風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片光系統(tǒng)Ⅱ功能對(duì)秋季低溫的響應(yīng)1)

曲麗娜 許楠 張會(huì)慧

(大慶師范學(xué)院，黑龍江省·大慶市，163712) (黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所) (東北農(nóng)業(yè)大學(xué))

我國北方地區(qū)緯度高，季節(jié)性溫度變化幅度較大，秋季低溫脅迫是影響我國北方地區(qū)園林植物觀賞效果的重要因素之一，秋季的突然降溫會(huì)明顯縮短觀賞植物的觀賞期，降低觀賞效果；另外，秋季低溫時(shí)期，光合產(chǎn)物的積累量也是植物能夠正常越冬及春季快速返青的關(guān)鍵。因此，延長我國北方高寒地區(qū)秋季低溫脅迫下樹木的觀賞期，提高觀賞植物葉片抗低溫能力尤為重要。植物的光合作用是對(duì)低溫脅迫比較敏感的過程之一，低溫脅迫會(huì)引起植物葉綠素合成受阻，甚至導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)遭到破壞[1-3]，氣孔導(dǎo)度降低[4-5]、光合作用過程中酶的活性降低，CO2的同化受阻[6-7]。低溫脅迫時(shí)，植物光合能力受限制，常受氣孔因素和非氣孔因素的共同限制[8-9]。而植物的光合作用非氣孔因素限制中，光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心活性的降低，被認(rèn)為是對(duì)低溫脅迫最為敏感的部位之一[10-11]，主要表現(xiàn)為電子傳遞速率降低、放氧復(fù)合體(OEC)的錳簇脫落，導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心電子供體側(cè)水的不完全裂解，電子供應(yīng)能力降低，PSⅡ反應(yīng)中心電子受體側(cè)電子傳遞受阻，特別是D1蛋白的降解導(dǎo)致電子由初級(jí)電子受體(QA)向次級(jí)電子受體(QB)的傳遞受阻[12]，這些原因均是導(dǎo)致植物葉片光系統(tǒng)中活性氧(ROS)爆發(fā)的關(guān)鍵[13-14]。因此，保證低溫脅迫時(shí)植物葉片的PSⅡ反應(yīng)中心功能，是提高植物葉片抗低溫脅迫的前提。

風(fēng)箱果(PhysocarpusamurensisMaxim)具有觀花觀葉的雙重效果，并且風(fēng)箱果已經(jīng)被我國列入瀕危保護(hù)植物[15]。紫葉風(fēng)箱果(Physocarpusopulifolius“Diabolo”)是風(fēng)箱果屬的一種彩葉觀賞植物，目前已經(jīng)培育出較多的栽培品種[16]；近年我國從北美引入了紫葉風(fēng)箱果以觀賞性花灌木作為庭院觀賞、路籬、鑲嵌材料等，在我國園林綠化中發(fā)揮重要的作用。目前，關(guān)于風(fēng)箱果屬植物逆境方面的研究，主要集中在干旱[17]、淹水[18-19]、遮陰弱光[20]等方面，對(duì)于不同品種風(fēng)箱果屬光合能力抗寒性方面的研究較少。為此，本試驗(yàn)研究了風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的光合PSⅡ反應(yīng)中心功能和活性氧含量對(duì)秋季低溫脅迫的響應(yīng)，旨在為風(fēng)箱果屬植物的合理栽培及在高寒地區(qū)的引種推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

試驗(yàn)于2016年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行，試驗(yàn)材料為黑龍江省森林植物園提供的風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱扦插苗。其中，風(fēng)箱果的母樹來源于黑龍江省尚志市帽兒山，紫葉風(fēng)箱果的母樹來源于加拿大。扦插成活的幼苗移植于開口直徑28 cm、底直徑15 cm、高20 cm的塑料花盆中，每盆定植1株，培養(yǎng)基質(zhì)為草碳土，室外自然環(huán)境培養(yǎng)，定期澆水除草，保持土壤相對(duì)含水率約為土壤田間持水量的60%～80%。

秋季低溫脅迫試驗(yàn)于2016年9月26日—10月6日進(jìn)行。此時(shí)黑龍江省處于秋季溫度變化劇烈時(shí)期，試驗(yàn)材料于室外自然溫度下處理，處理過程中大氣最低氣溫和最高氣溫變化見表1。

表1 秋季處理過程中大氣最低氣溫和最高氣溫的變化

1.2 測定項(xiàng)目和方法

快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)(OJIP)曲線的測定：分別于8月1日(常溫對(duì)照)和9月26日—10月6日每天上午10:00左右，選擇不同處理的風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果當(dāng)年新生枝條頂部第2片完全展開葉，利用暗適應(yīng)夾對(duì)待測葉片進(jìn)行30 min暗適應(yīng)；然后，利用Handy-PEA葉綠素?zé)晒鈨x測定葉片的OJIP曲線；每個(gè)測定均5次重復(fù)。OJIP曲線由3 mmol·m-2·s-1的脈沖紅光誘導(dǎo)，相對(duì)熒光強(qiáng)度的記錄從10 μs開始至1 s結(jié)束，利用5次重復(fù)的平均值繪制OJIP曲線。OJIP曲線上O、J、I、P點(diǎn)，分別為0.01、2、30、1 000 ms對(duì)應(yīng)的時(shí)間。為分析不同溫度處理對(duì)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片PSⅡ電子受體側(cè)電子傳遞情況的影響，按公式VO-P=(Ft-Fo)/(FP-Fo)將O-P曲線標(biāo)準(zhǔn)化(式中：VO-P為OJIP曲線上各點(diǎn)的相對(duì)可變熒光強(qiáng)度，F(xiàn)t為OJIP曲線上各點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度，F(xiàn)o為OJIP曲線上O點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度，F(xiàn)P為OJIP曲線上P點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度)，即將O點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度定義為0，P點(diǎn)相對(duì)熒光強(qiáng)度定義為1，繪制標(biāo)準(zhǔn)化O-P曲線，并求得J點(diǎn)(2 ms)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度(VJ)。為分析不同溫度處理的2種風(fēng)箱果葉片放氧復(fù)合體(OEC)活性和類囊體解離狀態(tài)的影響，按公式VO-J=(Ft-Fo)/(FJ-Fo)將O-J曲線標(biāo)準(zhǔn)化(式中：VO-J為O-J曲線上各點(diǎn)的相對(duì)可變熒光強(qiáng)度，F(xiàn)t為O-J曲線上各點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度，F(xiàn)o為OJIP曲線上O點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度，F(xiàn)J為OJIP曲線上J點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度)，按公式VO-K=(Ft-Fo)/(FK-Fo) 將O-K曲線標(biāo)準(zhǔn)化(式中：VO-K為O-K曲線上各點(diǎn)的相對(duì)可變熒光強(qiáng)度，F(xiàn)t為O-K曲線上各點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度，F(xiàn)o為OJIP曲線上O點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度，F(xiàn)K為OJIP曲線上K點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度)，并繪制標(biāo)準(zhǔn)化O-J曲線、O-K曲線，求得K點(diǎn)(0.3 ms)、L點(diǎn)(0.15 ms)的相對(duì)可變熒光強(qiáng)度(VK和VL)[21]。對(duì)OJIP曲線分析求得PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和以吸收光能為基礎(chǔ)的PSⅡ性能指數(shù)(PIABS)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

運(yùn)用Excel(2003)和SPSS(22.0)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和最小顯著差異法比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 常溫時(shí)兩種植物葉片的OJIP曲線及相關(guān)葉綠素?zé)晒鈪?shù)

由圖1可見：常溫(8月1日)時(shí)，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的OJIP曲線形態(tài)相似，并且各點(diǎn)相對(duì)熒光強(qiáng)度均無明顯差異。由表2可見：風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果在常溫時(shí)，各葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、PIABS、VJ、VK、VL差異均不顯著。

2.2 秋季低溫脅迫時(shí)兩種植物表型及觀賞效果

由圖2可見：紫葉風(fēng)箱果葉片呈深紫色，可以作為優(yōu)良的彩葉觀賞樹種。秋季低溫脅迫時(shí)，風(fēng)箱果葉片明顯變黃，并且出現(xiàn)黑班，表現(xiàn)出明顯的凍害特征；秋季低溫脅迫時(shí)，紫葉風(fēng)箱果葉片表型與常溫時(shí)比較，沒有發(fā)生明顯的變化，沒有表現(xiàn)出明顯的凍害，仍具有較好的觀賞效果。

圖1 常溫時(shí)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的OJIP曲線

表2 常溫時(shí)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

圖2 風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果在常溫(8月1日)和低溫(10月6日)時(shí)的表型

2.3 秋季低溫脅迫時(shí)兩種植物葉片的OJIP曲線變化

由圖3可見：與常溫(8月1日)時(shí)相比，秋季低溫脅迫時(shí)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的OJIP曲線形態(tài)均發(fā)生了明顯的變化，O點(diǎn)相對(duì)熒光強(qiáng)度變化較小，而P點(diǎn)的相對(duì)熒光強(qiáng)度則整體表現(xiàn)為降低趨勢；即低溫脅迫時(shí)，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的OJIP曲線變得相對(duì)更為平緩。但是，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的OJIP曲線變化幅度明顯不同，風(fēng)箱果葉片的OJIP曲線變化幅度明顯大于紫葉風(fēng)箱果。

圖3 風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的OJIP曲線

2.4 秋季低溫脅迫時(shí)兩種植物葉片的PSII光化學(xué)效率變化

由圖4A可見：9月30日前，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm沒有隨著氣溫的變化而變化；從10月1日開始，雖然大氣最高氣溫?zé)o明顯變化，但此時(shí)最低氣溫開始大幅降低，此時(shí)風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm開始降低；10月3日后，不但大氣最低氣溫進(jìn)一步降低，而最高氣溫也開始劇烈下降，此時(shí)風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm開始急劇降低，并且10月6日時(shí)風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm降低到了0.55。在整個(gè)處理過程中，紫葉風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm沒有發(fā)生大幅度的變化，并且在處理結(jié)束時(shí)仍未降低到0.8以下。由圖4B可見：與Fv/Fm變化不同，在整個(gè)低溫處理過程，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的PIABS變化幅度較大。雖然在常溫時(shí)(見表2)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的PIABS無顯著差異；但風(fēng)箱果PIABS對(duì)低溫極為敏感，秋季低溫脅迫時(shí)，風(fēng)箱果葉片的PIABS顯著低于紫葉風(fēng)箱果，并且隨著大氣溫度的降低，風(fēng)箱果葉片的PIABS進(jìn)一步降低。

圖4 秋季低溫脅迫時(shí)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm和PIABS

2.5 秋季低溫脅迫時(shí)兩種植物葉片的標(biāo)準(zhǔn)化OJIP曲線和J點(diǎn)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度變化

由圖5A、B可見：將不同處理OJIP曲線標(biāo)準(zhǔn)化后，與常溫(8月1日)時(shí)相比，秋季低溫脅迫時(shí)風(fēng)箱果葉片的標(biāo)準(zhǔn)化OJIP曲線的相對(duì)可變熒光曲線變化幅度均明顯大于紫葉風(fēng)箱果，并且秋季低溫脅迫時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化OJIP曲線主要表現(xiàn)為2 ms處J點(diǎn)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度(VJ)的增加，但風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果的差異卻明顯不同。定量分析J點(diǎn)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度變化(見圖C)：秋季低溫脅迫時(shí)，風(fēng)箱果葉片的VJ明顯高于紫葉風(fēng)箱果；但在低溫脅迫前期(10月1日前)，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片VJ的變化幅度相似，在10月1日后，風(fēng)箱果葉片VJ開始迅速增加，紫葉風(fēng)箱果仍保持小幅度的變化。

圖5 風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的標(biāo)準(zhǔn)化OJIP曲線和J點(diǎn)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度變化

2.6 秋季低溫脅迫時(shí)兩種植物葉片的標(biāo)準(zhǔn)化O-J曲線和K點(diǎn)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度變化

由圖6A、B可見：秋季低溫脅迫時(shí)，風(fēng)箱果葉片的標(biāo)準(zhǔn)化O-J曲線的差異程度明顯大于紫葉風(fēng)箱果，特別是標(biāo)準(zhǔn)化O-J曲線上0.3 ms處，即K點(diǎn)的相對(duì)可變熒光強(qiáng)度變化幅度明顯大于紫葉風(fēng)箱果。定量分析VK的變化(見圖6C)：秋季低溫脅迫時(shí)，風(fēng)箱果葉片的VK明顯高于紫葉風(fēng)箱果，紫葉風(fēng)箱果葉片的VK在整個(gè)處理過程中變化幅度較??；風(fēng)箱果葉片VK在低溫脅迫后期開始逐漸增加，并且隨著低溫時(shí)間的延長，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片VK差異程度增加。

2.7 秋季低溫脅迫時(shí)兩種植物葉片的標(biāo)準(zhǔn)化O-K曲線和L點(diǎn)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度變化

由圖7A、B可見：秋季低溫脅迫時(shí)，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片標(biāo)準(zhǔn)化O-K曲線上0.15 ms處，即L點(diǎn)的相對(duì)可變熒光強(qiáng)度(VL)出現(xiàn)明顯的差異，并且風(fēng)箱果葉片的VL差異程度明顯大于紫葉風(fēng)箱果。定量分析結(jié)果(見圖7C)表明：在整個(gè)處理過程中，紫葉風(fēng)箱果葉片VL的變化幅度較小，僅在10月1日處有小幅增加，并且均明顯低于風(fēng)箱果。在10月3日后溫度持續(xù)降低過程中，風(fēng)箱果葉片的VL呈明顯的增加趨勢，而紫葉風(fēng)箱果仍沒有發(fā)生明顯變化。

圖6 風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的標(biāo)準(zhǔn)化O-J曲線和K點(diǎn)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度變化

圖7 風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的標(biāo)準(zhǔn)化O-K曲線和L點(diǎn)相對(duì)可變熒光強(qiáng)度變化

2.8 秋季低溫脅迫時(shí)兩種植物葉片的產(chǎn)生速率和H2O2質(zhì)量摩爾濃度

表3 秋季低溫脅迫時(shí)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的產(chǎn)生速率和H2O2質(zhì)量摩爾濃度

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”；數(shù)據(jù)后，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 討論

本試驗(yàn)中，常溫(8月1日)時(shí)，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的OJIP曲線形態(tài)及各葉綠素?zé)晒鈪?shù)均無顯著差異，即常溫時(shí)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的PSⅡ功能無顯著差異。但是秋季低溫脅迫時(shí)，隨著溫度的變化，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果葉片的OJIP曲線及各葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化幅度差異較大，主要表現(xiàn)為：風(fēng)箱果葉片P點(diǎn)相對(duì)熒光強(qiáng)度的降低幅度明顯大于紫葉風(fēng)箱果，但O點(diǎn)相對(duì)熒光強(qiáng)度的影響較小，從而導(dǎo)致風(fēng)箱果葉片的Fv/Fm在秋季溫度降低時(shí)的下降幅度明顯大于紫葉風(fēng)箱果。除此之外，風(fēng)箱果葉片的PIABS在秋季低溫初期明顯低于紫葉風(fēng)箱果，并且其值在整個(gè)低溫脅迫期間的降低幅度也明顯大于紫葉風(fēng)箱果。Fv/Fm和PIABS均是表示植物葉片PSⅡ光化學(xué)活性的重要指標(biāo)，因此，本試驗(yàn)結(jié)果說明，秋季低溫脅迫對(duì)風(fēng)箱果葉片的PSⅡ光化學(xué)活性影響明顯大于紫葉風(fēng)箱果，特別是PIABS對(duì)低溫的響應(yīng)更為敏感，即在研究逆境下植物葉片PSⅡ活性，利用PIABS更具有代表性，這與文獻(xiàn)[24]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

秋季低溫脅迫時(shí)，紫葉風(fēng)箱果葉片的PSII光抑制程度明顯小于風(fēng)箱果，其原因主要是紫葉風(fēng)箱果葉片PSII供體側(cè)OEC的活性及受體側(cè)電子傳遞能力受低溫脅迫的影響程度明顯小于風(fēng)箱果。秋季低溫脅迫時(shí)，風(fēng)箱果葉片光合作用介導(dǎo)的ROS爆發(fā)會(huì)進(jìn)一步反饋抑制其PSII活性，而紫葉風(fēng)箱果在秋季低溫脅迫時(shí)ROS含量明顯低于風(fēng)箱果。引種紫葉風(fēng)箱果，不但具有彩葉觀賞效果，而且在我國北方地區(qū)秋季低溫脅迫時(shí)不易發(fā)生凍害，能保持相對(duì)較長時(shí)間的觀賞期，可以考慮在我國北方地區(qū)引種栽培。