低溫脅迫對油菜葉片光能吸收轉(zhuǎn)換利用的影響

范思靜 王亞男

摘要 冬油菜是我國主要的油料來源，其在生長過程中常常遭受連續(xù)零下低溫的脅迫。通過模擬連續(xù)低溫脅迫處理，探討低溫脅迫對油菜光能吸收轉(zhuǎn)換的影響。結(jié)果表明，低溫處理0～8 h，對油菜葉片的光能吸收轉(zhuǎn)換利用效率影響不大，低溫處理8 h后，葉片的光能吸收轉(zhuǎn)換利用效率明顯降低，初始熒光參數(shù)Fo、Fm、Fv/Fm均明顯下降，光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（Ⅱ）、qP、qL與非光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（NPQ）、NPQ和qN也均明顯降低，而實時熒光參數(shù)Fo′、非光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（NO）明顯上升。經(jīng)連續(xù)低溫處理8 h以后，光合系統(tǒng) Ⅱ 已經(jīng)受到破壞，不能進行正常的光能吸收轉(zhuǎn)換利用。

關(guān)鍵詞 冬油菜;低溫脅迫;光能吸收轉(zhuǎn)換;葉綠素?zé)晒?/p>

中圖分類號 S634.3? 文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）24-0053-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.012

Effects of Low Temperature on Light Absorption，Conversion and Usage for Rape Leaves

FAN Si-jing，WANG Ya-nan （Anhui Jinpeiying Technology Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230088）

Abstract Winter rape is the main source of oil in China.It often suffers continuous low temperature stress during the growth process.In the experiment，the effects of low temperature stress on the light energy absorption，transformation and usage of rape by simulating continuous low temperature stress.As a result，the low temperature had weak effects on the changes of light energy absorption，transformation and usage at 0-8 h low temperature treatment.Nevertheless，after 8 h of low temperature treatment，the efficiency of light energy absorption conversion was significantly down-regulated，the initial fluorescence parameters Fo，F(xiàn)m and Fv/Fm were significantly decreased.Similarly，the photochemical quenching coefficients （Y（Ⅱ），qP and qL） and the non-photochemical quenching coefficients （Y（NPQ），NPQ and qN） were significantly decreased too.Otherwise，the real-time fluorescence parameters Fo′ and the non-photochemical quenching coefficient Y（NO） were increased significantly.These results indicated that after 8 hours of continuous low temperature treatment，the photosynthetic system Ⅱ was damaged and could not conduct normal light energy absorption and conversion.

Key words Winter rape;Low temperature stress;Light energy absorption and conversion;Chlorophyll fluorescence

作者簡介 范思靜（1991—），女，安徽宣城人，碩士，農(nóng)藝師，從事品種選育與管理工作。

收稿日期 2021-04-14

油菜是我國主要的油料作物之一，種植歷史悠久，我國的油菜種植區(qū)域分為冬油菜區(qū)域和春油菜區(qū)域，其中冬油菜種植主要集中于長江流域，春油菜種植主要集中于東北和西北地區(qū)[1]。但就面積和產(chǎn)量而言，冬油菜面積與產(chǎn)量均占全國油菜種植90%以上。由于冬油菜種植集中于長江流域的上、中、下游3個區(qū)，相對于長江上游地區(qū)，中、下游地區(qū)冬季溫度較低，特別隨著近年來極端天氣的頻發(fā)，中、下游地區(qū)連續(xù)零下低溫的天氣時有持續(xù)發(fā)生，嚴(yán)重影響了油菜的生長發(fā)育[2]。

光合作用是一個復(fù)雜的生理生化過程，分為原初反應(yīng)、同化力形成和碳同化3個過程，包括了光物理、光化學(xué)以及生物化學(xué)轉(zhuǎn)變的復(fù)雜過程[3]。而在原初反應(yīng)過程中，葉片吸收光能進行轉(zhuǎn)換的過程中，一部分能量被吸收利用轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，另一部分光能無法吸收，轉(zhuǎn)換為波長較長的熒光進行釋放[4]。尤其在逆境條件下，當(dāng)植物暴露于強光照條件下，熒光的能量耗散方式對植物的光合系統(tǒng)起到了重要的保護作用[5]。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)也是在此基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一種應(yīng)用光合作用研究的技術(shù)，熒光參數(shù)變化的檢測分析顯示，對葉片對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等進行評估，可有效評價植物的光合生理狀態(tài)，尤其是對逆境條件的響應(yīng)狀況[6]。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于不同環(huán)境條件下植物光能吸收轉(zhuǎn)換效率變化的研究。為了進一步分析光 Ⅱ 的光能利用效率，前人根據(jù)植物光能耗散的3種途徑，即光保護性的熱耗散、光化學(xué)作用能量吸收與葉綠素?zé)晒夂纳l(fā)展了“l(fā)ake model”和“puddle model”2種參數(shù)模式，在“l(fā)ake model”中光合系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心的天線系統(tǒng)是緊密關(guān)聯(lián)的整體，天線系統(tǒng)通過相互協(xié)調(diào)進行能量分配，而“puddle model”則以天線系統(tǒng)單體為模式[7]。在2種模式下從初始的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo、Fm、Fv/Fm等衍生了一系列的熒光參數(shù)，如光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（Ⅱ）、非光學(xué)猝滅系數(shù)Y（NO）、非光學(xué)猝滅系數(shù)Y（NPQ）等[7]。目前，大量的研究表明，2種參數(shù)的有效結(jié)合使用更能反映植物光系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心在光能吸收、利用上的狀態(tài)[7]。鑒于此，筆者以創(chuàng)雜8號油菜幼苗為試驗材料，通過模擬零下連續(xù)低溫處理，研究低溫脅迫對油菜葉片光能吸收轉(zhuǎn)換的影響。

1 材料與方法

1.1 材料 試驗以安徽金培因公司選育的油菜品種創(chuàng)雜8號為試驗材料。

1.2 方法 將育苗基質(zhì)分裝至育苗盤，播種后澆水至育苗基質(zhì)完全濕潤，而后將育苗盤放置于人工氣候培養(yǎng)箱，溫度20 ℃、濕度70%，光照強度設(shè)置在500 μmol/（m2·s），光照時間10 h，暗培養(yǎng)14 h，連續(xù)培養(yǎng)至幼苗長至3葉期，剔除小苗和畸形苗，選擇大小一致的小苗重新移栽，連續(xù)培養(yǎng)至第4片葉完全伸展時，將整盤苗移至人工低溫氣候室，溫度-4 ℃，濕度70%，光照強度為200 μmol/（m2·s），分別測定處理前、處理后4、8、12和24 h油菜葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)和光合作用參數(shù)。

1.3 葉綠素?zé)晒饴T導(dǎo)參數(shù)的測定

選取健康完整、完全伸展開的倒三葉，在09：00開始測量。先用暗適應(yīng)葉夾夾住葉片進行暗適應(yīng)，在暗適應(yīng)20 min以后，采用德國WALZ公司PAM-2500葉綠素?zé)晒鈨x按照慢誘導(dǎo)熒光參數(shù)測定模式，開始慢誘導(dǎo)熒光參數(shù)的測定，先打開測量光，然后飽和脈沖光，打開作用光，連續(xù)間斷飽和脈沖并記錄數(shù)據(jù)。其中，飽和脈沖光強設(shè)置為3 000 μmol/（m2·s），脈沖頻率25 s，測量光強為150 μmol/（m2·s），作用光強為200 μmol/（m2·s），監(jiān)測時長250 s。初始最小熒光參數(shù)（Fo，Original minimum fluorescence parameter）、最大熒光參數(shù)（Fm，Original maximum fluorescence parameter）在慢誘導(dǎo)的啟動初始，暗適應(yīng)后打開測量光和飽和脈沖光時測定;光下的最小熒光參數(shù)Fo′、最大熒光參數(shù)Fm′、實時熒光參數(shù)Fs等在打開作用光和飽和脈沖光時進行測量。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)：光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（Ⅱ）、光化學(xué)猝滅系數(shù)qP、光化學(xué)猝滅系數(shù)qL、非光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（NPQ）、非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ、非光化學(xué)猝滅系數(shù)qN分別按照“l(fā)ake model”和“puddle model”2種參數(shù)模式計算：Y（Ⅱ）=（Fm′-Fs）/Fm′，qP=（Fm′-F）/（Fm′-Fo′），NPQ=Fm/Fm′-1，ETR=0.5×Yield×PAR×0.84，qL=[（Fm′-Fs）（Fm′-Fo′）]×（Fo′/Fs），Y（NPQ）=1-Y（Ⅱ）-1/[NPQ+1+qL（Fm/Fo-1）]，Y（NO）=1-Y（Ⅱ）-Y（NPQ）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

初始最小熒光參數(shù)Fo、初始最大熒光參數(shù)Fm、光合系統(tǒng) Ⅱ 潛在光合學(xué)效率Fv/Fm等參數(shù)的測定均按照3次重復(fù)進行，采用軟件DPS 2000統(tǒng)計分析軟件，按turkey多重比較方法進行試驗結(jié)果差異顯著性分析[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫處理對葉綠素?zé)晒獬跏紖?shù)的影響

初始熒光參數(shù)Fo是暗適應(yīng)后光合系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心全部開放時的熒光強度，而初始最大熒光參數(shù)Fm則是在暗適應(yīng)后強光刺激下光合系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心全部關(guān)閉的熒光強度。從圖1可以看出，經(jīng)連續(xù)低溫處理后，葉綠素?zé)晒獬跏紖?shù)均發(fā)生了明顯的變化。連續(xù)低溫處理8 h后，暗適應(yīng)后葉片的葉綠素初始最小熒光Fo、初始最大熒光Fm以及光系統(tǒng) Ⅱ 潛在光化學(xué)效率Fv/Fm均明顯下降，而作用光照射后產(chǎn)生的實時熒光參數(shù)Fo′逐步升高。

2.2 低溫處理對葉綠素?zé)晒夤饣瘜W(xué)猝滅參數(shù)的影響

光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（Ⅱ）是光化學(xué)系統(tǒng) Ⅱ 的實際光化學(xué)量子效率，其值反映了光下光合系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心部分關(guān)閉時的光化學(xué)效率，是光化學(xué)吸收利用的能量占吸收的光能的比率。從圖2可以看出，經(jīng)低溫處理后，光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（Ⅱ）逐步降低，處理24 h達到最低值。光化學(xué)猝滅系數(shù)qP表示光系統(tǒng) Ⅱ反應(yīng)中心所占的比例，而光化學(xué)猝滅系數(shù)qL表示光合系統(tǒng) Ⅱ 開放的程度。經(jīng)低溫處理后，qP與qL均呈逐步降低趨勢。以上結(jié)果表明，隨著低溫處理時間的延長，開放的光合系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心逐步減少。

2.3 低溫處理對葉綠素?zé)晒夥枪饣瘜W(xué)猝滅參數(shù)的影響

非光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（NPQ）、NPQ和qN是植物光能過剩的情況下，植物通過調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)換來進行自身保護的一種重要標(biāo)志。從圖3可以看出，低溫處理0～8 h，非光化學(xué)猝滅系數(shù)略有升高;而在處理8 h以后，非光化學(xué)猝滅系數(shù)顯著下降，在處理的12 h達到最低水平。而非光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（NO）是植物光能過剩的情況下，光合系統(tǒng) Ⅱ 不可調(diào)節(jié)性能量耗散的標(biāo)志，其值的變化反映了光合系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)。由圖3可知，經(jīng)低溫處理后，低溫處理0～8 h，非光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（NO）緩慢上升，但在處理8 h以后，Y（NO）值快速升高，到處理24 h達到最大值，表明連續(xù)低溫處理對光合系統(tǒng) Ⅱ 已經(jīng)產(chǎn)生了一定的傷害。

3 結(jié)論與討論

光是植物生長的能量來源，植物對光能的吸收、轉(zhuǎn)換和利用是個復(fù)雜的生理生化過程。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)作為光合作用能量吸收轉(zhuǎn)換研究的探針，已被廣泛用于植物光合特性的研究[9]。例如，在干旱脅迫下，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片的最大熒光產(chǎn)量、光合系統(tǒng) Ⅱ 潛在最大光化學(xué)效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)等均呈下降趨勢[10]。而在低溫條件下，2個草莓品種最大光化學(xué)效率顯著降低，反應(yīng)中心吸收、捕獲的能量隨脅迫時間延長大致呈增加趨勢[11]。研究人員以不同濃度梯度的PbCl2處理闊葉樹種木荷和欒樹，研究PbCl2對樹葉光合系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心運轉(zhuǎn)情況的影響，結(jié)果表明隨著作用光強的增加，相對電子傳遞速率ETR、可調(diào)節(jié)性能量耗散非光化學(xué)猝滅系數(shù)呈上升趨勢，非調(diào)節(jié)性能量耗散非光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（NO）、光系統(tǒng) Ⅱ 實際光化學(xué)效率（Y Ⅱ）以及光化學(xué)猝滅系數(shù)qL呈下降趨勢，PbCl2處理在一定程度上抑制了木荷和欒樹光合系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心的活性，但并沒有對光合系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心產(chǎn)生破壞作用[12]。而在該試驗中，低溫處理0～8 h，葉片的光能吸收轉(zhuǎn)換利用效率變化不大，但在低溫處理8 h后，葉片的光能吸收轉(zhuǎn)換利用效率明顯降低，初始熒光參數(shù)Fo、Fm、Fv/Fm均明顯下降，光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（Ⅱ）、qP、qL與非光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（NPQ）、NPQ和qN也均明顯降低，實時熒光參數(shù)Fo′、非光化學(xué)猝滅系數(shù)Y（NO）則明顯上升，表明光合系統(tǒng) Ⅱ 活性顯著降低，已不能進行正常的光能吸收轉(zhuǎn)換利用。

參考文獻

[1] 尹天能.冬油菜種植適宜性及影響因子評價研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2017，37（6）：18.

[2] 周冬梅，張仁陟，孫萬倉，等.北方旱寒區(qū)冬油菜種植氣候適宜性研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，47（13）：2541-2551.

[3] 李曉，馮偉，曾曉春.葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)及應(yīng)用進展[J].西北植物學(xué)報，2006，26（10）：2186-2196.

[4] 李正華，李海霞，李靜，等.葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)在林木研究中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（23）：156-158.

[5] 黃光福，唐巧玲，唐云鵬，等.葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)在水稻研究中的應(yīng)用[J].作物研究，2013，27（2）：174-179.

[6] 溫國勝，田海濤，張明如，等.葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)在林木培育中的應(yīng)用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2006，17（10）：1973-1977.

[7]? KRAMER D M，JOHNSON G，KIIRATS O，et al.New fluorescence parameters for the determination of QA redox state and excitation energy fluxes[J].Photosynthesis research，2004，79（2）：209-218.

[8] TANG Q Y，ZHANG C X.Data Processing System （DPS） software with experimental design，statistical analysis and data mining developed for use in entomological research[J].Insect science，2013，20（2）：254-260.

[9] BHAGOOLI R，MATTAN-MOORGAWA S，KAULLYSING D，et al.Chlorophyll fluorescence-A tool to assess photosynthetic performance and stress photophysiology in symbiotic marine invertebrates and seaplants[J/OL].Marine pollution bulletin，2021，165[2020-11-05].https：//doi.org/10.1016/j.marpolbul.2021.112059.

[10] 楊馥霞，湯玲，賀歡，等.利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)分析2個草莓品種的低溫適應(yīng)性[J].中國果樹，2021（3）：13-19.

[11] 張芳，任鵬達，李連國，等.干旱脅迫條件下歐李葉片超微弱發(fā)光與葉綠素?zé)晒馓匦躁P(guān)系[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2021，48（1）：46-51.

[12] 黃鑫浩，朱凡，胡豐姣，等.基于Lake模型的Pb脅迫對木荷和欒樹幼樹葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響研究[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（4）：1284-1292.