任樹勇,于凱強(qiáng),丁曉麗,納小凡,彭　勵(lì)*

(1 西部生物資源開發(fā)與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021;2 寧夏大學(xué),銀川 750021)

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低劑量UV-B輻射對(duì)烏拉爾甘草葉片光合機(jī)構(gòu)的影響

任樹勇1,2,于凱強(qiáng)1,2,丁曉麗1,2,納小凡2,彭勵(lì)1,2*

(1 西部生物資源開發(fā)與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021;2 寧夏大學(xué),銀川 750021)

摘要:為了探討植物葉片對(duì)UV-B輻射增強(qiáng)的響應(yīng)機(jī)制,采用葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定技術(shù),分別測(cè)定在人工模擬低劑量UV-B(2.4 μW/cm2)輻射條件下烏拉爾甘草葉片的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力曲線、初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、光合機(jī)構(gòu)比活性參數(shù)(ABS/RC、TRo/RC和ETo/RC)和性能指數(shù)等變化規(guī)律。結(jié)果表明:(1)低劑量UV-B輻射未引起甘草葉片O-J-I-P葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線中的相數(shù)發(fā)生改變,UV-B輻射對(duì)PSⅡ的影響主要發(fā)生在其受體側(cè),而非供體側(cè);(2)低劑量UV-B輻射引起了甘草葉片光合系統(tǒng)Fv/Fm以及Fm、F0的明顯變化,同時(shí)也影響了光合機(jī)構(gòu)的開放程度和電子從QA向QB傳遞效率,從而影響了光轉(zhuǎn)化效率;相應(yīng)性能指數(shù)(PIabs和PItotal)的改變亦驗(yàn)證了此結(jié)果。研究認(rèn)為,低劑量UV-B輻射抑制烏拉爾甘草葉片光合系統(tǒng)Ⅱ受體側(cè)QA至PQ之間的電子傳遞效率,從而影響了QA之后的光化學(xué)反應(yīng)及非光化學(xué)反應(yīng)。

關(guān)鍵詞:UV-B輻射;烏拉爾甘草葉片;光合系統(tǒng);葉綠素?zé)晒?/p>

隨著人類工業(yè)化不斷加深,氟氯烷烴(CFCs)和氮氧化物的排放使處于大氣平流層具有吸收紫外線能力的臭氧受到破壞。研究表明,臭氧濃度每減少 1%,到達(dá)地球表面的紫外有效輻射(UV-B)將增加2%[1-2]?？茖W(xué)家對(duì)UV-B輻射增強(qiáng)引起的地球生物圈變化的認(rèn)識(shí)也在不斷深入。陸生植物葉片是光的直接感受器官,已有研究表明UV-B輻射能夠直接影響植物葉片形態(tài)[3]、生長(zhǎng)發(fā)育[4]、代謝調(diào)控[5-6]等。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外UV-B輻射對(duì)藥用植物次生代謝、有效成分積累及調(diào)控的研究引起廣泛關(guān)注[7]。

烏拉爾甘草(Glycyrrhizauralensis)是中國(guó)傳統(tǒng)的大宗藥材,具有“十方九草”之說(shuō),被廣泛用于醫(yī)藥、食品、化妝品等領(lǐng)域。其含有的活性成分主要為甘草酸、甘草黃酮、甘草多糖等,在艾滋病和乙肝防治、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、消炎等方面具有重要的臨床作用[8]。據(jù)報(bào)道,UV-B輻射可以直接或間接增加中藥材甘草中甘草酸[9]、褪黑素[10]、總黃酮[11-12]的含量。因此,認(rèn)識(shí)和研究UV-B輻射下甘草中有效成分積累及相關(guān)規(guī)律,探討提高甘草有效成分的手段,對(duì)甘草的資源開發(fā)與利用具有深遠(yuǎn)的意義。

葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)是基于葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)理論發(fā)展而來(lái)的一種能夠快速、靈敏、無(wú)損傷探測(cè)逆境對(duì)植物光合作用影響的重要研究手段。目前,這一技術(shù)已經(jīng)在逆境脅迫、光合作用、病蟲害脅迫、產(chǎn)量預(yù)測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用[13-14]。本研究以烏拉爾甘草作為研究材料,采用葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù),通過(guò)分析低劑量UV-B輻射條件下甘草葉片熒光動(dòng)力學(xué)曲線及相關(guān)熒光參數(shù)的變化規(guī)律,揭示了甘草葉片對(duì)UV-B輻射的響應(yīng)機(jī)制。

1材料和方法

1.1材料

選擇產(chǎn)于寧夏的烏拉爾甘草種子,經(jīng)處理后播種于花盆(10 cm×10 cm×10 cm)中,在寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物培養(yǎng)室中培養(yǎng),培養(yǎng)條件為:溫度25～27 ℃,濕度20%～30%,光照度7 500～8 000 lx。待生長(zhǎng)60～70 d后,選擇生長(zhǎng)勢(shì)一致、健康、無(wú)病蟲害的幼苗作為供試材料。同時(shí),將材料分為3組,每組10盆,每盆平均2株。

1.2UV-B輻射處理

采用室內(nèi)人工模擬UV-B輻射的處理辦法。分別設(shè)置對(duì)照組(CK)和處理組(T)。對(duì)照組光源為熒光燈管(T8,佛山照明生產(chǎn),1.2 m),照射劑量為7 000 lx;處理組在相同的照射光源和強(qiáng)度下,增加UV-B輻射專用紫外燈管(北京光電儀器廠,波長(zhǎng)308～310 nm),輻射劑量設(shè)計(jì)參照錢珊珊等[15]方法,同時(shí)參考寧夏銀川地區(qū)5～7月份日輻射中有效光輻射與UV-B輻射強(qiáng)度的比值,將處理組輻射劑量設(shè)計(jì)為2.4 μW/cm2;輻射時(shí)間為每天12 h,累計(jì)日曝輻量為1.036 8 kJ/m2。為了消除光源中產(chǎn)生的更短波長(zhǎng)(≤280 nm,如UV-C)光的影響,試驗(yàn)中采用醋酸纖維素膜(厚度1.5 mm,杜邦公司生產(chǎn),USA)進(jìn)行濾除[16]。

1.3葉片的葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定

參考徐德聰?shù)萚17]方法,采用便攜式葉綠素?zé)晒鈨xPocket PEA(Hansatech,English),在處理第1天(輻射0 h)、第2天(輻射12 h)、第3天(輻射24 h)、第6天(輻射50 h)和第9天(輻射96 h)的每天早上8:00,將對(duì)照組和處理組相同高度的葉片進(jìn)行10 min的暗適應(yīng)后分別測(cè)定初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)值,重復(fù)5次。測(cè)定時(shí)F0以弱調(diào)制測(cè)量光(0.05 μmol·m-2·s-1)誘導(dǎo)產(chǎn)生,Fm以強(qiáng)飽和閃光(6 000 μmol·m-2·s-1)激發(fā),閃光2 s。設(shè)照光50 μs為O相,2 ms時(shí)為J相,30 ms時(shí)為I相,最大熒光處為P相。記錄各點(diǎn)相對(duì)可變熒光并計(jì)算Fv/Fm和其他相關(guān)參數(shù)。這些參數(shù)的計(jì)算公式如表1所示。

表1　葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線相關(guān)參數(shù)的計(jì)算及描述

1.4數(shù)據(jù)處理及分析

本實(shí)驗(yàn)采用Microsoft Excel 2007和IBM SPSS Statistics 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析以及作圖。

2結(jié)果與分析

2.1低劑量 UV-B輻射對(duì)烏拉爾甘草葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的影響

研究葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力曲線的相數(shù)和曲線變化特征可以獲得一些有用的信息。不同輻射時(shí)間的UV-B輻射處理后引起了烏拉爾甘草葉片葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力曲線的變化如圖1所示。經(jīng)低劑量UV-B輻射處理后,葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力曲線依然表現(xiàn)出典型的O-J-I-P型,分別由4個(gè)相數(shù)構(gòu)成。其中,不同輻射時(shí)間的J、I和P點(diǎn)處的葉綠素?zé)晒庀鄬?duì)強(qiáng)度均不相同。J點(diǎn)的熒光強(qiáng)度在處理第6天至第9天即累計(jì)輻射60～96 h期間顯著低于處理第1天(UV-B輻射0 h)(P<0.05);而I點(diǎn)熒光在處理第6天時(shí)也顯著降低,但在第9天時(shí)有所回升,但仍低于輻射第1天;而P點(diǎn)經(jīng)UV-B輻射處理后在第2天開始逐漸降低,到第9天有恢復(fù)上升的趨勢(shì),但未恢復(fù)至輻射第1天水平?？梢?不同特征位點(diǎn)對(duì)相同的UV-B輻射的響應(yīng)有差異。

圖1　低劑量UV-B輻射處理后烏拉爾甘草葉片

2.2低劑量UV-B輻射對(duì)烏拉爾甘草葉片F(xiàn)v/Fm、F0、Fm的影響

植物進(jìn)行光合作用所獲得的光量子可用PSⅡ最大量子產(chǎn)額(Fv/Fm)來(lái)衡量,反映了PSⅡ光化學(xué)效率和活性。相比對(duì)照而言,低劑量UV-B輻射處理引起了甘草葉片對(duì)光量子的Fv/Fm的改變。處理組的第2～6天期間,甘草葉片F(xiàn)v/Fm呈顯著下降而且降低幅度逐漸增大的趨勢(shì),并于第6天(輻射時(shí)間為50 h,累計(jì)曝輻量為9.72 kJ/m2時(shí))達(dá)到最低水平,降幅為41.19;此后,隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng),甘草葉片F(xiàn)v/Fm值又開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì),至處理第9天時(shí),但未恢復(fù)到對(duì)照的水平,降幅為9.76%,仍顯著低于對(duì)照(圖2,A)。

同時(shí),烏拉爾甘草葉片的初始熒光F0在低劑量UV-B輻射處理下受到明顯影響,并隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)呈先升高后降低的趨勢(shì),而對(duì)照組(CK)在處理過(guò)程中無(wú)顯著性變化(圖2,B)。F0在第3天時(shí),處理組相對(duì)對(duì)照組增幅為16.08%;在處理第6天時(shí),增幅為11.03%;而至第9天時(shí),UV-B輻射處理的F0值回落至CK水平。

另外,Fm值表示植物在暗適應(yīng)過(guò)后經(jīng)過(guò)瞬時(shí)高光照射達(dá)到的最大熒光強(qiáng)度值。烏拉爾甘草Fm值在低劑量UV-B輻射下比對(duì)照均明顯下降,且這種下降趨勢(shì)隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先降低后升高的變化;而對(duì)照組烏拉爾甘草Fm在觀察期間變化也不明顯(圖2,C)。其中,在UV-B輻射的第2～6天期間,Fm值較對(duì)照組而言,也呈現(xiàn)降低趨勢(shì),且降幅逐漸增大,第3天降幅為12.06 %,輻射至第6天時(shí)其顯著降低至最低水平,降幅為45.88%;其后隨輻射時(shí)間增加又逐漸回升,但到第9天為止仍顯著低于對(duì)照水平(P<0.05)。

不同小寫字母表示同一處理不同時(shí)間之間差異顯著

由Fv/Fm、F0和Fm的變化可知,烏拉爾甘草Fv/Fm的顯著降低主要是由于Fm的降幅大于F0的增幅引起的,說(shuō)明甘草PSⅡ的光化學(xué)效率降低主要是因?yàn)殡娮觽鬟f的受阻。另外,這一受阻在UV-B輻射的過(guò)程中會(huì)逐漸減弱,甚至消失。

2.3低劑量UV-B輻射對(duì)烏拉爾甘草葉片光合機(jī)構(gòu)性能指數(shù)的影響

光合機(jī)構(gòu)的性能指數(shù)(PI)是除Fv/Fm之外同樣可以衡量光合系統(tǒng)整體情況的一類指標(biāo)。如圖3所示,烏拉爾甘草葉片經(jīng)過(guò)低劑量的UV-B輻射后,其光合機(jī)構(gòu)性能指數(shù)PIabs(以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù))和PItotal(綜合性能指數(shù))均隨著輻射時(shí)間延長(zhǎng)呈先降低后升高的變化趨勢(shì)。其中,UV-B輻射第2天,甘草葉片的光合機(jī)構(gòu)性能指數(shù)PIabs和PItotal就分別比對(duì)照組顯著降低了60.0%和63.9%;隨著時(shí)間的延長(zhǎng)這兩個(gè)指數(shù)繼續(xù)降低,直至第6天時(shí)降低到最小值,此時(shí)分別比對(duì)照組顯著降低86.7%和89.8 %;而輻射至第9天時(shí),PIabs和PItotal又都大幅度回升,分別恢復(fù)至對(duì)照組水平。相似的PIabs和PItotal的變化可見,甘草葉片整體光合性能的降低主要是受與吸收光能相關(guān)生理過(guò)程的影響。

2.4低劑量UV-B輻射對(duì)烏拉爾甘草葉片相對(duì)可變熒光Vj和Vi的影響

由表2可知,UV-B輻射對(duì)烏拉爾甘草葉片j點(diǎn)和i點(diǎn)的相對(duì)可變熒光強(qiáng)度Vj和Vi的影響基本相似,即隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng),Vj和Vi都呈現(xiàn)先顯著升高后保持穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。其中,在UV-B輻射處理第2天(累計(jì)曝輻量達(dá)1.944 kJ/m2)時(shí),烏拉爾甘草葉片Vj和Vi值均顯著升高并到達(dá)最高點(diǎn)(P<0.05),較同期對(duì)照組而言增長(zhǎng)幅度分別達(dá)59.9%和14.3%;在UV-B輻射處理第2天之后,Vj和Vi再無(wú)顯著變化,始終保持同一較高水平,且高于同期對(duì)照組。同時(shí),對(duì)照組烏拉爾甘草葉片Vj和Vi在處理過(guò)程中始終無(wú)顯著變化。Vj和Vi在第2天即輻射12 h之后表現(xiàn)出的相似變化可見,甘草葉片光合系統(tǒng)電子傳遞鏈對(duì)UV-B輻射較為敏感,而且在電子傳遞過(guò)程中受到的影響在UV-B輻射期間是不可恢復(fù)的。

2.5低劑量UV-B輻射對(duì)烏拉爾甘草葉片光合機(jī)構(gòu)比活性的影響

單位PSⅡ反應(yīng)中心吸收的光能ABS/RC、單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量(在t=0時(shí))TRo/RC、單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量(在t=0時(shí))ETo/RC和單位反應(yīng)中心耗散掉的能量(在t=0時(shí))DIo/RC,這些指標(biāo)分別表達(dá)反應(yīng)中心的基本性能。如圖4所示,相比對(duì)照組而言,低劑量UV-B輻射處理烏拉爾甘草葉片光合機(jī)構(gòu)的ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和DIo/RC在前3 d均無(wú)顯著性變化,但在輻射的第6天(累計(jì)輻射量達(dá)5.184 kJ/m2)時(shí)均顯著升高(P<0.05),增幅分別為851.75%、78.63%、44.28%和4176.36%。而各個(gè)比活性參數(shù)在處理達(dá)到第9天時(shí)又恢復(fù)到對(duì)照組水平(P>0.05)。相比用于還原QA和電子傳遞的能量TRo/RC和ETo/RC而言,較大增幅的DIo/RC表明,甘草葉片顯著增加的光能捕獲量,主要被反應(yīng)中心耗散掉,從而降低了光能的利用效率。

圖3　低劑量UV-B輻射下烏拉爾甘草葉片光合機(jī)構(gòu)性能指數(shù)的變化

表2　烏拉爾甘草葉片經(jīng)低劑量UV-B輻射

注:*表示同期處理(UV-B)與對(duì)照(CK)間在0.05水平存在顯著差異,而同列不同小寫字母表示處理時(shí)間之間在0.05水平存在的顯著差異。

Note:* in the same row stand for significant difference between treatment(UV-B) and control(CK) at 0.05 level,while different normal letters in the same column indicate significant difference among treatment stages at 0.05 level.

2.6低劑量UV-B輻射對(duì)烏拉爾甘草葉片Ψ(Eo)的影響

為了評(píng)估低劑量UV-B輻射下烏拉爾甘草葉片光合機(jī)構(gòu)電子傳遞鏈通過(guò)QA的情況,進(jìn)一步分析了表示電子傳遞超過(guò)QA的概率比率Ψ(Eo)/[1-Ψ(Eo)]。結(jié)果(圖5)顯示,低劑量UV-B輻射第2天(輻射12 h)累計(jì)曝輻量為1.944 kJ/m2時(shí),烏拉爾甘草葉片Ψ(Eo)/[1-Ψ(Eo)]已降至最低水平,并顯著低于同期對(duì)照組(P<0.05);然后隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng),Ψ(Eo)/[1-Ψ(Eo)]并未進(jìn)一步發(fā)生明顯變化,與對(duì)照相比一直維持在較低水平。說(shuō)明,電子傳遞鏈通過(guò)QA的通路在較短時(shí)間內(nèi)就被抑制,且在持續(xù)的輻射情況下表現(xiàn)出無(wú)法恢復(fù)的跡象。

圖5　低劑量UV-B輻射下烏拉爾甘草葉片

圖4　烏拉爾甘草葉片光合機(jī)構(gòu)單位反應(yīng)中心在QA可還原態(tài)時(shí)的活性在低劑量UV-B輻射下的變化

3討論

3.1低劑量UV-B輻射下的甘草葉片葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力曲線特征

光合作用是植物一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ),藥用植物的次生代謝物的積累也依然離不開光合作用。自1931年由Kautsky和Hirsch發(fā)現(xiàn)熒光誘導(dǎo)現(xiàn)象后,這一理論逐步得到廣泛應(yīng)用,其主要原因是從光合系統(tǒng)中的熒光信號(hào)當(dāng)中我們可以獲得諸多重要的信息。為了探究UV-B輻射對(duì)烏拉爾甘草葉片光合機(jī)構(gòu)的影響,本研究采用低劑量UV-B輻射,分析不同輻射時(shí)間下其熒光誘導(dǎo)動(dòng)力曲線的變化特征。有研究顯示,當(dāng)光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的供體側(cè)受到傷害時(shí),在J點(diǎn)之前出現(xiàn)一個(gè)葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量上升的K點(diǎn)(照光后大約300 μs處的特征位點(diǎn)),多相誘導(dǎo)曲線O-J-I-P變?yōu)镺-K-J-I-P,不同的處理甚至?xí)霈F(xiàn)更多的特征位點(diǎn)[18]。Szilvia等對(duì)大麥葉片進(jìn)行熱處理后發(fā)現(xiàn),葉綠素的初始熒光上升,在OJIP動(dòng)力曲線的OJ相間出現(xiàn)K點(diǎn),但此點(diǎn)的升高與光強(qiáng)有關(guān)而與熱處理無(wú)關(guān)[19]。本研究中,烏拉爾甘草葉片經(jīng)過(guò)9 d的低劑量UV-B輻射的處理,其葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力曲線在J點(diǎn)之前未曾出現(xiàn)其他特征點(diǎn),呈現(xiàn)典型的O-J-I-P型。根據(jù)動(dòng)力學(xué)曲線相關(guān)研究,UV-B輻射下烏拉爾甘草葉片的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線表明在PSⅡ的供體側(cè)所受影響并不明顯[20]。PSⅡ受體側(cè)主要包括QA(初級(jí)醌受體)、QB(次級(jí)醌受體)、PQ(質(zhì)體醌)庫(kù)等,葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線的特征位點(diǎn)J、I和P的相對(duì)熒光強(qiáng)度分別表示電子傳遞至各個(gè)受體以及在各個(gè)受體中的積累程度[18,21],由此可知,UV-B輻射引起的各個(gè)特征位點(diǎn)熒光強(qiáng)度的差異性是由于烏拉爾甘草葉片的受體側(cè)受到影響所致。

3.2低劑量UV-B輻射對(duì)甘草葉片PSⅡ受體側(cè)QA的影響

葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線的J點(diǎn)與I點(diǎn)是反映電子QA向QB傳遞過(guò)程中異質(zhì)性的PQ庫(kù)被還原的特征點(diǎn)[18],對(duì)應(yīng)的相對(duì)可變熒光(Vj和Vi)的同時(shí)增加通常意味著PSⅡ受體側(cè)對(duì)于UV-B輻射的敏感度增加[22]。本研究中烏拉爾甘草葉片在低劑量UV-B輻射第2天便呈現(xiàn)了如此的變化,并在之后的輻射過(guò)程中一直保持同樣的水平,可見烏拉爾甘草對(duì)于低劑量UV-B輻射的敏感性在一定程度上保持不變。Hu等報(bào)道,在鹽脅迫情況下,爪哇偽枝藻Vj的升高表明光合系統(tǒng)中電子傳遞鏈傳遞過(guò)程中的受損部位為其受體側(cè)[23]。另外,本研究中低劑量UV-B輻射后烏拉爾甘草Vj顯著升高,表明UV-B輻射依然能夠抑制QA-重氧化能力[24]。由此可知,低劑量UV-B輻射有可能主要影響了烏拉爾甘草PSⅡ的受體側(cè)QA-的重氧化能力。根據(jù)李鵬民等對(duì)光合作用過(guò)程的描述,有若干指標(biāo)能夠表征光合機(jī)構(gòu)的比活性[17]。QA處于還原態(tài)時(shí),單位PSⅡ反應(yīng)中心的活性有所提高,表現(xiàn)在單位反應(yīng)中心吸收的光能(ABS/RC)、單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量(TRo/RC)、單位反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量(ETo/RC)和用于熱耗散的能量(DIo/RC)經(jīng)UV-B輻射后均發(fā)生顯著升高。此外,PSⅡ反應(yīng)中心活性相關(guān)參數(shù)的升高與PSⅡ受體側(cè)的光化學(xué)反應(yīng)以及非光化學(xué)反應(yīng)受到抑制有關(guān)[25]。Ψ(Eo)/[1-Ψ(Eo)]表示電子傳遞鏈超過(guò)QA的比率,烏拉爾甘草葉片經(jīng)低劑量UV-B輻射后此比率較對(duì)照顯著降低,表明電子通過(guò)QA向下傳遞過(guò)程受阻并抑制了其后的生物化學(xué)反應(yīng)[26]。由以上結(jié)果推測(cè)低劑量的UV-B輻射主要影響了烏拉爾甘草葉片PSⅡ中QA之后的光化學(xué)反應(yīng)和非光化學(xué)反應(yīng)。

3.3低劑量UV-B輻射對(duì)甘草葉片光合系統(tǒng)整體性能的影響

抗逆生理研究顯示,光合機(jī)構(gòu)反應(yīng)中心的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)在逆境或脅迫中都會(huì)降低[26-31],這是光合機(jī)構(gòu)受損的表現(xiàn)之一。低劑量UV-B輻射下,烏拉爾甘草葉片光合系統(tǒng)的Fv/Fm變化也有同樣的趨勢(shì),表明其整個(gè)光合系統(tǒng)的光合效率受到抑制。本研究中Fv/Fm降低的主要原因是由初始熒光(F0)的大幅度增加和最大相對(duì)可變熒光(Fm)的小幅下降引起的。其中,F0為當(dāng)植物處于黑暗中PSⅡ的受體側(cè)基本上都處于氧化狀態(tài),即PSⅡ的完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)量[21]。本研究表明UV-B輻射能夠極顯著促進(jìn)甘草葉片光合系統(tǒng)的F0的產(chǎn)量。另外,Fm是誘導(dǎo)曲線中最高點(diǎn)P的相對(duì)可變熒光,意味著QA完全被還原時(shí)的熒光產(chǎn)量,此時(shí)QB2-會(huì)大量累積[32],本研究中Fm值隨著UV-B輻射時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低,表明能夠奪取天線色素捕獲的電子的QA-向QB2-轉(zhuǎn)化的效能下降,導(dǎo)致烏拉爾甘草葉片光合機(jī)構(gòu)在電子傳遞過(guò)程中受阻。

另外,烏拉爾甘草F0、Fm以及Fv/Fm在輻射第6天后(曝輻量達(dá)6.22 kJ/m2)都有恢復(fù)的趨勢(shì),這有可能是植物在受損后啟動(dòng)部分自我修復(fù)的結(jié)果。有研究表明,光合機(jī)構(gòu)的性能指數(shù)(PI)能更靈敏地反映光合機(jī)構(gòu)的變化[18],本研究通過(guò)計(jì)算和分析經(jīng)低劑量UV-B輻射后的甘草葉片光合機(jī)構(gòu)的性能指數(shù)PIabs和PItotal發(fā)現(xiàn),低劑量UV-B輻射下的上述參數(shù)變化規(guī)律與Fv/Fm相似,即PIabs和PItotal隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)降低,在第6天后亦表現(xiàn)出恢復(fù)的趨勢(shì)。所以,UV-B輻射對(duì)甘草葉片光合系統(tǒng)中的某一部分結(jié)構(gòu)造成的傷害是可逆的。此外,還有研究顯示電子傳遞鏈的PSⅡ受體側(cè)到PSⅠ的受體側(cè)之間受損會(huì)抑制PIabs和PItotal[22,25]。由此可見,UV-B輻射對(duì)這一部分的損傷有可能隨著時(shí)間的延長(zhǎng)也會(huì)逐漸恢復(fù)。

綜上所述,烏拉爾甘草葉片在低劑量UV-B輻射處理后,其光合機(jī)構(gòu)受到的顯著影響主要包括以下幾個(gè)方面:(1)O-J-I-P多相動(dòng)力曲線的特征位點(diǎn)數(shù)量的穩(wěn)定性表明,烏拉爾甘草葉片受UV-B輻射的損傷部位未發(fā)生在PSⅡ的供體側(cè)而是受體側(cè);(2)UV-B輻射對(duì)Fv/Fm以及F0、Fm的影響結(jié)果顯示,烏拉爾甘草葉片PSⅡ的光轉(zhuǎn)化效率下降,受體側(cè)開放程度及電子從QA傳至QB的能力受阻,并且隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)其又表現(xiàn)出恢復(fù)的趨勢(shì),性能指數(shù)的變化亦證明了此過(guò)程;可見,UV-B輻射使烏拉爾甘草葉片PSⅡ受體側(cè)QA之后途徑的光化學(xué)反應(yīng)以及非光化學(xué)反應(yīng)受阻嚴(yán)重,從而影響了光合機(jī)構(gòu)的整體功能。

致謝:本研究在論文的完成過(guò)程中得到了寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院康建宏教授在葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定儀器及相關(guān)知識(shí)的指導(dǎo),在此表示感謝。

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(編輯:裴阿衛(wèi))

Photosynthetic Apparatus in Leaves ofGlycyrrhizauralensisunder Low Level UV-B Radiation

REN Shuyong1,2,YU Kaiqiang1,2,DING Xiaoli1,2,NA Xiaofan2,PENG Li1,2*

(1 Key Lab of Ministry of Education for Protection and Utilization of Special Biological Resources in Westen China,Yinchuan 750021,China;2 Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

Abstract:To investigate the response of photosynthetic apparatus to UV-B radiation,we investigated the changes of chlorophyll fluorescence parameters under artificial simulated low UV-B radiation treatment(2.4 μW/cm2),that including Chl a fluorescence transients induced dynamic curve,F0,Fm,the parameters of PSⅡ reaction center activity(ABS/RC,TRo/RC and ETo/RC) and performance index (PI) in leaves of Glycyrrhiza uralensis,by using the pocket PEA.The results suggested that:(1)UV-B mainly influenced the acceptor side of PSⅡ system rather than its donor side because of the O-J-I-P chlorophyll fluorescence induction curves didn’t change by low level UV-B radiation.(2)The results of F0,Fmand Fv/Fmindicated that UV-B radiation inhibited the openness of reaction center and blocked the transporting of electron from QAto QB,and that was confirmed by the decreasing of PIabsand PItotal.Thus,low level UV-B radiation influences photochemical or non-photochemical reaction beyond QAas result of reduced electron transportation efficiency from QAto PQ.

Key words:UV-B radiation;Glycyrrhiza uralensis leaves;photosystem;chlorophyll fluorescence

中圖分類號(hào):Q945.79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡(jiǎn)介:任樹勇(1988-),男,碩士研究生,主要從事結(jié)構(gòu)與發(fā)育植物學(xué)研究。E-mail:renshuyong0511@126.com*通信作者:彭勵(lì),女,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事藥用植物資源保護(hù)、評(píng)價(jià)與開發(fā)利用的研究。E-mail:pengli1124@163.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260036)

收稿日期:2015-07-27;修改稿收到日期:2015-12-12

文章編號(hào):1000-4025(2016)01-0116-08

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.01.0116