干旱條件下葉黃素循環(huán)抑制劑對歐李光合指標的影響

高文蕊，胡銀松，王瑞芳，宋興舜*

(東北林業(yè)大學 生命科學學院，哈爾濱 150040)

摘要：研究在干旱脅迫下外施兩種抑制劑對歐李光合作用，葉綠素熒光以及葉綠素含量的影響。結果表明：外施二硫蘇糖醇(DTT)和葡糖胺(Gla)使葉黃素循環(huán)受阻，光合作用下降，氣孔導度降低，不能正常耗散光能，光合器官受損傷，且Gla的抑制程度高于DTT。隨著處理時間的延長，植株正常的熱耗散不能順利進行，非光化學淬滅系數NPQ降低。最大光化學效率Fv/Fm降低，過剩的光能對植物體形成光抑制作用，且DTT的抑制作用高于Gla。外施抑制劑促進葉綠素的增加。本文利用抑制劑策略，為進一步探究逆境脅迫下歐李葉黃素循環(huán)的響應提供基礎理論。

關鍵詞：歐李；葉黃素循環(huán)；抑制劑；光合作用；葉綠素熒光；葉綠素含量

中圖分類號：S 662.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)02-0071-04

Abstract：The impacts of two xanthophyll cycle inhibitors on Cerasus humilis photosynthesis，chlorophyll fluorescence parameters，and chlorophyll content under drought stress were studied.The results showed that：applying dithiothreitol(DTT)and glucosamine(Gla)to Cerasus humilis made xanthophyll cycle frustrated，photosynthesis and stomatal conductance reduced，energy dissipation abnormal and eventually led to the damage of photosynthetic organ.In terms of photosynthesis，Gla’s inhibitory effect was higher than DTT’s.With the increase of processing time，plant normal heat dissipation cannot go smoothly and the non-photochemical quenching coefficient(NPQ)decreased.The maximum photochemical efficiency Fv/Fm reduced，and the excess light energy cannot be dissipated，leading to the photoinhibition on the plant.In the aspect of chloroplast fluorescence，DTT’s inhibitory effect was higher than Gla’s.Applying inhibitors could promote the increase of chlorophyll.The inhibitors strategy used in this paper can provide basic theory for further exploration of the xanthophyll cycle’s response under adversity stress in Cerasus humilis.

Keywords：Cerasus humilis；xanthophyll cycle；inhibitors；photosynthesis；chlorophyll fluorescence parameters；chlorophyll content

收稿日期：2014-10-19

基金項目：國家自然科學基金項目(31170569)

作者簡介：第一高文蕊，碩士研究生。研究方向：植物逆境生理與分子生物學。

通訊作者：*宋興舜，博士，副教授。研究方向：林木抗性生理與分子生物學。E-mail： sfandi@163.com

Impact of Xanthophyll Cycle Inhibitors onCerasushumilisPhotosynthesis Indices under Drought Stress

Gao Wenrui，Hu Yinsong，Wang Ruifang，Song Xingshun*

(College of Life Science，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

引文格式：高文蕊，胡銀松，王瑞芳，等.干旱條件下葉黃素循環(huán)抑制劑對歐李光合指標的影響[J].森林工程，2015，31(2)：71-74.

歐李(Cerasushumilis)是我國特有的一個薔薇科櫻桃屬灌木樹種，具有極高的經濟價值且用途非常廣泛。果肉可食，仁可入藥，莖可作飼料和編織材料，其開發(fā)利用前景非常廣闊。歐李由于其根系龐大，基生枝和根蘗發(fā)達所以具有極強的抗逆性，適合干旱地區(qū)種植。

逆境脅迫下，植物體自身形成了多種可以抵御外界脅迫的保護機制，這其中依賴于葉黃素循環(huán)的非光化學淬滅(NPQ)就是一種極其有效的保護機制[1]。過剩光能下，紫黃質(violaxanthin，V)在紫黃質脫環(huán)氧化酶(VDE)的催化作用下發(fā)生脫環(huán)氧化作用形成單脫環(huán)玉米黃質(antheraxanthin，A)，A再次經過脫環(huán)氧化作用形成玉米黃質(zeaxanthin，Z)；當植物面臨的過剩光能減少時，Z通過玉米黃質環(huán)氧化酶(ZEP)的環(huán)氧化作用首先形成A，進而由A又進一步環(huán)氧化形成V，正是這一循環(huán)使得過剩光能得以耗散[2]。VDE和ZEP作為兩種關鍵酶，在維持逆境下植株葉黃循環(huán)的運轉中起著重要作用。VDE和ZEP的靶向抑制劑分別是二硫蘇糖醇(DTT)[3]以及葡糖胺(Gla)[4]，抑制劑的角度為進一步探討VDE和ZEP的作用提供了新的思路，基于此本研究通過外施DTT及Gla，測定干旱下歐李光合和熒光指標的變化，以期為歐李植株的耐旱機制提供一定的理論指導。

1材料與方法

1.1　試驗材料和處理

本試驗選擇的歐李幼苗取材自黑龍江省南部尚志市的帽兒山，于2014年4月扦插到直徑37 cm，高25 cm的花盆中，每盆一株。試驗共設置5種處理：①對照處理，每天正常澆清水至飽和；②干旱處理，干旱處理15天，期間均不給植株澆水，第16天開始復水解除脅迫；③外施DTT處理，在干旱處理的基礎上分別在第2、5、8、14天給幼苗外施一次DTT，每株幼苗每次葉片噴施DTT為200 mL(5 mmol/L)，第16天時停止外施DTT并且正常澆水。④外施Gla處理，在干旱處理的基礎上分別在第2、5、8、14天給幼苗外施一次Gla，每株幼苗每次葉片噴施Gla為200 mL(0.5%)，第16天時停止外施Gla并且正常澆水。⑤同時外施DTT和Gla處理，在干旱處理的基礎上分別在第2、5、8、14天給幼苗外施一次DTT和Gla，每株幼苗每次葉片噴施DTT為200 mL(5 mmol/L)，待葉片基本吸收完全后再葉片噴施Gla 200 mL(0.5%)，第16天時停止外施DTT和Gla并且正常澆水。處理24 h后進行取材和理化指標的測定。每個處理4棵植株，至少3次重復。

1.2　試驗方法

1.2.1光合及熒光指標的測定

本試驗采用光合—熒光測定系統(tǒng)(Li-6400XTR，美國)，在幼苗處理的各個階段，選取上午9：00-11：00進行光合指標的測定。所測量的光合指標包括：葉片凈光合速率(Pn)，氣孔導度(Gs)，胞間CO2濃度(Ci)。熒光指標為PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)，非光化學淬滅(NPQ)。每個處理選取3~5片生長位置與生長狀態(tài)一致的有代表性的功能葉片進行測定，測定結果取平均值。

1.2.2葉綠素含量的測定

試驗采用便攜式葉綠素計測量歐李葉片的葉綠素含量。取樣時間和部位同上。

2結果與分析

2.1　不同處理條件下歐李光合指標的變化

圖1　不同處理條件下歐李光合指標的變化 Fig.1 Response of photosynthesis indicators in C.humilis to different treatments

圖A、B、C分別為凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度。如圖A所示隨著處理時間的延長各處理組的歐李幼苗均表現為凈光合速率下降的趨勢，外施抑制劑的三組歐李幼苗的凈光合速率低于干旱和對照組，其中外施Gla以及同時外施DTT和Gla的歐李幼苗下降幅度更為顯著，處理持續(xù)15 d以后復水，各處理組的凈光合速率均表現上升的趨勢，但未達到對照水平。如圖B所示不同處理組之間氣孔導度的變化呈現與凈光合速率同樣的趨勢。如圖C所示隨著時間的延長各處理之間胞間CO2濃度無顯著差別。植物在遭受干旱，鹽漬，高低溫等逆境脅迫時，光合器官通過葉黃素循環(huán)可增強處理過剩光能的能力，這說明葉黃素循環(huán)在廣泛的自然條件下都具有保護光合作用免受逆境影響的功能[5-7]。

2.2　不同處理條件下歐李熒光參數的變化

圖2　不同處理條件下歐李熒光參數的變化 Fig.2 Response of fluorescence parameters in C.humilis to different treatments

如圖2所示，與對照組相比隨著處理時間的延長各處理組植株的PSⅡ最大光化學效率逐漸降低，外施DTT以及同時外施DTT和Gla的植株最大光化學效率基本呈現直線下降，其中同時外施兩種抑制劑的歐李植株下降幅度最大。干旱處理和外施Gla的兩組變化趨勢相似，下降福度比較小。在干旱脅迫下，植物受到傷害的首要部位與光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)密切相關[8]，葉綠素熒光參數被認為是評價植物光和器官是否受損傷的重要依據[9]。因此干旱處理的歐李植株Fv/Fm值下降，復水后上升。外施抑制劑，阻礙葉黃素循環(huán)的順利進行，削弱植株對自身光合器官的保護作用，所以PSⅡ最大光化學效率低于單純的干旱處理。

非光化學淬滅反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能中不能用于光合電子傳遞而以熱能的形式耗散掉的那一部分光能，其熱耗散的能力可以用非光化學淬滅系數(NPQ)表示[10]。由圖可知，干旱處理的歐李植株隨處理時間的延長NPQ值逐漸增加，復水后下降至對照水平。外施Gla的歐李，在干旱處理的初期(前9天)NPQ值穩(wěn)定，與對照無顯著差別，第9天之后NPQ值急劇降低，下降約18.75%。外施DTT以及外施兩種抑制劑的兩組歐李植株，從處理開始就表現下降的趨勢，到第15天下降到最低點。外施抑制劑的三個處理組在復水后NPQ的值均表現上升的趨勢，但未達到對照水平。歐李是一種耐旱能力較強的植物，在漫長的進化過程中形成了一套依賴于葉黃素循環(huán)的非光化學淬滅(NPQ)的保護機制，在干旱逆境中通過增加NPQ來保護自身免受傷害[11]。植物體內玉米黃質(Z)的量與NPQ之間存在著非常重要的因果關系[12-13]。外施抑制劑DTT，直接抑制了Z的形成，導致NPQ值下降；而外施Gla在初期并沒有使Z的含量降低，所以在處理的前9天NPQ值較平穩(wěn)，但持續(xù)的逆境脅迫以及抑制劑的作用使得葉黃素循環(huán)的整個過程受到了影響，在處理后期NPQ表現下降趨勢。

2.3　不同處理條件下歐李葉綠素含量的變化

圖3　不同處理條件下歐李葉片葉綠素含量的變化 Fig.3 The changes of chlorophyll content in C.humilis to different treatments

對照組的葉綠素含量基本保持不變，而實驗組的葉綠素含量隨著處理時間的延長呈現先上升后下降的趨勢，在處理的第9天達到最大值，其中同時外施DTT和Gla的歐李幼苗葉綠素含量增加最大。復水后，葉綠素含量下降，但同時外施DTT和Gla 的組葉綠素含量未能達到對照水平(如圖3所示)。

許多研究顯示，植物在受到干旱脅迫時體內葉綠素含量會發(fā)生改變[14]。這一指標可以指示植物對水分脅迫的敏感性。一些研究認為，干旱會使植物葉片的葉綠素含量增加[15-16]，還有一些研究認為，干旱會使植物葉片的葉綠素含量會隨著干旱程度的加深而逐漸減少[17]。歐李具有較強的抗旱能力，它通過增加葉綠素的合成進而提高植物的光合能力來抵抗逆境[18]。外施抑制劑，使得歐李植株的葉黃素循環(huán)受阻，減弱植株在逆境下的自我保護的能力，造成光合器官受損，最終造成葉片中的葉綠素含量降低。

3結論與討論

葉黃素循環(huán)在自然界存在非常普遍，廣泛存在于高等植物、蕨類、苔蘚和一些藻類植物中。1987年Demmig等[19]發(fā)現玉米黃質可能與過剩光能的耗散有關，使得葉黃素循環(huán)成為人們研究的熱點。迄今人們對葉黃素循環(huán)組分的生化特性，其在光破壞防御中的作用進行了深入研究，取得了進展。但是關于兩個關鍵酶VDE和ZEP的作用方面的研究還不是很多，本文采用抑制劑的方法對葉黃素循環(huán)在逆境脅迫下的作用做了全面的分析。DTT作為VDE的專一抑制劑，它的作用已經被證實。與頡敏華等[20]研究結果相似，DTT處理下植株的PSⅡ最大光化學效率降低；另一方面陳新斌等[21]研究DTT對海水脅迫誘導下菠菜葉綠素熒光特性的影響，結果表明，海水脅迫下外施DTT使得菠菜葉綠素含量、最大光化學效率(Fv/Fm)顯著降低，而非光化學猝滅系數(NPQ)顯著上升，而本實驗干旱脅迫下外施抑制劑DTT使得歐李葉綠素含量升高，NPQ值下降。這可能是由于歐李屬于抗旱性較強的植物，對于干旱的耐受性強于菠菜，增加葉綠素含量以確保光合作用進行；NPQ的差異可能是由于處理方式及脅迫持續(xù)時間的差異造成的。有關玉ZEP的抑制劑Gla的研究比較少。由于不同品種的歐李之間存在一定差異，導致對脅迫的耐受性不同，VDE及ZEP對于抑制劑的敏感性也不盡相同。

從葉黃素循環(huán)兩個關鍵酶的抑制劑的角度入手，探究歐李的光合抗性機制。結果表明干旱條件下外施DTT和Gla，使光合作用指標包括NPQ值均低于的對照，凸顯了葉黃素循環(huán)在抵御干旱脅迫中的作用，這也為更深一步在分子生物學等層面研究歐李的抗旱機制提供了一定的參考依據。

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[責任編輯：董希斌]