光热胁迫对连翘叶片光系统Ⅱ活性的影响

摘要

在野外自然条件下，常常会发生天气骤然转换而出现久阴乍晴或持续暴晴，进而导致连阴寡照或高温强光等恶化环境问题，致使植物遭受生理胁迫乃至伤害。本试验室在进行连翘(Forsythia suspensa(Thunb.) Vahl）叶片光合日变化研究时发现，无论是春、夏、秋季节，还是遮光处理，均呈现无“午休”的光合碳吸收特征，然而与之相伴的PSⅡ最大光化学量子产量Fv/Fm却呈现中午低谷的“午休”特征。结合分析露地小气候因子日变化表明，高温、强光可能是其主要影响因子。因此，本文以连翘为试材，采用热胁迫、光胁迫、高温强光复合胁迫三种方式处理连翘叶片，同时利用叶绿素成像荧光仪(MINI-IMAGING-PAM)和QE65光谱仪分别进行叶绿素荧光参数和光化学反射指数的测定。旨在探讨热胁迫、光胁迫、高温强光复合胁迫对连翘叶片光系统Ⅱ活性和叶黄素循环脱环化程度的影响，揭示三种胁迫下连翘叶片光合机构的行为特征，充实植物光能高效利用研究领域。主要研究结果如下:
　　(1)随着热胁迫温度(26℃、31℃、34℃、37℃、40℃、43℃、46℃、49℃、52℃)和热胁迫时间(5min、25min、45min)（简称“温时”）的增加，连翘叶片PSⅡ活性Fv/Fm降低，呈现热抑制。同时，通过实际光化学量子产量Y(Ⅱ)降低、初始荧光Fo和光化学荧光猝灭系数qP先减后增、开放的PSⅡ反应中心的激发能捕获效率Fv'Fm'降低、调节性能量耗散的量子产量Y(NPQ)与非调节性能量耗散的量子产量Y(NO)和值(Y(NPQ)+Y(NO)）增加，均反映出热胁迫会发生在PSⅡ蛋白复合体的多个位点上。将Fv/Fm与Fv'/Fm'的变化趋势对比可见，热胁迫下原初光化学活性Fv/Fm的降低直接与开放的PSⅡ反应中心的激发能捕获效率Fv'/Fm相关联。连翘叶片在25min和45min热胁迫下，与随着温度的升高Y(Ⅱ)呈现持续降低趋势相比，Fv/Fm呈现先缓慢降低，至37℃以上迅速降低的趋势。因此推测热胁迫也会发生在整个光合机构，还会从暗反应的酶活性衰减转向PSⅡ活性衰减。同时，热胁迫伤害的协调保护机制启动。一方面，随着“温时”热胁迫剂量的增强，连翘叶片Y(NPQ)与Y(NO)二者的彼此消长变化，表现出过剩的激发能量会从以Y(NPQ)为主转向Y(NO)为主。而光化学反射指数PRI与Y(NO)呈现相反变化趋势，表明较强的“温时”热胁迫剂量下连翘叶片光合机构主要依赖于叶黄素循环的能量耗散机制。另一方面，随“温时”热胁迫的加剧PSⅡ电子传输活性Fm/Fo显著降低，表现出可以通过调节PSⅡ与PSⅠ之间激发能来分配平衡性的天线系统的状态转换。
　　(2)连翘叶片在光胁迫处理45min下，随着光胁迫光强（0μmol·m-2·s-1、500μmol·m-2·s-1、750μmol·m-2·s-1、1000μmol·m-2·s-1、1250μmol·m2·s-1、1500μmol·m-2·s-1、1750μmol·m-2·s-1、2000μmol·m-2·s-1、2250μmol·m-2·s-1）的增加，Fv/Fm降低，呈现出光抑制。同时，通过Y(Ⅱ)降低、Fo缓慢升高、Y(NPQ)与Y(NO)和值(Y(NPQ)+ Y(NO)）增加、Fv'/Fm'降低、qP先缓慢升高后略有降低继后再迅速升高的变化趋势，表明光胁迫引起的PSⅡ结构和功能伤害也发生在多位点。将Fv/Fm与Fv'Fm'的变化趋势对比可见，光胁迫下Fv/Fm的降低直接与开放的PSⅡ反应中心的激发能捕获效率Fv/m'相关联。
　　随着光胁迫强度的增加，连翘叶片PSⅡ能量耗散能力(Y(NPQ)+Y(NO)）明显增加并趋于饱和，表明连翘叶片Y(Ⅱ)、Y(NO)、Y(NPQ)三组分的能量流分配，会从依赖于Y(NPQ)为主骤然转向依赖于Y(NO)为主。在0μmol·m2·s-11750μmol·m-2·s-1的光胁迫下，随着PSⅡ能量耗散能力(Y(NPQ)+Y(NO)）的增加PRI呈下降趋势;但当光照强度进一步增加时，PRI呈明显上升趋势。这表明，在0μmol·m-2·s-1-1750μmol·m-2·s-1的光胁迫下的能量耗散是以依赖叶黄素循环脱环化程度为核心的热耗散机制，而在1750μmol·m2·s-1以上的光胁迫下，可能会转向其它热耗散途径。与此同时，Fm/Fo总体呈下降趋势，表明光胁迫引起PSⅡ向PSⅠ激发压的满溢促使光合机构向状态2转变，这就减轻了光抑制和光破坏程度。
　　(3)连翘叶片在高温胁迫（37℃、0μmol·m-2·s-1）、强光胁迫(26℃、1500μmol·m-2·s-1)、高温强光复合胁迫（37℃、1500μmol·m-2·s-1）处理45min下，Fv/Fm显著下降，呈现出光抑制。同时，Fv/Fm与Fv'/Fm'的变化趋势相近可见，三种胁迫下Fv/Fm的降低均与开放的PSⅡ反应中心的激发能捕获效率Fv'/Fm相关联。与对照相比，高温加强光、强光胁迫处理下，Fo明显下降;高温胁迫处理下，Fo显著升高，表明高温胁迫处理会对连翘叶片的PSⅡ反应中心造成可逆失活或破坏;强光胁迫、高温加强光胁迫处理下，连翘叶片的捕光天线遭受破坏，呈现强光光抑制。与对照相比，高温加强光复合胁迫处理45min下的Fm、β/α-1、Fm/Fo变化趋势均与其在1500μmol·m-2·s-1强光胁迫处理下的变化趋势相类似，呈现出光抑制。Y(Ⅱ)和Y(NPQ)在高温加强光复合胁迫处理下的变化趋势均与其在37℃高温胁迫处理下的变化趋势相类似，呈现出热抑制。qP与强光抑制效应和高温抑制效应的相互抵消有关，呈现出高温强光复合抑制。另外，与对照相比，强光胁迫和高温加强光胁迫处理45min下，PRI均无显著变化;高温胁迫下，PRI明显下降。可见，高温强光复合胁迫下热耗散途径并非以叶黄素循环为主。

目录

声明

摘要

英文缩写及中英文对照表

1 引言

1．1 连翘的应用与研究现状

1．1．1 连翘用途广泛

1．1．2 连翘化学成分及药理研究

1．1．3 连翘的生理学研究

1．2 光热胁迫对PSⅡ动力学活性的影响

1．2．1 热胁迫对光系统Ⅱ活性的影响

1．2．2 光胁迫对光系统Ⅱ活性的影响

1．2．3 高温强光复合胁迫的研究动态

1．3 光系统Ⅱ的能流分配及热耗散

1．4 叶黄素循环的研究进展

1．5 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2．1 试验材料与培养

2．2 试材处理

2．2．1 热胁迫处理

2．2．2 光胁迫处理

2．2．3 高温强光复合胁迫处理

2．3 叶绿素荧光参数的测定

2．4 光化学反射指数PRI的计算

2．5 数据处理与分析

3 结果与分析

3．1 热胁迫对连翘叶片光系统Ⅱ活性的影响

3．1．1 热胁迫对连翘叶片表面吸光系数Abs的影响

3．1．2 热胁迫对连翘叶片PSⅡ原初光化学活性的影响

3．1．3 热胁迫对连翘叶片PSⅡ能量耗散能力和叶黄素循环脱环化程度的影响

3．1．4 热胁迫对连翘叶片开放的PSⅡ反应中心激发能捕获效率Fv’／Fm’和光化学荧光猝灭系数qP的影响

3．1．5 热胁迫对连翘叶片两个光系统之间的激发能分配和Fm／Fo的影响

3．2 光胁迫对连翘叶片光系统Ⅱ活性的影响

3．2．1 光胁迫对连翘叶片表面吸光系数Abs的影响

3．2．2 光胁迫对连翘叶片PSⅡ原初光化学活性的影响

3．2．3 光胁迫对连翘叶片PSⅡ能量耗散能力和叶黄素循环脱环化程度的影响

3．2．4 光胁迫对连翘叶片开放的PSⅡ反应中心激发能捕获效率Fv’／Fm’和光化学荧光猝灭系数矿的影响

3．2．5 光胁迫对连翘叶片两个光系统之间的激发能分配和Fm／Fo的影响

3．3 高温强光复合胁迫对连翘叶片光系统Ⅱ活性的影响

3．3．1 高温强光复合胁迫对连翘叶片表面吸光系数Abs的影响

3．3．2 高温强光复合胁迫对连翘叶片PSⅡ原初光化学活性的影响

3．3．3 高温强光复合胁迫对连翘叶片PSⅡ能量耗散能力和叶黄素循环脱环化程度的影响

3．3．4 高温强光复合胁迫对连翘叶片开放的PSⅡ反应中心激发能捕获效率Fv’／Fm’和光化学荧光猝灭系数qP的影响

3．3．5 高温强光复合胁迫对连翘叶片两个光系统之间的激发能分配和Fm／Fo的影响

4 讨论

4．1 热胁迫对连翘叶片PSⅡ活性的影响

4．2 光胁迫对连翘叶片PSⅡ活性的影响

4．3 高温强光复合胁迫对连翘叶片PSⅡ活性的影响

4．4 光热胁迫所用试材的处理方式选择

4．4．1 热胁迫所用试材的处理方式选择

4．4．2 光胁迫所用试材的处理方式选择

4．5 光热胁迫与连翘生产管理技术优化

5 结论

参考文献

在读期间发表的学术论文

在读期间获得的科技奖励

在读期间取得的科技成果

在读期间申报或获得的专利

在读期间参与的科研项目

作者简介

致谢