氟铝互作对茶树叶片叶绿素荧光特性的影响

2019-10-15 05:21钟秋生林郑和郝志龙陈常颂陈志辉游小妹单睿阳
茶叶科学 2019年5期
关键词:光化学茶树叶绿素

钟秋生,林郑和,郝志龙,陈常颂*,陈志辉,游小妹,单睿阳

氟铝互作对茶树叶片叶绿素荧光特性的影响

钟秋生1,林郑和1,郝志龙2,陈常颂1*,陈志辉1,游小妹1,单睿阳1

1. 福建省农业科学院茶叶研究所,福建 福安 355015;2. 福建农林大学园艺学院,福建 福州 350002

为明确氟和铝对茶树[(L) O. Kuntze]叶片叶绿素荧光特性的影响,采用盆栽沙培的方法,设置不同浓度氟和铝互作处理,采用调制叶绿素荧光仪对其荧光各参数进行分析,结果发现,茶树幼苗在未添加铝的情况下,随着氟浓度的增加,的实际光化学量子效率Y()、最大荧光(F)、最大光化学效率(F/F)、光化学淬灭系数(和)降低。最小荧光、非光化学淬灭系数(和)、调节性能量耗散的量子产额Y()增加;在低铝水平下,随着氟浓度的增加,FF/F、Y()、和等值降低,而和升高,Fo、Y()和Y()值未达显著差异水平;在高铝处理下,随着氟处理浓度的增加,逐渐增加,Y()、F/F、值下降,Y()和值在低氟时(100 mg·L-1)显著升高。可见,当受到氟胁迫时,茶树叶片光合效率会降低;添加铝可以减轻对植株造成的伤害,在低铝水平下,对提高叶片光合效率的作用更加明显。

氟铝互作;茶树叶片;氟含量;叶绿素荧光

茶叶是一种风靡全球的保健饮品,与可可、咖啡并称当今世界的三大无酒精饮料。人们通过饮茶摄入具有保健功效成分的同时,也会摄入一些其他微量元素,如氟等。低剂量的氟可以对龋齿有很好的预防作用,如果过量则会引起人体氟中毒。边疆少数民族地区人类长期大量饮用含氟量较高的砖茶会出现饮茶型氟中毒[1-2];人体通过饮茶摄入铝是饮食摄铝的主要途径,而铝对人体而言也是一种毒害元素。曾有报道指出,饮茶型的氟中毒可能因砖茶同时伴有高铝而产生联合作用,即铝-氟联合中毒现象[3-4]。因此,针对茶叶中的铝和氟元素引起了人们日益的关注。

光合作用是高等植物从自然环境中获取能量以维持正常生命活动的主要方式,正常情况下,植物叶片叶绿素吸收的光能主要有3种途径消耗:光合电子传递、叶绿素荧光发射和热耗散,它们之间此消彼长,可以通过对荧光的观测来探究光合作用和热耗散的情况[5]。利用叶绿素荧光动力学方法可以分析逆境因子对光系统Ⅱ的破坏影响,其中包括光能的吸收、捕获光的能力、能量的分配比率和电子传递分配等[6]。因此,叶绿素荧光参数作为光合作用的有效探针,已被应用到研究和探测植物体内光合器官转运情况、光电子传递情况及植物对环境胁迫的响应等各方面。

近年来,在茶树逆境方面,国内外利用叶绿素荧光动力学方法研究主要集中在水分胁迫[7-8]、低温寒害[9-11]、光照抑制[12-13]、肥培缺氮[14-15]、酸雨[16]等方面的研究,但应用叶绿素荧光动力学方法来研究和探测氟及铝胁迫处理对茶树光合作用的影响方面的研究报道较少。董阳阳[17]等将茶树用氟持续胁迫培养30 d,发现当氟胁迫浓度超过10 mg·L-1时,F/F叶绿素荧光参数呈缓慢下降趋势;钟秋生等[18]对不同浓度的氟溶液处理的茶树叶片的叶绿素荧光特性进行研究,发现/CSPIPI等明显下降,而DI/CSDI/CS等参数大幅度增加;王小平[19]研究发现,在高氟低铝和高氟高铝处理中,茶树的FF/F、和可能由于高铝的施加而下降,从而导致活性氧清除能力降低,使受到了一定损伤。茶树嗜氟喜铝,两元素会按一定比例以一定的方式富集于茶树叶片等器官中,而氟与铝对植物光合作用都有较大影响。因此,本研究利用调制式荧光仪,通过研究不同浓度氟、铝相互处理下叶片叶绿素荧光参数FFF/F等的变化,以期为揭示茶树氟及铝毒害影响光合作用的机制以及对缓解茶叶氟的累积等的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料培养

试验于2016—2017年在福建省农业科学院茶叶研究所内开展。试验选生长一致的扦插瑞香茶[(L)O. Kuntze]苗(10月龄)的为试验材料,设12个处理,每个处理15盆,盆栽于装满沙的6 L花盆中,每盆3株,于自然温、光条件下培养。完全营养液参照文献[14]。每次处理每盆均施完全营养液约500 mL。移栽后预培养16周,然后进行不同浓度的氟铝互作处理,设置4个氟(NaF)处理浓度(0、100、600、1 200 mg·L-1)和3个铝Al2(SO4)3处理浓度[0(未添加)、3 mmol·L-1(低铝)、15 mmol·L-1(高铝)]进行正交互处理(表1),每周3次,处理8周后出现明显的症状,进行检测、取样工作。测定所用的叶片均为完全展开的成熟叶。

1.2 测定方法

1.2.1 植株干重的测定

植株收获后,用自来水冲洗干净,然后按根、茎、叶部分进行分开,每个处理6个重复,将鲜样在105℃下先烘30 min,再在80℃下烘48 h(至恒重),然后测定各部分的重量。

1.2.2 茶树各部位氟与铝含量的测定

茶树各部位氟含量测定参照氟离子选择电极法[20]:准确称取0.50 g过40目筛的茶样于100 mL聚乙烯离心管,然后加入0.1 mol·L-1高氯酸溶液25 mL,磁力搅拌器搅拌30 min,继续加入25 mL的TISAB缓冲液,插入氟离子选择电极和饱和甘汞电极,再搅拌30 min后读取平衡电位值,由校准曲线查找氟含量,对同一个样品做3次平行测定。

铝含量的测定采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[21]:称取样品0.2 g,加3 mL硝酸和2 mL双氧水,微波消解,程序升温:初始温度100℃,保持3 min;后以3℃·min-1升至130℃后保持5 min;再以14℃·min-1速率升至200℃后保持25 min;然后将消化液定容至25 mL,采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)上机测试。

ICP-MS工作条件:RF功率1 100 W,雾化气流量0.9 L·min-1,等离子气流量15 L·min-1,辅助气(氦气),溶液提升量0.3 mL·min-1;透镜电压6.80 V,模拟电压1 600 V,脉冲电压800 V,扫描方式为跳峰扫描,扫描次数为20次,测量方式为模拟加脉冲,重复3次。

1.2.3 叶绿素荧光参数测定

采用IMAGING-PAM型(PAM,Germany)调制叶绿素荧光仪,所有测定工作都在室温、植物暗适应3 h后开始。经过充分暗适应后,植物体内电子门均处于开放状态,当打开测量光得到初始荧光F,后增加一个饱和脉冲,所有的电子门就都将该用于光合作用的能量转化为了荧光和热,此时的叶绿素荧光即为最大荧光F。光照状态下打开饱和脉冲,电子门被完全关闭,光合作用被暂时抑制,光化学淬灭被全部抑制,但光下最大荧光值F'比F低,即存在荧光淬灭,这些剩余的荧光淬灭即为非光化学淬灭[22]。其他一些具体参数参照文献[23-24],计算方法见表2。

1.3 数据分析

所有分析试验均重复6次(不同盆中1株植株为1次重复),试验数据用DPS数据处理系统进行差异显著性(LSD法)分析。

表1 铝氟互作处理设计

2 结果与分析

2.1 氟铝互作处理对茶树生长的影响

在同一铝处理水平下,随着氟浓度的增加,植株叶片干重、根系干重和植株茎干重均呈降低的变化趋(图1)。随着铝浓度的增加,植株茎干重呈降低趋势(图1-C),而根冠比呈上升的变化趋势(图1-D);而在同一氟水平下,根冠比变化没有明显的规律性。

2.2 氟和铝互作处理对茶树叶片氟、铝含量的影响

从图2中可看出,各处理叶位的氟平均含量介于138.7~846.2 mg·kg-1,茎部位氟平均含量介于11~49.6 mg·kg-1,根部氟平均含量介于2.7~237.3 mg·kg-1。分析发现,随着供氟浓度的增加,茶树叶片、根、茎部位氟含量总体上均呈明显的增加趋势,尤其是叶部位和根部位,在同一铝水平下,随着氟处理浓度的增加各处理氟达到显著水平(图2-A、C);对铝含量分析发现,铝主要富集在茶树根部和叶部,茎部富集较少(图2-A、B、C)。叶位铝平均含量介于5 423~27 383 mg·kg-1,茎部位铝平均含量介于780~1 964 mg·kg-1,根部位铝平均含量介于2 526~10 639 mg·kg-1;在未添加铝的情况下,叶部铝含量随着氟浓度增加逐渐升高,而茎部和根部铝含量却呈逐渐降低的变化趋势;在低铝处理水平下,叶部位铝含量随着氟处理浓度的增加而显著增加;在高铝处理水平下,随着氟处理浓度的增加,茶树幼苗叶部、根部、茎部铝含量均呈增高的趋势。

表2 各荧光参数计算方法

注:每一点为6次重复的平均值±标准误,同一点标准误上字母不同者差异显著(P<0.05),下同

2.3 氟和铝互作处理对荧光参数Fo、Fm和Fv/Fm的影响

从图3-A看出,最小荧光F在未添加铝和高铝处理时,随着氟处理浓度的增加逐渐增加;在低铝水平时,各处理的F的参数值没有显著差异;最大荧光F值总体上在各铝处理水平下,随着氟浓度的增加呈降低趋势(图3-B);通过对比发现,茶树叶片在不同铝处理水平下,随着氟浓度的增加,最大光合效率F/F也呈下降趋势,尤其是在高铝浓度(15 mmol·L-1)水平下,高氟浓度(1 200 mg·L-1)与低氟处理浓度0、100 mg·L-1达到了显著差异水平。

图2 氟和铝交互处理对茶树不同部位氟和铝含量的影响

2.4 氟和铝互作处理对Y(Ⅱ)、Y(NPQ)与Y(NO)的影响

图4可看出,在同一铝水平下,随着氟处理浓度的增加,叶片实际光化学量子效率Y()呈降低的变化趋势,在未添加铝时,各处理间达到了显著水平,调节性能量耗散的量子产额Y()显著增加。总之,在未添加铝的情况下,茶树叶片参数Y()、Y()变化尤为显著(图4-A,图4-B);高铝浓度水平下,添加氟处理后,调节性能量耗散的量子产额Y()显著升高,但不同浓度氟处理间差异不显著;对叶片非调节性能量耗散的量子产额Y()变化对比发现,在低铝水平下,各氟处理浓度间没有显著变化,但总体上,Y()在未添加铝和高铝处理下的相应各处理均比低铝的数值高(图4-C)。

图3 氟铝互作处理对Fo、Fm与Fv/Fm的影响

2.5 氟和铝互作处理对NPQ、qN、qP与qL的影响

从图5中可看出,在不添加铝时,随着供氟浓度的增加,茶树叶片荧光参数与逐渐显著增加,且在4个处理间均达到显著水平,而参数和在随氟处理浓度的增加下依次降低,且在氟处理浓度为1 200 mg·L-1时降低显著(图5-C,图5-D);在低铝(3 mmol L-1)处理水平下,与均呈降低的变化趋势,而荧光参数和在4个氟处理浓度下总体呈升高的变化趋势;在高铝(15 mmol·L-1)处理下,与值表现相同的变化规律,即在氟处理浓度达到100 mg·L-1时显著增加,此时荧光参数和未见明显变化规律。

图5 氟铝交互处理对NPQ、qN、qP及qL影响

3 讨论

已有研究[25]表明,氟对植物具有一定毒害作用,累积过量会导致诸多负面影响。本研究发现,在同一铝处理水平下,随着氟浓度的增加,植株叶片、茎和根系干重均呈降低的变化趋势。说明氟对植株生长具有消极的影响;对茶树叶片、根和茎部位氟和铝元素含量分析发现,随着供氟浓度的增加,茶树叶片、根、茎部位氟含量总体上均呈明显的增加趋势,尤其是叶部和根部氟含量达到显著水平;在未添加铝的情况下,叶部铝含量随着氟浓度增加依次增高,而茎和根部铝含量却呈逐渐降低的变化趋势;在高铝处理水平下,随着氟处理浓度的增加,茶树植株叶部、根部和茎部铝含量均呈增高的趋势。这也进一步证实了:茶树在富集氟的同时也进一步大量富集了铝元素,不同浓度Al3+促进了氟在茶树叶部的富集[26]。氟和铝按一定比例络合并富集于叶片等器官中,消除了氟和铝本身的毒性,这可能是茶树高富集氟的重要生理机制[27]。

叶绿素荧光参数的变化体现了植物在光系统Ⅱ中对光能的吸收、传递、耗散和分配等的变化[28],通过对叶绿素荧光参数变化的检测可以反应植物的生长和胁迫状态等[29]。基础荧光F表示反应中心全部开放即原初电子受体QA全部氧化时的荧光水平,它可以表示逆境对作物叶片永久性伤害[30],F是反应中心的最大光能转换效率,当反应中心完全关闭时的荧光产量,代表着光化学活性的大小,是作物受到胁迫的重要敏感指标,其值越低可能是光抑制及损害越大[31]。本研究发现,最小荧光F在未添加铝和高铝处理时,随着氟处理浓度的增加,F逐渐增加;同时,最大荧光F值总体上在各铝处理水平下,随着氟浓度的增加呈降低趋势;说明茶树幼苗叶片在受到氟胁迫及氟和高铝互作处理下,其反应中心受到了一定程度的破坏或失活,从而产生光抑制现象。这与茶树叶片在缺氮[14]、受到低温胁迫[32]等的结果类似;同时,在添加一定量的铝后(低铝),此时F的没有发生显著的变化,说明此时胁迫有所缓解,使茶树的光合活性有所升高,这与王小平[19]的研究结果一致;F/F是的最大光化学效率,体现植物反应中心对光能的利用效率以及潜在的活性大小,是植物在胁迫条件下光合作用受到抑制程度的重要指标[33-34],本研究中,茶树幼苗叶片在不同铝处理水平下,随着氟浓度的增加,最大光合效率F/F都呈下降趋势,说明氟处理使茶幼苗反应中心利用光能的效率都逐渐降低。尤其是在高铝(15 mmol·L-1)水平下,高氟处理A3F4(1 200 mg·L-1)与低氟处理A3F1、A3F2(0、100 mg·L-1)间达到了显著差异水平。说明在高铝水平下,光系统受到破坏程度在逐渐加重,对其的潜在活性产生了显著影响。

本研究发现,的实际光化学量子效率Y()在同一铝水平下,总体均呈降低趋势,且未添加铝时,各处理达到了显著差异水平(图4-A)。说明此时低氟处理的叶片实际光合效率更高,单独氟胁迫已经使茶树叶片活性中心受损,光合作用原初反应过程受抑制,光合电子传递速率下降。而同时,调节性能量耗散的量子产额Y()显著的增加(图4-B);在添加铝处理后,随着氟处理浓度的增加,Y()并未继续表现出显著的降低趋势。此时调节性能量耗散的量子产额Y()变化规律未达显著水平;对叶片非调节性能量耗散的量子产额Y()变化对比发现,在低铝水平下,各氟处理浓度间没有显著变化,但总体上,Y()在未添加铝和高铝处理下的相应各处理均比低铝的数值高。由此进一步推测低剂量的铝的添加削减了氟元素对叶片的胁迫作用。在高铝高氟(A3F4)处理下,此时叶片非调节性能量耗散的量子产额Y()达到最大,且比单独铝胁迫(A3F1)还要大,分析原因可能是茶树受高浓度氟与铝同时胁迫下,叶片的保护性调节机制(如热耗散等)和光化学能量转换不足以将叶片吸收的所有光能完全消耗[35],说明入射光强超过了所能接受的程度,这时茶树可能已经受到损伤。

荧光猝灭是叶绿体耗散能量的一种途径,分为光化学猝灭和非光化学猝灭两种。光化学猝灭()表示反应中心将吸收的光能转化为化学能,同时反映了植株叶片的光合效率以及光合活性的高低[36],非光化学猝灭是过剩光能的指示计,植物主要通过跨膜质子梯度介导的叶黄素循环来耗散多余光能,还能够反映类囊体膜的激发状态。本研究分析和的变化规律发现(图5-A、C),在未添加铝的情况下,随着氟处理浓度的增加,茶树叶片的值下降,值持续增加,说明氟胁迫的电子传递活性减小,从而降低了茶树叶片的光合效率。而在添加了低铝(3 mmol·L-1)之后,茶树叶片值增加,值减小。此时说明添加低浓度铝有助于其光合效率的提高;在添加高浓度铝之后(15 mmol·L-1),随着氟浓度的增加,叶片继续受到胁迫(图5-A),值在低氟时显著增加,后又逐渐降低,但总体上,高铝水平下,添加氟的处理值均显著高于未添加的(A3F1);值变化仍然是随氟浓度的增加而降低。但高铝高氟处理(A3F4)和低铝高氟处理(A2F4)的值显著高于未添加铝的处理(A1F4)。以上分析也说明,在添加一定量的铝后,叶片所受的胁迫的确有所缓解,其光合效率和光合活性又有所提高。

是天线色素吸收的光能,以热耗散的形式散发的部分光能,不能用于光电子传递,它是植物的一种自我保护机制,对叶绿体能量状态的改变非常敏感[33]。目前被认为是环境胁迫的指针,已经被证明为检测早期胁迫最敏感的参数。光化学淬灭系数反映的是反应中心的开放程度大小。本研究发现:在未添加铝时,随着供氟浓度的增加,依次显著增加(图5-B),参数在4个氟处理浓度下依次降低,且在氟处理浓度达到1 200 mg·L-1处理时显著降低(图5-D)。此时说明氟胁迫下茶树叶片天线色素吸收的光能不能完全用于光合电子传递,很大部分用于热耗散,反应中心的开放程度逐渐减小,叶片受到了胁迫损伤;在低铝(3 mmol·L-1)处理水平下,均呈降低的变化趋势,而荧光参数在4个氟处理浓度下总体呈升高的变化趋势。可见低浓度铝对茶树氟胁迫具有缓解作用,从而使反应中心的开放程度逐渐变大。综上所述,本研究发现,茶树在受一定浓度氟胁迫时,光合效率会降低;铝的添加可以减轻对植株造成的伤害,尤其在添加低浓度的铝后,对提高叶片光合效率的作用更加明显。

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Effect of Fluoride and Aluminum Interaction on the Chlorophyll Fluorescence Characteristics of Tea Leaves

ZHONG Qiusheng1, LIN Zhenghe1, HAO Zhilong2, CHEN Changsong1*, CHEN Zhihui1, YOU Xiaomei1, SHAN Ruiyang1

1. Tea Research Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fu'an 355015, China;2. College of Horticulture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China

To study the effect of fluoride and aluminum intertreatment on the chlorophyll fluorescence characteristics of tea leaves, different concentrations of fluorine and aluminum were used and the fluorescence parameters were analyzed by modulated chlorophyll fluorescent instrument. The results found that: the actual photosynthetic efficiency Y(Ⅱ), the maximum (F), primary maximum photochemical efficiency ofsuch asF/Fand coefficient of photochemical quenching such asandof tea seedlings decreased with the increase of fluorine concentration without aluminum. But the non-photochemical quenching coefficients (),, non-photochemical quenching coefficient (and) and PSII regulated energy dissipation increased. At low aluminium levels,F,F/F, Y(),anddecreased with the increase of fluorine concentration, whileandincreased. There were no significant differences between the, Y) and Y() values at this time. Under high aluminium treatment, with the increase of fluorine treatment concentration, thegradually increased, Y(),F/F,decreased, Y() andincreased significantlyunder low fluorine concentration (100 mg·L-1). In short, for tea trees under fluorine stress, aluminum could reduce the damage to tea plants, especially under low aluminum level. The improving effects of photosynthetic efficiency were more obvious.

fluoride and aluminum interaction, tea leaves, fluorine content, chlorophyll fluorescence

S517.1;S151.9

A

1000-369X(2019)05-537-10

2019-02-23

2019-05-21

福建省自然科学基金(2016J01119)、福建省公益类科研院所专项(2018R1012-6)、国家茶叶产业技术体系(nycytx-19)、福建省农业科学院科技创新团队建设项目(STIT2017-1-3)

钟秋生,男,助理研究员,主要从事茶树品种选育与生理生化研究。*通信作者:ccs6536597@163.com

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