環(huán)境條件對植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響研究進展

王蘭蘭, 李 琦, 宋曉卉, 楊 笛, 劉靜華, 高 嘉, 欒思慧

(沈陽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034)

0 引 言

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)能在以不傷害植物葉片為前提的條件下對其光能的分配進行準確分析,因此,葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)被稱作測定葉片光合作用快速無損探針[3],在研究不同環(huán)境條件對植物光合作用影響的過程中得到廣泛應(yīng)用[4]。本文綜述了國內(nèi)外學(xué)者對不同環(huán)境條件下植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化響應(yīng)的相關(guān)研究。以期為研究未來環(huán)境下植物如何應(yīng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供重要理論基礎(chǔ)。

1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)及其含義

可通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化反映植物葉綠體PSI和PSII(主要是PSII)的光能吸收利用、傳遞及耗散過程。在熒光測定中,常用的調(diào)制式熒光參數(shù)有:基礎(chǔ)熒光參數(shù)F0、Fm;反映PSII光化學(xué)效率的熒光參數(shù)Fv /Fm、ФPSII、ETR;熒光猝滅系數(shù)qP、NPQ等。連續(xù)激發(fā)式熒光參數(shù)包括:反映PSII受體側(cè)熒光參數(shù)Sm、ψ0、ФE0、Vj和M0；反映PSII供體側(cè)參數(shù)Wk等;反映PSII反應(yīng)中心參數(shù)包括ABS/RC、ET0/RC、TR0/RC、DI0/RC、ET0/CS0、TR0/CS0、DI0/CS0、RC/CS0等。另有擬合參數(shù)α、Ik、ФCO2等熒光參數(shù)。

這里,F0指暗適應(yīng)后的初始熒光,也稱基礎(chǔ)熒光、0水平熒光、固定熒光,表示PSII反應(yīng)中心處于完全開放狀態(tài)時的熒光產(chǎn)量此時QA全部氧化;Fm指最大熒光,是PSII反應(yīng)中心處于完全關(guān)閉狀態(tài)時的熒光產(chǎn)量,此時QA全部還原,通常葉片經(jīng)暗適應(yīng)30 min后測得[5]。

Fm與F0的差值Fv稱為可變熒光,反映植物葉片進行光化學(xué)反應(yīng)的“能力范圍”[6],Fv與Fm的比值Fv/Fm稱為PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量,指暗適應(yīng)后PSII反應(yīng)中心處于完全開放狀態(tài)時的最大光能轉(zhuǎn)換效率,它反映PSII反應(yīng)中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率[5],常被用作反映環(huán)境因子脅迫程度的探針[7]。Fv與F0的比值Fv/F0稱為潛在光化學(xué)效率。ФPSII指PSII實際光化學(xué)效率(也可用ΔF/Fm′或Yield表示),反映的是照光下PSII反應(yīng)中心部分關(guān)閉時的實際光化學(xué)效率,可理解為 PSII反應(yīng)中心電荷分離實際的量子效率[8],非循環(huán)電子傳遞效率ETR可通過ФPSII計算。

熒光猝滅即熒光產(chǎn)量下降的過程,分為光化學(xué)和非光化學(xué)猝滅兩大類。qP指光化學(xué)猝滅系數(shù),是PSII反應(yīng)中心開放程度的反映。而NPQ指非光化學(xué)猝滅系數(shù),反映捕獲的不用于電子傳遞而以熱的形式耗散的部分光能,NPQ是植物的一種自我保護機制,可在天線色素對光能進行過剩吸收時通過熱耗散來保護其光合機構(gòu)[9]。

Sm反映了使QA完全被還原時所需要的能量,PSII反應(yīng)中心受體側(cè)PQ庫的大小;M0指被還原QA的最大速率[10]。ψ0是反應(yīng)中心捕獲的激子用來推動電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其他電子受體的激子占用來推動QA還原激子的比率(在t=0時);ФE0表示電子傳遞中使用的量子產(chǎn)額(在t=0時)[2]。Vj表示J相相對可變熒光,反映光照2 ms時PSII有活性的反應(yīng)中心的關(guān)閉程度,同時表示QA被還原的程度;Wk指K相相對可變熒光占J的比例,代表放氧復(fù)合體(OEC) 被破壞的程度。ABS/RC、ET0/RC 、TR0/RC、DI0/RC表觀QA處在可還原態(tài)時,單位PSII反應(yīng)中心的活性的比活性參數(shù),分別反映單位反應(yīng)中心吸收光能、單位反應(yīng)中心所捕獲用于電子傳遞的能量(在t=0時)、單位反應(yīng)中心所捕獲用于還原QA的能量(在t=0時)、單位反應(yīng)中心耗散掉的能量(在t=0時);TR0/CS0、ET0/CS0、DI0/CS0表觀照光材料單位橫截面積的活性的比活性參數(shù),分別反映單位面積捕獲的光能(在t=0時)、單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額(在t=0時)、單位面積的熱耗散(在t=0時);RC/CS0指單位面積內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量(在t=0時)[2]。

α指快速光曲線初始斜率可反映捕光能力;Ik指半飽和光強,可反映植物在強光下的耐受能力[11]。ФCO2指CO2同化速率相對應(yīng)熒光量子的產(chǎn)量,可反映CO2同化速率[12]。

2 環(huán)境因子對植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

2.1 高濃度CO2對植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

近年來工業(yè)的進步與發(fā)展,使煤炭石油等化石燃料被大量投入使用,空氣中CO2濃度逐漸升高。截至2011年,大氣中CO2濃度檢測已達到391 μmol/mol,與工業(yè)時代初期相比增加了將近40%[13]。據(jù)專家預(yù)測2050年大氣中CO2濃度將至少達到550 μmol/mol[14],2100年更將上升至730～1 020 μmol/mol[15]。

研究表明,高濃度CO2下寧夏枸杞葉片F(xiàn)0無顯著變化,Fm、Fv/Fm、Fv/F0顯著增加,表明高CO2濃度處理不破壞其葉片PSII反應(yīng)中心活性反而會增強其活性,提高原初光能轉(zhuǎn)化效率,同時使葉綠體激發(fā)能更多地傳遞到PSII[16],不過也有研究表明升高CO2濃度對Larreatridentata(一種常綠灌木)和壇紫菜的Fv/Fm值幾乎無影響[17-18],由此可見不同植物在高濃度CO2處理下Fv/Fm變化不同。

在對塔瑪亞歷山大藻的研究中發(fā)現(xiàn),CO2加富能提高rETRmax(最大相對電子傳遞速率),而對α和Ik無顯著影響,推測可能是作為光合作用底物的CO2在加富處理時使塔瑪亞歷山大藻啟動了CO2濃縮機制以增強RuBP(1,5-二磷酸核酮糖羧化酶)活性,提高CO2固N能力,但隨著加富時間的增長,進入了生長平臺期的塔瑪亞歷山大藻,除α變化不具有統(tǒng)計學(xué)意義外其他參數(shù)均顯著下降,產(chǎn)生抑制作用的原因可能是營養(yǎng)物質(zhì)和生長空間受限[11],其中Ik在CO2加富條件下無顯著變化但隨時間延長耐強光能力呈現(xiàn)下降趨勢[11,19],猜測是PSII反應(yīng)中心過剩的能量得不到耗散而受到損傷[20]。王晨光等[12]發(fā)現(xiàn)長期高濃度CO2處理下大豆葉片的qP和ФCO2顯著降低,表明PSII反應(yīng)中心開放程度降低,電子傳遞活性相應(yīng)降低,同時CO2的同化速率降低,原因可能是其葉片PSII適應(yīng)了高CO2濃度。

有研究發(fā)現(xiàn)高CO2濃度處理使苦草葉片Sm、ψ0、ФE0顯著降低,Vj、M0顯著增加;K相相對可變熒光Wk顯著提高,放氧復(fù)合體OEC的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生損傷;PSII反應(yīng)中心參數(shù)ABS/RC、DI0/CS0、DI0/RC、TR0/RC顯著增加,ET0/RC、ET0/CS0顯著降低,表明苦草葉片光合機構(gòu)受到損傷,PSII反應(yīng)中心活性下降,從而產(chǎn)生光適應(yīng)現(xiàn)象[21]。

2.2 干旱脅迫對植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

全球變暖和干旱缺水嚴重威脅植物的生存境況,可使植物新陳代謝紊亂、光合機構(gòu)被破壞甚至導(dǎo)致植物死亡[22]。王蘭蘭等[23]研究發(fā)現(xiàn)小麥葉片F(xiàn)v/Fm在輕度水分脅迫下無顯著變化,在中度和重度干旱脅迫下顯著下降,與葉綠素含量變化基本一致,表明葉綠素含量變化可能直接影響Fv/Fm。而在一定水分脅迫程度內(nèi)植物葉片發(fā)生的光抑制是可逆的,只要能及時復(fù)水就能減輕甚至消除脅迫影響[24]。Guo[25]等研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下黑枸杞(LyciumruthenicumMurr)的F0增加,Fm、Fv/Fm降低,說明干旱脅迫使PSII反應(yīng)中心進入關(guān)閉狀態(tài)[26]。

大量研究表明隨干旱程度升高植物的ФPSII、ETR降低,NPQ升高[22-23,27-28],說明植物啟動了自我防御機制—葉黃素循環(huán)以消耗過剩光能[29]。但這種保護能力是有一定限度的,植物NPQ在重度水分脅迫下顯著降低,說明PSII遭到損傷,光合機構(gòu)及光合酶遭到破環(huán),NPQ的保護作用減弱[30]。

2.3 光脅迫對植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

光照作為植物進行光合作用的能量來源,可促進植物葉片氣孔開放,影響光合機構(gòu)發(fā)育[32],但是,當(dāng)捕獲的光能超過光合機構(gòu)所需要的能量時,植物的光合能力將降低進而產(chǎn)生光抑制[33]。

蘇醒等[34]研究發(fā)現(xiàn)長莖葡萄蕨藻在高光處理下qP增加,NPQ減少,表明經(jīng)高光處理的樣品PSII將分配更多的能量用于電子傳遞過程,以增強PSII電子傳遞活性,由此可見高光處理可促進植物對光強的耐受能力,值得注意的是這種促進能力是有一定限度的,當(dāng)光強為360 μmol/(m2·s)持續(xù)12 h時會導(dǎo)致光氧化,破環(huán)植物的光合結(jié)構(gòu)。

王紫瀅等[10]研究發(fā)現(xiàn)烤煙幼苗葉片低溫后強光處理下Vj、M0顯著增加,Sm幾乎無變化,說明其PSII受體側(cè)電子由QA向QB傳遞能力降低,同時指出這是低溫強光下QB接受電子能力下降造成的,與PQ庫容量下降無關(guān)。

王曉艷[35]研究指出裙帶菜幼孢子體在高光脅迫下從3 h開始Fv/Fm顯著下降,Fv/F0下降,NPQ上升,光合速率下降,但在經(jīng)過暗周期后可恢復(fù)甚至超過之前水平,ФPSII和qP在36 h后顯著增加,推測是光照強度未達到抑制程度,藻體適應(yīng)一段時間強光后可提高實際光合活性和光合捕獲效率。在這之前姜英等[36]也得出了類似結(jié)論,并指出可通過遮蔭處理提高PSII 的潛在活性。

研究表明植物經(jīng)過遮蔭處理后葉片的F0和Fm升高,ФPSII、ETR和qP降低[37-38],說明PSII反應(yīng)中心受到損傷,導(dǎo)致實際光合能力降低。而在對Fv/Fm研究上結(jié)論并不一致。熊宇等[38]發(fā)現(xiàn)遮蔭處理會使黃瓜葉片F(xiàn)v/Fm降低,吳亞男[39]發(fā)現(xiàn)短期遮光可以提高玉米粒期Fv/Fm,而長期則會使其值降低,而在馬鈴薯研究中發(fā)現(xiàn)遮光處理可使Fv/Fm升高[37]。由此可見Fv/Fm對遮光響應(yīng)受植物種類、遮光時期、持續(xù)時間及遮光程度等影響。

2.4 高溫脅迫對植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

高溫是重要的環(huán)境因子可對植物的光合作用造成傷害,且會在受害癥狀出現(xiàn)前出現(xiàn)[40]。

高溫處理下油菜葉片PSII的F0、Fm增加,而Fv/Fm和ETRmax(最大電子傳遞效率)減少,表明高溫損傷了PSII反應(yīng)中心并使其發(fā)生了光合作用的抑制作用,影響了電子傳遞過程[24]。

研究發(fā)現(xiàn)高溫脅迫使植物Fv/Fm、ETR、qP、和ФPSII顯著下降,NPQ上升[41]。此前有學(xué)者在研究根系高溫脅迫對5種瓜類光合特性影響中也測定了相同參數(shù),他們得到的結(jié)果是相似的[42]。其中, NPQ升高是植物應(yīng)對逆境脅迫而保護PSII反應(yīng)中心的防御機制[43],但在茅蒼術(shù)的研究上發(fā)現(xiàn)高溫脅迫處理使NPQ先上升后下降[44],原因可能是其光合機構(gòu)受到不可逆?zhèn)?。隆春艷等[45]發(fā)現(xiàn)施加一定濃度的外源脫落酸(ABA)可使菠菜葉片F(xiàn)v/Fm和NPQ增加,以有效緩解高溫對菠菜PSII反應(yīng)中心的傷害。但重度高溫脅迫下甚至可使植物光合作用發(fā)生不可逆?zhèn)24],植物對此也會啟動一定的防御機制。藍莓品種“公爵”在遭受重度高溫脅迫時ФPSII幾乎會降低到0, 即PSII反應(yīng)中心已完全關(guān)閉以防止高溫對其的損傷[46]。

2.5 重金屬脅迫對植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

重金屬污染物不能被微生物降解或進行自然降解,因此被植物吸收積累后,既可以利用食物鏈的放大作用使人類健康和動物受到損害[47],又可以使植物光合作用等生理過程受到抑制從而導(dǎo)致植物發(fā)生一系列有害的生理生化變化[48]。

有研究發(fā)現(xiàn)Cd2+或Cu2+處理下黑藻的F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0均呈下降趨勢,并且Cd2+脅迫下上述熒光參數(shù)顯著下降,表明黑藻對Cu2+耐受能力>Cd2+耐受能力,同時指出Cd2+對黑藻的光合結(jié)構(gòu)的破壞更徹底,并且二者脅迫對其光合特性的破壞是不可逆的[47]。然而不同植物葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)對不同重金屬脅迫的響應(yīng)是不同的。在Zn2+脅迫處理下蘆葦葉片的Fv/Fm和Fv/F0降低,Cu2+脅迫下二者卻上升[49]。

劉濤等[50]研究發(fā)現(xiàn)Pb2+、Zn2+及二者復(fù)合處理下西南樹平蘚ФPSII、qP和ETR均下降,表明重金屬脅迫下植物PSII反應(yīng)中心遭受損傷,降低了光合轉(zhuǎn)換效率,抑制了PSII反應(yīng)中心的開放程度;而NPQ在輕、中度金屬脅迫下呈先上升后下降或持續(xù)上升趨勢,在重度脅迫下持續(xù)下降,表明在輕、中度金屬脅迫下植物可通過升高NPQ即增大熱耗散能力來保護其光合結(jié)構(gòu),但當(dāng)金屬脅迫達到一定程度時植物熱耗散系統(tǒng)遭受嚴重損傷而無法進行自我調(diào)節(jié)以防御外界脅迫。

3 展 望

植物天線色素捕獲的光能主要通過光合電子傳遞、熱耗散及葉綠素?zé)晒?種途徑進行耗散,且三者的關(guān)系是此消彼長。人們可利用快速葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)對植物進行無損傷的快速、準確測定,以了解不同環(huán)境因子對植物光系統(tǒng)的影響及植物的響應(yīng)機制。近年來,人們在逆境對植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響上的研究分析主要應(yīng)用在植物對逆境脅迫的光系統(tǒng)響應(yīng)機制、檢測污染物對植物的毒害作用[51]以及篩選抗逆境植被上,因此,隨著快速葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的不斷發(fā)展以及對光合過程的深入探索,該技術(shù)還將越來越廣泛的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)發(fā)展、植物病理學(xué)等研究領(lǐng)域中。但各葉綠素?zé)晒鈪?shù)在生物學(xué)意義上還存在很多爭議且使用鑒定混淆不清,有些意義相同或相近的參數(shù)的表達方式又存在差異,有待統(tǒng)一規(guī)范,同時葉綠素?zé)晒鈨?nèi)在分子機制有待進一步研究。