渍害胁迫及其恢复对油菜幼苗叶片PSⅡ光化学特性的影响

宗梅，穆丹，范志强

（安庆师范学院生命科学学院，安徽安庆246011）

渍害胁迫及其恢复对油菜幼苗叶片PSⅡ光化学特性的影响

宗梅，穆丹，范志强

（安庆师范学院生命科学学院，安徽安庆246011）

以中乐油2号和蓉油11号油菜为材料，通过盆栽试验，研究渍害胁迫及恢复进程中油菜幼苗叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)光化学特性的变化。结果表明：随着渍害胁迫的加剧，两品种油菜叶片初始荧光（F0）、非光化学淬灭系数（qN）不断上升，最大荧光（Fm）、PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）、PSⅡ实际光化学量子产量(Yield)、表观光合电子传递速率（ETR）、光化学淬灭系数（qP）不断下降，说明随着渍害胁迫的加剧，PSⅡ部分反应中心受到破坏，光合电子传递受阻，光能转换效率下降，发生明显光抑制；从第13d起进行恢复处理，所有叶绿素荧光参数均有所恢复，但仍未达到对照水平。可见，当渍害胁迫超出了油菜机体自我调节的阈值时，油菜叶片的部分光合机构发生不可逆的破坏，最终影响油菜的正常生长。

油菜；渍害；恢复；叶绿素荧光

叶绿素荧光分析技术是一种以光合作用理论为基础，利用植物体内的叶绿素作为天然探针，研究和探测植物的光合生理状况及各种外界因子对植物细微影响的新型植物活体测定和诊断技术[1-2]。叶绿素荧光分析技术在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”的特点[3]。因此，叶绿素荧光动力学技术被称为测定叶片光合作用快速、无损伤的良好探针[4]。目前，对植物体内叶绿素荧光动力学的研究已成为热点，并在光抑制、干旱、高温、低温等逆境生理研究中得到广泛应用。

我国油菜常年种植面积730万公顷，总产量1190万吨，占世界的1/3，居世界首位[5]，长江流域是我国油菜主产区，虽然降雨充沛，但全年降水并不均匀，加之油菜与水稻的轮作制度，季节性渍害频繁发生，导致油菜容易遭受渍害减产。渍害已成为引起该地区冬油菜产量降低的主要逆境因子，严重地制约了其油菜产业的发展。

以前有关渍害方面的研究主要集中于小麦[6-7]、芝麻[8]、棉花[9]等农作物上，这两年油菜渍害方面的研究也越来越受到关注。渍水胁迫加速苗期油菜自由基的产生，膜脂过氧化加剧，抗氧化酶活性先升后降，根生物量显著降低，根系形态发生显著变化[10]；以油菜产量为指标，渍水的敏感性依次为蕾薹期、花期＞苗期、角果发育成熟期[11]；渍水致使苗期冬油菜光合色素不断下降，而根系活力、可溶性糖、抗氧化酶先升后降[12]；利用发芽期相对活力指数的配合力和遗传效应，可有效鉴定油菜种子萌发期的耐湿性[13]。而关于渍害胁迫下油菜叶绿素荧光特性的变化尚未见报道，本研究以长江流域主栽油菜品种中乐油2号和蓉油11号为材料，通过叶绿素荧光参数的测定，探讨渍害胁迫及其恢复进程对苗期油菜叶片PSⅡ的光能吸收、分配、电子传递特性的影响，以期为油菜渍害的光合机理研究和长江流域油菜高产栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验于2010年在安庆师范学院植物园大棚中进行，选用长江流域油菜主栽品种中乐油2号和蓉油11号为供试材料，采用盆栽套桶法，于2010年10月中旬播种于盆内，盆高20cm，口径为25cm，培养土为植物园内耕作层土壤，11月中旬定苗，每盆留2株，期间进行正常田间管理。

2010年11月底（此时油菜为两叶一心）进行渍害处理：（1）正常供水CK1（中乐油2号）、CK2（蓉油11号)，土壤含水量为田间最大持水量的75%；（2）渍害处理T1（中乐油2号）、T2（蓉油11号），均在盆外再套一塑料桶，保持水层在2cm左右。每天观察保持渍害处理盆中水层在2cm左右，及时补水，渍害处理持续12d，从第13d起，进行恢复处理（除去渍害处理盆外的塑料桶）至18d。每处理重复3次。

1.2 叶绿素荧光参数测定

采用德国WALZ公司生产的PAM-2100便携式调制荧光仪，于渍害胁迫及其恢复进程中每隔3d测定1次，测定时间为10:00-12:00，各测定参数5次读数得到平均值。测定前利用配备的叶夹2030-B夹住成熟叶片，充分暗适应20min，打开测量光（频率为600Hz），得到初始荧光（F0）；随后打开1次饱和脉冲光（8000umol·m-2·s-1；20kHz；0.8s），测得最大荧光（Fm）和PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm），而PSⅡ实际光化学量子产量(Yield)、表观光合电子传递速率（ETR）、光化学淬灭系数（qP）、非光化学淬灭系数（qN）这些叶绿素荧光参数在光下直接测得。

1.3 数据处理

所测数据利用Excel进行整理，采用SPSS14.0进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 苗期油菜叶片F0和Fm对渍害胁迫及其恢复进程的响应

初始荧光（F0）是PSⅡ反应中心处于完全开放状态时的荧光产量。由图1可知，在正常状态下，CK1和CK2的F0基本维持在同一水平上，且二者之间不存在显著差异；随着渍害胁迫及其恢复的进行，T1和T2的F0呈现出单峰曲线，具体表现为渍害初期缓慢上升，渍害9d起快速上升，渍害12d达到峰值，分别为对照组的1.60、1.48倍，在随后的恢复期间，两处理的F0快速下降，但均不能恢复至对照水平，且T2略低于T1。同时两处理分别与各自对照之间存在显著差异（P＜0.05），T1与T2之间差异不显著。

最大荧光（Fm）是PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量，反映通过PSⅡ的电子传递情况。如图1所示，CK1与CK2的Fm基本保持在0.83左右；随着渍害胁迫的加剧，T1和T2的Fm呈现出不断下降的变化趋势，在渍害0-3d与对照相当，之后不断下降，在渍害12d达到最低值，仅分别为对照组的81.86%、72.02%，在恢复期虽都有所回升，但仍低于对照组，且T2略高于T1。同时T1与CK1之间存在显著差异（P＜0.05），T2与CK2之间差异达到极显著水平（P＜0.01），而两处理间差异不显著。

图1 渍害胁迫及其恢复进程中油菜叶片F0和Fm的变化

2.2 苗期油菜叶片Fv/F对渍害胁迫及其恢复进程的响应

PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)反映PSⅡ反应中心的原初光能转换效率。从图2可以看出，Fv/Fm与Fm的变化趋势基本一致（图1），两对照组CK1与CK2的Fv/Fm变化不大；在渍害胁迫及其恢复期间，T1和T2的Fv/Fm均呈现出“V”型变化趋势，具体表现为渍害0-9d下降较缓慢，渍害9-12d迅速锐减，达到谷底，分别为对照组的87.98%、73.98%，之后恢复期间，两处理均能稍有恢复，但仍达不到对照水平，且恢复期间，T2略高于T1。同时T1与CK1之间存在显著差异（P＜0.05），T2与CK2之间也存在显著差异（P＜0.05），T1与T2之间差异不显著。

图2 渍害胁迫及其恢复进程中油菜叶片Fv/Fm的变化

2.3 苗期油菜叶片Yield和ETR对渍害胁迫及其恢复进程的响应

PSⅡ实际光化学量子产量(Yield)反映了PSⅡ反应中心在部分关闭的情况下实际原初光能捕获效率。如图3所示，CK1与CK2的Yield基本保持在0.72左右，随着渍害胁迫处理的进行，T1与T2的Yield不断下降，渍害12d达到最小值，仅分别为对照组的70.40%、73.06%，恢复期间，两处理的Yield均有所回升，仍低于对照组，且恢复期间T1略低于T2。同时T1与CK1之间差异达到极显著水平（P＜0.01），T2与CK2之间差异显著（P＜0.05），T1与T2之间差异不显著。

表观光合电子传递速率（ETR）是光合机构吸收光能发生电荷分离产生电子并沿电子传递链向下传递的速率。由图3可知，两对照组CK1与CK2的ETR变化不大；在渍害胁迫及其恢复的进程中，T1与T2的ETR总体呈现出“V”型变化趋势，即先略有上升，再快速下降，渍害12d达到谷底，仅分别为对照组的36.7%、42.35%，在之后的恢复期间，两者皆有所回升，但略低于对照组，且恢复期间T2略高于T1。同时两处理分别与各自对照之间存在显著差异（P＜0.05），T1与T2之间差异不显著。

图3 渍害胁迫及其恢复进程中油菜叶片Yield和ETR的变化

2.4 苗期油菜叶片qP和qN对渍害胁迫及其恢复进程的响应

qP反映的是PSⅡ天线色素吸收光能用于光化学电子传递的份额，光化学淬灭又在一定程度上反映了PSⅡ反应中心的开放程度。qP与ETR的变化趋势基本一致（如图3、图4），CK1和CK2的qP基本维持在同一水平；随着渍害胁迫的加剧，两处理T1与T2的qP也是先略上升，再不断下降，渍害12d达到最低值，仅分别为对照的80.83%、79.76%，之后恢复期间，均有所回升，仍低于对照水平，且恢复期间T2略高于T1，但各处理与对照间未达到显著差异水平。

qN反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能中不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分，热耗散是植物保护PSⅡ的重要机制[2]。如图4所示，qN与F0的变化趋势大体相似（图1），CK1与CK2的qN大致维持在0.435左右；随着渍害胁迫及其恢复的进行，T1和T2的qN呈现出单峰曲线，渍害12d达到峰值，分别为对照组的1.72、1.60倍，在随后的恢复期间，两处理的qN快速下降，但均不能恢复至对照水平，且T2略低于T1。同时两处理分别与各自对照之间存在显著差异（P＜0.05），T1与T2之间差异不显著。

图4 渍害胁迫及其恢复进程中油菜叶片qP和qN的变化

3 讨论

PSⅡ是光合机构的重要组成部分，在光合作用的光能转换和电子传递过程中起着重要的作用。前人研究表明，PSⅡ被认为是逆境对光合器官破坏的原初位点之一[14]。本研究表明，在渍害胁迫及其恢复进程中，F0先上升，再有所回落，这与卢雪琴等[15]在禾本科植物淹水中的研究结果相似，说明油菜叶片PSⅡ反应中心出现了可逆性的失活和不可逆的破坏。当植物处于非逆境条件下时，Fv/Fm比值变化较小，一般为0.75~0.85，不受物种和生长条件影响[16]，但在逆境或受伤害时会明显降低[17]。在本试验渍害胁迫及其恢复进程中，Fm、Fv/Fm呈现出先下降再回升的变化趋势，表明PSⅡ原初光能转换效率下降，抑制了油菜叶片把捕获的光能转化为化学能，这与吴甘霖等[18]在草莓干旱胁迫及复水中的研究结果相似，但与蒙祖庆等[19]研究结果稍有不同，油菜Fv/Fm在干旱之后的复水中变化较小。

qP反映了PSⅡ天线色素吸收光能用于光化学电子传递的份额，qN是光合机构的一种自我保护机制[2]，它与PSⅡ反应中心的光反应电子传递无密切相关性，但与ATP和NADPH的形成、累积及光合膜的状态有关[20]。本研究表明，在渍害胁迫及其恢复进程中，qP呈现出先下降后又略有回升的变化趋势，而qN表现出相反的变化，即先上升后稍回落，反映出PSⅡ的反应中心开放程度减小，吸收的光能用于光化学反应的份额减少，过剩的光能以热耗散的方式消耗，从而有效保护PSⅡ。而ETR、Yield呈现出近似“V”型变化，说明渍害胁迫使油菜幼苗PSⅡ的实际光化学量子产量下降，光合电子传递受到破坏，不能为随后的CO2同化过程提供充足的同化力，最终影响油菜的光合作用。

整个试验过程中渍害胁迫初期，油菜叶片为了适应环境的变化，其光合机构中PSⅡ反应中心会以可逆失活为主，同时加大对过剩光能的耗散，分流过多电子，实现自我保护。随着渍害胁迫的加剧，这种损伤超出了油菜机体自我调节的阈值，部分光合机构发生了不可逆的破坏，虽然后期进行了恢复处理，但仍然无法恢复至对照水平；除qP外其它叶绿素荧光参数各处理与对照之间达到差异显著水平（P<0.05），品种间差异不显著，表明渍害胁迫时间过长，对中乐油2号和蓉油11号两油菜主栽品种均能造成严重的损伤，两品种间无显著差异，而关于具体渍害胁迫多长时间是一个界线，还有待于进一步的研究。因此，在油菜种植过程中，特别是雨季，一定要做好排水工作，避免油菜长期处于渍害胁迫状态；对于油菜与水稻的轮作田地，更要加强田间管理，在整地时就应注意解决这一问题。

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Effects of W aterlogging Stress and Recovery Process on PSⅡPhotochem ical Characteristics of Rape at Seed ling Stage

ZONGMei,MUDan,FAN Zhi-qiang

（Schoolof Life Sciences,Anqing NormalUniversity,Anqing 246011,China）

Taking zhongleyou-2 and rongyou-11 ofmain rapesas testobjects,a potexperimentwas conducted to study on PSⅡphotochemical characteristics of rapes at seedling stage underwaterlogging stress and recovery process.The resultshowed thatminimum chlorophyll florescence(F0)and coefficientofnon-photochemicalquenching(qN)increased with waterlogging stress exacerbating,maximum chlorophyll florescence(Fm),themaximal quantum yield of PSⅡ(Fv/ Fm),quantum yield of PSⅡphotochemistry(Yield),estimated electron transport rate(ETR)and coefficient of photochemical quenching(qP)had declined.This shows that the partial response center of PSⅡwas destructed, photosynthetic electron transportwasobstructed,and the conversion efficiency of lightenergy declined.It resulted in an obvious photoinhibition.Recovery processing from the 13th day,F0and qN declined slightly,Fm,Fv/Fm,Yield,ETR and qP had increased slightly.But all had not recovered to control level.This showed that the partial photosynthetic organ had occurred the irreversible destruction,in the end the normal growth of rape had been affected,when waterlogging stresshad exceeded the self-adjusting threshold of the ripebody.

rape;waterlogging;recovery;chlorophyll fluorescence

book=9,ebook=12

S514

A

1008-178X(2012)09-0064-05

2012-07-15

安徽省教育厅自然基金项目（KJ2009B013）；安庆师范学院引进人才项目（044-K05000000034）。

宗梅(1975-)，女，安徽宿松人，安庆师范学院生命科学学院讲师，硕士，从事植物生理生态研究。