溫 星，程路蕓，李丹丹，許馨露，高 巖，張汝民

（1.浙江農(nóng)林大學 林業(yè)與生物技術學院，浙江 臨安 311300；2.國家林業(yè)局 竹子研究開發(fā)中心/浙江省竹子高效加工重點實驗室，浙江 杭州310012）

毛竹葉片發(fā)育過程中光合生理特性的變化特征

溫 星1,2，程路蕓1，李丹丹1，許馨露1，高 巖1，張汝民1

（1.浙江農(nóng)林大學 林業(yè)與生物技術學院，浙江 臨安 311300；2.國家林業(yè)局 竹子研究開發(fā)中心/浙江省竹子高效加工重點實驗室，浙江 杭州310012）

運用植物氣體交換測定和葉綠素熒光測定等分析技術，測定分析毛竹Phyllostachys edulis葉片發(fā)育過程中的色素質(zhì)量分數(shù)、光響應進程和葉綠素熒光參數(shù)的變化特征。結果表明：①毛竹葉片從幼葉生長到葉片成熟的各發(fā)育階段，葉綠素質(zhì)量分數(shù)和凈光合速率不斷增加而趨于穩(wěn)定，葉片對光能的捕獲和利用能力也隨之增強。②葉片從伸出到成熟，葉片的最大光化學效率（φPo）的變化不明顯。③毛竹葉片經(jīng)放葉、展葉至第15天，PSⅡ反應中心數(shù)不斷增加，其數(shù)量約升高54.4%。④PSⅡ電子受體蛋白QA被還原的速率和還原需要的能量不斷減少，用于推動QA下游電子傳遞的能量不斷增加。因此，毛竹葉片光合功能從幼葉形成至第15天完全展葉，葉片發(fā)育趨于完善，表明毛竹葉片具備正常的光合生理功能，可以充分利用毛竹群落生境的光能資源。圖5表1參21

植物生理學；毛竹；葉片發(fā)育；葉綠素熒光；光合速率；色素

植物葉片發(fā)育過程一般可分為原基形成、初級形態(tài)和次生形態(tài)等3個階段［1］。在原基形成階段，葉原基的頂端分生組織有較高濃度的生長素和細胞分裂素［2］。一般而言，新展開的葉子有較低的凈光合速率與較高的暗呼吸速率和低傳導的二氧化碳轉(zhuǎn)移［3］。在初級形態(tài)階段，葉片生長、細胞分裂、光合速率達到最高水平。在次生形態(tài)階段，細胞停止增殖，葉片停止生長［4］。據(jù)報道，在番茄Solanum lycopersicum葉片成熟過程中，其總類胡蘿素含量呈指數(shù)形式增加［5］；在板栗Castanea millissima和紫丁香Syringa oblata葉片發(fā)育過程中，葉綠素含量也逐漸增加［6-7］。借助于光合膜的能量通量理論提出的 “JIP分析法”［8］，可以觀察到植物葉片發(fā)育不同階段的PSⅡ氧化還原狀態(tài)和電子傳遞鏈末端電子受體間的PSⅠ受體側(cè)的效率［9］，植物葉片光合能量轉(zhuǎn)換過程獲得更清晰的認識。在早春期間，毛竹Phyllostachys edulis具有顯著的爆發(fā)式生長特性已經(jīng)獲得深入研究［10-12］，但是與毛竹竹稈爆發(fā)式生長相對應的葉片放葉至展葉過程中，有關光合色素、光化學效率及光合能力的變化特征尚未開展研究。為此，本研究以毛竹為研究對象，利用葉綠素熒光分析技術等，研究毛竹從葉片放葉至展葉過程中的光合色素質(zhì)量分數(shù)、光合速率及光合激發(fā)能分配，試圖闡明毛竹葉片發(fā)育過程中光合結構和功能的變化規(guī)律，為毛竹林的科學管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

在浙江省臨安市的毛竹林試驗基地，選擇生長健壯的2年生毛竹5株，1株為1個獨立實驗。從2015年4月20日幼葉展葉時開始取樣測定，隔5 d取樣1次，至2015年5月20日止共取樣6次。

1.2 實驗方法

1.2.1 色素質(zhì)量分數(shù)的測定 根據(jù)ARNON［13］的方法略做修改，稱取毛竹葉片0.2 g，剪碎后置于帶蓋的試管中，加5.0 mL體積分數(shù)為80%的丙酮溶液在暗處浸提48 h，分別在470，645和663 nm處測定其光密度D（λ）值，參考LICHTENTHALER［14］的方法，計算葉綠素a，葉綠素b和類胡蘿卜素的質(zhì)量分數(shù)。取樣1次·株-1，5次重復。

1.2.2 光響應曲線的測定 光響應曲線用Li-6400XT便攜式光合儀（Li-COR，美國）中自動測定程序light-curve測定。測定時，設定的光合有效輻射強度為：2 000，1 800，1 600，1 400，1 200，1 000，800，500，300，200，100，50，0 μmol·m-2·s-1，二氧化碳摩爾分數(shù)為370 μmol·mol-1，溫度為25℃。根據(jù)直角雙曲線修正模型擬合計算光飽和點（LSP）和光補償點（LCP）等光合指標。選取5株，測定1次·株-1，5次重復。

1.2.3 快速葉綠素熒光動力學曲線的測定 快速葉綠素熒光動力學曲線采用非調(diào)制式葉綠素熒光儀（Yaxin-1161型）測定。測定前，葉片先暗適應20 min，然后用3 000 μmol·m-2·s-1飽和藍閃光照射1 s，以10 μs（2 ms之前）和1 ms（2 ms之后）的間隔記錄熒光信號，即可測得葉綠素熒光動力學參數(shù)。重復5次·處理-1。葉綠素熒光動力學參數(shù)的計算參考STRASSER等［15］的計算方法。暗適應下PSⅡ最大量子產(chǎn)率φPo=Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm；捕獲的激子能電子傳遞的效率φO≡ETO/TRO=（1-VJ）；用于熱耗散的量子比率φDo≡1-φPo=（Fo/Fm）；單位面積反應中心數(shù)目RC/CSO=（Fv/Fm）×（VJ/Mo）×Fo；單位反應中心耗散掉的能量DIO/RC=（ABS/RC）-（TRO/RC），其中：TRO/RC=Mo·（1/VJ）表示單位反應中心捕獲的用于還原PSⅡ電子受體蛋白QA的能量；ABS/RC=Mo（Fv/Fm）/VJ表示單位反應中心復合體吸收的能量；ETO/RC=Mo×（1/VJ）×φo表示用于電子傳遞的能量；Mo=4×（F300μs-Fo）/（Fm-Fo）表示熒光曲線的相對初始斜率；VJ=（FJ-Fo）/（Fm-Fo）表示2 ms時的可變熒光。上述公式中，F(xiàn)m表示暗適應后的最大熒光強度；Fo表示暗適應后的最小熒光強度；F300μs表示在暗適應后照光300 μs時的熒光強度；FJ表示在暗適應后照光2 ms時的熒光強度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均為5次重復的平均值±標準誤差，利用Origin 8軟件進行統(tǒng)計分析和作圖。采用One-Way ANOVA方法進行統(tǒng)計檢驗和最小顯著差異法（LSD）多重比較（P＜0.05）。

2 結果分析

2.1 毛竹葉片發(fā)育過程中光合色素質(zhì)量分數(shù)的變化

隨著毛竹葉片展開天數(shù)的增加，毛竹葉片葉綠素a，葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)不斷增加（表1）。在展葉后第15天時，毛竹葉片中的葉綠素a，葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)比第5天時分別增加了233.8%，253.8%和142.1%。在第15天后，葉綠素a，葉綠素b和類胡蘿卜素基本保持不變。由此說明在葉片發(fā)育進程中，第15天時，毛竹葉發(fā)育成熟，成熟葉片的葉綠素質(zhì)量分數(shù)比幼葉多。此外，說明隨著毛竹葉片發(fā)育進程推進，光合色素質(zhì)量分數(shù)不斷增加。

表1 毛竹發(fā)育過程中光合色素質(zhì)量分數(shù)變化Table 1 Change of the pigment content in bamboo development processes

2.2 毛竹葉片發(fā)育過程中的光響應曲線

衡量葉片光合能力的重要指標是最大凈光合速率。研究表明：2年生毛竹的葉片在6個不同的發(fā)育階段，其凈光合速率都有變化（圖1）。隨著毛竹葉發(fā)育進程天數(shù)的增加，凈光合速率呈緩慢上升趨勢，在第15天到第20天時，凈光合速率達到最大值，約為9 μmol·m-2·s-1；在20 d以后的一段時間里，凈光合速率呈上下波動，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。表明毛竹葉在第15天到第20天之間的光合能力是最強的。

2.3 快速葉綠素熒光誘導動力學曲線

葉片發(fā)育過程中各個時期的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（圖2）表明，葉片發(fā)育過程中各個時期的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線均具有O，J，I，P相等的典型特征位點。隨著葉片的發(fā)育，快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的形狀發(fā)生了變化，在初期的O相，葉片各個發(fā)育階段的差異不明顯，從J相開始，I相和P相熒光隨葉片發(fā)育進程逐漸升高，葉片各個發(fā)育階段的差異逐漸增大，在I相和P相表現(xiàn)出明顯的差異。

2.4 PSⅡ反應中心和活性反應中心數(shù)的變化

毛竹葉片發(fā)育過程中PSⅡ反應中心數(shù)和活性反應中心數(shù)變化（圖3）表明，葉片發(fā)育過程中葉片單位面積含有的PSⅡ反應中心的數(shù)量（RC/CSo）和活性反應中心數(shù)（RC/ABS）逐漸增加，發(fā)育到第15天，RC/CSo升高了14.2%；RC/ABS升高了54.4%。由此表明在葉片發(fā)育過程中，有活性的反應中心增加更快。

圖1 毛竹不同發(fā)育時期的光響應曲線Figure 1 Light curver during leaf development processes of Phyllostachys edulis

圖2 毛竹葉片發(fā)育過程中快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的變化Figure 2 Changes in chlorophyll fluorescence transient during leaf development processes of Ph.edulis

2.5 PSⅡ反應中心能流分配的變化

毛竹葉片發(fā)育過程PSⅡ反應中心能量分配的變化（圖4）表明，在葉片發(fā)育過程中，PSⅡ單位反應中心吸收的光能（ABS/RC）和用于還原QA的能量（TRo/RC）逐漸降低，在5～15 d下降速度較快，在第15天后趨于穩(wěn)定。ETo/RC數(shù)值保持平穩(wěn)，表明在葉片發(fā)育過程中用于電子傳遞的能量變化不大。DIO/RC在5～15 d迅速減少，15 d后穩(wěn)定在較低的水平，表明在葉片發(fā)育過程中單位反應中心的能量耗散越來越少，在15 d后葉片發(fā)育完成，維持較低的能量耗散。

圖3 毛竹葉片發(fā)育過程PSⅡ 反應中心數(shù)和活性反應中心數(shù)變化Figure 3 Changes in PSⅡ reaction center numbers and activity reaction centernumbers during leaf development of Phyllostachys edulis

圖4 毛竹葉片發(fā)育過程PSⅡ反應中心能量分配的變化Figure 4 Changes in PSⅡ reaction center energy allocation during leaf development of Ph. edulis

2.6 PSⅡ受體側(cè)的變化

圖5表示毛竹葉片發(fā)育過程PSⅡ受體側(cè)的變化。隨著葉片的發(fā)育成熟，Mo不斷減少說明在葉片發(fā)育過程中QA被還原的速率迅速升高，QA完全被還原所需要的能量下降。最大光化學效率（φPo）上升最少，基本穩(wěn)定；φEo和ψO的變化規(guī)律一致，在5～15 d間上升較快，而在15～30 d趨于穩(wěn)定，表明葉片發(fā)育過程中PSⅡ受體側(cè)QA下游的電子傳遞接收的能量無論絕對值還是占總能量的比例都是不斷升高的，φEo的上升表明在葉片發(fā)育過程中用于QA下游電子傳遞的量子不斷增加，ψO的上升表明葉片發(fā)育過程中PSⅡ反應中心捕獲的激子中用于QA下游電子傳遞的激子占捕獲激子總數(shù)的比例不斷增加。

圖5 毛竹葉片發(fā)育過程PSⅡ 受體側(cè)的變化Figure 5 Changes in PSⅡ receptor side during leaf development of Ph.edulis

3 討論與結論

葉綠素主要作用是植物吸收和傳遞光能，類胡蘿卜素的作用是吸收光能傳遞給中心色素葉綠素a，保護葉綠素免遭光氧化傷害［16］。一般情況下，植物葉片從幼葉伸出到完全擴展成熟的發(fā)育過程中，首先需要建立光能吸收與轉(zhuǎn)換的機構，然后再逐漸完善氣孔功能和羧化功能［17］。毛竹葉片葉綠素a，葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)均隨葉片發(fā)育呈增加趨勢。毛竹葉片在生長初期，各種色素質(zhì)量分數(shù)都較低，隨著葉片的發(fā)育，各種色素質(zhì)量分數(shù)都在不斷形成而增加，但由于葉綠素a比葉綠素b增加的幅度小，導致葉片中葉綠素a/葉綠素b值 的降低。葉綠素b具有吸收和傳遞光能的作用，有利于葉片吸收更多的光能。可見毛竹在葉片發(fā)育過程中，通過葉綠素循環(huán)調(diào)節(jié)自身葉綠素a/葉綠素b比值的對策，適應外界環(huán)境中光的變化［18］。

快速葉綠素熒光誘導動力學曲線包含大量有關光合原初光化學反應的信息，能更好地反映植物葉片光合機構的狀況［19］。在毛竹葉片發(fā)育過程中，PSⅡ反應中心吸收的光量子將電子傳遞到電子傳遞鏈中QA下游的電子受體的概率（φEo），以及捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中QA-下游的電子受體的概率（ψO）逐漸上升。該結果表明：毛竹葉片發(fā)育過程中，PSⅡ受體側(cè)PQ庫被還原的能力急劇上升，庫容增大，QA自身氧化還原越來越容易，導致受體側(cè)電子傳遞暢通，毛竹葉片的PSⅡ反應中心功能逐漸完善，光合能力逐漸增強。

在毛竹葉片發(fā)育過程中，葉片單位面積上有活性的反應中心（RC/CSo）的數(shù)量明顯增加，PSⅡ的光能轉(zhuǎn)化效率升高，單位反應中心吸收（ABS/RC）和捕獲（TRo/RC）的光能在葉片發(fā)育過程明顯降低。ABS/RC和TRo/RC降低，減少了單位反應中心的激發(fā)壓，而單位PSⅡ反應中心的光化學反應活性（ETo/RC）幾乎沒有變化。表明毛竹在葉片發(fā)育過程中，PSⅡ中有活性的反應中心數(shù)目逐漸增加，活性反應中心捕獲的光能優(yōu)先保證推動PSⅡ電子傳遞（ETo/RC）［20］。φPo是PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量，其大小反映了PSⅡ反應中心內(nèi)原初光能的轉(zhuǎn)換效率（最大PSⅡ的光能轉(zhuǎn)換效率），φPo在非脅迫條件下變化極小，在受到環(huán)境脅迫時，隨脅迫的增大而降低［21］。本研究中，毛竹葉片發(fā)育過程φPo無顯著變化，表明毛竹在葉片發(fā)育過程中，環(huán)境脅迫不明顯。

綜上所述，毛竹在葉片發(fā)育過程中，葉綠素質(zhì)量分數(shù)和凈光合速率逐漸增加，15 d葉片發(fā)育完成，PSⅡ反應中心的功能逐漸完善，能夠充分利用毛竹群落生境的光能資源。

［1］ DONNELLY P M， BONETTA D，TSUKAYA H，et al.Cell cycling and cell enlargement in developing leaves of Arabidopsis［J］.Dev Biol,1999，215（2）：407-419.

［2］ TRAAS J，MONéGER F.Systems biology of organ initiation at the shoot apex［J］.Plant Physiol，2010，152（2）：420-427.

［3］ CAI Z Q，SLOT M，F(xiàn)AN Z X.Leaf development and photosynthetic properties of three tropical tree species with delayed greening［J］.Photosynthetica，2005，43（1）：91-98.

［4］ COSGROVE D J.Growth of the plant cell wall［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2005，6（11）：850-861.

［5］ 李京，惠伯棣，裴凌鵬.番茄果實在成熟過程中類胡蘿卜素含量的變化［J］.中國食品學報，2006，6（2）：122-125.

LI Jing,HUI Bodi,PEI Lingpeng.Variation in the carotenoid amount of tomato fruit during ripening［J］.J Chin Inst Food Sci Technol,2006，6（2）：122-125.

［6］ 孫山，張立濤，楊興華，等.板栗幼葉展葉過程的反射光譜和葉綠素熒光動力學［J］.林業(yè)科學，2009，45（4）：162-166.

SUN Shan,ZHANG Litao,YANG Xinghua,et al.Spectral reflectance and chlorophyll fluorescemce kinetics of young leaves at the various stages of leaf expansion in field-grown chestnut plants［J］.Sci Silv Sin,2009,45（4）：162-166.

［7］ 田野，張會慧，張秀麗，等.紫丁香葉片發(fā)育過程中花色素苷含量與葉綠素熒光和激發(fā)能分配的關系［J］.南京林業(yè)大學學報（自然科學版），2014，38（1）：59-64.

TIAN Ye，ZHANG Huihui，ZHANG Xiuli，et al.The relationship between leaf anthocyanin content and chlorophyll fluorescence，as well as excited energy distribution during leaf expansion of Syringa oblata Lindl.［J］.J Nanjing For Univ Nat Sci Ed,2014，38（1）：59-64.

［8］ STRASSER B J，STRASSER R J.Measuring fast fluorescence transients to address environmental questions：The JIP-test［M］//MATHIS P.Photosynthesis：from Light to Biosphere.Dordrecht：Kluwer Academic Publishers，1995：977-980.

［9］ POLLASTRINI M，HOLLAND V，BRüGGEMANN W,et al.Interactions and competition processes among tree species in young experimental mixed forests，assessed with chlorophyll fluorescence and leaf morphology［J］.Plant Biol,2014，16（2）：323-331.

［10］ 李洪吉，蔡先鋒，袁佳麗，等.毛竹快速生長期光合固碳特征及其與影響因素的關系［J］.浙江農(nóng)林大學學報, 2016,33（1）：11-16.

LI Hongji,CAI Xianfeng,YUAN Jiali,et al.Photosynthetic carbon fixation in Phyllostachys edulis during its fast growth period［J］.J Zhejiang A&F Univ,2016,33（1）：11-16.

［11］ 曾瑩瑩,王玉魁,蔡先鋒,等.毛竹林爆發(fā)式生長期立竹器官營養(yǎng)成分的動態(tài)變化［J］.浙江農(nóng)林大學學報，2015，32（2）：372-377.

ZENG Yingying,WANG Yukui,CAI Xianfeng,et al.Nutritional elements in organs of a Phyllostachys edulis stand during its fast growth period［J］.J Zhejiang A&F Univ,2015，32（2）：372-377.

［12］ 袁佳麗,溫國勝,張明如,等.毛竹快速生長期的水勢變化特征［J］.浙江農(nóng)林大學學報，2015，32（5）：722-728.

YUAN Jiali,WEN Guosheng,ZHANG Mingru,et al.Water potential with Phyllostachys edulis in its fast-growth periods［J］.J Zhejiang A&F Univ,2015,32（5）：722-728.

［13］ ARNON D I.Copper enzymes in isolated chloroplasts［J］.Polyphenol Beta Vulgaris Plant Physiol，1949，24（1）：1 -15.

［14］ LICHTENTHALER H K.Chlorophylls and carotenoids：pigments of photosynthetic biomembranes［J］.Methods Enzymol，1987，148（1）：350-382.

［15］ STRASSER R J，TSIMILL-MICHAEL M，SRIVASTAVA A.Analysis of the chlorophyll a fluorescence transient［G］//PAPAGEORGIOU G,GOVINDJEE.Advances in Photosynthesis and Respiration.Berlin：Springer,2004：321-362.

［16］ TANAKA R，TANAKA A.Chlorophyll cycle regulates the construction and destruction of the light-harvesting complexes［J］.Biochim Biophys Acta，2011，1807（8）：968-976.

［17］ OLSON J M.Photosynthesis in the Archean era［J］.Photosynth Res，2006，88（2）：109-117.

［18］ ZHOU Yanhong，LAM H M，ZHANG Jianhua.Inhibition of photosynthesis and energy dissipation induced by water and high light stresses in rice［J］.J Exp Bot，2007，58（5）：1207-1217.

［19］ HOLLAND V，KOLLER S，BRüGGEMANN W.Insight into the photosynthetic apparatus in evergreen and deciduous European oaks during autumn senescence using OJIP fluorescence transient analysis［J］.Plant Biol,2014，16（4）：801-808.

［20］ KALAJI H M，OUKARROUM A，ALEXANDROV V.et al.Identification of nutrient deficiency in maize and tomato plants by in vivo chlorophyll a fluorescence measurements［J］.Plant Physiol Biochem,2014，81（1）：16-25.

［21］ DEMMIG-ADAMS B，LII W W A.Xanthophyll cycle and light stress in nature：uniform response to excess direct sunlight among higher plant species［J］.Planta，1996，198（3）：460-470.

Photosynthetic characteristics in the development process of Phyllostachys edulis

WEN Xing1,2,CHENG Luyun1,LI Dandan1,XU Xinlu1,GAO Yan1,ZHANG Rumin1
（1.School of Forestry and Biotechnology,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.China National Bamboo Research Center of State Forestry Administration/Key Laboratory of High Efficient Processing of Bamboo of Zhejiang Province,Hangzhou 310012,Zhejiang,China）

Using gas exchange and chlorophyll fluorescence technologies,changes in the net photosynthetic rate, pigment content,and chlorophyll fluorescence parameters of bamboo（Phyllostachys edulis）leaves were tested. Results showed that 1）as young bamboo leaves grew to maturity,in different developmental stages,the chlorophyll content and net photosynthetic rate increased,as did the light energy capture and utilization ability.2）From leaf out to maturity,the maximum photochemical efficiency of leaves （φPo）did not change.3）Also,for bamboo leaves,from leaf out to 15 d,the PSⅡreaction center number increased about 54.4%.4）The rate at which the PSⅡreceptor side primary quinone electron acceptor （QA）decreased and the energy required for reduction continuously decreased with the energy used to drive the QAdownstream electron transfer increasing. Therefore,bamboo leaf photosynthetic functions from the time the young leaves formed to after 15 d of fully expanded leaves tended to be optimal,and leaves of Ph.edulis with normal photosynthetic physiological functions could make full use of the habitat community’s solar energy resources.［Ch,5 fig.1 tab.21 ref.］

plant physiology;Phyllostachys edulis;leaf growth;chlorophyll fluorescence;photosynthetic rate; pigment content

S718.4

A

2095-0756（2017）03-0437-06

浙 江 農(nóng) 林 大 學 學 報，2017，34（3）：437-442

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.03.008

2016-04-11；

2016-05-10

國家自然科學基金資助項目（31570686,30972397,31270497）；浙江省省院合作項目（2014SY16）

溫星，從事植物生理生態(tài)學研究。E-mail：21334701@qq.com。通信作者：張汝民，教授，博士，從事植物生理生態(tài)學研究。E-mail：ruminzhang@sohu.com