低溫脅迫對不同種源蒙古蕕葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?

曲乘民，葉冬梅，何炎紅，白玉娥，林濤

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

光是植物進(jìn)行光合作用和生長發(fā)育過程中必需的外部環(huán)境因子，但植物光合機(jī)構(gòu)所能夠利用的光能是有限的[1]，當(dāng)植物吸收的光能超過植物光合作用所能利用的范圍，就會出現(xiàn)光抑制和光破壞[2]。為了防止光抑制和光破壞對植物的光合系統(tǒng)造成損傷，植物形成了系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制[3]。葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)可以反映葉片光合機(jī)構(gòu)在強(qiáng)光下的內(nèi)在變化情況[4]，是目前最為先進(jìn)的無損傷測定植物光合作用能量吸收、傳遞、耗散、分配的重要研究內(nèi)容和方法[5]。

蒙古蕕(Caryopterismongolica)，別名白蒿，屬馬鞭草科(Verbenaceae)蕕屬(Caryopteris)旱生半灌木[5]。主要分布在蒙古高原的典型草原、荒漠化草原和荒漠區(qū)、黃土高原北部及西北部的典型草原區(qū)內(nèi)[6]。因其可入藥、提煉芳香油、做飼料而具有較高的經(jīng)濟(jì)價值，同時作為干旱區(qū)重要的水土保持和園林觀賞植物具有較高的生態(tài)價值[5,7-9]。近年來蒙古蕕分布范圍日漸縮小[10-11]。前人已對蒙古蕕在地理分布[6]、生殖生物學(xué)特征[12]、生態(tài)學(xué)[8,13]、化學(xué)成分分析[7]以及抗旱性[14]等方面進(jìn)行了研究，但對其進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)及抗寒性的研究較少。因此，本研究以來自4個種源的蒙古蕕種子培育出的實(shí)生苗為試材，分析了不同低溫脅迫條件下各種源蒙古蕕在不同光強(qiáng)度下葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化規(guī)律，探討其對光照環(huán)境條件變化的適應(yīng)能力。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

于2019年2月20日將采自4個種源地的蒙古蕕種子播種于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)智能溫室內(nèi)進(jìn)行實(shí)生苗的培育，其培育期間利用智能溫室自動化控制溫度、光照、土壤水分。2019年7月5日起苗，將幼苗移栽至統(tǒng)一規(guī)格(18 cm×15 cm)營養(yǎng)缽中，每缽分裝1.3 kg沙土，足水栽培進(jìn)行緩苗。種源地地理及氣候因子見表1。

表1 材料來源

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 處理方法

于2019年7月20日，對各種源選取長勢一致，生長狀況良好的蒙古蕕苗木，利用恒溫光照培養(yǎng)箱進(jìn)行人工低溫脅迫處理，光照強(qiáng)度1 000 Lx(每日12 h)，共設(shè)置4個溫度梯度(3、7、11和15 ℃)。其中以15 ℃處理為對照，各種源每處理6株苗木，處理21 d后，自上而下選取植株第4～8片葉片進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定，各種源每處理測定6片葉片。

1.2.2 測定方法

利用LI-6400光合熒光測定儀裝配的熒光葉室測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，利用LI-6400可控光源設(shè)置光合有效輻射(PARi)為0、50、80、100、200、300、600、900、1 200 μmol/(m2·s)共9個梯度，測定前用遮光夾對待測葉片進(jìn)行40 min的遮光處理。具體測定指標(biāo)為最大熒光產(chǎn)量(Fm)、固定熒光(Fo)、作用光關(guān)閉時的原初熒光(Fo’)、恒態(tài)熒光(Fs)、作用光打開時的最大熒光產(chǎn)量(Fm’)、表觀電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qp)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)。利用所測指標(biāo)根據(jù)耿慶偉等[15]和朱弘等[16]的方法分別求出PSⅠ和PSⅡ光系統(tǒng)間激發(fā)能不平衡系數(shù)(β/α-1)和PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(Yield)。求算公式如下：

α=f/(1+f)

①

β=1/(1+f)

②

f=(Fm’-Fs)/(Fm’-Fo’)

③

Yield=(Fm’-Fs)/Fm’

④

將各樣本所測得指標(biāo)的值根據(jù)光合有效輻射強(qiáng)度進(jìn)行平均，以所得平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel處理數(shù)據(jù)及繪圖，利用SPSS 23軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析、方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫后不同光強(qiáng)下表觀電子傳遞速率(ETR)變化

本著誤差小的原則采用方程⑤進(jìn)行擬合，并計算其轉(zhuǎn)折點(diǎn)[17-18]。

y=a+b〔1-Exp(-kx)〕

⑤

式中：y為ETR的值，x為PARi的值，a、b、k為參數(shù)，見表2。ETR代表PSⅡ到PSⅠ的電子傳遞[19]。同等光強(qiáng)下ETR的值越大，光合器官形成的活躍化學(xué)能越多，為暗反應(yīng)的光合碳同化積累越多能量[20-21]。如圖1與表2所示，隨著光強(qiáng)的增加，電子傳遞速率先快速增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后電子傳遞速率基本保持不變。隨著溫度的降低，各種源蒙古蕕的電子傳遞速率減緩，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的ETR值和光強(qiáng)度均減小。ETR轉(zhuǎn)折點(diǎn)的大小可反映植物對光強(qiáng)敏感度的強(qiáng)弱[17]。本試驗(yàn)中蒙古蕕在低溫脅迫后ETR較對照組均減小，這說明面對寒冷脅迫蒙古蕕采取了降低ETR的策略，且隨著脅迫程度的加深，其對光的敏感度不斷加強(qiáng)，但7 ℃和11 ℃條件下各種源蒙古蕕對光的敏感度差異不大。不同溫度下各種源蒙古蕕對光的敏感度由強(qiáng)到弱依次為3 ℃(XS、LJD、JB、BLG)、7 ℃(LJD、XS、BLG、JB)、11 ℃(BLG、LJD、XS、JB)、15 ℃(LJD、XS、BLG、JB)。

表2 不同種源蒙古蕕表觀電子傳遞速率(ETR)的光響應(yīng)曲線參數(shù)

圖1 不同種源蒙古蕕表觀電子傳遞速率(ETR)的光響應(yīng)曲線

2.2 低溫脅迫后不同光強(qiáng)下PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(Yield)變化

采用方程⑥進(jìn)行擬合，并計算其轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

y=a+b〔1-Exp(-kx)〕

⑥

式中：y為Yield的值，x為PARi的值，a、b、k為參數(shù)，見表3。Yield也稱為 PS Ⅱ的實(shí)際光化學(xué)效率，反映植物葉片用于光合電子傳遞的能量占所吸收光能的比例[22]，如圖2與表3所示，隨著光強(qiáng)的增加，實(shí)際光化學(xué)效率先快速下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后其值基本保持不變。隨著溫度的降低，各種源的實(shí)際光化學(xué)效率減緩，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的Yield值和光強(qiáng)度均減小。隨著溫度的降低，相同光強(qiáng)下的Yield不斷下降，說明低溫脅迫降低了蒙古蕕的光能捕獲效率。當(dāng)溫度低至3 ℃時，各種源苗木轉(zhuǎn)折點(diǎn)處Yield較對照組下降幅度(即溫度對強(qiáng)光適應(yīng)性的削弱影響)由大到小為BLG(78.75%)、JB(57.38%)、LJD(42.93%)、XS(22.52%)。

表3 不同種源蒙古蕕PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(Yield)的光響應(yīng)曲線參數(shù)

圖2 不同種源蒙古蕕PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(Yield)的光響應(yīng)曲線

2.3 低溫脅迫后不同光強(qiáng)下光化學(xué)淬滅系數(shù)(qp)變化

采用方程⑦進(jìn)行擬合，并計算其轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

y=a+b·〔1-Exp(-kx)〕

⑦

式中：y為qp的值，x為PARi的值，a、b、k為參數(shù)，見表4。qp可說明植物光反應(yīng)耗散能量的大小，其光響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處qp值越大，樹木對光能利用效率越高[23]。如圖3與表4所示，隨著光強(qiáng)的增加，光化學(xué)淬滅系數(shù)先快速下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后其值緩慢減小直至基本保持不變。隨著溫度的降低，各種源蒙古蕕的光化學(xué)淬滅系數(shù)減小，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的qp值和光強(qiáng)度均減小。隨著溫度的降低，相同光強(qiáng)下蒙古蕕光合效率減慢。不同溫度下各種源蒙古蕕對光能的利用效率由強(qiáng)到弱依次為3℃(JB、BLG、XS、LJD)、7℃(XS、JB、BLG、LJD)、11℃(XS、JB、BLG、LJD)、15℃(XS、BLG、JB、LJD)，由此可知不論是否收到脅迫LJD種源的蒙古蕕在4種源地中對光能的利用效率均最低。

表4 不同種源蒙古蕕光化學(xué)淬滅系數(shù)(qp)的光響應(yīng)曲線參數(shù)

圖3 不同種源蒙古蕕光化學(xué)淬滅系數(shù)(qp)的光響應(yīng)曲線

2.4 低溫脅迫后不同光強(qiáng)下非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)變化

采用方程⑧進(jìn)行擬合，并計算其轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

y=a+b·〔1-Exp(-kx)〕

⑧

式中：y為NPQ的值，x為PARi的值，a、b、k為參數(shù)，見表5。非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ表示天然色素吸收的光能中不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散的部分，是植物的一種自我保護(hù)機(jī)制[24]，其光響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的光強(qiáng)作為光抑制的初始點(diǎn)，可依此評價樹木對光脅迫的適應(yīng)能力和對光脅迫傷害的保護(hù)能力[23]。如圖4與表5所示，隨著光強(qiáng)的增加，非光化學(xué)淬滅系數(shù)先快速上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后其值增長緩慢，后基本保持不變。隨著溫度的降低，各種源蒙古蕕的非光化學(xué)淬滅系數(shù)減小，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的NPQ值和光強(qiáng)度均減小。不同溫度下，各種源蒙古蕕對光脅迫傷害的保護(hù)能力由強(qiáng)到弱依次為3℃(XS、BLG、JB、LJD)、7 ℃(BLG、XS、JB、LJD)、11 ℃(BLG、XS、JB、LJD)、15 ℃(BLG、XS、JB、LJD)。

表5 不同種源蒙古蕕非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)的光響應(yīng)曲線參數(shù)

圖4 不同種源蒙古蕕非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)的光響應(yīng)曲線

2.5 低溫脅迫后不同光強(qiáng)下PSⅠ和PSⅡ光系統(tǒng)間激發(fā)能不平衡系數(shù)(β/α-1)變化

采用方程⑨進(jìn)行擬合。

y=c·x+b

⑨

式中：y為(β/α-1)的值，x為PARi的值，c為曲線斜率，b為參數(shù)，見表6。PSⅠ和PSⅡ光系統(tǒng)間激發(fā)能不平衡系數(shù)(β/α-1)代表激發(fā)能在2個光系統(tǒng)間分配偏離程度[15]，其光響應(yīng)曲線斜率越大，其隨著光強(qiáng)增強(qiáng)所偏離的程度就越大。隨著低溫脅迫程度的加大，激發(fā)能在2個光系統(tǒng)間分配偏離程度越大，如圖5與表6所示。光強(qiáng)為0時，雙光系統(tǒng)間激發(fā)能不平衡系數(shù)接近于0，隨著光強(qiáng)的增加，不平衡系數(shù)快速增加。隨著溫度的降低，各種源蒙古蕕的雙光系統(tǒng)間激發(fā)能不平衡系數(shù)的光響應(yīng)曲線斜率有不同程度上的增大，各種源在7、11、15 ℃時其曲線斜率均較為接近，3 ℃時曲線斜率較其他3個溫度的曲線斜率有較大的差距。3 ℃條件下，各種源蒙古蕕光系統(tǒng)間激發(fā)能不平衡系數(shù)光響應(yīng)曲線斜率由大到小依次為XS、BLG、JB、LJD。

表6 不同種源蒙古蕕雙光系統(tǒng)間激發(fā)能不平衡系數(shù)(β/α-1)的光響應(yīng)曲線參數(shù)表

圖5 不同種源蒙古蕕雙光系統(tǒng)間激發(fā)能不平衡系數(shù)(β/α-1)的光響應(yīng)曲線

2.6 低溫脅迫后各種源蒙古蕕最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的變化

Fv/Fm被作為表征光合性能的敏感指標(biāo)[25]，F(xiàn)v/Fm下降越多，表明 PSⅡ損傷越大[26]。由表7可知，各種源蒙古蕕在低溫脅迫后，F(xiàn)v/Fm均有所降低，XS、LJD、JB種源在3 ℃時與其他溫度均存在顯著差異，其中LJD種源在7 ℃時與其他溫度也存在顯著差異，BLG種源7 ℃時與其他溫度均無顯著差異，各種源在11 ℃與15 ℃時均不存在顯著差異。各種源中隨溫度降低，F(xiàn)v/Fm下降最顯著的是LJD。

表7 不同程度低溫脅迫對各種源蒙古蕕最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的影響

3 討論與結(jié)論

當(dāng)植物處于逆境脅迫時，PSⅡ反應(yīng)中心會變得敏感，而葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以很好地反映PSⅡ的生理狀態(tài)[27-28]，因此可通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)了解光合器官針對逆境脅迫做出的許多調(diào)節(jié)過程。目前，在各項(xiàng)葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)中NPQ與植物光合能力的關(guān)系存在爭議[29]，本次研究發(fā)現(xiàn)隨著光強(qiáng)度的增加，qp減小而NPQ加大，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因而可認(rèn)為相同條件下較大的NPQ值有利于光能耗散，會降低光化學(xué)淬滅能力，阻礙植物將捕獲的光能有效的利用于光合作用，NPQ值愈高，植物光合性能愈差[29-30]。這與鄭淑霞等[31]在研究部分闊葉樹種葉綠素?zé)晒馓匦詴r發(fā)現(xiàn)的qp與NPQ的值呈顯著正相關(guān)相反。但不同低溫脅迫下，蒙古蕕各葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)對不同光強(qiáng)度的響應(yīng)表明提高NPQ不是其面對光破壞的主要策略，因此不能籠統(tǒng)地用NPQ的值評價不同種源蒙古蕕的光合性能。

不同種源苗木在低溫脅迫后對光破壞防御能力的差異可能與其種源地立地條件有關(guān)，或?yàn)橹参飳ν饨绛h(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果[32-34]，LJD種源地蒙古蕕的苗木對光破壞防御能力最差，其種源地為半陽坡，因而光照條件相對較差，無霜期短但其生長季內(nèi)均溫為各種源地最高，這或許導(dǎo)致其對低溫脅迫更加敏感。

本試驗(yàn)得出：相同光強(qiáng)度下隨著溫度的降低，PSⅡ反應(yīng)中心功能下降，更易失活；蒙古蕕主要通過降低電子傳遞速率(ETR)并降低實(shí)際光化學(xué)效率(Yield)的方式降低光能捕捉效率，減少過剩光能的積累，并以此減弱光抑制帶來的傷害；低溫脅迫后對光破壞防御能力最差的是LJD種源，而BLG、JB、XS種源蒙古蕕的苗木對光破壞防御能力相對較強(qiáng)。