不同溫度下秋茄樹幼苗葉綠素熒光參數對光強的響應

李 紅，鄭春芳，陳繼濃，于 馮，康華靖

（1.溫州市農業(yè)科學研究院，浙江 溫州 325006；2.浙江省近岸水域生物資源開發(fā)與保護重點實驗室，浙江省海洋水產養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 325005）

紅樹林是國際《濕地公約》《生物多樣性公約》《聯(lián)合國海洋法公約》《中國濕地行動計劃》和《中華人民共和國海洋環(huán)境保護法》等的重要保護對象之一[1]。它的高生產力、高歸還率和高分解率功能給近海海洋生態(tài)系統(tǒng)提供了強大的物質基礎，在防止海岸侵蝕、減緩海平面上升、減輕污染、海洋藥物研發(fā)、科研教育、生態(tài)旅游等方面發(fā)揮著重要作用[2]。紅樹植物廣泛分布于熱帶亞熱帶海岸潮間帶地區(qū)，溫度是影響其分布的最主要因素。溫度是影響植物生長發(fā)育及其地理分布的一個重要生態(tài)因素，植物只有在適宜的溫度環(huán)境下才能正常生長發(fā)育并順利完成其生活史[3]。研究樹種生境中溫度等逆境脅迫對光合作用的影響及其與植物的生態(tài)分布和演替狀態(tài)之間的聯(lián)系，一直倍受關注[4-6]。

光合作用是綠色植物生長發(fā)育的基礎。目前低溫對紅樹植物光合作用的影響一直深受關注。楊盛昌等[7]發(fā)現，低溫抑制紅樹植物葉片凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和水分利用率，促進胞間CO2濃度增加。Kao等[8]認為，低溫脅迫使紅樹植物葉片光系統(tǒng)II（PSII）反應中心電荷分離實際量子效率（ΦPSII）以及電子傳遞速率（ETR）降低，抑制了PSII活性和ETR，致使光合功能受損。秋茄樹Kandelia obovata是一種典型紅樹植物，由于其適應性廣，是我國亞熱帶海岸灘涂綠化應用最廣的紅樹之一[9]。秋茄樹屬于耐寒紅樹植物之一，也是浙江省溫州市紅樹林引種成林最北緣的唯一品種[10]。另外，楊娟等[11]研究了溫度對相同引種地三個秋茄樹居群遺傳多樣性的影響，結果表明低溫導致了秋茄樹遺傳多樣性的減少。為了緩解低溫對紅樹的傷害，余敏等[12]探討了外源NO緩解秋茄樹低溫脅迫的生理機制；鄭春芳等[10]研究了烯效唑對低溫脅迫下秋茄樹幼苗光合作用與抗氧化系統(tǒng)的影響，認為烯效唑處理能減少低溫脅迫對秋茄樹葉片細胞的傷害。

鑒于秋茄樹重要的生態(tài)功能和價值，人們一直致力于其向高緯度地區(qū)引種。秋茄樹雖是眾多紅樹植物中耐寒性最強的種類，但高緯度地區(qū)冬季極端低溫天氣會使得秋茄樹遭受到凍害，甚至引起植株的死亡。因此，本文擬通過室內不同溫度下的受控實驗，研究秋茄樹幼苗葉綠素熒光參數對光強（PAR）變化的響應，以期為高緯度地區(qū)秋茄樹幼苗的繁育和造林提供理論依據。

1 研究方法

1.1 材料培養(yǎng)與試驗設計

供試秋茄樹為2年生移植容器苗，由浙江海洋水產養(yǎng)殖研究所提供。幼苗于2017年春季移植，統(tǒng)一種植在口徑為25 cm，底直徑為20 cm，高25 cm的塑料小水桶中。桶內裝有3 kg自然風干的灘涂淤泥（NaCl含量為1.29 g·kg-1），每桶4株幼苗。于2018年1月置于溫州市農業(yè)科學研究院實驗室的培養(yǎng)箱（晝/夜溫度為25/20℃，濕度為75%）中適應7 d，然后進行各試驗處理，具體晝/夜溫度分別設置為A（25/20℃），B（20/15℃），C（15/10℃），D（10/5℃）和E（5/0℃），晝、夜處理時間各為12 h，培養(yǎng)箱中PAR為400 μmol·m-2·s-1，濕度均設置為75%，由外置加濕器保證濕度的穩(wěn)定，共處理28 d。每種處理3盆，每盆4株，常規(guī)管理，3次重復，完全隨機排列。

1.2 測定內容與方法

測量前分別選取長勢一致的植株各7株，每株上各選取一張葉片待測（由于E處理生長狀況極差，葉片脫落嚴重，故不予測量）。此時秋茄樹幼苗高度集中在35～ 40 cm，地徑約1.5 cm。植株生長正常。所選葉片的葉色較綠，均為完全發(fā)育成熟且健壯的葉片。

利用便攜式光合儀（LI-6400-40，LI-COR INC.，USA）于9:00-16:00進行數據測量。儀器參數設置參考文獻[13]，光梯度設置為1 800，1 600，1 400，1 200，1 000，800，600，400，200，150，100和50 μmol·m-2·s-1，并應用自動測量程序自動記錄氣體交換參數和葉綠素熒光參數，儀器可直接測量得到葉片的ETR，PSII反應中心的激發(fā)能捕獲效率（Fv'/Fm'），ΦPSII，光化學猝滅系數（qP）和非光化學猝滅系數（qN）等參數對PAR的響應曲線。每次記錄最小等待時間為60 s，最大等待時間為90 s。

1.3 數據處理

根據光合計算軟件4.1（井岡山大學生命科學學院 數理學院），分別應用光響應機理模型（Model I）、直角雙曲線模型（Model II）、非直角雙曲線模型（Model III）和雙指數方程模型（Model IV）進行擬合及計算[14]。SPSS19.0版本（SPSS，Chicago,IL）軟件進行計算、處理和方差差異顯著性分析，采用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 秋茄樹ETR 對PAR 的響應

由圖1可以看出，各處理秋茄樹幼苗葉片的ETR在PAR＜600 μmol·m-2·s-1時均先隨PAR的升高而快速增大，隨后，ETR上升較為平緩，并在1 400 μmol·m-2·s-1時達到最大，之后，隨著PAR的增加而略有下降。從圖1還可以看出，A和B處理下秋茄樹幼苗葉片的ETR較為接近，整體上遠高于C和D處理（P＜0.05）。另外，C處理的ETR整體上也明顯高于D處理（P＜0.05）。

以A處理數據為例，分別應用Model I，Model II，Model III和Model IV進行擬合，其結果見圖2。從圖2可看出，除Model II不能很好地擬合高PAR下ETR下降的趨勢外，其余模型均能較好地擬合測量值的變化趨勢。從確定系數（R2）來看，4種模型的R2均高于0.9（表1）。

表1 ETR對光響應曲線的擬合結果 (平均數±標準誤差)Table 1 Fitting of response curve of ETR to light

從擬合得到的最大電子傳遞速率（ETRmax）來看，Model I，Model III和Model IV擬合得到的結果較為接近，且與實測ETRmax較為吻合；雖然Model III擬合得到的值相對較高，但除A處理外，其余處理下的擬合值也與實測ETRmax間無顯著差異（P＞0.05）。然而，從擬合得到的飽和PAR來看，4種模型擬合的效果存在較大差異。整體來看，Model I和Model IV擬合得到的飽和PAR較高，前者擬合得到的飽和PAR分別為1 337.130（A），1 255.383（B），1 118.327（C）和1 076.744（D）μmol·m-2·s-1；后者擬合得到的飽和PAR則分別為1 236.420（A），1 163.419（B），1 178.053（C）和1 042.090（D）μmol·m-2·s-1，且與實測ETRmax所對應的PAR較為接近，遠高于Model II和Model III擬合的結果（P＜0.05）。由此判斷，Model I和Model IV的擬合效果較好。另外，由初始斜率的擬合值來看，在同一模型下，A和B處理值較為接近，且遠高于C和D處理（P＜0.05）。

圖1 不同溫度處理下秋茄樹幼苗葉片ETR 對PAR 的響應Figure 1 Response of ETR of different treated K.obovata on PAR

圖2 Model I，Model II，Model III和Model IV對ETR-光響應曲線的擬合Figure 2 Fitting of 5 models and measure values of different treated K. obovata

2.2 秋茄樹幼苗Fv'/Fm'和ΦPSII 對PAR 的響應

由圖3 a可以看出，同一溫度處理下，秋茄樹幼苗的Fv'/Fm'隨著PAR的升高而整體波動較小。比較不同溫度下的Fv'/Fm'可以看出，在A和B處理下的Fv'/Fm'值極為接近，顯著高于C和D處理（P＜0.05）。由圖3b可以看出，隨著PAR的升高，秋茄樹幼苗的ΦPSII逐漸降低。同樣，比較不同溫度下的ΦPSII可以看出，在A和B處理下的ΦPSII極為接近，顯著高于C和D處理（P＜0.05）。

圖3 不同溫度下秋茄樹幼苗實際Fv'/Fm'（a）和實際ΦPSI（b）對PAR的響應Figure 3 Fv'/Fm' and ΦPSII of different treated K. obovata

2.3 秋茄樹幼苗qP 和qN 對PAR 的響應

由圖4a可以看出，同一溫度處理下，秋茄樹幼苗光的qP隨著PAR的升高而逐漸降低。比較不同溫度下的Fv'/Fm'可以看出，隨著處理溫度的降低，秋茄樹幼苗的qP也逐漸下降。由圖4b可以看出，隨著PAR的升高，秋茄樹幼苗的qN整體波動較??；而比較不同溫度下的qN可以看出，在A和B處理下的qN值極為接近，且顯著高于C和D處理（P＜0.05）。同樣，在C和D處理之間的qN也存在顯著差異（P＜0.05）。

圖4 不同溫度下秋茄樹幼苗qP（a）和qN（b）對PAR 的響應Figure 4 Light-response curves of qP and qN of different treated K.obovata

3 結論和討論

葉綠素熒光動力學技術作為研究植物光合功能快速、無損傷的探針，在測定葉片光合同化過程中，光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有顯著的優(yōu)勢。因此，本文基于熒光數據比較了不同溫度處理秋茄樹幼苗對不同PAR的響應。

本試驗運用了4種模型對不同溫度下秋茄樹葉片的飽和PAR進行了探討。結果顯示，Model I擬合給出的飽和PAR分別為1 337.130（A），1 255.383（B），1 118.327（C）和1 076.744（D）μmol·m-2·s-1；Model IV擬合給出的結果分別為1 236.420（A），1 163.419（B），1 178.053（C）和1 042.090（D）μmol·m-2·s-1，且以上2種模型擬合結果與實測ETRmax對應的PAR較為接近（P＞0.05）。由此可見，秋茄樹幼苗葉片的飽和PAR范圍為1 000～ 1 400 μmol·m-2·s-1，說明秋茄樹幼苗表現出較強的陽生植物特性。

從ETRmax的擬合結果來看，4種模型的擬合結果整體上與實測ETRmax較為吻合。而A，B，C，D不同處理下的ETRmax之間差異顯著（P＜0.05），以光響應機理模型的擬合值為例，在A，B，C，D處理下，秋茄樹葉片的ETRmax分別為124.393，110.812，64.153和31.567 mol·m-2·s-1，不同溫度間ETRmax的值均達到顯著差異（P＜0.05）?？梢姡瑴囟鹊陀?0℃對秋茄樹幼苗的光合影響較大。這與秋茄樹幼苗植株生長的外部形態(tài)觀察結果較為一致。

Fv'/Fm'代表光合反應中心PSII的光合效率，反映了光合反應中心在部分關閉的情況下的實際捕獲能量的傳遞效率[15]。同樣，ΦPSII也可作為研究植物光抑制的一種快速的、非損傷性的指標[16]。本試驗結果表明，在C和D處理下，秋茄樹幼苗的Fv'/Fm'和ΦPSII顯著降低（P＜0.05）。qP反映PSII天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，并進一步反映PSII反應中心的開放程度和電子傳遞活性的大小[17-18]。從測量數據來看，在A和B處理下，秋茄樹幼苗葉片的qP較為接近，均顯著高于C和D處理（P＜0.05），這說明溫度高于20℃處理的秋茄樹幼苗葉片PSII反應中心的開放程度和電子傳遞活性的大小基本穩(wěn)定。植物吸收的光能一部分用于光合作用外，還有一部分可通過qN過程來調整過量能量的耗散，保護PSII反應中心免受因吸收過多光能而引起的光氧化和光抑制傷害[19]。比較不同溫度下的qN可以看出，在A和B處理下的qN較高，顯著高于C和D處理（P＜0.05），說明較低溫度下秋茄樹幼苗葉片通過qN過程來調整過量能量耗散的能力較差。這與較低溫度對紅樹的相關研究相一致[7-8]。鄭春芳等[10]研究表明，烯效唑處理能改善低溫脅迫下秋茄樹植株抗氧化系統(tǒng)運行，減少低溫脅迫對秋茄樹葉片細胞的傷害。因此，在溫州地區(qū)進行秋茄樹的推廣應用，在其幼苗階段建議噴施植物生長調節(jié)劑以提高其抗寒性。

綜合本試驗結果表明，不同溫度下的秋茄樹幼苗均表現出陽生植物特性，幼苗葉片飽和PAR范圍為1 000～1 400 μmol·m-2·s-1；溫度低于20℃對秋茄樹幼苗的光合影響較大；最低溫度低于5℃將影響幼苗的生存。因此，建議在幼苗階段，夏季進行適當遮陽，冬季噴施植物生長調節(jié)劑或采用其他措施進行保溫。