毛竹莖稈發(fā)育過程中不同節(jié)間葉綠素熒光的變化

王柯楊，卜柯麗，馬元丹，栗青麗，王靈杰，高 巖，高海波，張汝民

（1.浙江農(nóng)林大學 林業(yè)與生物技術學院，浙江 杭州 311300；2.臨沂大學 生命科學院，山東 臨沂276000）

葉綠素是植物體中參與光合作用的重要色素，它能夠捕捉光能轉(zhuǎn)變成化學能用于植物生長和代謝過程。在植物生長發(fā)育過程中，其光合色素含量和葉綠素熒光參數(shù)均上升，光合效率增加。隨葉片發(fā)育，板栗Castanea millissima［1］和紫丁香Syringa oblate［2］的葉綠素含量逐漸增加；在銀杏Ginkgo biloba葉片展開過程中，葉綠素含量和凈光合速率均增加［3］；在綠豆Vigna radiata幼苗脫黃化初期，葉片葉綠素a和葉綠素b含量隨光照時間增加而逐漸上升，而葉綠素a/b比值逐漸降低［4］。玉米Zea mays葉片展開過程中從葉基到葉尖光化學活性逐漸完善［5］；楊樹Populus葉片在春季發(fā)育過程中，光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）最大光化學效率、光能吸收、傳遞效率和反應中心數(shù)目均趨于穩(wěn)定，且光系統(tǒng)也漸漸發(fā)育完善［6］；與針葉相比，挪威云杉Picea abies營養(yǎng)芽的性能指標（PIABS）顯著下降，PSⅡ最大光化學效率和光合效率也略有下降［7］。毛竹Phyllostachys edulis作為中國森林資源重要的組成部分，分布面積大，開發(fā)利用程度高，是集經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益于一體的筍材兩用竹種。目前，對毛竹的研究主要集中在毛竹林生態(tài)系統(tǒng)生物量及其碳通量的變化特征［8-9］，毛竹葉片葉綠素含量的年動態(tài)變化［10］，毛竹葉片的光合途徑［11］，毛竹發(fā)育過程中葉片的光合生理、莖稈的光合色素、光合酶活性的變化［12-13］等方面。但對毛竹快速生長期莖稈葉綠素熒光參數(shù)的研究較為匱乏。鑒于此，本研究以毛竹出筍后快速生長期高度為6 m的莖稈為研究對象，分析了毛竹生長發(fā)育過程中，不同節(jié)間的光合色素質(zhì)量分數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)的變化，為進一步研究毛竹快速生長機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于浙江省杭州市臨安區(qū)（29°56′～30°27′N， 118°51′～119°52′E）現(xiàn)代毛竹示范園內(nèi)， 毛竹林為純林。該區(qū)屬中亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季分明。年平均氣溫15.8℃，7月氣溫最高，平均為28.1℃，1月氣溫最低，平均為3.4℃。極端最高氣溫為41.9℃，極端最低氣溫-13.3℃。年平均降水量為1 628.6 mm，年平均日照時數(shù)為1 939.0 h，無霜期為234.0 d，森林覆蓋率達76.5%。毛竹林土壤屬山地紅壤，土層深度60 cm以上。每年3，7和11月施肥，來年從毛竹密度大的區(qū)域收獲竹筍。

1.2 試驗材料

試驗材料為2017年當年生毛竹筍竹，2017年4月末，選取生境條件一致，生長狀況良好，株高6 m左右，基徑約15 cm的自然狀態(tài)下的毛竹筍竹，從莖稈地上部分的基部將其伐倒，將節(jié)間按照從基部至頂部的順序編號，每間隔2個節(jié)間選取測定點，從基部至頂部依次選取編號為1，4，7，10，13，16，19，22的節(jié)間，測定時間為10：00-12：00。選取5株筍竹，每株作為1個獨立實驗，共5次重復。

1.3 測定方法

1.3.1 光合色素質(zhì)量分數(shù)的測定 稱取0.5 g莖稈外層綠色組織，取樣厚度為2 mm，將其迅速剪成碎塊后放入具塞的試管中，加入體積分數(shù)為80%的丙酮5 mL，室溫下遮光萃取48 h，至莖稈外層綠色組織完全變白，取上清液分別在波長為663，646和470 nm處測定其光密度值（D）。參照LICHTENTHALER［14］的公式分別計算光合色素的質(zhì)量分數(shù)。

1.3.2 快速葉綠素熒光誘導曲線的測定 采用非調(diào)制式葉綠素熒光儀（YZQ-500，中國）進行快速葉綠素熒光誘導曲線的測定。測定前暗適應20 min，然后暴露在飽和脈沖光（3 000 μmol·m-2·s-1藍光）下1 s，以10 μs（2 ms之前）和1 ms（2 ms之后）的間隔記錄熒光信號，測得快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP）。

1.4 葉綠素熒光動力學參數(shù)分析

依照STRASSER等［15-16］提出的能量流動模型，天線色素吸收的能量（ABS）其中一小部分主要以熱能和熒光的形式耗散掉，大部分則被反應中心（RC）所捕獲，在反應中心激發(fā)能被轉(zhuǎn)化為還原能，將初級醌受體（QA）還原為QA-，QA-又可以被重新氧化，從而產(chǎn)生電子傳遞（ET）用于固定二氧化碳或其他途徑，以此為基礎發(fā)展起來的數(shù)據(jù)處理就被稱為JIP-test。根據(jù)JIP-test［15-16］計算得到的部分參數(shù)見表1。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均為5次重復的平均值±標準差，利用Origin 9.0統(tǒng)計分析和作圖。采用one-way ANOVA，進行 Turkey多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同節(jié)間色素質(zhì)量分數(shù)差異分析

從表2可看出：隨著毛竹莖稈節(jié)間升高，葉綠素a，葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)整體呈逐漸下降的趨勢。在第1～7節(jié)中3種光合色素質(zhì)量分數(shù)均基本保持不變；從第7節(jié)往上不斷下降，第16節(jié)與第7節(jié)相比，葉綠素a，葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)分別降低了58.9%，67.4%和56.6%（P＜0.05），葉綠素總量降低了61.0%（P＜0.05）；葉綠素a/b比值整體呈上升趨勢，第22節(jié)比第7節(jié)比值升高了59.1%（P＜0.05）。

表1 快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP）的參數(shù)Table 1 Formulae and glossary of terms for the analysis of the fluorescence transient OJIP

2.2 不同節(jié)間快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的變化

毛竹莖稈在暗適應后的最小熒光O點，PSⅡ處于 “完全開放”狀態(tài)。O點熒光強度隨著莖稈節(jié)間的升高而上升（圖1A），且隨著節(jié)間的升高上升越明顯。P點表示PSⅡ反應中心完全關閉，不接受光量子，此時熒光產(chǎn)量最高。中下部節(jié)間的P點熒光強度變化不顯著，從第22節(jié)開始下降（圖1A）。在O～P點變化過程中，還存在2個拐點（J點和I點）。J點和I點相對可變熒光強度均隨節(jié)間升高而上升，從22節(jié)開始下降（圖1B）。由上可知，毛竹莖中下部的O相，J相和I相均高于上部，而P相變化不明顯。

2.3 不同節(jié)間最小熒光Fo，最大熒光Fm，反應密度RC/CSo和性能指數(shù)PIABS的變化

從表3可以看出：從16節(jié)Fo逐漸上升，第16節(jié)比第10節(jié)上升了22.6%（P＜0.05）。FP隨著節(jié)間的升高而下降，第16節(jié)比第10節(jié)下降了6.7%（P＜0.05）。RC/CSo呈先上升后下降的趨勢，第16節(jié)比第10節(jié)上升了12.0%、第22節(jié)比第16節(jié)下降了44.7%（P＜0.05）。1～13節(jié)PIABS變化不顯著，從第16節(jié)往上逐漸下降，比第10節(jié)下降了81.9%（P＜0.05）。

2.4 不同節(jié)間量子產(chǎn)額的變化

從表4可以看出：1～13節(jié)φPo，φEo，ψo和φDo變化不顯著，從16節(jié)φPo，φEo和ψo逐漸下降，分別比第13節(jié)下降了9.6%，36.1%和22.0%（P＜0.05）；φDo比13節(jié)上升了36.0%（P＜0.05）。

表2 毛竹莖稈不同節(jié)間光合色素質(zhì)量分數(shù)的差異Table 2 Differences of pigment contents in the Phyllostachys edulis stems of different internodes

圖1 毛竹莖稈不同節(jié)間葉綠素熒光誘導動力學曲線的變化Figure 1 Changes of chlorophyll fluorescence induction kinetics curves in different internodes of Phyllostachys edulis

表3 毛竹莖稈不同節(jié)間的葉綠素熒光參數(shù)Table 3 Chlorophyll fluorescence parameters in the Phyllostachysedulis stems of different internodes

表4 毛竹莖稈不同節(jié)間量子產(chǎn)額的變化Table 4 Changes of quantum yield in the Phyllostachys edulis stems of different internodes

2.5 不同節(jié)間單位面積能量吸收和分配的變化

從表5可以看出：ABS/CSo和DIo/CSo從第16節(jié)逐漸上升，分別比第13節(jié)上升了21.7%和52.1%（P＜0.05）。TRo/CSo和ETo/CSo從第16節(jié)逐漸下降，分別比第13節(jié)降低了20.4%和18.4%（P＜0.05）。

2.6 不同節(jié)間反應中心能量吸收和分配的變化

從表6可以看出：ABS/RC和DIo/RC從第16節(jié)逐漸上升，分別比第10節(jié)上升了9.2%和44.9%（P＜0.05）。隨著節(jié)間的升高，ETo/RC和TRo/RC變化不顯著。

表5 毛竹莖稈不同節(jié)間單位面積比活性的變化Table 5 Changes of specific activity per internode area in the Phyllostachys edulis stems of different internodes

表6 毛竹莖稈不同節(jié)間反應中心比活性的變化Table 6 Change of specific activity of reflecting center in the Phyllostachys edulis stems of different internodes

3 討論

葉綠素含量的變化對植物光合作用具有一定影響，可作為植物表現(xiàn)光合生理狀態(tài)的良好指示劑［18］。在毛竹出筍后的快速生長期，不同部位葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素和總?cè)~綠素質(zhì)量分數(shù)均增加，60 d時最高［19］。隨著毛竹年齡的增加，莖稈和葉片中的葉綠素a，葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)均增加［20］。本研究中，毛竹莖稈中部及下部發(fā)育較為成熟，其表面包被的筍籜已逐漸脫落，莖稈外層由下至上接受的光照面積和光照時間逐漸減少，進而導致莖稈皮層綠色組織中光合色素質(zhì)量分數(shù)逐漸減小，葉綠素a/b逐漸增加（表2）。在毛竹快速生長期，莖稈中下部較高的葉綠素質(zhì)量分數(shù)及其較強的吸收光能和同化二氧化碳能力可能是維持毛竹筍竹快速生長的原因之一。

植物光合原初反應和葉綠素熒光存在著密切的關系，快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP）能夠提供關于PSⅡ供體側(cè)、受體側(cè)及PSⅡ反應中心電子氧化還原狀態(tài)等光化學信息［21-22］。在毛竹快速生長期，上部節(jié)間的ψO和φPo均減小，故而φEo下降，且歸一化處理后上部節(jié)間的J相和I相熒光強度仍下降，表明上部節(jié)間PSⅡ反應中心吸收的光能用于電子傳遞較少，受體側(cè)的傳遞電子能力較弱，電子在PSⅡ反應中心受體側(cè)QA-處大量積累，QA到QB的電子傳遞鏈過程受到了抑制［23］，同時其QA和QB被還原的能力相對較弱。PIABS性能指數(shù)可以準確地反映植物光合機構的整體狀態(tài)［5］。上部節(jié)間ABS/RC較高，TRo/RC和ETo/RC變化不明顯（表6），同樣表明上部節(jié)間單位反應中心所吸收的能量并沒有更多地用于還原QA和電子傳遞。PIABS和φPo整體均減小，但PIABS的變化幅度比φPo大，表明這與PSⅡ有活性反應中心的數(shù)目和在PSⅡ和PSⅠ之間的傳遞電子數(shù)量有著極大關系。

快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP）還可反映植物光合器官對光能的吸收、轉(zhuǎn)化和耗散等狀況［17］。OJIP曲線上的O點（Fo）可理解為植物PSⅠ的活性［24］，毛竹莖稈上部節(jié)間的ABS/CSo和Fo均高于中下部，表明上部單位面積吸收的光能更多地分配給了PSⅠ，使PSⅠ活性增強，而PSⅡ獲得的激發(fā)能較少。上部的TRo/CSo和ETo/CSo低于中下部，表明上部節(jié)間單位面積吸收的光能較多，但單位面積光合利用率較低，PSⅡ反應中心活性和光合能力也相對較弱。上部節(jié)間FP低于中下部，表明上部節(jié)間有活性的反應中心數(shù)量較少，這與RC/CSO的變化相一致。中下部節(jié)間RC/CSo和φPo均高于上部，表明中下部PSⅡ反映中心活性較強，色素所吸收和捕獲的能量用于光化學部分的比例較高，優(yōu)先推動了PSⅡ電子傳遞（ETo/RC）［25］，通過光化學反應轉(zhuǎn)化成與光合作用有關的化學能，有效地發(fā)揮了光合機構的功能，提高了莖稈中PSⅡ反應中心內(nèi)原初的轉(zhuǎn)化效率，這與溫星等［12］對毛竹葉片的研究結(jié)果一致。在光合機構捕獲光能發(fā)生電子傳遞的同時，其中一部分以熱能和熒光的形式耗散掉，而光能利用和耗散方式之間存在著相互競爭的關系［26］。上部節(jié)間φDo，DIo/CSo和DIo/RC均比中、下部高，這是因為莖稈發(fā)育過程中，上部節(jié)間的光合系統(tǒng)還未發(fā)育成熟，實際用于光合作用的能量較少，PSⅡ和PSⅠ之間電子傳遞較慢，光合效率較低，通過耗散更多的能量來維持整個能量的合理分配，避免過剩的激發(fā)能對光合系統(tǒng)的破壞，這與孫山等［1］對板栗的研究結(jié)果一致。

綜上所述，在毛竹快速生長期，莖稈不同節(jié)間的葉綠素熒光參數(shù)存在明顯差異，中下部PSⅡ的結(jié)構已經(jīng)基本發(fā)育完整，此時PSⅡ反應中心活性較強，電子傳遞速率較快，能量耗散較少，光能利用效率較高，生長較快；上部節(jié)間則與中下部相反，生長比較緩慢。研究成果對明確毛竹快速生長機制具有參考價值。