玉米、小麥、油菜對(duì)不同光照強(qiáng)度處理的響應(yīng)

蔡 欣，李曉旭，王 青，張 鑫，馮金鈺，李 靜

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 611130；2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川成都 611230）

光是植物生存和生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一，隨著光照強(qiáng)度的變化，植物能夠在形態(tài)及生理方面產(chǎn)生一系列反應(yīng)，以適應(yīng)光環(huán)境的變化，不同的植物有著不同的適應(yīng)能力[1]。葉綠素屬于一種光合色素，其主要功能是吸收和傳遞光量子，葉綠素的含量可以用于判斷植物光能的利用水平，同時(shí)，葉綠素可以捕捉光能并將光能進(jìn)行轉(zhuǎn)化和重新導(dǎo)向，這一點(diǎn)對(duì)于光合生物至關(guān)重要[2-3]，它影響著植物的生長和農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，并參與了地球碳-氧循環(huán)。研究表明，光照強(qiáng)度調(diào)控著植物的葉綠素合成[4]，光照不足時(shí)，光合同化力受到嚴(yán)重影響，光合碳同化受到限制[5]，同時(shí)，光合作用中關(guān)鍵酶的活化受到影響，最終影響到植物中葉綠素的合成，然而，光照過強(qiáng)，植物會(huì)受到光抑制，同樣也影響植物中葉綠素的合成[6]。植物的生長發(fā)育也會(huì)受到光照時(shí)間的調(diào)節(jié)，如光照時(shí)間會(huì)影響黃瓜中葉綠素的含量[7]。適當(dāng)延長光照時(shí)間有利于提高煙草中葉綠素含量[8]。光照強(qiáng)度和光照時(shí)間對(duì)植物光合作用的影響的研究已有很多，但同時(shí)關(guān)注光強(qiáng)和光照時(shí)間對(duì)不同植物類型葉綠素含量的影響的相關(guān)研究較少。

光合作用生理過程方面，C3 植物和C4 植物強(qiáng)光響應(yīng)上存在一定的差別，C4作物在強(qiáng)光、高溫脅迫條件下，光合效率要遠(yuǎn)高于C3 作物，同為C3 植物的單子葉植物小麥和雙子葉植物油菜在光合響應(yīng)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)上存在差異。最大量子產(chǎn)量（Fv/Fm）主要表現(xiàn)為植物的最大光合活性，有研究表明，光照強(qiáng)度過高，導(dǎo)致植物缺磷從而使原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）顯著降低[9-10]；實(shí)際量子產(chǎn)量（nYII）主要反映為植物的實(shí)際光合效率，其值大小反映了PSII 過程中實(shí)際光化學(xué)反應(yīng)過程中利用的光能和過剩光能的多少；非光化學(xué)淬滅系數(shù)（CNPQ）反映了植物耗散過剩光能為熱能的能力，是植物光保護(hù)能力的重要指標(biāo)之一。那么，葉綠素的含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)在植物種類，光強(qiáng)處理及處理時(shí)間上的不同，是否存在差異，值得進(jìn)一步研究。

我們從單子葉和雙子葉作物，C3 和C4 作物的角度考慮，選擇了油菜、小麥、玉米為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，觀察其在不同光強(qiáng)條件下和不同光強(qiáng)處理時(shí)間上的葉綠素含量及葉綠素?zé)晒馓匦宰兓c差異，以期為進(jìn)一步研究光強(qiáng)對(duì)植物的葉綠素影響提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用玉米（Zea maysL.，CD418），小麥（Triticum aestivumL.，綿陽11 號(hào)），甘藍(lán)型油菜（Brassica napusL.，蓉油16 號(hào)）作為供試材料。玉米為單子葉C4 植物，小麥為單子葉C3 植物，油菜為雙子葉C3植物。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將3種作物中種粒飽滿的種子播種在10 cm×10 cm大小的盆栽中，每種材料18盆，共54盆，每盆播種3顆種子，待發(fā)芽后每盆留下1 株，且植株之間長勢相同的幼苗進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)，每盆植株間保持一定距離，避免相互遮陰；在同一平臺(tái)上生長20 d。20 d 后放置到同一鐵架上，以離光源的遠(yuǎn)近設(shè)計(jì)光照強(qiáng)度梯度，設(shè)置3 種光照強(qiáng)度梯度，光強(qiáng)從大到小分別達(dá)到700、320 和200 μmol·(m-2·s-1)，分別代表高（H）、中（M）、低（L）三種光強(qiáng)，分別于不同光強(qiáng)下處理1 周和2 周后，測定3 種作物的生物量、總碳、葉綠素含量、花青素含量和葉綠素?zé)晒馓匦浴?/p>

1.3 測定方法

1）生物量。各處理組中隨機(jī)挑選3 株植物幼苗，用清水將地下部分清洗干凈，將地上部和地下部分別用冰錫箔袋裝入后放入105°C 烘箱中殺青30 min，將烘箱調(diào)制80°C烘干至恒重。單位為g·株-1。

2）葉綠素含量。將新鮮植物葉片0.2 g，放入試管中，加入乙醇（95%）20 mL，置于暗室中直至葉片綠色全部褪盡，在665 nm和649 nm下測定上清液的吸光度，計(jì)算出葉綠素a(Chl a)和葉綠素b(Chl b)的值，計(jì)算公式：Chla=12.7OD663-2.69OD645；Chlb=22.9OD645-4.86OD663。計(jì)算結(jié)果單位為mg·g-1。

3）葉綠素?zé)晒鈪?shù)。采用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)(Image-PAM)進(jìn)行測定，對(duì)植株進(jìn)行預(yù)處理，置于暗室30 min 后打開測量光測量植物的初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)，關(guān)閉光源后再打開光源測量穩(wěn)態(tài)下的熒光(Fs)和光下最大熒光(Fm′)，再計(jì)算出光化學(xué)猝滅系數(shù)(qp)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)。

4）花青素含量?；ㄇ嗨睾繙y定選用鹽酸甲醇浸提，稱取剪碎均勻葉片100 mg，液氮研磨組織至粉末狀，用300 μL 鹽酸甲醇（1%的濃鹽酸）4 °C 黑暗浸泡過夜。浸提液加200μL ddH2O，再加入500μL氯仿分離出花青素。通過測定吸光度OD530、OD657得到花青素的相對(duì)含量，計(jì)算公式：(A530-A657)/mg(FW)×1 000。計(jì)算結(jié)果單位為μmol·g-1。

5）有機(jī)碳含量。有機(jī)碳含量使用TOC總有機(jī)碳測定儀測定，單位為%。將植物干樣的地上部和地下部分別過100 目（0.149 mm），再將樣品混合均勻，稱取植物樣品10 mg，放入小石英杯中，加入0.5 mL 濃度為0.8%的鹽酸，30 min 后放入烘箱烘干，取出樣品，按照TOC分析儀的操作流程放入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行測定[4]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 19.0 中進(jìn)行，圖表制作采用Origin 8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照條件下植物的生物量積累

由圖1 可知，光強(qiáng)處理1 周后，玉米與小麥的地上部、地下部都表現(xiàn)出相似的趨勢，中等光強(qiáng)和高光強(qiáng)條件下，地上部和地下部的干重都顯著高于低光照條件下，但是這兩種處理之間并沒有明顯區(qū)別；而油菜則有不同的趨勢，具體表現(xiàn)為地上部與地下部的干重會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，但相鄰處理之間，并沒有達(dá)到顯著差異。

圖1 三種作物在不同光照條件下的生物量

不同光強(qiáng)處理2 周后，玉米與小麥干重變化趨勢仍然類似，這兩種植物的地上部干重均在中等光強(qiáng)條件下表現(xiàn)為最高，低光強(qiáng)條件下最低，玉米和小麥的地下部干重趨勢一致，高等光強(qiáng)和中等光強(qiáng)并不影響它們地下部的干重，但都顯著高于低光強(qiáng)條件的干重。油菜在兩個(gè)處理時(shí)間周期的變化是一致的，植物的干重與光照強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，各個(gè)處理間均達(dá)到了顯著水平。

2.2 不同光照條件下植物的有機(jī)碳含量

由圖2可以看出，1周后，高光強(qiáng)下玉米的地上部總碳含量低于其他處理，玉米的地下部總碳含量與光照強(qiáng)度變化呈正相關(guān)關(guān)系。2 周后，高光強(qiáng)和中等光強(qiáng)處理之間，地下部總碳含量沒有區(qū)別，都顯著高于低等光強(qiáng)處理。小麥的地上部總碳含量在高光強(qiáng)處理第1 周，低于其他處理，而小麥在其他不同光強(qiáng)下的總碳含量并沒有顯著差異。1周后，油菜的地上部總碳含量在高光強(qiáng)處理下，表現(xiàn)為最高，其他兩種處理之間沒有顯著差異，光強(qiáng)處理2 周后，油菜的地上部含量在高光強(qiáng)和中等光強(qiáng)之間沒有區(qū)別，都顯著高于低光強(qiáng)條件下，而油菜地下部的變化趨勢與玉米一致。

圖2 三種作物在不同光照條件下的總碳積累

2.3 不同光照條件下植物的花青素含量

由圖3 可以看出，各個(gè)光強(qiáng)處理下，玉米的花青素含量在2周后出現(xiàn)差異，在高光強(qiáng)條件下表現(xiàn)為最高；小麥的花青素變化與玉米相反，光強(qiáng)處理1周后，小麥的花青素含量與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，2周后則無顯著差異；油菜的花青素含量，在光強(qiáng)處理的兩個(gè)時(shí)間，均在高光強(qiáng)處理下表現(xiàn)為最高，光強(qiáng)處理1周后，中等光強(qiáng)和低光強(qiáng)之間無差異，2周后，花青素含量隨著光強(qiáng)的減弱而減少，這也符合高光強(qiáng)條件使得植物合成更多的花青素，以免植株受到高光強(qiáng)的傷害的原理[11-12]。

圖3 三種作物在不同光照條件下的花青素含量

2.4 不同光照條件植物的葉綠素含量及葉綠素?zé)晒馓匦?/h3>

玉米和小麥在不同光強(qiáng)處理下，其葉綠素含量無明顯差異，此外，不同光強(qiáng)處理1 周和2 周，小麥的葉綠素含量無明顯變化，而不同光強(qiáng)處理2 周后的玉米葉綠素含量較處理1 周有顯著增加。對(duì)油菜來說，高光強(qiáng)和中等光強(qiáng)處理1 周的葉綠素含量無顯著差異，都顯著高于低光強(qiáng)處理下的葉綠素含量，但處理2 周后，低光強(qiáng)條件下油菜的葉綠素含量增加明顯，由顯著低于其他兩種光強(qiáng)處理變?yōu)楦哂谄渌麅煞N光強(qiáng)處理（見圖4）。

圖4 三種作物在不同光照條件下的葉綠素含量

光強(qiáng)對(duì)玉米葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響如圖5 所示，兩個(gè)處理時(shí)期，中等光強(qiáng)和低光強(qiáng)下的Fv/Fm，都顯著高于高光強(qiáng)條件下；不同光強(qiáng)處理1 周后，三種光強(qiáng)下的nYII無明顯差異，CNPQ在高光強(qiáng)處理下表現(xiàn)為最低，中等光強(qiáng)條件下最大；2 周后，相鄰處理間的nYII無顯著差異，高光強(qiáng)下的nYII顯著降低，且顯著低于低光強(qiáng)處理，高光強(qiáng)和中等光強(qiáng)下的CNPQ都顯著增加，低光強(qiáng)下的CNPQ顯著降低，且彼此之間差異顯著，這表明中等光強(qiáng)下玉米吸收光能大部分通過熱量的形式耗散來保護(hù)PSII免受過剩光能的破壞。

圖5 不同光照條件下的玉米苗期葉綠素?zé)晒馓卣?/p>

由圖6 可知，光照處理1 周后，小麥的Fv/Fm在高光強(qiáng)條件下表現(xiàn)為最小，中等光強(qiáng)和低光強(qiáng)之間沒有差異；各處理之間nYII有明顯的差異，低光強(qiáng)處理表現(xiàn)為最大，中等光強(qiáng)處理為最??；中等光強(qiáng)下的CNPQ最大，低光強(qiáng)時(shí)最小。2 周后，高光強(qiáng)條件下的Fv/Fm顯著增加，低光強(qiáng)下Fv/Fm顯著下降；各處理之間nYII無顯著性差異，高光強(qiáng)和中等光強(qiáng)處理之間的CNPQ沒有明顯差異，但都顯著大于低光強(qiáng)條件。

圖6 不同光照條件下的小麥苗期葉綠素?zé)晒馓卣?/p>

油菜苗期的葉綠素?zé)晒鈪?shù)如圖7 所示，不同光強(qiáng)處理1 周和2 周后，油菜的Fv/Fm均在中等光強(qiáng)下表現(xiàn)為最高，低光強(qiáng)下最低；nYII與Fv/Fm類似，在中等光強(qiáng)下表現(xiàn)為最高，不同的是，光強(qiáng)處理1 周，高光強(qiáng)與低光強(qiáng)處理之間沒有明顯差異，但是2 周后，低光強(qiáng)處理下的nYII顯著高于高光強(qiáng)處理?xiàng)l件下。光強(qiáng)處理1周后，油菜的CNPQ在高光強(qiáng)處理下表現(xiàn)為最大，2周后，CNPQ隨著光強(qiáng)的減弱而減小。

圖7 不同光照條件下的油菜苗期葉綠素?zé)晒馓卣?/p>

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

光是作物進(jìn)行光合生產(chǎn)的主要能量來源，光照條件的改變可明顯地改變作物的生長環(huán)境，影響植物的光合作用，進(jìn)而影響植物體內(nèi)物質(zhì)的重新分配[13]。研究表明，光照強(qiáng)度的變化，會(huì)影響植物碳水化合物的積累[14]，植物的碳水化合物隨著光照強(qiáng)度的降低而減弱，很少關(guān)注到植物之間的差異，在本研究中，光強(qiáng)變化對(duì)玉米的地上部、小麥的地上部和地下部影響較小，而油菜隨著光強(qiáng)的減弱，植物中的總碳含量減少較明顯。

許多研究表明，光照強(qiáng)度的變化會(huì)影響植物碳水化合物的積累[13]，這與本研究結(jié)果有不同之處，可能是不同的植物有著不同的光合作用特性，所以對(duì)光強(qiáng)有不同的響應(yīng)。中等光強(qiáng)條件下，玉米幼苗的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)CNPQ同時(shí)表現(xiàn)為最佳，這說明，玉米在中等光強(qiáng)處理2 周后，在促進(jìn)植物生長的同時(shí)，不會(huì)因?yàn)楣鈴?qiáng)的變化，影響自身葉綠素的積累，反而使得玉米有較強(qiáng)的最大光合活性，將過剩光能轉(zhuǎn)化為熱能的能力[15-16]；高光強(qiáng)下，玉米的（Fv/Fm）表現(xiàn)為最低，可能是在高光強(qiáng)條件下，玉米的自身調(diào)節(jié)機(jī)制未達(dá)平衡狀態(tài)或有所損傷，導(dǎo)致其最大量子產(chǎn)量明顯低于其他兩種條件。

小麥和玉米同為單子葉植物，兩種植物的生物量變化相似，在光照強(qiáng)度增加到700 μmol·(m-2·s-1)和320 μmol·(m-2·s-1)時(shí)，生物量都要顯著高于200μmol·(m-2·s-1)條件下，葉綠素含量均沒有因?yàn)楣鈴?qiáng)的變化而變化。但是，C3植物的小麥的葉綠素?zé)晒馓匦耘cC4 植物玉米不同，C3 植物小麥幼苗的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）在光強(qiáng)處理第1 周，光強(qiáng)為320μmol·(m-2·s-1)時(shí)表現(xiàn)為最佳，當(dāng)光強(qiáng)進(jìn)一步增加，達(dá)到700μmol·(m-2·s-1)，小麥幼苗的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）卻顯著降低，可能是高光強(qiáng)下小麥幼苗出現(xiàn)了一定程度的光抑制，而C4植物玉米的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）在兩個(gè)處理周期變化一致，均在320 μmol·(m-2·s-1)和700 μmol·(m-2·s-1)時(shí)，變現(xiàn)為最佳，且之間沒有差異。

油菜與小麥同為C3 植物，雙子葉植物油菜幼苗的生物量在光強(qiáng)處理第1 周和第2 周時(shí)，均隨光強(qiáng)的減弱而減少，其地上部和地下部的總碳含量均在200μmol (m-2·s-1)條件下表現(xiàn)為最低，其花青素含量在700 μmol·(m-2·s-1)光強(qiáng)處理第1 周時(shí)積累最多，這可能是因?yàn)楦吖鈴?qiáng)條件下，花青素可以保護(hù)植物免受紫外線及光抑制的傷害[9-10]，葉綠素含量卻在320μmol·(m-2·s-1)光強(qiáng)處理下積累最多，這都與單子葉植物小麥有著不同的趨勢，也說明在光強(qiáng)達(dá)到700 μmol·(m-2·s-1)時(shí)，油菜幼苗會(huì)感應(yīng)植株可能會(huì)受到傷害，從而合成較多的花青素，保護(hù)植物免受紫外線傷害，但是當(dāng)光強(qiáng)為320μmol·(m-2·s-1)時(shí)，油菜幼苗不僅不會(huì)受到傷害，反而增加了生物量和葉綠素的積累；持續(xù)光強(qiáng)處理后，低光強(qiáng)下的葉綠素含量從第1 周處理時(shí)的最小變成了第2 周處理時(shí)的最大，這說明，增大光照強(qiáng)度會(huì)短暫增加油菜葉綠素含量的積累，長期增加光強(qiáng)會(huì)減少油菜中葉綠素含量的積累，同時(shí)，使得花青素含量增加。油菜的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)CNPQ與玉米相似，均在兩個(gè)處理時(shí)間的中等光強(qiáng)條件下，表現(xiàn)出較強(qiáng)的最大光合活性，和將過剩光能轉(zhuǎn)化為熱能的能力。

玉米和小麥同為單子葉植物，在應(yīng)對(duì)光強(qiáng)變化時(shí)，其生物量與葉綠素變化有著相似的趨勢，但是C3植物小麥和C4植物玉米的葉綠素?zé)晒鈪?shù)卻有些許不同，這種差別可能與C4植物中存在中環(huán)式與假環(huán)式磷酸化轉(zhuǎn)運(yùn)情況有關(guān)[17]。小麥與油菜同為C3植物，但是這兩種植物的葉綠素及葉綠素?zé)晒馓匦詤s有著不同的變化趨勢，這可能與小麥?zhǔn)菃巫尤~植物，而油菜是雙子葉植物有關(guān)[18-20]。

3.2 結(jié)論

葉綠素的減少和光化學(xué)耗散造成了光合機(jī)制的破壞[21]，花青素積累是保護(hù)植物免受紫外線及光抑制的傷害的典型特征。在本研究條件下，三種植物的葉綠素含量與花青素含量大致呈現(xiàn)相反的趨勢，植物的最大光合活性會(huì)隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)而增加，但是這種增加有一定的界限[22]，值得注意的是，玉米、小麥、油菜有不同的界限，同為雙子葉植物的玉米和小麥，C4植物玉米對(duì)光強(qiáng)的敏感度小于C3 植物小麥；同為C3 植物的小麥與油菜，單子葉植物小麥對(duì)光強(qiáng)的敏感度小于雙子葉植物油菜。葉綠素?zé)晒馐侵参锕夂献饔媚芰哭D(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)，也有研究表明，光強(qiáng)會(huì)影響植物磷素的吸收[23-24]，磷作為必需營養(yǎng)元素，對(duì)植物生長發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，不同植物對(duì)缺磷的敏感度不同，油菜是典型的缺磷植物，這可能解釋了油菜對(duì)于光的敏感性與玉米和小麥大有不同的原因，但光強(qiáng)是否通過影響植物磷素吸收，下一步，我們將從植物分子學(xué)角度探討光照是否通過影響磷吸收從而對(duì)植物的生理產(chǎn)生影響。