李秋靜，盧廣超，薛 立，田茂濤，林 敏，林婧庭

(華南農業(yè)大學林學院，廣東廣州510642)

臭氧與干旱脅迫對華南地區(qū)3種綠化樹種熒光生理的影響

李秋靜，盧廣超，薛 立，田茂濤，林 敏，林婧庭

(華南農業(yè)大學林學院，廣東廣州510642)

【目的】了解尖葉杜英Elaeocarpusapiculatus、米老排Mytilaria laosensis和藜蒴Castanopsis fissa的抗臭氧和干旱生理機制，為華南地區(qū)篩選抗逆樹種提供參考.【方法】以3種幼苗為研究對象，進行人工臭氧熏氣和干旱處理后，測定其葉綠素熒光參數(shù)時間動態(tài).【結果和結論】隨著脅迫處理時間的延長最小初始熒光(F0)先升后降，PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)保持穩(wěn)定;臭氧脅迫的PSⅡ實際光量子效率Y(Ⅱ)先降后升，其余處理的保持穩(wěn)定;尖葉杜英的非光化學淬滅(NPQ)保持穩(wěn)定，其余幼苗的先升后降.主成分分析表明，幼苗抗臭氧脅迫和干旱脅迫的能力為:黎朔＞尖葉杜英＞米老排，幼苗抗臭氧和干旱交叉脅迫的能力為:尖葉杜英＞黎朔＞米老排.總體來看，臭氧脅迫和干旱脅迫下，3種幼苗能夠啟動光保護作用的調節(jié)機制，具有一定的抗臭氧或干旱的能力.

綠化樹;幼苗;葉綠素熒光參數(shù);臭氧脅迫;干旱脅迫

臭氧(O3)具有強氧化作用［1］，當其在地球表面附近時，可通過影響氣孔開放，損傷光保護系統(tǒng)，特別是抑制光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應中心的活性，下調光化學效率，影響葉綠素熒光參數(shù)［2］.O3也能改變植物類囊體膜的成分，從而導致葉綠素熒光產量發(fā)生變化［3］.干旱脅迫抑制植物光合作用，導致光合器官的損傷［4］，葉綠素含量減少，葉綠素熒光參數(shù)發(fā)生變化［5-8］.植物長期進化過程中，光合機構形成抵御逆境的生理機制，其中PSⅡ扮演著重要角色［9-10］.應用葉綠素熒光動力學可以深入分析環(huán)境脅迫對植物PSⅡ等的葉綠素熒光參數(shù)的影響，篩選出抗逆能力強的種類.

臭氧和干旱對植物的交互作用不同于二者對植物的單一影響，取決于干旱脅迫的強度、臭氧濃度以及試驗時間和環(huán)境.二者的交互作用導致了活性氧的過量生產和氣孔功能的改變［11］.目前有關學者對O3和干旱脅迫下植物熒光生理進行過一些研究.魏曉東等［9］發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫使銀杏葉片PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)在后期大幅度下降，最終降低光化學活性.曹際玲等［12］發(fā)現(xiàn)，O3主要是通過減少最大熒光(Fm)從而導致Fv/Fm下降，即O3脅迫條件下小麥光合作用受到抑制［13］.歐立軍等［14］通過研究辣椒的PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和非光化學猝滅(NPQ)等葉綠素熒光參數(shù)，篩選出抗性強的栽培品種.尖葉杜英Elaeocarpus apiculatus、米老排Mytilaria laosensis和藜蒴Castanopsis fissa是我國華南地區(qū)重要的園林綠化樹種.盡管前人對這些樹種的光合生理有零星的研究［15-17］，但鮮見臭氧脅迫或干旱脅迫對其熒光生理影響的報道.本文研究臭氧和干旱對尖葉杜英、米老排和藜蒴的葉綠素熒光的影響，探究3種樹種對臭氧脅迫和干旱脅迫的適應性，旨在為選擇抗臭氧和干旱的綠化植物提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2012年11月15日在華南農業(yè)大學林學院進行.試驗所用的尖葉杜英、米老排、黎朔幼苗(每種苗木150株)均為1年生營養(yǎng)袋實生苗，營養(yǎng)袋直徑12 cm、高10 cm，基質為黃心土.幼苗生長基本情況見表1.

熏氣設備采用開頂式熏氣室(OTC)，橫截面為六角形，直徑3.0 m、高2.4 m，玻璃室壁;由CFY5制氧機及COM-AD-01臭氧發(fā)生器提供O3; GT901-03便攜式臭測儀(量程為0～1μL/L，分辨率0.001μL/L)監(jiān)測臭氧濃度.

表1 幼苗生長基本情況1)Tab.1 General situations of the experim ental seed ling types

1.2 試驗方法

每個熏氣室內設2個臭氧處理，分別為E40(僅通風不通臭氧，熏氣室的臭氧體積分數(shù)和大氣中自然的臭氧體積分數(shù)相同，均約為0.04μL/L)和E150 (臭氧體積分數(shù)約為0.15μL/L).每個熏氣室設2個水分梯度，即每天正常澆水和2 d澆1次水(D).臭氧和干旱脅迫共組合成4種處理分別為E40(對照)、E150(臭氧脅迫)、E40+D(干旱脅迫)、E150+ D(臭氧與干旱交叉脅迫).通風與布氣系統(tǒng)可以滿足氣室內氣體每分鐘交換1次以上，使得氣室內溫度、濕度與CO2濃度等環(huán)境因素與外界基本保持一致.將幼苗移入氣室適應1周，定期澆水，待土壤水分穩(wěn)定(2 d澆1次水的幼苗土壤自然含水量約為正常澆水的70%)后開始通氣.每天通氣時間為09:00—17:00.在0、15和30 d時，分別測定各處理的熒光參數(shù).

1.3 測定指標

葉片葉綠素熒光參數(shù)采用脈沖調制熒光儀(OS-1P調制熒光儀，OPTI-SCIENCES，美國)測定.每樹種測量3株，每株選擇生長一致的3片功能葉片在暗適應20 min后，在非化學淬滅(NPQ)模式下設定每次測量1 min，測量3次，取平均值.測定時間為09:00—11:00.測定內容包括光下最小初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、任意時間實際熒光(F＇)、光適應下最大熒光(Fm＇).計算變動熒光值(Fv，F(xiàn)v= Fm-F0)、PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、非光化學淬滅(NPQ，NPQ=Fm/Fm＇-1)、PSⅡ實際光量子效率［Y(Ⅱ)，Y(Ⅱ)=(Fm＇-F＇)/Fm＇］.

1.4 數(shù)據處理

運用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據進行統(tǒng)計分析和作圖，運用SAS 9.0軟件進行Duncan＇s多重比較和主成分分析.主成分分析利用極差法對各指標數(shù)值進行標準化，標準化公式為:

式中，X為標準化后所得數(shù)據，x、xmin和xmax分別為某項指標的原始數(shù)據、原始數(shù)據的最小值和最大值.對標準化后的數(shù)據進行主成分分析，計算E40、E150、E40+D、E150+D這4個處理中各種幼苗抗臭氧和干旱指標的得分，按得分多少評定各植物的抗性大小.

2 結果與分析

2.1 臭氧和干旱脅迫下幼苗的最小初始熒光變化

隨著臭氧和干旱脅迫時間的延長，3種幼苗的最小初始熒光(F0)變化如圖1.E40處理的尖葉杜英幼苗F0隨時間持續(xù)小幅上升后保持穩(wěn)定;E150處理的幼苗基本保持穩(wěn)定，E40+D和E150+D處理的幼苗先升后降，三者30 d時比0 d分別比對照顯著下降3%、23%和26%(P＜0.05).米老排幼苗各處理的F0隨著時間延長先上升后下降，E150、E40+D和E150+D處理的30 d時比0 d分別顯著上升16%、33%和25%(P＜0.05).藜蒴幼苗4個處理的F0變動趨勢與米老排相似，E150、E40+D和E150+ D處理的30 d時分別比0 d顯著上升8%、33%和22%(P＜0.05).

圖1 臭氧和干旱脅迫下最小初始熒光(F0)的變化Fig.1 The changes ofminimal initial fluorescence(F0)under O3and drought stress

2.2 臭氧和干旱脅迫下幼苗的最大光化學效率變化

由圖2可見，隨著時間延長，E40、E150和E40+ D處理的尖葉杜英幼苗的Fv/Fm先升后降;E150+D處理保持穩(wěn)定.米老排幼苗E40、E40+D和E150+ D處理的Fv/Fm小幅變化，E150處理的下降后小幅上升.藜蒴幼苗4個處理的Fv/Fm隨時間持續(xù)延長保持穩(wěn)定，與對照差異不顯著.

圖2 臭氧和干旱脅迫下PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)的變化Fig.2 The changes of PSⅡmaximum photochemical efficiency(Fv/Fm)under O3and drought stress

2.3 臭氧和干旱脅迫下幼苗的PSⅡ實際光量子效率變化

圖3顯示，尖葉杜英和米老排幼苗E40、E40+D和E150+D處理的PSⅡ實際光量子效率［Y(Ⅱ)］隨時間的持續(xù)而小幅變化，E150處理的Y(Ⅱ)顯著下降后顯著上升(P＜0.05).藜蒴幼苗E40和E150處理的Y(Ⅱ)隨時間持續(xù)而顯著下降后顯著上升(P＜0.05)，E40+D和E150+D處理的保持穩(wěn)定.

圖3 臭氧和干旱脅迫下PSⅡ實際光量子效率［Y(Ⅱ)］的變化Fig.3 The changes of PSⅡactive quantum efficiency［Y(Ⅱ)］under O3and drought stress

2.4 臭氧和干旱脅迫下幼苗的非光化學淬滅變化

隨時間持續(xù)，尖葉杜英幼苗各處理的NPQ小幅變化，米老排幼苗各處理的NPQ顯著下降后顯著上升，E150、E40+D和E150+D處理的30 d時比0 d分別顯著下降16%、14%和5%(P＜0.05) (圖4).E40和 E150+D處理的藜蒴幼苗的NPQ隨時間持續(xù)而保持穩(wěn)定，E150和E40+D處理的顯著下降后顯著上升(P＜0.05)，E150和E40+D處理30 d時比0 d分別顯著下降14%和12%(P＜0.05).

圖4 臭氧和干旱脅迫下非光化學淬滅(NPQ)的變化Fig.4 The changes of non-photochemical quenching(NPQ)under O3and drought stress

2.5 幼苗抗臭氧脅迫和干旱脅迫能力的綜合評價

臭氧脅迫、干旱脅迫及臭氧與干旱雙重脅迫的程度與植物體內的F0、Fm/Fv、Y(Ⅱ)和NPQ等參數(shù)受抑制程度顯著相關，可作為植物抗逆的指標，但不同抗逆指標表現(xiàn)往往不一致［18］.利用主成分分析法可以全面而準確地分析植物各種生理指標的綜合抗性.對標準化后的數(shù)據進行主成分分析，以累積貢獻率達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立且有著不同的貢獻率，因此，每個主成分得分就是其加權值，其中權重就是主成分對應的貢獻率.E40、E150、E40+D處理的幼苗得分為黎朔＞尖葉杜英＞米老排，表明黎朔抗臭氧或干旱單一脅迫的能力最強，尖葉杜英次之，米老排最弱; E150+D處理的幼苗得分為尖葉杜英＞黎朔＞米老排，表明尖葉杜英抗臭氧或干旱交叉脅迫的能力最強，黎朔次之，米老排最弱(表2).

表2 3種幼苗抗臭氧和抗旱性綜合評價值及排序Tab.2 Comprehensive assessment values and orders of ozone and drought stress resistance of three seedling types

3 討論與結論

F0是PSⅡ反應中心全部開放時的最小初始熒光水平，其大小主要與PSⅡ天線色素與PSⅡ反應的結構狀態(tài)及葉綠素濃度有關［19-20］.F0降低表明天線色素的熱耗散增加，F(xiàn)0上升表明PSⅡ反應中心破壞或可逆失活［19］.除了尖葉杜英幼苗的E150處理外，F(xiàn)0隨著脅迫處理時間的延長先升后降，可能是幼苗在臭氧脅迫或干旱脅迫15 d時，葉片的PSⅡ反應中心發(fā)生可逆失活，脅迫30 d時，啟動了光保護作用的調節(jié)機制免遭強光的破壞［19-21］.

Fv/Fm是暗適應下PSⅡ的最大光化學效率，能反映植物對光能的利用效率.在環(huán)境脅迫中Fv/Fm常隨脅迫程度加重而降低，所以是反映植物在脅迫條件下光合作用受抑制程度的理想指標［22-23］.本研究中，各處理的3種幼苗的Fv/Fm值通常與對照差異不顯著，說明其在臭氧或干旱脅迫時幼苗葉片的PSⅡ活性中心沒有受損［4，22，24］，光對光合機構的傷害輕微，植物發(fā)生的光抑制不明顯.

Y(Ⅱ)反映植物的實際光合效率，Y(Ⅱ)的下降，表明植物發(fā)生光合受阻，氧釋放能力降低是受到環(huán)境因子的脅迫.E40+D和E150+D處理的3種幼苗的Y(Ⅱ)保持穩(wěn)定，說明其受干旱脅迫及臭氧和干旱交叉脅迫的影響不明顯.E150處理的3種幼苗的Y(Ⅱ)先降后升，表明臭氧脅迫15 d時其實際光合效率的下降，影響了植物對碳的固定和同化［25］，臭氧脅迫30 d時實際光合效率的回升，說明在臭氧逆境下的幼苗實際光合效率的下降是可逆的［26-27］.

NPQ反映的是PSⅡ吸收的光能中不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分［28］.熱耗散可以防御光抑制帶來的破壞，是植物保護PSⅡ免受傷害的重要機制［29］.尖葉杜英在各種處理下NPQ保持穩(wěn)定，說明其抗逆性強，熱耗散功能穩(wěn)定.脅迫15 d時，米老排和藜蒴幼苗的NPQ下降，熱耗散較小，能保證吸收的光能最大程度地進入電子傳遞系統(tǒng)進而進行碳固定［30］.脅迫30 d時NPQ顯著上升，有利于通過熱耗散防御光抑制帶來的破壞［31］.

3種幼苗的葉綠素熒光參數(shù)的變化表明:隨著臭氧和干旱脅迫時間的延長，啟動了光保護作用的調節(jié)機制，使光合系統(tǒng)免遭強光的破壞，出現(xiàn)熱耗散增加，PSⅡ反應中心內部吸收的能量流向光化學的部分增加，促進光合電子傳遞，使PSⅡ的最大光化學效率保持穩(wěn)定.

［1］ CAO JL，ZHU JG，ZENGQ，etal.Research advance in the effect of elevated O3on characteristics of photosynthesis［J］.JBiol，2012，29(1):66-70.

［2］ 羅克菊，朱建國，劉鋼，等.臭氧脅迫對水稻的光合損傷與施氮的緩解作用［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2012，21(3): 294-306.

［3］ 列淦文，葉龍華，薛立.臭氧脅迫對植物主要生理功能的影響［J］.生態(tài)學報，2014，34(2):481-488.

［4］ 李春霞，曹慧.干旱對蘋果屬植物葉綠素熒光參數(shù)的影響［J］.安徽農業(yè)科學，2008，36(31):13536-13538.

［5］ EKMEKCIY，BOHMSA，THOMSON JA，et al.Photochemical and antioxidant responses in the leaves of Xerophyta viscosa Baker and Digitaria sanguinalis L.，under water deficit［J］.Z Naturforsch，2005，60(5/6):435-443.

［6］ MOHSENZADEH S，MALBOOBIM A，RAZAVI K，et al.Physiological and molecular responses of Aeluropus lagopoides(Poaceae)to water deficit［J］.Environ Exp Bot，2006，56(3):314-322.

［7］ NAYYAR H，GUPTA D.Differential sensitivity of C3and C4plants to water deficit stress:Association with oxidative stress and antioxidants［J］.Environ Exp Bot，2006，58(1/ 3):106-113.

［8］ YANG Y，LIUQ，HANC，etal.Influence ofwater stress and low irradiance on morphological and physiological characteristics of Picea asperata seedlings［J］.Photosynthetica，2007，45(4):613-619.

［9］ 魏曉東，陳國祥，施大偉，等.干旱脅迫對銀杏葉片光合系統(tǒng)Ⅱ熒光特性的影響［J］.生態(tài)學報，2012，32(23): 7492-7500.

［10］BAKER N R.A possible role for photosystem II in environmental perturbations of photosynthesis［J］.Physiol Plant，1991，81(4):563-570.

［11］列淦文，薛立.臭氧與其他環(huán)境因子對植物的交互作用［J］.生態(tài)學雜志，2014，33(6):1678-1687.

［12］曹際玲，朱建國，曾青，等.對流層臭氧濃度升高對植物光合特性影響的研究進展［J］.生物學雜志，2012，29 (1):66-70.

［13］FENG Z Z，KOBAYASHIK，AINSWORTH E.Impact of elevated ozone concentration on growth，physiology，and yield ofwheat(Triticum aestivum L.)［J］.Global Change Biol，2008，14，2696-2708.

［14］歐立軍，陳波，鄒學校，等.干旱對辣椒光合作用及相關生理特性的影響［J］.生態(tài)學報，2012，32(8):2612-2619.

［15］潘文，張衛(wèi)強，甘先華，等.SO2脅迫對園林植物幼苗光合生理特性的影響［J］.中國水土保持科學，2013，11 (1):82-87.

［16］廖凌娟，黎清，陳怡竹，等.海岸帶迎風坡環(huán)境干擾對造林植物葉片解剖、氣孔和水分利用效率的影響［J］.植物科學學報，2011，29(5):613-624.

［17］張衛(wèi)強，曾令海，王明懷.東江中上游主要造林樹種光合特性［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2011，20(1):51-57.

［18］左勝鵬，葉良濤，馬永清.不同生態(tài)型化感冬小麥抽穗期的熒光動力學特性［J］.中國生態(tài)農業(yè)學報，2011，19 (2):331-337.

［19］種培芳，李毅，蘇世平，等.荒漠植物紅砂葉綠素熒光參數(shù)日變化及其與環(huán)境因子的關系［J］.中國沙漠，2010，30(3):539-545.

［20］盧從明，張其德，匡廷云.水分脅迫對小麥光系統(tǒng)Ⅱ的影響［J］.植物學報，1994，36(2):93-98.

［21］徐德聰，呂芳德，劉小陽，等.不同品種美國山核桃葉綠素熒光參數(shù)日變化的研究［J］.激光生物學報，2007，16 (3):259-265.

［22］尹海龍，田長彥.氮調控對鹽環(huán)境下甜菜功能葉光系統(tǒng)Ⅱ熒光特性的影響［J］.植物生態(tài)學報，2013，37(2): 122-131.

［23］郝興宇，韓雪，李萍，等.大氣CO2濃度升高對綠豆葉片光合作用及葉綠素熒光參數(shù)的影響［J］.應用生態(tài)學報，2011，22(10):2776-2780.

［24］孫景寬，張文輝，陸兆華，等.干旱脅迫下沙棗和孩兒拳頭葉綠素熒光特性研究［J］.植物研究，2009，29(2): 216-223.

［25］劉愛榮，陳雙臣，王淼博，等.高溫脅迫對番茄幼苗光合作用和葉綠素熒光參數(shù)的影響［J］.西北農業(yè)學報，2010，19(5):145-148.

［26］馬博英，金松恒，徐禮根，等.低溫對三種暖季型草坪草葉綠素熒光特性的影響［J］.中國草地學報，2006，28 (1):58-62.

［27］梁芳，鄭成淑，孫憲芝，等.低溫弱光脅迫及恢復對切花菊光合作用和葉綠素熒光參數(shù)的影響［J］.應用生態(tài)學報，2010，21(1):29-35.

［28］段仁燕，吳甘霖，黃振波.草莓葉綠素熒光參數(shù)日變化的研究［J］.生物學雜志，2009，26(5):69-70.

［29］鄧培雁，劉威，邱元凱，等.寶山堇菜和紫花地丁葉綠素熒光參數(shù)的日變化［J］.華南師范大學學報:自然科學版，2009，1(2):96-100.

［30］宗梅，談凱，吳甘霖.兩種石楠葉綠素熒光參數(shù)日變化的比較研究［J］.生物學雜志，2010，27(1):27-30.

［31］盧廣超，張柔，葉龍華，等.4種彩葉植物葉綠素熒光參數(shù)日變化研究［J］.湖南林業(yè)科技，2013，40(1):25-28.

【責任編輯 李曉卉】

Effects of ozone and drought on fluorescence physiology of seed lings of three afforestation tree species in South China

LIQiujing，LU Guangchao，XUE Li，TIAN Maotao，LIN Min，LIN Jingting
(College of Forestry，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

【Objective】This study was conducted to demonstrate the fluorescent physiology of ozone resistance and drought physiologymechanism in the seedlings of three native tree species and provide reference for screening stress-resistant tree species in South China.【Method】Seedlings of Elaeocarpusapiculatus，Mytilaria laosensis and Castanopsis fissa were treated with ozone fumigation and drought condition，and their chlorophyll fluorescence parameters were determined.【Result and conclusion】The results showed thatwith increasing treatment time，minimal initial fluorescence(F0)of the three seedling types increased and then decreased，and their PSⅡmaximum photochemical efficiency(Fv/Fm)remained stable;active quantum efficiency of PSⅡ［Y(Ⅱ)］treated with ozone stress decreased，followed by an increase and other treatments remained stable;non-photochemical quenching(NPQ)of E.apiculatus seedlings remained stable and other seedling types increased and then decreased.Principal component analyses showed that resistance of the three seedling types to ozone stress and drought stresswas C.fissa＞E.apiculatus＞M.laosensis，whereas their resistance to intercross stress of ozone and droughtwas E.apiculatus＞C.fissa＞M.laosensis.In general，the three seedling types have a certain ability to resist ozone or droughtby starting an adjustmentmechanism of photoprotection under ozone stress or drought stress.

afforestation tree;seedling;chlorophyll fluorescence parameter;ozone stress;drought stress

Q945.11

A

1001-411X(2015)01-0091-05

李秋靜，盧廣超，薛 立，等.臭氧與干旱脅迫對華南地區(qū)3種綠化樹種熒光生理的影響［J］.華南農業(yè)大學學報，2015，36(1):91-95.

2013-10-01 優(yōu)先出版時間:2014-12-02

優(yōu)先出版網址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.7671/j.issn.1001-411X.2015.01.017.html

李秋靜(1990—)，女，碩士研究生，E-mail:623638417@qq.com;通信作者:薛 立(1958—)，男，教授，博士，E-mail:forxue@scau.edu.cn

廣東省林業(yè)局資助項目(F09054)