陰生和陽生環(huán)境下空心蓮子草葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)的比較

胡文海，李海超，周 兵

陰生和陽生環(huán)境下空心蓮子草葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)的比較

*胡文海1,2，李海超1，周 兵1,2

（1.井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西，吉安 343009；2.江西省生物多樣性與生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西，吉安 343009）

為了探究空心蓮子草對陽生和陰生環(huán)境的適應(yīng)性，對兩種光環(huán)境下空心蓮子草葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，兩種光環(huán)境下的空心蓮子草葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線（OJIP曲線）存在明顯差異，但其PIABS卻無差異。陽生環(huán)境下的空心蓮子草具有相對較高的Sm、ψo(hù)、φDo、φRo、ETo/RC、DIo/RC和REo/RC。而陰生環(huán)境下的空心蓮子草則具有相較高的TRo/RC、RC/CS、ABS/CS和TRo/CS。這表明，陽生環(huán)境下的空心蓮子草可通過增大PQ庫容量和PSI活性來提高光合電子傳遞鏈的電子傳遞效率，并增強(qiáng)熱耗散能力以消耗過量吸收光能，從而防御了強(qiáng)光對光合機(jī)構(gòu)的傷害；而陰生環(huán)境下，空心蓮子草可通過增加單位面積中反應(yīng)中心數(shù)量來增強(qiáng)對弱光的吸收與利用能力。

空心蓮子草；陰生環(huán)境；陽生環(huán)境；快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線

空心蓮子草()是莧科（Amaranthaceae）蓮子草屬（sp.）多年生宿根草本植物，原產(chǎn)于南美洲巴西等國[1]。由于空心蓮子草對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，常能排擠本土植物而形成單一優(yōu)勢群落，危害當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)多樣性，成為我國危害最嚴(yán)重的外來入侵物種之一[2-3]。研究表明空心蓮子草具有很強(qiáng)的形態(tài)和生理可塑性來適應(yīng)不同的環(huán)境[4]。例如，干旱條件下空心蓮子草表現(xiàn)出將更多的生物量分配到根，而較少分配到莖葉，并且其葉綠素含量也顯著低于濕生和水生環(huán)境下的植株[5-6]。干旱還導(dǎo)致根和葉的組織細(xì)胞變小，并誘導(dǎo)合成豐富的抗氧化酶類和抗氧化物質(zhì)來適應(yīng)干旱脅迫[7]。氮素的增加有利于空心蓮子草對光照反應(yīng)可塑性的增加，從而使得種群有向貧瘠土壤和弱光環(huán)境拓展的風(fēng)險(xiǎn)[8]。半水淹條件下空心蓮子草仍保持較高的葉綠素含量和凈光合速率，只有在全淹處理下其光合能力才顯著減小，但誘導(dǎo)了抗氧化酶活性，因此空心蓮子草具有較強(qiáng)的生理可塑性以適應(yīng)水淹環(huán)境[9]。通過與本地近緣種蓮子草的比較，空心蓮子草具有較快的主莖生長速率、較寬的溫度適應(yīng)范圍，以及較高的光合能力，從而使得其具有比本地種更強(qiáng)的競爭力[10]。

空心蓮子草具有喜光耐陰的特性，在全光照和陰生條件下均具有良好的生長勢，光照強(qiáng)度是影響種群生存與維持、生長和成功入侵的重要因子[11-12]。研究表明，空心蓮子草對光照強(qiáng)度具有很強(qiáng)的可塑性，但其基本的空間生長格局特征具有相對穩(wěn)定性[13-14]。強(qiáng)光下的空心蓮子草具有較高的光合速率和光飽和點(diǎn)，而弱光下的空心蓮子草則具有相對較大而薄的葉面積[15]。雖然空心蓮子草的形態(tài)可塑性和光合作用對不同光環(huán)境的響應(yīng)已有一定研究，但不同光環(huán)境下空心蓮子草光合機(jī)構(gòu)對光能吸收利用的響應(yīng)與其光環(huán)境適應(yīng)間的關(guān)系仍不清楚。植物光合作用由原初反應(yīng)、電子傳遞與光合磷酸化和碳同化等生理過程組成，對光溫極為敏感[16]。在生物膜能量流動理論基礎(chǔ)上建立的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)分析技術(shù)為深入研究光合作用原初反應(yīng)，探究PSII供體側(cè)和受體側(cè)電子傳遞提供了便捷的有力工具[17-18]。為此，我們對全光照和陰生兩種光環(huán)境下空心蓮子草葉片的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線和JIP-test參數(shù)進(jìn)行了比較，探索空心蓮子草對不同光環(huán)境的適應(yīng)性及其響應(yīng)機(jī)制，以期從光合生理方面理解空心蓮子草的入侵機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)于2019年10月在井岡山大學(xué)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為校園內(nèi)第一食堂后的情人坡，實(shí)驗(yàn)期間為連續(xù)晴天。分別選擇5株陽生環(huán)境（植株完全處于太陽光下，午間最大光強(qiáng)為44500 Lux）和陰生環(huán)境（植株完全生長于樹蔭下，午間最大光強(qiáng)為4700 Lux）的空心蓮子草為材料，從生長正常的植株上選擇形態(tài)學(xué)頂端數(shù)第三輪至第六輪無病蟲斑的健康成熟葉1片，于晴天中午12時(shí)測定其快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線。

1.2 研究方法

1.2.1 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線的測定和JIP-test參數(shù)的計(jì)算

快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線（OJIP曲線）采用Handy-PEA（Hansatech，英國）進(jìn)行測定。葉片充分暗適應(yīng)30min后，OJIP曲線由2000μmol·m-2·s-1紅光誘導(dǎo)，測定時(shí)間為2 s。

JIP-test參數(shù)的計(jì)算方法和含義參見李鵬民等[17]文獻(xiàn)，文中涉及到的參數(shù)包括PIABS:以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)；Mo：PSII的原初電子受體QA被還原的最大速率；VJ：J點(diǎn)時(shí)的相對可變熒光強(qiáng)度；VI：I點(diǎn)時(shí)的相對可變熒光強(qiáng)度；Sm：標(biāo)準(zhǔn)化后的OJIP熒光誘導(dǎo)曲線及y軸圍成的面積；ψo(hù)：反應(yīng)中心捕獲的激子中用來推動電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的激子占用來推動QA還原激子的比率；φEo：用于電子傳遞的量子產(chǎn)額；φDo：用于熱耗散的量子比率；φRo：用于還原PSI受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額；ABS/RC：單位反應(yīng)中心吸收的光能；TRo/RC：單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量；ETo/RC：單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量；DIo/RC：單位反應(yīng)中心熱耗散的能量；REo/RC：單位反應(yīng)中心電子傳遞到PSI最終電子受體的能量；RC/CS：單位面積內(nèi)有活性反應(yīng)中心的數(shù)量；ABS/CS：單位面積吸收的光能；TRo/CS：單位面積捕獲的光能；ETo/CS：單位面積電子傳遞到電子傳遞鏈Q(jìng)A下游其他電子受體的能量；DIo/CS：單位面積的熱耗散；REo/CS：單位面積電子傳遞到PSI最終電子受體的能量。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

利用Origin9.0軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。采用one-way ANVOA Tukey檢驗(yàn)分析不同處理間的差異性，當(dāng)< 0.05時(shí)認(rèn)為差異顯著。論文中所列數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，= 5。圖表中不同字母表示在5%水平上處理間具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 對葉片OJIP曲線和性能指數(shù)的影響

由圖1可知，陽生環(huán)境下空心蓮子草葉片的葉綠素?zé)晒庵得黠@低于陰生環(huán)境下的植株，兩者間的OJIP曲線存在顯著差異；然而兩者間的PIABS卻無差異。

圖1 陰生和陽生環(huán)境下空心蓮子草葉片OJIP曲線和性能指數(shù)的比較

2.2 對PSII受體側(cè)的影響

兩種光環(huán)境下的空心蓮子草Mo和φEo沒有差異，但陽生環(huán)境下植株具有更高的Sm、ψo(hù)、φDo和φRo，以及較低的VJ和VI（表1）。

表1 陰生和陽生環(huán)境下空心蓮子草葉片Mo、VJ、VI、Sm、ψo(hù)、φEo、φDo和φRo的比較

2.3 對PSII反應(yīng)中心和葉片比活性的影響

對于單位有活性的PSII反應(yīng)中心而言，兩種光環(huán)境下空心蓮子草葉片的ABS/RC并沒有明顯區(qū)別，但陽生環(huán)境下空心蓮子草葉片具有比陰生環(huán)境下植株更高的ETo/RC、DIo/RC和REo/RC，而陰生環(huán)境下的空心蓮子草則具有較高的TRo/RC（圖2A）。對于單位葉片面積而言，陰生環(huán)境下的空心蓮子草具有比陽生環(huán)境下植株更高的RC/CS、ABS/CS和TRo/CS，但兩種光環(huán)境下空心蓮子草的ETo/CS、DIo/CS和REo/CS無差異（圖2B）。

圖2 陰生和陽生環(huán)境下空心蓮子草葉片比活性參數(shù)的比較

3 討論

空心蓮子草作為一種入侵性極強(qiáng)的入侵植物，其對各種環(huán)境均具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。本研究中生長于陰生和陽生環(huán)境下的空心蓮子草葉片OJIP曲線存在明顯差異，但其光合性能指數(shù)（PIABS）卻無差異。植物OJIP曲線中包含著大量關(guān)于PSII反應(yīng)中心原初光化學(xué)反應(yīng)的信息[17]，這表明空心蓮子草的原初反應(yīng)對光環(huán)境極為敏感，并能夠通過原初反應(yīng)的可塑性來適應(yīng)不同的光環(huán)境。

就植物對光環(huán)境的適應(yīng)而言，陽生環(huán)境下植物主要是防御強(qiáng)光傷害。依照能量流動模型，天線色素吸收的能量大部分被反應(yīng)中心所捕獲并轉(zhuǎn)化為還原能，通過PSII反應(yīng)中心受體側(cè)的電子傳遞體氧化還原進(jìn)行能量傳遞，從而產(chǎn)生電子傳遞[17-18]。本實(shí)驗(yàn)中，兩種光環(huán)境下空心蓮子草PSII的原初電子受體QA被還原的最大速率（Mo）和用于電子傳遞的量子產(chǎn)額（φEo）并沒有差異，這說明PSII所捕獲的光能轉(zhuǎn)化為還原能并驅(qū)動PSII受體側(cè)電子傳遞能力并沒有差異[17,19]。然而，陽生環(huán)境下空心蓮子草葉片具有較高的電子傳遞到電子傳遞鏈中QA-下游的電子受體的概率（ψo(hù)）[19]，這表明PSII受體側(cè)的電子傳遞能夠順利進(jìn)行，即空心蓮子草能夠較好地適應(yīng)強(qiáng)光環(huán)境。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，陽生環(huán)境下空心蓮子草葉片具有較大的PQ庫（Sm）和PSI受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額（φRo）[17，19]，這意味著陽生環(huán)境下的空心蓮子草可以通過增大PQ庫容量和PSI活性來保障強(qiáng)光下葉片光合電子傳遞的順利進(jìn)行。而陽生環(huán)境下空心蓮子草具有相對較低的VJ和VI則進(jìn)一步佐證了這一點(diǎn)。VJ和VI反映了在J點(diǎn)和I點(diǎn)關(guān)閉的反應(yīng)中心數(shù)量，即QA-的積累量[20]。VJ值越高則表明PSII受體側(cè)QA向次級醌受體QB電子傳遞越受到阻礙，VI增高則表明PQ庫接受電子的能力下降[21-22]。

事實(shí)上，雖然陽生環(huán)境下空心蓮子草單位葉面積有活性的反應(yīng)中心數(shù)量（RC/CS）低于陰生環(huán)境，但其有活性的反應(yīng)中心的電子傳遞效率明顯高于陰生環(huán)境，表現(xiàn)為單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量（ETo/RC）[17]相對較高。另一方面，陽生環(huán)境下的空心蓮子草單位反應(yīng)中心捕獲的用于熱耗散的能量（DIo/RC）和吸收光能中用于熱耗散的量子比率（φDo）[17]也明顯高于陰生環(huán)境下植株，這說明空心蓮子草可以通過增強(qiáng)熱耗散能力以消耗吸收光能。因此，陽生環(huán)境下空心蓮子草可通過提高光合電子傳遞鏈的電子傳遞效率和熱耗散效率來提高能量的利用與耗散，從而減輕了強(qiáng)光對光合機(jī)構(gòu)的傷害。

植物適應(yīng)弱光環(huán)境則主要是提高對弱光的利用能力。在本研究中，兩種光環(huán)境下空心蓮子草葉片的ABS/RC和TRo/RC也沒有明顯區(qū)別，這說明兩種光環(huán)境下單位有活性的反應(yīng)中心對光能的吸收能力和捕獲能力并沒有差異[17-19]。但是，陰生環(huán)境下的空心蓮子草具有較陽生環(huán)境下更高的RC/CS、ABS/CS和TRo/CS。RC/CS、ABS/CS和TRo/CS分別代表了單位面積上反應(yīng)中心的數(shù)量、單位面積吸收的光能和捕獲的光能[17,19]。這表明陰生環(huán)境下的空心蓮子草單位面積葉片具有更多有活性的反應(yīng)中心數(shù)量，這將有利于空心蓮子草在弱光下吸收更多的光能并轉(zhuǎn)化為還原能，提高了空心蓮子草對弱光的利用能力。楊永清等的研究也表明，空心蓮子草葉片葉綠素含量隨著光照降低而顯著增加[5]。然而，由于陰生環(huán)境下空心蓮子草單位有活性的反應(yīng)中心的電子傳遞能力（ETo/RC）和熱耗散（DIo/RC）能力低于陽生環(huán)境下植株，從而導(dǎo)致兩種光環(huán)境下空心蓮子草單位面積上的電子傳遞（ETo/CS）和熱耗散能力（DIo/CS）[17]并無明顯差異。因此，空心蓮子草主要是通過增加單位面積中反應(yīng)中心的數(shù)量來增強(qiáng)對弱光的吸收與利用能力。

綜上所述，空心蓮子草可通過增大PQ庫和PSI活性來提高光合電子傳遞鏈的電子傳遞效率，并通過增強(qiáng)熱耗散能力以消耗過量光能，從而防御了強(qiáng)光對光合機(jī)構(gòu)的傷害。而弱光環(huán)境下，空心蓮子草可通過增加單位面積中反應(yīng)中心數(shù)量來增強(qiáng)對弱光的吸收與利用能力。

[1] 周兵,陳潔,馬勝平,等. 空心蓮子草致病菌鏈格孢菌不同菌株的致病性及培養(yǎng)條件[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016, 29(2): 321-326.

[2] 呂曉倩,韓翠敏,奚道國,等. 克隆整合有利于喜旱蓮子草入侵本地植物種群[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2019, 41(6): 1093-1102.

[3] 王瑞,周忠實(shí),張國良,等. 重大外來入侵雜草在我國的分布危害格局與可持續(xù)治理[J]. 生物安全學(xué)報(bào),2018,27(4): 317-320.

[4] 吳昊,張辰,代文魁. 氣候變暖和物種多樣性交互效應(yīng)對空心蓮子草入侵的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào),2020,29(3): 38-48.

[5] 楊永清,張學(xué)江. 不同生態(tài)型喜旱蓮子草對干旱的生理生態(tài)反應(yīng)[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,49(8): 1890-1893.

[6] 曹裕松,肖宜安,周兵,等. 不同水分生境中空心蓮子草自然種群的表型可塑性[J]. 井岡山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,33(3): 102-106.

[7] 肖強(qiáng),高建明,羅立廷,等. 干旱脅迫對空心蓮子草抗氧化酶活性和組織學(xué)的影響[J]. 生物技術(shù)通報(bào),2006,17(4): 556-559.

[8] 楊永清,龍富波,張偉,等. 入侵植物喜旱蓮子草對光、氮及其互作的表型可塑性反應(yīng)[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(4): 38-41.

[9] 張乖乖,簡敏菲,余厚平,等. 水淹脅迫下空心蓮子草的光合和熒光特征及其生理和生態(tài)響應(yīng)[J]. 濕地科學(xué),2018,16(1): 73-78.

[10] 張彩云,劉衛(wèi),徐志防,等. 入侵種喜旱蓮子草和蓮子草的營養(yǎng)生長和光合作用對溫度的響應(yīng)[J]. 熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào),2006,14(4): 333-339.

[11] Longstreth D J,Mason CB. The effect of light on growth and dry matter allocation patterns of(Mart.) Griseb [J]. Botanical Gazette,1984, 145(1): 105-109.

[12] 許凱揚(yáng),葉萬輝,李國民,等. 入侵種喜旱蓮子草對光照強(qiáng)度的表型可塑性反應(yīng)[J]. 武漢植物學(xué)研究,2005, 23(6): 560-563.

[13] 陳中義,王府京,王英英,等. 光照強(qiáng)度對2種來源的空心蓮子草生長的影響[J]. 長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版）農(nóng)學(xué)卷,2007,4(1): 68-71.

[14] 張紫妍,張致杰,潘曉云. 喜旱蓮子草對遮蔭的可塑性反應(yīng)：入侵地與原產(chǎn)地種群的比較[J]. 生物多樣性,2015,23(1): 18-22.

[15] Longstreth D J, Bolanos J A, Goddard R H. Photosynthetic rate and mesophyll surface area in expanding leaves ofgrowth at two light levels [J]. American Journal of Botany, 1985, 72(1): 14-19.

[16] Nelson N, Yocum C F. Structure and function of photosystem I and II [J]. Annual Review of Plant Biology, 2006, 57, 521-565.

[17] 李鵬民,高輝遠(yuǎn),Strasser R J. 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)分析在光合作用研究中的應(yīng)用[J]. 植物生理學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)報(bào),2005,31(6): 559-566.

[18] Tsimilli-Michael M. Revisiting JIP-test: An educative review on concepts, assumptions, approximations, definitions and terminology [J]. Photosynthetica, 2019, 57(SI), 90-107.

[19] 蘇曉瓊,王美月,束勝,等. 外源亞精胺對高溫脅迫下番茄幼苗快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動務(wù)學(xué)特性的影響[J]. 園藝學(xué)報(bào),2013,40(12): 2409-2418.

[20] 原佳樂,馬超,馮雅嵐,等.不同抗旱性小麥快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線對干旱及復(fù)水的響應(yīng)[J].植物生理學(xué)報(bào)，2018，54(6): 1119-1129.

[21] Strasser R J, Srivastava A, Govindjee. Polyphasic chlorophyll a fluorescence transient in plants and cyanobacteria [J]. Photochemistry and Photobiology, 1995, 61(1):32-42.

[22] Henmi T, Miyao M, Yamamoto Y. Release and reactive-oxygen-mediated damage of the oxygen- evolving complex subunits of PSII during photoinhibition [J]. Plant and Cell Physiology, 2004, 45(2):243-250.

COMPARISON OF CHLOROPHYLL FLUORESCENE TRANSIENT IN LEAVES OFUNDER SHADING AND SUN ENVIRONMENT

*HU Wen-Hai1,2, LI Hai-Cao1, ZHOU Bing1,2

(1. School of Life Sciences, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering, Ji’an, Jiangxi 343009, China)

In order toexplore the adaptability ofto the shading and sun environment, the chlorophyll fluorescence transient in leaves ofunder shading and sun environment was studied. The results showed that there was significant difference in OJIP curve between the leaves ofunder the two light condition, however, there was no difference in PIABS. Under sun environment,possessed higher Sm, ψo(hù), φDo, φRo, ETo/RC, DIo/RC and REo/RC. However, there were higher TRo/RC、RC/CS、ABS/CS和TRo/CS in the leaves ofunder shading environment. These results indicated thatunder sun environment can improve the electron transfer efficiency by increasing the PQ pool capacity and PSI activity, and consume excessive light energy by enhancing the heat dissipation ability, which can prevent the damage of high light to photosynthetic apparatus. Under shading environment,can increase the number of reaction centers per unit leaf area to enhancing the capacity of absorption and utilization of low light.

; shading environment; sun environment; chlorophyll fluorescence transient

S642.2

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2020.04.008

1674-8085(2020)04-0038-05

2020-03-12；

2020-05-16

江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜?jì)劃項(xiàng)目（KJLD12079）

*胡文海(1973-)，男，江西吉安人，教授，博士，主要從事植物逆境生理方面的研究(Email：huwenhai@jgsu.edu.cn);

李海超(1998-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物科學(xué)專業(yè)2016級本科生(E-mail:1047025512@qq.com);

周 兵(1977-)，男，湖北黃梅人，副教授，博士，主要從事植物生態(tài)學(xué)方面的研究(Email: zhoubing113@126.com).