红叶石楠不同叶位和光照的叶片叶绿素荧光特征差异分析

景 琦，武悦萱，校思泽，胡小瑛，韩佳怡，王晶，张蓓蓓

(陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室/宝鸡文理学院地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013)

1 引言

光是植物进行光合作用最主要的因素，光合作用是生物生长最重要的生理机能［1］。叶绿素荧光与光合作用在自然条件下有着紧密的联系，它显示了反应中心及供体侧和受体侧所处的氧化还原状态，叶绿素荧光动力学可以反应环境因素对光合作用的影响［2-3］。叶绿素荧光技术是在无损条件下研究叶片光合机构，已普遍应用于植物生理研究［4-5］。快速叶绿素荧光技术可记录1S内植物荧光的瞬间变化，并呈现出OJIP 曲线形式［6］。OJIP 曲线有O、J、I、P 等相，根据这些相点的荧光特征可评估电子传递过程的量子效率等信息，实现无损条件下对植物光合性能的有效监测［7］。叶片是植物光合作用的主要器官，叶绿素荧光参数可以实时反应植物叶片中光化学反应活性及其自我保护能力［8-9］。

红叶石楠(Photinia fraseri)是景观植物中最常见的蔷薇科石楠属的常绿小乔木［10］，如今已被广泛的运用于城市以及校园，前人对农作植物叶片不同叶位的光合特性进行了大量研究［11-13］，而对景观植物不同叶位叶片的研究较少。对常用景观植物叶绿素荧光特性的分析具有很高的研究和应用价值。本文以陕西省宝鸡文理学院为试验地，对红叶石楠不同光照方位以及不同叶位叶片进行叶绿素荧光参数测定，分析其荧光参数之间的不同变化特征，为红叶石楠的培植管理和园林绿化提供一定的参考价值。

2 材料与方法

2.1 试验地概况与试验材料

试验地点为陕西省宝鸡文理学院高新校区，该地处于秦岭以北关中平原地区，气候类型为大陆性季风气候。供试材料为红叶石楠(Photinia fraseri Dress)。试验阶段天气晴朗、无风、干旱少雨，适合对植物叶绿素荧光参数的进行测定。

2.2 试验方法

于2018 年11 月5 日在园林中选择5 个健康无虫咬的5 龄单株，每株选取向阳面和背阴面的高、中、低三个高度发育正常的叶片各3 片(见表1)。于早上8:00～12:00，对植物叶片进行20 min 暗适应，使用德国Walz 公司生产的Mini-Imaging-PAM 叶绿素荧光仪对植物叶片进行叶绿素荧光快速诱导曲线(OJIP)的测定，同时得到的叶绿素荧光参数(见表2)。

表1 试验处理

表2 叶绿素荧光参数

3 数据分析

利用Excel2010 和SPSS 22.0 进行数据统计和分析，Origin 2018 进行作图，利用one way-ANOVA 进行单因素方差分析。

4 结果与分析

4.1 红叶石楠叶片Fv/Fo、Fv/Fm 及PIabs 的差异分析

可变荧光Fv 与最小荧光Fo 的比值Fv/Fo 代表光系统Ⅱ(PSⅡ)潜在活性［14］。由图1 可知，红叶石楠H1、H2 处Fv/Fo 值明显高于其余叶位，以H6 处为最低，说明在H1、H2 处PSⅡ活性为最强;并且向阳面由低位到高位Fv/Fo 值逐渐呈下降趋势，说明随着叶位的不断升高，光强逐渐增强，红叶石楠PSⅡ活性逐渐减弱;红叶石楠背阴面与向阳面之间Fv/Fo 值存在显著性差异，背阴面的不同叶位无显著性差异，向阳面的不同叶位之间存在显著性差异。

图1 红叶石楠叶片Fv/Fo、Fv/Fm 及PIabs 的差异分析

光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光能转化效率(Fv/ Fm)反映PSⅡ天线吸收的光能被反应中心捕获的概率［15］。由图1 可知，H1、H2 处Fv/Fm 值为最高，H6 为最低，向阳面由低位到高位Fv/Fm 值逐渐同样呈下降趋势，说明叶位越高，光照越强，红叶石楠PSⅡ天线吸收的光能被反应中心捕获的概率越大。并且红叶石楠向阳面与背阴面之间Fv/Fm 值存在显著性差异，背阴面的不同叶位无显著性差异，向阳面的不同叶位之间存在显著性差异。以吸收光能为基础的性能指数PIabs 是叶绿素荧光参数中最敏感的参数之一［16］，由图1 可知，红叶石楠的PIabs 值之间无显著性差异，以H1、H2 的值为最高。

4.2 红叶石楠叶片PSⅡ反应中心状态的差异分析

4.2.1 PSⅡ受体侧的差异分析 反映PSⅡ受体侧的变化的参数主要有:PSⅡ捕获能量从QA 传递到QB 的效率(ψo);用于电子传递的量子产额(φEo);用于热耗散的量子比率(φDo)等［17］。由图2 可知，红叶石楠叶片向阳面的φEo、ψo 和φDo 值比背阴面高，说明光照越强，红叶石楠叶片相对电子的传递速率越快、用于电子传递的量子产额越大以及用于热耗散的电子越多，并且向阳面与背阴面叶片之间存在显著性差异;红叶石楠向阳面和背阴面叶片由高位到低位，φEo 和ψo 值都大致呈下降趋势，说明随着叶位的降低，植物叶片相对电子的传递速率越慢、用于电子传递的量子产额越小以及用于热耗散的电子也越少，但是不同叶位之间的受体侧参数没有显著性差异。植物叶片的φEo、ψo 和φDo 值整体上以H1 处为最低，H6 处的值为最高。

图2 红叶石楠PSⅡ受体侧的差异分析

4.2.2 比活性参数的差异分析 比活性参数可以更准确的反映植物叶片对光能的吸收、转化和耗散等状况［18］。比活性参数主要有表示单位激发态面积反应中心数目(RC/CSo)、吸收的光能(ABS/CSo)、被反应中心捕获的光能(TRo/CSo)、用于电子传递的能量(ETo/CSo)和用于热耗散的能量(DIo/CSo)［19］。由表3 可知，红叶石楠H1处的RC/CSo、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo 都为最大，H6 处的值为最小;植物向阳面叶片RC/CSo、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo 高于背阴面叶片，并且RC/CSo、ABS/CSo 和TRo/CSo 有显著差异;随着叶位的不断升高，RC/CSo、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo 普遍都呈下降趋势，DIo/CSo 差异不打。对比F 值可以看出，各处理间的RC/CSo、ABS/CSo 和TRo/CSo 值有极显著差异，ETo/CSo 有显著差异，DIo/CSo 没有差异，其中以RC/CSo 差异最大。

表3 比活性参数的差异分析

图3 红叶石楠叶片植物叶绿素荧光快速诱导曲线特征分析

4.3 红叶石楠叶片叶绿素荧光诱导动力学曲线特征分析

植物叶绿素荧光快速诱导曲线(OJIP)可以反映出大量关于PSⅡ反应中心原初光化学反应的信息，通常植物叶绿素荧光快速诱导曲线会出现O，J，I，P 4 个拐点［20］。从图3(A)可知，6 种处理下的OJIP 曲线在O 点处的没有明显差异。在J 点处(2ms)，H4、H5 处的荧光值差异较小，其他叶位处的荧光值差异较大，其中H1 处的荧光值明显高于其他叶位，以H6 处的荧光值为最低，并且植物向阳面没有明显的J 相。在I 点处(30ms)，H1 处的荧光值显著高于其他叶位，以H6 处的荧光值最小。在P 点处，荧光值最为稳定，也是最大荧光Fm，荧光值大小表现为:H1 ＞H2 ＞H3 ＞H4:＞H5 ＞H6，植物向阳面到达P 相的时间早于背阴面。6 种不同叶位下的红叶石楠叶片的OJIP 曲线从O 点到P 点的变化规律大致相同;自J 点处起，6 种不同叶位的红叶石楠叶片的荧光值差异逐渐增大。并且红叶石楠背阴面处的荧光值普遍高于向阳面。

图3(B)为相对可变荧光(Vt)标准化后的OJIP 曲线，Vt 标准化后所得的OJIP 曲线更加准确，能够各种物理和人为因素的影响，Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)(Ft 指实时荧光参数值)［21］。从图中可知，植物阴面的OJIP 曲线有明显的J、I、P相，但阳面三个叶位没有明显的J、I 相。J 相的荧光强度升高是大量积累了由于QB 不能及时接受来自QA-的电子;I 相是由于快还原型PQ 库被完全还原造成的［22］。综合说明，红叶石楠阴面电子传递速率与过程较快于阳面，低叶位处传递电子的速率与过程也快于其他叶位。

5 结论与讨论

红叶石楠的Fv/Fo 和Fv/Fm 值背阴面普遍高于向阳面，说明，随着光强的升高，PSⅡ活性和PSⅡ最大光能转化效率逐渐降低;低叶位的Fv/Fo 和Fv/Fm 值普遍高于高叶位，说明随着叶位的不断升高，PSⅡ活性和PSⅡ最大光能转化效率也呈降低趋势;Fv/Fo 和Fv/Fm 值以H1 和H2 处为最高，说明H1 和H2 处受到的胁迫程度最小。PIabs 是比Fv/Fm 对逆境和胁迫的反应更加灵敏的指数［23］。综合PIabs 说明红叶石楠背阴面和低叶位处对光能的利用和光合性能都强于向阳面和高叶位处，其中以H1 和H2 处的光合性能为最强。

红叶石楠叶片随着叶位的不断升高，PSⅡ受体侧参数φEo、ψo 和φDo 都呈增长趋势，说明叶位越高，叶片用于传递电子的速率越高，用于热耗散的电子也越多;植物向阳面用于传递电子的速率以及用于热耗散的电子明显高于背阴面，并且有显著性差异。

红叶石楠光强和叶位的升高，单位激发态面积反应中心数目(RC/CSo)下降，使得吸收的光能(ABS/CSo)随之降低，导致单位叶面积用来还原QA 的激发能量(TRo/CSo)和用于电子传递的能量(ETo/CSo)减少;单位面积用于热耗散的能量(DIo/CSo)没有显著性差异，说明光强并没有对叶片的热耗散没有较大的伤害。

通过OJIP 曲线可以看出红叶石楠叶片的PSⅡ光合变化，6 种处理下红叶石楠向阳面与背阴面有差异，向阳面的OJIP 曲线没有明显的J 相和I 相。从J 点到I 点之间H1 处叶片PSⅡ反应中心捕获的能量中电子传递比例较高，电子从QA-向QB 传递过程中用于耗散的能量较小。相对荧光OJIP 曲线红叶石楠与向阳面也没有明显的J相和I 相，向阳面与背阴面的OJIP 曲线有差异，但是叶位之间没有明显的差异，说明光照变强可能对红叶石楠叶片造成了一定的损伤。

综上所述，随着叶位和光照强度的下降，红叶石楠叶片的叶绿素荧光参数以及叶绿素荧光快速诱导曲线大致呈上升的趋势。在试验中。H1 处的红叶石楠叶片叶绿素荧光特性为最佳，从而推断在背阴低位处红叶石楠的长势最好。但在试验过程中，植物可能会受到夜景光照的影响，对试验结果有一定的影响，在以后试验中，将结合夜景光照分析红叶石楠生长最适的高度和光照环境。