作者简介:侯维(1982—),女,四川彭州人,硕士,讲师,从事观赏植物景观应用等研究。E-mail:camellia1216@126.com
以盆栽3年生月季苗为试材,采用人工遮荫方法研究不同程度遮荫(100%、72%和26%自然光强)对叶片PSⅡ活性和抗氧化系统的影响。结果表明,随着光强的减弱,月季净光合速率( Pn)、气孔导度( Gs)、蒸腾速率( Tr)和胞间CO2浓度( Ci)降低,而气孔限制值( Ls)升高。叶绿素荧光参数 Fv /Fm日变化呈单谷曲线,非光化学猝灭系数( NPQ)随光强增加具有升高的趋势。类胡萝卜素(Cars)、类胡萝卜素/叶绿素(Car/Chl)和超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性随光强增加而升高,叶绿素(Chl)含量和瞬时光能利用效率( LUE)降低。研究发现,夏季晴天高温强光下,月季叶片PSⅡ反应中心发生了可逆失活,PSⅡ功能下调,光合作用的光抑制明显发生;适度遮荫(72%光强)可减轻光抑制,改善光合功能以增加光合产物积累;过度遮荫(26%光强),月季叶片PSⅡ反应中心受到严重伤害,发生了长期光抑制,月季生长受到抑制。
Potted 3 years old seedlings of Rosa hybrida were grown in 26%, 72% and 100% natural light intensity, and the effects of light intensity on photosystem Ⅱ activity and antioxidant system of R. hybrida were studied. It had been found that with the decreasing light intensity, the gas exchange parameters such as net photosynthesis rate ( Pn), stomatal conduction ( Gs), transpiration rate ( Tr) and intercellular CO2 concentration ( Ci) all decreased, while the stomatal limitation value ( Ls) increased. The maximum efficiency of PSⅡ photochemistry ( Fv/ Fm) was demonstrated single peak, while fluorescent non-photochemical quenching ( NPQ) increased. Carotenoids (Cars) content, ratio of carotenoid to total chlorophyll (Car/Chl) and activities of antioxidant enzymes such as SOD, CAT and APX increased with increasing light intensitiy, while the chlorophyll (Chl) content and light use efficiency ( LUE) decreased. There was no photoinhibition in 72% natural light intensity of R. hybrida. While in 100% natural light intensity, its photoinhibition was mainly caused by reversible deactivation of PSⅡ reaction center. In 26% natural light intensity, the reaction center of PSⅡ was seriously destroyed, and this had an photoinhibition, the growth of R. hybrida was also inhibited.
光是植物光合作用的能量来源, 但光能过剩会引起光系统Ⅱ (PSⅡ )产生光抑制, 严重时还会导致光合系统的光氧化损伤[1, 2]。即使在没有其他胁迫因素存在的自然条件下, 植物的光抑制也会经常发生[3, 4]。光在引起植物光抑制的同时, 还会刺激植物体内活性氧的大量产生, 而不同类型的活性氧又与光抑制的发生明显相关[5]。研究表明, 植物体内存在多种保护机制来适应光强的变化[6]。当光能过剩时, 植物能够启动叶黄素循环来促进非光化学猝灭(NPQ)耗散光能[1], 同时通过降低光合色素含量等来减少叶片对光能的吸收, 保护光合系统。当植物处于弱光环境中时, 比叶质量的减小可以增加叶片同化组织对疏导组织和结构组织的相对比例, 这样植株就可以将有限的同化产物用于增加叶面积, 以保证最大限度地捕获光能从而进行正常的光合作用[7]。此外, 植物还可通过酶促和非酶促抗氧化系统来清除体内产生的过剩活性氧, 从而减轻光抑制或避免光氧化伤害[8]。
月季(Rosa hybrida L.)是城市园林绿化中广泛应用的重要观赏植物, 也是世界四大切花之一。月季在夏季高温强光下叶片常出现萎蔫、卷曲枯焦等现象, 影响有机物的积累, 进而影响月季的壮苗形成和成花质量。而切花月季在生产中多采用大棚和温室等设施栽培, 高温强光是目前影响设施生产的主要逆境因素[9, 10]。李树发等[11]研究表明, 高温、强光会使切花月季叶片光合速率下降, 影响月季光合产物的积累, 进而影响月季枝条发育以及切花产量和质量。目前, 关于月季光合生理特性及与环境关系方面的研究已见报道[12], 但有关月季叶片光抑制及光合反应中心的伤害机制尚未见报道。郑国生等[13]提出, 夏季遮荫能有效减轻牡丹光抑制和光合“ 午休” 程度, 改善光合功能, 以增加光合产物积累。Krause等[14]也指出, 遮荫能明显提高红豆木中午PSⅡ 最大光化学效率(Fv/Fm)并启动叶黄素循环来缓解光抑制。本研究以月季为试材, 对夏季不同遮荫处理下月季叶片PSⅡ 光化学活性、抗氧化酶和膜脂过氧化等进行研究, 旨在探讨月季在夏季高温强光下光合反应中心的变化规律, 是否存在或发生了光抑制, 以及夏季遮荫减轻或克服光抑制的机理, 为改进月季田间和保护地栽培技术提供理论依据。
以健康、长势一致的3年生月季冰山盆栽苗为试材, 种植于直径30 cm、高25 cm的花盆中, 基质为田园土与营养土以1:3混合而成, 每盆1株, 常规管理。
2012年3月待植株长至30 cm高时, 用市售黑色遮阳网进行不同程度的遮荫处理, 11月拆除遮荫网。试验采用单因素完全随机试验设计:全自然光照(100%, LT1)和2个搭建的不同层数黑色遮阳网控制光照强度的荫棚, 经测定, 2个荫棚的光合光量子通量密度(photosynthetic photon fluxdensity, PPFD)分别占全光照的72%(LT2)和26%(LT3), 共3个处理。每个处理包括3个生物学重复, 每个重复5株, 不同处理间距3 m, 避免交叉遮光。
1.3.1 气体交换参数的测定
气体交换速率测定采用Li-6400便携式光合测定仪(Li-Cor, USA)。每个处理随机选择5株植物, 每株植物选取中上部3片生长基本一致的完好成熟功能叶为测定对象。2012年8月选择晴朗天气, 于上午9:00— 11:00进行测定。测定时叶面温度控制在25 ℃, 光照强度1 500 μ mol· m-2· s-1, 相对湿度50%左右, CO2浓度400 μ mol· mol-1。获取的主要参数有叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci), 并据此计算气孔限制值(Ls)和瞬时光能利用效率(light use efficiency, LUE)。
1.3.2 叶绿素荧光参数的测定
选择测定光合速率的叶片用于叶绿素荧光参数日变化测定。采用便携式调制叶绿素荧光仪PAM-2500(Walz, Germany)在8:00— 18:00每隔2 h测定1次同一叶片的叶绿素荧光参数, 测定前叶片至少暗适应30 min。获取的主要参数有PSⅡ 最大光化学效率(Fv/Fm)和非光化学猝灭系数(NPQ)日变化。
1.3.3 光合色素含量的测定
选择测定光合速率的叶片用于色素含量的测定。色素测定采用乙醇:丙酮(1:1, V/V)的混合液浸提[15], 在分光光度计中读取663、645和470 nm的吸光值, 所有测定重复3次, 按Lichtenthaler公式计算叶绿素(Chl)、类胡萝卜素(Cars)含量。
1.3.4 生理指标的测定
选择测定光合速率的叶片用于生理指标的测定。H2O2含量测定采用分光光度法[16], MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法[17], SOD活性测定采用NBT法[18], CAT活性测定用紫外吸收法[19], APX活性参照Nakano等[20]的方法。酶活性采用比活力表示, 每个处理3次重复, 取平均值。
使用SPSS 13.0软件对以上各生理生化指标进行一元方差分析(ANOVA)和Pearson相关分析; 最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的显著性差异(P< 0.05); Origin 8.0软件绘制相关图表。
由表1可知, 不同光环境对月季叶片的气体交换参数和LUE影响较大。Pn和Gs变化趋势一致, 二者在72%全光照处理(LT2)下最高, 分别为8.52 μ mol· m-2· s-1和0.198 mmol· m-2· s-1, 其中, 3个处理的Pn差异均显著(P< 0.05), LT1和LT2处理的Gs差异不显著, 但均显著高于LT3处理(P< 0.05)。随光强的降低, Tr和Ci逐渐降低, 而Ls逐渐升高。LT1处理月季叶片Tr、Ci、Ls与LT2处理差异不显著, 但与LT3处理差异显著(P< 0.05)。LUE随光照强度的减弱逐渐增加, 且3个处理间差异显著(P< 0.05)。相关性分析表明, 月季叶片的气体交换速率和LUE达到了显著相关(表2)。进一步分析表明, Pn与Gs、Tr和Ci之间呈极显著正相关(P< 0.01), 而与Ls呈极显著负相关(P< 0.01)。LUE与Pn、Tr和Ci均达到了极显著负相关(P< 0.01), 与Ls呈极显著正相关(P< 0.01)。
| 表1 不同光环境下月季叶片的气体交换参数和瞬时光能利用效率 Table 1 Gas exchange parameters and light use efficiency in leaves of Rosa hybrida under different light treatments |
| 表2 月季叶片气体交换参数和瞬时光能利用效率的相关性系数 Table 2 Correlation coefficients among gas exchange parameters and LUE in leaves of Rosa hybrida |
由图1可知, 不同光环境下, 月季Fv/Fm日变化呈单谷曲线, 即1天中早上Fv/Fm最高, 随着光照强度的升高, Fv/Fm降低, 下午逐渐回升, 18:00时基本能恢复到早上的水平。12:00光强最高时, 3个光照强度下的月季Fv/Fm均下降到最低, 说明存在光抑制现象, LT2处理的月季叶片Fv/Fm高于LT1和LT3处理。不同光强下的月季NPQ日变化在上午随日间光照强度的增大而增大, 达到最高点后逐渐降低, 但LT3处理下的月季叶片NPQ增加不明显(图1), 表明强光下(LT1)生长的月季叶片热耗散高于弱光(LT2和LT3)。
由图2可知, 随着光照强度的降低, 月季叶片叶绿素含量增加, 而类胡萝卜素含量逐渐减少。叶绿素含量在不同光强处理下差异显著; 而类胡萝卜素含量变化不大, LT3处理分别比LT1和LT2降低了32.1%和23.4%。Car/Chl比值随着光照强度的降低而逐渐减小, 且不同光强处理间差异显著(P< 0.05)。说明强光下月季叶片叶绿素含量降低, 而Car/Chl比值升高, 这有利于叶片减少对过剩光能的吸收。
由表3可知, 不同光环境下月季叶片H2O2含量变化明显, 强光下(LT1)H2O2含量最高, 与弱光处理(LT2和LT3)差异显著(P< 0.05), 而LT2和LT3处理间差异不显著。MDA含量变化不大。光强对月季叶片抗氧化酶活性影响较大, 随着光照强度的增加, 月季叶片SOD、CAT和APX活性逐渐升高, 且3个处理间差异显著(P< 0.05)。
| 表3 不同光强下月季叶片H2O2、MDA含量和抗氧化酶活性 Table 3 Contents of H2O2 and MDA and antioxidant enzyme activities in leaves of Rosa hybrida under different light treatments |
植物的光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度和瞬时光能利用效率之间, 以及它们和外界环境因子如光照强度、温度和湿度之间的关系非常复杂[21, 22]。若光照过弱, 植物光合作用降低, 光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度减小, 光合产物积累较少, 影响植株的生长[23]; 若光照过强, 叶片吸收的光能不能及时有效地被利用和耗散掉时, 植物光合功能降低, 出现光抑制甚至光氧化, 从而破坏光合系统[2]。在低光照条件下, 月季叶片瞬时光能利用效率高于自然光处理(表1), 表明在弱光条件下月季利用弱光能力较强, 有利于光合产物的积累, 从而适应弱光环境。研究中随着光强的降低, 月季的Pn、Gs、Tr和Ci逐渐降低, 而Ls则逐渐升高, 与蔡仕珍等[24]的研究结果一致。刘柿良等[25]研究表明, 植物净光合速率下降的原因可分为气孔限制和非气孔限制因素。根据Farquhar等[26]的观点, 如果Pn和Ci变化方向相同且减少而Ls增大时, 可以认为光合速率下降的主要原因是由于气孔导度的降低; 如果Pn和Ci变化方向相反而Ls减小, 可认为光合速率变化的决定因素是叶肉细胞的光合活性[27]。本研究表明, Pn与Ci变化呈显著正相关, 而与Ls呈极显著负相关, 表明不同光环境下月季叶片净光合速率降低的主要原因是由气孔导度引起的。同时, 本研究还发现Pn与Tr呈极显著正相关(表2), 这可能是因为强光往往伴随着高温而引起叶面温度上升、空气湿度下降, 植物通过关闭气孔来适应光强和温度的改变, 以减少叶片水分的蒸发。
Murata等[28]研究表明, 强光下PSⅡ 是光抑制的原初部位和主要作用位点, Fv/Fm是指PSⅡ 反应中心内原初光能转化效率, 是反映光化学反应状况的重要指标[2]。一天中, 自然光照下(LT1)月季Fv/Fm较LT2光强下低(图1), 表明月季叶片吸收的光能超出了其利用和热耗散的能力范围, 因而产生了光抑制, 这与刘柿良等[25]的研究结果一致。Gutié rrez等[27]指出, 非胁迫条件下Fv/Fm变化较小, 而胁迫条件下该参数明显下降, 可以将早晨的Fv/Fm值可以作为植物是否发生长期光抑制的指标[26]。月季在LT1和LT2光强下早晨8:00的Fv/Fm值高于0.8(图1), 表明光系统并没有受到不可逆的伤害, 午间Fv/Fm值降低只是暂时的, 而LT3光强下月季叶片早晨的Fv/Fm值小于0.8, 显著低于LT1和LT2, 说明弱光条件下月季产生了光抑制。随着一天中光强的减弱, 月季的Fv/Fm值逐渐地恢复, 到18:00基本能恢复到早晨的水平, 说明月季叶片的光合系统没有受到不可逆的伤害。光抑制下, 植物叶片对过剩光能的消耗通常采取光化学途径中的Pmax来衡量其光合作用的大小, 而非光化学途径中热耗散的多少则用NPQ来衡量[25]。自然光照下(LT1)月季的NPQ变化幅度较大(图1), 表明月季可以启动叶黄素循环途径来耗散过剩的能量以减轻光氧化伤害, 而弱光下(LT3)月季LUE增加显著, NPQ增加不明显, 表明弱光下月季主要通过提高LUE来保护光合系统。
Chl作为重要的光合色素, 在光合作用中起着吸收光能的作用[29]。随着光强的增大, 月季叶片Chl含量减少而Cars含量增加, 表明强光引起了叶绿素的降解, 而Cars含量的升高有利于猝灭活性氧和光呼吸耗散过剩的激发能。同时, 随着光强增大, 月季Car/Chl升高, 表明月季通过提高Car/Chl来保护光合系统, 是其对强光的一种光保护调节机制[2]。H2O2是光合作用的抑制剂, 如不加以清除, 在很短时间内就会抑制光合作用[5]。强光下月季叶片产生的H2O2使膜脂过氧化加剧, 从而引起MDA含量增加(表3), 降低了叶片的光合能力[5]。为了避免活性氧造成的伤害, 叶绿体形成了一套完整的抗氧化系统[25]。SOD是叶绿体中清除
光抑制不仅发生在强光下, PSⅡ 反应中心在弱光下也会发生光抑制[31]。从本试验结果来看, 强光(LT1)和偏低弱光(LT3)处理均导致月季光合系统受到不同程度的光抑制。强光下由于叶片光化学效率的下降, 叶片气孔自动关闭以适应光强的改变, 气孔导度降低。同时, 植物通过天线系统非辐射耗散将过剩的光能以热能的形式消耗掉。弱光下光合作用下降, 月季主要通过增加瞬时光能利用效率和叶绿素含量等提高植物捕光能力来适应弱光环境。2种光保护机制都是在光抑制下所做出的即时响应, 短期内可为植物提供有效的光保护[2]。然而, 月季是否具有叶绿体运动及蜡质层增厚等长期的光保护机制, 还有待于进一步研究。因此, 在月季生产栽培过程中, 夏季可适当遮荫, 增加光合效率, 提高月季光合产物的积累, 延缓衰老; 在园林应用中应尽量在开敞地或疏林下种植, 以避免长期弱光造成月季光合作用下降影响其观赏特性。
The authors have declared that no competing interests exist.
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