高溫對(duì)冬小麥旗葉光合機(jī)構(gòu)的傷害機(jī)制*

楊 程,李向東**,杜思?jí)?張德奇,時(shí)艷華,王漢芳,邵運(yùn)輝,方保停,程紅建,位 芳

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所/小麥國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部黃淮中部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部中原地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/河南省小麥生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鄭州 450002;2.鄭州大學(xué)農(nóng)學(xué)院 鄭州 450052)

小麥()是我國(guó)第二大糧食作物,小麥的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)對(duì)于我國(guó)糧食安全具有重要意義。黃淮麥區(qū)是我國(guó)冬小麥的重要產(chǎn)區(qū),灌漿期高溫是該區(qū)域小麥生產(chǎn)中常見(jiàn)的自然災(zāi)害。隨著全球環(huán)境的惡化和氣候變暖,小麥灌漿期遭遇高溫脅迫的風(fēng)險(xiǎn)也將逐漸增大。有研究預(yù)測(cè)未來(lái)全球平均氣溫每升高1 ℃,全球平均小麥產(chǎn)量將下降6%。光合作用是作物產(chǎn)量形成的最終能量來(lái)源,灌漿期小麥葉片的光合作用直接影響小麥千粒重,是決定小麥產(chǎn)量的重要因素。因此,研究高溫對(duì)小麥灌漿期旗葉光合功能的影響特別重要。

光合作用包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)過(guò)程,在光反應(yīng)過(guò)程中,植物利用吸收的光能驅(qū)動(dòng)水的分解,釋放出電子,并產(chǎn)生氧氣,電子再經(jīng)過(guò)光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)、質(zhì)體醌(PQ)、細(xì)胞色素B6f 復(fù)合體(Cyt)、質(zhì)體藍(lán)素(PC)、光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)等一系列電子傳遞體傳遞給NADP+生成NADPH,同時(shí)產(chǎn)生跨膜質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)ATP 的生成,NADPH 和ATP 再用于暗反應(yīng)中的卡爾文循環(huán),完成CO的固定。高溫可以通過(guò)多種途徑抑制植物葉片的光合作用。多項(xiàng)研究表明高溫脅迫下核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)的活性顯著下降,因此,Rubisco 被認(rèn)為是高溫脅迫下光合作用的主要抑制位點(diǎn),也有研究表明高溫下Rubisco 的活性下降主要是由于Rubisco 活化酶的活性受到了抑制。此外,高溫也會(huì)破壞光系統(tǒng)Ⅱ的活性,而且會(huì)導(dǎo)致放氧復(fù)合體錳離子的脫落。類(lèi)囊體膜的穩(wěn)定性對(duì)于維持光系統(tǒng)Ⅱ的活性至關(guān)重要,研究表明類(lèi)囊體膜不飽和脂肪酸比例的增加有利于維持PSⅡ高溫下的活性。PSⅡ?qū)Ω邷氐拿舾谐潭纫呀?jīng)成為衡量小麥以及其他農(nóng)作物光合機(jī)構(gòu)高溫抗性的重要指標(biāo)。前人對(duì)于高溫下小麥光合作用的研究多集中于PSⅡ的整體活性,而對(duì)影響PSⅡ活性的具體過(guò)程關(guān)注較少,譬如PSⅡ?qū)饽艿奈蘸蛡鬟f、放氧復(fù)合體活性以及PSⅠ電子傳遞活性對(duì)高溫的響應(yīng)情況等。而且以往對(duì)于小麥葉片高溫傷害機(jī)制的研究大多使用較少的小麥品種,所獲得的結(jié)論缺乏廣泛的代表性。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)/表示PSⅡ的最大光化學(xué)效率,是反映PSⅡ活性的最常用的熒光參數(shù)。但是該指標(biāo)的應(yīng)用也存在一定的局限性,譬如在輕度脅迫下,或者在敵草隆(DCMU)、2,5-二溴-6-異丙基-3-甲基-1,4-苯醌(DBMIB)等特定位點(diǎn)電子傳遞抑制劑的處理下,/并沒(méi)有顯著的改變。因此,多種研究手段的協(xié)同使用對(duì)于研究高溫脅迫下小麥光合電子傳遞鏈的狀態(tài)和功能十分必要。

快速葉綠素?zé)晒庖话阒赴颠m應(yīng)后的葉片在飽和光的照射下從最小熒光值()上升到最大熒光()的過(guò)程,該過(guò)程與不同光合電子傳遞階段的活性和狀態(tài)密切相關(guān),已經(jīng)被廣泛用于光合逆境生理的研究。光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)反應(yīng)中心色素P700 處于氧化態(tài)時(shí),可以特定地吸收820 nm 波長(zhǎng)的光,通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)葉片對(duì)820 nm 光的反射信號(hào)可以研究PSⅠ反應(yīng)中心的氧化還原狀態(tài),且能同時(shí)推測(cè)PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞狀況。光合電子傳遞過(guò)程發(fā)生的氧化還原反應(yīng)都是可逆的,當(dāng)電子發(fā)生逆向傳遞時(shí)就會(huì)導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心色素P680 與供體側(cè)或者受體側(cè)的電子傳遞體發(fā)生電荷重組,進(jìn)一步引起P680 再激發(fā)形成激發(fā)態(tài)的P680*,P680*可以通過(guò)天線色素將能量以熒光的形式釋放出來(lái),稱(chēng)為延遲熒光。延遲熒光也可以用于光合電子傳遞過(guò)程的研究。近年來(lái),多功能植物效率儀(M-PEA)的出現(xiàn),使快速葉綠素?zé)晒?、延遲熒光、820 nm 光反射(MR)同步測(cè)定技術(shù)越來(lái)越多地用于逆境下光合作用的研究。

本研究擬使用快速葉綠素?zé)晒狻⒀舆t熒光、820 nm光反射同步測(cè)定技術(shù)研究高溫對(duì)35 個(gè)小麥品種離體旗葉光合電子傳遞過(guò)程的影響及作用機(jī)制,為我國(guó)抗高溫小麥品種的選育和栽培管理技術(shù)的創(chuàng)新提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用1941-2014年通過(guò)審定且在河南省大面積種植的35 個(gè)冬小麥品種(表1),種植于河南省平原新區(qū)河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地,小區(qū)面積6 m,每個(gè)品種3 個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)田肥力均勻,按照生產(chǎn)實(shí)際整地,2017年10月10日播種,行距20 cm,株距2 cm,采用人工播種。整個(gè)生育期采用合理統(tǒng)一的田間管理,適時(shí)施肥,澆水。灌漿前期(2018年5月9日),取各品種完整均勻一致的旗葉,用濕紗布包裹后帶回實(shí)驗(yàn)室。參考楊程等和Liu 等的方法,將各小麥品種旗葉剪掉基部和葉尖部位,保留中間部位,然后將中間部位葉片剪成長(zhǎng)約1 cm 的小段,在直徑6 cm 培養(yǎng)皿中加入15 mL 蒸餾水,每個(gè)培養(yǎng)皿放入10 個(gè)均勻一致的旗葉片段,并使葉片漂浮在水面。每個(gè)品種均按照該方法設(shè)置3 個(gè)盛有葉片段的培養(yǎng)皿,分別置于設(shè)置不同溫度22 ℃(CK)、30 ℃(T1)、38 ℃(T2)的光照培養(yǎng)箱進(jìn)行處理,培養(yǎng)箱光照強(qiáng)度均為250 μmol·m·s,處理2 h 后,進(jìn)行葉綠素快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線、820 nm 光反射和延遲熒光的同步測(cè)定,每個(gè)品種測(cè)定6 個(gè)重復(fù)。

表1 選用的小麥品種Table 1 Wheat cultivars used in this study

1.2 葉綠素快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線、820 nm 光反射和延遲熒光測(cè)定

葉綠素快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(OJIP)、820 nm光反射(MR)和延遲熒光(DF)使用多功能植物效率儀(M-PEA,Hansatech Instruments,UK)進(jìn)行測(cè)定,參考Gao 等的方法,稍作修改:葉片測(cè)定前均在室溫條件下采用儀器配套的暗適應(yīng)夾進(jìn)行30 min 的暗適應(yīng),然后用2 s 5000 μmol·m·s的紅光同步測(cè)定快速熒光、延遲熒光和820 nm 的光反射,紅光波長(zhǎng)為(627±10)nm。同步測(cè)定時(shí),從曝光300 μs 開(kāi)始進(jìn)行光暗轉(zhuǎn)換,光下記錄快速熒光和820 nm 的光反射信號(hào),黑暗時(shí)記錄延遲熒光信號(hào),直至完成2 s 的測(cè)定過(guò)程。

OJIP 參數(shù)計(jì)算參考Strasser 等、楊程等的方法,具體見(jiàn)表2。

表2 葉綠素快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線參數(shù)及公式Table 2 Parameters and formulas of rapid chlorophyll fluorescence inducing kinetic curve

葉片在暗適應(yīng)后,在飽和紅光照射下MR 信號(hào)呈先下降后上升的趨勢(shì),為了排除葉片之間的基礎(chǔ)信號(hào)的差異,MR 的變化用MR/MR表示(MR表示820 nm 光反射信號(hào)的初始值),MR 的最大下降速率()通過(guò)MR/MR的1.1～2.0 ms 階段的下降斜率計(jì)算,上升段的最大速率(-)通過(guò)30～100 ms 的上升斜率計(jì)算。

延遲熒光通過(guò)軟件M-PEA data-analyzer V.4.4.3進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的分析和導(dǎo)出。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)顯著性檢驗(yàn)采用DPS v18.10 軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種葉片最大光化學(xué)效率高溫響應(yīng)規(guī)律及分類(lèi)

最大光化學(xué)效率(/)是應(yīng)用最廣泛的熒光參數(shù)之一,通常用來(lái)反映植物逆境下的光抑制程度。從表3 可知,高溫處理后各小麥品種的/均有所下降。通過(guò)K-均值聚類(lèi)法對(duì)38 ℃高溫處理(T2)下小麥旗葉的/下降幅度進(jìn)行快速聚類(lèi),將35 個(gè)小麥品種分成了高溫不敏感(G1)和高溫敏感(G2)兩組,其中高溫不敏感組包含13 個(gè)小麥品種,高溫處理?xiàng)l件下/下降幅度范圍為1.4%～39.5%;高溫敏感組包含22 個(gè)小麥品種,/下降幅度范圍為46.7%～82.9%。

表3 不同類(lèi)型小麥品種不同溫度處理下的旗葉FV/FM 及其38 ℃處理下的下降幅度和分類(lèi)結(jié)果Table 3 FV/FM of flag leaves at different temperatures and its decrease extents at 38 ℃,and classification results of different wheat cultivars

2.2 高溫對(duì)小麥旗葉快速葉綠素誘導(dǎo)曲線的影響

充分暗適應(yīng)后的小麥葉片在飽和光照射下PSⅡ從完全開(kāi)放狀態(tài)逐漸到完全關(guān)閉,熒光信號(hào)整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)典型的O-J-I-P 變化。通過(guò)對(duì)35 個(gè)品種的冬小麥旗葉進(jìn)行高溫處理(T1 為30 ℃,T2 為38 ℃),以22 ℃處理為對(duì)照,按照表1 中的分類(lèi)結(jié)果分別進(jìn)行平均。如圖1所示,隨著處理溫度的升高,可以明顯看到3 ms 熒光(J 點(diǎn))和30 ms 熒光(I 點(diǎn))的升高,高溫敏感的小麥品種J 點(diǎn)和I 點(diǎn)熒光的升高幅度大于高溫不敏感的小麥。

圖1 高溫對(duì)高溫不敏感型(G1)和高溫敏感型(G2)小麥品種旗葉葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線的影響(曲線已標(biāo)準(zhǔn)化)Fig.1 Effect of high temperature on chlorophyll fluorescence induction curves of wheat flag leaves of high-temperature insensitive(G1)and sensitive(G2)cultivars(the curve has been standardized)

為了獲得更多的PSⅡ的信息,將快速熒光誘導(dǎo)曲線的O-J 點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,從而可以看到K 點(diǎn)(0.3 ms)熒光的變化(圖2A、2B),依照同樣的方法對(duì)O-K 點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化(圖2C、2D),可以看到L 點(diǎn)(約150 μs)的變化。結(jié)果顯示,G1 和G2 兩組小麥品種在高溫脅迫下K 點(diǎn)均下降;G1 品種L 點(diǎn)沒(méi)有明顯變化,而G2 組小麥品種高溫脅迫下L 點(diǎn)顯著上升。

圖2 高溫對(duì)高溫不敏感型(G1)和高溫敏感型(G2)小麥品種旗葉葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線O-J 段和O-K 段熒光強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of high temperature on the fluorescence intensities of O-J segment and O-K segment of chlorophyll fluorescence induction curves of wheat flag leaves of high-temperature insensitive(G1)and sensitive(G2)cultivars

熒光參數(shù)、和是反映光合電子傳遞不同階段效率的重要指標(biāo),表示PSⅡ捕獲光能的效率,表示傳遞到Q- 下游的光能占吸收光能的比率,表示傳遞到PSⅠ末端的光能占PSⅡ吸收光能的比率,PI表示PSⅡ的綜合性能指數(shù)。如圖3所示,兩組小麥品種、、和PI在高溫脅迫下均呈下降趨勢(shì),但是高溫敏感小麥(G2)在T2(38 ℃)處理下降幅度顯著大于高溫不敏感的小麥品種(G1)。o 表示PSⅡ耗散光能的比率,與變化趨勢(shì)相反,兩類(lèi)小麥品種隨著處理溫度的升高,均呈上升趨勢(shì),其中高溫敏感的小麥品種在T2 處理下的上升幅度顯著大于高溫不敏感的小麥品種。RC/CS表示單位面積PSⅡ有活性反應(yīng)中心的數(shù)量,RC/CS呈現(xiàn)與相同的趨勢(shì),僅在T2 處理下與CK 呈現(xiàn)顯著差異。表示傳遞到PSⅠ受體側(cè)的電子占傳遞到Q-下游的電子的比率,在T2 處理下,顯著上升,且高溫敏感的小麥品種在T2 處理下上升幅度大于高溫不敏感的小麥品種。

圖3 高溫對(duì)高溫不敏感型(G1)和高溫敏感型(G2)小麥品種旗葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)φPo、φEo、φRo、φDo、RC/CSm、δRo、PIABS 的影響Fig.3 Effect of high temperature on chlorophyll fluorescence parameters φPo, φEo, φRo, φDo,RC/CSm, δRo and PIABS of wheat flag leaves of high-temperature insensitive(G1)and sensitive(G2)cultivars

2.3 高溫對(duì)小麥旗葉820 nm 光反射的影響

PSⅠ的反應(yīng)中心色素P700 在吸收光能后會(huì)釋放電子轉(zhuǎn)變?yōu)镻700,P700能特異地吸收820 nm 的光,所以通過(guò)監(jiān)測(cè)光下葉片對(duì)820 nm 光的反射變化可以獲得PSⅠ反應(yīng)中心的氧化還原狀態(tài)的變化。在完全暗適應(yīng)后,PSⅠ反應(yīng)中心處于還原狀態(tài),在照光的初始階段,由于PSⅡ的電子還未傳到PSⅠ,因此P700處于快速積累狀態(tài),隨著照光時(shí)間的延長(zhǎng)和PSⅡ電子的到來(lái),P700 的狀態(tài)從氧化大于還原逐漸到氧化和還原的平衡,再到還原速率大于氧化速率,因此,MR 信號(hào)整體呈現(xiàn)先下降后上升的形態(tài),在MR 信號(hào)的下降階段,兩個(gè)類(lèi)型小麥品種在不同溫度下均無(wú)顯著差異,但是在上升階段G2 組在高溫下上升速率顯著變慢且上升段的最大值出現(xiàn)明顯下降(圖4A、4B)。分別計(jì)算下降和上升的最大斜率,可以得到和兩個(gè)參數(shù),從圖4C 和4D中可以看出,高溫處理下,G1 和G2 組小麥品種葉片高溫處理后與CK 處理相比均無(wú)顯著差異,而G2 組小麥品種在T2 處理下下降幅度顯著大于G1 組小麥品種(＜0.05,圖4D)。

圖4 高溫對(duì)高溫不敏感型(G1)和高溫敏感型(G2)小麥品種旗葉820 nm 光反射(MR rel.)及其最大下降速率(VPSⅠ)和上升速率(VPSⅡ-PSⅠ)的影響Fig.4 Effect of high temperature on the light reflection at MR820nm(MR rel.)and its maximum decrease rate(VPSⅠ)and rise rate(VPSⅡ-PSⅠ)of wheat flag leaves of high-temperature insensitive(G1)and sensitive(G2)cultivars

2.4 高溫對(duì)小麥旗葉延遲熒光的影響

延遲熒光與快速熒光一樣蘊(yùn)含著大量的光合電子傳遞的信息,在近年來(lái)逐漸用于各種逆境下的植物光合作用的研究。如圖5所示,在PSⅡ從開(kāi)放到逐漸關(guān)閉的過(guò)程中,延遲熒光信號(hào)(0.01～0.02 ms)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),隨著處理溫度的升高,I和I點(diǎn)的延遲熒光信號(hào)均逐漸下降,但是I點(diǎn)延遲熒光的下降幅度顯著大于I,從而導(dǎo)致/的值隨著處理溫度的升高逐漸上升。高溫敏感的小麥品種/在T2 處理下的上升幅度顯著大于高溫不敏感的小麥品種。

圖5 高溫對(duì)高溫不敏感型(G1)和高溫敏感型(G2)小麥品種旗葉延遲熒光誘導(dǎo)曲線(0.01～0.02 ms)(A 和B)和延遲熒光參數(shù)I2/I1(C)的影響Fig.5 Effect of high temperature on the delayed fluorescence induction curve(0.01-0.02 ms)(A and B)and delayed fluorescence parameter I2/I1(C)of wheat flag leaves of high-temperature insensitive(G1)and sensitive(G2)cultivars

3 討論

我國(guó)擁有豐富的小麥品種資源,不同小麥品種對(duì)高溫脅迫的敏感程度也存在差異。如表1所示,本試驗(yàn)中所選用的小麥品種在高溫下/均呈下降趨勢(shì),表明高溫脅迫下所有小麥品種PSⅡ活性均下降,但是下降幅度顯著不同。為了進(jìn)一步研究高溫對(duì)光合機(jī)構(gòu)的影響機(jī)理,根據(jù)K-均值聚類(lèi)將35 個(gè)小麥品種分為高溫不敏感和高溫敏感兩種類(lèi)型,對(duì)比分析兩種類(lèi)型小麥品種高溫脅迫下光合電子傳遞過(guò)程的變化規(guī)律。

供體側(cè)和受體側(cè)活性是影響植物光系統(tǒng)Ⅱ活性的重要因素,OJIP 曲線的J 點(diǎn)熒光的變化可以反映P680 受體側(cè)Q到Q的電子傳遞活性。在本試驗(yàn)中,高溫處理下J 點(diǎn)熒光上升說(shuō)明Q和Q之間的電子傳遞受到了抑制,且抑制程度隨著處理溫度的升高而增大。I 點(diǎn)的出現(xiàn)主要是由于還原狀態(tài)的PQ(PQH)再氧化成為限制因素所導(dǎo)致的。在本試驗(yàn)中,高溫脅迫導(dǎo)致的I 點(diǎn)熒光升高表明PQH的再氧化過(guò)程受到了抑制。高溫敏感型小麥品種Q和Q之間電子傳遞活性以及PQ 庫(kù)的再氧化過(guò)程在高溫下的受抑制程度均顯著大于高溫不敏感小麥品種,表明Q和Q之間電子傳遞活性以及PQ 庫(kù)的再氧化活性是決定小麥品種高溫抗性的重要因素。

K 點(diǎn)熒光的變化通常用來(lái)反映PSⅡ供體側(cè)的活性,雖然有研究表明高溫、水淹等多種逆境脅迫均會(huì)導(dǎo)致K 點(diǎn)熒光的上升,但是近年來(lái)對(duì)于K 點(diǎn)反映供體側(cè)傷害程度的可靠性也出現(xiàn)了不同的觀點(diǎn),K 點(diǎn)變化反映的是K 點(diǎn)的相對(duì)變化,因此可能會(huì)受到PSⅡ受體側(cè)活性的影響,當(dāng)PSⅡ受體側(cè)活性傷害程度大于供體側(cè)活性時(shí)則會(huì)掩蓋供體側(cè)活性的變化。金立橋等通過(guò)黑暗高溫抑制供體測(cè)活性的同時(shí)使用D1 蛋白抑制劑、不同時(shí)間強(qiáng)光處理等獲得不同PSⅡ受體側(cè)傷害程度的葉片,發(fā)現(xiàn)受體側(cè)的傷害程度嚴(yán)重影響K 點(diǎn)熒光的相對(duì)變化,表明僅在PSⅡ供體側(cè)傷害程度大于受體側(cè)傷害程度時(shí)才能觀測(cè)到K 點(diǎn)相對(duì)熒光的顯著上升。在本試驗(yàn)中,無(wú)論高溫敏感型還是高溫不敏感型的小麥品種,隨著處理溫度的上升,K 點(diǎn)熒光均沒(méi)有上升,我們推測(cè)這種變化可能也是PSⅡ受體側(cè)活性逐漸加重所導(dǎo)致的。Li 等在研究大豆()葉片對(duì)高溫的響應(yīng)時(shí)也觀測(cè)到在短時(shí)間高溫處理?xiàng)l件下K 點(diǎn)熒光下降的現(xiàn)象,印證了我們的推測(cè)。有研究表明小麥葉片放氧復(fù)合體對(duì)高溫有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。在本試驗(yàn)中最高處理溫度38 ℃也在冬小麥灌漿期的氣溫變化區(qū)間內(nèi),因此,38 ℃的高溫可能不足以對(duì)大多數(shù)小麥品種旗葉PSⅡ的供體側(cè)造成傷害。此外,光照是影響放氧復(fù)合體活性的重要因素,前人的試驗(yàn)往往在強(qiáng)光下進(jìn)行,而本試驗(yàn)在弱光下進(jìn)行,弱光環(huán)境可能也是導(dǎo)致K 點(diǎn)沒(méi)有顯著上升的原因之一。L 點(diǎn)的熒光反映了PSⅡ單元之間的能量偶聯(lián)程度,在T2處理下,L 點(diǎn)熒光顯著上升,且高溫敏感型小麥品種L 點(diǎn)熒光上升幅度更大,表明了高溫敏感型小麥品種高溫脅迫下PSⅡ單元之間偶聯(lián)程度下降程度更大,從而可能進(jìn)一步影響PSⅡ?qū)饽艿睦眯?。本試?yàn)中,和在高溫脅迫下均顯著下降,表明高溫脅迫下,吸收的光能被PSⅡ反應(yīng)中心捕獲的效率、用來(lái)推動(dòng)電子傳遞到Q下游電子載體以及用來(lái)推動(dòng)電子傳遞到PSⅠ受體側(cè)的效率均下降,且高溫敏感型小麥品種更為敏感。表示傳遞到PSⅠ受體側(cè)的電子占傳遞到Q下游的電子的比率,在本試驗(yàn)中隨著處理溫度的升高逐漸增大,表明高溫脅迫下傳遞到PSⅠ受體側(cè)的電子占傳遞到Q下游的電子的比率上升,由于在高溫下是下降的,因此,可以推斷的下降主要是由于電子傳遞到Q下游的比率減少所導(dǎo)致的,而不是PSⅠ的電子傳遞效率下降引起的。PI是反映PSⅡ活性的綜合性能指數(shù),逆境對(duì)光能捕獲和傳遞的影響均能體現(xiàn)在PI的變化上。本試驗(yàn)中PI顯著下降,也再次印證了高溫對(duì)PSⅡ光能吸收和傳遞的抑制作用。

PSⅠ吸收光能后通過(guò)P700 不斷氧化和再還原將供體側(cè)的電子傳遞到受體側(cè),從而維持光系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞和整個(gè)光合電子傳遞鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)葉片820 nm 光反射的監(jiān)測(cè),可以方便地研究PSⅠ的氧化和再還原的過(guò)程,進(jìn)而分析PSⅠ以及PSⅡ電子傳遞能力的變化。無(wú)論高溫敏感還是不敏感的小麥類(lèi)型,在高溫處理下,MR信號(hào)的最大氧化速率在各個(gè)處理之間沒(méi)有顯著差異,表明PSⅠ不是高溫脅迫的主要傷害位點(diǎn),Sun 等的研究也得到了類(lèi)似的結(jié)論,印證了我們的觀點(diǎn)。隨著照光時(shí)間的延長(zhǎng),從PSⅡ傳來(lái)的大量的電子超過(guò)了PSⅠ向下游傳遞電子的能力,從而導(dǎo)致了PSⅠ的再還原,再還原過(guò)程的最大斜率顯著下降,且高溫敏感型小麥下降幅度更大,表明PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞受到高溫的顯著抑制,也印證了快速葉綠素?zé)晒獾慕Y(jié)果。

延遲熒光是電子傳遞過(guò)程中的可逆反應(yīng)產(chǎn)生的,當(dāng)PSⅡ的供體側(cè)或受體側(cè)的電子傳遞體與P680發(fā)生電荷重組時(shí),就會(huì)導(dǎo)致P680 的再激發(fā)和延遲熒光的產(chǎn)生,因此,延遲熒光主要反映了電子傳遞鏈P680 與其供體側(cè)和受體側(cè)的電荷狀態(tài)。I點(diǎn)延遲熒光主要與SZP680Q-基團(tuán)的相對(duì)濃度有關(guān),主要受有活性P680 的數(shù)量以及供體和受體側(cè)電子傳遞能力的影響。高溫處理下的下降表明PSⅡ反應(yīng)中心活性、供體側(cè)活性和受體側(cè)活性可能均受到抑制,而結(jié)合瞬時(shí)熒光K 點(diǎn)、和RC/CS的變化則進(jìn)一步印證了高溫對(duì)反應(yīng)中心和受體側(cè)電子傳遞活性的抑制。I的出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于快速葉綠素?zé)晒馇€的I-P 段,I的出現(xiàn)是由于PQH向PSⅠ受體側(cè)的電子傳遞導(dǎo)致了Q-的再氧化和PSⅡ反應(yīng)中心的重新開(kāi)放,因此,/可以用來(lái)反映PSⅠ供體側(cè)電子傳遞到受體側(cè)的效率。在本試驗(yàn)中,38 ℃高溫處理下/顯著提高,表明了電子傳遞到PSⅠ末端的效率提高,且高溫敏感型小麥上升幅度更大,該結(jié)果與快速熒光的變化相一致。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)不同小麥品種旗葉在高溫下/的下降程度將35 個(gè)小麥品種分為高溫不敏感和高溫敏感的兩種類(lèi)型,然后采用快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線、820 nm 光反射和延遲熒光同步測(cè)定的方法研究了兩種類(lèi)型小麥品種的旗葉光合機(jī)構(gòu)對(duì)高溫脅迫響應(yīng)特征。結(jié)果顯示高溫脅迫下,高溫敏感型小麥品種PSⅡ光能捕獲和傳遞到Q下游的能力與高溫不敏感的小麥品種相比下降更加明顯,并進(jìn)一步導(dǎo)致光合作用綜合性能的快速下降,Q受體側(cè)電子傳遞到PSⅠ末端的效率和放氧復(fù)合體活性并沒(méi)有顯著下降,通過(guò)820 nm 光反射和延遲熒光結(jié)果的進(jìn)一步印證,最終表明PSⅡ反應(yīng)中心活性、PSⅡ光能的捕獲和Q向下游傳遞電子的能力的差異是導(dǎo)致兩種類(lèi)型小麥品種光合電子傳遞活性差異的主要原因,PSⅡ供體側(cè)和PSⅠ活性對(duì)小麥PSⅡ高溫抗性沒(méi)有直接影響。