干旱脅迫下歐李葉片光系統(tǒng)活性與超微弱發(fā)光的關(guān)系

李樹青，任鵬達(dá)，李連國(guó)，孫 聰，郭金麗

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010011）

生物超微弱發(fā)光（ultra weak luminescence）是自然界廣泛存在的一種發(fā)光現(xiàn)象，除數(shù)量極少的低級(jí)生物，如一些藻類和原生物，大多數(shù)生物具有超微弱發(fā)光功能[1]。生物超微弱發(fā)光與生物體內(nèi)代謝或損壞過程相關(guān)，是一種極其微弱的低水平化學(xué)發(fā)光，發(fā)光強(qiáng)度僅為10-14～10-9hv/（s·cm2），波長(zhǎng)范圍為180～800 nm[2]。已有研究表明，超微弱發(fā)光與動(dòng)植物的代謝、細(xì)胞分裂分化、光合作用、信號(hào)傳導(dǎo)、死亡及生長(zhǎng)等基本生命過程相關(guān)[3]。超微弱發(fā)光分析技術(shù)存在靈敏度高、工作便捷、不破壞試驗(yàn)材料的特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品領(lǐng)域都起著重大的引領(lǐng)作用，超微弱發(fā)光在農(nóng)業(yè)方面的研究主要集中在檢測(cè)種子的活力、加工貯存、防治病害、綠色蔬菜和食品應(yīng)用等方面[4-7]。

歐李[Cerasus humilis（Bge.）Sok.]屬薔薇科櫻桃屬的矮生灌木果樹，是我國(guó)獨(dú)有的野生果樹資源，分布范圍主要集中在內(nèi)蒙古、遼寧、河北、山東、山西等地[8]。歐李抗寒、抗旱、耐瘠薄，綜合適應(yīng)性極強(qiáng)；歐李果實(shí)營(yíng)養(yǎng)豐富，鈣、鐵、VC、氨基酸的含量顯著高于其他水果；歐李果實(shí)可鮮食，酸甜可口、香氣濃郁，也可加工成果汁、果酒、紅色素、仁用油等系列產(chǎn)品。

目前，關(guān)于歐李抗旱性及干旱脅迫對(duì)光合作用中光系統(tǒng)活性影響的研究已有報(bào)道[9]，但是，對(duì)于干旱脅迫下歐李超微弱發(fā)光強(qiáng)度（UWL）與光系統(tǒng)活性關(guān)系的研究未見報(bào)道。本試驗(yàn)以歐李為研究對(duì)象，通過研究干旱脅迫下歐李葉片超微弱發(fā)光強(qiáng)度（UWL）和光系統(tǒng)活性的變化，找出試驗(yàn)條件下歐李光系統(tǒng)活性與超微弱發(fā)光的關(guān)系，為植物超微弱發(fā)光的產(chǎn)生來源提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為一年生歐李品種蒙原盆栽苗，試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)歐李科研基地。

1.2 試驗(yàn)方法

選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的歐李盆栽苗進(jìn)行干旱脅迫處理，處理前充分澆水，處理后不澆水，使土壤自然干旱；以正常澆水為對(duì)照。處理后每3 d 進(jìn)行一次超微弱發(fā)光強(qiáng)度及光系統(tǒng)活性的測(cè)定，到第18天時(shí)停止測(cè)定。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

各處理分別采集歐李枝條從基部向上10～20片葉中的3片功能葉，放入冰盒迅速帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定UWL。選用超微弱發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)（BPCL-2-SH，北京建新力拓科技有限公司），開機(jī)后預(yù)熱30 min，將所取葉片用打孔器（10 mm）打孔，將圓形葉片葉面向下，平鋪于測(cè)量杯底，打開窗戶即可測(cè)定。連續(xù)測(cè)定5次，測(cè)量值分別減去本底后取平均值即為歐李葉片的UWL。

選擇晴朗、無云的天氣進(jìn)行UWL 測(cè)定，光系統(tǒng)活性各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定使用澤泉科技有限公司生產(chǎn)的超便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x——MINI-PAM。每個(gè)處理隨機(jī)選擇5株，每株選取生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)一致的歐李枝條，從枝條基部向上10～20片葉中選取1片功能葉，將葉片表面的灰塵擦拭干凈，再用錫箔紙將待測(cè)葉片包裹以完全遮光，20 min后，測(cè)量其暗適應(yīng)下的F0、Fm、Fv/Fm 等參數(shù)，然后打開錫箔紙，使葉片充分暴露在自然光下，活化5 min后測(cè)量其F0′、Fm′、Fv′/Fm′、qP、qN，每天8：00—11：00 測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 10.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下歐李葉片光系統(tǒng)活性的變化

2.1.1 最大熒光產(chǎn)量（Fm）的變化 最大熒光產(chǎn)量（Fm）是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全關(guān)閉時(shí)的最大熒光產(chǎn)量，可反映光合作用通過PSⅡ的電子傳遞情況[9]。由圖1可知，隨著干旱程度的加深，歐李葉片最大熒光產(chǎn)量呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，處理在干旱脅迫結(jié)束時(shí)與脅迫前相比下降了1.38%；對(duì)照基本保持不變。在整個(gè)干旱脅迫過程中，脅迫下的最大熒光產(chǎn)量從第6天開始低于對(duì)照，在脅迫結(jié)束時(shí)比對(duì)照降低了12.76%，說明干旱脅迫抑制了PSⅡ的電子傳送，降低了最大熒光產(chǎn)量。

2.1.2 PSⅡ潛在活性（Fv/F0）和最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）的變化 Fv/F0和Fv/Fm 分別代表PSⅡ的潛在活性和PSⅡ光能的原初轉(zhuǎn)化效率[10]。由圖2、圖3可知，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片的PSⅡ潛在活性、最大光化學(xué)效率均呈先升后降趨勢(shì)，脅迫前PSⅡ潛在活性、最大光化學(xué)效率分別為1.05、0.55，在脅迫后的第6天達(dá)到最大值，分別為3.49、0.77，在脅迫結(jié)束時(shí)分別為0.72、0.45，與脅迫前相比分別下降了31.43%、18.18%；對(duì)照基本保持不變。在整個(gè)干旱脅迫過程中，PSⅡ潛在活性從脅迫的第9 天開始低于對(duì)照，最大光化學(xué)效率在脅迫的第6天與對(duì)照接近，之后逐漸低于對(duì)照。在脅迫結(jié)束時(shí)，PSⅡ潛在活性、最大光化學(xué)效率相比對(duì)照分別降低了35.14%、12.76%，說明干旱脅迫會(huì)降低葉片的原初光能轉(zhuǎn)化效率及PSⅡ的潛在光化學(xué)效率。

2.1.3 光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）與非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）的變化 光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）表示PSⅡ天線色素把吸收的光能用于光合電子傳遞的份額，反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度。由圖4可知，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片的光化學(xué)淬滅系數(shù)呈先升后降的趨勢(shì)，在脅迫前為0.90，在脅迫后的第3 天達(dá)到最大值0.96，在脅迫結(jié)束時(shí)下降到最小值0.87，與脅迫前相比下降3.33%；對(duì)照基本不變。在整個(gè)干旱脅迫過程中，干旱脅迫下的光化學(xué)淬滅系數(shù)整體低于對(duì)照。

非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）表示天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞，所以以熱的形式耗散的部分，反映了植物的熱耗散程度[11]。由圖5可知，隨著干旱脅迫程度的加深，干旱脅迫下歐李葉片的非光化學(xué)淬滅系數(shù)呈先降后升的趨勢(shì)，脅迫前為0.53，脅迫結(jié)束時(shí)為0.56，與脅迫前相比上升5.66%；對(duì)照基本不變。在整個(gè)脅迫過程中，干旱脅迫條件下的非光化學(xué)淬滅系數(shù)整體高于對(duì)照，在脅迫結(jié)束時(shí)比對(duì)照高17.00%。

與對(duì)照相比，干旱脅迫條件下光化學(xué)淬滅系數(shù)下降，而非光化學(xué)淬滅系數(shù)上升，說明干旱脅迫使歐李葉片的PSⅡ天線色素吸收光能的分配方式發(fā)生了變化，用于光化學(xué)電子傳遞的部分減少，而以熱形式耗散的部分增加。

2.1.4 天線熱耗散能量（D）的變化 天線熱耗散能量（D）為植物將獲取的光能通過天線色素消耗的部分[12]。由圖6可知，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片的天線熱耗散能量整體呈升高趨勢(shì)，脅迫前為0.23，在脅迫后的第18天上升到最大值0.45，與脅迫前相比上升95.65%；對(duì)照基本不變。在整個(gè)干旱脅迫過程中，干旱脅迫下的天線熱耗散能量整體高于對(duì)照，在結(jié)束時(shí)比對(duì)照高107.45%，說明干旱脅迫抑制了PSⅡ的功能，使植物將吸收的光能通過天線色素耗散的能量增加。

2.1.5 天線轉(zhuǎn)化效率（Fv′/Fm′）的變化 天線轉(zhuǎn)化效率（Fv′/Fm′）是PSⅡ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量，反映開放的PSⅡ反應(yīng)中心原初光能捕獲效率[13]。由圖7可知，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片天線轉(zhuǎn)化效率呈下降趨勢(shì)，脅迫前為0.77，在脅迫后的第18天達(dá)到最小值0.55，相比脅迫前降低28.57%；對(duì)照基本保持不變。整個(gè)干旱脅迫過程中，天線轉(zhuǎn)化效率整體低于對(duì)照，在結(jié)束時(shí)比對(duì)照低30.08%，說明干旱脅迫抑制了PSⅡ反應(yīng)中心原初光能捕獲效率。

2.1.6 相對(duì)光合電子傳遞效率（ETR）和實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）的變化 相對(duì)光合電子傳遞效率（ETR）反映實(shí)際光強(qiáng)狀態(tài)下表觀電子傳遞效率，在某種程度上反映PSⅡ反應(yīng)中心捕獲電子效率[14]。由圖8可知，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片ETR 呈先上升后下降趨勢(shì)，整體呈下降趨勢(shì)，在脅迫前為10.83，脅迫第6天達(dá)到最大值13.33，第18天為10.43，相比脅迫前降低3.69%；對(duì)照基本保持不變。在整個(gè)干旱脅迫過程中，相對(duì)光合電子傳遞效率均低于對(duì)照，在脅迫結(jié)束時(shí)比對(duì)照低26.18%。

實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）表示在光照條件下PSⅡ反應(yīng)中心部分關(guān)閉狀態(tài)下的實(shí)際原初光能捕獲能力，表示葉片在電子傳送能量時(shí)吸收光能的比例[15]。由圖9可知，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片實(shí)際光化學(xué)效率呈下降趨勢(shì)，在脅迫前為0.18，脅迫第18天達(dá)到最小值0.10，與脅迫前相比降低44.44%；對(duì)照基本不變。在整個(gè)干旱脅迫過程中，實(shí)際光化學(xué)效率整體均低于對(duì)照，在結(jié)束時(shí)比對(duì)照低42.60%。

2.2 干旱脅迫下歐李葉片超微弱發(fā)光強(qiáng)度的變化

由圖10可知，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片的超微弱發(fā)光強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)，脅迫前為44.77 cd，在脅迫的第18天達(dá)到最小值20.56 cd，比脅迫前下降了54.08%；對(duì)照基本保持不變。在干旱脅迫過程中，超微弱發(fā)光強(qiáng)度均低于對(duì)照，在脅迫結(jié)束時(shí)比對(duì)照低57.85%，說明干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致超微弱發(fā)光強(qiáng)度降低。

2.3 干旱脅迫下歐李葉片光系統(tǒng)活性與超微弱發(fā)光的關(guān)系

由表1可知，干旱脅迫條件下，超微弱發(fā)光強(qiáng)度與實(shí)際光化學(xué)效率呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與天線轉(zhuǎn)化效率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與天線熱耗散能量、非光化學(xué)淬滅系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)性依次降低。相關(guān)性分析表明，干旱脅迫下歐李葉片的實(shí)際光化學(xué)效率和天線轉(zhuǎn)化效率下降，而天線熱耗散能量和非光化學(xué)淬滅系數(shù)升高，從而導(dǎo)致光系統(tǒng)活性下降，而超微弱發(fā)光強(qiáng)度也下降，說明光系統(tǒng)活性與超微弱發(fā)光的產(chǎn)生有關(guān)。

3 討論與結(jié)論

目前，對(duì)于超微弱發(fā)光的研究已經(jīng)深入到激發(fā)機(jī)制。基于生物化學(xué)的觀點(diǎn)，一些研究者認(rèn)為，生活細(xì)胞在生化過程中產(chǎn)生的活性氧交叉作用，形成多種可輻射的活化狀態(tài)是動(dòng)植物超微弱發(fā)光的主要來源[15]。從生物物理角度出發(fā)，有些學(xué)者認(rèn)為一個(gè)非常重要的光子輻射來源是DNA[16]，還有學(xué)者認(rèn)為發(fā)光與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)[17-18]。孟亞芬等[19]在研究干旱條件下葡萄超微弱發(fā)光和光合特性的關(guān)系中推測(cè)超微弱發(fā)光的產(chǎn)生可能與光合作用有關(guān)。本試驗(yàn)在已有研究的基礎(chǔ)上研究了光系統(tǒng)活性與超微弱發(fā)光的關(guān)系。

PSⅡ是植物葉綠體進(jìn)行光合作用和能量轉(zhuǎn)換的重要機(jī)構(gòu)，其位于葉綠體類囊體的膜上，主要功能是進(jìn)行電子傳送與光合磷酸化耦聯(lián)，將電能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能[19]。任何環(huán)境因子對(duì)植物光合作用的影響必然會(huì)影響植物對(duì)光能的接收、傳達(dá)和轉(zhuǎn)化，PSⅡ首先受到影響，并主要表現(xiàn)為光化學(xué)活性的變化[20]。因此，PSⅡ的活性體現(xiàn)了葉綠體的功能及其進(jìn)行光合作用和能量轉(zhuǎn)換的效率。

表1 干旱脅迫下歐李葉片超微弱發(fā)光強(qiáng)度與光系統(tǒng)活性各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性分析

本試驗(yàn)以正常供水為對(duì)照，研究了干旱脅迫下歐李葉片光系統(tǒng)活性與超微弱發(fā)光強(qiáng)度的變化，探討光系統(tǒng)活性與超微弱發(fā)光的關(guān)系。試驗(yàn)中隨著干旱脅迫程度的加深，光系統(tǒng)活性指標(biāo)最大熒光產(chǎn)量、PSⅡ潛在活性、最大光化學(xué)效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)均下降，且均低于對(duì)照，尤其在干旱脅迫后期明顯低于對(duì)照，說明干旱脅迫使歐李葉片PSⅡ反應(yīng)中心受到損傷，導(dǎo)致其潛在活性和光能轉(zhuǎn)化效率下降。隨著干旱脅迫程度的加深，天線轉(zhuǎn)化效率、電子傳遞效率、實(shí)際光化學(xué)效率亦表現(xiàn)為下降，且均低于對(duì)照，在干旱脅迫后期明顯低于對(duì)照，說明干旱脅迫導(dǎo)致PSⅡ活性中心受到損傷，降低了其反應(yīng)中心的電子捕獲效率和光合電子的傳遞效率[21]。與此相反，非光化學(xué)淬滅系數(shù)和天線熱耗散能量隨著干旱脅迫程度的加深而升高，且均高于對(duì)照，表明在干旱脅迫條件下，光合器官的熱耗散隨干旱脅迫加劇而增加，光能轉(zhuǎn)化效率和通過PSⅡ的能量減少，于是葉片通過提高熱耗散降低吸收光能的轉(zhuǎn)換效率，阻止過多的光能向PSⅡ遞送，從而減少干旱脅迫對(duì)光反應(yīng)中心的損害[22-23]。

以上各項(xiàng)指標(biāo)的變化綜合說明，與對(duì)照相比，干旱脅迫導(dǎo)致歐李葉片光系統(tǒng)活性下降。同時(shí)，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片的超微弱發(fā)光強(qiáng)度也連續(xù)下降，說明歐李葉片的超微弱發(fā)光強(qiáng)度可以反映其受到干旱脅迫的程度。進(jìn)一步的相關(guān)性分析顯示，超微弱發(fā)光強(qiáng)度與實(shí)際光化學(xué)效率呈極顯著正相關(guān)，與天線轉(zhuǎn)化效率呈顯著正相關(guān)，與天線熱耗散能量、非光化學(xué)淬滅系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，歐李葉片的超微弱發(fā)光強(qiáng)度隨著光系統(tǒng)活性的下降而下降，且兩者具有顯著的相關(guān)性，表明歐李葉片光系統(tǒng)活性應(yīng)該與超微弱發(fā)光的激發(fā)有關(guān)，但光系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程是如何激發(fā)超微弱發(fā)光的機(jī)制還有待研究。