干旱胁迫下欧李叶片光系统活性与超微弱发光的关系

李树青，任鹏达，李连国，孙 聪，郭金丽

（内蒙古农业大学园艺与植物保护学院，内蒙古呼和浩特 010011）

生物超微弱发光（ultra weak luminescence）是自然界广泛存在的一种发光现象，除数量极少的低级生物，如一些藻类和原生物，大多数生物具有超微弱发光功能[1]。生物超微弱发光与生物体内代谢或损坏过程相关，是一种极其微弱的低水平化学发光，发光强度仅为10-14～10-9hv/（s·cm2），波长范围为180～800 nm[2]。已有研究表明，超微弱发光与动植物的代谢、细胞分裂分化、光合作用、信号传导、死亡及生长等基本生命过程相关[3]。超微弱发光分析技术存在灵敏度高、工作便捷、不破坏试验材料的特点，在农业、医学、食品领域都起着重大的引领作用，超微弱发光在农业方面的研究主要集中在检测种子的活力、加工贮存、防治病害、绿色蔬菜和食品应用等方面[4-7]。

欧李[Cerasus humilis（Bge.）Sok.]属蔷薇科樱桃属的矮生灌木果树，是我国独有的野生果树资源，分布范围主要集中在内蒙古、辽宁、河北、山东、山西等地[8]。欧李抗寒、抗旱、耐瘠薄，综合适应性极强；欧李果实营养丰富，钙、铁、VC、氨基酸的含量显著高于其他水果；欧李果实可鲜食，酸甜可口、香气浓郁，也可加工成果汁、果酒、红色素、仁用油等系列产品。

目前，关于欧李抗旱性及干旱胁迫对光合作用中光系统活性影响的研究已有报道[9]，但是，对于干旱胁迫下欧李超微弱发光强度（UWL）与光系统活性关系的研究未见报道。本试验以欧李为研究对象，通过研究干旱胁迫下欧李叶片超微弱发光强度（UWL）和光系统活性的变化，找出试验条件下欧李光系统活性与超微弱发光的关系，为植物超微弱发光的产生来源提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用材料为一年生欧李品种蒙原盆栽苗，试验地点为内蒙古农业大学欧李科研基地。

1.2 试验方法

选取长势基本一致的欧李盆栽苗进行干旱胁迫处理，处理前充分浇水，处理后不浇水，使土壤自然干旱；以正常浇水为对照。处理后每3 d 进行一次超微弱发光强度及光系统活性的测定，到第18天时停止测定。

1.3 项目测定

各处理分别采集欧李枝条从基部向上10～20片叶中的3片功能叶，放入冰盒迅速带回实验室测定UWL。选用超微弱发光测试系统（BPCL-2-SH，北京建新力拓科技有限公司），开机后预热30 min，将所取叶片用打孔器（10 mm）打孔，将圆形叶片叶面向下，平铺于测量杯底，打开窗户即可测定。连续测定5次，测量值分别减去本底后取平均值即为欧李叶片的UWL。

选择晴朗、无云的天气进行UWL 测定，光系统活性各项指标的测定使用泽泉科技有限公司生产的超便携式调制叶绿素荧光仪——MINI-PAM。每个处理随机选择5株，每株选取生长健壮、长势一致的欧李枝条，从枝条基部向上10～20片叶中选取1片功能叶，将叶片表面的灰尘擦拭干净，再用锡箔纸将待测叶片包裹以完全遮光，20 min后，测量其暗适应下的F0、Fm、Fv/Fm 等参数，然后打开锡箔纸，使叶片充分暴露在自然光下，活化5 min后测量其F0′、Fm′、Fv′/Fm′、qP、qN，每天8：00—11：00 测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 统计软件进行数据处理，用SPSS 10.0 软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下欧李叶片光系统活性的变化

2.1.1 最大荧光产量（Fm）的变化 最大荧光产量（Fm）是PSⅡ反应中心处于完全关闭时的最大荧光产量，可反映光合作用通过PSⅡ的电子传递情况[9]。由图1可知，随着干旱程度的加深，欧李叶片最大荧光产量呈现先升后降的趋势，处理在干旱胁迫结束时与胁迫前相比下降了1.38%；对照基本保持不变。在整个干旱胁迫过程中，胁迫下的最大荧光产量从第6天开始低于对照，在胁迫结束时比对照降低了12.76%，说明干旱胁迫抑制了PSⅡ的电子传送，降低了最大荧光产量。

2.1.2 PSⅡ潜在活性（Fv/F0）和最大光化学效率（Fv/Fm）的变化 Fv/F0和Fv/Fm 分别代表PSⅡ的潜在活性和PSⅡ光能的原初转化效率[10]。由图2、图3可知，随着干旱胁迫程度的加深，欧李叶片的PSⅡ潜在活性、最大光化学效率均呈先升后降趋势，胁迫前PSⅡ潜在活性、最大光化学效率分别为1.05、0.55，在胁迫后的第6天达到最大值，分别为3.49、0.77，在胁迫结束时分别为0.72、0.45，与胁迫前相比分别下降了31.43%、18.18%；对照基本保持不变。在整个干旱胁迫过程中，PSⅡ潜在活性从胁迫的第9 天开始低于对照，最大光化学效率在胁迫的第6天与对照接近，之后逐渐低于对照。在胁迫结束时，PSⅡ潜在活性、最大光化学效率相比对照分别降低了35.14%、12.76%，说明干旱胁迫会降低叶片的原初光能转化效率及PSⅡ的潜在光化学效率。

2.1.3 光化学淬灭系数（qP）与非光化学淬灭系数（qN）的变化 光化学淬灭系数（qP）表示PSⅡ天线色素把吸收的光能用于光合电子传递的份额，反映了PSⅡ反应中心的开放程度。由图4可知，随着干旱胁迫程度的加深，欧李叶片的光化学淬灭系数呈先升后降的趋势，在胁迫前为0.90，在胁迫后的第3 天达到最大值0.96，在胁迫结束时下降到最小值0.87，与胁迫前相比下降3.33%；对照基本不变。在整个干旱胁迫过程中，干旱胁迫下的光化学淬灭系数整体低于对照。

非光化学淬灭系数（qN）表示天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递，所以以热的形式耗散的部分，反映了植物的热耗散程度[11]。由图5可知，随着干旱胁迫程度的加深，干旱胁迫下欧李叶片的非光化学淬灭系数呈先降后升的趋势，胁迫前为0.53，胁迫结束时为0.56，与胁迫前相比上升5.66%；对照基本不变。在整个胁迫过程中，干旱胁迫条件下的非光化学淬灭系数整体高于对照，在胁迫结束时比对照高17.00%。

与对照相比，干旱胁迫条件下光化学淬灭系数下降，而非光化学淬灭系数上升，说明干旱胁迫使欧李叶片的PSⅡ天线色素吸收光能的分配方式发生了变化，用于光化学电子传递的部分减少，而以热形式耗散的部分增加。

2.1.4 天线热耗散能量（D）的变化 天线热耗散能量（D）为植物将获取的光能通过天线色素消耗的部分[12]。由图6可知，随着干旱胁迫程度的加深，欧李叶片的天线热耗散能量整体呈升高趋势，胁迫前为0.23，在胁迫后的第18天上升到最大值0.45，与胁迫前相比上升95.65%；对照基本不变。在整个干旱胁迫过程中，干旱胁迫下的天线热耗散能量整体高于对照，在结束时比对照高107.45%，说明干旱胁迫抑制了PSⅡ的功能，使植物将吸收的光能通过天线色素耗散的能量增加。

2.1.5 天线转化效率（Fv′/Fm′）的变化 天线转化效率（Fv′/Fm′）是PSⅡ有效光化学量子产量，反映开放的PSⅡ反应中心原初光能捕获效率[13]。由图7可知，随着干旱胁迫程度的加深，欧李叶片天线转化效率呈下降趋势，胁迫前为0.77，在胁迫后的第18天达到最小值0.55，相比胁迫前降低28.57%；对照基本保持不变。整个干旱胁迫过程中，天线转化效率整体低于对照，在结束时比对照低30.08%，说明干旱胁迫抑制了PSⅡ反应中心原初光能捕获效率。

2.1.6 相对光合电子传递效率（ETR）和实际光化学效率（ΦPSⅡ）的变化 相对光合电子传递效率（ETR）反映实际光强状态下表观电子传递效率，在某种程度上反映PSⅡ反应中心捕获电子效率[14]。由图8可知，随着干旱胁迫程度的加深，欧李叶片ETR 呈先上升后下降趋势，整体呈下降趋势，在胁迫前为10.83，胁迫第6天达到最大值13.33，第18天为10.43，相比胁迫前降低3.69%；对照基本保持不变。在整个干旱胁迫过程中，相对光合电子传递效率均低于对照，在胁迫结束时比对照低26.18%。

实际光化学效率（ΦPSⅡ）表示在光照条件下PSⅡ反应中心部分关闭状态下的实际原初光能捕获能力，表示叶片在电子传送能量时吸收光能的比例[15]。由图9可知，随着干旱胁迫程度的加深，欧李叶片实际光化学效率呈下降趋势，在胁迫前为0.18，胁迫第18天达到最小值0.10，与胁迫前相比降低44.44%；对照基本不变。在整个干旱胁迫过程中，实际光化学效率整体均低于对照，在结束时比对照低42.60%。

2.2 干旱胁迫下欧李叶片超微弱发光强度的变化

由图10可知，随着干旱胁迫程度的加深，欧李叶片的超微弱发光强度整体呈下降趋势，胁迫前为44.77 cd，在胁迫的第18天达到最小值20.56 cd，比胁迫前下降了54.08%；对照基本保持不变。在干旱胁迫过程中，超微弱发光强度均低于对照，在胁迫结束时比对照低57.85%，说明干旱胁迫会导致超微弱发光强度降低。

2.3 干旱胁迫下欧李叶片光系统活性与超微弱发光的关系

由表1可知，干旱胁迫条件下，超微弱发光强度与实际光化学效率呈极显著正相关（P＜0.01），与天线转化效率呈显著正相关（P＜0.05），与天线热耗散能量、非光化学淬灭系数呈显著负相关（P＜0.05），相关性依次降低。相关性分析表明，干旱胁迫下欧李叶片的实际光化学效率和天线转化效率下降，而天线热耗散能量和非光化学淬灭系数升高，从而导致光系统活性下降，而超微弱发光强度也下降，说明光系统活性与超微弱发光的产生有关。

3 讨论与结论

目前，对于超微弱发光的研究已经深入到激发机制。基于生物化学的观点，一些研究者认为，生活细胞在生化过程中产生的活性氧交叉作用，形成多种可辐射的活化状态是动植物超微弱发光的主要来源[15]。从生物物理角度出发，有些学者认为一个非常重要的光子辐射来源是DNA[16]，还有学者认为发光与能量转换有关[17-18]。孟亚芬等[19]在研究干旱条件下葡萄超微弱发光和光合特性的关系中推测超微弱发光的产生可能与光合作用有关。本试验在已有研究的基础上研究了光系统活性与超微弱发光的关系。

PSⅡ是植物叶绿体进行光合作用和能量转换的重要机构，其位于叶绿体类囊体的膜上，主要功能是进行电子传送与光合磷酸化耦联，将电能转化为活跃的化学能[19]。任何环境因子对植物光合作用的影响必然会影响植物对光能的接收、传达和转化，PSⅡ首先受到影响，并主要表现为光化学活性的变化[20]。因此，PSⅡ的活性体现了叶绿体的功能及其进行光合作用和能量转换的效率。

表1 干旱胁迫下欧李叶片超微弱发光强度与光系统活性各项指标的相关性分析

本试验以正常供水为对照，研究了干旱胁迫下欧李叶片光系统活性与超微弱发光强度的变化，探讨光系统活性与超微弱发光的关系。试验中随着干旱胁迫程度的加深，光系统活性指标最大荧光产量、PSⅡ潜在活性、最大光化学效率、光化学淬灭系数均下降，且均低于对照，尤其在干旱胁迫后期明显低于对照，说明干旱胁迫使欧李叶片PSⅡ反应中心受到损伤，导致其潜在活性和光能转化效率下降。随着干旱胁迫程度的加深，天线转化效率、电子传递效率、实际光化学效率亦表现为下降，且均低于对照，在干旱胁迫后期明显低于对照，说明干旱胁迫导致PSⅡ活性中心受到损伤，降低了其反应中心的电子捕获效率和光合电子的传递效率[21]。与此相反，非光化学淬灭系数和天线热耗散能量随着干旱胁迫程度的加深而升高，且均高于对照，表明在干旱胁迫条件下，光合器官的热耗散随干旱胁迫加剧而增加，光能转化效率和通过PSⅡ的能量减少，于是叶片通过提高热耗散降低吸收光能的转换效率，阻止过多的光能向PSⅡ递送，从而减少干旱胁迫对光反应中心的损害[22-23]。

以上各项指标的变化综合说明，与对照相比，干旱胁迫导致欧李叶片光系统活性下降。同时，随着干旱胁迫程度的加深，欧李叶片的超微弱发光强度也连续下降，说明欧李叶片的超微弱发光强度可以反映其受到干旱胁迫的程度。进一步的相关性分析显示，超微弱发光强度与实际光化学效率呈极显著正相关，与天线转化效率呈显著正相关，与天线热耗散能量、非光化学淬灭系数呈显著负相关。试验结果表明，欧李叶片的超微弱发光强度随着光系统活性的下降而下降，且两者具有显著的相关性，表明欧李叶片光系统活性应该与超微弱发光的激发有关，但光系统运转过程是如何激发超微弱发光的机制还有待研究。