低溫脅迫對3種綠絨蒿幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2020-08-28 08:51:32侯禎丹嚴(yán)朋飛
西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2020年7期
黃 鴻，屈 燕，侯禎丹，嚴(yán)朋飛，劉 建
(西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院/國家林業(yè)局風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650224)
【研究意義】葉綠素是光合作用過程中用于捕獲光能的主要色素，當(dāng)PSⅡ反應(yīng)中心葉綠素 P680 的一個(gè)電子被激發(fā)到高能量的激發(fā)態(tài)時(shí)，會開始電子傳遞過程[1]。葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)已廣泛應(yīng)用于植物抗逆生理的研究，它具有快速、準(zhǔn)確、靈敏、無損傷的特性，可以在保持植株完整的基礎(chǔ)上測定出植株的光合作用過程的變化[2]。通常植物受到脅迫后的生理分析只能滿足少量樣品的研究，但由于受脅迫癥狀常是寒害的晚期表現(xiàn)，所以只單一的通過生理指標(biāo)評價(jià)低溫對植物的影響是較為困難的。而葉綠素在光合作用中產(chǎn)生的熒光信號對低溫造成的細(xì)胞傷害較為敏感，同時(shí)包含著豐富信息，且不具有破壞性[3]。在低溫下植物的抗寒性指標(biāo)參數(shù)與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化有一定相關(guān)性，通過測定和分析植物葉片的熒光參數(shù)的變化，可以更加快速準(zhǔn)確地對植物抗寒性能力及受傷害的程度作出評價(jià)。【前人研究進(jìn)展】一些研究發(fā)現(xiàn)低溫會降低植物對光能的利用率，主要表現(xiàn)為光合速率、電子傳遞率、光合酶活性都會明顯降低[4]。在低溫脅迫下，植物會調(diào)節(jié)自身熱耗散等一系列方式來保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受破壞，PSⅡ反應(yīng)中心可能會發(fā)生失活，這種失活分為可逆和不可逆2種[5]。植物在受到嚴(yán)重低溫傷害時(shí)，可能會對PSⅡ反應(yīng)中心產(chǎn)生不可逆失活，對光和機(jī)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重傷害，PSⅡ反應(yīng)中心是反映植物光化學(xué)反應(yīng)的重要?dú)夤軉挝?，PSⅡ的光化學(xué)效率參數(shù)能有效地反映植物光化學(xué)反映狀況[6]。Fv/Fm是PSⅡ光系統(tǒng)中的最大光化學(xué)效率，可以直接、準(zhǔn)確反映植物的光化學(xué)利用率，是評價(jià)植物是否受到光抑制的敏感指標(biāo)[7]。在環(huán)境脅迫中，不同的植物的葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化也不相同，但大多數(shù)研究中，植物的PSⅡ的光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、光化學(xué)淬滅和非光化學(xué)淬滅、電子傳遞速率等都會有上升或下降的變化[8]。低溫通常是限制植物的生長和地域分配的關(guān)鍵因素[9]。低溫脅迫不僅會影響植物生長形態(tài)，還會發(fā)生植物生理生化反應(yīng)，傷害植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致植物光合作用減弱[10]，當(dāng)溫度降至引起冷害的臨界點(diǎn)，植物光合酶活性、光合電子傳遞速率下降[11]，光合作用會表現(xiàn)出明顯的抑制作用[12]。王賀等[13]研究發(fā)現(xiàn)低溫導(dǎo)致蘋果最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)降低，從而使葉片光合機(jī)制受阻。梁芳[14]等通過葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究發(fā)現(xiàn)，菊花幼苗隨低溫脅迫程度的延長，光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、電子傳遞速率ETR和Fv/Fm呈降低趨勢。在一定脅迫程度下，植物會通過能量耗散途徑等多種調(diào)節(jié)反應(yīng)來保護(hù)光合機(jī)構(gòu)收到破壞[15]。馬博英等[16]通過研究植物的PSII實(shí)際光量子效率Y(II)、光合電子傳遞速率(ETR)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等葉綠素?zé)晒鈪?shù)，篩選出抗寒能力強(qiáng)的基因型草坪草。植物受嚴(yán)重低溫脅迫時(shí)，可能對光合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的破壞[17]，影響光合電子傳遞和與暗反應(yīng)有關(guān)的酶活性。陳曦等[18]發(fā)現(xiàn)0 ℃以下的低溫脅迫對油松造成不可恢復(fù)的光合機(jī)構(gòu)損傷?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】綠絨蒿常生長在海拔3000～5000 m高山草甸或者溫差大、氣溫低、空氣稀薄的高海拔地區(qū)的流石灘。其幼苗生長過程中必須忍受高山寒冷多變的氣候特征。因此，綠絨蒿是研究高山植物在低溫脅迫下的葉綠素?zé)晒庾兓?guī)律的理想材料。由于不同種類的綠絨蒿在生理適應(yīng)性上存在明顯差異。有學(xué)者通過對生長在海拔3000 m以上的總狀綠絨蒿和全緣葉綠絨蒿的光合響應(yīng)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)在低溫下全緣葉綠絨蒿的光合效率有明顯下降，總狀綠絨蒿對低溫和強(qiáng)光有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，能在光抑制下迅速恢復(fù)，這可能是因?yàn)榭偁罹G絨蒿葉片表面著生有細(xì)密絨刺能有效減輕強(qiáng)光的刺激?？偁罹G絨蒿在強(qiáng)光下會通過調(diào)節(jié)葉片比葉重、CO2導(dǎo)度來適應(yīng)強(qiáng)光，較全緣葉綠絨蒿更適合在低海拔地區(qū)引種栽培[14]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】文章分別選取貝利葉綠絨蒿(Meconopsisbaileyi),多刺綠絨蒿(Meconopsishorridula)和高莖綠絨蒿(Meconopsissuperba)3種綠絨蒿幼苗，利用葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)，對低溫脅迫條件下3種綠絨蒿幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘淖兓M(jìn)行研究，以此來探討低溫脅迫對不同亞屬綠絨蒿幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懀瑸榫G絨蒿屬植物的引種栽培、以及高山植物抗寒因子研究提供借鑒。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)材料為多刺綠絨蒿、高莖綠絨蒿、貝利葉綠絨蒿半年生實(shí)生苗。選取大小一致、長勢良好的綠絨蒿幼苗置于人工氣候箱中，先于20 ℃/16 ℃(晝/夜)適應(yīng)培養(yǎng)2 d，每天光照12 h，然后以4 ℃/h降溫至4 ℃進(jìn)行低溫脅迫處理，分別在0 h(CK)、低溫處理12、24、48、72 h、恢復(fù)48 h時(shí)進(jìn)行葉綠素?zé)晒鉁y定。
1.2 測定方法及指標(biāo)
取2片暗適應(yīng)20 min的綠絨蒿幼苗葉片，采用IMAGING-PAM(德國WALZ公司)葉綠素?zé)晒鉁y定儀進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定。儀器基本參數(shù)：檢測光強(qiáng)度0.1 μmol/m·s，光化光強(qiáng)度81 μmol/m·s，飽和脈沖強(qiáng)度2700 μmol/m·s，脈沖光0.8 s，每隔20 s打開1次。
1.3 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2003和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，各參數(shù)數(shù)值為3次重復(fù)的平均值。
2 結(jié)果與分析
2.1 低溫脅迫下幼苗最大熒光(Fm)變化
由圖1可見，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，3種綠絨蒿的最大熒光(Fm)均有下降趨勢，在72 h時(shí)Fm達(dá)到最低值，其中多刺綠絨蒿下降幅度最明顯，比脅迫前下降了30 %。在脅迫24、48、72 h后，貝利葉綠絨蒿最大熒光Fm分別比0 h(CK)下降8.9 %、11.1 %、15.6 %；多刺綠絨蒿分別比0 h(CK)下降 4.6 %、13.9 %、30 %；高莖綠絨蒿分別比0 h(CK)下降2.1 %、11.2 %、16.1 %。經(jīng)過常溫48 h的恢復(fù)，3種幼苗的Fm均有上升趨勢，但未恢復(fù)到0 h(CK)水平。
同一品種上不同小寫字母表示差異達(dá)5 %顯著水平。下同Different lowercase letters on the same breed indicate that the difference reaches a significant level of 5 %.The same as below
2.2 低溫脅迫下幼苗的表現(xiàn)電子傳遞速率變化
由圖2可見，低溫脅迫處理期間，多刺和高莖綠絨蒿幼苗表觀電子傳遞速率(ETR)隨脅迫時(shí)間逐漸下降，貝利葉綠絨蒿ETR在24 h升高，繼而開始下降；多刺綠絨蒿在48 h降至最低然后在72 h升高。貝利葉綠絨蒿、多刺綠絨蒿和高莖綠絨蒿的ETR在72 h下降，分別為0 h(CK)的88 %、45 %和89 %。經(jīng)過48 h自然恢復(fù)，3種幼苗的ETR有所回升。
圖2 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的表現(xiàn)電子傳遞速率變化Fig.2 Changes of the expression electron transfer rate of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.3 低溫脅迫下幼苗的非光化學(xué)淬滅變化
由圖3可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的非光化學(xué)淬滅(NPQ)先上升后下降，均在恢復(fù)48 h后升高，貝利葉和多刺綠絨蒿達(dá)到最大值。自然恢復(fù)48 h后，高莖綠絨蒿的NPQ保持穩(wěn)定，貝利葉綠絨蒿和多刺綠絨蒿有所上升，2種幼苗(NPQ)均顯著高于0 h(CK)。
圖3 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的非光化學(xué)淬滅變化Fig.3 Changes of Non-photochemical quenching of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.4 低溫脅迫下幼苗PSⅡ?qū)嶋H光量子效率變化
由圖4可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ?qū)嶋H光量子效率Y(Ⅱ)逐漸降低，均在72 h達(dá)到最小值且顯著小于0 h(CK，P<0.05)，分別為0 h(CK)的84 %、66 %、82 %。經(jīng)過48 h自然恢復(fù)，3種綠絨蒿的Y(Ⅱ)均有所回升，但仍然低于0 h(CK)。
圖4 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗PSⅡ?qū)嶋H光量子效率變化Fig.4 Changes of PSⅡactual light quantum efficiency of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.5 低溫脅迫下幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散變化
由圖5可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)在脅迫24 h時(shí)升高，其中多刺綠絨蒿在24 h達(dá)到最大值。貝利葉綠絨蒿在24、48、72 h的Y(NPQ)與0 h(CK)差異不顯著，經(jīng)過48 h恢復(fù)顯著高于0 h(CK)水平。多刺和高莖綠絨蒿在脅迫24 h后幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)均有不同幅度的下降。
圖5 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散變化Fig.5 Changes of PSⅡregulatory in energy dissip of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.6 低溫脅迫下幼苗的PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散變化
由圖6可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)逐漸上升，其中貝利葉和多刺綠絨蒿在48 h達(dá)到最大值，且顯著大于0 h(CK，P<0.05)，高莖綠絨蒿在72 h時(shí)達(dá)到最大值。經(jīng)過48 h恢復(fù)3種絨蒿比較0 h(CK)均有回升，多刺綠絨蒿上升幅度最為明顯。
圖6 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散Fig.6 Changes of PSⅡregulatory energy dissipation of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.7 低溫脅迫下幼苗的PSⅡ潛在活性的變化
由圖7可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ潛在活性(Fv/F0)呈下降趨勢，其中3種綠絨蒿在72 h達(dá)到最小值，且顯著低于0 h(CK，P<0.05)，說明低溫影響了PSⅡ受體的電子傳遞。高莖綠絨蒿的PSⅡ潛在活性(Fv/F0)較低溫脅迫前有下降但并無太大變化，說明受低溫傷害相對較小。經(jīng)過48 h恢復(fù)，3種綠絨蒿的PSⅡ潛在活性均有回升。
2.8 低溫脅迫下8幼苗的PSⅡ最大光化學(xué)效率的變化
由圖8可見，經(jīng)低溫脅迫72 h后，多刺綠絨蒿的最大光化學(xué)效率Fv/Fm的值顯著低于0 h(CK) (P<0.05)，脅迫72 h較脅迫前降低了36.2 %。在脅迫24 h貝利葉綠絨蒿和高莖綠絨蒿的最大光化學(xué)效率Fv/Fm分別0 h(CK)降低了13.2 %，15.6%，并隨著脅迫時(shí)間延長緩慢下降。在恢復(fù)48 h后，3種綠絨蒿的Fv/Fm均有升高，但仍未恢復(fù)至0 h(CK)水平。這表明3種綠絨蒿幼苗都受到低溫的影響并對低溫具有較強(qiáng)的適應(yīng)力，其中，多刺綠絨蒿葉片受低溫脅迫的影響，在脅迫72 h時(shí)光能利用率最低，但在恢復(fù)48 h后，其最大光化學(xué)效率有顯著升高，說明多刺綠絨蒿在72 h受到低溫傷害，但又能在溫度恢復(fù)之后通過自我調(diào)節(jié)來抵御傷害。
圖 7 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ潛在活性的變化Fig.7 Changes of PSⅡ potential activity of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
圖8 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ最大光化學(xué)效率的變化Fig.8 Changes of maximum photochemical efficiency of PSⅡ of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
3 討 論
低溫脅迫對植物熒光特性的影響與植物種類有關(guān)，不同種類具有一定差異。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，3種綠絨蒿在低溫脅迫下，PSⅡ的電子傳遞速率受到影響都發(fā)生了不同程度的光抑制。在低溫脅迫后3種綠絨蒿最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光合電子傳遞量子效率ΦPSⅡ、光化學(xué)猝滅qP均顯著降低,非光化學(xué)猝滅qN升高，電子傳遞速率(ETR)減慢,導(dǎo)致實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(Y)下降，與低溫脅迫對其他植物影響的類似研究結(jié)果相一致[19]。
3.1 低溫脅迫下3種綠絨蒿的熒光特性
本研究中，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，3種綠絨蒿的最大熒光Fm均有下降趨勢，在低溫脅迫72 h時(shí)Fm達(dá)到最低值，說明PSⅡ的電子傳遞受阻并受到光抑制[20]，其中多刺綠絨蒿下降幅度最明顯。經(jīng)過常溫48 h的恢復(fù)，3種綠絨蒿幼苗的Fm均有上升趨勢，仍未恢復(fù)到0 h時(shí)的水平。貝利葉綠絨蒿在不同脅迫時(shí)間電子傳遞速率ETR和光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)值較高，說明在低溫下其光合電子傳遞速率較高[21]。高莖綠絨蒿的非光合效率和調(diào)節(jié)性熱耗散量子產(chǎn)額的值隨著脅迫時(shí)間延長有明顯上升，表明高莖綠絨蒿相較貝利葉和多刺綠絨蒿來說對寒冷的敏感度不高，在低溫下有較強(qiáng)的自我保護(hù)能力。低溫脅迫后多刺綠絨蒿的電子傳遞速率ETR和光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)降幅大，自然恢復(fù)相對緩慢，常溫恢復(fù)后Y(NO)仍和0 h時(shí)差異不顯著，表明了多刺綠絨蒿在一定程度上對低溫的適應(yīng)力要弱一些。
3.2 低溫脅迫對3種綠絨蒿光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換的影響
NPQ是植物對光合機(jī)構(gòu)的一種自我保護(hù)機(jī)制，表示在PSⅡ電子傳遞中熱耗散的程度[22-24]。3種綠絨蒿幼苗的非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ先上升后下降，均在恢復(fù)48 h又上升并達(dá)到最大值。表明3種綠絨蒿都在低溫脅迫下通過熱耗散來減輕PSⅡ的損傷。脅迫72 h時(shí)3種綠絨蒿的NPQ值均有下降趨勢，表明PSII熱耗散的保護(hù)能力隨著低溫脅迫時(shí)間延長而有所減弱。溫度恢復(fù)48 h后，高莖綠絨蒿的NPQ保持穩(wěn)定，貝利葉綠絨蒿和多刺綠絨蒿有所上升。
非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)是光損傷的重要指標(biāo)[25]，Y(NO)值較高表示光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和熱耗散不能將植物所吸收的光完全消耗[26]。3種綠絨蒿幼苗的Y(NO)隨著低溫脅迫時(shí)間延長逐漸上升，在脅迫48 h時(shí)，均大于0 h時(shí)，說明此時(shí)3種綠絨蒿幼苗光和機(jī)構(gòu)可能已經(jīng)受到了損傷[27]。經(jīng)過48 h恢復(fù)，3種綠絨蒿Y(NO)均高于0 h時(shí)水平。PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm反映PSII光合反應(yīng)下最大光能轉(zhuǎn)換效率，能檢測植物在自然環(huán)境下是否受到光抑制或其他脅迫。在本研究中，在低溫脅迫下，3種綠絨蒿的最大光化學(xué)效率Fv/Fm的值均有所下降，即表明產(chǎn)生了不同程度光抑制，其中多刺綠絨蒿在脅迫72 h時(shí)下降幅度最大，光能利用率最低，其葉片受低溫脅迫的影響較大。
4 結(jié) 論
對3種綠絨蒿幼苗的Fm、ETR、NPQ、Y(II)、Y(NPQ)、Y(NO)、Fv/F0和Fv/Fm等一系列熒光參數(shù)進(jìn)行比較，持續(xù)低溫脅迫下，貝利葉綠絨蒿ETR和Y(II)值隨脅迫時(shí)間延長下降幅度較小且在溫度恢復(fù)48 h后有明顯上升，高莖綠絨蒿的NPQ和Y(NPQ)值在低溫脅迫下上升得較快，相較于多刺有較好的低溫自我保護(hù)。多刺綠絨蒿的電子傳遞速率ETR和光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)降幅大，自然恢復(fù)相對緩慢，常溫恢復(fù)后Y(NO)和0 h時(shí)差異不顯著，表明多刺綠絨蒿在一定程度上對低溫的適應(yīng)力要弱一些。
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黃 鴻，屈 燕，侯禎丹，嚴(yán)朋飛，劉 建
(西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院/國家林業(yè)局風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650224)
【研究意義】葉綠素是光合作用過程中用于捕獲光能的主要色素，當(dāng)PSⅡ反應(yīng)中心葉綠素 P680 的一個(gè)電子被激發(fā)到高能量的激發(fā)態(tài)時(shí)，會開始電子傳遞過程[1]。葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)已廣泛應(yīng)用于植物抗逆生理的研究，它具有快速、準(zhǔn)確、靈敏、無損傷的特性，可以在保持植株完整的基礎(chǔ)上測定出植株的光合作用過程的變化[2]。通常植物受到脅迫后的生理分析只能滿足少量樣品的研究，但由于受脅迫癥狀常是寒害的晚期表現(xiàn)，所以只單一的通過生理指標(biāo)評價(jià)低溫對植物的影響是較為困難的。而葉綠素在光合作用中產(chǎn)生的熒光信號對低溫造成的細(xì)胞傷害較為敏感，同時(shí)包含著豐富信息，且不具有破壞性[3]。在低溫下植物的抗寒性指標(biāo)參數(shù)與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化有一定相關(guān)性，通過測定和分析植物葉片的熒光參數(shù)的變化，可以更加快速準(zhǔn)確地對植物抗寒性能力及受傷害的程度作出評價(jià)。【前人研究進(jìn)展】一些研究發(fā)現(xiàn)低溫會降低植物對光能的利用率，主要表現(xiàn)為光合速率、電子傳遞率、光合酶活性都會明顯降低[4]。在低溫脅迫下，植物會調(diào)節(jié)自身熱耗散等一系列方式來保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受破壞，PSⅡ反應(yīng)中心可能會發(fā)生失活，這種失活分為可逆和不可逆2種[5]。植物在受到嚴(yán)重低溫傷害時(shí)，可能會對PSⅡ反應(yīng)中心產(chǎn)生不可逆失活，對光和機(jī)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重傷害，PSⅡ反應(yīng)中心是反映植物光化學(xué)反應(yīng)的重要?dú)夤軉挝?，PSⅡ的光化學(xué)效率參數(shù)能有效地反映植物光化學(xué)反映狀況[6]。Fv/Fm是PSⅡ光系統(tǒng)中的最大光化學(xué)效率，可以直接、準(zhǔn)確反映植物的光化學(xué)利用率，是評價(jià)植物是否受到光抑制的敏感指標(biāo)[7]。在環(huán)境脅迫中，不同的植物的葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化也不相同，但大多數(shù)研究中，植物的PSⅡ的光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、光化學(xué)淬滅和非光化學(xué)淬滅、電子傳遞速率等都會有上升或下降的變化[8]。低溫通常是限制植物的生長和地域分配的關(guān)鍵因素[9]。低溫脅迫不僅會影響植物生長形態(tài)，還會發(fā)生植物生理生化反應(yīng)，傷害植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致植物光合作用減弱[10]，當(dāng)溫度降至引起冷害的臨界點(diǎn)，植物光合酶活性、光合電子傳遞速率下降[11]，光合作用會表現(xiàn)出明顯的抑制作用[12]。王賀等[13]研究發(fā)現(xiàn)低溫導(dǎo)致蘋果最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)降低，從而使葉片光合機(jī)制受阻。梁芳[14]等通過葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究發(fā)現(xiàn)，菊花幼苗隨低溫脅迫程度的延長，光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、電子傳遞速率ETR和Fv/Fm呈降低趨勢。在一定脅迫程度下，植物會通過能量耗散途徑等多種調(diào)節(jié)反應(yīng)來保護(hù)光合機(jī)構(gòu)收到破壞[15]。馬博英等[16]通過研究植物的PSII實(shí)際光量子效率Y(II)、光合電子傳遞速率(ETR)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等葉綠素?zé)晒鈪?shù)，篩選出抗寒能力強(qiáng)的基因型草坪草。植物受嚴(yán)重低溫脅迫時(shí)，可能對光合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的破壞[17]，影響光合電子傳遞和與暗反應(yīng)有關(guān)的酶活性。陳曦等[18]發(fā)現(xiàn)0 ℃以下的低溫脅迫對油松造成不可恢復(fù)的光合機(jī)構(gòu)損傷?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】綠絨蒿常生長在海拔3000～5000 m高山草甸或者溫差大、氣溫低、空氣稀薄的高海拔地區(qū)的流石灘。其幼苗生長過程中必須忍受高山寒冷多變的氣候特征。因此，綠絨蒿是研究高山植物在低溫脅迫下的葉綠素?zé)晒庾兓?guī)律的理想材料。由于不同種類的綠絨蒿在生理適應(yīng)性上存在明顯差異。有學(xué)者通過對生長在海拔3000 m以上的總狀綠絨蒿和全緣葉綠絨蒿的光合響應(yīng)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)在低溫下全緣葉綠絨蒿的光合效率有明顯下降，總狀綠絨蒿對低溫和強(qiáng)光有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，能在光抑制下迅速恢復(fù)，這可能是因?yàn)榭偁罹G絨蒿葉片表面著生有細(xì)密絨刺能有效減輕強(qiáng)光的刺激?？偁罹G絨蒿在強(qiáng)光下會通過調(diào)節(jié)葉片比葉重、CO2導(dǎo)度來適應(yīng)強(qiáng)光，較全緣葉綠絨蒿更適合在低海拔地區(qū)引種栽培[14]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】文章分別選取貝利葉綠絨蒿(Meconopsisbaileyi),多刺綠絨蒿(Meconopsishorridula)和高莖綠絨蒿(Meconopsissuperba)3種綠絨蒿幼苗，利用葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)，對低溫脅迫條件下3種綠絨蒿幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘淖兓M(jìn)行研究，以此來探討低溫脅迫對不同亞屬綠絨蒿幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懀瑸榫G絨蒿屬植物的引種栽培、以及高山植物抗寒因子研究提供借鑒。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)材料為多刺綠絨蒿、高莖綠絨蒿、貝利葉綠絨蒿半年生實(shí)生苗。選取大小一致、長勢良好的綠絨蒿幼苗置于人工氣候箱中，先于20 ℃/16 ℃(晝/夜)適應(yīng)培養(yǎng)2 d，每天光照12 h，然后以4 ℃/h降溫至4 ℃進(jìn)行低溫脅迫處理，分別在0 h(CK)、低溫處理12、24、48、72 h、恢復(fù)48 h時(shí)進(jìn)行葉綠素?zé)晒鉁y定。
1.2 測定方法及指標(biāo)
取2片暗適應(yīng)20 min的綠絨蒿幼苗葉片，采用IMAGING-PAM(德國WALZ公司)葉綠素?zé)晒鉁y定儀進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定。儀器基本參數(shù)：檢測光強(qiáng)度0.1 μmol/m·s，光化光強(qiáng)度81 μmol/m·s，飽和脈沖強(qiáng)度2700 μmol/m·s，脈沖光0.8 s，每隔20 s打開1次。
1.3 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2003和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，各參數(shù)數(shù)值為3次重復(fù)的平均值。
2 結(jié)果與分析
2.1 低溫脅迫下幼苗最大熒光(Fm)變化
由圖1可見，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，3種綠絨蒿的最大熒光(Fm)均有下降趨勢，在72 h時(shí)Fm達(dá)到最低值，其中多刺綠絨蒿下降幅度最明顯，比脅迫前下降了30 %。在脅迫24、48、72 h后，貝利葉綠絨蒿最大熒光Fm分別比0 h(CK)下降8.9 %、11.1 %、15.6 %；多刺綠絨蒿分別比0 h(CK)下降 4.6 %、13.9 %、30 %；高莖綠絨蒿分別比0 h(CK)下降2.1 %、11.2 %、16.1 %。經(jīng)過常溫48 h的恢復(fù)，3種幼苗的Fm均有上升趨勢，但未恢復(fù)到0 h(CK)水平。
同一品種上不同小寫字母表示差異達(dá)5 %顯著水平。下同Different lowercase letters on the same breed indicate that the difference reaches a significant level of 5 %.The same as below
2.2 低溫脅迫下幼苗的表現(xiàn)電子傳遞速率變化
由圖2可見，低溫脅迫處理期間，多刺和高莖綠絨蒿幼苗表觀電子傳遞速率(ETR)隨脅迫時(shí)間逐漸下降，貝利葉綠絨蒿ETR在24 h升高，繼而開始下降；多刺綠絨蒿在48 h降至最低然后在72 h升高。貝利葉綠絨蒿、多刺綠絨蒿和高莖綠絨蒿的ETR在72 h下降，分別為0 h(CK)的88 %、45 %和89 %。經(jīng)過48 h自然恢復(fù)，3種幼苗的ETR有所回升。
圖2 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的表現(xiàn)電子傳遞速率變化Fig.2 Changes of the expression electron transfer rate of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.3 低溫脅迫下幼苗的非光化學(xué)淬滅變化
由圖3可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的非光化學(xué)淬滅(NPQ)先上升后下降，均在恢復(fù)48 h后升高，貝利葉和多刺綠絨蒿達(dá)到最大值。自然恢復(fù)48 h后，高莖綠絨蒿的NPQ保持穩(wěn)定，貝利葉綠絨蒿和多刺綠絨蒿有所上升，2種幼苗(NPQ)均顯著高于0 h(CK)。
圖3 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的非光化學(xué)淬滅變化Fig.3 Changes of Non-photochemical quenching of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.4 低溫脅迫下幼苗PSⅡ?qū)嶋H光量子效率變化
由圖4可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ?qū)嶋H光量子效率Y(Ⅱ)逐漸降低，均在72 h達(dá)到最小值且顯著小于0 h(CK，P<0.05)，分別為0 h(CK)的84 %、66 %、82 %。經(jīng)過48 h自然恢復(fù)，3種綠絨蒿的Y(Ⅱ)均有所回升，但仍然低于0 h(CK)。
圖4 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗PSⅡ?qū)嶋H光量子效率變化Fig.4 Changes of PSⅡactual light quantum efficiency of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.5 低溫脅迫下幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散變化
由圖5可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)在脅迫24 h時(shí)升高，其中多刺綠絨蒿在24 h達(dá)到最大值。貝利葉綠絨蒿在24、48、72 h的Y(NPQ)與0 h(CK)差異不顯著，經(jīng)過48 h恢復(fù)顯著高于0 h(CK)水平。多刺和高莖綠絨蒿在脅迫24 h后幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)均有不同幅度的下降。
圖5 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散變化Fig.5 Changes of PSⅡregulatory in energy dissip of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.6 低溫脅迫下幼苗的PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散變化
由圖6可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)逐漸上升，其中貝利葉和多刺綠絨蒿在48 h達(dá)到最大值，且顯著大于0 h(CK，P<0.05)，高莖綠絨蒿在72 h時(shí)達(dá)到最大值。經(jīng)過48 h恢復(fù)3種絨蒿比較0 h(CK)均有回升，多刺綠絨蒿上升幅度最為明顯。
圖6 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散Fig.6 Changes of PSⅡregulatory energy dissipation of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
2.7 低溫脅迫下幼苗的PSⅡ潛在活性的變化
由圖7可見，低溫脅迫處理期間，3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ潛在活性(Fv/F0)呈下降趨勢，其中3種綠絨蒿在72 h達(dá)到最小值，且顯著低于0 h(CK，P<0.05)，說明低溫影響了PSⅡ受體的電子傳遞。高莖綠絨蒿的PSⅡ潛在活性(Fv/F0)較低溫脅迫前有下降但并無太大變化，說明受低溫傷害相對較小。經(jīng)過48 h恢復(fù)，3種綠絨蒿的PSⅡ潛在活性均有回升。
2.8 低溫脅迫下8幼苗的PSⅡ最大光化學(xué)效率的變化
由圖8可見，經(jīng)低溫脅迫72 h后，多刺綠絨蒿的最大光化學(xué)效率Fv/Fm的值顯著低于0 h(CK) (P<0.05)，脅迫72 h較脅迫前降低了36.2 %。在脅迫24 h貝利葉綠絨蒿和高莖綠絨蒿的最大光化學(xué)效率Fv/Fm分別0 h(CK)降低了13.2 %，15.6%，并隨著脅迫時(shí)間延長緩慢下降。在恢復(fù)48 h后，3種綠絨蒿的Fv/Fm均有升高，但仍未恢復(fù)至0 h(CK)水平。這表明3種綠絨蒿幼苗都受到低溫的影響并對低溫具有較強(qiáng)的適應(yīng)力，其中，多刺綠絨蒿葉片受低溫脅迫的影響，在脅迫72 h時(shí)光能利用率最低，但在恢復(fù)48 h后，其最大光化學(xué)效率有顯著升高，說明多刺綠絨蒿在72 h受到低溫傷害，但又能在溫度恢復(fù)之后通過自我調(diào)節(jié)來抵御傷害。
圖 7 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ潛在活性的變化Fig.7 Changes of PSⅡ potential activity of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
圖8 低溫脅迫下3種綠絨蒿幼苗的PSⅡ最大光化學(xué)效率的變化Fig.8 Changes of maximum photochemical efficiency of PSⅡ of three Meconopsis seedlings under low temperature stress
3 討 論
低溫脅迫對植物熒光特性的影響與植物種類有關(guān)，不同種類具有一定差異。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，3種綠絨蒿在低溫脅迫下，PSⅡ的電子傳遞速率受到影響都發(fā)生了不同程度的光抑制。在低溫脅迫后3種綠絨蒿最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光合電子傳遞量子效率ΦPSⅡ、光化學(xué)猝滅qP均顯著降低,非光化學(xué)猝滅qN升高，電子傳遞速率(ETR)減慢,導(dǎo)致實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(Y)下降，與低溫脅迫對其他植物影響的類似研究結(jié)果相一致[19]。
3.1 低溫脅迫下3種綠絨蒿的熒光特性
本研究中，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，3種綠絨蒿的最大熒光Fm均有下降趨勢，在低溫脅迫72 h時(shí)Fm達(dá)到最低值，說明PSⅡ的電子傳遞受阻并受到光抑制[20]，其中多刺綠絨蒿下降幅度最明顯。經(jīng)過常溫48 h的恢復(fù)，3種綠絨蒿幼苗的Fm均有上升趨勢，仍未恢復(fù)到0 h時(shí)的水平。貝利葉綠絨蒿在不同脅迫時(shí)間電子傳遞速率ETR和光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)值較高，說明在低溫下其光合電子傳遞速率較高[21]。高莖綠絨蒿的非光合效率和調(diào)節(jié)性熱耗散量子產(chǎn)額的值隨著脅迫時(shí)間延長有明顯上升，表明高莖綠絨蒿相較貝利葉和多刺綠絨蒿來說對寒冷的敏感度不高，在低溫下有較強(qiáng)的自我保護(hù)能力。低溫脅迫后多刺綠絨蒿的電子傳遞速率ETR和光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)降幅大，自然恢復(fù)相對緩慢，常溫恢復(fù)后Y(NO)仍和0 h時(shí)差異不顯著，表明了多刺綠絨蒿在一定程度上對低溫的適應(yīng)力要弱一些。
3.2 低溫脅迫對3種綠絨蒿光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換的影響
NPQ是植物對光合機(jī)構(gòu)的一種自我保護(hù)機(jī)制，表示在PSⅡ電子傳遞中熱耗散的程度[22-24]。3種綠絨蒿幼苗的非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ先上升后下降，均在恢復(fù)48 h又上升并達(dá)到最大值。表明3種綠絨蒿都在低溫脅迫下通過熱耗散來減輕PSⅡ的損傷。脅迫72 h時(shí)3種綠絨蒿的NPQ值均有下降趨勢，表明PSII熱耗散的保護(hù)能力隨著低溫脅迫時(shí)間延長而有所減弱。溫度恢復(fù)48 h后，高莖綠絨蒿的NPQ保持穩(wěn)定，貝利葉綠絨蒿和多刺綠絨蒿有所上升。
非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)是光損傷的重要指標(biāo)[25]，Y(NO)值較高表示光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和熱耗散不能將植物所吸收的光完全消耗[26]。3種綠絨蒿幼苗的Y(NO)隨著低溫脅迫時(shí)間延長逐漸上升，在脅迫48 h時(shí)，均大于0 h時(shí)，說明此時(shí)3種綠絨蒿幼苗光和機(jī)構(gòu)可能已經(jīng)受到了損傷[27]。經(jīng)過48 h恢復(fù)，3種綠絨蒿Y(NO)均高于0 h時(shí)水平。PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm反映PSII光合反應(yīng)下最大光能轉(zhuǎn)換效率，能檢測植物在自然環(huán)境下是否受到光抑制或其他脅迫。在本研究中，在低溫脅迫下，3種綠絨蒿的最大光化學(xué)效率Fv/Fm的值均有所下降，即表明產(chǎn)生了不同程度光抑制，其中多刺綠絨蒿在脅迫72 h時(shí)下降幅度最大，光能利用率最低，其葉片受低溫脅迫的影響較大。
4 結(jié) 論
對3種綠絨蒿幼苗的Fm、ETR、NPQ、Y(II)、Y(NPQ)、Y(NO)、Fv/F0和Fv/Fm等一系列熒光參數(shù)進(jìn)行比較，持續(xù)低溫脅迫下，貝利葉綠絨蒿ETR和Y(II)值隨脅迫時(shí)間延長下降幅度較小且在溫度恢復(fù)48 h后有明顯上升，高莖綠絨蒿的NPQ和Y(NPQ)值在低溫脅迫下上升得較快，相較于多刺有較好的低溫自我保護(hù)。多刺綠絨蒿的電子傳遞速率ETR和光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)降幅大，自然恢復(fù)相對緩慢，常溫恢復(fù)后Y(NO)和0 h時(shí)差異不顯著，表明多刺綠絨蒿在一定程度上對低溫的適應(yīng)力要弱一些。
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