半夏光系統(tǒng)對光照和溫度日變化的適應(yīng)

董益 陳軍文 謝世清 張金燕

摘 要：為探討半夏（Pinellia ternate）光系統(tǒng)對光照強度和溫度日變化的適應(yīng)機理，該文連續(xù)3 d模擬了在同一種變化的光照強度（0～1 600 μmol·m-2·s-1）日變化下低溫（10～18 ℃）、中溫（20～28 ℃）和高溫（28～38 ℃）的環(huán)境條件，測定了光系統(tǒng)Ⅱ（PS Ⅱ）和光系統(tǒng)I（PS Ⅰ）的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，通過PS Ⅱ和PS Ⅰ光合活性和電子傳遞能力的變化來研究半夏光合系統(tǒng)對光照強度和溫度日變化的適應(yīng)。結(jié)果表明：（1）PS Ⅱ最小熒光（Fo′）和PS Ⅱ反應(yīng)中心激發(fā)能捕獲效率（Fv′/Fm′）隨光照強度的增加而降低，光照強度的增加是導(dǎo)致光系統(tǒng)的活性降低的主要原因，低溫會進(jìn)一步導(dǎo)致光系統(tǒng)活性的降低;（2）光照強度和溫度的增加使PS Ⅰ受體端熱耗散效率[Y（ND）]上升，而PS Ⅰ供體端熱耗散效率[Y（NA）]則降低，光照強度的增加不會導(dǎo)致供體側(cè)較大的激發(fā)壓，但會使受體側(cè)開始積累較大的激發(fā)壓，而較低的溫度會導(dǎo)致受體側(cè)活性降低，使供體側(cè)積累較高的激發(fā)壓;（3）高光（光強>900 μmol·m-2·s-1）對半夏的光抑制和光損傷導(dǎo)致了PS Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y（Ⅱ）]和PS Ⅰ實際光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y（I）]的降低，低溫進(jìn)一步加劇了Y（Ⅱ）和Y（I）的降低;（4）在高光下，PS Ⅰ的電子傳遞速率ETR（I）的增加啟動了環(huán)式電子傳遞（CEF），較高的CEF穩(wěn)定了高溫下的PS Ⅱ電子傳遞速率ETR（Ⅱ）的同時也保護(hù)PS Ⅱ免受光的損傷;（5）在3 d的處理中，雖然非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）隨光照強度的增加而上升，但是相對于高溫，在低溫處理下，半夏較低的NPQ使PS Ⅱ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量[Y（NO）]一直處于最高水平，表現(xiàn)出明顯的光抑制。綜上結(jié)果表明，低溫降低了半夏對高光環(huán)境的適應(yīng)能力，而高溫通過增強NPQ，加速CEF的產(chǎn)生，減少光抑制的產(chǎn)生，從而加速光反應(yīng)的電子傳遞和維持光反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，低溫脅迫會加劇半夏光系統(tǒng)的損傷，適當(dāng)提高溫度可以增強半夏光反應(yīng)系統(tǒng)對高光的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：半夏，光照，溫度，光系統(tǒng)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)

中圖分類號：Q945

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3142（2021）09-1486-11

Abstract：In order to explore the adaptation mechanisms of Pinellia ternate photoreaction system to daily variations of light intensity and temperature，we simulated the low temperature （10-18 ℃），moderate temperature （20-28 ℃）and high temperature （28-38 ℃）under the diurnal variation of the same light intensity （0-1 600 μmol·m-2·s-1）for three consecutive days，and the chlorophyll fluorescence parameters of Photosystem Ⅱ （PS Ⅱ）and Photosystem I （PS Ⅰ）were measured. The adaptation of photosynthetic system to diurnal changes of light intensity and temperature in P. ternata was researched by detecting the changes of PS Ⅱ and PS Ⅰ photosynthetic activity and electron transfer capacity. The results were as follows：（1）Minimal fluorescence intensity at actinic light （Fo′）and photochemical efficiency of PS Ⅱ in the light （Fv′/Fm′）was decreased with increased light intensity，and the low temperature further led to the Fv′/Fm′ decrease and the Fo′ increase. （2）PS Ⅰ donor end heat dissipation efficiency[Y （ND）] increased with the increase of light intensity and high temperatures，PS Ⅰ acceptor end heat dissipation efficiency[Y （NA）] decreased with the increase of light intensity and high temperatures. （3）Effective photochemical quantum yield of PS Ⅱ[Y （Ⅱ）] and the quantum yield of PS Ⅰ[Y（I）] were inhibited by high light （> 900 μmol·m-2·s-1），and the low temperature further significantly decreased Y（Ⅱ）and Y（I）. （4）The increasing electron transport rate ETR（I）of the PS Ⅰ under the high light initiated the ring electron transfer （CEF），and the higher CEF stabilized the electron transfer rate ETR（Ⅱ）of the PS Ⅱ at high temperatures. （5）The non-photochemical quenching coefficient （NPQ）increased with the increase of light intensity，low NPQ keeps the quantum yield of non-regulated energy dissipation in PS Ⅱ[Y（NO）] on its highest level at low temperature. These results suggest that high temperature will reduce the photo-inhibition of P. ternata under high light by enhancing NPQ and CEF，accelerating the electron transfer and stability of the light reaction，in sharp contrast of low temperature. Therefore，low temperature can aggravate the damage of photoreaction system，and moderate temperature promotes the adaptation of plant photoreaction system to high light.

Key words：Pinellia ternate，light，temperature，photoreaction system，chlorophyll fluorescence parameters

半夏（Pinellia ternate）為天南星科（Araceae）半夏屬（Pinellia）藥用植物（賈君君等，2009），以干燥塊莖入藥，市場需求及應(yīng)用前景廣闊，具有較高的研究價值（高振杰等，2019）。大量的研究發(fā)現(xiàn)，高溫和強光照射制約了半夏的光合作用，進(jìn)而影響半夏的生長發(fā)育，導(dǎo)致半夏產(chǎn)量和品質(zhì)的降低（薛建平等，2007;鄭永敏，2008;張麗霞，2015）。在光合作用機制中光系統(tǒng)[主要是光系統(tǒng)Ⅱ（PS Ⅱ）]及其放氧復(fù)合體（OEC）、ATP合成和碳同化過程是對溫度和光照敏感位點（Nishiyama et al.，2006;Murata et al.，2007），其中光系統(tǒng)受溫度和光照影響最大（Gururani et al.，2015）。因為溫度和光照制約半夏的生長和發(fā)育，所以研究半夏光系統(tǒng)對光照和溫度的適應(yīng)是很有必要的。

光照和溫度是影響植物光合作用的重要因子，短期內(nèi)高光使植物的葉綠體捕獲過多的光能（Szymańska et al.，2017），光合膜中有害的激發(fā)能、活性氧（ROS）積累，對PS Ⅱ造成損傷（Takahashi & Badger，2011）;在長期的高光脅迫下，CO2同化作用的限制會導(dǎo)致光合系統(tǒng)I（PS Ⅰ）過度的還原，對PS Ⅰ造成損傷（Li et al.，2009）。在高光下，植物可通過光保護(hù)策略來降低高光脅迫下激發(fā)能的產(chǎn)生，植物可以通過非光化學(xué)猝滅（NPQ）途徑以熱能的形式耗散多余的能量來減少PS Ⅱ能量的積累（Gururani et al.，2015;Pessarakli，2016）;在電子傳遞中，植物可以通過氧化還原的反饋機制，降低細(xì)胞色素復(fù)合物（Cyt b6f）的活性，限制PS Ⅰ供體側(cè)電子傳遞而使PS Ⅰ氧化，從而防止PS Ⅰ過度還原（Joliot & Johnson，2011）;環(huán)式電子流（CEF）的激活，加速PS Ⅰ受體側(cè)的電子流出，從而避免了PS Ⅰ的過度還原，保護(hù)PS Ⅰ免受光損傷（Shikanai，2014）。在低溫環(huán)境中，植物葉片Rubisco酶活性降低，三羧酸循環(huán)（TCA）受阻（Eberhard et al.，2008），ATP和NADPH還原能力的減弱導(dǎo)致類囊體膜內(nèi)質(zhì)子的增加，加速了水循環(huán)和ROS的產(chǎn)生，ROS對光系統(tǒng)造成氧化損傷和抑制光合蛋白的修復(fù)，降低了光合電子傳遞速率，使PS Ⅱ的活性受到抑制（Falcone et al.，2004;Tyystjrvi，2013;Khanal et al.，2017）。高溫加快了光呼吸速率和光合碳同化速率，促進(jìn)了光反應(yīng)的進(jìn)行（Wahid et al.，2007），但在高溫下，類囊體膜內(nèi)質(zhì)子外流，可能導(dǎo)致ATP合成與電子輸運耦合的破壞，而CEF的增加可以補償囊體膜內(nèi)外流的質(zhì)子，使ATP合成得以繼續(xù)（Schrader et al.，2004;Allakhverdiev et al.，2008）。在半夏的光合生理研究中，靳忠英等（2006）研究表明半夏凈光合速率的日變化呈雙峰形，光照強度變化是影響半夏光合速率的主要原因之一;薛建平等（2010）對半夏進(jìn)行連續(xù)高溫脅迫后發(fā)現(xiàn)，高溫會降低半夏光合速率和電子傳遞速率，長期的高溫脅迫還會導(dǎo)致PS Ⅱ的損傷;楊衛(wèi)星等（2014）研究發(fā)現(xiàn)外源Ca2+和脯氨酸可以降低高溫對半夏葉片光合作用的抑制作用，以及對PS Ⅱ系統(tǒng)的損傷，從而提高半夏的產(chǎn)量。盡管前人對半夏適應(yīng)環(huán)境的特性和光合作用相關(guān)的機理進(jìn)行了研究，但是對不同溫度和光強對半夏光合作用的研究則相對較少，特別是對光照和溫度日變化適應(yīng)的研究更少。

本研究連續(xù)3 d模擬了在同一種變化的光照強度（0～1 600 μmol·m-2·s-1）日變化下低溫（LT，10～18 ℃）、中溫（MT，20～28 ℃）和高溫（HT，28～38 ℃）的環(huán)境條件，使用Dual-PAM-100對PS Ⅱ和PS Ⅰ的葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行測定，分析半夏光反應(yīng)系統(tǒng)對日變化的光照和溫度的適應(yīng)特性，研究半夏對光照和溫度的光合生理適應(yīng)機制。

1 材料與方法

1.1 材料的培養(yǎng)

選擇株芽完好，直徑1 cm左右的半夏地下球莖，播種前用多菌靈（1 000倍液）浸種20 min。基質(zhì)為紅壤土和有機質(zhì)按1∶1（V/V）拌勻。拌勻的土壤稱重6 kg，置于高度為30 cm，內(nèi)徑為15 cm的花盆中，共計裝盆21個。2018年5月1日，精選種莖15棵均勻播種于花盆，上層覆蓋 2 cm厚的有機質(zhì)。將其置于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山教學(xué)農(nóng)場的遮蔭棚內(nèi)。育苗用的遮蔭棚采用半夏專用遮陽網(wǎng)搭建，透光率為60%，后期統(tǒng)一進(jìn)行田間管理，當(dāng)半夏齊苗后開始間苗，每盆留半夏20株。試驗樣地所在的云南農(nóng)業(yè)大學(xué)位于昆明市盤龍區(qū)（102°45′ E、 25°08′ N），海拔1 966.00 m，年平均氣溫15.10 ℃，年降水量1 000.00 mm，干濕季節(jié)分明，5月到10月為雨季，11月至次年的4月為干季，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1光強測定 為了解栽培地光強日變化，試驗使用Li-190R量子傳感器和Li-1500光量子記錄儀（Li-Cor，USA）于6：00—18：00每隔10 s采集1次數(shù)據(jù)來記錄光強有效輻射（光量子通量密度：PPFD）。2018年6月13日測量了云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山教學(xué)農(nóng)場全天（晴天）的光強日變化情況（圖1）。

1.2.2 試驗處理 通過光強的測定，2018年10月1日開始在人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行模擬日變化（光強和溫度）試驗。3種溫度處理均選取長勢一致的5盆半夏植株（平均株高>15 cm）放置于人工氣候箱內(nèi)待處理，使用人工氣候箱和LED燈控制不同溫度和光照強度，模擬1 d的溫度和光照的變化，白天和夜晚都設(shè)置為12 h，白天每2 h測定一次葉綠素?zé)晒鈪?shù)，夜晚處理12 h后于第2天6：00測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測量時隨機選取半夏最上一層長勢一致的半夏葉片，每盆選1片葉并避開主葉脈測量三叉葉的中間葉片1次。在相同日變化的光照條件下，分別模擬低溫、中溫和高溫3種不同溫度環(huán)境條件，每種環(huán)境條件模擬并連續(xù)處理3 d。具體的光照和溫度設(shè)定如表1所示。

1.3 葉綠素?zé)晒鉁y量

參考Kramer et al.（2004）的測量方法，使用Dual-PAM-100葉綠素?zé)晒鈨x（Walz，德國）進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)和P700 吸收變化測定。在人工氣候箱內(nèi)處理時，打開光化光，用Bal對兩個測量系統(tǒng)進(jìn)行平衡，待熒光信號穩(wěn)定后（4～5 min），測定光適應(yīng)后的葉綠素最小熒光（Fo′）、光適應(yīng)后的葉綠素最大熒光（Fm′）、葉綠素穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）和P700中光下最大量子產(chǎn)量（Pm′）。各熒光參數(shù)意義及計算公式如下 （Genty et al.，1989; Kooten et al.，1990）。最大光化學(xué)效率：Fv′/Fm′=（Fm′-Fo′）/Fm′;非光化學(xué)猝滅系數(shù)：NPQ=（Fm-Fm′）/Fm′;PS Ⅱ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量：Y（NO）=F/Fm;PS Ⅱ的電子傳遞速率：ETR（Ⅱ）=Y（Ⅱ）×PPFD×0.85×0.5;PS Ⅰ的電子傳遞速率：ETR（I）=Y（I）×PPFD×0.85×0.5;PS Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量：Y（Ⅱ）=（Fm′-Fs）/Fm′;PS Ⅰ實際光化學(xué)量子產(chǎn)量：Y（I）=（Pm′-P）/Pm;PS Ⅰ供體端熱耗散效率：Y（ND）=P/Pm;PS Ⅰ受體端熱耗散效率：Y（NA）=（Pm-Pm′）/Pm;環(huán)式電子傳遞速率：CEF=ETR（I）-ETR（Ⅱ）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）。圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 PS Ⅱ活性對日變化的光照和不同日變化的溫度的適應(yīng)

Fo′為光下PS Ⅱ最小熒光，試驗中每天6：00測定的Fo′都經(jīng)過一夜的黑暗處理且在黑暗條件下測定，能代表PS Ⅱ初始熒光（Fo）的變化。在3 d的處理中，不同溫度處理的Fo′均表現(xiàn)為先下降后緩慢上升最后趨于穩(wěn)定（圖2：A-C）。試驗中，LT處理的Fo′在3 d中均高于其他兩個處理，特別是在夜間10 ℃處理后升高明顯。第3天的MT處理的Fo′比第1天和第2天的有小幅上升，高溫處理則相反（圖2：C）。

Fv′/Fm′為光化光下PS Ⅱ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量，為反應(yīng)中心激發(fā)能捕獲效率。6：00測定的Fv′/Fm′同樣經(jīng)過暗適應(yīng)處理，因此能代表最大PS Ⅱ的光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm）。3 d的變化溫度處理中，變化的低溫對Fv′/Fm′的影響最大（圖2：F）。隨光照強度的增加，3個變化溫度處理的Fv′/Fm′均急速下降，說明先對Fv′/Fm′有影響的是光照（圖1：D）;隨著處理時間的加長，溫度處理對Fv′/Fm′的影響越來越明顯。第2天和第3天處理中的Fv′/Fm′變化趨勢都是隨光照強度的增加而降低，但LT處理下的Fv′/Fm′從第2天的6：00開始就一直處于最低水平并在3 d的同一時段連續(xù)降低（圖2：E）;HT和MT處理的Fv′/Fm′在3 d同一時段內(nèi)都處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明低溫確實導(dǎo)致了Fv′/Fm′降低，特別是第2天和第3天的6：00測定的Fv′/Fm′均低于0.8，而6：00測定的HT和MT處理的Fv′/Fm′則能穩(wěn)定在0.8。經(jīng)過3 d的處理可知，光照強度的增加是引起Fo′升高和Fv′/Fm′降低的主要原因，低溫條件會進(jìn)一步引起Fo′、Fv′/Fm′的變化。

2.2 PS Ⅰ對日變化光照下不同溫度的適應(yīng)

Y（NA）是由受體側(cè)限制引起的PS Ⅰ非光化學(xué)能量耗散的量子產(chǎn)量，是PS Ⅰ光損傷或光抑制的重要指標(biāo)。MT和HT處理的Y（NA）在第1天的8：00達(dá)到了最高水平（圖3：A），光照的增加使半夏受體側(cè)開始積累了較大的激發(fā)壓，但隨處理時間的增加，HT處理的Y（NA）

始終處于最高水平，而在同樣光強下，LT處理的Y（NA）則在第1天的10：00降低后始終處于最低水平。MT處理的Y（NA）則始終介于LT和MT之間。說明HT處理的半夏受體側(cè)激發(fā)壓增加可能引起了PS Ⅰ光抑制或者PS Ⅰ受到了損傷。

Y（ND）是由于供體側(cè)限制引起的PS Ⅰ處非光化學(xué)能量耗散的量子產(chǎn)量。第1天，3種處理的Y（ND）在8：00至12：00的時間段內(nèi)都處于一個上升的水平（圖3：D），這與光照強度增加有關(guān)，但低溫下的Y（ND）一直處于最高水平，而高溫則維持較低水平，這與Y（NA）的變化相反（圖3：E），Y（ND）的增加表明半夏在LT的處理下供體側(cè)積累了較大的激發(fā)壓。通過第2天、第3天的處理，不同溫度處理下的Y（NA）開始存在較大的差異，低溫下的Y（ND）一直高于其他兩個溫度處理（圖3：F），而HT處理的Y（ND）越來越低。通過Y（NA）的日變化可知，光照的加強是引起受體側(cè)激發(fā)壓增加的主要原因，而3 d的Y（ND）變化主要由溫度變化引起，低溫加強了供體側(cè)的激發(fā)壓，高溫則降低了供體側(cè)的激發(fā)壓。

2.3 日變化光照和溫度對PS Ⅱ和PS Ⅰ量子產(chǎn)量的影響

在3 d的處理中，低溫處理PS Ⅱ的量子產(chǎn)量Y（Ⅱ）均小于其他2個溫度處理（圖4：A-C），每天6：00后光照的增加使Y（Ⅱ）急速下降。在第2天和第3天的處理中，3個溫度處理的Y（Ⅱ）存在明顯的差異（圖4：B，C），LT處理的Y（Ⅱ）始終低于其他2個溫度處理，在第3天無限接近于零，這可能與PS Ⅱ已經(jīng)處于閉合的狀態(tài)或者已經(jīng)受損有關(guān)（圖4：C）。MT處理的Y（Ⅱ）、Y（I）在第2天和第3天也有下降的趨勢，可能與接受過強的光照而產(chǎn)生光抑制有關(guān)。高溫處理的Y（Ⅱ）則一直處于正常水平，到第3天的14：00后才有下降的趨勢（圖4：C）。

PS Ⅰ的光化學(xué)效率Y（I）在3 d的處理中，均為先下降然后上升的趨勢（圖4：D），HT的Y（I）一直處于較高的水平，第2天和第3天有上升的趨勢（圖4：E，F(xiàn)）。LT處理的Y（I）在第2天和第3天的6：00時達(dá)到最高水平，之后一直處于最低水平。MT處理Y（I）在3 d中都處于穩(wěn)定的水平，變化的趨勢都是隨光照變化先下降后上升。HT處理的Y（I）一直處于最高水平，除了第2天和第3天的16：00，其余的均維持在穩(wěn)定水平，而16：00 Y（I）的下降可能與38 ℃的高溫處理有關(guān)，但短期的38 ℃處理結(jié)束后，在35.5 ℃的溫度下，Y（I）恢復(fù)正常水平。在3 d的處理中，在相同光照下，Y（Ⅱ）和Y（I）受到了溫度的影響，適宜溫度的增加提高了Y（Ⅱ）和Y（I）。

2.4 日變化光照下的不同日變化溫度處理對線性電子傳遞及環(huán)式電子循環(huán)影響

PS Ⅱ的相對電子傳遞速率ETR（Ⅱ）可以反映線性電子傳遞的活性。從第1天開始（圖5：A），3個溫度處理的線性電子傳遞能力均處于較高的一個水平，ETR（Ⅱ）的變化也隨溫度的增加而增加，其中HT處理的線性電子傳遞能力一直高于其他2個溫度處理，在1 d的14：00達(dá)到最高值，這與1 d中12：00到14：00光照最強有關(guān)。而LT的ETR（Ⅱ）在第1天上升后，在第2天和第3天一直處于最低水平（圖5：B，C），低溫處理抑制了線性電子傳遞。MT處理的ETR（Ⅱ）則基本維持在同一個水平，3 d處理對ETR（Ⅱ）的影響并不明顯。

PS Ⅰ的相對電子傳遞速率ETR（I）可反映PS Ⅰ線性電子和環(huán)式電子傳遞的能力，3 d中ETR（I）與ETR（Ⅱ）變化一致（圖5：D-F）。3 d的環(huán)式電子傳遞速率（CEF）和每天的光強變化趨勢一樣（圖5：I），但環(huán)式電子傳遞速率卻存在很大的差異。低溫下的CEF大小相近，且一直處于最低水平（圖5：I-K），常溫處理的CEF在第3天的14：00后有微弱的上升，高溫處理下的CEF則在每天的16：00達(dá)到最高水平。第2天和第3天常溫處理和高溫處理的CEF有了明顯的上升且一直高于其他2個處理。在高溫下，半夏維持較高ETR（I）與ETR（Ⅱ）的同時，較高CEF的介入，進(jìn)一步提高了半夏對高溫環(huán)境的適應(yīng);低溫下PS Ⅱ和PS Ⅰ活性變化可能導(dǎo)致線性電子傳遞速率的降低，而CEF不能介入，可能進(jìn)一步導(dǎo)致了半夏在低溫下的光抑制。

2.5 NPQ的增加可提高變化的光照下半夏對高溫環(huán)境的適應(yīng)

NPQ是植物耗散過剩光能為熱能的能力，反映了植物的光保護(hù)能力。在3 d的處理中，HT處理的半夏葉片NPQ一直處于最高水平（圖6：A-C），低溫處理的NPQ一直處于最低水平，相比于低溫處理，常溫處理也處于較高水平。在第1天低溫下，NPQ有上升的趨勢（圖6：A）;在第2天的8：00上升后迅速下降（圖6：B），下降后一直處于最低水平;在第2天和第3天的16：00溫度最高時（圖6：C），NPQ有了緩慢回升，這說明NPQ受到溫度的影響。隨光照強度的增加，HT處理的半夏一直維持較高的NPQ，說明高溫下的半夏能通過高的熱耗散來保護(hù)自身不受損傷。

Y（NO）是PS Ⅱ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量，是光損傷的重要指標(biāo)。第1天，LT處理的Y（NO）一直處于較高的水平，在下午18：00時降低（圖6：D），但在第2天的10：00后又升高到接近1（圖6：E），第3天繼續(xù)維持在這個水平（圖6：F），表明低溫下的光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換、光保護(hù)性調(diào)節(jié)機制（如熱耗散）的不足（圖6：B和C），不能將半夏葉片吸收的光能完全耗散，半夏PS Ⅱ受到了很強的光抑制或造成光損傷，從而使Y（NO）處于最高水平。MT處理的Y（NO）也有一定的上升，但上升的幅度較低溫處理不明顯，在1 d處理后總能回到正常水平;而高溫處理則一直處于最低水平，表明高溫處理受到的光抑制最小。

3 討論

3.1 高光低溫條件加劇半夏PS Ⅱ光抑制和光損傷

高光會導(dǎo)致植物的光抑制，而溫度脅迫疊加會加劇光抑制，對PS Ⅱ造成光損傷（Khanal et al.，2017）。植物受到光抑制時會導(dǎo)致光抑制或光損傷指標(biāo)Y（NO）的升高（Kalaji et al.，2016）;高等植物在暗適應(yīng)的條件下測定的PS Ⅱ捕光能力的大小Fv′/Fm′的值在0.8左右，PS Ⅱ抑制會導(dǎo)致Fv′/Fm′的降低（Bjrkman & Demmig，1987）;PS Ⅱ的失活或損傷、能量耗散的變化會造成PS Ⅱ完整性指標(biāo)Fo′的升高（Kalaji et al.，2014）。本研究中，Y（NO）的變化表明在高光（>900 μmol·m-2·s-1）低溫的條件下，半夏PS Ⅱ受到嚴(yán)重的光抑制。LT處理中Fv′/Fm′在第2天、第3天的6：00均低于0.8，表明低溫加劇了半夏高光下的光抑制;半夏在LT、MT處理下的Fo′上升，這可能與半夏的PS Ⅱ已經(jīng)受到嚴(yán)重的損傷有關(guān)。梁芳等（2010）也發(fā)現(xiàn)對菊花（Dendranthema morifolium）的研究也證明低溫和高光同時存在的條件下會導(dǎo)致Fo′上升;而王瑩博等（2018）對白及（Bletilla striata）的研究中發(fā)現(xiàn)，高溫會造成在暗適應(yīng)的條件下測定的Fo′上升和Fv′/Fm′下降，薛建平等（2010）也發(fā)現(xiàn)長期使用37 ℃高溫處理會導(dǎo)致Fo′上升和Fv′/Fm′下降，但在本研究中高溫卻穩(wěn)定了Fo′和Fv′/Fm′，這可能與本研究中高溫處理時間較短（最高溫度38 ℃僅處理2 h）和日變化處理的半夏在適宜的28 ℃夜間溫度下可能修復(fù)了部分損傷的PS Ⅱ有關(guān)。綜上結(jié)果表明高光會導(dǎo)致半夏的光抑制，低溫會加劇這種光抑制造成的半夏光損傷。

3.2 高光低溫條件降低了半夏光系統(tǒng)活性

Y（Ⅱ）和Y（I）分別反映的是PS Ⅱ和PS Ⅰ的實際原初光能捕獲效率，作為植物光合電子傳遞速率快慢的相對指標(biāo)（Kalaji et al.，2014）。在3 d的處理中，LT處理的半夏Y（Ⅱ）和Y（I）一直處于最低水平。Y（Ⅱ）顯著降低，這表明低溫處理的半夏葉片的光反應(yīng)受到了強烈抑制（Bailey et al.，2008）。半夏葉片PS Ⅱ光損傷的指標(biāo)Y（NO）顯著升高與Y（Ⅱ）降低的結(jié)果一致，半夏葉片PS Ⅱ的損傷導(dǎo)致電子傳遞速率的降低。在低溫下，Y（Ⅱ）的降低也進(jìn)一步導(dǎo)致了PS Ⅰ和PS Ⅱ的線性電子傳遞速率ETR（I）與ETR（Ⅱ）的降低，而低溫下的供體側(cè)Y（ND）一直處于最高水平，導(dǎo)致PS Ⅱ產(chǎn)生的電子無法傳遞到PS Ⅰ是ETR（I）與ETR（Ⅱ）降低的主要原因，同時低溫下的受體側(cè)Y（NA）一直處于最低水平，這也表明低溫處理的半夏PS Ⅰ受到抑制。雖然高溫下處理的Y（NA）上升應(yīng)該造成線性電子傳遞速率的降低，但是高溫下的ETR（I）與ETR（Ⅱ）一直維持在最高的水平，這與在高溫處理下一直保持較高的Y（I）有關(guān)。而Ballottari et al.（2007）研究也表明PS Ⅰ比PS Ⅱ有更強的穩(wěn)定性，高溫處理的PS Ⅰ快速的電子傳遞表明Y（NA）增大不是由光損傷造成，PS Ⅱ較大的Y（Ⅱ）導(dǎo)致了Y（I）增加，Y（I）增加會使PS Ⅰ受體端積累較高的激發(fā)壓，半夏增強了PS Ⅰ的熱耗散Y（NA），從而避免光對PS Ⅰ的損傷并維持原初光能捕獲效率。在低溫下，光系統(tǒng)的損傷造成了Y（I）和Y（Ⅱ）的降低，Y（NA）的降低進(jìn)一步抑制了半夏光系統(tǒng)活性;在高溫下，維持較高的Y（I）可能與CEF的啟動有關(guān)，且較低的Y（ND）進(jìn)一步促進(jìn)PS Ⅱ的活性，增強了半夏線性電子傳遞速率。

3.3 NPQ和CEF的啟動增強了半夏適應(yīng)高溫和高光的能力

NPQ能有效地消耗過剩的光能（Pospíil，2016）。陳華新等（2008）研究表明，隨著光照強度和溫度的增加，小麥（Triticum aestivum）的熱耗散能力逐漸增加，植物的熱耗散能力與光照強度呈線性關(guān)系;胡文海等（2010）研究發(fā)現(xiàn)高溫能促進(jìn)NPQ的增加。在本研究中，NPQ隨光照強度的增加而增加，NPQ日變化規(guī)律與馮志立等（2002）的研究結(jié)果一致，在高溫的環(huán)境下，半夏葉片總是保持較高的NPQ，較高的NPQ加強了半夏在高光下對PS Ⅱ保護(hù)能力，使Fv′/Fm′一直保持在穩(wěn)定的范圍。在高溫環(huán)境下，半夏較高的NPQ保證了高速的線性電子傳遞速率的進(jìn)行，而在低溫下，NPQ的降低則加劇了PS Ⅱ的損傷，進(jìn)一步導(dǎo)致Y（NO）上升，表現(xiàn)出明顯的光損傷，PS Ⅱ損傷后導(dǎo)致了線性電子傳遞速率ETR（I）與ETR（Ⅱ）的降低。

在高光下，葉綠體捕獲過多的光能，會造成PS Ⅱ的抑制（Szymańska et al.，2017）。短期內(nèi)植物為了保護(hù)PS Ⅱ不被損傷和減少ROS的產(chǎn)生，通過NPQ的增加來保護(hù)PS Ⅱ和降低激發(fā)能的產(chǎn)生（Gururani et al.，2015）;長期處于高光環(huán)境時，植物通過啟動CEF保護(hù)光系統(tǒng)免受強光的損傷（黃偉等，2012）。在高溫環(huán)境下，半夏通過CEF的增加來促進(jìn)跨類囊體膜質(zhì)子梯度的建立，進(jìn)一步加強了PS Ⅱ的NPQ，穩(wěn)定了放氧復(fù)合體，從而保護(hù)PS Ⅱ免受光抑制，使Y（NO）一直處于最低水平;膜質(zhì)子梯度的建立可以激發(fā)ATP合成酶來合成ATP，穩(wěn)定了ATP和NADPH適宜的比例，保證了高溫處理的TCA高速運轉(zhuǎn)（Rumeau et al.，2007）。在高溫環(huán)境下，高水平CEF還緩解了PS Ⅰ電子受體的過度還原，減少超氧陰離子在PS Ⅰ的合成（黃偉等，2012），防止PS Ⅰ受到光抑制。因此，NPQ的增加和CEF的啟動是半夏能夠適應(yīng)日變化的高溫和高光，穩(wěn)定PS Ⅱ和PS Ⅰ的主要原因。

低溫會造成Rubisco酶的抑制，使TCA代謝受阻（Khanal et al.，2017），對ATP和NADPH還原的能力減弱，導(dǎo)致類囊體內(nèi)的水循環(huán)活性的增加，造成了大量活性氧的產(chǎn)生（Sawicki et al.，2016）。本研究發(fā)現(xiàn)，較低的熱耗散和環(huán)式電子循環(huán)，導(dǎo)致了半夏PS Ⅱ和PS Ⅰ抑制和損傷。長時間低溫會抑制PS Ⅱ中心D1蛋白的修復(fù)速率，進(jìn)一步降低了PS Ⅱ的活性（Wahid et al.，2007），低溫還可能降低了類囊體膜脂流動性（Falcone et al.，2004），類囊體膜流動性的降低影響了膜內(nèi)蛋白的構(gòu)象，減弱Cyt b6/f復(fù)合物與質(zhì)體醌和質(zhì)體藍(lán)素蛋白之間的相互作用，降低類囊體膜的電子傳遞能力，這可能是LT處理的半夏電子傳遞能力降低的主要原因。雖然高溫會導(dǎo)致類囊體膜的流動性增加，使質(zhì)子外流，造成ATP合成與電子輸運耦合的破壞（Schrader et al.，2004），但是短期的38 ℃高溫并沒有造成半夏光系統(tǒng)的損傷，且PS Ⅰ周圍環(huán)式電子流的增加會補償外流的質(zhì)子，使ATP合成得以繼續(xù)（Allakhverdievet al.，2008）。因此，在高光下，適宜的溫度可以保持半夏光反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

高光會對半夏光反應(yīng)造成抑制，而低溫加劇這種光抑制的產(chǎn)生;長期的低溫會導(dǎo)致半夏葉片光反應(yīng)系統(tǒng)損傷，降低其對高光環(huán)境的適應(yīng)。適當(dāng)提高環(huán)境溫度可以促進(jìn)NPQ和CEF的產(chǎn)生，加速了光反應(yīng)的電子傳遞，并維持了光反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，減少光抑制的產(chǎn)生，從而使半夏光反應(yīng)系統(tǒng)獲得適應(yīng)高光環(huán)境的能力。在生產(chǎn)中，應(yīng)搭建遮蔭棚降低半夏在高光下的光抑制，在半夏規(guī)?；耘噙^程中可選用大棚設(shè)施栽培，以便更好地控制栽培環(huán)境的光強和溫度。

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（責(zé)任編輯 何永艷）