典型岩溶湿地植物狭叶香蒲对钙胁迫的光合荧光响应*

彭 博 徐鸣洲 王 妍 王艳霞# 刘云根，2

(1.西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224;2.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室，云南 昆明 650224)

叶绿素荧光动力学作为一种非破坏性的评价方法，可以在胁迫环境下准确、快速地了解植物光合作用能量吸收、传递、耗散、分配，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”的特点[15]，在环境稳定或环境因素波动的情况下快速灵敏准确地研究和探测植物状况。本研究以岩溶湿地典型挺水植物狭叶香蒲为对象，研究了狭叶香蒲在高钙环境下的光合特征和响应，有助于进一步认识和了解挺水植物在湿地生态系统中的功能，为岩溶生态系统构建提供理论指导和技术参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试植物

狭叶香蒲系多年生草本植物，水生或旱生，根状茎呈乳黄色、灰黄色，前段白色。地上茎直立，粗壮，高1.2～2.5 m。在云南中部高原地区，狭叶香蒲生长周期较为稳定，幼苗期、花果期、枯黄期分别在4月中旬至6月上旬、6月中旬至9月下旬、10月上旬至12月上旬。本研究供试狭叶香蒲取自昆明市泛亚苗圃基地，挑选生长状况及培养时间相近的幼株，试验前先缓苗14 d。

1.1.2 供试土样

供试土样取自昆明市盘龙区海拔1 900 m的呼马山低洼沼泽地段表层(0～20 cm)，采样后土样在阴凉条件下自然晾干，通过锤碎、磨细后过4 mm筛备用，供试土样基本性质见表1。

表1 供试土样基本性质

1.2 试验设计

通过向供试土样中添加Ca(NO3)2·4H2O的方式，设置8个不同钙胁迫处理，分别为0(空白对照)、300、600、900、1 200、1 500、1 800、2 100 mg/kg，每个梯度设置3个重复。试验装置为圆柱形聚氯乙烯培养桶(半径8.0 cm，高23.0 cm)，每个桶中放置3.5 kg供试土样，灌水5 L，使土壤处于水淹状态，熟化2周后在每个培养桶中栽种性状基本一致的香蒲6株，模拟构建湿地植物-水-底泥体系。试验过程中每个处理组的光照、通风条件一致，白天培养温度(25±5) ℃，夜晚培养温度(15±5) ℃，试验共进行90 d，每30 d为一个周期，测定狭叶香蒲叶绿素含量和快速叶绿素荧光参数。叶绿素含量采用无水乙醇法(Amon法)提取并测定[16]；快速叶绿素荧光诱导动力学(OJIP)曲线由美国Opti-science公司生产的OS5P+便携式脉冲调制叶绿素荧光仪测取。

2 结果与分析

2.1 钙胁迫对狭叶香蒲叶绿素含量的影响

植物中叶绿素的含量在一定程度上反映了其光合作用的程度，叶绿素含量高，植物光合作用强，植物长势好[17]。此外，植物耐营养盐的特性也与植物叶片光合作用有密切联系，从而影响植物的生长[18]。由图1可见，在相同钙胁迫浓度下，培养时间对狭叶香蒲中叶绿素含量的影响呈现出不同的规律，在相对较低水平的钙胁迫(0～900 mg/kg)下，培养60 d的狭叶香蒲叶绿素含量最大，而在较高水平的钙胁迫(1 200～1 800 mg/kg)下，长时间的培养有助于植物抵抗钙胁迫，随培养时间延长，狭叶香蒲叶绿素含量逐渐增加。可见，狭叶香蒲生活在一定浓度的营养盐中，可使叶绿素增加和捕获的光能增加并进行较高效的光合作用，有助于植物生长。

图1 不同钙胁迫水平下狭叶香蒲的叶绿素质量浓度Fig.1 Mass concentration of Typha angustifolia L. chlorophyll under different levels of calcium stress

在相同培养时间下，狭叶香蒲中叶绿素含量随钙胁迫浓度的增加也呈现出不同变化趋势。对于培养30 d的狭叶香蒲，其叶绿素含量随钙胁迫浓度的增加总体呈下降趋势，在300～2 100 mg/kg的钙胁迫下，狭叶香蒲中叶绿素含量与空白对照组相比下降2%～51%；对于培养60、90 d的狭叶香蒲，随着钙胁迫质量浓度从300 mg/kg增至2 100 mg/kg，叶绿素含量总体呈先上升后下降的趋势。当培养60 d时，狭叶香蒲在900 mg/kg钙胁迫下叶绿素质量浓度最高，为29.18 mg/g，培养达90 d时的狭叶香蒲在1 200 mg/kg钙胁迫下叶绿素质量浓度最高，为32.67 mg/g，比相同培养时间下的空白对照组多出123%。

狭叶香蒲在中等钙胁迫(900～1 800 mg/kg)下开启自我防御机制，使其在长时间的胁迫过程中呈现一定的抗逆性，总体生长良好，叶绿素质量浓度增加；在高水平钙胁迫(2 100 mg/kg)下，不同培养时间的狭叶香蒲可以生存，但生长缓慢，叶绿素含量与空白对照组相比均显著降低(p<0.05)，表明狭叶香蒲自身调节能力具有一定局限，即调节能力存在一定的阈值，若超过阈值则无法正常进行生命活动，无法正常生长。AGASTIAN等[19]的研究指出，造成叶绿素含量降低的原因可能是高浓度钙胁迫打破了植物根系离子间平衡，从而限制了铁离子向原卟啉分子运输。叶绿素含量降低减少叶片对光子的捕获，进而降低光合机构受光氧化的破坏，这也是植物适应干旱和强光胁迫的一种光保护调解机制[20]。由以上分析得出，不同条件下，耐营养盐能力强弱与光合作用的强弱联系密切，叶绿素可作为观测高钙环境中挺水植物研究的一项重要指标。

2.2 钙胁迫对狭叶香蒲OJIP曲线的影响

植物的OJIP曲线可以反映植物光系统Ⅱ(PSⅡ)的原初光化学反应及光合机构电子传递状态等过程[21]。图2为培养30、60、90 d狭叶香蒲的OJIP曲线。由图2可知：(1)培养90 d的狭叶香蒲，在不同钙胁迫水平下荧光强度均迅速上升，在快速荧光0.1 s后达到1 500以上。(2)培养60、90 d的狭叶香蒲，在2 100 mg/kg钙胁迫下OJIP曲线初始斜率最低，此时光合电子最大传递效率较小，光合能力较弱。(3)随着培养时间的延长，不同水平钙胁迫下狭叶香蒲OJIP曲线差异变小，1 500～2 100 mg/kg处理组上升趋势较大。培养30 d的狭叶香蒲，不同水平钙胁迫下荧光强度有所差距；培养90 d的狭叶香蒲OJIP曲线趋势较集中。可见狭叶香蒲在长时间胁迫下通过自身调节应对不同浓度胁迫从而提高自身光合和捕获光子能力，且在不同胁迫水平下达到相近荧光强度，缓解叶绿素荧光产额下降，继续维持体内正常化学反应和生理机能。

图2 狭叶香蒲叶片在不同水平钙胁迫下的OJIP曲线Fig.2 The OJIP curve of Typha angustifolia L. leaves under different levels of calcium stress

2.3 钙胁迫对狭叶香蒲PSⅡ核心荧光参数的影响

参考文献[22]，计算狭叶香蒲PSⅡ在不同钙胁迫水平及不同培养时间下的最大光化学效率(Fv/Fm)，结果见图3。由图3可知，狭叶香蒲Fv/Fm平均值在0.616～0.842，总体变化较稳定。在300～1 200 mg/kg的钙胁迫下Fv/Fm基本持平在0.808～0.842，相比其他水平的钙胁迫处理，变化相对稳定。随着钙胁迫水平增加，Fv/Fm出现下降趋势并在2 100 mg/kg处理组出现最低值(0.616)。这是因为随着钙胁迫水平增加，狭叶香蒲内叶绿素含量降低，集光色素捕获的光子减少，使PSⅡ光反应中心有效光能转化效率下降，从而导致Fv/Fm下降[23]。Fv/Fm通常用来反映植物受外界胁迫的程度[24]，一般为0.80～0.85，当植物遭受胁迫后将明显下降。从图3可见，300～1 200 mg/kg钙胁迫下狭叶香蒲的Fv/Fm在正常区间，说明此浓度下挺水植物狭叶香蒲反应中心受损程度小，有较大光化学量子效率以进行光合作用；2 100 mg/kg钙胁迫下Fv/Fm显著降低，反映了PSⅡ反应中心电荷分离的实际量子效率降低，最终影响到自身生长。

图3 不同钙胁迫水平下狭叶香蒲的Fv/Fm变化Fig.3 Changes of Fv/Fm of Typha angustifolia L. under different levels of calcium stress

参考文献[25]，利用叶绿素荧光动力学参数计算狭叶香蒲PSⅡ在不同钙胁迫浓度下单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)、单位反应中心捕获的用于电子传递的能量(ET0/RC)以及单位截面用于电子传递的能量(ET0/CS)，结果见图4。在不同钙胁迫水平下，狭叶香蒲的ABS/RC与ET0/RC变化趋势相似。对于培养30 d的狭叶香蒲，随着钙胁迫水平增加，ABS/RC与ET0/RC总体呈上升趋势，并在2 100 mg/kg达到最大值，说明狭叶香蒲表现出较明显抗逆性。培养过程中，狭叶香蒲ET0/CS相对较高，900～1 200 mg/kg的钙胁迫处理下，狭叶香蒲ET0/CS基本维持在203.284～226.421，且培养时间对ET0/CS的影响不显著(p>0.05)。随着钙胁迫质量浓度提高到1 500 mg/kg，狭叶香蒲ET0/CS均达到相对低值，说明钙胁迫对于狭叶香蒲的生长发育产生阻碍作用，植物通过降低光能吸收，以保护光合器官不会受到破坏。进一步提高钙胁迫质量浓度，狭叶香蒲ET0/CS有所升高，且不同培养时间下的差异逐渐增大，可见植物已经逐渐适应高钙环境，启动维持自身生命活动的生理机制。

图4 不同钙胁迫水平下狭叶香蒲ABS/RC、ET0/RC和ET0/CS的变化Fig.4 Changes of ABS/RC，ET0/RC and ET0/CS of Typha angustifolia L. under different levels of calcium stress

综上得出，在不同钙胁迫水平下，狭叶香蒲的荧光参数存在相应变化，总体看来，900～1 200 mg/kg的钙胁迫下，狭叶香蒲在不同培养时间的荧光参数都较为稳定，1 800～2 100 mg/kg的钙胁迫下，狭叶香蒲荧光参数随着培养时间的变化出现波动且不稳定。

3 结 论

(1) 不同水平钙胁迫下，狭叶香蒲叶片叶绿素含量指标变化有较明显差异。狭叶香蒲在钙胁迫下导致生命活动和各种生理反应受到了阻碍，随着钙胁迫水平和培养时间的增加，叶绿素质量浓度最高可达32.67 mg/g。900～1 800 mg/kg的钙胁迫下培养一段时期后生长较良好，更高浓度钙胁迫(2 100 mg/kg)处理下，狭叶香蒲可以生存，但生长缓慢。因此在钙胁迫水平为900～1 800mg/kg外界环境中可以优先考虑建植挺水植物狭叶香蒲。

(2) 钙胁迫对香蒲OJIP曲线的影响明显，培养30 d的狭叶香蒲，不同水平钙胁迫下荧光强度有所差距，培养90 d的狭叶香蒲OJIP曲线趋势较集中，狭叶香蒲在胁迫环境中可在一定时间内通过自身调节来提高光合和捕获光子能力，缓解叶绿素荧光产额下降，继续维持体内正常化学反应和生理机能。

(3) 钙胁迫对狭叶香蒲的光合特性和叶绿素荧光参数影响明显，总体看来900～1 200 mg/kg的钙胁迫下，狭叶香蒲在不同培养时间的荧光参数都较为稳定，1 800～2 100 mg/kg的钙胁迫下，狭叶香蒲荧光参数随着培养时间的变化出现波动且不稳定。可见，随着钙胁迫时间增加以及胁迫水平增大，狭叶香蒲通过对自身调整以及电子传递限制，降低对PSⅡ的损伤，提高对钙胁迫的耐受性，但其自身调节具有一定能力局限，即调节能力存在一定的阈值，若超过阈值则无法正常进行生命活动。