淹水条件下紫丁香幼苗叶片的PSⅡ能量分配特点

李冬梅 葛云花

摘要 [目的]为探究淹水条件下紫丁香幼苗叶片PSⅡ能量分配特点。[方法]在盆栽条件下，利用叶绿素快相荧光动力学曲线研究胁迫对紫丁香叶片PSⅡ能量分配的影响。[结果]淹水胁迫下紫丁香幼苗叶片单位反应中心吸收光能ABS/RC增加，其原因可能是由于在淹水胁迫导致紫丁香幼苗有活性PSⅡ反应中心数量降低的情况下，通过以剩余有活性反应中心的功能增强的方式来维持淹水胁迫下PSⅡ的光能供应。在剩余有活性PSⅡ反应中心吸收光能增强造成PSⅡ反应中心压力增大的情况下，紫丁香幼苗叶片PSⅡ反应中心的光能分配参数发生了明显的改变，淹水6 d后紫丁香幼苗叶片PSⅡ反应中心吸收光能用于光化学反应的量子产额（ФPSⅡ）明显降低，而失活PSⅡ反应中心的热耗散量子产额（ФNF）明显增加，说明淹水胁迫导致紫丁香幼苗叶片PSⅡ反应中心光化学效率降低，失活反应中心的比例也随着淹水时间的延长而增加。但在淹水过程中紫丁香幼苗叶片Фf，D呈增加趋势，而ФNPQ呈先增加后降低趋势。[结论]紫丁香幼苗不但可以通过热能和荧光的形式耗散过剩光能，而且可以通过启动依赖于叶黄素循环的非辐射能量耗散过程来调整过量能量的耗散，以降低PSⅡ反应中心过剩光能的压力，但是在淹水第10天开始ФNPQ却呈降低趋势，说明在长期淹水胁迫下这种光保护机制的作用逐渐降低，从而导致光能分配到失活反应中心的比例剧增。

关键词 淹水胁迫；紫丁香；叶绿素荧光动力学曲线；PSⅡ

中图分类号 S688 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-04964-03

紫丁香（Syringa oblata）为木犀科（Oleaceae）丁香属（Syringa spp.）灌木。紫丁香不但冠型好、花期长、花香浓郁、花色鲜艳[1]，而且对干旱、低温、盐碱等非生物逆境具有极强的耐受性[2-3]。它是我国北方园林绿化中重要的植物[4]。但是，有研究发现，紫丁香对淹水胁迫耐受性较差[5]，淹水胁迫7 d左右就会导致紫丁香生长受到抑制，甚至死亡[6]。逆境下合理的PSⅡ能量分配是防止光合机构损伤以及植物正常生长的保证。研究逆境下植物叶片PSⅡ能量分配特点也是研究逆境下植物光保护机制的重要方向之一[7]。目前，有关紫丁香幼苗淹水胁迫下的研究多集中在叶片生理响应以及光合能力的降低等方面，而对淹水后紫丁香幼苗叶片PSⅡ能量分配方面的研究较少。为此，笔者研究了紫丁香叶片PSⅡ能量分配特点对淹水胁迫的响应，为深入分析紫丁香的不耐淹水特性提供理论数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理 供试材料为一年生紫丁香幼苗，株高约0.3 m，无分枝。在2013年5月将幼苗移植于塑料花盆中，花盆高30 cm、直径30 cm，以体积比2∶ 1草炭土与蛭石为培养基质，移栽5盆，即5次重复，每盆定植5株，共计25株。室外正常光温环境下生长，移栽后正常浇水和除草管理。在2013年7月，待幼苗进入旺盛生长期，进行淹水处理。淹水采用“双套盆法”，浇水后保持水层没过土层表面2～3 cm，并且在处理期间随时补水。分别于淹水后第0、2、4、6、8、10和12天进行叶片快速叶绿素荧光动力学曲线（OJIP）和PSⅡ反应中心吸收光能分配参数的测定。

1.2 测定项目和方法

1.2.1 PSⅡ单位反应中心比活参数的测定。在处理的第0、2、4、6、8、10和12天上午9：00，利用暗适应夹，将紫丁香幼苗倒数第3片完全展开叶片进行0.5 h暗适应，然后利用Mini调制式掌上叶绿素荧光仪（FluorPen FP 100 max，捷克）测定各暗适应后叶片的单位反应中心吸收的光能（ABS/RC）、单位反应中心吸收光能用于还原QA的能量（TRo/RC）、单位反应中心吸收光能用于电子传递的能量（ETo/RC）和单位反应中心热耗散掉的能量（DIo/RC）等。

1.2.2 PSⅡ反应中心吸收光能分配参数的测定。利用便携式脉冲调制荧光仪FMS2（Hansatch公司，英国） 参照Hu等[8]方法测定可变荧光（Fv）、稳态荧光（Fs）以及光适应下的最大荧光（Fm），计算PSⅡ反应中心吸收光能分配参数，即用于光化学反应的量子产额（ФPSⅡ）、依赖于类囊体膜两侧质子梯度和叶黄素循环的量子产额（ФNPQ）、基本的荧光量子产额和热耗散的量子产额（Фf，D）和失活PSⅡ反应中心的热耗散量子产额（ФNF），其中ФNF+ФPSⅡ+ФNPQ+Фf，D=1[9]。

1.3 数据处理方法 运用Excel（2003）和SPSS（7.05）软件进行数据统计分析。采用单因素方差分析（Oneway ANOVA）和最小显著差异法（LSD），比较不同数据组间的差异。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对紫丁香幼苗叶片PSⅡ单位反应中心比活参数的影响 从图1可以看出，淹水0～6 d紫丁香幼苗叶片的ABS/RC和DIo/RC没有发生明显变化，而淹水第6天后，随着淹水时间的延长ABS/RC和DIo/RC在0.05水平显著增加。紫丁香幼苗叶片的TRo/RC在淹水过程中变化幅度较小，其中淹水前10 d均没有发生明显变化，仅在第12天呈现降低趋势，但仅与第0天达显著差异水平（P<0.05），而与其他淹水处理时间之间差异均不显著。淹水过程中紫丁香幼苗叶片的ETo/RC呈明显的降低趋势，并且在淹水第4天较第0天显著降低，在淹水第12天时ETo/RC较第0天降低了51.71%（P<0.01）。

注：不同大小写字母分别表示差异在0.01、0.05水平显著。

2.2 淹水胁迫对紫丁香幼苗叶片PSⅡ反应中心吸收光能分配参数的影响 从图2可以看出，淹水前4 d紫丁香幼苗叶片的PSⅡ反应中心吸收光能分配参数没有发生明显的变化，但淹水4 d后，随着淹水时间的延长，紫丁香幼苗叶片的ФPSⅡ呈明显的降低趋势，ФNF显著增加，Фf，D有小幅度的增加，ФNPQ呈先增加后降低趋势。淹水第8天时，ФNPQ达最大值，此时ФNPQ為淹水第0天的3.92倍，而此时ФPSⅡ比淹水第0天降低了57.11%。而在淹水第12天ФNPQ虽明显高于淹水第0天，但比淹水第8天降低了22.42%，而此时与淹水第0天相比，Фf，D增加了39.18%，ФPSⅡ降低了77.05%，而ФNF为淹水第0天的55.48倍。

3 结论与讨论

单位反应中心比活参数不但可以直接反映植物对光能的吸收和利用情况，而且可以间接反映植物反应中心的活性和数量[10]。试验中，随着淹水时间的延长，单位反应中心吸收的光能ABS/RC呈明显的增加趋势，其原因可能与长时间的淹水胁迫导致紫丁香幼苗叶片PSⅡ反应中心失活的比例增加，有活性的反应中心数量降低，而植物为适应这种逆境迫使剩余的有活性反应中心的功能增强，以保证植物逆境下正常的光能供应。但是，在淹水胁迫下紫丁香幼苗叶片单位反应中心吸收的光能用于电子传递的能量比例ETo/RC降低，因此为降低反应中心的过剩光能压力，紫丁香幼苗将更多的光能以熱能形式耗散（DIo/RC增加）。研究还表明，随着淹水时间的延长，单位反应中心吸收光能用于还原QA的能量（TRo/RC）变化较小，仅在淹水第12天有小幅度降低。这也说明淹水胁迫对紫丁香幼苗电子由Pheo传给QA（即QA被还原为QA-）的过程并没有受到明显的影响，电子传递链上电子受阻主要发生在QA向QB的传递过程中。

为保证淹水胁迫下紫丁香幼苗叶片PSⅡ反应中心的光能供应，单位反应中心吸收的光能ABS/RC明显增加，但在逆境条件下PSⅡ吸收过多的光能会造成PSⅡ反应中心压力的增加，加剧PSⅡ发生光抑制的风险[11]。为了适应这种情况，紫丁香幼苗叶片PSⅡ反应中心的光能分配参数发生明显的变化。在淹水第6天，光化学反应的量子产额（ФPSⅡ）明显降低，而失活PSⅡ反应中心的热耗散量子产额明显增加，说明淹水胁迫导致紫丁香幼苗叶片PSⅡ反应中心光化学效率的降低，并且在随着淹水时间的延长，失活反应中心的比例增加。淹水过程中紫丁香幼苗叶片基本的荧光量子产额和热耗散的量子产额有小幅度的增加，说明淹水胁迫过程中紫丁香可以通过增加热能和荧光的形式耗散PSⅡ中的过剩光能。另外，淹水胁迫下紫丁香幼苗叶片依赖于类囊体膜两侧质子梯度叶黄素循环的量子产额呈先增加后降低趋势，在淹水第8天ФNPQ达最大值。有研究认为，逆境下当植物叶片中存在过剩光能时，受光激发产生的三线激发态的叶绿素分子可以与基态的O2分子反应产生单线态氧，单线态氧的生成是逆境下导致植物发生光抑制甚至光氧化破坏的重要原因之一。为了降低单线态氧的生成，首先要防止叶绿素生成三线态或将三线态的叶绿素淬灭。有研究表明，叶绿素三线激发态的形成以及淬灭与叶黄素循环之间有明显的关系[12]。因此，淹水胁迫过程中紫丁香来还可以通过启动依赖于类囊体膜两侧质子梯度的叶黄素循环过程来调整过量能量的耗散，以降低PSⅡ反应中心过剩光能的压力，保护PSⅡ反应中心免受过剩光能的伤害。但是，在淹水第10天ФNPQ表现为降低趋势，说明紫丁香幼苗叶片依赖于叶黄素循环的光破坏防御机制对长期淹水胁迫也比较敏感，淹水第10天这种光破坏防御机制的作用逐渐降低，反应中心大量失活。这种光破坏防御机制对淹水的敏感性较强也可能是紫丁香不耐淹水的重要原因之一。

研究表明，淹水胁迫下紫丁香幼苗叶片吸收光能用于光化学反应的比例降低，紫丁香幼苗不但可以通过热能和荧光的形式耗散过剩光能，而且可以通过以启动依赖于叶黄素循环为主的非辐射能量耗散机制来耗散掉不能用于光合作用的光能，以降低PSⅡ反应中心的压力。但是，当淹水第10天依赖于叶黄素循环为主的能量耗散机制的贡献率降低，导致PSⅡ反应中心的大量失活。

参考文献

[1] 张会慧，张秀丽，王娟，等.利用快相叶绿素荧光参数综合评价3种丁香的耐盐性[J].南京林业大学学报：自然科学版，2013，37（5）：13-19.

[2] 安玉艳，梁宗锁，韩蕊莲.黄土高原3种乡土灌木的水分利用与抗旱适应性[J].林业科学，2011，47（10）：8-15.

[3] 郭二果，王成，彭镇华，等.半干旱地区城市单位附属绿地绿化树种的选择——以神东矿区为例[J].林业科学，2007，43（7）：35-43.

[4] 李海梅，何兴元，陈玮.沈阳城市森林主要绿化树种——丁香的光合特性研究[J].应用生态学报，2004，15（12）：2245-2249.

[5] 许小妍，李娟娟，张会慧，等.盐和淹水双重胁迫对3种丁香幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响[J].东北林业大学学报，2012，40（11）：48-52.

[6] 李娟娟，许晓妍，朱文旭，等.淹水胁迫对丁香叶绿素含量及荧光特性的影响[J].经济林研究，2012，30（2）：43-47.

[7] 张会慧，张秀丽，许楠，等.盐胁迫下桑树叶片D1蛋白周转和叶黄素循环对PSⅡ的影响[J].林业科学，2013，49（1）：99-106.

[8] HU Y B，SUN G Y，WANG X C.Induction characteristics and response of photosynthetic quantum conversion to changes in irradiance in mulberry plants[J].Journal of Plant Physiology，2007，164：959-968.

[9] 张会慧，张秀丽，胡彦波，等.高粱-苏丹草杂交种的生长特性和光合功能研究[J].草地学报，2012，20（5）：881-887.

[10] 张会慧，张秀丽，许楠，等.外源钙对干旱胁迫下烤烟幼苗光系统Ⅱ功能的影响[J].应用生态学报，2011，22（5）：195-200.

[11] 张会慧，张秀丽，胡彦波，等.碱性盐胁迫对桑树幼苗叶片叶绿素荧光特性和激发能分配的影响[J].经济林研究，2011，30（1）：6-12.

[12] LI X P，BJORKMAN O，SHI C，et al.A pigmentbinding protein essential for regulation of photosynthetic light harvesting[J].Nature，2000，403：391-395.