鄭波 高志民

(國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心 國家林業(yè)局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點開放實驗室 100102 北京)

竹子是重要的森林資源，目前已經(jīng)成為木材資源的有益補充，在發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟和生態(tài)保護中都發(fā)揮著重要作用。竹子主要分布在低緯度的熱帶或亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，種植區(qū)在春、夏、秋季常持續(xù)出現(xiàn)高溫高光天氣，會直接影響竹子的生長，因此,研究光照對竹子光合作用的影響對于提高其對光能的利用效率具有重要意義。

在光合作用過程中，綠色植物利用光能將水和空氣中的二氧化碳合成碳水化合物并釋放氧氣,光合作用是植物光合器官利用光能驅(qū)動合成有機化合物的復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。然而，過量的光能會抑制光合作用，降低光合效率，即光抑制，嚴(yán)重時還會造成光合機構(gòu)的光氧化破壞[1]。為適應(yīng)復(fù)雜多變的光脅迫環(huán)境，竹子形成了多種保護機制，其中非光化學(xué)猝滅(NPQ)是最為重要的自我保護機制之一，即光合機構(gòu)通過熱耗散將吸收的過剩光能以熱的形式耗散掉，從而緩解環(huán)境對光合作用的不良影響，對光合結(jié)構(gòu)起一定的保護作用。由于熱耗散不是把能量用于光化學(xué)反應(yīng)，所以也被稱為非光化學(xué)猝滅(NPQ)，NPQ反映了植物耗散過剩光能為熱的能力和光保護能力。

研究表明，植物對光強的反應(yīng)與它在光下通過非光化學(xué)猝滅增加耗散過剩光能的能力有密切關(guān)聯(lián)[2]。表觀光合電子傳遞速率（ETR）反映光照條件下的表觀電子傳遞效率, 與植物凈光合速率呈顯著正相關(guān)[3]。ETR還與光合作用中的循環(huán)式光合電子傳遞和抗壞血酸的電子傳遞過程有關(guān)[4]。研究竹子NPQ與ETR的變化規(guī)律，對于揭示竹子的光防御機制和光能利用效率具有重要意義。

因此，本研究利用葉綠素?zé)晒鈨x對毛竹苗期的葉綠素?zé)晒鈪?shù)NPQ和ETR進行了測定，目的在于揭示竹子光合機構(gòu)在不同光照強度條件下NPQ和ETR的變化規(guī)律,為尋求合理的種苗培育條件提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

通過購買毛竹種子，在本實驗室播種于直徑為10cm的塑料盆中，以蛭石為培養(yǎng)介質(zhì)，用1/3 B5培養(yǎng)液培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25℃，光周期為光/暗=16h/8h。6個月的實生苗用于試驗。

1.2 實驗方法

采用Imaging-PAM(WALZ，德國)測定毛竹實生苗的葉片非光化學(xué)猝滅(NPQ)和表觀光合電子傳遞速率（ETR）。將葉片經(jīng)過黑暗適應(yīng)12 h后，采用不同的光照強度（0、5、100、200、300 … 1800 μmol.m-2s-1）處理，分別獲取葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，每個光照強度處理時間為1min。另外，將葉片經(jīng)過黑暗適應(yīng)12h后，用低強度的光（200μmol.m-2s-1），進行葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化的測定時（每隔20s測定一次），所有指標(biāo)測定均重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照強度下NPQ和ETR的特征

有研究表明植物體可以通過LHCⅡb的可逆磷酸化過程遷移在光系統(tǒng)Ⅰ與光系統(tǒng)Ⅱ之間，動態(tài)分配兩個光系統(tǒng)的激發(fā)能，當(dāng)從優(yōu)先激發(fā)光系統(tǒng)Ⅱ轉(zhuǎn)向優(yōu)先激發(fā)光系統(tǒng)Ⅰ時，一個激酶系統(tǒng)活化并磷酸化一部分LHCⅡb，并與光系統(tǒng)Ⅰ結(jié)合[5,6]。毛竹葉片經(jīng)過12h暗適應(yīng)后，測量其在不同的光照強度下的NPQ，結(jié)果表明：隨著光照強度的逐漸增加，NPQ也隨之呈現(xiàn)上升的趨勢（圖1）。表明隨著光照強度的增加，激發(fā)能由光系統(tǒng)Ⅱ向光系統(tǒng)Ⅰ分配比例增加，光系統(tǒng)Ⅱ的熒光逐漸降低，相對NPQ不斷增加。

圖1 NPQ隨光照強度的變化

圖2 ETR隨光照強度的變化

圖3 NPQ隨時間的變化

圖4 ETR隨時間的變化

ETR則呈現(xiàn)先上升，約在600μmol.m-2s-1時達(dá)到最大值，即到達(dá)光飽和；之后平穩(wěn)下降，至1100μmol.m-2s-1后迅速下降，當(dāng)光照強度達(dá)到1700μmol.m-2s-1時降至為零，說明電子傳遞終止（圖2），明顯抑制毛竹葉片光化學(xué)反應(yīng)啟動速率，降低毛竹葉片光能利用率。在低光條件下（＜600μmol.m-2s-1），ETR基本隨著光照強度的增大而呈線性增加，但在較強的光照下這種增加變緩并且電子傳遞能力逐漸達(dá)到飽和（600μmol.m-2s-1），光照再增加，ETR開始逐漸下降，從1100μmol.m-2s-1之后迅速下降，至1700μmol.m-2s-1將為零。

2.2 較低光照強度下NPQ和ETR的特征

用低強度的光（200μmol.m-2s-1）處理后，毛竹葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定結(jié)果表明，在弱光下光化學(xué)反應(yīng)能量相對份額下降最小，使得NPQ份額相對增大，但弱光下NPQ和ETR較強光（600μmol.m-2s-1）下均有所下降，其中NPQ則呈現(xiàn)先上升，在20～80s內(nèi)迅速達(dá)到最大值，之后逐漸下降，至380s時趨于平穩(wěn)（圖3）。表明暗適應(yīng)后，在幾十秒內(nèi)低強度的光尚未用于光化學(xué)反應(yīng)即通過非光化學(xué)淬滅而釋放，隨著時間的延長，光化學(xué)反應(yīng)能量相對份額逐漸增加，NPQ份額逐漸下降并趨于平穩(wěn)。

ETR則呈現(xiàn)先迅速上升，在20～40s時略有下降，40s之后又逐漸上升，至380s時趨于平穩(wěn)（圖4）。弱光下生長的毛竹葉片的電子傳遞速率的光飽和點低于強光照下的葉片，相應(yīng)的飽和電子傳遞速率也較低，光能利用能力也較低，其非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ也明顯降低，而其光能吸收能力增強，但較低的光能利用能力和過剩光能耗散能力導(dǎo)致其容易發(fā)生光抑制甚至光破壞。

3 小結(jié)與討論

光合作用過程的各個步驟密切偶聯(lián)，因此任何一步的變化都會影響到光系統(tǒng)II從而引起熒光變化，也就是說通過葉綠素?zé)晒鈳缀蹩梢蕴綔y所有光合作用過程的變化，因此，葉綠素?zé)晒馐枪夂献饔玫挠行结榌7,8]，是研究脅迫條件下毛竹光合作用的有效工具。

研究表明，活體葉綠素?zé)晒庵饕獊碓从诠庀到y(tǒng)Ⅱ（不是光系統(tǒng)Ⅰ），熒光產(chǎn)量與其他兩種激發(fā)途徑（光化學(xué)和熱耗散）密切相關(guān)，光合能力轉(zhuǎn)換和熱耗散都能降低熒光產(chǎn)量。在自然環(huán)境中，各種環(huán)境因子更為復(fù)雜，竹子對環(huán)境的適應(yīng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。光適應(yīng)可以導(dǎo)致光合器官發(fā)生顯著的變化，這可以明顯促進光合活性（電子從光系統(tǒng)Ⅱ向后傳遞的速率增加）。飽和脈沖可以暫時關(guān)閉光系統(tǒng)Ⅱ，此時熒光猝滅只由熱耗散引起。在飽和脈沖的幫助下，光系統(tǒng)Ⅱ的量子產(chǎn)量可以在1秒內(nèi)得出。暗適應(yīng)狀態(tài)下得到的光系統(tǒng)II的量子產(chǎn)量最大，此時所有光系統(tǒng)Ⅱ處于開放狀態(tài)，并且熱耗散最小。暗適應(yīng)的葉片照光后，熒光產(chǎn)量先迅速上升隨后緩慢下降（Kautsky效應(yīng)），而光系統(tǒng)Ⅱ的量子產(chǎn)量首先迅速下降隨后緩慢上升。在較低的光照強度下，電子傳遞速率和光照強度基本呈線性關(guān)系，但在較強的光照強度下此線性關(guān)系不復(fù)存在，并且電子傳遞速率會達(dá)到飽和。由此表明，引起毛竹光抑制的原因除了NPQ之外，分配給光系統(tǒng)Ⅱ能量增加后進一步促進光系統(tǒng)Ⅱ可逆失活是非常重要的因素。

[1]Demming-Adams B,Adams WWⅢ.Photoprotection and other responses of plants to high light stress,Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 1992, 43: 599-626

[2]夏麗,陳貽竹.鹽藻葉綠素?zé)晒夥枪饣瘜W(xué)猝滅產(chǎn)生的條件和主要組分的檢測。海洋與湖沼，2000，31（5）：448-505

[3]Iacon K J. The measurement of chlorophyll fluorescence as a tool to evaluate the photosynthetic performance of grapevine leaves.Acta Hortic. 1999, 493 , 31-44.

[4]Murchie E H, Chen Y Z, Hubbart S (1999).Interactions between senescence and leaf orient at indetermine in situ patterns of photosynthesis and photoinhibition in field grown rice. Plant Physiol 119, 553-563.

[5]Allen, J.F. and Forsberg, J. Molecular recognition in thylakoid structure and function.Trends in Plant Sci. 2001, 6: 317-326

[6]Wollman, F.A. State transitions reveal the dynamics and flexibility of the photosynthetic apparatus. EMBO J. 2001, 20: 3623-3630

[7]Papageorgiou G C. and Govindjee. Chlorophyll a fluorescence : a signature of photosynthesis(Advances in photosynthesis and respiration ;v.19). -- Springer, 2004. (58.84311/C544c)

[8]李鵬民，高輝遠(yuǎn)，Reto J. Strasser. 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)分析在光合作用研究中的應(yīng)用, 植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報, 2005,31 (6): 559-566