在L6處理，L2顯著高于L4、L5、L6(P<0.05)，但與L1、L3處理差異不顯著(P>0.05)，L2處理下Fo比L4、L5和L6處理下分別高出22.68%、31%和35.13%。最大熒光(Fm)隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)先上升再下降，最大值出現(xiàn)在L3處理下，顯著高于其他5組處理(P<0.05)，且分別比L1、L2、L4、L5和L6處理高出10.62%、5.34%、23.51%、39.48%和40.26%。

表2 不同光強(qiáng)處理對(duì)水培黑麥草葉片葉綠素含量的影響Table 2 Effects on chlorophyll content of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

2.3.2 對(duì)水培黑麥草葉片F(xiàn)v/Fm和PIabs的影響 最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)是指PSII反應(yīng)中心內(nèi)原初光能轉(zhuǎn)化效率，通過(guò)葉片發(fā)生光抑制來(lái)衡量它受脅迫的程度，F(xiàn)v/Fm值越低說(shuō)明植物受到的光抑制越高[20-21]。由圖2可以看出，隨著光強(qiáng)的變大，F(xiàn)v/Fm都在0.78左右，L3處理最高，且與L1、L5和L6處理存在顯著差異(P<0.05)，分別高出3.04%、4.08%和2.53%。

光化學(xué)性能指數(shù)(PIabs)是一個(gè)能夠反映植物光合綜合性能的參數(shù)[22]，對(duì)逆境和脅迫反應(yīng)靈敏[23]。從圖2可以看出PIabs的趨勢(shì)跟Fv/Fm一致，先升高再降低，L3處理下值最大，且顯著高于L1、L4、L5和L6處理，分別高出12.23%、6.38%、14.89%和15.96%。

圖1 不同光強(qiáng)處理對(duì)水培黑麥草葉片初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)的影響Fig. 1 Effects on the initial fluorescence (Fo) and maximum fluorescence (Fm) of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

圖2 不同光強(qiáng)處理對(duì)水培黑麥草葉片F(xiàn)v/Fm及PIabs的影響Fig. 2 Effects on Fv/Fm and PIabs of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

2.4 不同光強(qiáng)對(duì)水培黑麥草葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線的影響

利用相對(duì)可變熒光(Vt)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后繪制的OJIP曲線能夠克服葉片表面附屬物、照光面積、色素含量、材料厚度、儀器電壓等各種因素影響，而使OJIP曲線更加準(zhǔn)確，Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)(Ft指實(shí)時(shí)熒光數(shù)值)[25]。圖3(B)是用Vt標(biāo)準(zhǔn)化后的OJIP曲線，從圖中可以看出6種光強(qiáng)處理下的OJIP曲線形態(tài)較相似，不同光強(qiáng)處理下的水培黑麥草OJIP曲線差異不明顯，說(shuō)明電子傳遞速率與過(guò)程差異較小。

圖3 不同光強(qiáng)處理下水培黑麥草快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線及相對(duì)可變熒光誘導(dǎo)曲線Fig. 3 The dynamic curves of chlorophyll fluorescence induction and relative chlorophyll fluorescence under different light intensities treatments

當(dāng)PSII供體側(cè)放氧復(fù)合體OEC受到傷害時(shí)，在J點(diǎn)前葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度會(huì)上升出現(xiàn)K點(diǎn)，F(xiàn)k一般指OJIP曲線在300 μm左右時(shí)的葉綠素?zé)晒庵礫26]，對(duì)O-J部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化可以得到參數(shù)Wk，用來(lái)反映K點(diǎn)的變化：Wk=(Fk-Fo)/(Fj-Fo)[27]。從圖4可以看出，水培黑麥草葉片相對(duì)可變熒光參數(shù)Wk在光強(qiáng)變化下并沒(méi)有顯著變化(P>0.05),Vj(J點(diǎn)的相對(duì)可變熒光)隨著光強(qiáng)增加有所增加，但差異也不顯著。

圖4 不同光強(qiáng)條件對(duì)水培黑麥草葉片Vj、Wk的影響Fig. 4 Effects on Vj and Wk of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

2.5 不同光強(qiáng)對(duì)水培黑麥草葉片PSII供體側(cè)、反應(yīng)中心、受體側(cè)的影響

從圖3可以看出，在不同光強(qiáng)處理下水培黑麥草OJIP曲線中并未出現(xiàn)K點(diǎn)，圖4中6組光強(qiáng)處理下Vj、Wk值之間并無(wú)顯著差異，表明SPII供體側(cè)并沒(méi)有受到光強(qiáng)變化的影響，因此進(jìn)而分析其他參數(shù)對(duì)葉片PSII的影響。

PSII反應(yīng)中心吸收、捕獲、電子傳遞及熱耗散能量可以通過(guò)參數(shù)ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和DIo/RC來(lái)表示。隨著光強(qiáng)從L1升至L6，ABS/RC、TRo/RC和DIo/RC都隨光強(qiáng)增大而增大，單位熱耗散 ETo/RC隨光強(qiáng)增加而減小。

由F值可以看出，Mo和ψo(hù)處理間沒(méi)有差異，TRo/RC和ETo/RC有顯著差異，Sm、ΦEo、ABS/RC和DIo/RC有極顯著差異，以ABS/RC差異最大。

表3不同光強(qiáng)處理對(duì)水培黑麥草葉片Mo、Sm、ΦEo 、ψo(hù) 、ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC及DIo/RC的影響

Table 3 Effects on Mo,Sm,ΦEo, ψO, ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC and DIo/RC of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

光照強(qiáng)度LightintensityMoSmΦEoψo(hù)ABS/RCTRo/RCETo/RCDIo/RCL10．92±0．14a322．71±3．45b0．40±0．01b0．54±0．01a2．52±0．05c1．88±0．06c1．13±0．04a0．60±0．02cL20．93±0．06a332．89±9．63ab0．44±0．01a0．57±0．02a2．56±0．07c2．00±0．07bc1．10±0．01ab0．60±0．05cL30．95±0．09a345．96±5．90a0．45±0．01a0．57±0．01a2．61±0．02c2．01±0．10bc1．10±0．01ab0．62±0．00cL40．96±0．07a333．62±11．93ab0．43±0．01a0．56±0．01a2．75±0．05b2．13±0．13ab1．09±0．02bc0．65±0．02cL51．05±0．25a321．79±0．95b0．40±0．01b0．52±0．01a2．81±0．11b2．16±0．03a1．08±0．01bc0．75±0．05bL60．88±0．02a261．21±12．38c0．39±0．01b0．51±0．01a3．15±0．13a2．16±0．21a1．05±0．01c0．86±0．02aF0．5937．09??16．71??0．9837．18??6．21?5．25?36．67??

3 結(jié)論與討論

由不同光強(qiáng)處理下種子萌發(fā)和生長(zhǎng)狀況可以看出(表3)，L3光強(qiáng)強(qiáng)度是最適宜黑麥草種子生長(zhǎng)的光照條件。這與前人研究相同，說(shuō)明黑麥草為弱光性植物[11]。

葉綠素含量能夠反映出植物的光合能力，其中干旱、鹽分及光強(qiáng)都是影響植物葉綠素含量的重要環(huán)境因子[28-30]。從水培黑麥草研究過(guò)程中可以看出它在L3光強(qiáng)處理下葉綠素含量高于其他光強(qiáng)處理，而且通過(guò)葉綠素a/b的值變化可以看出光強(qiáng)增大的過(guò)程并不利于葉綠素a的形成，葉綠素a含量的降低既影響了光能的吸收也影響光能轉(zhuǎn)化(表2)。

水培黑麥草的Fo和Fm都隨著光強(qiáng)的增大先升高再減小。由Fo的變化可以看出色素吸收光能的變化是植物在自然狀態(tài)下光合作用強(qiáng)弱的表現(xiàn)，一般來(lái)講，F(xiàn)o值越低說(shuō)明光能利用越高[31]，而Fo的變化也可以用來(lái)推測(cè)反應(yīng)中心可能發(fā)生的保護(hù)機(jī)制的狀況和天線色素被激發(fā)后的電子密度[32-33]。在L1和L2處理下初始熒光值最大，此時(shí)水培黑麥草PSII反應(yīng)中心遭到了破壞，光能利用較低。當(dāng)光強(qiáng)升至L3時(shí)，初始熒光較大幅度降低，光能利用達(dá)到最大。隨著光強(qiáng)的不斷增大Fm變化趨勢(shì)也是先顯著降低再緩慢升高。說(shuō)明在弱光環(huán)境下水培黑麥草的電子反應(yīng)程度最大，對(duì)弱光的適應(yīng)性也是最強(qiáng)的，F(xiàn)m下降也就是說(shuō)明水培黑麥草葉片的電子反應(yīng)程度低，電子不活躍。Fv/Fm只會(huì)在受到脅迫時(shí)值才會(huì)下降，隨著光強(qiáng)增大使得水培黑麥草出現(xiàn)了光抑制，L3處理下受到的光抑制最弱。而Fv/Fm的下降是由于Fo的升高和Fm的減小共同影響。PIabs可以準(zhǔn)確反映植物光合機(jī)構(gòu)的整體狀態(tài)[34]，在L3處理下PIabs最高，綜合Fv/Fm來(lái)看，L3處理下水培黑麥草的光合性能最強(qiáng)。L3處理下Fv/Fm和PIabs相比PIabs對(duì)外界環(huán)境的變化更為敏感，能更好地反應(yīng)植物光合性能。

從PSII供體側(cè)、反應(yīng)中心和受體側(cè)參數(shù)變化可以具體了解到水培黑麥草的光合過(guò)程。供體側(cè)參數(shù)Wk并無(wú)差異說(shuō)明光強(qiáng)變化對(duì)PSII供體側(cè)沒(méi)有影響。隨著光強(qiáng)變大ABS/RC增加，TRo/RC和ERo/RC也增加，但DIo/RC減小，即反應(yīng)中心吸收能量增加，捕獲光能的能力和傳遞電子能力增加，但熱耗散減小。

綜上可以看出，隨著光照強(qiáng)度增加，水培黑麥草種子的萌發(fā)，生長(zhǎng)情況、葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線都有相對(duì)統(tǒng)一的先升高再降低的趨勢(shì)。L3光強(qiáng)處理下黑麥草種子萌發(fā)、生長(zhǎng)、葉片葉綠素含量及葉綠素?zé)晒馓匦宰罴?，因此可以推斷在該試?yàn)中L3可能是水培黑麥草的最適光照強(qiáng)度。但由于試驗(yàn)條件，設(shè)備及儀器等的限制，沒(méi)有進(jìn)行較多的光強(qiáng)設(shè)置，在以后的試驗(yàn)中，還將繼續(xù)補(bǔ)充較多的光強(qiáng)處理，分析最佳的光照強(qiáng)度。