60Co-γ辐射对茭白叶片光合特性和荧光参数的影响

范菁，黄建中，徐洁，石敏，郭得平（.浙江大学农业与生物技术学院，杭州，30058；.长江大学园艺园林学院）

60Co-γ辐射对茭白叶片光合特性和荧光参数的影响

范菁1，黄建中1，徐洁2，石敏1，郭得平1
（1.浙江大学农业与生物技术学院，杭州，310058；2.长江大学园艺园林学院）

分别以50，75和100 Gy剂量水平的60Co-γ射线对3叶期的茭白（Zizania latifolia）幼苗进行辐射处理，通过测定其叶绿素含量、光合气体交换指标和叶绿素荧光参数来探讨γ射线辐射对茭白植株光合和荧光生理特性的影响。试验结果表明，75 Gy剂量处理茭白的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量降低显著；不同剂量的γ射线辐射处理抑制了茭白叶片的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率，其中75 Gy剂量处理降低最为显著；同时，各处理叶片的实际光化学效率（ΦPSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）和表观光合电子传递速率（ETR）也降低，总体上表现为处理剂量越大降低越多，而非光化学淬灭系数（NPQ）有所升高，最大光化学量子产量（Fv/Fm）变化不大。

茭白；60Co-γ射线；光合特性；荧光参数

诱变育种可使基因突变率提高千倍以上，极大地提高了人们定向创造和筛选变异的可能性[1，2]。筛选出的突变体不但能够直接用于育种，还可加快植物遗传和细胞生理生化的分析速度，诱变育种成为常规育种技术的一种有力补充手段[3]。γ射线作为一种诱变育种辐射源，是创造植物突变体最有效的诱变因子，具有操作简单、快捷以及突变频率高等优点[4～7]。

叶绿素荧光参数是植物光化学反应的指示物，叶绿素荧光分析技术利用植物体内叶绿素作为天然探针，探测植物光合生理状况及各种外界因子对植物光合作用的影响，可以快速、无损伤地测定植物有机体内光合机构的功能。叶片进行光合作用过程中，该技术在测定光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面有独特的作用[8]。因此，多种逆境因子对植物光合作用的影响可以通过叶绿素荧光曲线及其参数的变化反映出来[9]。诱变处理作为一种逆境因子会对植株的光合性能产生一定影响，而通过测定植株的叶绿素荧光参数的变化，我们可以很好地鉴定出植株在这种胁迫环境下所表现出的适应性[3]。

本试验用不同剂量的60Co-γ射线对茭白（Zizania latifolia）幼苗进行辐射处理，通过测定辐射后茭白植株的光合特性指标和叶绿素荧光参数等的变化，研究茭白植株对不同剂量的诱变处理所产生的辐射生物学效应，为研究60Co-γ射线辐射对茭白光合生理特性的影响机制提供理论依据，对茭白的辐射诱变育种具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试茭白品种为浙茭2号，苗龄为3叶期。于2010年3月25日在浙江大学核农所辐照中心用不同剂量的60Co-γ射线进行辐射处理，辐射剂量分别为50，75，100和125 Gy，以未经辐射处理的浙茭2号幼苗为对照。对照及辐照后植株均种植于盆内（40 cm×30 cm），每个处理100～150株苗，3周后对其进行叶绿素含量、光合气体交换指标和荧光参数的测定。

1.2 试验方法

①叶绿素含量的测定 叶绿素含量的测定采用丙酮提取法，参考韩锦峰[10]的方法进行。

②光合气体交换指标的测定 净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）等参数用Li-6400便携式光合仪（美国LI-COR公司）测定，内置红蓝光源光强设定为1 000 μmol·m-2·s-1。于晴天9：00～11：00或15：00～ 17：00进行测定，测定时取倒二叶，重复6株。

③叶绿素荧光参数的测定 最大光化学量子产量（Fv/Fm）、表观光合电子传递速率（ETR）、实际光化学效率（ΦPSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（NPQ）等参数用M-Series Imaging-PAM荧光成像系统（德国WALZ公司）测定，测定前植株叶片先暗适应30 min。Kinetics测定时光合有效辐射（PAR）设置为110 μmol/m-2·s-1，20 s 1个脉冲，得到ETR、ΦPS II、qP和NPQ值。选定整个叶面积AOI（Area of Interest）测定Fv/Fm，计算平均值；测定ETR-PAR光曲线时由低到高分别设置10个光强，每个光强照射20 s，得到不同光强下的ETR值。测定时取倒二叶，6次重复。

1.3 数据分析

采用Excel与DPS软件进行数据的统计分析，用新复极差法（Duncan）对数据进行方差分析和差异显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同剂量的60Co-γ射线辐射处理对茭白叶片叶绿素含量的影响

图1为不同辐射剂量的γ射线对茭白叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量的影响。可见经60Co-γ射线辐射处理3周后，75 Gy剂量处理茭白的叶片叶绿素a含量显著小于对照，其余几个剂量处理与对照差异不显著。叶绿素b和总叶绿素含量与叶绿素a的规律相似，只有75 Gy剂量处理与对照差异显著，说明茭白对75 Gy剂量的60Co-γ射线辐射较为敏感。

2.2 不同剂量的60Co-γ射线辐射处理对茭白叶片光合气体交换指标的影响

由图2可以看出，经60Co-γ射线辐照，茭白叶片的净光合速率（Pn）呈降低趋势，其中75 Gy剂量处理的Pn最低，与对照的差异达到显著水平；各处理的气孔导度（Gs）都有显著降低，其中75 Gy剂量处理降低最多，与对照和50 Gy剂量处理都达显著水平；从胞间CO2浓度（Ci）来看，各处理也有所降低，其中50 Gy和100 Gy剂量处理与对照差异都达显著水平，而75Gy剂量处理的Ci高于50Gy和100Gy剂量处理，可能是由于其净光合速率过低导致了胞间CO2含量的积累所致；与对照相比，各处理的蒸腾速率（Tr）也显著降低，其中75 Gy剂量处理降低最显著，与其气孔导度降低有关。该结果表明，60Co-γ射线辐照降低了茭白叶片的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率。

图1 不同γ辐射剂量对茭白叶片叶绿素含量的影响

图2 不同γ辐射剂量对茭白叶片光合气体交换指标的影响

2.3 不同剂量的60Co-γ射线辐射处理对茭白叶绿素荧光参数的影响

从图3我们可以看出，60Co-γ射线辐照降低了茭白的实际光化学效率（ΦPSⅡ）和光化学淬灭系数（qP），且辐射剂量越高，ΦPSⅡ值和qP值越低，其中75 Gy和100 Gy剂量处理与对照差异显著；从表观光合电子传递速率（ETR）来看，不同γ辐射剂量均降低了茭白的ETR值，其中100 Gy剂量处理降低最多，与对照达显著水平；与对照相比，100 Gy剂量处理的非光化学淬灭系数（NPQ）升高显著，其他剂量处理与对照没有显著差异，说明在100 Gy辐照剂量下的茭白叶片吸收的光能较多地用于热耗散，导致用于光化学电子传递的份额相应地减少，因此光能利用率降低。

图3 不同γ辐射剂量对茭白叶片叶绿素荧光参数的影响

从最大光化学量子产量（Fv/Fm）来看（图4），100 Gy剂量处理的茭白Fv/Fm值最低，但各处理与对照都无显著差异，表明60Co-γ射线辐照降低了茭白的光能转换效率，100 Gy剂量处理的ΦPSⅡ、qP和ETR值也都低，说明其原初光化学活性受到抑制。

由图5我们可以看出，在同样的光合有效辐射条件下，对照的表观光合电子传递速率最高，100 Gy剂量处理的最低，其最大表观光合电子传递速率也最低，且其表观光合电子传递速率在较低的光强下达到饱和，表明其不能经受较高的光照强度，在相同的光强下也无法保持较高的电子传递速率，光能利用效率低。此结果表明，60Co-γ射线辐照抑制了茭白的光能利用率，其中100 Gy剂量处理对其影响最大。

图4 不同γ辐射剂量对茭白Fv/Fm的影响

图5 不同γ辐射剂量ETR-PAR响应曲线比较

3 结论与讨论

本研究表明，75 Gy的辐照剂量显著降低了茭白叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量。不同剂量的γ射线辐照处理降低了茭白叶片的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率，其中75 Gy剂量处理降低显著。同时，60Co-γ射线辐照对茭白的各项荧光指标影响也较大，各处理的ΦPSⅡ、qP和ETR值都有所降低，其中ΦPSⅡ和qP值随着辐射剂量的增大而降低，100 Gy剂量处理显著提高了茭白的NPQ值，而其他处理对其影响不大，除100 Gy剂量处理的Fv/Fm值略有降低外，其他处理的Fv/Fm值与对照差别不大。以上结果说明，60Co-γ射线辐照处理对茭白的光合特性和荧光参数有抑制作用，这与在荞麦突变体上的研究结果较为一致[11]。研究结果还表明，各项荧光参数与辐射剂量有一定的相关性，其中100 Gy的高剂量对茭白的荧光生理特性影响最大，致使其光合能力降低，光合效率下降。

光合气体交换指标与荧光参数也有一定的相关性。经60Co-γ射线辐照后，茭白的ΦPSⅡ、qP、ETR都有所下降，说明其PSⅡ反应中心的能量捕获效率降低，光化学活性受到抑制，故导致其光合能力减弱，净光合速率降低，同时，净光合速率的降低也与气孔导度的降低有关。而与荧光参数指标不同的是，75 Gy剂量处理茭白净光合速率低于最高剂量，由于其在低气孔导度下胞间CO2浓度较高，故非气孔限制导致其Pn降低，原因可能是辐射导致其叶肉细胞中活性氧的过量积累限制了羧化效率和CO2同化量，致使其净光合速率在低气孔导度条件下降低[12]；另一方面，75 Gy剂量处理的茭白的叶绿素含量也最低，且一定程度上影响了其净光合速率，原因可能是叶绿素的含量降低或产生脱镁叶绿素，致使其叶绿体类囊体膜上的光系统反应中心的色素和聚光色素的组成比例发生改变，从而影响其光合能力[3]。

总之，叶绿素荧光参数的测定是研究茭白在辐射胁迫下的生物学效应的有效手段，本试验结果也为茭白的诱变育种与其光合和荧光特性间建立了一定的联系，从而为茭白的辐射诱变育种提供了一定的理论依据。

[1]Ahloowalia B S,Maluszynski M,Nichterlein K.Global impact of mutation-derived varieties[J].Euphytica,2004,135: 187-204.

[2]王琳清．诱发突变与植物改良[M]．北京：原子能出版社，1995：75-83．

[3]桂仁意，刘亚迪，郭小勤，等．不同剂量137Cs-γ辐射对毛竹幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响[J]．植物学报，2010，45（1）：66-72．

[4]Datta S K,Chakrabarty D,Mandal A K A.Gamma ray induced genetic manipulations in flower colour and shape inDendranthema grandiflorumand their management through tissue culture[J].Plant Breeding,2001,120:91-92.

[5]Naito K,Kusaba M,Shikazono N,et al.Transmissible and nontransmissible mutations induced by irradiatingArabidopsis thalianapollen with γ-rays and carbon ions[J]. Genetics,2005,169:881-889.

[6]Sato Y,Shirasawa K,Takahashi Y,et al.Mutant selection from progeny of gamma-ray-irradiated rice by DNA heteroduplex cleavage usingBrassicapetiole extract[J].Breeding Sci,2006,56:179-183.

[7]Selvi B S,Ponnuswami V,Sumathi T.Genetic variability studies in gamma ray induced Amla (Emblica officinalisGaertn.)grafts[J].J Appl Sci Res,2007,3:1 929-1 932.

[8]Baker N R.Chlorophyll fluorescence:a probe of photosynthesis in vivo[J].Ann Rev Plant Biol,2008,59:89-113.

[9]Krause G H,Weis E.Chlorophyll fluorescence and photosynthesis:The basics[J].Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol,1991,42:313-349.

[10]韩锦峰．植物生理生化[M]．北京：高等教育出版社，1990：300-302．

[11]Jia C F,Li A L.Effect of gamma radiation on mutant induction ofFagopyrum dibotrysHara[J].Photosynthetica, 2008,46(3):363-369.

[12]Caemmerer V S,Farquhar G D.Some relationships between the biochemistry of photosynthesis and the gas exchange of leaves[J].Planta,1981,153:376-387.

Effects of60Co-γ Ray Irradiation on Photosynthetic Characteristics and Chlorophyll Fluorescence Parameters in Leaves ofZizania latifolia

FAN Jing1,HUANG Jianzhong1,XU Jie2,SHI Min1,GUO Deping1
(1.College of Agriculture and Biotechnology,Zhejiang University,Hangzhou 310058; 2.College of Gardening and Landscape,Changjiang University)

The three-leaf stage seedlings ofZizania latifoliawere irradiated by60Co-γ rays of 50,75,and 100 Gy to examine the effects of-γ ray irradiation on chlorophyll content,photosynthetic gas exchange and chlorophyll fluorescence parameters.The results showed that 75 Gy treatment causing significant decreases in chlorophyll a,chlorophyll b and total chlorophyll contents.The photosynthetic gas exchange parameters Pn,Gs,Ci and Tr were inhibited after irradiation by60Co-γ ray of different dosages,and 75 Gy treatment decreased the most.The chlorophyll fluorescence parameters ΦPSⅡ, qP,ETR were decreased,and NPQ were increased to some extent,but Fv/Fm changed little when the dosage increased.

Zizania latifolia;60Co-γ irradiation;Photosynthesis;Chlorophyll fluorescence parameters

10.3865/j.issn.1001-3547.2011.16.015

公益性行业（农业）科研专项经费项目“水生蔬菜产业技术体系研究与示范”（200903017-03）

范菁（1986-），女，硕士，主要从事蔬菜生理学研究，电话：0571-88982796，E-mail：20916053@zju.edu.cn

郭得平，通信作者，E-mail：dpguo@zju.edu.cn

2011-07-11