雷純義,劉蔚秋,劉濱揚(yáng),張以順

(1.廣東黑石頂省級自然保護(hù)區(qū),廣東肇慶526536;2.中山大學(xué)生命學(xué)科學(xué)學(xué)院,廣東廣州510275;3.暨南大學(xué)生態(tài)學(xué)系,廣東廣州510632)

人為排放的氮(N)對大氣造成的污染日趨嚴(yán)重,全球化的大氣N沉降增加已引起廣泛關(guān)注[1]。高氮對植物的代謝產(chǎn)生很大的影響,如改變光合速率、提高膜透性、改變細(xì)胞pH值、導(dǎo)致營養(yǎng)元素比例改變等[2-3]。由于苔蘚植物沒有角質(zhì)層等保護(hù)性結(jié)構(gòu),主要從空氣中吸收養(yǎng)分,因此多數(shù)苔蘚植物對N沉降的敏感度遠(yuǎn)高于維管植物[4-6]。苔蘚植物在氮過量時,不僅對氮代謝產(chǎn)生顯著影響,導(dǎo)致硝酸還原酶誘導(dǎo)活性降低,總氮含量下降,同時對碳代謝過程亦產(chǎn)生顯著影響,使光合速率降低,淀粉含量下降而可溶性糖含量上升[7]。

葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)是Kautsky于1931年發(fā)現(xiàn),也稱為Kautsky效應(yīng)[8]。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)被認(rèn)為是檢測植物光合機(jī)構(gòu),特別是光系統(tǒng)Ⅱ行為的有效工具。近年來發(fā)展起來的針對快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線的數(shù)據(jù)分析和處理方法—J IP-測定(J IP-test)為深入研究光合作用原初反應(yīng)提供了有力的工具。但目前尚未見有人從葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)的角度研究氮沉降對植物光合機(jī)構(gòu)的影響。石地錢Reboulia hem isphaerica(L.)Raddi廣泛分布于我國華南地區(qū),本文研究了其在模擬N沉降條件下的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)特征,分析過量氮對其光合機(jī)構(gòu)及過程的影響,探討過量氮對植物光合系統(tǒng)的影響機(jī)理。

1 實驗材料及方法

1.1 研究地概況

研究地設(shè)立于廣東省肇慶市封開縣七星鎮(zhèn)內(nèi)的黑石頂自然保護(hù)區(qū),地理位置23°27′N,111°53′E,海拔145～927 m,屬南亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年均氣溫19.6℃,年降雨量1 743.8 mm,年均相對濕度在80%以上。自然概況見有關(guān)文獻(xiàn)[9-10]。保護(hù)區(qū)內(nèi)平均每年雨水氮沉降中,氨態(tài)氮為4.74 kg·hm-2(以N質(zhì)量計,下同),硝態(tài)氮為5.58 kg·hm-2(以N質(zhì)量計,下同,未發(fā)表數(shù)據(jù))。

1.2 樣地設(shè)置及處理

1.2.1 樣地設(shè)置 于2006年2月在保護(hù)區(qū)北緣海拔200 m處路邊自然生長石地錢Reboulia hem isphaerica(L.)Raddi的石坡上設(shè)置樣地。N處理設(shè)1個對照及3個N處理水平(20 kg·hm-2·a-1,40 kg·hm-2·a-1,60 kg·hm-2·a-1),每種處理設(shè)3個重復(fù),共設(shè)立樣地12個。每個樣地面積為30 cm×60 cm。

1.2.2 加氮處理 于2006年5月-2008年2月間分8次進(jìn)行加樣處理(每年4次),每次加氮量分別為0,5,10,15 kg·hm-2,分別配成不同濃度的NH4NO3溶液200 mL用手持式噴霧器均勻噴灑至樣地。

1.3 葉綠素?zé)晒鉁y定

葉綠素?zé)晒饫弥参镄蕛x(PEA,Hansatech公司,英國)于室溫下測定。在最后一次加氮處理的15 d后,于各樣地分別選取生長正常,長勢在該樣地中較好的植株,每個樣地選3份材料進(jìn)行測定,測定前材料暗適應(yīng)20 min。

葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線依據(jù)J IP-測定進(jìn)行分析,O、J、I、P分別是指照光初始時、2 ms時、30 ms時及1 s時的熒光值。本文利用的參數(shù)主要包括:①單位反應(yīng)中心吸收的光能(ABS/RC),捕獲的光能(TR0/RC),用于電子傳遞的能量(ET0/RC)和熱耗散能量(D I0/RC);②單位材料面積吸收的光能(ABS/CS),捕獲的光能(TR0/CS),用于電子傳遞的能量(ET0/CS)和熱耗散能量(D I0/CS);③最大光化學(xué)效率(φP0),反應(yīng)中心捕獲的激子中用于推動電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA—的其它電子受體的激子占用于推動QA還原激子的比率(ψ0),用于熱耗散的量子比率(φD0),用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(φE0);④以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)PIabs,及其推動力指數(shù)DFabs。各參數(shù)的計算參見有關(guān)文獻(xiàn)[11-12]。

圖1 加氮2 a后石地錢葉綠素?zé)晒馄骄T導(dǎo)曲線Fig.1 Chlorophyll fluorescence kinetics(mean curves)of Reboulia hem is phaericaafter two years ofN treatment

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素a熒光誘導(dǎo)曲線

由圖1可見,對照及低N處理的石地錢葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線的形狀相似,但是低氮處理材料的總體熒光值高于對照材料。中氮和高氮處理材料不僅在起始點F0的值高于對照及低N處理材料,誘導(dǎo)曲線形狀亦明顯異于后者,前者在J-I點間呈下降趨勢,至I點后又上升至P點,而后者不存在明顯的I點,在J-P期間熒光值持續(xù)上升。O點熒光值反映了PSⅡ反應(yīng)中心接受光量子的最大限度,隨加N濃度升高F0依次升高顯示加N導(dǎo)致石地錢在PSⅡ反應(yīng)中心完全開放時接受光量子的能力減小,而中高氮處理使誘導(dǎo)曲線的形狀發(fā)生改變,特別是J-P點間的變化說明此時PSⅡ反應(yīng)中心電子受體側(cè)(包括初級醌受體QA,次級醌受體QB和質(zhì)體醌PQ)的氧化還原狀態(tài)及異質(zhì)性發(fā)生變化[13]。

2.2 葉綠素a熒光J IP-測定

由于J IP測定獲得的數(shù)據(jù)量大,常用雷達(dá)圖對多個參數(shù)進(jìn)行分析。由圖2可見,加氮使單位反應(yīng)中心吸收的光能(ABS/RC)升高,對單位反應(yīng)中心捕獲的光能(TR0/RC)影響不大,但使單位面積反應(yīng)中心的數(shù)量(RC/CSm)下降,最終導(dǎo)致單位面積捕獲的光能(TR0/CSm)降低,同時捕獲的光能中用于傳遞到電子傳遞鏈后的電子受體的比率(ψ0)、用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(φE0)單位面積和單位反應(yīng)中心的量子產(chǎn)額均大幅降低(ET0/CSm,ET0/RC),而單位面積的熱耗散/CSm)及用于熱耗散的能量比例(φD0)大幅上升,導(dǎo)致性能指數(shù)(PIabs)大幅下降,其中40和60 kg·hm-2·a-1處理使PIabs降至僅為對照的8%和3%左右,可見光系統(tǒng)Ⅱ的光合效率受到嚴(yán)重抑制。

性能指數(shù)的推動力(DFabs)可以分解成3個部分,RC/ABS(吸收單位光能的反應(yīng)中心數(shù)),φP0/(1-φP0)和ψ0/(1-ψ0)[12],由圖3可見加氮使組成DF的三個部分均減小,但以ψ0/(1-ψ0)的變化最明顯,而ψ0反映捕獲的光能中用于推動電子傳遞鏈中后的電子傳遞的比率,說明后面的反應(yīng)對加氮最為敏感。

3 結(jié) 論

植物光合作用受有效氮的強(qiáng)烈影響[14],在對種子植物的研究中發(fā)現(xiàn),一定量氮沉降使可使組織葉綠素含量升高,凈光合速率增加,但過量氮沉降則會產(chǎn)生相反的效應(yīng)[6,15]。本研究結(jié)果表明,模擬氮沉降對石地錢光系統(tǒng)Ⅱ產(chǎn)生明顯影響,特別是40和60 kg·hm-2·a-1處理對地錢造成嚴(yán)重脅迫。一方面導(dǎo)致單位單位面積捕獲的光能降低,另一方面加氮導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心電子受體側(cè)的氧化還原狀態(tài)及異質(zhì)性發(fā)生變化,使電子傳遞鏈?zhǔn)艿狡茐?葉片吸收的光能無法在電子傳遞鏈中消耗,迫使其大幅升高熒光和熱耗散的比率以消耗掉電子傳遞鏈中的能量,且以后面的反應(yīng)對加氮最為敏感。

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