低溫脅迫對4種幼苗的葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2014-12-27 09:24:18盧廣超許建新吳彩瓊邵怡若
中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報 2014年2期 關(guān)鍵詞：植物
盧廣超 ，許建新 ，，薛 立 ，張 柔 ，吳彩瓊 ，邵怡若
（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州510642；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳518040）
低溫脅迫對4種幼苗的葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
盧廣超1，許建新1，2，薛 立1，張 柔1，吳彩瓊2，邵怡若1
（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州510642；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳518040）
采用人工氣候箱的方法，測定了低溫脅迫下葛藤Pueraria lobata、假連翹Duranta repens、老鴨嘴Thunbergia erecta和臺灣相思Acacia confuse幼苗的熒光參數(shù)，以便為篩選抗寒種類提供依據(jù)。結(jié)果表明，隨著低溫脅迫時間的延長，4種幼苗的最大熒光（Fm）、表觀電子傳遞速率（ETR）、PSII實(shí)際光量子效率Y（II）逐漸下降，非光化學(xué)淬滅（NPQ）先上升后下降，PSII調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ) 和PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散Y（NO）逐漸升高。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，4種幼苗的Fm均恢復(fù)到對照水平，ETR有所回升，Y（NPQ）恢復(fù)到顯著高于對照水平；葛藤、老鴨嘴和臺灣相思的NPQ保持穩(wěn)定，假連翹的NPQ有所下降；假連翹和臺灣相思的Y(II)恢復(fù)到對照水平，葛藤、假連翹和臺灣相思幼苗的Y(NO)恢復(fù)到對照水平。對熒光參數(shù)進(jìn)行主成分分析表明，干旱脅迫下4種幼苗的抗寒順序為臺灣相思＞假連翹＞葛藤＞老鴨嘴。
低溫脅迫；幼苗；葉綠素?zé)晒鈪?shù)；主成分分析
低溫傷害是一種常見的自然災(zāi)害，也是植物區(qū)域性分布和季節(jié)性生長的限制因素[1]。低溫冷害會導(dǎo)致植物的光合酶活性、光合電子傳遞速率下降[2]，從而削弱植物利用光能的能力[3]，抑制葉黃素循環(huán)參與的非光化能量耗散或抑制蛋白修復(fù)循環(huán)[3]，引起光抑制現(xiàn)象[4]。一定脅迫范圍內(nèi)，植物通過熱耗散、PSII 反應(yīng)中心可逆失活和Mehler反應(yīng)等過程保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受破壞[5]。低溫脅迫嚴(yán)重時，會抑制PSII的修復(fù)，甚至對光合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的破壞[2]。
目前，關(guān)于低溫脅迫對葉綠素?zé)晒庥绊懙难芯恐饕杏谑卟怂秃瘫局参锱c少數(shù)南方樹種。王賀等[6]發(fā)現(xiàn)低溫使蘋果最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）降低，并對葉片的光合系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞。馬博英等[7]通過研究植物的PSII實(shí)際光量子效率(Y(II))、光合電子傳遞速率(ETR)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等葉綠素?zé)晒鈪?shù)，篩選出抗寒能力強(qiáng)的基因型草坪草。陳曦等[8]通過研究低溫下油松葉綠素?zé)晒獍l(fā)現(xiàn)，0℃以下的低溫脅迫對油松造成不可恢復(fù)的光合機(jī)構(gòu)損傷。梁芳等[9]發(fā)現(xiàn)菊花的Y(II)、ETR和Fv/Fm均隨著低溫脅迫程度的增加而降低。葛藤Pueraria lobata、假連翹Duranta repens、老鴨嘴Thunbergia erecta和臺灣相思Acacia confuse是熱帶、亞熱帶地區(qū)的重要用材和園林綠化樹種。盡管有學(xué)者報道了有低溫脅迫下葛藤、假連翹和老鴨嘴的生理和光合特性[10]，干旱脅迫下葛藤、假連翹和老鴨嘴的光合和熒光特性[11]，干旱脅迫下葛藤的生理和熒光特性[12]，中水水培下假連翹的光合特性[13]，干旱脅迫和復(fù)水后臺灣相思生理變化[14]，尚未見到以上4種植物低溫脅迫下熒光特性的報道。作者對該內(nèi)容進(jìn)行研究，可以從植物的熒光特性角度為篩選抗寒種類提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
試驗于2011年9月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院進(jìn)行。試驗所用幼苗葛藤、假連翹、老鴨嘴和臺灣相思均為營養(yǎng)袋實(shí)生苗， 營養(yǎng)袋直徑12 cm，高10 cm。幼苗生長基本情況見表1。
表1 幼苗生長基本情況(cm) （平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 1 General situation of experimental seedling types(cm) (mean±SD)
1.2 材料處理
每種幼苗選形態(tài)長勢基本一致，生長狀況良好的5株植株放入RXZ智能型人工氣候箱進(jìn)行6℃低溫脅迫處理。光照時間8:00～17:00，光照強(qiáng)度為 120 mmol（photons）·m-2s-1，相對濕度為80%～85%。分別在連續(xù)低溫處理后的第0 h、24 h、36 h和低溫處理36 h，后在自然條件下恢復(fù)生長24 h (R24)，選用幼苗頂部開始的第3～8 枚葉中的五枚成熟葉進(jìn)行掛牌標(biāo)記，在光合作用比較活躍的9:00～11:00測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。每葉片記錄3個值，取平均值。
1.3 測定指標(biāo)
葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定采用脈沖調(diào)制熒光儀OS-1P調(diào)制熒光儀將測定測試葉片在暗適應(yīng)20 min后，在非化學(xué)淬滅（NPQ）模式下設(shè)定每次測量時間為1分鐘，每次測量3次重復(fù)，測定內(nèi)容有光下初始熒光(Fo)、最大熒光（Fm）、任意時間實(shí)際熒光（F′）、光適應(yīng)下最大熒光（Fm′）。計算表觀電子傳遞速率（ETR=Y(II)×PAR×0.84×0.5，PAR為光合有效幅射），非光化學(xué)淬滅（NPQ=Fm/Fm′-1），PSII實(shí)際光化學(xué)效率（Y(II)=（Fm′-F′)/Fm′）、PSII調(diào)節(jié)性能量耗散比例（Y(NPQ)=F′/Fm′-F′/Fm），PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散比例（Y(NO) =F′/Fm）。
1.4 數(shù)據(jù)處理軟件
運(yùn)用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和作圖，運(yùn)用SAS軟件進(jìn)行Duncun多重比較和主成分分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 低溫脅迫下幼苗的最大熒光變化
隨著低溫脅迫時間的延長，葛藤、假連翹和老鴨嘴幼苗的最大熒光（Fm）逐漸下降，在36 h時Fm降到最低值，臺灣相思在低溫脅迫24 h時Fm達(dá)到最低值，36 h有所回升（圖1）。葛藤、假連翹、老鴨嘴和臺灣相思幼苗在低溫脅迫36 h后Fm分別為對照的70%、52%、82%和83%，均顯著小于對照（P＜0.05）。經(jīng)過24 h的自然恢復(fù)，4種幼苗的Fm均恢復(fù)到對照水平。
2.2 低溫脅迫下幼苗的表觀電子傳遞速率變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗表觀電子傳遞速率（ETR）逐漸下降，在低溫處理12、24、36 h時均顯著小于對照（P＜0.05），36 h分別為對照的38%、50%、49%和59%（圖2）。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，假連翹的ETR恢復(fù)到對照水平，其余3種幼苗的ETR有所回升，仍顯著小于對照（P＜0.05）。
圖1 低溫脅迫下4種幼苗最大熒光的變化Fig. 1 Changes of maximal fl uorescence of four seedling types under low temperature stress
圖2 低溫脅迫下4種幼苗表觀電子傳遞速率的變化Fig. 2 Changes of electron transport rate of four seedling types under low temperature stress
2.3 低溫脅迫下種幼苗的非光化學(xué)淬滅變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗的非光化學(xué)淬滅（NPQ）先上升后下降，均在24 h達(dá)到最大值（圖3）。葛藤、假連翹和老鴨嘴24 h時的NPQ顯著大于對照（p＜0.05）。自然恢復(fù)24 h后，葛藤、老鴨嘴和臺灣相思的NPQ保持穩(wěn)定，假連翹的NPQ有所下降，除了臺灣相思外，其余3種幼苗均顯著高于對照。圖3 低溫脅迫下4種幼苗非光化學(xué)淬滅的變化Fig. 3 Changes of non-photochemical quenching of four seedling types under low temperature stress
2.4 低溫脅迫下幼苗的PSII實(shí)際光量子效率變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗的PSII實(shí)際光量子效率Y(II)逐漸降低，均在36 h達(dá)到最小值且顯著小于對照（p＜0.05），分別為對照的45%、65%、47%和48%（圖4）。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，葛藤和老鴨嘴的Y(II)有所回升，但仍顯著低于對照水平（p＜0.05），假連翹和臺灣相思恢復(fù)到對照水平。
圖4 低溫脅迫下4種幼苗PSII實(shí)際光量子效率的變化Fig. 4 Changes of active quantum eff i ciency of PS II of four seedling types under low temperature stress
2.5 低溫脅迫下幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)逐漸升高，在36 h達(dá)到最大值（圖5）。葛藤、假連翹和老鴨嘴的在12、24和36 h的Y(NPQ)均顯著大于對照（P＜0.05）。經(jīng)過24 h恢復(fù)，4種幼苗的Y(NPQ)顯著高于對照水平（P＜0.05）。
2.6 低溫脅迫下幼苗的PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗的PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO) 逐漸上升，在36 h達(dá)到最大值，且顯著大于對照（P＜0.05）（圖6）。經(jīng)過24 h恢復(fù)，老鴨嘴顯著高于對照水平（P＜0.05），其余3種幼苗恢復(fù)到對照水平。
圖5 低溫脅迫下4種幼苗PSII調(diào)節(jié)性能量耗的變化Fig. 5 Changes of quantum yield of regulated energy of four seedling types under low temperature stress
圖6 低溫脅迫下4種幼苗PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗的變化Fig. 6 Changes of quantum yield of non-regulated energy dissipation of four seedlings types under low temperature stress
2.7 種幼苗抗寒性的綜合評價
低溫脅迫的程度與植物體內(nèi)的Fm、Y(II)和ETR等參數(shù)的受抑制程度顯著的相關(guān)，可作為植物抗逆的指標(biāo)，但不同抗逆指標(biāo)表現(xiàn)往往不一致[15]。利用主成分分析法可以全面而準(zhǔn)確地分析植物的各種生理指標(biāo)的綜合抗寒性[10,16-17]。本文對所測量的低溫脅迫下4種植物幼苗的6個熒光指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，比較其抗寒性。利用極差法對各指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化公式為[18]：
式中，X為標(biāo)準(zhǔn)化后所得數(shù)據(jù)，x為某項指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，xmin為某項指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的最小值，xmax為某項指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的最大值。
對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。以累積貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上為參考值，確定主成分個數(shù)。由于主成分之間相互獨(dú)立且有著不同的貢獻(xiàn)率，因此，每個主成分得分就是其加權(quán)值，其中權(quán)重就是主成分對應(yīng)的貢獻(xiàn)率。由此分析得出4種幼苗抗寒性綜合評價值大小順序為臺灣相思＞假連翹＞葛藤＞老鴨嘴（表2）。
表2 4種幼苗抗寒性綜合評價值及排序Table 2 Comprehensive assessment values and orders of cold resistance of four seedling types
3 結(jié)論與討論
本研究中，低溫脅迫導(dǎo)致反映PSII電子傳遞能力有關(guān)的熒光參數(shù)Fm和ETR均顯著下降，這表明低溫引起捕光天線和反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)的變化，PSII的電子傳遞嚴(yán)重受阻并受到光抑制[19]。原因可能是低溫導(dǎo)致類囊體膜的流動性減小，從而導(dǎo)致類囊體膜上的反應(yīng)中心、捕光天線、電子傳遞體等蛋白的結(jié)構(gòu)或構(gòu)象發(fā)生變化，最終對PSII的功能造抑制[20]。低溫脅迫下，4種幼苗的Y(II)下降，表明實(shí)際光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率的下降，阻止了植物同化力( NADPH、ATP) 的形成，影響了植物對碳的固定和同化[21]。4種幼苗中，假連翹的ETR和Y(II)的降幅較另外3種幼苗少，表明其在低溫逆境下保持較快的光合電子傳遞速率，反應(yīng)中心實(shí)際進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的效率比另外3種幼苗高[22]。經(jīng)過24 h的自然恢復(fù)，假連翹Y(II)和ETR和臺灣相思的Y(II)均恢復(fù)到對照水平，表明其PSII反應(yīng)中心失活為可逆失活，具有較好的抗寒性。與低溫處理24 h相比，低溫處理36 h時的葛藤的ETR和老鴨嘴的Y(II)迅速下降，表明兩種幼苗在長時間的低溫脅迫下，PSII的功能受損較嚴(yán)重。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)后，葛藤、老鴨嘴的Y(II)和ETR均未回復(fù)到對照水平，表明其PSII反應(yīng)中心失活或破壞較嚴(yán)重，抗寒性差。
低溫脅迫會引起植物葉片光能分配的變化。根據(jù)Kramer 等[23]的模型，采用葉綠素?zé)晒鈪?shù)將PSII 的量子產(chǎn)量分成3 部分，即PSII 實(shí)際光量子產(chǎn)量Y(II)、調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)和非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NO)。低溫脅迫下，用于光化學(xué)反應(yīng)的光能部分顯著減少，從而形成過剩光能。當(dāng)大量過剩光能不能及時用于光化學(xué)反應(yīng)時，就能形成光抑制現(xiàn)象，植物為了免受PSII受到破壞，往往通過葉黃素循環(huán)、熒光發(fā)射、光呼吸等熱耗散途徑來消耗過剩光能[24]。非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ和調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)表示PSII天然色素吸收的光能中不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散的部分，是植物的一種自我保護(hù)機(jī)制，對光合機(jī)構(gòu)起一定的保護(hù)作用[7]。低溫脅迫12和24 h后，4種幼苗的NPQ均有所上升，表明幼苗利用自身的保護(hù)機(jī)制使過剩的激發(fā)能通過非光化學(xué)途徑耗散，阻止了由于激發(fā)能積累引起的PSII的損傷[25]。假連翹的NPQ和Y(NPQ)上升得較快，其自我保護(hù)能力較好。隨著低溫處理時間的延長，在36 h時4種幼苗的NPQ均有所下降，表明PSII天線熱耗散的保護(hù)能力被顯著削弱[19]。低溫脅迫時間延長引起的NPQ下降，可能是由于低溫抑制葉黃素循環(huán)的關(guān)鍵酶活性，影響了葉黃素循環(huán)[20]。與低溫脅迫24 h相比，葛藤和假連翹在在36 h時的NPQ降幅均為13%，而老鴨嘴降幅為21%，說明前兩種幼苗葉黃素循環(huán)的關(guān)鍵酶活性受損程度較輕，其抗寒性較好，而老鴨嘴的抗寒性差。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，臺灣相思的NPQ有所回升，表明其PSII反應(yīng)中心失活為可逆的，自我恢復(fù)能力較好。低溫脅迫期間，葛藤和假連翹的Y(NPQ) 較高，一方面表明植物接受的光強(qiáng)過剩，另一方面則說明這兩種仍可以通過調(diào)節(jié)(如將過剩光能耗散為熱) 來保護(hù)自身[26]。
Y(NO) 表示的是由于光鈍化所引起的非調(diào)節(jié)性的量子產(chǎn)量，即電子傳遞到PSII后既不參與光化學(xué)反應(yīng)、也不以葉黃素循環(huán)介導(dǎo)的調(diào)節(jié)性的熱量耗散，而是以光呼吸、Mehler 反應(yīng)等形式進(jìn)行耗散或者是將電子傳遞給氧，參與活性氧形成[27-30]，是光損傷的重要指標(biāo)[21]。在本研究中，4種幼苗的Y(NO)均有所上升，而且在低溫脅迫36 h時，均顯著大于對照，表明光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換(用于光合電子傳遞)和保護(hù)性的調(diào)節(jié)機(jī)制(如熱耗散) 不足以將植物吸收的光能完全消耗掉，使得葉綠素暫時積累并可能將能量傳遞給O2，形成破壞性極大的單線態(tài)氧(1O2)，引起光合機(jī)構(gòu)的失活甚至破壞[2]。4種幼苗中，低溫脅迫36 h時的臺灣相思幼苗的Y(NO)與24 h相比，升幅最少，表明其光損傷程度最低，抗寒性較好。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，老鴨嘴的Y(NO)依然顯著高于對照水平，且其Y(II)值亦顯著低于對照，可能是其對光合機(jī)構(gòu)造成了嚴(yán)重的破壞，光合電子傳遞得不到修復(fù)。其余3種幼苗恢復(fù)到對照水平，說明其光合電子傳遞及光保護(hù)機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)正常。
綜 上 比 較 4種 幼 苗 的 Fm、ETR、NPQ、Y(II)、Y(NPQ)和Y(NO)等一系列熒光參數(shù)，臺灣相思在低溫脅迫下ETR和Y(II)值較高、降幅少且自然恢復(fù)快，假連翹的NPQ和Y(NPQ)上升得較快，其自我保護(hù)能力較好，因此2種幼苗抗寒性好。低溫脅迫使葛藤的ETR和老鴨嘴的Y(II)降幅大，自然恢復(fù)慢，低溫解除后老鴨嘴的Y(NO)大，表明其光損傷嚴(yán)重，所以這2種幼苗抗寒性較差。主成分分析得出4種幼苗抗寒性為臺灣相思＞假連翹＞葛藤＞老鴨嘴，與4種幼苗熒光參數(shù)的表現(xiàn)一致，說明主成分分析是一種綜合評價植物生理特性的有效方法。
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Effects of low temperature stress on chlorophyll fl uorescence characteristics of four types of tree species seedlings
LU Guang-chao1, XU Jian-xin1,2, XUE Li1, ZHANG Rou1, WU Chai-qiong2, SHAO Yi-ruo1
(1. College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China;2. Shenzhen Tech and Ecology, Environment CO. LTD., Shenzhen 518040, Guangdong, China)
In order to provide the scientif i c basis for selecting cold resistance seedlings type, the chlorophyll fl uorescence characteristics ofPueraria lobata,Duranta repens,Thunbergia erectaandAcacia confusewere studied under low temperature stress. The results showed that with increasing time of low temperature stress, the chlorophyll fl uorescence characteristics of maximal fl uorescence（Fm）,electron transport rate（ETR）and active quantum eff i ciency of PSII (Y(II)) of four seedlings types decreased gradually, whereas their non-photochemical quenching (NPQ) fi rst rose and then declined, and the quantum yield of regulated energy dissipation (Y(NPQ)) and quantum yield of non-regulated energy dissipation (YNO) increased gradually; After 24 hours’ natural recovery, theFmrecovered to the control level, ETR rose, whereas the Y(NPQ) was signif i cantly higher than control level for the four seedlings types; The value of NPQ ofP. lobata,T. erectaandA. confuseremained stable, whereas that ofD. repensdeclined; The Y(II) ofD. repensandA. confuse,and the Y(NO) ofP. lobata,D. repensandA. confuserecovered to the control level; The chlorophyll fl uorescence parameters of the four seedlings types were evaluated with principal component analysis, the order of low temperature resistance of the four seedling types wasA. confuse＞D. repens＞P. lobata＞T. erecta.
low temperature stress; seedlings of tree; chlorophyll fl uorescence parameters; principal component analysis
S718.43
A
1673-923X(2014)02-0044-06
2013-07-06
深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金項目“深圳市生態(tài)修復(fù)生物工程技術(shù)研究開發(fā)中心”(GCZX20120618100801416)；國家科學(xué)技術(shù)部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目“裸露坡面生態(tài)恢復(fù)新技術(shù)應(yīng)用研究”（2009GB2E020423）
盧廣超（1989-），男，碩士研究生，主要從事森林培育和樹木生理學(xué)研究
薛 立（1958-），男，教授，博導(dǎo)，主要從事林分密度和自然稀疏及林木養(yǎng)分研究；E-mail：forxue@scau.edu.cn
[本文編校：吳 彬]
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盧廣超 ，許建新 ，，薛 立 ，張 柔 ，吳彩瓊 ，邵怡若
（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州510642；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳518040）
低溫脅迫對4種幼苗的葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
盧廣超1，許建新1，2，薛 立1，張 柔1，吳彩瓊2，邵怡若1
（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州510642；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳518040）
采用人工氣候箱的方法，測定了低溫脅迫下葛藤Pueraria lobata、假連翹Duranta repens、老鴨嘴Thunbergia erecta和臺灣相思Acacia confuse幼苗的熒光參數(shù)，以便為篩選抗寒種類提供依據(jù)。結(jié)果表明，隨著低溫脅迫時間的延長，4種幼苗的最大熒光（Fm）、表觀電子傳遞速率（ETR）、PSII實(shí)際光量子效率Y（II）逐漸下降，非光化學(xué)淬滅（NPQ）先上升后下降，PSII調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ) 和PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散Y（NO）逐漸升高。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，4種幼苗的Fm均恢復(fù)到對照水平，ETR有所回升，Y（NPQ）恢復(fù)到顯著高于對照水平；葛藤、老鴨嘴和臺灣相思的NPQ保持穩(wěn)定，假連翹的NPQ有所下降；假連翹和臺灣相思的Y(II)恢復(fù)到對照水平，葛藤、假連翹和臺灣相思幼苗的Y(NO)恢復(fù)到對照水平。對熒光參數(shù)進(jìn)行主成分分析表明，干旱脅迫下4種幼苗的抗寒順序為臺灣相思＞假連翹＞葛藤＞老鴨嘴。
低溫脅迫；幼苗；葉綠素?zé)晒鈪?shù)；主成分分析
低溫傷害是一種常見的自然災(zāi)害，也是植物區(qū)域性分布和季節(jié)性生長的限制因素[1]。低溫冷害會導(dǎo)致植物的光合酶活性、光合電子傳遞速率下降[2]，從而削弱植物利用光能的能力[3]，抑制葉黃素循環(huán)參與的非光化能量耗散或抑制蛋白修復(fù)循環(huán)[3]，引起光抑制現(xiàn)象[4]。一定脅迫范圍內(nèi)，植物通過熱耗散、PSII 反應(yīng)中心可逆失活和Mehler反應(yīng)等過程保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受破壞[5]。低溫脅迫嚴(yán)重時，會抑制PSII的修復(fù)，甚至對光合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的破壞[2]。
目前，關(guān)于低溫脅迫對葉綠素?zé)晒庥绊懙难芯恐饕杏谑卟怂秃瘫局参锱c少數(shù)南方樹種。王賀等[6]發(fā)現(xiàn)低溫使蘋果最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）降低，并對葉片的光合系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞。馬博英等[7]通過研究植物的PSII實(shí)際光量子效率(Y(II))、光合電子傳遞速率(ETR)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等葉綠素?zé)晒鈪?shù)，篩選出抗寒能力強(qiáng)的基因型草坪草。陳曦等[8]通過研究低溫下油松葉綠素?zé)晒獍l(fā)現(xiàn)，0℃以下的低溫脅迫對油松造成不可恢復(fù)的光合機(jī)構(gòu)損傷。梁芳等[9]發(fā)現(xiàn)菊花的Y(II)、ETR和Fv/Fm均隨著低溫脅迫程度的增加而降低。葛藤Pueraria lobata、假連翹Duranta repens、老鴨嘴Thunbergia erecta和臺灣相思Acacia confuse是熱帶、亞熱帶地區(qū)的重要用材和園林綠化樹種。盡管有學(xué)者報道了有低溫脅迫下葛藤、假連翹和老鴨嘴的生理和光合特性[10]，干旱脅迫下葛藤、假連翹和老鴨嘴的光合和熒光特性[11]，干旱脅迫下葛藤的生理和熒光特性[12]，中水水培下假連翹的光合特性[13]，干旱脅迫和復(fù)水后臺灣相思生理變化[14]，尚未見到以上4種植物低溫脅迫下熒光特性的報道。作者對該內(nèi)容進(jìn)行研究，可以從植物的熒光特性角度為篩選抗寒種類提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
試驗于2011年9月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院進(jìn)行。試驗所用幼苗葛藤、假連翹、老鴨嘴和臺灣相思均為營養(yǎng)袋實(shí)生苗， 營養(yǎng)袋直徑12 cm，高10 cm。幼苗生長基本情況見表1。
表1 幼苗生長基本情況(cm) （平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 1 General situation of experimental seedling types(cm) (mean±SD)
1.2 材料處理
每種幼苗選形態(tài)長勢基本一致，生長狀況良好的5株植株放入RXZ智能型人工氣候箱進(jìn)行6℃低溫脅迫處理。光照時間8:00～17:00，光照強(qiáng)度為 120 mmol（photons）·m-2s-1，相對濕度為80%～85%。分別在連續(xù)低溫處理后的第0 h、24 h、36 h和低溫處理36 h，后在自然條件下恢復(fù)生長24 h (R24)，選用幼苗頂部開始的第3～8 枚葉中的五枚成熟葉進(jìn)行掛牌標(biāo)記，在光合作用比較活躍的9:00～11:00測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。每葉片記錄3個值，取平均值。
1.3 測定指標(biāo)
葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定采用脈沖調(diào)制熒光儀OS-1P調(diào)制熒光儀將測定測試葉片在暗適應(yīng)20 min后，在非化學(xué)淬滅（NPQ）模式下設(shè)定每次測量時間為1分鐘，每次測量3次重復(fù)，測定內(nèi)容有光下初始熒光(Fo)、最大熒光（Fm）、任意時間實(shí)際熒光（F′）、光適應(yīng)下最大熒光（Fm′）。計算表觀電子傳遞速率（ETR=Y(II)×PAR×0.84×0.5，PAR為光合有效幅射），非光化學(xué)淬滅（NPQ=Fm/Fm′-1），PSII實(shí)際光化學(xué)效率（Y(II)=（Fm′-F′)/Fm′）、PSII調(diào)節(jié)性能量耗散比例（Y(NPQ)=F′/Fm′-F′/Fm），PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散比例（Y(NO) =F′/Fm）。
1.4 數(shù)據(jù)處理軟件
運(yùn)用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和作圖，運(yùn)用SAS軟件進(jìn)行Duncun多重比較和主成分分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 低溫脅迫下幼苗的最大熒光變化
隨著低溫脅迫時間的延長，葛藤、假連翹和老鴨嘴幼苗的最大熒光（Fm）逐漸下降，在36 h時Fm降到最低值，臺灣相思在低溫脅迫24 h時Fm達(dá)到最低值，36 h有所回升（圖1）。葛藤、假連翹、老鴨嘴和臺灣相思幼苗在低溫脅迫36 h后Fm分別為對照的70%、52%、82%和83%，均顯著小于對照（P＜0.05）。經(jīng)過24 h的自然恢復(fù)，4種幼苗的Fm均恢復(fù)到對照水平。
2.2 低溫脅迫下幼苗的表觀電子傳遞速率變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗表觀電子傳遞速率（ETR）逐漸下降，在低溫處理12、24、36 h時均顯著小于對照（P＜0.05），36 h分別為對照的38%、50%、49%和59%（圖2）。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，假連翹的ETR恢復(fù)到對照水平，其余3種幼苗的ETR有所回升，仍顯著小于對照（P＜0.05）。
圖1 低溫脅迫下4種幼苗最大熒光的變化Fig. 1 Changes of maximal fl uorescence of four seedling types under low temperature stress
圖2 低溫脅迫下4種幼苗表觀電子傳遞速率的變化Fig. 2 Changes of electron transport rate of four seedling types under low temperature stress
2.3 低溫脅迫下種幼苗的非光化學(xué)淬滅變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗的非光化學(xué)淬滅（NPQ）先上升后下降，均在24 h達(dá)到最大值（圖3）。葛藤、假連翹和老鴨嘴24 h時的NPQ顯著大于對照（p＜0.05）。自然恢復(fù)24 h后，葛藤、老鴨嘴和臺灣相思的NPQ保持穩(wěn)定，假連翹的NPQ有所下降，除了臺灣相思外，其余3種幼苗均顯著高于對照。圖3 低溫脅迫下4種幼苗非光化學(xué)淬滅的變化Fig. 3 Changes of non-photochemical quenching of four seedling types under low temperature stress
2.4 低溫脅迫下幼苗的PSII實(shí)際光量子效率變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗的PSII實(shí)際光量子效率Y(II)逐漸降低，均在36 h達(dá)到最小值且顯著小于對照（p＜0.05），分別為對照的45%、65%、47%和48%（圖4）。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，葛藤和老鴨嘴的Y(II)有所回升，但仍顯著低于對照水平（p＜0.05），假連翹和臺灣相思恢復(fù)到對照水平。
圖4 低溫脅迫下4種幼苗PSII實(shí)際光量子效率的變化Fig. 4 Changes of active quantum eff i ciency of PS II of four seedling types under low temperature stress
2.5 低溫脅迫下幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗的PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)逐漸升高，在36 h達(dá)到最大值（圖5）。葛藤、假連翹和老鴨嘴的在12、24和36 h的Y(NPQ)均顯著大于對照（P＜0.05）。經(jīng)過24 h恢復(fù)，4種幼苗的Y(NPQ)顯著高于對照水平（P＜0.05）。
2.6 低溫脅迫下幼苗的PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散變化
低溫脅迫處理期間，4種幼苗的PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO) 逐漸上升，在36 h達(dá)到最大值，且顯著大于對照（P＜0.05）（圖6）。經(jīng)過24 h恢復(fù)，老鴨嘴顯著高于對照水平（P＜0.05），其余3種幼苗恢復(fù)到對照水平。
圖5 低溫脅迫下4種幼苗PSII調(diào)節(jié)性能量耗的變化Fig. 5 Changes of quantum yield of regulated energy of four seedling types under low temperature stress
圖6 低溫脅迫下4種幼苗PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗的變化Fig. 6 Changes of quantum yield of non-regulated energy dissipation of four seedlings types under low temperature stress
2.7 種幼苗抗寒性的綜合評價
低溫脅迫的程度與植物體內(nèi)的Fm、Y(II)和ETR等參數(shù)的受抑制程度顯著的相關(guān)，可作為植物抗逆的指標(biāo)，但不同抗逆指標(biāo)表現(xiàn)往往不一致[15]。利用主成分分析法可以全面而準(zhǔn)確地分析植物的各種生理指標(biāo)的綜合抗寒性[10,16-17]。本文對所測量的低溫脅迫下4種植物幼苗的6個熒光指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，比較其抗寒性。利用極差法對各指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化公式為[18]：
式中，X為標(biāo)準(zhǔn)化后所得數(shù)據(jù)，x為某項指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，xmin為某項指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的最小值，xmax為某項指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的最大值。
對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。以累積貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上為參考值，確定主成分個數(shù)。由于主成分之間相互獨(dú)立且有著不同的貢獻(xiàn)率，因此，每個主成分得分就是其加權(quán)值，其中權(quán)重就是主成分對應(yīng)的貢獻(xiàn)率。由此分析得出4種幼苗抗寒性綜合評價值大小順序為臺灣相思＞假連翹＞葛藤＞老鴨嘴（表2）。
表2 4種幼苗抗寒性綜合評價值及排序Table 2 Comprehensive assessment values and orders of cold resistance of four seedling types
3 結(jié)論與討論
本研究中，低溫脅迫導(dǎo)致反映PSII電子傳遞能力有關(guān)的熒光參數(shù)Fm和ETR均顯著下降，這表明低溫引起捕光天線和反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)的變化，PSII的電子傳遞嚴(yán)重受阻并受到光抑制[19]。原因可能是低溫導(dǎo)致類囊體膜的流動性減小，從而導(dǎo)致類囊體膜上的反應(yīng)中心、捕光天線、電子傳遞體等蛋白的結(jié)構(gòu)或構(gòu)象發(fā)生變化，最終對PSII的功能造抑制[20]。低溫脅迫下，4種幼苗的Y(II)下降，表明實(shí)際光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率的下降，阻止了植物同化力( NADPH、ATP) 的形成，影響了植物對碳的固定和同化[21]。4種幼苗中，假連翹的ETR和Y(II)的降幅較另外3種幼苗少，表明其在低溫逆境下保持較快的光合電子傳遞速率，反應(yīng)中心實(shí)際進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的效率比另外3種幼苗高[22]。經(jīng)過24 h的自然恢復(fù)，假連翹Y(II)和ETR和臺灣相思的Y(II)均恢復(fù)到對照水平，表明其PSII反應(yīng)中心失活為可逆失活，具有較好的抗寒性。與低溫處理24 h相比，低溫處理36 h時的葛藤的ETR和老鴨嘴的Y(II)迅速下降，表明兩種幼苗在長時間的低溫脅迫下，PSII的功能受損較嚴(yán)重。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)后，葛藤、老鴨嘴的Y(II)和ETR均未回復(fù)到對照水平，表明其PSII反應(yīng)中心失活或破壞較嚴(yán)重，抗寒性差。
低溫脅迫會引起植物葉片光能分配的變化。根據(jù)Kramer 等[23]的模型，采用葉綠素?zé)晒鈪?shù)將PSII 的量子產(chǎn)量分成3 部分，即PSII 實(shí)際光量子產(chǎn)量Y(II)、調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)和非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NO)。低溫脅迫下，用于光化學(xué)反應(yīng)的光能部分顯著減少，從而形成過剩光能。當(dāng)大量過剩光能不能及時用于光化學(xué)反應(yīng)時，就能形成光抑制現(xiàn)象，植物為了免受PSII受到破壞，往往通過葉黃素循環(huán)、熒光發(fā)射、光呼吸等熱耗散途徑來消耗過剩光能[24]。非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ和調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)表示PSII天然色素吸收的光能中不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散的部分，是植物的一種自我保護(hù)機(jī)制，對光合機(jī)構(gòu)起一定的保護(hù)作用[7]。低溫脅迫12和24 h后，4種幼苗的NPQ均有所上升，表明幼苗利用自身的保護(hù)機(jī)制使過剩的激發(fā)能通過非光化學(xué)途徑耗散，阻止了由于激發(fā)能積累引起的PSII的損傷[25]。假連翹的NPQ和Y(NPQ)上升得較快，其自我保護(hù)能力較好。隨著低溫處理時間的延長，在36 h時4種幼苗的NPQ均有所下降，表明PSII天線熱耗散的保護(hù)能力被顯著削弱[19]。低溫脅迫時間延長引起的NPQ下降，可能是由于低溫抑制葉黃素循環(huán)的關(guān)鍵酶活性，影響了葉黃素循環(huán)[20]。與低溫脅迫24 h相比，葛藤和假連翹在在36 h時的NPQ降幅均為13%，而老鴨嘴降幅為21%，說明前兩種幼苗葉黃素循環(huán)的關(guān)鍵酶活性受損程度較輕，其抗寒性較好，而老鴨嘴的抗寒性差。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，臺灣相思的NPQ有所回升，表明其PSII反應(yīng)中心失活為可逆的，自我恢復(fù)能力較好。低溫脅迫期間，葛藤和假連翹的Y(NPQ) 較高，一方面表明植物接受的光強(qiáng)過剩，另一方面則說明這兩種仍可以通過調(diào)節(jié)(如將過剩光能耗散為熱) 來保護(hù)自身[26]。
Y(NO) 表示的是由于光鈍化所引起的非調(diào)節(jié)性的量子產(chǎn)量，即電子傳遞到PSII后既不參與光化學(xué)反應(yīng)、也不以葉黃素循環(huán)介導(dǎo)的調(diào)節(jié)性的熱量耗散，而是以光呼吸、Mehler 反應(yīng)等形式進(jìn)行耗散或者是將電子傳遞給氧，參與活性氧形成[27-30]，是光損傷的重要指標(biāo)[21]。在本研究中，4種幼苗的Y(NO)均有所上升，而且在低溫脅迫36 h時，均顯著大于對照，表明光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換(用于光合電子傳遞)和保護(hù)性的調(diào)節(jié)機(jī)制(如熱耗散) 不足以將植物吸收的光能完全消耗掉，使得葉綠素暫時積累并可能將能量傳遞給O2，形成破壞性極大的單線態(tài)氧(1O2)，引起光合機(jī)構(gòu)的失活甚至破壞[2]。4種幼苗中，低溫脅迫36 h時的臺灣相思幼苗的Y(NO)與24 h相比，升幅最少，表明其光損傷程度最低，抗寒性較好。經(jīng)過24 h自然恢復(fù)，老鴨嘴的Y(NO)依然顯著高于對照水平，且其Y(II)值亦顯著低于對照，可能是其對光合機(jī)構(gòu)造成了嚴(yán)重的破壞，光合電子傳遞得不到修復(fù)。其余3種幼苗恢復(fù)到對照水平，說明其光合電子傳遞及光保護(hù)機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)正常。
綜 上 比 較 4種 幼 苗 的 Fm、ETR、NPQ、Y(II)、Y(NPQ)和Y(NO)等一系列熒光參數(shù)，臺灣相思在低溫脅迫下ETR和Y(II)值較高、降幅少且自然恢復(fù)快，假連翹的NPQ和Y(NPQ)上升得較快，其自我保護(hù)能力較好，因此2種幼苗抗寒性好。低溫脅迫使葛藤的ETR和老鴨嘴的Y(II)降幅大，自然恢復(fù)慢，低溫解除后老鴨嘴的Y(NO)大，表明其光損傷嚴(yán)重，所以這2種幼苗抗寒性較差。主成分分析得出4種幼苗抗寒性為臺灣相思＞假連翹＞葛藤＞老鴨嘴，與4種幼苗熒光參數(shù)的表現(xiàn)一致，說明主成分分析是一種綜合評價植物生理特性的有效方法。
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Effects of low temperature stress on chlorophyll fl uorescence characteristics of four types of tree species seedlings
LU Guang-chao1, XU Jian-xin1,2, XUE Li1, ZHANG Rou1, WU Chai-qiong2, SHAO Yi-ruo1
(1. College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China;2. Shenzhen Tech and Ecology, Environment CO. LTD., Shenzhen 518040, Guangdong, China)
In order to provide the scientif i c basis for selecting cold resistance seedlings type, the chlorophyll fl uorescence characteristics ofPueraria lobata,Duranta repens,Thunbergia erectaandAcacia confusewere studied under low temperature stress. The results showed that with increasing time of low temperature stress, the chlorophyll fl uorescence characteristics of maximal fl uorescence（Fm）,electron transport rate（ETR）and active quantum eff i ciency of PSII (Y(II)) of four seedlings types decreased gradually, whereas their non-photochemical quenching (NPQ) fi rst rose and then declined, and the quantum yield of regulated energy dissipation (Y(NPQ)) and quantum yield of non-regulated energy dissipation (YNO) increased gradually; After 24 hours’ natural recovery, theFmrecovered to the control level, ETR rose, whereas the Y(NPQ) was signif i cantly higher than control level for the four seedlings types; The value of NPQ ofP. lobata,T. erectaandA. confuseremained stable, whereas that ofD. repensdeclined; The Y(II) ofD. repensandA. confuse,and the Y(NO) ofP. lobata,D. repensandA. confuserecovered to the control level; The chlorophyll fl uorescence parameters of the four seedlings types were evaluated with principal component analysis, the order of low temperature resistance of the four seedling types wasA. confuse＞D. repens＞P. lobata＞T. erecta.
low temperature stress; seedlings of tree; chlorophyll fl uorescence parameters; principal component analysis
S718.43
A
1673-923X(2014)02-0044-06
2013-07-06
深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金項目“深圳市生態(tài)修復(fù)生物工程技術(shù)研究開發(fā)中心”(GCZX20120618100801416)；國家科學(xué)技術(shù)部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目“裸露坡面生態(tài)恢復(fù)新技術(shù)應(yīng)用研究”（2009GB2E020423）
盧廣超（1989-），男，碩士研究生，主要從事森林培育和樹木生理學(xué)研究
薛 立（1958-），男，教授，博導(dǎo)，主要從事林分密度和自然稀疏及林木養(yǎng)分研究；E-mail：forxue@scau.edu.cn
[本文編校：吳 彬]
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