苹果绿色果皮光合生理特性及果皮灼伤机制的研究

摘要

苹果(Malus domestica Borkh)果实灼伤是一种由高温、干旱和强光引起的生理伤害，每年在世界各主要苹果产区都有发生，尤其在气温偏高、雨水较少的地区果实日灼更为严重。日灼使果品的产量和质量均受到不同程度的影响，给果品生产造成巨大损失。目前对强光加重日灼的研究，均集中在光对果实的增温作用和紫外辐射的破坏方面。事实上在日光照射下，苹果绿色果实发生灼伤的临界温度比单纯高温低3-7℃，即在光照条件下，苹果绿色果实在相对较低的温度下就易发生灼伤。大量对植物叶片的研究表明，高温、强光均会引起光抑制，导致光合电子传递链产生活性氧；与叶片相比，苹果绿色果实的光能利用能力较低，高温强光下绿色果皮吸收的光能会远远超出其光合作用所能利用的范围。由于现有的各种光合作用研究的设施都是针对植物叶片所设计的，再加之果实的特殊形状、结构以及特殊的生长环境，人们对果实的光合作用的光抑制和光破坏的防御机制的研究非常有限。迄今为止，高温、强光胁迫对苹果绿色果实光合作用的影响以及苹果绿色果实光合作用的光抑制与氧化胁迫的关系仍不清晰。所以，从多角度探讨绿色果皮的光合作用以及果皮抗氧化系统对高温与强光的响应规律，了解果皮灼伤的生理生化机制，对改善预防果实日灼的措施具有重大的理论和实践意义。 本研究从光合生理的角度出发，以当前国内外生产上广泛栽培的苹果品种新红星为试材，首先改进了苹果果实光合生理的研究方法，进而利用所建立的研究方法研究了苹果果实绿色发育阶段光合色素、光合能力、呼吸速率的动态变化以及苹果绿色果皮PSII原初光化学反应对自然高温、强光的响应；在上述基础上，探讨了高温、光胁迫条件下苹果绿色果皮光合机构的光抑制机理及光抑制对果皮氧化胁迫的影响。主要研究结果如下： 1.建立了一套适合苹果绿色果实光合生理研究的方法 (1)改进了果实光合作用的研究方法。 利用改进的氧电极测定方法，比较了果实阴、阳面以及阳面纵向的光合放氧速率的差异，确立了果实阳面中央部位为果实光合测定的代表部位；通过测定果皮光合放氧的光、温响应曲线，找出测定果实光合放氧速率的适宜光强和温度分别为500μmol m-2s-1和30℃。此外，设计并改进了用于苹果果实叶绿素荧光测定和反射光谱测定的专用探头适配器以及适宜整果和果皮高温光胁迫处理的专用装置。 (2)建立了利用无损伤光谱测定技术研究苹果果皮色素含量的方法 从众多的反射光谱指数中筛选出了适用于苹果果实叶绿素、花青素、类胡萝卜素无损伤动态估测的高光谱指数，并与传统的溶液提取法做了相关性分析，其中叶绿素、花青素的高光谱指数与化学方法测定含量之间的相关性均达到极显著水平；实验证明了从整果测得的光化学反射光谱指数(PRI)能较好地反映果皮组织的叶黄素循环变化。这种无损伤光谱测定技术可以成为研究苹果果实色素含量动态变化的有力工具。 2.测定并分析了苹果果实发育过程中色素含量、光合能力和呼吸速率的动态变化 新红星苹果果实的叶绿素含量随果实发育呈下降的趋势。在绿色果实发育前期(盛花后41天之前)果皮中的叶绿素含量处于较高水平，之后单位面积果皮的叶绿素含量随果实发育快速下降；类胡萝卜素的变化规律与叶绿素相似，伴随着叶绿素含量的下降也逐渐降低，但单位果皮面积类胡萝卜素总量与叶绿素总量的比值则随发育期而逐渐增加，说明果皮内叶绿素降解速度大于类胡萝卜素；果皮中花青素的变化，与叶绿素及类胡萝卜素含量的变化规律相反。花后25-61天之间含量一直保持较低水平，变化不显著，花后61-83天之间开始明显增加。 与叶片展叶过程中光合能力的逐步提升完全不同，绿色果皮的光合放氧速率随着发育的进展一直下降。所以，在幼果发育早期，果实光合作用对于其自身碳需求的贡献最大。 苹果果实的呼吸在着色之前的发育过程中，特别是花后33-53天之间，呼吸强度一直在下降，花后53天达到最低值，随后较为稳定。呼吸强度在绿色果实发育前期保持较高水平，此期果实细胞生理代谢较为活跃，抗氰呼吸途径占总呼吸的比率也相应较高，这可以在一定程度上减少呼吸途径中的活性氧(ROS)产生，提升细胞整体水平上防御氧化胁迫的能力。 3.研究了苹果绿色果皮的原初光化学反应对自然条件下光、温变化的响应 晴天条件下，苹果绿色果皮的原初光化学反应的日变化表明，随着光、温的增强，苹果果皮在12-14时存在较为严重的光抑制。PSII的放氧复合体(OEC)的活性在一天当中没有受到强光和高温的伤害；但是捕获的激子将电子传递到电子传递链中QA-下游电子受体的概率(ψo)从8-12时逐渐下降，表明PSII反应中心受体侧的功能受到了抑制。强光降低了果皮单位面积上有活性的反应中心(RC/CS)的数量，导致单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)增加。果皮的光化学反应(TRo/RC)不能完全利用所吸收的光能，使单位反应中心的热耗散(DIo/RC)增加。伴随着光抑制的出现，苹果果皮启动了叶黄素循环机制，以减轻过剩光能对光合机构的进一步伤害。 该结果揭示了苹果绿色果皮与植物叶片相似，在自然条件下可以通过光化学效率的下调和依赖叶黄素循环的能量耗散机制保护果皮光合机构免受高温强光的破坏。这是自然条件下，果皮减轻氧化胁迫伤害的机制之一。 4.探讨了高温与光交互作用下，苹果PSII反应中心活性、抗氧化系统对高温和光照的响应，以及光照对高温下果实氧化胁迫的影响 为了避免自然条件下，光、温以外其它环境因子的交互影响，利用人工控制光、温条件处理，从多角度分析绿色果皮原初光化学反应、光破坏保护能力和果皮抗氧化系统对光、温的响应，结果表明，从30℃一直上升到44℃，苹果绿色果皮的光合速率变化不大，而48℃高温处理，引起了光合速率的显著下降，且各种光强处理均加重48℃下光合速率的下降。结合PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、H2O2含量和MDA的变化，本研究表明，高温不仅可以直接伤害光合机构造成光抑制，还可通过各种途径间接地加剧光抑制，使得果皮在中等光强甚至弱光下即可发生光抑制。 强光下44℃以上的高温处理可引起果皮的叶绿素降解，并引起部分PSII反应中心失活，光强超过600μmol m-2s-1的光温交互作用加剧了反应中心的失活。48℃以下高温、黑暗处理和30℃与1000μmol m-2s-1以下光的交互处理，对苹果绿色果皮PSII反应中心受体侧的影响均较小，但在光照条件下，44℃以上的高温即可对PSII受体侧造成伤害。 48℃高温与1000μmol m-2s-1的光强交互处理造成抗氧化酶失活，使超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)的活性大幅度下降。高温强光使果皮的ROS清除能力显著降低，从而造成果皮中ROS含量的显著增加。 过氧化物酶(POD)与多酚氧化酶(PPO)在苹果绿色果实的生长发育过程中，具有明显的发育阶段的特异性，与绿色果实的早期生长发育有着密切的关系。二者的活性分别于花后56天和84天后逐渐完全消失。 在高温、光胁迫下，尽管PSII光化学效率下调，并启动了热耗散机制，但由于高温引起酶的失活，使ROS生成与清除的动态平衡被打破，光合电子传递链产生的活性氧增加，造成植物体内更多的活性氧(ROS)积累，加剧氧化胁迫，造成包括类囊体膜在内的细胞膜系统的破坏。48℃高温下，中度光照即可显著加剧对膜脂结构的破坏。 本研究结果表明：高温造成苹果果皮氧化胁迫，而高温与强光的交互胁迫显著加重果皮的光抑制，导致过剩激发能的产生，造成光合电子传递链产生的活性氧增加，进一步加剧了高温条件下的氧化胁迫。因此，强光高温引起绿色果皮光合机构的光抑制与苹果的光下灼伤有着密切的关系，为苹果日灼的重要发生机理之一，同时也是光下灼伤阈值温度下降的原因所在。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英文缩写或符号及其中英文说明表

声明

前言

1反射光谱仪在植物色素含量测定中的应用

1.1反射光谱在植物色素含量测定中的优点

1.2植物色素光谱反射率的测量

1.3反射光谱在植物色素含量测定中使用的主要光谱指数

1.4反射光谱在植物色素含量估测分析中需要注意的问题

2光在植物光合作用中的双重作用

3高温对植物光合作用的影响

4光、温胁迫与活性氧(ROS)的生成

5植物对光、温胁迫的保护机制

5.1酶促防御系统

5.2抗氧化剂防御系统

5.3叶黄素循环

6苹果果实的日灼

6.1苹果果实日灼症状

6.2影响苹果果实日灼的因素

6.3高温、强光引起日灼的可能机制

7本论文的研究目的和意义

第一章苹果果实研究手段和方法的设计与改进

1实验时间与地点

2实验材料

3果皮光合放氧的测定

3.1苹果果皮光合放氧的测定

3.2苹果绿色果皮光合放氧对光强的响应

3.3苹果绿色果皮光合放氧对温度的响应

3.4果皮光合放氧测定取材部位的选择

4苹果果实叶绿素a荧光的测定

4.1果实的暗适应

4.2果实叶绿素荧光测定探头适配器的改进

5苹果果实反射光谱的测定

6果实光温处理方法

6.1果皮的光、温处理

6.2完整果实的光、温处理

7苹果绿色果实生化测定方法的改进

7.1果皮酶提取方法的改进

7.2测定果皮中过氧化氢方法的改进

第二章苹果果实色素含量的反射光谱无损检测技术研究

1材料与方法

1.1果实

1.2反射光谱测量

1.3色素分析

1.4统计分析

2结果与分析

2.1新红星苹果果皮中的叶绿体色素含量

2.2新红星苹果果皮的反射光谱特征

2.3色素反射光谱指数与色素含量的相关性

3讨论

第三章苹果果实光化学反射指数(PRI)与叶黄素循环的关系

1材料与方法

1.1材料

1.2试验处理

1.3果皮光化学反射指数(PRI)的测定

1.4叶黄素循环色素含量的测定

2结果与分析

2.1苹果果皮叶黄素循环色素脱环化程度(0.5A+Z)／(V+A+Z)与处理光强的关系

2.2果皮的光化学反射指数(PRI)的变化及其与光强的关系

2.3苹果果皮的光化学反射指数(PRI)与叶黄素循环色素脱环氧化程度的关系

3.讨论

第四章苹果果实发育过程中果皮色素含量、光合速率和呼吸速率的变化

1材料与方法

1.1实验材料

1.2反射光谱测量

1.3果皮光合放氧速率的测定

1.4果皮呼吸速率的测定

2结果与分析

2.1苹果果实发育过程中果皮叶绿素含量的动态变化

2.2苹果果实发育过程中果皮类胡萝卜素含量的动态变化

2.3苹果果实发育过程中果皮花青素含量的动态变化

2.4苹果果实发育过程中果皮光合放氧速率的动态变化

2.5苹果果实发育过程中果皮总呼吸速率和抗氰呼吸途径的动态变化

3讨论

第五章 自然条件下光温变化对苹果绿色果皮原初光化学反应的影响

1材料与方法

1.1试材

1.2光强、气温的测定

1.3叶绿素荧光的测定

1.4果实光化学反射指数PRI的测定

2结果与分析

2.1测定时的光强和气温

2.2苹果绿色果皮在中午强光下的光抑制

2.3苹果绿色果皮PSⅡ供体侧和受体侧活性的日变化

2.4苹果绿色果皮叶绿素荧光参数的日变化

2.5苹果绿色果皮光化学反射指数(PRI)的日变化

2.6苹果绿色果皮主要光化学参数与光强和温度的相关程度

3讨论

第六章高温氧化胁迫对苹果绿色果实光抑制及其光破坏防御机制的影响

1材料与方法

1.1实验材料

1.2光、温交互处理

1.3 PSⅡ光化学效率测定

1.4叶绿素a荧光诱导动力学测定

1.5活性氧代谢相关酶的活性测定

1.6 H2O2的测定

1.7丙二醛(MDA)的测定

2结果与分析

2.1光、温处理对不同发育期苹果绿色果皮光合放氧的影响

2.2光温处理及其交互作用对不同发育期苹果绿色果皮光系统Ⅱ(PSⅡ)的影响

2.3光、温处理对苹果绿色果皮中活性氧代谢相关酶活性的影响

2.4光温处理对苹果绿色果皮活性氧和膜脂过氧化的影响

3讨论

3.1高温与光交互胁迫下苹果绿色果皮的光合作用

3.2高温与光交互胁迫下苹果绿色果皮的PSⅡ光抑制

3.3光温处理对苹果绿色果皮光系统Ⅱ受体侧的影响

3.4光温处理对苹果绿色果皮光系统Ⅱ天线色素光能吸收能力的影响

3.5光温处理对苹果绿色果皮光系统Ⅱ活性反应中心密度的影响

3.6光温处理对苹果绿色果皮热耗散能力的影响

3.7高温与光交互胁迫下苹果绿色果皮的光抑制与活性氧代谢的关系

3.8高温与光交互胁迫下苹果绿色果皮的光抑制与膜脂过氧化的关系

结论

参考文献

致谢

在读期间发表论文及完成待发表论文

博士期间的研究工作