淺談葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在作物長勢監(jiān)測中的應(yīng)用

李紫琴 王家強

(塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)

植物葉片的光合作用是植物進行物質(zhì)和能量代謝及作物產(chǎn)量形成的重要因子,為其貢獻了90%以上干物質(zhì)[1],該作用涉及多個物理、化學(xué)、生物的轉(zhuǎn)變過程。對農(nóng)業(yè)研究而言，可以快速準(zhǔn)確獲取光合作用的相關(guān)參數(shù),對作物健康生長發(fā)育監(jiān)測和產(chǎn)量增長起著十分重要的作用。

近年來葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)發(fā)展迅速，葉綠素?zé)晒馀c植物光合作用的相關(guān)研究也越來越多,葉綠素?zé)晒馐侵参锶~綠素吸收能量后所發(fā)出的一種十分豐富的光合作用信息,利用特定的熒光參數(shù)可計算出植物的線性電子傳遞速率、同化速率以及光合系統(tǒng)熱耗散的變化，從而有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測植物生理狀況[2]。通過測定植物體內(nèi)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的來反映植物光合作用的變化特征,因此通過葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)對光合作用進行準(zhǔn)確無損監(jiān)測是可行的，自從葉綠素?zé)晒獗话l(fā)現(xiàn)后,人們開始利用葉綠素?zé)晒獾淖兓瘉硌芯恐参锏墓夂献饔?。自從葉綠素?zé)晒獗话l(fā)現(xiàn)后，葉綠素的熒光特性被用于植物光合作用的研究已有研究表明,植物葉片的初始熒光(Fo)、可變熒光(Fv)、最大熒光(Fm)、最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)及潛在活性(Fv/Fo)等葉綠素?zé)晒鈪?shù)[3],可以反映植物的光合能力，間接作為研究作物生理狀況和受脅迫程度等的方法。為此，根據(jù)葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究作物在脅迫環(huán)境以及在生產(chǎn)上的相關(guān)文獻資料，本文對葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)做了簡要介紹，并聯(lián)系具體實例對近年來國內(nèi)外葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用進行了綜述，并提出了初步建議。

1 葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)概述

德國Kautsky和 Hirsch在90多年前首次出現(xiàn)了葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象,將在暗適應(yīng)的綠色植物突然受到可見光照射，其綠色組織散會發(fā)出一種暗紅色的熒光，且強度不斷變化，該現(xiàn)象被稱為Kautsky效應(yīng)[4]。葉綠素可以通過3種途徑來吸收能量，即光合電子傳遞、葉綠素?zé)晒夂蜔岷纳5]，這3種方式是密切聯(lián)系的，熒光發(fā)射會隨著光合作用和熱耗散的變化而相應(yīng)的變化，因此可以通過測定熒光參數(shù)來達到監(jiān)測光合作用和熱耗散的變化情況[6]。熒光與植物的光合作用、脅迫條件、長勢狀況相關(guān)，因此可獲得農(nóng)作物自身的相關(guān)信息。由于其具有精準(zhǔn)和無損等的優(yōu)點，迄今為止，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)被應(yīng)用于各個方面。

作物生理研究中主要葉綠素?zé)晒鈪?shù)包括Fo、Fm、Fv、Fv/Fo、Fv/Fm、Yield、qP、qN或NPQ等[7]，具有各自的含義及生理意義。使用PAM-2100葉綠素?zé)晒鈨x可以測得以下常用熒光參數(shù)：Fo，固定熒光或初始熒光，也稱為基礎(chǔ)熒光，將在暗適應(yīng)的綠色植物突然受到可見光照射綠色植物葉片經(jīng)過暗適應(yīng)后再突然受到可見光照射就能誘導(dǎo)出Kautsky效應(yīng)[4]；Fv，可變熒光，是黑暗中最大可變熒光強度，反映PSⅡ原初電子受體的還原情況；Fm，暗適應(yīng)樣品的最大熒光，當(dāng)PSII的所有反應(yīng)中心均處于關(guān)閉時得到，反映的是PSⅡ電子傳遞的變化情況[8]，通常在暗適應(yīng)30min夾取功能葉片測得其值；Fv/Fm，PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，或稱PSⅡ的最大光能轉(zhuǎn)換效率[9]，同樣也在葉片暗適應(yīng)30min后測得,此時的Fv/Fm是研究作物脅迫反應(yīng)常用的參數(shù)，F(xiàn)v/Fm比值處于0.80～0.83，當(dāng)達到0.86左右，說明葉片處于最佳生理狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀?.8時，說明作物可能受到脅迫,且PSⅡ反應(yīng)中心遭受損傷[10]，因此，其是光抑制程度的一個重要指標(biāo)；Fv/Fo，常用于度量PSⅡ的潛在活性，在特定處理情況下Fv/Fo的變化幅度比Fv/Fm的幅度要大得多[11]；Yeild，反映了PSⅡ反應(yīng)中心在局部閉合情況下的實際原初光能捕獲效率，通常用來描述植物光合作用下PSⅡ總的光化學(xué)量子產(chǎn)額，葉片在不經(jīng)過暗適應(yīng)的正常光下可直接測得；熒光猝滅，包括光化學(xué)猝滅和非光化學(xué)猝滅2類。qP=(Fm′-Ft)/(Fm′-Fo)，光化學(xué)猝滅系數(shù)，是一種量測度PSⅡ原初電子受體氧化態(tài)的方法;qN=(Fm-Fm′)/(Fm-Fo)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)，反映了植物保護PSⅡ的熱耗散和重要機制，也可以表示為NPQ[7]。研究表明，短時間內(nèi)的脅迫環(huán)境下會使qN升高，會在一定程度上保護光合機構(gòu)，降低了非光合作用所需的能量，降低了光合器官的受損程度。

2 葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在作物脅迫監(jiān)測中的應(yīng)用

劉克貞等[12]選取3種棉花品種,使用葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)探討了不同品種在滲透脅迫下葉綠素?zé)晒獯銣缣匦缘淖兓芯勘砻?，滲透脅迫會降低棉花功能葉片的Fv/Fm比值,使qP和qN的值降低，所以在作物生產(chǎn)中,可以通過Fv/Fm、qP和qN對滲透脅迫的抗逆性反應(yīng)的差異來作為輔助篩選抗旱性棉花的品種。通過總結(jié)前人的研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)在植物的光合作用和產(chǎn)量的提高方面也有相關(guān)應(yīng)用。張其德等[13]研究發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)量水平的水稻品種,其Fv/Fm和Fv/Fo的比值以及光合電子傳遞速率均有明顯差異,具有較高產(chǎn)量水平的品種,PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率都比較高,研究表明，作物的高產(chǎn)潛力與光能轉(zhuǎn)化效率、光合作用速率相關(guān)。林世青等[14]研究認為,不同水稻品種苗期葉片的Fv/Fm、Fv/Fo值均與產(chǎn)量水平呈正相關(guān)，可能成為預(yù)測作物增產(chǎn)的有效手段。進而梁新華等[15]對滲透脅迫下的4個品種春小麥葉片的Fv、Yield，F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo進行研究均降低,對不同強度滲透脅迫處理下各熒光參數(shù)進行方差分析表明,其差異均達極顯著水平。在病害對作物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響中，彭晏輝等[16]研究了馬鈴薯Y病侵染對馬鈴薯葉片的影響，結(jié)果表明，F(xiàn)v/Fm沒有顯著變化，葉片中的葉綠素含量逐步減少，凈光合速率顯著下降，光合系統(tǒng)電子傳遞速率(ETR)則隨著PVY的感染顯著下降。時燕等[17]對4個栽培類型的紫竹的葉綠素?zé)晒鈪?shù)進行比較，不同栽培類型的熒光參數(shù)Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、Yield、ETR、NPQ均存在顯著或者極顯著差異。同時，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)還可以監(jiān)測儲藏過程中水果蔬菜的生理變化，林世青等[14]在不同溫度儲藏條件下檢測香蕉后熟時發(fā)現(xiàn)，12℃是香蕉冷藏保鮮的最適溫度。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)不僅可以反映作物在干旱條件下的生長情況，而且還可以用來指示土壤水分含量，從而快速準(zhǔn)確地預(yù)警農(nóng)作物受脅迫的程度[1]。在國內(nèi)外學(xué)者的研究中，葉綠素?zé)晒夥椒ㄒ褟V泛應(yīng)用于監(jiān)測植物在不同環(huán)境脅迫下的生理狀態(tài)。魏曉東等[19]認為,土壤含水量低于20%時，銀杏葉片的PSII結(jié)構(gòu)會被破壞，PSII電子傳遞過程受到阻礙，進一步導(dǎo)致Fv/Fm大幅度的下降，可作為銀杏葉片受到脅迫的指標(biāo)。而童小芹等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下黃瓜的Fv/Fm隨ΦPSII隨土壤含水量的降低也隨之受抑制而降低，且土壤含水量與Fv/Fm和Fv/Fo等顯著正相關(guān)，干旱脅迫會抑制黃瓜葉綠素的合成，光化學(xué)效率降低的程度隨干旱脅迫程度增大和干旱時間的延伸而不斷升高[3,18]。而作物在溫度脅迫下，熒光參數(shù)也會受其的影響,Wen等[20]研究了耐鹽青蒿葉片在30～45℃的高溫脅迫下，光系統(tǒng)II(PSII)的耐溫性，研究發(fā)現(xiàn)在40℃處理后的非鹽適應(yīng)葉片和鹽適應(yīng)葉片的熒光參數(shù)對熱脅迫的響應(yīng)存在顯著差異。而對于在鹽脅迫下對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，前人也做了相關(guān)研究，孫文君等[21]發(fā)現(xiàn)100～200mmol·L-1鹽分處理的SPAD、Fv/Fm等參數(shù)顯著降低，Y(II)在200mmol·L-1鹽分處理時呈下降趨勢;最小熒光(Fo)在各鹽分處理間大幅度下降，非光化學(xué)淬滅參數(shù)qN則差異不顯著，而100～200mmol·L-1鹽分處理的非光化學(xué)淬滅參數(shù)NPQ較CK均顯著提高。前人對于營養(yǎng)元素脅迫也做了很多研究，如董彩霞等[22]發(fā)現(xiàn)，與正常施氮下水平相比，受到氮素脅迫的小麥幼苗在飽和光強下測定的Fv/ Fm呈顯著下降趨勢，缺氮與對照的差異為極顯著性水平。

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)外對葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在作物生長監(jiān)測的研究更加深入，在水分、溫度、鹽分等脅迫環(huán)境下對葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化的研究也越來越多，已經(jīng)成為研究作物光合作用變化的強大工具，并且也在其他領(lǐng)域迅速拓展。通過觀測作物體內(nèi)所測定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)反映作物光合作用的變化特征，因此常用于監(jiān)測植物作物長勢情況，可以作為體外快速無損害檢驗光合作用的探針。同時葉綠素?zé)晒鈪?shù)也能反映作物內(nèi)在性的特點，現(xiàn)在其在研究作物高產(chǎn)、栽培、篩選優(yōu)良品種、作物儲藏等方面得到廣泛應(yīng)用。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)雖具有很多優(yōu)點，但目前仍存在一定的局限性，如暗適應(yīng)測量、參數(shù)分析較單一等。如，在測量作物葉綠素?zé)晒鈪?shù)需要提前進行遮光處理，暗適應(yīng)這一過程耗費大量時間，很大程度上阻礙了檢測速率，這就使得其在生長監(jiān)測方面的發(fā)展受到影響。且熒光信息的分析方法較少，如何高效利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)提高監(jiān)測作物生長的效率及精度值得考慮。目前，高光光譜技術(shù)建立了較成熟的數(shù)字圖像處理與分析方法，智能化監(jiān)測植株生理變化等，結(jié)合葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化，發(fā)揮其在作物光合作用的優(yōu)勢，進而提供一種更高效準(zhǔn)確的方法。這些問題的突破將有利于其在作物生長的監(jiān)測中的應(yīng)用。