葉綠素含量對(duì)C3、C4植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

張雨斯

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022)

1 引言

在葉綠體內(nèi)進(jìn)行的光合作用是地球上最大的化學(xué)反應(yīng)。由于植物擁有不同的光合途徑，所以使其各自具有獨(dú)特的生理特性和外在表現(xiàn)。根據(jù)光合作用中同化CO2的最初產(chǎn)物不同，植物可大體分為C3植物、C4植物和景天酸CAM植物。陸地植物中絕大多數(shù)是C3植物，C3植物在光合細(xì)胞中通過(guò)核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶直接固定大氣中的CO2。C4植物的光合作用過(guò)程是在葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞中分開(kāi)進(jìn)行的。C3植物與C4植物在地理分布上的差異，增加了資源利用效率和物種的共存概率[1]。因此，對(duì)于C3、C4植物的生理生態(tài)學(xué)研究是非常必要的。葉綠素?zé)晒?Chlorophyll fluorescence, ChF)動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象是由學(xué)者Kautsky和Hirsch在1931年第一次用肉眼發(fā)現(xiàn)的，自此之后直到20世紀(jì)80年代才將葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)作為一種技術(shù)運(yùn)用在光合作用研究中。光合作用中葉綠素吸收的光能主要有光化學(xué)反應(yīng)、熱耗散和以熒光形式發(fā)射三種可能去向,這三種方式的量子產(chǎn)量總和為1，這就導(dǎo)致3個(gè)過(guò)程之間不是單獨(dú)存在而是具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。這3個(gè)過(guò)程由于僅前兩個(gè)過(guò)程可受調(diào)節(jié)，所以熒光的強(qiáng)度取決于光合作用速率和熱量耗散速率。因此，測(cè)量ChF可以提供量化光合系統(tǒng)效率和熱量耗散的寶貴信息[2]。ChF與植被光合作用活力和生物產(chǎn)量密切相連，被認(rèn)為是植被光合速度的早期指示劑。有關(guān)葉片光合作用最早是通過(guò)探測(cè)“表觀性”的葉片氣體交換的方式，利用氣體分析系統(tǒng)測(cè)定光合速率和表觀光合量子需要量。與氣體交換參數(shù)相比，ChF技術(shù)可以反應(yīng)“內(nèi)在性”的光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散、分配等特點(diǎn)[3]。如果將氣體交換參數(shù)相當(dāng)于在葉片表面進(jìn)行研究，那么葉綠素?zé)晒鈪?shù)就相當(dāng)于深入葉片內(nèi)部的細(xì)胞中對(duì)內(nèi)部能量進(jìn)行探究，是一種天然的探針。

葉綠素含量(Chl)是農(nóng)業(yè)及植物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)常需要監(jiān)測(cè)的生理性指標(biāo)。葉綠素含量與葉片光合作用能力密切相關(guān)。近年來(lái)，隨著測(cè)量?jī)x器和理論的不斷發(fā)展，Chl和ChF測(cè)量技術(shù)也在不斷改進(jìn)。CCM-300葉綠素含量?jī)x不需破碎細(xì)胞，不傷害生物體，利用遙感原理可直接獲得葉片Chl。便攜式OS5P+采用獨(dú)特的調(diào)制-飽和-脈沖技術(shù)，可選擇性的原位測(cè)量ChF，以此來(lái)檢測(cè)植物光合作用的變化。OS5P+的調(diào)制測(cè)量光足夠低，可以只激發(fā)色素的本底熒光，而不引起植物任何的光合作用，這保證了基礎(chǔ)熒光Fo的準(zhǔn)確性。高靈敏度和選擇性，使其在野外或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)很高的外部光強(qiáng)下也可準(zhǔn)確測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。牧草葉片細(xì)小，與傳統(tǒng)氣體交換測(cè)定相比，葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)接觸面積較小，對(duì)葉室密封沒(méi)有要求，使得葉片形狀和大小對(duì)于測(cè)定影響小，因此葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)更適用于牧草的研究，是一種簡(jiǎn)便、快捷、可靠的方法[4～6]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選在內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院四子王旗基地，地處41°47′15″N、111°53′42″E，海拔高度為1450m(圖1)。基地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗中南部格根塔拉草原，該地區(qū)屬于典型的中溫帶大陸性氣候，歷年降水量在110～350 mm之間，其中5～9月(植被生長(zhǎng)季)降水量約占年降水總量的80%以上；年平均溫度3.4℃，6～8月平均氣溫最高。格根塔拉草原屬于荒漠草原，植被低矮、稀疏，平均高度為8cm，覆蓋率僅為12%～25%，主要由20多種植物組成。

圖1 研究區(qū)概況

2.2 試驗(yàn)材料

農(nóng)科1號(hào)木地膚[Kochiaprostrata(L.) Schrad .cv. Nongke No.1]為荒漠地區(qū)牲畜的優(yōu)良飼草，抗旱、耐寒，適應(yīng)范圍廣，各類牲畜均喜食。因其春季返青較早、冬季殘株保存完好，所以對(duì)家畜春季恢復(fù)體膘有較大意義。黎科地膚屬為多年生半灌木，高20～80cm,花期5～6月，果期7～8月,來(lái)源于內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，生長(zhǎng)情況如圖2-A所示。苜蓿(Medicagosativa)以“牧草之王”著稱，產(chǎn)量高、草質(zhì)優(yōu)良，含有豐富的粗蛋白質(zhì)和多種微量營(yíng)養(yǎng)素，不僅可用于家畜飼養(yǎng)，也是人類最古老的食物之一。豆科苜蓿屬為多年生草本植物，高30～100cm,花期5～7月，果期6～8月,廣泛分布于西北、華北、東北等地，生長(zhǎng)情況如圖2-B所示。為保證供試植物生長(zhǎng)環(huán)境條件的一致性，在試驗(yàn)基地選取生長(zhǎng)于相同立地條件的2株木地膚和2株苜蓿，木地膚選取57片葉片，苜蓿選擇53片葉片，分別進(jìn)行標(biāo)記后用于試驗(yàn)。

圖2 木地膚、苜?，F(xiàn)場(chǎng)照片

2.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

2.3.1葉綠素?zé)晒鈪?shù)

測(cè)定的葉綠素?zé)晒?ChF)參數(shù)主要有光合有效輻射(PAR)、光合系統(tǒng)Ⅱ光量子產(chǎn)額Y(Ⅱ)、電子傳遞速率(ETR)等。在晴天無(wú)風(fēng)的6月中下旬，使用美國(guó)OPTI-SCIENCES公司生產(chǎn)的OS5P+葉綠素?zé)晒鈨x器，將葉片放置在固定激光探頭的光合有效輻射(PAR)葉片夾上，對(duì)木地膚57片葉片和苜蓿53片葉片的相同位置進(jìn)行ChF參數(shù)的測(cè)定。要確保葉片處于完全展開(kāi)、穩(wěn)定狀態(tài)，在測(cè)量葉片過(guò)程中操作保持穩(wěn)定，以使測(cè)量結(jié)果具有適當(dāng)背景環(huán)境。Opti-Sciences為光適應(yīng)Y(II)測(cè)量提供了“多重閃光協(xié)議”，使用8點(diǎn)0.25毫秒的滾動(dòng)平均值來(lái)確定正確的FM′和異常值消除。

Y(Ⅱ)作為PSⅡ光量子產(chǎn)額，是快速光適應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)的光適應(yīng)測(cè)量，提供PSⅡ光化學(xué)中使用的光量子與PSⅡ相關(guān)的葉綠體吸收的光量子的比例；也可以看作是在當(dāng)前具有淬滅機(jī)制的光合穩(wěn)定狀態(tài)環(huán)境下光系統(tǒng)Ⅱ的效益。選擇Y(Ⅱ)測(cè)量模式進(jìn)行測(cè)定，可以獲得葉綠素?zé)晒馑矔r(shí)值(F’)、葉綠素?zé)晒馑矔r(shí)最大值(Fm’)、Y(Ⅱ)、ETR、PAR、溫度(Temp)等熒光參數(shù)，每個(gè)參數(shù)重復(fù)10次，取均值，儀器自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。

2.3.2葉綠素含量(Chl)

在ChF測(cè)量結(jié)束后，采用美國(guó)OPTI-SCIENCES公司生產(chǎn)的CCM-300手持式葉綠素儀測(cè)量該葉片Chl。美國(guó)Optic公司根據(jù)Gitelson等的研究結(jié)果研制了CCM-300便攜式葉綠素含量?jī)x，利用熒光比值F735/F700進(jìn)行計(jì)算。用儀器自帶的葉片夾，夾在樣本上、中、下部5個(gè)不同點(diǎn)，取平均值作為該樣本最終Chl值，測(cè)量時(shí)盡量避開(kāi)葉脈的影響。

2.3.3數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用“平均值”的形式，剔除掉異常數(shù)據(jù)后運(yùn)用Excel 2019進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 PAR與Y(Ⅱ)、ETR

試驗(yàn)在穩(wěn)態(tài)的天氣條件下進(jìn)行，有關(guān)測(cè)量條件、樣品數(shù)量、葉綠素含量(Chl)范圍、葉片垂直葉面的溫度、PAR值見(jiàn)表1。

表1 木地膚、苜蓿測(cè)量條件及葉綠素?zé)晒鈪?shù)間相關(guān)性(R2)

Y(Ⅱ)反映PSⅡ反應(yīng)中心在有部分關(guān)閉情況下的實(shí)際原初光能捕獲效率, 葉片不經(jīng)過(guò)暗適應(yīng)在光下直接測(cè)得。光合有效輻射(PAR)是指太陽(yáng)輻射中能被綠色植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的那部分能量。Y(Ⅱ) 和ETR是2個(gè)廣泛使用的ChF參數(shù)，用于測(cè)量植物的光化學(xué)和整體光合作用能力[7]。在野外測(cè)量中Y(Ⅱ)值是一個(gè)很有用的參數(shù)，利用葉片和光系統(tǒng)對(duì)光的吸收率來(lái)估計(jì)電子通過(guò)PSII的傳輸速率。Y(Ⅱ)值很容易受到周圍環(huán)境光的影響，即使光合有效輻射(PAR)的變化很小，也可能發(fā)生很大變化。Y(Ⅱ) 值能夠反應(yīng)植物葉片光合電子傳遞速度(ETR)的快慢，ETR能夠反映表觀電子傳遞速度的快慢。因此，在自然環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)結(jié)合使用在葉片表面準(zhǔn)確測(cè)量PAR的設(shè)備來(lái)解釋數(shù)據(jù)。PAR與Y(Ⅱ)之間，隨著光合有效輻射值(PAR)的逐漸增大，Y(Ⅱ)值逐漸變小，說(shuō)明兩種植物在太陽(yáng)光強(qiáng)輻射照射下PSⅡ光化學(xué)中實(shí)際使用的吸收光的比例逐漸變小，反映了非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)的增加，這與植物會(huì)出現(xiàn)午休現(xiàn)象是相符合的[8]。圖3表明，木地膚的PAR與Y(Ⅱ)對(duì)數(shù)擬合度R2=0.71，苜蓿的PAR與Y(Ⅱ)對(duì)數(shù)擬合度R2=0.81，都呈現(xiàn)出PAR值在500μmolm-2s-1附近Y(Ⅱ)值達(dá)到較高水平。

由于儀器直接測(cè)量PSⅡ電子傳輸?shù)牧孔赢a(chǎn)率，因此可以使用吸收的PAR值以及PSⅡ和PSI截獲的光份額直接計(jì)算電子傳輸速率。ETR高，說(shuō)明植物葉片的PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度較高，具有較高的電子傳遞活性和光能轉(zhuǎn)換效率。隨著PAR值的不斷增加，兩種植物的ETR也在逐漸增大。由圖4可以看出，木地膚的PAR與ETR對(duì)數(shù)擬合度R2=0.79，苜蓿的PAR與ETR對(duì)數(shù)擬合度R2=0.71，都呈現(xiàn)出PAR值在3000μmolm-2s-1附近ETR值達(dá)到較高水平，說(shuō)明隨著PAR值的增加電子傳輸速率以對(duì)數(shù)形式增加。隨著PAR值的不斷增加，C4植物木地膚的ETR與PAR之間的對(duì)數(shù)關(guān)系要優(yōu)于C3植物苜蓿，C4植物木地膚相較于C3植物苜蓿具有較高的電子傳遞活性和光能轉(zhuǎn)換效率，印證了C4植物一般比C3植物具有更高的光合作用效率、光合產(chǎn)量和生長(zhǎng)速率的結(jié)論[9～10]。

圖3 木地膚、苜蓿光合有效輻射(PAR)與光合系統(tǒng)[Y(II)]光量子產(chǎn)額之間的關(guān)系

圖4 木地膚、苜蓿光合有效輻射(PAR)與電子傳遞速率(ETR)之間的關(guān)系

3.2 Chl/PAR與Y(II)、ETR

在考慮葉綠素含量的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比供試C4植物木地膚和C3植物苜蓿Chl/PAR與Y(II)、Chl/PAR與ETR之間的關(guān)系(圖5、圖6)發(fā)現(xiàn)，聚集在原本圖3、圖4中PAR值500μmolm-2s-1附近的點(diǎn)分散在了趨勢(shì)線的兩側(cè)，其中苜蓿的Chl/PAR與Y(II)的對(duì)數(shù)關(guān)系R2=0.83，明顯優(yōu)于木地膚；苜蓿的Chl/PAR與ETR的對(duì)數(shù)關(guān)系R2=0.68，也優(yōu)于木地膚。由此說(shuō)明，在考慮葉綠素含量后C3植物苜蓿Y(II)、ETR與Chl/PAR之間的關(guān)系優(yōu)于C4植物木地膚。葉綠素含量對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)起到了一定的修飾作用，使原本呈現(xiàn)的隨著光合有效輻射(PAR)逐漸增大Y(Ⅱ)值逐漸變小的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡S著Chl/PAR越大Y(Ⅱ)值逐漸變大的趨勢(shì)；原本隨著PAR值的不斷增加兩種植物的ETR逐漸增大的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡S著Chl/PAR越大ETR逐漸變小的趨勢(shì)。Chl/PAR是在考慮PAR值基礎(chǔ)上又加入葉綠素含量的影響，葉綠素含量在PAR中占比足以改變?cè)械年P(guān)系形態(tài)，使Y(Ⅱ)這個(gè)敏感參數(shù)更加精準(zhǔn)的反應(yīng)植物的生理狀態(tài)。

圖5 木地膚、苜蓿 Chl/PAR與Y(Ⅱ)之間的關(guān)系

圖6 木地膚、苜蓿 Chl/PAR與ETR之間的關(guān)系

4 討論

大量研究表明,C4植物一般比C3植物具有更高的光合作用效率、光合產(chǎn)量和生長(zhǎng)速率，這與本研究測(cè)量得到的結(jié)果相同。木地膚的PAR與ETR對(duì)數(shù)擬合度R2=0.79，大于苜蓿R2=0.71。葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，而葉綠素是植物體內(nèi)進(jìn)行光合作用的重要色素，葉綠素可以將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，進(jìn)而形成有機(jī)物儲(chǔ)存在植物體內(nèi)，因此葉綠素含量的高低決定了植物光合作用的強(qiáng)弱及干物質(zhì)的積累情況。通過(guò)考慮葉綠素含量，使得積聚于PAR值500μmolm-2s-1附近的Y(II)、ETR值均勻分散在趨勢(shì)線兩側(cè)，使得葉綠素?zé)晒鈪?shù)在考慮葉綠素含量的情況下更加清晰明了。供試C3植物苜蓿的Chl/PAR與Y(II)、ETR的對(duì)數(shù)關(guān)系分別為R2=0.83、R2=0.68，明顯優(yōu)于C4植物木地膚。因?yàn)槿~片是連接葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔貌⑼瑫r(shí)進(jìn)行測(cè)量的最小空間尺度，所以本研究的注意力主要集中在葉片水平上，試圖通過(guò)葉片水平的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)值推廣到更大的空間尺度，為遙感監(jiān)測(cè)大尺度的葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)提供研究思路和方法。未來(lái)可以考慮將葉綠素?zé)晒鈪?shù)與光合作用測(cè)定系統(tǒng)參數(shù)、光譜分析進(jìn)行結(jié)合，以期對(duì)C3、C4植物生理進(jìn)行深一步的探究。

5 結(jié)論

5.1供試C4植物木地膚較C3植物苜蓿具有較高的電子傳遞活性和光能轉(zhuǎn)換效率。

5.2在考慮葉綠素含量影響之后，C3植物苜蓿Y(II)、ETR與Chl/PAR之間的關(guān)系優(yōu)于C4植物木地膚。