甘蔗叶片叶绿素荧光参数日变化研究

王勤南 许环映 陈俊吕 刘壮 常海龙　周峰 金玉峰 胡后祥 符成 刘少谋

摘 要 为探索甘蔗光合作用及光合能力的规律性，为甘蔗高光效品种选育与栽培，高光效亲本筛选提供理论参考。本文以甘蔗常用核心亲本93-159、CP72-1210和ROC26为材料，采用PAM-2500便携式荧光仪对甘蔗叶片叶绿素荧光参数原初光能转化效率（Fv/Fm）、实际原初光能捕获效率Y（Ⅱ）、非光化学淬灭系数NPQ、光化学淬灭系数qP和光响应曲线参数（α、ETRm、Ik）值进行日变化研究。结果显示，甘蔗具有较强的光呼吸能力和光抑制自我保护能力，较高的光能利用效率，较低的饱和光强，吸收的光能较少地分配到热耗散，能保证吸收的光能最大程度进入电子传递系统进而进行碳固定。

关键词 甘蔗 ；叶绿素荧光参数 ；光合作用 ；日变化

分类号 S566.1

光是影响光合作用最重要的因素，光合作用是植物生长和发育的基础，是衡量作物光合生产力的重要指标，是决定作物产量和品质构成的主要因素[1]。自1960年Kautsk发现叶绿素荧光产量的变化之后，开始通过研究叶绿素荧光产量等来获得植物光合性能的有用信息。经过50多年的发展，形成了叶绿素荧光动力学技术，通过对水稻[2]、小麦[3]、玉米[4]、番茄[5]、茶叶[1]、园林植物[6]等的研究，在测定光合作用时发现，光系统对光能吸收、传递和耗散分配方面发挥重大作用，在植物光合作用、机理研究及作物增产潜力预测和环境保护等方面得到广泛的应用。

甘蔗既是一种重要的糖料作物.也是一种重要的高生物量生物能源作物[7]。甘蔗的光合作用是其生产力构成的主要因素，也是甘蔗糖分形成的基础。目前，国内外对影响甘蔗光合作用的因素及其相互关系的研究[8-12]，为甘蔗良种选育与栽培管理提供有益的理论依据。但是，关于甘蔗叶片中叶绿素荧光特性方面的研究少有报道。因此，本文采用叶绿素荧光分析技术，通过分析甘蔗叶片叶绿素荧光参数，初步探索甘蔗光合作用规律性，以期为甘蔗品种选育、栽培、环境胁迫、抗逆鉴定和筛选提供相应的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料

试验材料为甘蔗常用核心亲本粤糖93-159、CP72-1210和ROC26，选择生长状况基本一致的植株，设3个重复，每个重复3株，每株选择-1叶，用以叶片测量。

1.1.2 试验时间、地点

研究田间时间于2013年8月在广州甘蔗糖业研究所海南甘蔗育种场（农业部广东甘蔗种质资源与利用科学观测实验站）的大田甘蔗亲本圃里进行。

1.2 方法

1.3.1 叶绿素荧光动学参数测定

采用PAM-2500便携式荧光仪（德国Walz公司）测定叶绿素荧光动力学参数，于2013年8月测定，选择晴朗的白天7：00～19：00进行测量，测量前植株叶片用叶片夹夹住并进行充分的暗反应，每隔2个小时测量1次。测量参数有荧光淬灭参数包括PSⅡ最大光化学潜力Fv/Fm、实际光能转化效率Y（Ⅱ），非光化学淬灭系数NPQ、光化学淬灭系数qP和光响应曲线参数包括α光能利用效率、ETRm最大电子传递效率、Ik最小饱和光强。

1.2.2 统计分析

各项指标均取3个亲本数据的平均值，光响应曲线参数α、ETRm、Ik采用Eilers and Peeters （Ecological Modelling 42（1988） 199-215）公式进行光响应曲线拟合计算。数据统计分析和作图采用Microsoft Excel和DPS6.5软件系统。

2 结果分析

2.1 甘蔗叶片的Fv/Fm值日变化

Fv/Fm反映PSⅡ反应中心原初光能转化效率，是植物光抑制的重要指标[13]，其值越低证明植物发生光抑制的程度越高[14]。测定结果表明，甘蔗叶片的Fv/Fm值先升后降再升再降的“M”型趋势变化，9：00以后，随着光照强度的增强，甘蔗叶片的Fv/Fm值迅速下降，在11：00左右达到最低值，且均显著小于其7：00、9：00、15：00、17：00和19：00的Fv/Fm值（P<0.05）。表明在强光和高温下，PSⅡ的光化学效率下降，出现光合作用的光抑制（午休现象）。午后，随着光强的减弱，Fv/Fm值逐渐回升，在17：00恢复到上午7：00的Fv/Fm值水平，说明光合作用器官在中午并没有受到损伤，只是光合作用暂时受到抑制。可见中午PSⅡ的功能下降是可逆的。见图1。

2.2 甘蔗叶片的Y（Ⅱ）值日变化

Y（Ⅱ）用来反映PSⅡ反应中心在有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率，其值先升后降再升再降的“M”型趋势与Fv/Fm值变化趋势一致，10：00以后，随着光照强度的增强，Y（Ⅱ）值迅速下降，在11：00左右达到最低值，且均显著小于其9：00和17：00的Y（Ⅱ）值（P<0.05）。午后，随着光强的减弱，Y（Ⅱ）值逐渐回升，并在17：00恢复到上午9：00的水平。见图2。

2.3 甘蔗叶片非光化学淬灭系数NPQ值日变化

叶绿素吸收的光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散3种途径消耗，这3种途径间存在着相互关系[15]。非光化学淬灭系数NPQ反映PSⅡ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，是防御光抑制带来的破坏，是植物保护PSⅡ免受伤害的重要机制[16]。甘蔗叶片的NPQ值呈先升后降的趋势，在11：00左右达到最大值，且均显著大于其他时间段的NPQ值（P<0.05）。说明从上午9：00到下午15：00由于光照强度和温度较高，致使叶片吸收的光能较多地分配到热耗散。见图3。

2.4 甘蔗叶片光化学淬灭系数qP值日变化

qP反映了植物光合活性的高低，表示PSII 中处于开放状态的反应中心所占的比例。甘蔗叶片qP值的日变化曲线呈近”M”形。早晨光照较弱，光合活性较低，随着光照强度的增加，光合活性缓慢升高，在11：00点和15：00出现2个峰值，且显著大于7：00、9：00、17：00和19：00的qP值（P<0.05）。说明甘蔗叶片在11：00到15：00时间段具有较强光合活性。见图4。

2.5 甘蔗叶片光响应曲线参数α、ETRm、Ik值日变化

光响应曲线反映当前状态下光合作用的信息，通过对光响应曲线进行拟合，可以得到参数α、ETRm和Ik。α为光响应曲线的初始斜率，反映植物光能利用效率。甘蔗叶片α值表现出先降后上升再降的变化趋势。从上午9：00开始随着光照强度的增加，甘蔗叶片光能利用效率缓慢下降到13：00最低值，然后又缓慢上升到17：00的最大值，且在7：00、9：00和17：00显著大于11：00、13：00、15：00和19：00的α值（P<0.05），说明甘蔗叶片在7：00、9：00和17：00时间段光能利用效率较高。见图5。

ETRm为植物最大电子传递速率，反映电子在PSⅡ和PSⅠ的传递情况，与碳同化、光呼吸和电子流有关。甘蔗叶片ETRm值表现出先缓慢上升后缓慢下降的变化趋势。从上午7：00开始，随着光照强度和温度的不断上升，甘蔗叶片的最大电子传递速率也缓慢上升，13：00达最大值，且显著大于7：00、9：00、17：00和19：00的ETRm值（P<0.05）。说明甘蔗叶片在11：00到15：00时间段具有较强的电子传递速率。见图6。

Ik为最小饱和光强（半饱和光强），反映植物对强光的耐受能力。甘蔗叶片Ik值呈现出先缓慢上升后下降的趋势，从上午7：00开始，随着光照强度和温度的升高，甘蔗叶片Ik值缓慢上升，13：00达最大值，且显著大于7：00、17：00和19：00的Ik值（P<0.05）。说明在9：00、11：00、13：00和15：00具有较大的最小饱和光强。见图7。

3 讨论与结论

Fv/Fm反映PSⅡ反应中心最大的光化学效率，Y（Ⅱ）反映PSⅡ反应中心实际原初光能捕获效率，两参数变化日变化趋势均呈“M”型，说明甘蔗叶片光合作用的器官在中午光能转化效率受到抑制是暂时，随后光合器官的功能得到恢复，光合器官并没有受到损伤。NPQ反映PSⅡ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，参数的日变化趋于0，只有在上午9：00到下午13：00微小的变化，说明从上午9：00到下午13：00由于光照强度和温度较高，甘蔗叶片具有较强的自我保护能力和将吸收的光能较多地分配到热耗散。qP反映了植物光合活性的高低，其值日变化曲线较为稳定，在早晨9：00前和傍晚17：00后较低外，均表现较高的光合活性，说明甘蔗能够接受强光照射，可以在强光下环境生长。光响应曲线参数α反映植物光能利用效率，其日变化曲线在午后13：00点较低外，表现较为稳定，说明甘蔗具有较高的光能利用效率。ETRm为植物最大电子传递速率，反映电子在PSII和PSⅠ的传递情况，与碳同化、光呼吸和电子流有关，其日变化曲线在早上9：00前和傍晚17：00后较低外，均表现较高的最大电子传递速率，说明甘蔗具有较强的碳同化、光呼吸和电子流。Ik为最小饱和光强（半饱和光强），反映植物对强光的耐受能力。其日变化在11：00到13：00较高外，均表现出较低的最小饱和光强，说明甘蔗具有较低的饱和光强，较强的强光耐受能力。

综合以上参数分析表明，甘蔗具有较强的光呼吸能力和光抑制自我保护能力，较高的光能利用效率，较低的饱和光强，吸收的光能较少地分配到热耗散，能保证吸收的光能最大程度进入电子传递系统进而进行碳固定。

参考文献

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