干旱对桑树叶片光系统Ⅱ活性的影响

滕志远，张会慧，代 欣，胡举伟，张秀丽，孙广玉

(1. 东北林业大学 生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040; 2.东北农业大学 资源与环境学院， 黑龙江 哈尔滨 150030)



干旱对桑树叶片光系统Ⅱ活性的影响

滕志远，张会慧，代 欣，胡举伟，张秀丽，孙广玉

(1. 东北林业大学 生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040; 2.东北农业大学 资源与环境学院， 黑龙江 哈尔滨 150030)

桑树；干旱胁迫；光系统Ⅱ；荧光动力学曲线

桑树是桑科(Moraceae)桑属(MorusL.)植物，用途广泛。桑叶除了作为家蚕的主要饲料外，还可以作为畜禽优质饲料源，桑葚可开发为功能性食品和保健品，而桑根、皮等含有多种活性物质，可入药。桑树的抗逆性和适应性较强，在盐碱地、荒山、沙漠及荒漠等地区均可种植，具有重要的生态价值[1]。随着国家“东桑西移，南蚕北移”工程的实施，栽桑业从内陆湿润区域向内陆干旱和半干旱地区转移[2]。干旱是内陆干旱地区常见的环境胁迫因子之一，严重影响农林业植物的生长和发育，限制农林业的发展。

植物的光合作用对干旱胁迫反应较为敏感，可以通过检测干旱胁迫条件下植物的光合参数变化情况来鉴别植物的抗旱能力[3-4]，植物净光合速率的大小取决于1，5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)的活性和电子传递速率[5]。桑树叶片的光合气体交换参数对土壤水分含量的变化具有明显的阈值响应，有利于桑树光合作用和维持高水分利用效率的适宜土壤相对含水量为45%～78%[6]。而植物叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)活性的降低被认为是植物发生光抑制的重要原因之一，PSⅡ也是植物发生光抑制时的重要破坏位点，PSⅡ作为植物类囊体膜上电子传递链的主要组成部分，其活性与功能直接影响到NADPH和ATP的合成，还会间接导致活性氧(ROS)的大量产生，进一步导致光合能力的降低[7]。大量的研究表明，在逆境条件下许多植物因其PSⅡ功能降低或PSⅡ结构损伤而使同化物积累减慢、产量降低[8-9]。胡杨在干旱胁迫下，当叶片的PSⅡ尚未发生不可逆的光损伤时，用于光合作用的光能所占的份额就明显下降，耐受高光强的能力减弱，捕获的光能过剩程度加剧，即由此带来的光系统损伤的潜在危险增加，进而发生光抑制[10]。闫海霞等[11]研究发现，干旱胁迫使条墩桑叶片PSⅡ潜在活性中心受损，使其原初光能转换效率明显下降，同时色素吸收的光能用于光合作用的比例显著下降，而通过热和荧光形式散失的比例明显增加。有研究发现在干旱条件下，印度桑树品种(Morusindicacv.V1)叶片PSⅡ的结构和功能仍然保持完整，而PSⅡ电子传递受阻，热耗散增强[12]。

目前，有关干旱胁迫对于桑树叶片光合作用影响的生理机制鲜见报道。叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP)可以快捷无损伤地分析逆境对光合作用某一过程的具体影响[13-14]。为此，本研究采用快速OJIP技术，研究重度干旱对桑树叶片的PSⅡ光化学活性、电子传递、放氧复合体(OEC)活性的影响机制，其结果可为内陆干旱地区的桑树栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试桑树品种为一年生秋雨桑(MorusalbaL.cv Qiuyu)的实生苗，由黑龙江省蚕业研究所提供。试验于2014年5月在东北林业大学植物营养实验室进行。为确保试验材料的相对一致性，在移栽之前将幼苗主根和主茎各保留5 cm，然后将幼苗移栽到直径16 cm、高20 cm的培养钵中，每钵定植3株，总计90株。

1.2 干旱处理

为排除培养土差异影响和便于干旱处理，将培养苗木的草炭土均匀混合后，再与蛭石按1∶1混合装盆，待幼苗培养至30 d，长出6～7片叶时，选择长势一致的桑树幼苗进行试验。因为桑树极其耐旱，预试验结果显示中度胁迫与对照没有差异，因此本研究选择土壤相对含水量小于阈值的重度干旱(40%±5%)作为处理。处理前使各盆的土壤相对含水量基本达到饱和，停止浇水，自然干旱，通过称盆质量监测处理失水情况，每天早晚用电子秤(精度5 g)称重，并浇水至土壤相对含水量分别达到80%(对照组，CK)和40%±5%(处理组，重度干旱)[15]。持续干旱胁迫10 d后，对桑树幼苗进行快速叶绿素荧光动力学曲线的测定。

1.3 测定项目

OJIP的检测：于2014年6月18日上午9∶00～11∶00，此时段天气晴朗，分别选择对照组和处理组中长势相对一致的5株幼苗(5次重复)，将桑树幼苗从上往下数第4片完全展开叶进行40 min的暗适应后，利用Mini调制式掌上叶绿素荧光仪(FluorPen FP 100 max，捷克)测定叶片的OJIP。在测定中，诱导光强设为3 000 μmol·m-2·s-1的脉冲红光，从10 μs开始记录相对荧光强度(Fv)共记录1 s，OJIP曲线上O，J，I和P点对应的时刻分别为20，2 000，30 000和1 000 000 μs，利用5次重复的平均值绘制OJIP曲线。

O，L，K，J，I和P点的相对荧光强度分别以Fo，FL，FK，FJ，FI和FP表示，而L，K，J和I点的相对可变荧光分别以VL，VK，VJ和VI表示，其中K点和L点分别为OJIP曲线上0.3 ms和0.15 ms对应的时刻。OJIP曲线是按照Strasser等[16]的方法利用JIP-test进行分析，特异分析J点和I点可变荧光的变化，将O-P曲线标准化，即将O点的相对荧光强度(Fo)设为0，而P点相对荧光强度(Fp)设为1，按公式(Ft-Fo)/(Fm-Fo)求得各时间点的相对可变荧光，其中Ft表示各时间点的相对荧光强度。为研究干旱胁迫对桑树叶片放氧复合体OEC活性的影响，即K点和L点的相对可变荧光VL和VK变化，分别将O-J和O-K曲线进行标准化，其计算公式分别为：(Ft-Fo)/(FJ-Fo)和(Ft-Fo)/(FK-Fo)，计算干旱胁迫处理组桑叶标准化O-J和O-K曲线与对照组之间的差值，分别以△VO-J，△VO-K表示。

叶片相对含水量的测定：采新鲜叶片测定鲜重后，将叶片浸入蒸馏水饱和吸水24 h，称取饱和重，然后烘干测定干重，相对含水量=(鲜重-干重)/(饱和重-干重)[17]。叶绿素含量的测定参照王晶英[18]的方法。

1.4 数据处理和统计方法

运用DPS软件对试验数据进行统计分析，利用Excel软件绘制图表，图中数据为5次重复的平均值±标准差(SD)，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 桑树叶片的相对含水量和叶绿素含量

供试桑树叶片情况见图1，对照组桑树叶片平展上举、颜色鲜绿(图1-A)，干旱处理组桑树幼苗叶片萎蔫下垂、颜色浅绿(图1-B)。

由图2可以看出，处理组叶片的相对含水量在70%左右，极显著低于对照(80%左右)(P<0.01)。干旱处理10 d后，与对照组相比，处理组叶片的总叶绿素Chl (a+b)、叶绿素a(Chl a)和叶绿素b(Chl b)含量均明显降低，分别降低了35.93%，30.87%和45.12%(P<0.01)，其中Chl b下降的程度较Chl a大，干旱处理的Chl a/Chl b较对照组高25.27%(P<0.01)。

2.2 桑树叶片PSⅡ光化学活性的变化

由图3可以看出，在干旱胁迫下，代表反应中心PSⅡ潜在活性的荧光参数Fv/Fo比对照组低7.9%，差异极显著(P<0.01)；最大光化学效率Fv/Fm较对照组略低，但差异不显著(P>0.05)，而以光吸收为基础的光合性能指数(PIABS)较对照组低35%，差异极显著(P<0.01)。

A： 对照组； B： 干旱胁迫处理组。图1 测定前桑树幼苗叶片状态Fig.1 Growth condition of mulberry leaves before measuring

图中不同大小写字母分别表示处理间差异极显著(P<0.01)和显著(P>0.05)。图3—6同。图2 干旱对桑树叶片相对含水量和叶绿素含量的影响Fig.2 Effects of drought stress on relative water content and chlorophyll content in mulberry leaves

图3 干旱对桑树叶片光化学效率Fv/Fo，Fv/Fm和PIABS的影响Fig.3 Effects of drought stress on Fv/Fo， Fv/Fm and PIABS in mulberry leaves

2.3 干旱对桑树叶片OJIP曲线的影响

由图4可以看出，干旱胁迫明显改变了桑树叶片的OJIP曲线形态，其中O点、J点、I点和P点的相对荧光强度(Fo，FJ，FI和FP)明显升高。定量分析干旱胁迫对OJIP曲线各点相对荧光强度的影响，结果表明，干旱胁迫下桑树叶片的Fo较对照高13.94%，差异极显著(P<0.01)，而FP较对照上升了6.61%，差异不显著(P>0.05)。同时，干旱处理使桑树叶片的FJ和FI分别较对照升高了16.93%和8.64%，处理之间差异极显著(P<0.01)。

2.4 干旱对桑树叶片标准化OJ和OK曲线的影响

由图5可以看出，干旱胁迫增加了OJIP曲线上L点和K点的相对荧光强度(FL和FK)，FL和FK分别较对照组升高18.39%(P<0.01)和19.64%(P<0.01)，差异极显著。分别将O-K和O-J曲线标准化后可以发现，干旱胁迫处理的桑树叶片标准化O-K曲线上0.15 ms时即L点的相对可变荧光(VL)和标准化O-J曲线上0.3 ms时即K点的相对可变荧光(VK)均与对照组之间有明显差异，分别将标准化O-K和O-J曲线与对照组曲线作差值分析，可以看出L点和K点的相对可变荧光与对照组之间差异最大。定量分析结果表明，干旱胁迫下桑树叶片的VL和VK分别较对照组升高了16.07%和23.62%，差异均极显著。

图4 干旱胁迫对桑树叶片OJIP曲线的影响Fig.4 Effects of drought stress on OJIP transient in mulberry leaves

图5 干旱胁迫对桑树叶片标准化OJ和OK曲线的影响Fig.5 Effects of drought stress on normalized OJ and OK transient in leaves of mulberry

图6 干旱对桑树叶片标准化OJIP曲线的影响Fig.6 The effects of drought on normalized OJIP transient in leaves of mulberry

2.5 干旱对桑树叶片标准化OJIP曲线的影响

图6可以看出，将OJIP曲线按O-P标准化后可以发现，干旱胁迫增加了桑树叶片J点和I点的相对可变荧光(VJ和VI)。将干旱胁迫桑树叶片标准化O-P曲线与对照做差值可以发现，干旱胁迫使VJ的增加幅度大于VI。定量分析结果表明，干旱胁迫下桑树叶片VJ和VI分别增加了34.15%(P<0.01)和20.47%(P<0.01)。

3 结论与讨论

光合作用是植物获得物质和能量的重要代谢过程之一[19-20]，其经常受到外界条件变化的影响。光合作用可作为植物长势和抵抗逆境能力的参考指标[21]，植物水分供应情况直接影响其光合作用能力，水分亏缺导致光合能力下降，是干旱条件下农林业植物减产的主要原因之一[22]。叶绿素荧光被称为光合作用的探针，叶绿素荧光诱导动力学曲线可以反映环境因子对光合作用过程的影响[23]，目前已证明活体叶绿素荧光主要与PSⅡ有关。

本研究表明，在导致桑树叶片持续萎蔫的重度干旱胁迫下，桑树叶片中Chl (a+b)，Chl a和Chl b含量以及PIABS，Fv/Fo均明显低于对照组(P<0.01)，而Fv/Fm虽然较对照组低，但差异不显著(P>0.05)。Fv/Fm通常被作为逆境下PSⅡ光化学反应状况的叶绿素荧光参数，大多数植物叶片在非光抑制条件下的Fv/Fm约在0.8左右，物种之间差异较小。Christen等[24]、Oukarroum等[25]和Guha等[12]发现，桑树的Fv/Fm对干旱胁迫不敏感，原因在于该参数值的大小取决于Fo和Fm，如果这两者发生相同趋势的变化，其比值变化就不明显。在本试验中，干旱胁迫下Fo和Fm均表现出上升的趋势，所以Fv/Fm变化不明显。

综上所述，水分极度亏缺时，桑树幼苗叶片的PSⅡ反应中心活性显著下降，光抑制程度明显。其具体的阻遏原因在于干旱减弱了PSⅡ受体侧的电子传递能力，特别是抑制了QB接受电子的能力；降低了PSⅡ供体侧放氧复合体OEC的活性，加快了类囊体的解离速度，进而破坏PSⅡ的正常生理功能。

[1] 孙双印， 侯向阳， 卢欣石. 二十一世纪的绿色神奇功能饲料植物——饲料桑[J]. 中国奶牛， 2007 (2): 53-54.

[2] 张鸿， 胡兴明. 砧木对桑树耐旱性的影响[J]. 湖北农业科学， 2010， 49(4): 891-892.

[3] LAMBERS H， 兰伯斯， CHAPIN I F S， 等. 植物生理生态学[M]. 杭州: 浙江大学出版社， 2005.

[4] 王晓冬， 胡彦波， 李长海. 土壤干旱对真桦和白桦叶片光化学效率的影响[J]. 东北林业大学学报， 2012， 39(12): 44-46.

[5] 韩刚， 赵忠. 不同土壤水分下4种沙生灌木的光合光响应特性[J]. 生态学报， 2010， 30(15): 4019-4026.

[6] 陈志成， 王志伟， 王荣荣， 等. 桑树叶片光合生理性状对土壤水分含量和光照强度的响应[J]. 蚕业科学， 2012， 38(3): 375-380.

[7] 张会慧， 田褀， 刘关君， 等. 转2-Cys Prx基因烟草抗氧化酶和PSII电子传递对盐和光胁迫的响应[J]. 作物学报， 2013， 39(11): 2023-2029.

[8] 王梅， 高志奎， 黄瑞虹， 等. 茄子光系统Ⅱ的热胁迫特性[J]. 应用生态学报， 2007， 18(1): 63-68.

[9] 高玉， 高志奎， 张晓慧， 等. 通过快速荧光动力学曲线探测白黄瓜光系统Ⅱ的热激胁迫效应[J]. 生态学报， 2009， 29(6): 3335-3341.

[10] 朱成刚， 陈亚宁， 李卫红， 等. 干旱胁迫对胡杨PSII光化学效率和激能耗散的影响[J]. 植物学报， 2011， 46(4): 413-424.

[11] 闫海霞， 方路斌， 黄大庄. 干旱胁迫对条墩桑生物量分配和光合特性的影响[J]. 应用生态学报， 2012， 22(12): 3365-3370.

[12] GUHA A， REDDY A R. Leaf gas exchange， water relations and photosystem-II functionality depict anisohydric behavior of drought-stressed mulberry (Morusindicacv. V1) in the hot semi-arid steppe agroclimate of Southern India[J].Flora-Morphology，Distribution，FunctionalEcologyofPlants， 2014， 209(2): 142-152.

[13] APPENROTH K J， STOCKEL J， SRIVASTAVA A， et al. Multiple effects of chromate on the photosynthetic apparatus ofSpirodelapolyrhizaas probed by OJIP chlorophyll a fluorescence measurements[J].EnvironmentalPollution， 2001， 115(1): 49-64.

[14] LU C， VONSHAK A. Effects of salinity stress on photosystem II function in cyanobacterialSpirulinaplatensiscells[J].PhysiologiaPlantarum， 2002， 114(3): 405-413.

[15] 卢少云， 陈斯平， 陈斯曼， 等. 三种暖季型草坪草在干旱条件下脯氨酸含量和抗氧化酶活性的变化[J]. 园艺学报， 2003， 30(3): 303-306.

[16] STRSSSER R J， SRIVASTAVA A， GOVINDJEE. Polyphasic chlorophyll a fluorescence transient in plants and cyanobacteria[J].PhotochemistryandPhotobiology， 1995， 61(1): 32-42.

[17] 周自云， 梁宗锁， 李硕， 等. 干旱—复水对酸枣相对含水量， 保护酶及光合特征的影响[J]. 中国生态农业学报， 2011， 19(1): 93-97.

[18] 王晶英. 植物生理生化实验技术与原理[M]. 哈尔滨： 东北林业大学出版社， 2003.

[19] NGUYEN H T， LEIPNER J， STAMP P， et al. Low temperature stress in maize (ZeamaysL.) induces genes involved in photosynthesis and signal transduction as studied by suppression subtractive hybridization[J].PlantPhysiologyandBiochemistry， 2009， 47(2): 116-122.

[20] MURANAKA S， SHIMIZU K， KATO M. Ionic and osmotic effects of salinity on single-leaf photosynthesis in two wheat cultivars with different drought tolerance[J].Photosynthetica， 2002， 40(2): 201-207.

[21] 惠红霞， 李守明. 宁夏干旱地区盐胁迫下枸杞光合生理特性及耐盐性研究[J]. 中国农学通报， 2002， 18(5): 29-34.

[22] 任红旭， 王亚馥. 抗旱性不同的小麦幼苗对水分和NaCl胁迫的反应[J]. 应用生态学报， 2000， 11(5): 718-722.

[23] MAXWELL K， JOHNSON G N. Chlorophyll fluorescence-a practical guide[J].JournalofExperimentalBotany， 2000， 51(345): 659-668.

[24] CHRISTEN D， SCHONMANN S， JERMINI M， et al. Characterization and early detection of grapevine (Vitisvinifera) stress responses to esca disease by in situ chlorophyll fluorescence and comparison with drought stress[J].EnvironmentalandExperimentalBotany， 2007， 60(3): 504-514.

[25] OUKARROUM A， MADIDI S E， SCHANSKER G， et al. Probing the responses of barley cultivars (HordeumvulgareL.) by chlorophyll a fluorescence OLKJIP under drought stress and re-watering[J].EnvironmentalandExperimentalBotany， 2007， 60(3): 438-446.

[26] ŽIVCAK M， BRESTIC M， OLSOVSKA K， et al. Performance index as a sensitive indicator of water stress inTriticumaestivumL.[J].Plant，SoilandEnviroment， 2008， 54(4): 133-139.

[27] 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.

[28] 卢从明， 张其德， 匡廷云. 水分胁迫对小麦光系统Ⅱ的影响[J]. 植物学报， 1994， 36(2): 93-98.

[29] ETTWIG K F， BUTLER M K， LE PASLIER D， et al. Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria[J].Nature， 2010， 464(7288): 543-548.

[30] 綦伟， 谭浩， 翟衡. 干旱胁迫对不同葡萄砧木光合特性和荧光参数的影响[J]. 应用生态学报， 2006， 17(5): 835-838.

[31] 李庆亮， 谭伟， 薛明. B型烟粉虱危害对烟草叶片光系统II的影响[J]. 中国农业科学， 2012， 45(19): 3988-3995.

[32] STRASSER R J. Donor side capacity of photosystem Ⅱ probed by chlorophyll a fluorescence transients[J].PhotosynthesisResearch， 1997， 52(2): 147-155.

[33] 叶露幻， 沈唯军， 郑宝刚， 等. 两优培九剑叶衰老过程中光合膜功能及蛋白复合物的变化[J]. 作物学报， 2013， 39(11): 2030-2038.

[34] HENMI T， MIYAO M， YAMAMOTO Y. Release and reactive-oxygen-mediated damage of the oxygen-evolving complex subunits of PSⅡ during photoinhibition[J].PlantandCellPhysiology， 2004，45(2): 243-250.

(责任编辑 侯春晓)

Effects of drought stress on PSⅡ photochemical activity in leaves of Morus alba

TENG Zhi-yuan1， ZHANG Hui-hui2， DAI Xin1， HU Ju-wei1， ZHANG Xiu-li1，*， SUN Guang-yu1

(1.CollegeofLifeScience，NortheastForestUniversity，Harbin150040，China； 2.CollegeofResource&Environment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

mulberry; drought stress; photosystemⅡ; chlorophyll fluorescence kinetics

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.01.01

2015-05-27

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12543013)

滕志远(1992—)，男，山东招远人，硕士研究生，研究方向为植物生物科学。E-mail: 1005066076@qq.com

*通信作者，张秀丽，E-mail: xlz619@yeah.net

S888.2

A

1004-1524(2016)01-0001-08

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2016，28(1):1-8

滕志远， 张会慧， 代欣， 等. 干旱对桑树叶片光系统Ⅱ活性的影响[J]. 浙江农业学报， 2016， 28(1): 1-8.