不同架式对阳光玫瑰葡萄叶绿素荧光特性的影响

杨 湘，苏学德，李鹏程，李 铭，郭绍杰，张锦强

(新疆农垦科学院林园所/库尔勒香梨种质创新与提质增效兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】葡萄(VitisviniferaL.)作为藤本植物，栽培架式的选择是重要的栽培管理技术措施之一，对平衡树体的营养生长和生殖生长具有重要意义，研究不同栽培架式叶绿素荧光特性的变化规律，分析栽培架式对树体的影响和叶片对光的适应性，对新疆阳光玫瑰葡萄架式的选择有重要意义。【前人研究进展】栽培架式决定叶幕类型，影响有效叶面积、叶幕光能的透射率和叶幕整体净光合效率[1]，单叶叶绿体超微结构、光合强度[2-3]，以及叶幕和果穗微域环境[4-5]，影响光合产物的合成与分配，影响树体整体长势[6]和植株新梢生长[7]，影响葡萄可溶性固形物[8]、可滴定酸[9]、总酚[10]、单体酚[11]、香气物质[12-13]等果实品质，亦影响葡萄丰产性[14]、埋土越冬性[15]、病虫害发生[16]等。立体棚架巨峰和红地球葡萄叶片受到的光抑制程度轻与平棚架和篱架，PSⅡ反应中心的破坏程度轻[17-18]；王生海[19]的研究表明，紫香无核葡萄高“厂”树形的光化学效率总体高于传统棚架。蒋丽丽等[20]研究发现，由于环塔里木盆地夏季光照充足，气温高，光热辐射强度大，和田红葡萄坐东朝西架式和坐西朝东架式叶绿素荧光变化不明显。【本研究切入点】叶绿素荧光技术是一种可以快速、非破坏性反映植物光和特性的技术[21]，利用叶绿素荧光技术，可以测定叶绿素荧光相关参数，从光合电子传递速率、能量转化等角度反应植物在不同环境下的光合能力[22-29]。2009年从日本引进的好贮运优良品种[30，31]，新疆兵团引种较晚，目前许多生理特征研究还不深入。需研究不同架式对阳光玫瑰葡萄叶绿素荧光特性的影响。【拟解决的关键问题】研究比较弓棚架飞鸟形树形和篱架树形的叶绿素荧光特征，分析在不同架式下叶片对光的适应性，为新疆地区种植阳光玫瑰葡萄种植提供部分指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2020年在新疆农垦科学院葡萄试验基地(44.27°N，85.94°E)进行。海拔443 m，夏季气候干旱，属典型的温带大陆性气候，温差较大，光热资源充足。试验田土壤质地为沙壤土，土壤容重1.417 g/cm3，田间持水量为25.35%。以6年生阳光玫瑰葡萄为试验对象，株行距为2×3.5(m)，栽培模式为弓棚架飞鸟形树形和篱架独龙干树形，东西行向，每一个结果枝留1穗果，新梢间距为15 cm。

1.2 方 法

选择长势良好的健康结果枝，标记果穗上第3片健康叶片。试验于2020年6月3日10:00～12:00测定，利用Mini-pam-Ⅱ调制叶绿素荧光仪(德国，WALZ公司)，分别测定弓棚架(Tp)两面平均值和篱架向阳面(Ts)和背阴面(Tn)的相关荧光参数，每个处理3个重复。待植株充分暗适应后(30 min)，测定暗下初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)和PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)。测定快速光曲线，打开光化光和饱和脉冲，测量叶片在光化光为(0，25，45，65，90，125，190，285，420，625，820，1 150，1 500 μmol/(m2·s))时的荧光特征参数：光适应下初始荧光(Fo′)、光适应下最大荧光(Fm′)、表观光合电子传递速率(ETR)、PSⅡ实际光化学效率(Y(Ⅱ))、光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)和PSⅡ能量分配策略，并快速光曲线拟合。

快速光曲线采用叶子飘等[32]建立的直角双曲线修正模型进行拟合，拟合取3个重复的平均值进行。拟合参数初始斜率α、最大电子传递速率(ETRmax)、饱和光强(PARast)在井冈山大学的软件“光合计算4.1.1”中计算，半饱和光强Ik利用公式(2)计算。

(1)

(2)

1.3 数据处理

用Excel 2007和SPSS 19进行数据分析，SigmaPlot 12.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同架式对暗适应下Fo，Fm，Fv/Fm，Fv/Fo的影响

研究表明，不同架式葡萄初始荧光Fo大小为Tp>Ts>Tn，Tp处理Fo分别比Ts和Tn高12.20%和20.36%(P<0.05)。Fm与Fo变化趋势相同，Tp处理最大荧光效率值最高，分别比Ts和Tn处理高于14.57%和39.27%，且3个处理间差异极显著(P<0.01)。弓棚架初始荧光Fo和暗下荧光Fm均高于篱架，具有更高的荧光强度。

不同处理Fv/Fm和Fv/Fo大小均为Tp>Ts>Tn，Tp、Ts处理的Fv/Fm比Tn处理高19.95%、17.05%，Fv/Fo处理分别高3.69%、3.31%，均显著高于Tn(P<0.01)，但Tp和Ts之间没有显著差异。弓棚架叶片PSⅡ有更大的光合作用能力和潜在活性，篱架阴阳两面光合作用能力和潜在活性差异较大。图1

2.2 不同架式对快速光曲线的影响

研究表明，利用直角双曲线修正模型拟合不同架式处理时葡萄叶绿素ETR对PAR强度变化的响应曲线，决定系数R2在0.996以上，拟合效果很好。不同架式处理PSⅡ初始斜率α大小为Tp(0.28)>Ts(0.24)>Tn(0.22)，弓棚架阳光玫瑰葡萄叶片光化学启动快，具有更高的光能利用效率。最大电子传递速率ETRmax与初始斜率α变化去是相同，Tp处理(73.04)最高，其次是Ts处理(64.29)，Tn处理(54.02)最低，弓棚架对阳光玫瑰葡萄叶绿素具有更高的光能利用能力。半饱和光强Ik大小为Ts(271.16)>Tp(257.35)>Tn(246.66)，篱架向阳面葡萄叶片对强光的耐受力更高，其次是弓棚架，最后是篱架背阴面。不同架式处理饱和光强PARast与Ik变化不同，其中Ts和Tn处理的饱和光强小于Tp处理(1 170.93)。弓棚架阳光玫瑰葡萄叶片光化学反应启动快，具有较强的光捕获能力和电子传递速率，改善了阳光玫瑰葡萄叶片的光合性能。表1

2.3 不同架式叶片荧光参数对PAR的响应

研究表明，ETR随PAR增大呈先上升后下降的趋势。随PAR增大，Tp和Ts处理ETR增加较快，Tn处理增加趋势相对较缓；PAR在420 μmol/(m2·s)时，各处理ETR增大趋于平缓，Tp(58.0)、Ts处理(52.6)高于Tn处理(42.9)，PAR处理增加到1 150 μmol/(m2·s) 时，各处理ETR值达到最大(Tp：73.3；Ts：65.6和Tn：51.2)，之后开始下降。弓棚架阳光玫瑰葡萄叶片电子传递速率明显高于篱架。Y(Ⅱ)随PAR增大呈下降趋势。各处理光量子效率为Tp>Ts>Tn；光合有效辐射PAR较低时，Tp、Ts和Tn处理随PAR增大快速下降，PAR达到820 μmol/(m2·s) 时光量子效率分别降低到0.204、0.187和0.149，之后Y(Ⅱ) 下降变缓，到最大光照强度时降为最低。因此可知，弓棚架阳光玫瑰葡萄叶片实际光量子效率Y(Ⅱ)明显高于篱架。图2

图2 不同架式阳光玫瑰葡萄快速光曲线拟合Fig.2 Fitting of fast light curve with different cultivation posture of Shine-Muscat grape

qP与PSⅡ反应中心的开放程度有关，各处理qP值随PAR增加呈下降趋势，在PAR小于285 μmol/(m2·s) 时，各处理qP值相差较大，均为Tn>Tp>Ts。PAR大于285 μmol/(m2·s) 时，Tp和Tn处理qP值差异不大，Ts处理最小。NPQ随PAR增大呈上升趋势，PAR低于190 μmol/(m2·s) 时，NPQ增加趋势较缓，当PAR高于190 μmol/(m2·s) 时，Tp和Ts处理NPQ值增大速率显著提高，但Tn处理增加较缓。弓棚架阳光玫瑰葡萄用于热耗散增加引起的荧光淬灭高于篱架。图3

图3 不同架式阳光玫瑰葡萄叶绿素荧光参数随PAR的变化Fig.3 Changes of chlorophyll fluorescence parameters with different cultivation posture of Shine-Muscat grape

2.4 不同架式对PSⅡ能量分配策略的影响

研究表明，不同架式阳光玫瑰葡萄吸收光能的能量分配趋势基本一致，即随PAR增加，Y(Ⅱ)逐渐下降，Y(NPQ)逐渐增加，Y(NO)呈相对稳定的小幅度下降趋势。在低光强(PAR为190 μmol/(m2·s))时，Tp、Ts和Tn处理的3种能量Y(Ⅱ)、Y(NO)和Y(NPQ)的分配比例是0.46∶0.40∶0.14，0.43∶0.48∶0.09，0.35∶0.62∶0.03；低光强下，葡萄吸收的光能主要通过光化学反应和发出荧光耗散能量，热耗散消耗能量极少。在高光强PAR为1 500 μmol/(m2·s)时，Tp、Ts和Tn处理的3种能量分配为0.12∶0.32∶0.57，0.10∶0.42∶0.48，0.08∶0.57∶0.35，但同时Tp用于光化学反应的能量消耗Y(Ⅱ)已下降到12%，而用于热耗散等的能量耗散Y(NPQ)增加到57%；阳光玫瑰葡萄吸收光能过剩，调节性能量耗散增强，将过多的光能以热的形式耗散出去，以避免植物出现光抑制。3个处理的Y(NO)分配均与低光强下没有明显差异，在较高光强下阳光玫瑰葡萄叶片光合机构没有受到损伤，且具有较强的光照适应性。光合有效辐射低于Tn饱和光强(PAR为820 μmol/(m2·s))时，Tp，Ts和Tn处理的3种能量分配比例是0.20∶0.32∶0.48，0.19∶0.42∶0.39，0.15∶0.58∶0.27。Tp(20%)和Ts(19%)光化学能量耗散Y(Ⅱ)高于Tn(15%)，弓棚架和篱架的阳面在适宜光强下有更高的光化学效率。图4

图4 不同架式阳光玫瑰葡萄PSⅡ能量分配变化Fig.4 Energy allocation strategy of PSⅡwith different cultivation posture of Shine-Muscat grape

3 讨 论

Fo是暗适应条件下光合机构全部PSⅡ中心都开放时的荧光强度，Fo荧光来自天线叶绿素a[33-34]，是PSⅡ所有反应中心均处于开放状态时的最小荧光强度[35]。Fm是暗适应条件下光合机构全部PSⅡ中心都关闭时的荧光强度，是标准的最大荧光[33]。Fv/Fm反映植物PSⅡ反应中心潜在光能转化效率，也反映植物潜在的最大光合能力[33,36]。Fv/Fo是没有直接表示效率，但其对效率的变化很敏感[33-34]，能反应PSⅡ潜在活性大小[36]。植物叶片在光照下进行光合作用时，只有部分电子门关闭，实时荧光F低于最大荧光Fm，即发生了荧光淬灭。荧光淬灭主要包括由光合作用增加引起的光化学淬灭(qP)和热耗散增加引起的非光化学淬灭(NPQ)[35,37]。弓棚架阳光玫瑰葡萄用于光合作用增加引起的荧光淬灭高于篱架。NPQ是叶绿体耗散热能量的途径，是光合机构的一种自我保护机制[38-39]。植物叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)吸收光能的主要三大去向为：用于光化学反应能量消耗(Y(Ⅱ))，主动形式的热耗散(Y(NPQ))，被动形式的的热和荧光耗散(Y(NO))；植物叶片通过在不同环境下调节能量分配进行光合作用及自我保护等[36]。

叶绿素荧光动力学技术能快速、无损伤的测定叶片光合功能，其参数与叶肉细胞光合作用中各种反应过程密切相关，是评估PSⅡ状态良好与否的指标[40-41]，经常被用于评价对光合机构的功能及其环境胁迫的影响[34,42]。试验研究发现，与篱架相比，弓棚架改善了阳光玫瑰葡萄叶片的叶绿素荧光特性，提高了Fv/Fo、Fv/Fm、Y(Ⅱ)、qP和NPQ，提高了叶片PSⅡ反应中心的开放程度，提高了潜在光化学活性、最大潜在光量子效率和实际光量子效率，增强了热耗散能力，维持反应中心的稳定性，葡萄叶片的光合能力得到改善和提高[43]。弓棚架Fv/Fm高于篱架，与赵海亮等[17]的研究结果相似，弓棚架PSⅡ反应中心受抑制的程度轻。

活跃化学能(ATP和NADPH)随电子传递速率(ETR)的增高而增多，为光合碳同化积累更多的能量，从而促进有机物的积累[44]，所以相对电子传递速率很大程度上反映了植物的光合作用[40]。研究结果表明，弓棚架阳光玫瑰葡萄叶绿素电子传递速率ETR和最大电子传递速率ETRmax均高于篱架，弓棚架葡萄叶片吸收的光能被利用的更多，形成更多的活跃化学能，促进光合碳同化作用[44-45]。篱架阳面的阳光玫瑰葡萄叶片具有低Ik和α的特点，其在低光强下的光能利用效率较高，可以在低光照下更有效的利用光能进行光能作用。根据ETR-PAR快速光曲线的拟合发现，与篱架相比，弓棚架阳光玫瑰葡萄叶片ETRmax、α和PARast均较高，光化学反应启动快，最大电子传递速率高，光合效率高，光饱和点高，弓棚架葡萄叶片具有较强的光捕获能力和电子传递速率，改善了阳光玫瑰葡萄叶片的光合性能。

植物叶片吸收的光能主要有3个去向：用于反应中心叶绿素分子的光化学反应、以荧光形式发射出去和以热的形式耗散损失[33]。叶绿素荧光产量下降称为荧光淬灭，荧光淬灭又分为光化学淬灭和非光化学淬灭。弓棚架qP和NPQ均高于篱架，用于光化学反应电子传递和用于热耗散的能量均高于篱架，光合能力高于篱架，能在一定程度上保护PSⅡ免受过剩光的伤害。篱架阴面qP高于阳面，但由于篱架阴面阳光玫瑰葡萄叶片光合反应中心光能捕获效率较低，光能利用率α低，电子传递速率低，半饱和光强Ik较低。

在光强较低时，Y(Ⅱ)较高，Y(NPQ)较低，随光强变化，Y(Ⅱ)降低，Y(NPQ)升高，Y(NO)变化不大，随光强增强，用于光合作用的能量减少；用于光合机构调节性的能量耗散增强，而Y(NO)未增加，保持相对稳定的分配比例，与林下不同生境头花蓼的能量分配相似[36]。在较高光强下，阳光玫瑰葡萄仍是通过增加热耗散能量进行光保护，而阳光玫瑰葡萄光合作用光合机构在较高光强时未受损，且具有较强的耐受强光的能力。在光强较强时，弓棚架Y(Ⅱ)、Y(NPQ)大于篱架，说明弓棚架时葡萄叶片具有更高的光化学效率和自我保护能力。不同架式下，阳光玫瑰葡萄光照适应范围较宽，光保护能力较强，在较低光强下提高PSⅡ的光化学作用提高光合能力，在较高光下以增加调节性热耗散避免叶片遭受光损伤[36]。

4 结 论

4.1Tp最大荧光效率分别比Ts和Tn高14.57%和39.27%，即弓棚架阳光玫瑰葡萄叶片叶绿素具有更高的最大荧光强度，潜在和最大光化学效率亦高于篱架，具有更高的光合能力。

4.2不同架式处理PSⅡ初始斜率α大小为Tp(0.28)>Ts(0.24)>Tn(0.22)，最大电子传递速率ETRmax亦是Tp(73.04)>Ts(64.29)>Tn(54.02),Tp饱和光强最高(1 170.93)，即弓棚架阳光玫瑰葡萄叶片光化学反应启动快，具有较强的光捕获能力和电子传递速率、光化学效率明显高于篱架；弓棚架光合作用增加、热耗散增加引起的荧光淬灭高于篱架；弓棚架阳光玫瑰葡萄叶片改善了阳光玫瑰葡萄叶片的光合性能。

4.3在低光强下，葡萄吸收的光能主要用于发出荧光、光化学反应能量耗散，主要通过提高光化学反应消耗吸收的光能；在较高光强时，降低光化学反应能量消耗，增加热消耗对PSⅡ进行光保护。随光强升高，Y(NO)分配比例变化不大，即较高光强下光合机构没有受到损伤，阳光玫瑰葡萄具有较强的光照适应性。