不同種源地木欖光合作用對低溫寒害的響應(yīng)

吳中華 趙昊陽 曾思潔 朱俊杰

關(guān)鍵詞：紅樹植物；葉綠素?zé)晒馓匦?；光合氣體交換特性；低溫脅迫；同質(zhì)園

溫度是限制植物分布和生長發(fā)育的主要環(huán)境因子之一。雖然全球變暖是大趨勢，但近年極端高、低溫頻發(fā)，一次短時(shí)極限低溫即致一些喜溫植物死亡。溫度低于14℃時(shí)，熱起源喜溫植物易遭受寒害影響，8～12℃是其寒害臨界低溫。光合作用是植物物質(zhì)和能量生產(chǎn)的主要來源，因此，光合低溫響應(yīng)和適應(yīng)的生理生態(tài)機(jī)制一直是植物寒害研究中的核心問題。熱起源的C4植物普遍比中溫的C3植物更易受寒害危害。喜溫植物光合作用的光能轉(zhuǎn)化分配、電子傳遞、光合磷酸化及碳同化進(jìn)程各環(huán)節(jié)均易受寒害脅迫。

紅樹林植物是生長在亞熱帶、熱帶河流人海口或海岸潮間帶的木本植物群落。低溫對紅樹植物光合作用的影響已有零星報(bào)道。如低溫降低紅樹植物秋茄和白骨壤葉片光系統(tǒng)反應(yīng)中心的活性和電子傳遞速率，降低秋茄葉片光合氣體交換能力。雖然紅樹植物主要分布在熱帶和亞熱帶的熱區(qū)，但緯向范圍跨度大，從北半球的日本九州本島海岸（31°34'N）至南半球的澳大利亞Westonport海灣（38°45' S），間斷分布著不同種類的紅樹植物。本研究假設(shè)不同緯度地區(qū)的紅樹植物遭受寒害時(shí)，它們光合作用受害程度與種源地溫度條件密切關(guān)聯(lián)，種源地最冷月溫度越低，其幼苗適應(yīng)低溫的能力越強(qiáng)，受寒害程度越低。為驗(yàn)證該假設(shè)，以典型的廣布種紅樹科植物木欖（Bruguiera gymnorrhiza （L.） Savigny）為材料，分別從日本沖繩、深圳福田、福建云霄3地收集其成熟果實(shí)，在我國典型亞熱帶地區(qū)同質(zhì)園（廣西大學(xué)校園內(nèi)）培養(yǎng)成苗，監(jiān)測比較它們在寒害低溫脅迫前后的光合作用光反應(yīng)和碳反應(yīng)特性的差別。研究結(jié)果將為喜溫植物光合低溫寒害生理生態(tài)研究提供新資料，同時(shí)為紅樹植物的生態(tài)保育、生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)規(guī)劃提供理論參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

于201 6年6-9月，從日本沖繩（26°39'19.3"N．128°00'39.0"E）、深圳福田（22°31'29.0¨N，114°00'34.4¨E）、福建云霄（23°51'32.3¨N，117°30'23.1¨E）3地收集木欖成熟果實(shí)，經(jīng)消毒后播種于半徑約為10cm、高約30 cm的聚乙烯塑料袋中（表1）。每袋裝3kg干燥的天然紅樹林淤泥，播種子1粒，出苗后培養(yǎng)于廣西大學(xué)林學(xué)院溫室大棚內(nèi)（同質(zhì)園）（22°50'44"N，108°17'20"E）。樹苗培育期間，每周澆施1次0.5moI.L-1 Hoagland's的培養(yǎng)液和0.2moI.L-1的NaCI溶液，每天定時(shí)頂噴適量淡水，使袋子內(nèi)土壤始終保持濕潤。

1.2材料處理

于2022年3月，選取生長旺盛、長勢均勻的3類木欖苗各3株，從溫室大棚移至室外處理3d，于第4天測定葉綠素?zé)晒馓匦院凸夂蠚怏w交換特性。然后將這些樹苗移人多級智能編程光照培養(yǎng)箱（寧波江南儀器廠）培養(yǎng)15d。箱內(nèi)溫度條件設(shè)置為20℃／20℃（晝／夜）；光強(qiáng)為200pmol.m-2.s-1，光周期為12h／12h（晝／夜），相對濕度保持在60%左右。第16天將溫度從20℃/20℃逐漸降至10℃/10℃于此溫度下進(jìn)行低溫處理。低溫處理期的第4天，再次測定葉綠素?zé)晒馓匦院凸夂蠚怏w交換特性。

1.3實(shí)驗(yàn)指標(biāo)測定

1.3.1葉綠素?zé)晒馓匦缘臏y定選取植株枝頂?shù)箶?shù)第2葉，用Dual-PAM-100測量系統(tǒng)（Walz，德國）于凌晨5：00測定受暗適應(yīng)處理葉的光系統(tǒng)Ⅱ（ PSⅡ）最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm）和光系統(tǒng)I（PSI）最大光能轉(zhuǎn)換效率（Pm）。上午7：00用1000Umol.m-2.s-1光化光測定經(jīng)30min暗適應(yīng)的葉片熒光動(dòng)力學(xué)曲線，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后記錄PSI有效光化學(xué)量子產(chǎn)額（YC））、PSI供體側(cè)限制、PSI受體傾0限制（Y（NA））、PSII有效光化學(xué)量子產(chǎn)額、調(diào)節(jié)性能量耗散（Y（NPQ））和非調(diào)節(jié)性能量耗散（Y（NO））等參數(shù)。

1.3.2光合氣體交換特性的測定測完葉綠素?zé)晒馓匦缘娜~片立即使用LI-6800光合系統(tǒng)儀（Li-Cor，美國）測定光合氣體交換參數(shù)。測定條件中流速為500Umol-m-2.s-1，用小鋼瓶控制C02濃度為400 pmol.mol-1，設(shè)置相對濕度為60%，葉室溫度為10℃。先在1500Umol·m-2.s-1光強(qiáng)下誘導(dǎo)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后記錄凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間C02濃度、葉外G02濃度（Co）等指標(biāo)參數(shù)。計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率（WUE）、內(nèi)稟水分利用效率（WUEi）（WUEi=Pn/Gs）和氣孔限制值（ LS=1-CilCo）。

1.4統(tǒng)計(jì)分析

使用Microsoft Excel 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。使用SPSS 26.0軟件判斷數(shù)據(jù)屬于正態(tài)分布，滿足方差齊次要求，在此基礎(chǔ)上作溫度、種源地雙因素的方差分析和多重比較，用Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P<0.05），采用皮爾森法作相關(guān)性分析。采用Origin 2021作圖。

2結(jié)果與分析

2.1低溫對不同種源地木欖光反應(yīng)特性的影響

2.1.1低溫對木欖植物光系統(tǒng)活性的影響和常溫對照相比，低溫處理后3類木欖（福田（FT）、沖繩（UR）、云霄（YX））Fv/Fm值分別降低了39.04%、25.69%、22.83%，其中，F(xiàn)T的Fv/Fm值降幅最大（圖1A）；YX的Fo顯著下降，其他2類無顯著差異（圖1B）；FT、UR、YX的Pm值分別降低了21.80%、20.19%、42.84%，但無顯著變化（圖1C）。

2.1.2光能能量分配圖2表明：經(jīng)低溫后，3類木欖的Y（NO）占比均有升高；FT的Y（H）占比升高，而其他2類木欖的均降低；YX的Y（NPQ）占比升高，而其他2類木欖的Y（NPQ）均降低。3類木欖的Y（/）占比均降低；FT的Y（ND）占比降低，其他2類木欖的Y（ND）均升高；FT的Y（NA）占比升高，其他2類木欖的Y（NA）均降低。

2.2低溫對不同種源地木欖碳反應(yīng)特性的影響

2.2.1凈光合速率（Pn）常溫下UR的Pn值最高，為3.784Umol.m-2.s-1。經(jīng)低溫后，F(xiàn)T、UR、YX的P值分別下降了92.12%、97.50%、86.44%（圖3A）。

2.2.2氣孔導(dǎo)度（Gs）Gs的表現(xiàn)和Pn類似，常溫中UR的Gs值（0.0454mol.m-2-s-1）顯著高于其它2類木欖。經(jīng)低溫處理后，F(xiàn)T、UR、YX的Gs值分別降低了83.12%、95.17%、75.02%（圖3B）。

2.2.3蒸騰速率常溫下3類木欖的顯著差異，經(jīng)低溫后，F(xiàn)T、U R、YX值分別降低了79.99%、94.16%、83.89%，其中，UR值低至0.041 mmol.m-2.s-1，氣孔蒸騰近乎停止（圖3C）。

2.2.4胞間C02濃度（Ci）常溫時(shí)，3類木欖的Ci值無顯著差異。經(jīng)低溫后Ci均顯著上升，F(xiàn)T、UR、YX 分別上升60.97%、24.1%、48.62%（圖3D）。

2.2.5氣孔限制值（/S）常溫下3類木欖的LS值無顯著差異，經(jīng)低溫后，F(xiàn)T、UR、YX的LS分別顯著降低63.55%、41.88%、42.45%（圖4A）。

2.2.6水分利用效率常溫下3類木欖的瞬時(shí)水分利用效率（WUE）無顯著差異；經(jīng)低溫后，F(xiàn)T和UR的WUE分別降低了68.23%、59.38%，而YX降幅較?。▓D4B）；內(nèi)稟水分利用效率（WUEi）變化趨勢和WUE相似，經(jīng)低溫后，F(xiàn)T、UR的WUEi分別顯著降低了62.54%、49.06%，而YX無顯著變化（圖4C）。

2.3低溫前后葉片光合指標(biāo)間的相關(guān)性

圖5表明：經(jīng)低溫后，3類木欖的Fv/Fm和Pm間呈顯著正相關(guān)；Ci與Pn、Gs、Tr間呈顯著負(fù)相關(guān)；Pn與Fv/Fm、Gs與Fv/Fm及Tr與Fv/Fm間呈顯著正相關(guān)，Ci與Fv/Fm、Pm間呈顯著負(fù)相關(guān)。

2.4種源地溫度指標(biāo)與葉片光合指標(biāo)間的相關(guān)性

圖6A表明：最冷月平均溫度分別與3類木欖的Pn呈顯著負(fù)相關(guān)；圖6B表明：最熱月平均溫度與最冷月平均溫度差值與木欖的Pn差值呈顯著負(fù)相關(guān)。

3討論

3.1不同種源地木欖光合作用對寒害均高敏感

本研究發(fā)現(xiàn)，即使只遭受到短時(shí)寒害沖擊，3類木欖凌晨Pm值降低，F(xiàn)v/Fm值和上午Pn值顯著降低，表現(xiàn)出明顯的低溫光抑制（圖1、3）。葉綠素?zé)晒馓匦酝ǔＷ鳛橹参镞M(jìn)行光合作用生理過程的內(nèi)在探頭，可以快速反映植物對低溫的響應(yīng)。有研究認(rèn)為，F(xiàn)v/Fm不僅能夠反映出植物的潛在光合能力，還是體現(xiàn)植物遭外界脅迫程度的可靠指標(biāo)，本研究結(jié)果支持這一觀點(diǎn)。綜合2個(gè)光系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果，短時(shí)低溫對3類木欖的光合機(jī)構(gòu)有沖擊，但沒有形成毀滅性傷害，尤其是PSI低溫前后始終維持相對穩(wěn)定。Tjus等研究發(fā)現(xiàn)，在4℃溫度條件下，PSII的主要電子受體極度變少，電子從PSII轉(zhuǎn)移到PSI過程受阻，產(chǎn)生對PSII的光抑制作用，可視為保護(hù)PSI中心避免遭受光損傷的機(jī)理機(jī)制。郭菊蘭等研究表明，嚴(yán)酷低溫對紅樹植物秋茄幼苗葉片的光合機(jī)構(gòu)造成較嚴(yán)重的損傷，可能是因?yàn)槲挥赑SII反應(yīng)中心的Di蛋白受損，從而導(dǎo)致其在低溫環(huán)境條件下的修復(fù)被限制，Di蛋白的降解途徑受到阻礙，從而導(dǎo)致新Di蛋白的合成被阻止。本研究進(jìn)一步比較不同種源地木欖光合作用對低溫的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)木欖遭受短時(shí)低溫沖擊后，其碳同化能力與種源地最冷月平均溫及最熱月平均溫和最冷月平均溫的差值線性相關(guān)（圖6），顯然，紅樹植物的光合機(jī)構(gòu)受害程度與低溫的脅迫程度有關(guān)，且直接受種源地溫度條件的影響，該研究結(jié)果支持前文的假設(shè)。由于研究地點(diǎn)較少，該假說是否適合所有地點(diǎn)的紅樹植物有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2不同種源地木欖光合作用響應(yīng)寒害的策略及差異

3.2.1光反應(yīng)階段光能分配利用策略及差異本研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)Kramer等研究模型，經(jīng)寒害處理后3類木欖PSI通過光化學(xué)途徑耗能比例均下降，而UR、YX通過熱耗散耗能的比例則增加（圖2），表明低溫通過影響光系統(tǒng)活性改變了光能的分配。低溫作用下，木欖葉片吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)占比降低的直接后果是易在光系統(tǒng)內(nèi)形成過剩光能。熱耗散途徑?jīng)]能消耗掉所有過剩光能，葉綠體內(nèi)存留的過剩光能引發(fā)了低溫光抑制，表現(xiàn)為凌晨Pm的降低（圖1）。需要注意的是，F(xiàn)T葉片的Y（NA）較常溫增加了2倍，UR和YX葉片的則只下降了1倍，顯然FT的PSI受害最重。這些研究結(jié)果還表明，3類木欖PSII反應(yīng)中心對低溫的敏感度有差異，對能量的微調(diào)也有不同，造成這種結(jié)果的原因究竟是結(jié)構(gòu)的差異，如PSII捕光蛋白或中心蛋白構(gòu)象和組成的變化，還是生理代謝活動(dòng)因素，如葉黃素循環(huán)、光呼吸耗散光能等的差異引起，尚需進(jìn)一步研究。

經(jīng)寒害處理后，3類木欖PSII均表現(xiàn)出明顯的低溫光抑制，但PSII的光能分配則較PSI相對更復(fù)雜。FT葉片的Y占比經(jīng)寒害處理后不降反升，表現(xiàn)出相對較強(qiáng)的抗寒能力，YX葉片的Y比例則大幅下降，主要通過增加Y（NO）的占比維持能量平衡，顯然不同于PSI的表現(xiàn)。有觀點(diǎn)認(rèn)為，PSI較PSII更穩(wěn)定，可能原因是，從光合機(jī)構(gòu)電子傳遞體的排布看，PSII在前，而PSI在后，PSII對PSI有保護(hù)作用；PSII破壞后易修復(fù)，而PSI破壞后則難修復(fù)。這些結(jié)果表明，木欖光系統(tǒng)可以通過多種機(jī)制靈活應(yīng)對寒害脅迫。

3.2.2碳反應(yīng)階段的策略及差異本研究結(jié)果顯示，3類木欖經(jīng)寒害后碳同化能力均顯著下降（圖3、4）。逆境脅迫下，植物光合葉片碳同化下降既有氣孔因素，也有非氣孔因素的影響。依據(jù)Farquhar等研究理論，當(dāng)植物的Pn、Gs值下降，而Ci值升高時(shí)，碳同化速率下降主要受非氣孔因素的影響，相反則是氣孔因素起主導(dǎo)作用。本研究中，寒害條件下3類木欖葉片碳同化速率的下降均是非氣孔因素起主導(dǎo)作用。有報(bào)道指出，低溫環(huán)境條件下，碳同化速率的非氣孔限制主要是由RuBP活性下降或者RuBP合成速率降低所致，Rubisco活性減弱，導(dǎo)致C02與RuBP的結(jié)合被限制，進(jìn)而對光合作用產(chǎn)生影響。此外，非氣孔限制條件下，ATP合酶活性也會(huì)減弱，通過光合磷酸化合成ATP的途徑受阻，反饋限制細(xì)胞固定C02，從而導(dǎo)致C02在細(xì)胞間積累。

寒害處理后，隨著Pn值的降低，3類木欖葉片的Gs、Tr值也直線下降，進(jìn)一步影響葉片的水分利用效率（圖3）。水分利用效率是衡量植物應(yīng)對逆境脅迫能力的重要生理生態(tài)指標(biāo)。本研究中，經(jīng)寒害低溫處理后，F(xiàn)T和UR水分利用效率顯著下降，而YX的表現(xiàn)相對穩(wěn)定，這主要與其Pr7值和Tr值的降幅較小有關(guān)，該結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了YX光合作用有相對較強(qiáng)的耐低溫寒害脅迫能力。Lin等研究結(jié)果表明，低溫脅迫期間，白骨壤幼苗的Pn和Gs間存在顯著正相關(guān)。有研究指出，低溫脅迫進(jìn)程中，Pn與Gs的同步變化，有助于植物葉肉細(xì)胞以相同的方式保持細(xì)胞氣孔導(dǎo)度、葉肉細(xì)胞導(dǎo)度，用以維持相對穩(wěn)定的葉肉細(xì)胞間水分和C02分壓，進(jìn)而維持相對穩(wěn)定的水分利用效率。

3.2.3光、碳反應(yīng)的可能內(nèi)在聯(lián)系機(jī)制綜合分析3類木欖的光、碳反應(yīng)參數(shù)，二者間相關(guān)性明顯（圖5）。植物葉綠體中葉綠素分子吸收的光能通過ETR途徑以ATP和NADPH方式儲(chǔ)藏，這二者隨后用于C02的同化過程。在低溫寒害脅迫下，木欖的PSII反應(yīng)中心受到光抑制或者光損傷時(shí)，葉綠體內(nèi)光化學(xué)反應(yīng)速率下降，電子傳遞受到受阻或改變方式，使得ATP和NADPH的轉(zhuǎn)化效率降低，無法為碳同化提供充足的同化力，進(jìn)一步使得C02的同化效率下降；另一方面，低溫脅迫下，非氣孔因素進(jìn)一步削弱碳同化活性，助長了碳同化效率的下降，而碳同化效率的大幅下降反饋到葉綠體光合反應(yīng)中心，引發(fā)對ATP和NADPH需求量降低，最終導(dǎo)致光反應(yīng)能力的下降。

4結(jié)論

本研究認(rèn)為，3類木欖光合作用的光、碳反應(yīng)階段均對低溫敏感?？傮w看，三者光反應(yīng)階段的差異較碳反應(yīng)階段更明顯，尤其PSII響應(yīng)策略表現(xiàn)更多樣。FT葉片PSI較其他二者受寒更明顯，而YX葉片PSII受寒害相對較重。非氣孔因素是低溫限制3類木欖碳反應(yīng)的主要方式，綜合碳、水調(diào)節(jié)結(jié)果，YX碳反應(yīng)受低溫沖擊最小，這與其種源地的氣溫條件密切關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果為喜溫植物的光合低溫響應(yīng)、適應(yīng)生理生態(tài)機(jī)制研究增加了新資料，為紅樹植物生態(tài)修復(fù)和國家紅樹生境建設(shè)提供了理論參考。