三种常绿阔叶树光系统Ⅱ在低温胁迫下的光抑制及恢复

程冬梅　张志勇　周赛霞　彭焱松　张兆祥

摘要：  冬季低溫胁迫对亚热带常绿阔叶树光合活性的主要影响之一，体现在光合机构的低温光抑制。为了阐明冬季低温胁迫下常绿阔叶树光系统Ⅱ的光抑制程度及光保护机制，该文研究了冬季自然低温胁迫（零下低温冻害和零上低温寒害）对红叶石楠、枇杷和猴樟三种亚热带常绿阔叶树光合机构光系统Ⅱ（PSⅡ）光抑制的影响以及春季气温回暖后的恢复情况。结果表明：冻害和寒害低温胁迫使猴樟的PSⅡ活性显著降低，PSⅡ受到较严重的光抑制，低温胁迫解除后PSⅡ活性未能完全恢复。红叶石楠PSⅡ活性下降程度和光抑制程度最轻，春季PSⅡ活性显著上升，光抑制显著下降。枇杷PSⅡ活性和光抑制程度介于猴樟和红叶石楠之间。低温胁迫下红叶石楠的非光化学猝灭（NPQ）接近常温水平;枇杷的NPQ略有降低，春季恢复正常;猴樟NPQ最低，春季低温解除后仍不能完全恢复。此外，三种常绿阔叶树在冬季低温胁迫和春季恢复时期的NPQ与PSⅡ的光抑制程度存在显著的负相关关系。综合以上结果分析表明，冬季低温对红叶石楠PSⅡ影响不大，对枇杷有一定影响但春季气温回暖后可以及时恢复，对猴樟PSⅡ有显著的光抑制且恢复过程较慢，同时NPQ对保护常绿阔叶树PSⅡ免受冬季低温光抑制有重要的贡献。

关键词： 光合作用生理， 光系统Ⅱ， 光抑制， 低温胁迫， 非光化学淬灭， 光保护

中图分类号：  Q945.78文献标识码：  A文章编号：  1000-3142（2019）12-1666-07

Abstract：  The limits on photosynthesis of subtropical evergreen trees imposed by winter low temperature are mainly from photoinhibition of photosynthetic apparatus. To understand the extent of photoinhibition of photosystem Ⅱ （PS Ⅱ） and the mechanism of photoprotection of evergreen trees under winter low temperature stress， PS Ⅱ photoinhibition and recovery were studied in three broad-leaved evergreen tree species Photinia × fraseri， Eriobotrya japonica and Cinnamomum bodinieri. The results were as follows： PS Ⅱ of Cinnamomum bodinieri was severely depressed and suffered photoinhibition under freezing and chilling temperature， and function of PS Ⅱ was unable to fully recover at spring normal temperature. Photinia × fraseri showed the most unaffected PS Ⅱ function and the least photoinhibition， whereas the situation in Eriobotrya japonica was in the intermediate. Accordingly， Photinia × fraseri maintained the level of non-photochemical quenching （NPQ） almost as high as at normal temperature， and NPQ of Eriobotrya japonica showed a little decrease but recovered at normal temperature condition. Cinnamomum bodinieri displayed the lowest NPQ under low temperature and was unable to totally recover. Furthermore， all the three tree species showed a strong negative relationship between NPQ and PS Ⅱ photoinhibition， which was indicated by the maximum potential photochemical efficiency of PS Ⅱ （Fv/Fm） and the quantum yield of non-regulated energy dissipation of PS Ⅱ [Y（NO）]. Overall， the results demonstrate that Photinia × fraseri is more resistant to low temperature stress than Eriobotrya japonica and Cinnamomum bodinieri in terms of PS Ⅱ. At the same time， NPQ plays an important role for protecting PS Ⅱ of these trees from photoinhibition under low temperature.

Key words： physiology of photosynthesis， photosystem Ⅱ （PS Ⅱ）， photoinhibition， low temperature stress， non-photochemical quenching （NPQ）， photoprotection

低温是限制植物地理分布和生理活动的重要环境因素（Sharma et al.， 2005; Ensminger et al.， 2012）。低溫冻害和寒害不仅造成植物细胞水分结晶、渗透压改变、膜系统受损，还导致酶活性降低、代谢变缓、光合机构受氧化胁迫活性降低（Graham & Patterson， 1982; quist & Hüner， 2003）。叶绿体类囊体膜上的光合机构光系统Ⅱ（PSⅡ）对环境变化最为敏感（Aro et al.， 1993; Tyystjrvi， 2013），当植物在低温等环境胁迫条件下吸收和传递过剩光能，产生的大量活性氧使PSⅡ反应中心D1蛋白氧化损伤速率大于修复速率，导致光化学效率降低，引起光抑制现象（Vass & Cser， 2009; Sonoike， 2011; 杨万基等， 2018）。非光化学猝灭（NPQ）是植物应对氧化胁迫的重要防御机制，捕光天线复合物将吸收的过剩光能以热能耗散，避免活性氧的积累（Takahashi & Murata， 2008; Murchie & Niyogi， 2011; Pinnola & Bassi， 2018）。

不同于落叶树，常绿树在冬季仍保留叶片进行光合作用，低温使CO2固定相关酶活性降低，NADPH还原力积累，导致叶绿体内产生大量活性氧（Sharma et al.， 2005; Verhoeven， 2013）。因此，大部分松柏类常绿树在冬季PSⅡ活性显著降低，NPQ受调控显著上升（Bigras et al.， 2001; Derks et al.， 2015）。这种PSⅡ冬季持续性光抑制现象是植物应对冬季低温的一种重要的保护机制（quist & Hüner 2003; Míguez et al.， 2017）。近年来研究报道，零上低温对热带、亚热带常绿阔叶树PSⅡ发生显著的光抑制（胡文海等，2005; Huang et al.， 2010; Li et al.， 2018）。但是目前对红叶石楠（Photinia × fraseri）、枇杷（Eriobotrya japonica）、猴樟（Cinnamomum bodinieri）等亚热带常绿阔叶树在零下低温冻害后PSⅡ的光抑制程度以及NPQ在光保护作用方面的报道仍比较少见。本文主要研究了红叶石楠、枇杷、猴樟三种常绿阔叶树在低温冻害和寒害胁迫下PSⅡ的光抑制及活性恢复，并对NPQ在保护PSⅡ免受光抑制中的作用进行了探讨。

1材料与方法

1.1 植物材料

以江西省中国科学院庐山植物园分园鄱阳湖植物园（116°5.2′ E，29°40.5′ N，海拔25 m）种植的八年生成熟的红叶石楠（Photinia × fraseri）、枇杷（Eriobotrya japonica）和猴樟（Cinnamomum bodinieri）为研究材料，分别于2018年冬春季节低温胁迫和恢复期间上午09：00—11：00取向阳面同一位置成熟枝叶，暗适应30 min后立即用LI-COR 6800便携式光合仪对叶片进行叶绿素荧光测定。每种材料至少进行3个叶片重复观测。

1.2 温度条件

2018年1月27日至30日鄱阳湖植物园遭受连续降雪和冻雨导致的零下低温冻害;2月8日气温回升至零上低温寒害;4月9日气温基本恢复正常，可作为低温胁迫解除和光合活性恢复的对照条件。分别于1月30、2月8日、4月9日进行试验，三天的日最低气温分别为-5.3、4.5、9.2 ℃，日平均气温分别为-1.1、7.2、18.5 ℃。气温数据由植物园气象站观测获得。

1.3 叶绿素荧光检测

暗适应叶片观测最小荧光Fo和10 000 μmol photons·m-2·s-1饱和脉冲下最大荧光Fm，并计算PSⅡ潜在最大光化学量子产量Fv/Fm=（Fm-Fo）/ Fm。然后开启光化光，检测光适应时最小荧光Fo′、最大荧光Fm′和稳态荧光Fs，分别计算PSⅡ实际光化学量子产量Φ（Ⅱ）=（Fm′-Fs）/Fm′;PSⅡ相对电子传递速率rETR（Ⅱ）=光合有效辐射（PAR）× Φ（Ⅱ）×0.84×0.5;非光化学猝灭NPQ=（Fm-Fm′）/Fm′;qN=1-（Fm′-Fo′）/（Fm-Fo）;PSⅡ非调节性能量耗散量子产量Y（NO）=Fs/Fm。将叶片在0、25、50、100、150、300、500、1 000、1 500、2 000 μmol photons·m-2 ·s-1光合有效辐射下保持90～120 s，测得各叶绿素荧光参数的快速光响应曲线。

1.4 曲线拟合

根据Jasby & Platt（1976）的方程P=Pm×tanh （α×PAR/Pm）对rETR（Ⅱ）快速光响应曲线进行拟合。其中：α为曲线的初始斜率，反映了光能利用效率;Pm是拟合出来的潜在最大相对电子传递速率;半饱和光强Ik=Pm/α，反映了样品耐受强光的能力。曲线用最小二乘法通过Origin 8.5软件拟合。

1.5 数据分析

实验数据用Microsoft Excel 2015软件统计平均值和标准差，用Origin 8.5软件作图。

2结果与分析

2.1 PSⅡ的活性变化

图1为零下低温冻害（1月30日）、零上低温寒害（2月8日）和恢复（4月9日）时期红叶石楠、枇杷和猴樟PSⅡ实际光化学量子产量Φ（Ⅱ）和PSⅡ相对电子传递速率rETR（Ⅱ）的光响应曲线，以此来反映低温对PSⅡ活性的影响。结果显示，冻害使三种树PSⅡ的活性都受到不同程度的下降。红叶石楠冻害后Φ（Ⅱ）与恢复期接近，rETR（Ⅱ）保持较高水平，甚至高于恢复时期。枇杷冻害后的Φ（Ⅱ）和rETR（Ⅱ）比红叶石楠略低。猴樟PSⅡ受影响最严重，Φ（Ⅱ）和rETR（Ⅱ）最低。零上低温寒害下三种树的PSⅡ活性仍维持在冻害时期的水平甚至更低。春季气温回升至18.5 ℃后（4月9日），红叶石楠和枇杷Φ（Ⅱ）恢复至正常水平，而猴樟Φ（Ⅱ）与rETR（Ⅱ）不能全部恢复。对rETR（Ⅱ）快速光响应曲线进行拟合后，猴樟初始斜率α和最大光合速率Pm在低温胁迫时明显低于红叶石楠和枇杷，温度恢复后猴樟最大光合速率Pm和耐受强光的能力Ik仍然低于红叶石楠和枇杷（表1）。

2.2 PSⅡ的光抑制及恢复

图2显示了低温胁迫及恢复过程中三种树PSⅡ光抑制变化。冻害和寒害下红叶石楠维持较高的Fv/Fm和较低的Y（NO），表明PSⅡ仅受到轻微的光抑制，且在温度恢复正常后光抑制也完全恢复。冻害使枇杷的Fv/Fm和Y（NO）分别低于和高于红叶石楠，寒害下枇杷的PSⅡ光抑制有所减轻，气温恢复后PSⅡ的光抑制也得到完全恢复。冻害对猴樟的PSⅡ产生非常显著的光抑制，Fv/Fm和Y（NO）分别达到了最低和最高值，而且光抑制程度随着冻害的解除和冷害的持续而继续加深，直到气温恢复正常后光抑制程度才有部分恢复。

2.3 NPQ与PSⅡ光抑制的关系

非光化学猝灭（NPQ）是植物进行光保护的重要机制，可以通过叶绿素荧光参数NPQ和qN来反映。图3显示了红叶石楠、枇杷和猴樟在零下低温冻害、零上低温寒害和气温恢复时期叶绿素荧光参数NPQ和qN的光响应曲线变化。结果显示冻害和寒害胁迫下三种树的NPQ和qN均有不同程度的降低，气温恢复后NPQ和qN也随之得到不同程度的恢复。相对而言，冻害和寒害低温胁迫对红叶石楠的NPQ和qN影响较小，枇杷NPQ图 1红叶石楠、枇杷和猴樟在冻害（1月30日）、寒害（2月8日）、春季常温（4月9日）下PSⅡ活性变化和qN低于红叶石楠，猴樟的NPQ和qN最低。气温恢复后，红叶石楠和枇杷的NPQ和qN均恢复到较高水平，猴樟的NPQ和qN仍不能完全恢复。将冻害、寒害、正常温度三种条件下红叶石楠、枇杷和猴樟的Fv/Fm与500 μmol photons·m-2·s-1光合有效辐射下的NPQ、Y（NO）进行分析，发现三种树在三种条件下Y（NO）和Fv/Fm均与NPQ存在极显著的负相关关系，即PSⅡ光抑制程度与非光化学猝灭存在显著负相关（图4）。

3讨论与结论

冻害和寒害胁迫对越冬的常绿阔叶树的PSⅡ产生光抑制，是导致冬季树木光合活性下降的重要原因（Verhoeven， 2013）。低温光照条件下产生的活性氧对光合机构和其他生物大分子造成氧化损伤，不仅使光合作用活性下降，而且导致叶片黄化、褐化、坏死（Sharma et al.， 2005）。该试验对红叶石楠、枇杷、猴樟在冬季冻害和寒害低温胁迫下PSⅡ的光抑制和恢复进行了研究，证明冬季低温对三种亚热带常绿阔叶树PSⅡ造成的光抑制存在差异。综合而言，低温对红叶石楠PSⅡ的影响最小，枇杷次之，猴樟PSⅡ受到显著的光抑制且恢复较慢。 三种树的PSⅡ光抑制程度与NPQ的活性存在负相关。

研究证明，Fv/Fm和Y（NO）可以有效反映PSⅡ的光抑制程度（Baker， 2008; Huang et al.， 2010; Míguez et al.， 2015）。此次试验结果显示，三种常绿阔叶树在低温胁迫和恢复时期PSⅡ活性越高，Fv/Fm越高，Y（NO）越低，证实了这两个叶绿素荧光参数可以真实有效地反映PSⅡ光抑制的生理状态。红叶石楠在低温胁迫下PSⅡ活性未受显著下降，而rETR（Ⅱ）在春季气温恢复后却表现出下降（图1），原因可能是受恢复时期Φ（Ⅱ）光响应曲线随着光合有效辐射的增加而迅速下降所影响，因为rETR（Ⅱ）的计算结果由光合有效辐射和Φ（Ⅱ）共同决定。

尽管三种树在低温胁迫下PSⅡ活性下降程度不同，但Fv/Fm均表现出下降趋势，Y（NO）均有上升趋势，即PSⅡ都发生了不同程度的光抑制，这表明三种常绿阔叶树在冬季进行了PSⅡ持续性光抑制的保护机制。这个结果证实了Míguez et al.（2015）越冬常绿植物普遍在气温阈值为0 ℃ 发生PS Ⅱ持续性光抑制的结论。下一步研究低温胁迫对PS I光抑制的影响将进一步阐明PSⅡ与PS I在低温胁迫下的光抑制特性与相互关系。

综上所述，冬季冻害和寒害对红叶石楠、枇杷和猴樟三种亚热带常绿阔叶树PSⅡ产生不同程度的光抑制，而且非光化学猝灭的光保护机制对越冬常綠树种PSⅡ免受低温光抑制具有重要的生理学意义。

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