耿慶偉，邢浩，翟衡，蔣恩順，杜遠(yuǎn)鵬

?

臭氧脅迫下不同光強(qiáng)與溫度處理對(duì)‘赤霞珠’葡萄葉片PSII光化學(xué)活性的影響

耿慶偉1,2，邢浩1，翟衡1，蔣恩順3，杜遠(yuǎn)鵬1

（1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院/作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；2曲阜市吳村鎮(zhèn)人民政府，山東曲阜 273100；3山東省果樹(shù)研究所，山東泰安 271018）

【目的】自然界中臭氧與強(qiáng)光和高溫逆境因素往往同時(shí)存在，探討光強(qiáng)和溫度及臭氧的交叉脅迫對(duì)葡萄葉片光系統(tǒng)功能的傷害機(jī)制，為生產(chǎn)上通過(guò)調(diào)控光照、溫度緩解臭氧對(duì)葡萄的危害提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳耘柙浴嘞贾椤咸褳樵囼?yàn)材料，利用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)，研究（120±20）nL?L-1的臭氧濃度下，不同光強(qiáng)（800、1 600 μmol?m-2?s-1）與溫度（26℃、40℃）處理對(duì)光系統(tǒng)II光化學(xué)活性的影響?！窘Y(jié)果】臭氧脅迫下40℃的高溫和1 600 μmol?m-2?s-1的強(qiáng)光均可以顯著降低葉片最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、線性電子傳遞速率（ETR）、單位面積有活性反應(yīng)中心的數(shù)量（RC/CSm）以及光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP），同時(shí)降低了光系統(tǒng)I激發(fā)能分配系數(shù)（α），增大了光系統(tǒng)II激發(fā)能分配系數(shù)（β），導(dǎo)致兩個(gè)光系統(tǒng)之間的激發(fā)能分配嚴(yán)重偏離平衡，造成了光系統(tǒng)II的傷害，1 600 μmol?m-2?s-1的強(qiáng)光影響大于40℃的高溫影響，強(qiáng)光、高溫與臭氧復(fù)合脅迫對(duì)葡萄葉片影響最為嚴(yán)重。其中臭氧、適光、高溫（T2）和臭氧、強(qiáng)光、適溫（T3）處理后的葉片PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量Fv/Fm值分別比臭氧、適光、適溫處理（T1）降低了10.3%和38.8%，臭氧、強(qiáng)光、高溫（T4）處理后Fv/Fm降幅最大，達(dá)到54.8%。T2、T3和T4處理后葉片PSII的潛在活性Fv/Fo分別比T1降低了30.4%、69.6%和80.3%。與T1相比，T2、T3和T4處理后的葉片單位面積內(nèi)有活性反應(yīng)中心的數(shù)量RC/CSm值分別降低了26.8%、68.4%和70.2%，T2、T3和T4處理后的葉片Ψo值分別比T1降低了11.2%、21.6%、40.8%。T2、T3及T4處理葡萄葉片實(shí)際光化學(xué)效率Fv'/Fm'值分別比T1降低了7.9%、22.1%和42.3%；同時(shí)，各處理顯著降低了植物葉片線性電子傳遞速率ETR，T4處理降幅最大，比T1降低了62.5%，T2和T3處理分別降低了17.6%和37.5%。T2、T3和T4的葉片光化學(xué)淬滅qP值分別比T1降低了10.7%和19.8%和39.5%。T2、T3和T4處理后葡萄葉片吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例均有所下降，分別比T1處理降低18.8%和38.8%和62.0%。與T1相比，T2、T3和T4處理吸收的光能用于熱耗散的比例均增加，增幅分別為15.9%、36.2%和60.5%，同時(shí)，過(guò)剩光能分別增加12.5%、19.1%和25.2%。不同處理顯著降低了葉片PSI激發(fā)能分配系數(shù)（α），與T1相比，T2、T3和T4分別下降了6.6%和12.8%和25.1%;同時(shí)，不同處理后葉片PSII激發(fā)能分配系數(shù)（β）均顯著上升，T2、T3、T4分別比T1升高了4.5%、8.7%、17.1%。光系統(tǒng)間激發(fā)能分配不平衡偏離系數(shù)（β/α–1）變化趨勢(shì)與PSII激發(fā)能分配系數(shù)一致，T2、T3處理的β/α–1分別比T1升高37.7%和78.3%，T4升高幅度最大，達(dá)到187.8%?！窘Y(jié)論】溫度、光照逆境增加了PSII活性對(duì)臭氧脅迫的敏感性，以強(qiáng)光脅迫的作用效果更顯著，而高溫、強(qiáng)光脅迫下臭氧對(duì)PSII活性抑制程度最大。

葡萄；臭氧；光照；溫度；葉綠素?zé)晒鈪?shù)

0 引言

【研究意義】近幾十年來(lái)O3污染已經(jīng)成為對(duì)流層中首要污染物，對(duì)作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大影響，全球近1/4的國(guó)家或地區(qū)面臨O3濃度超出60 nL·L-1的威脅[1-2]。由于人類活動(dòng)和生物源排放，O3濃度仍以每年約0.5%—2.5%的速率增長(zhǎng)[3]，預(yù)計(jì)2015—2050年全球地表O3濃度將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加20%—25%，21世紀(jì)末將增加40%—60%。O3具有強(qiáng)氧化性，可對(duì)植物產(chǎn)生氧化傷害[4]。臭氧污染往往發(fā)生在特定的時(shí)間段內(nèi)，不同季節(jié)以夏季最強(qiáng)，一天之中又以10：00—14：00最強(qiáng)，臭氧污染與強(qiáng)光和高溫同時(shí)存在，3個(gè)生態(tài)逆境因素存在協(xié)同脅迫作用。因此，本研究開(kāi)展3個(gè)生態(tài)逆境因素協(xié)同脅迫對(duì)葡萄光化學(xué)活性的影響，旨在為生產(chǎn)上采取相應(yīng)措施緩解臭氧傷害提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】氣孔是植物與外界進(jìn)行氣體交換的主要通道，是臭氧進(jìn)入植物體的主要途徑[5]，O3通過(guò)氣孔進(jìn)入葉片后導(dǎo)致葉片光下最大光化學(xué)效率（ΦPSII）和PSII開(kāi)放程度（qP）受到抑制[6]，孫永江等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著O3濃度升高，葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、PSII的實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSII）、光下最大光化學(xué)效率（Fv′/Fm′）、捕獲光能用于QA以后的電子傳遞的概率（Eo）、單位面積有活性反應(yīng)中心的數(shù)量（RC/CSm）均呈下降趨勢(shì)；在低O3濃度條件下（25—55 nL?L-1），Pn的下降主要是由于氣孔限制引起的，O3濃度達(dá)到并超過(guò)80 nL·L-1時(shí)，葉綠素含量顯著降低，非氣孔限制占主導(dǎo)因素，葡萄葉片可以在短時(shí)間內(nèi)（8 h）忍受一定濃度（不超過(guò)55 nL·L-1）的O3脅迫，O3濃度達(dá)到或超過(guò)80 nL·L-1時(shí)，PSII功能受到較嚴(yán)重的抑制[7]，嚴(yán)重影響植物的蒸騰、光合、呼吸等重要生理過(guò)程[8-9]。光是植物進(jìn)行光合作用所必需的環(huán)境因子，但在強(qiáng)光下，當(dāng)光合機(jī)構(gòu)吸收的光能超過(guò)光合作用的利用量時(shí)，即出現(xiàn)光抑制，若植物不能及時(shí)有效地利用或耗散，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的活性氧[10]，破壞光合色素和Dl蛋白等，引起PSⅡ的損傷[11-12]。高溫脅迫會(huì)破壞葉片PSⅡ，導(dǎo)致植物葉片不能有效利用吸收的光能[13-14]，最終會(huì)降低植物的光合作用、損壞細(xì)胞膜并打破活性氧平衡[15-16]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】自然條件下，夏季強(qiáng)光和高溫往往同時(shí)出現(xiàn)，伴隨著臭氧的污染，植物遭受臭氧、強(qiáng)光、高溫等3種逆境因子的交叉脅迫。但目前研究多從單一或兩個(gè)脅迫因素開(kāi)展研究，尚缺乏3個(gè)生態(tài)逆境因素協(xié)同脅迫影響機(jī)制研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以廣泛栽培的釀酒葡萄品種‘赤霞珠’為試材，利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，在對(duì)植物葉片不造成傷害的前提下，探究光合機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，探測(cè)和分析植物的光合功能，了解臭氧脅迫下強(qiáng)光、高溫脅迫對(duì)葡萄葉片PSⅡ活性的影響，以期探尋減輕光抑制和提高逆境光合能力的有效途徑，保證大田葡萄植株的生長(zhǎng)和果實(shí)發(fā)育。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

本試驗(yàn)于2016年7月—9月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)葡萄核心試驗(yàn)園內(nèi)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料和處理

試材為長(zhǎng)勢(shì)一致的‘赤霞珠’（L. Cabernet Sauvigon）一年生扦插苗，種植于直徑25 cm、高35 cm的花盆中?；|(zhì)﹕沙=1﹕1。待植株長(zhǎng)至10—12片完全展開(kāi)葉時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)處理。

處理分為5組，分別在自然大氣臭氧濃度條件下正常光照與適溫（35 nL?L-1，800 μmol·m-2·s-1，26℃）、臭氧脅迫下正常光照與適溫（（120±20）nL?L-1，800 μmol·m-2·s-1，26℃）、臭氧脅迫下正常光照與高溫（（120± 20）nL?L-1，800 μmol·m-2·s-1，40℃）、臭氧脅迫下強(qiáng)光與適溫（（120±20）nL?L-1，1 600 μmol·m-2·s-1，26℃）和臭氧脅迫下強(qiáng)光與高溫（120±20 nL?L-1，1 600 μmol·m-2·s-1，40℃）條件下處理3 h（5個(gè)處理分別表示為對(duì)照Control、T1、T2、T3、T4），臭氧濃度的選定依據(jù)前期試驗(yàn)確定[17]。處理結(jié)束后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)定，每個(gè)處理重復(fù)5次，單株小區(qū)。

用于O3熏蒸的OTC[17]的框架由直徑3 cm的鍍鋅鋼管構(gòu)成，四周用溫室專用的聚乙烯塑料膜包被，頂部與大氣相通。OTC內(nèi)距離試驗(yàn)材料頂部50 cm有布?xì)夤?，布?xì)夤苌嫌幸慌判毕蛳屡c水平面呈45°的出氣孔，O3發(fā)生器（WJ-HY5型）產(chǎn)生的O3在管道中與空氣混合，在鼓風(fēng)機(jī)（SF2-2型）的作用下被通入OTC內(nèi)布?xì)夤?。OTC內(nèi)的O3濃度監(jiān)測(cè)儀（DR70C-臭氧型）可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)OTC內(nèi)的O3濃度，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上用于觀察、保存。通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)O3發(fā)生器的進(jìn)氧量，從而控制OTC內(nèi)的O3濃度。在OTC氣室內(nèi)通過(guò)溫度控制系統(tǒng)（Plant System，上海菲探儀器科技有限公司）調(diào)節(jié)葉片周圍溫度，用LED冷光源燈控制達(dá)到葉片表面光強(qiáng)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

采用英國(guó)Hansatech公司的FMS-2型便攜脈沖調(diào)制式熒光儀測(cè)定熒光參數(shù)，測(cè)定程序如下：首先對(duì)葉片進(jìn)行30 min暗適應(yīng)，用飽和脈沖光（12 000 μmol·m-2·s-1）測(cè)定暗適應(yīng)30 min后最大熒光（Fm）。對(duì)光適應(yīng)下的葉片先用60 s作用光（1 000 μmol·m-2·s-1），然后用極弱的測(cè)量光（＜0.05 μmol·m-2·s-1）測(cè)得葉片最小熒光（Fo'），再用飽和脈沖光（12 000 μmol·m-2·s-1）測(cè)定光適應(yīng)下的最大熒光值Fm'，打開(kāi)作用光測(cè)定光下穩(wěn)態(tài)熒光Ft。包括：天線轉(zhuǎn)化效率：Fv'/Fm'=（Fm'-Fo'）/Fm'；線性電子傳遞速率：ETR=（ФPSII）×PFD×0.84× 0.5，其中PFD是被吸收的光通量密度（μmol·m-2·s-1），0.5代表光能在兩個(gè)光系統(tǒng)間的分配系數(shù)，0.84指入射到葉片表面的光能平均有84%被葉片吸收；光化學(xué)淬滅：qP=（Fm'-Fs）/（Fm'-Fo'），其中Fs表示光適應(yīng)下的穩(wěn)態(tài)熒光。兩個(gè)光系統(tǒng)之間的激發(fā)能分配系數(shù)按Braun等[18]的公式計(jì)算：光系統(tǒng)Ⅰ激發(fā)能分配系數(shù)α=f/（1+f），光系統(tǒng)Ⅱ激發(fā)能分配系數(shù)β=1/（1+f），f=（Fm'-Fs）/（Fm'-Fo'）；光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ間激發(fā)能分配的不平衡性可用β/α-1表示。根據(jù)Demmig-Adams等[19]提出的公式計(jì)算光合機(jī)構(gòu)吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額P=Fv'/Fm'×qP，用于天線熱耗散的份額D=1-Fv'/Fm'，用于反應(yīng)中心由非光化學(xué)反應(yīng)耗散的份額（過(guò)剩光能，X耗散）Ex=Fv'/Fm'×（1-qP）。

用連續(xù)激發(fā)式熒光儀（Handy PEA，Hansatech，英國(guó)）測(cè)量熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線，參考李鵬民等[20]的計(jì)算方法，獲得如下參數(shù)：PSII最大光化學(xué)效率Fv/Fm，PSII的潛在活性Fv/Fo，單位面積有活性反應(yīng)中心數(shù)目（RC/CSm）=Fm·φPo·（Vj/Mo），Vj表示j點(diǎn)相對(duì)可變熒光，Mo表示QA被還原的最大速率。捕獲的激子將電子傳遞到QA以后的其他電子受體的概率（Ψo）=ETo/TRo=（1–Vj），ETo/CSo表示用于電子傳遞的能量，TRo/CSo表示還原QA的激發(fā)能。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel軟件處理數(shù)據(jù)和制圖，采用DPS軟件的LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 對(duì)葡萄葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/F0、RC/CSm、Ψ0的影響

Fv/Fm是PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，或稱最大PSⅡ的光能轉(zhuǎn)換效率，代表了光合機(jī)構(gòu)把吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的最大效率，反映光能吸收轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的完整性，非脅迫條件下該參數(shù)的變化極小，不受物種和生長(zhǎng)條件的影響，常用Fv/Fm下降程度來(lái)反映光抑制程度的大小[21-22]。從圖1可以看出，與對(duì)照相比，不同處理顯著降低葉片的Fv/Fm值，與T1相比，T2、T3分別降低了10.3%和38.8% ，T4降幅最大，達(dá)到54.8%。Fv/Fo表示的是PSII的潛在活性，與T1相比，T2、T3和T4分別降低了和30.4%、69.6%和80.3%。RC/CSm反映了葉片單位面積內(nèi)有活性反應(yīng)中心的數(shù)量，o表示捕獲的激子將電子傳遞到QA以后的其他電子受體的概率。與對(duì)照相比，不同處理均降低了葉片的RC/CSm值和Ψo值，與T1相比，T2、T3和T4處理分別降低了26.8%、68.4%、70.2%和11.2%、21.6%、40.8%。表明臭氧脅迫下，1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光和40℃高溫均可加劇PSII最大光化學(xué)效率和潛在活性的降低，但1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光影響程度更大；當(dāng)強(qiáng)光和高溫同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，抑制程度最大。

不同小寫字母表示不同處理在0.05水平上的差異顯著性。下同

2.2 對(duì)葡萄葉片F(xiàn)v'/Fm'、ETR、qp的影響

Fv'/Fm'是PSⅡ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量，為光條件下PSⅡ天線轉(zhuǎn)化效率，可以用來(lái)反映開(kāi)放的PSII反應(yīng)中心的激發(fā)能捕獲效率[23]。從圖2可以看出，與對(duì)照相比，T1處理降低了植物葉片實(shí)際光化學(xué)效率，與T1相比，T2、T3分別降低了7.9%、22.1%，T4下降最顯著，降幅為42.3%。ETR可以表示從PSⅡ到PSⅠ的電子傳遞情況[24]，與對(duì)照相比，T1處理顯著降低了植物葉片線性電子傳遞速率，與T1相比，T4處理降幅最大，達(dá)到62.5%，T2和T3處理分別降低了17.6%和37.5%。qP表示熒光淬滅中的光化學(xué)淬滅，從圖2可知，與對(duì)照相比，不同處理顯著降低了葡萄葉片的光化學(xué)淬滅，與T1相比，T2、T3的qP值分別降低了10.7%和19.8%，T4變化最顯著，降低了39.5%。這表明臭氧脅迫下1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光和40℃高溫均可降低PSII激發(fā)能捕獲效率、線性電子傳遞速率和光化學(xué)淬滅，導(dǎo)致葉片吸收的光能更多的以熱耗散形式消耗，被用來(lái)進(jìn)行碳固定的能量顯著減少，但1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光影響程度更顯著；當(dāng)強(qiáng)光和高溫同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，F(xiàn)v'/Fm'、ETR和qP降幅最大，影響更顯著。

2.3 對(duì)葡萄葉片吸收光能分配的影響

植物葉片吸收的光能有三條去路，一是在天線色素上進(jìn)行熱耗散（D），二是用于光化學(xué)反應(yīng)（P），三是反應(yīng)中心的過(guò)剩激發(fā)能（E）。圖3反映了不同處理下吸收光能向光化學(xué)反應(yīng)、熱耗散及過(guò)剩光能分配的情況，由圖可知，與對(duì)照相比，不同處理下吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例均有所下降，與T1相比，T2、T3分別降低18.8%和38.8%，T4下降最明顯，降幅為62.0%。與T1相比，T2、T3和T4處理吸收的光能用于熱耗散的比例均增加，增幅分別為15.9%、36.2%和60.5%；過(guò)剩光能分別增加12.5%、19.1%和25.2%。這表明臭氧脅迫下1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光和40℃高溫均可增加吸收的光能用于熱耗散和過(guò)剩光能的份額，降低用于光化學(xué)反應(yīng)的比例，但1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光造成過(guò)剩光能的份額更大。當(dāng)強(qiáng)光和高溫同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，過(guò)剩光能的比例最大，這部分既沒(méi)有被捕光天線色素耗散掉，也沒(méi)有被光化學(xué)反應(yīng)利用的過(guò)剩光能必然會(huì)導(dǎo)致葡萄葉片活性氧含量增加，進(jìn)而對(duì)光合機(jī)構(gòu)造成損傷。

圖2 臭氧脅迫下不同光強(qiáng)與溫度處理對(duì)‘赤霞珠’葡萄葉片F(xiàn)v'/Fm'、ETR、qP的影響

Fig. 2 Effect of light and temperature on Fv'/Fm', ETR and qPin ‘cabernet sauvignon’ grape leaf under ozone stress

圖3 臭氧脅迫下不同光強(qiáng)與溫度處理對(duì)‘赤霞珠’葡萄葉片吸收光能分配的影響

2.4 對(duì)葡萄葉片光系統(tǒng)I、光系統(tǒng)II間激發(fā)能分配的影響

由圖4可知，與對(duì)照相比，不同處理顯著降低葉片PSI激發(fā)能分配系數(shù)（α）。與T1相比，T2、T3分別下降了6.6%和12.8%，T4下降幅度最大，降幅為25.1%；與之相反，不同處理后葉片PSII激發(fā)能分配系數(shù)（β）均顯著上升，與T1相比，T2、T3、T4分別升高了4.5%、8.7%、17.1%。雙光系統(tǒng)間激發(fā)能分配不平衡偏離系數(shù)（β/α–1）變化趨勢(shì)與PSII激發(fā)能分配系數(shù)一致，與T1相比，T2、T3分別升高37.7%和78.3%，T4升高幅度最大，達(dá)到187.8%。這表明臭氧脅迫下強(qiáng)光、高溫嚴(yán)重影響激發(fā)能在兩個(gè)系統(tǒng)之間的均勻分配，導(dǎo)致光系統(tǒng)之間激發(fā)能分配的不平衡，但強(qiáng)光的影響更為嚴(yán)重；當(dāng)強(qiáng)光、高溫同時(shí)出現(xiàn)時(shí)激發(fā)能在兩個(gè)光系統(tǒng)間分配偏離最嚴(yán)重。

圖4 臭氧脅迫下不同光強(qiáng)與溫度處理對(duì)‘赤霞珠’葡萄葉片光系統(tǒng)I、光系統(tǒng)II間激發(fā)能分配的影響

3 討論

快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是探測(cè)植物光合生理的無(wú)損探針，植物快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線中包含著大量有關(guān)PSⅡ反應(yīng)中心原初光化學(xué)反應(yīng)的信息，其參數(shù)反映了植物原初反應(yīng)和光合生理狀況，常用來(lái)研究各種外界逆境因子對(duì)植物的影響[20]。大量研究表明，臭氧、強(qiáng)光和高溫等非生物逆境因子跟農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作物產(chǎn)量的有著緊密的聯(lián)系。臭氧可以誘導(dǎo)植物體產(chǎn)生大量活性氧，造成過(guò)高的活性氧（ROS）積累，影響光抑制修復(fù)過(guò)程，從而導(dǎo)致葉片光抑制發(fā)生[25]；強(qiáng)光可以使葉片發(fā)生光抑制，而且當(dāng)光抑制達(dá)到一定程度時(shí)，光合機(jī)構(gòu)中的D1蛋白發(fā)生降解，產(chǎn)生光破壞[26]；在葡萄生長(zhǎng)季節(jié)當(dāng)氣溫高于40℃時(shí)會(huì)抑制新梢的生長(zhǎng)；而當(dāng)溫度超過(guò)40℃時(shí)，由于細(xì)胞酶系統(tǒng)被鈍化，葡萄體內(nèi)的各種生理代謝活動(dòng)受到嚴(yán)重阻礙，同時(shí)會(huì)造成PSII的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化甚至損害，致使新梢停止生長(zhǎng)、葉片發(fā)黃、果實(shí)日燒，最終導(dǎo)致葡萄減產(chǎn)并影響翌年葡萄生長(zhǎng)發(fā)育。

在自然條件下，特別是夏季晴天，高溫往往伴隨強(qiáng)光發(fā)生，同時(shí)高輻射會(huì)造成對(duì)流層形成大量O3[27]，因此，在葡萄生長(zhǎng)的旺季—夏季，葡萄葉片通常要遭受高溫、強(qiáng)光和O33種脅迫因子。本研究中發(fā)現(xiàn)臭氧脅迫下葡萄葉片最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、單位面積有活性反應(yīng)中心的數(shù)量（RC/CSm）以及捕獲光能用于向QA以后的電子傳遞的能量比例（ΨEo）顯著降低，這表明葉片PSII的反應(yīng)中心和受體側(cè)出現(xiàn)光抑制[28]。光系統(tǒng)I激發(fā)能分配系數(shù)（α）大幅降低，光系統(tǒng)II激發(fā)能分配系數(shù)（β）顯著增大，兩個(gè)光系統(tǒng)之間的激發(fā)能分配嚴(yán)重偏離平衡。光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）下降的同時(shí)非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）升高，這表明葉綠素吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例降低，葉片過(guò)剩的光能通過(guò)熱耗散的形式散失以保護(hù)葉片光合結(jié)構(gòu)，雖然葉片熱耗散能力增加，但是由于PSII實(shí)際光化學(xué)效率（ФPSII）的下降，葉片通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)對(duì)激發(fā)能的利用率大幅下降，熱耗散途徑不足以清除大量的過(guò)剩光能，最終造成光系統(tǒng)II的傷害，這與前人研究結(jié)果一致。

強(qiáng)光和高溫均對(duì)臭氧脅迫有加劇作用，1 000 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)下的臭氧脅迫對(duì)菜豆葉片的影響顯著大于單一臭氧或光照脅迫處理[29]，說(shuō)明高光強(qiáng)可以加劇臭氧對(duì)光合作用的抑制。筆者課題組前期試驗(yàn)通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同光照與臭氧組合也發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度和O3濃度存在交互作用，強(qiáng)光不僅可以加劇O3對(duì)植物葉片PSII的傷害，并且隨著光強(qiáng)的增加傷害程度在逐漸升高[30]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)40℃的高溫、1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光均加劇了臭氧脅迫對(duì)PSII造成的傷害，但1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光影響程度顯著大于40℃的高溫；當(dāng)強(qiáng)光和高溫同時(shí)存在時(shí)，O3脅迫對(duì)PSII的傷害最明顯，不僅加大了強(qiáng)光因素引起的光系統(tǒng)II傷害，也加大了高溫因素引起的光系統(tǒng)II傷害。這是由于強(qiáng)光產(chǎn)生的過(guò)剩光能導(dǎo)致ROS的積累，本身加劇了O3對(duì)植物的ROS傷害，造成光抑制的出現(xiàn)，加之高溫通過(guò)傷害細(xì)胞質(zhì)膜和光合電子傳遞鏈[31]，破壞PSII反應(yīng)中心的D1蛋白，同時(shí)降低暗反應(yīng)相關(guān)的酶活性[32]，進(jìn)一步導(dǎo)致植物葉片Pn降低[33]。雖然葉片通過(guò)熱耗散的形式散失/疏散過(guò)剩光能以保護(hù)葉片光合結(jié)構(gòu)，但是ROS和高溫對(duì)光合機(jī)構(gòu)、細(xì)胞質(zhì)膜和光合電子傳遞鏈的氧化傷害，導(dǎo)致葉綠素吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例大幅降低，大量的過(guò)剩光能積聚在光合結(jié)構(gòu)，熱耗散途徑不足以及時(shí)有效清除的情況下過(guò)剩光能繼續(xù)積累，ROS物質(zhì)繼續(xù)傷害抗氧化系統(tǒng)和光合機(jī)構(gòu)，并最終造成了PSII的嚴(yán)重傷害。

生產(chǎn)中高溫和強(qiáng)光天氣往往同時(shí)發(fā)生，本研究結(jié)果提示臭氧脅迫下強(qiáng)光的傷害高于高溫，由此提示可以通過(guò)降低光強(qiáng)緩解臭氧傷害。葉幕結(jié)構(gòu)與植物光合作用聯(lián)系密切，成果等[34]比較了新疆地區(qū)多主蔓扇形和“廠”字形等方式對(duì)‘赤霞珠’葡萄光合特性的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同整形方式改變?nèi)~幕光照透射率以及果際周圍光合有效輻射，影響葉片光合速率及果實(shí)品質(zhì)。本研究團(tuán)隊(duì)前期在田間觀察也發(fā)現(xiàn)棚架‘摩爾多瓦’葡萄葉片受臭氧傷害癥狀弱于籬架，由此提示可以通過(guò)架式調(diào)整或鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)降低光強(qiáng)來(lái)緩解臭氧傷害。

4 結(jié)論

溫、光逆境增加了PSII活性對(duì)臭氧脅迫的敏感性，40℃的高溫、1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光均可以顯著降低葉片最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、線性電子傳遞速率（ETR）、單位面積有活性反應(yīng)中心的數(shù)量（RC/CSm）以及光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP），導(dǎo)致兩個(gè)光系統(tǒng)之間的激發(fā)能分配嚴(yán)重偏離平衡，造成光系統(tǒng)II的傷害。1 600 μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光影響程度顯著大于40℃的高溫，而高溫、強(qiáng)光脅迫下過(guò)剩光能的比例最大，導(dǎo)致葡萄葉片活性氧含量增加，進(jìn)而對(duì)光合機(jī)構(gòu)造成損傷。

[1] Ashmore M R. Assessing the future global impacts of ozone on vegetation., 2005, 28(8): 949-964.

[2] 張巍巍, 牛俊峰, 王效科, 田媛, 姚芳芳, 馮兆忠. 大氣臭氧濃度增加對(duì)濕地松的影響. 環(huán)境科學(xué), 2011, 32(6): 1710-1716.

Zhang W W, Niu J F, Wang X K, Tian Y, Yao F F, Feng Z Z. Effects of elevated ozone concentration on slash pine () seedlings.,2011, 32(6): 1710-1716. (in Chinese)

[3] 鄭有飛, 胡程達(dá), 吳榮軍, 趙澤, 劉宏舉, 石春紅. 地表臭氧濃度增加對(duì)冬小麥光合作用的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(4): 847-855.

Zheng Y F, Hu C D, Wu R J, Zhao Z, Liu H J, Shi C H. Experiment with effects of increased surface ozone concentration upon winter wheat photosynthesis., 2010, 30(4): 847-855. (in Chinese)

[4] Feng Z Z, Hu E Z, Wang X K, Jiang L J, Liu X J. Ground level O3pollution and its impacts on food crops in China: A review., 2015, 199: 42-48.

[5] Leipner J, Oxborough K, Baker N R. Primary sites of ozone-in-duced perturbations of photosynthesis in leaves: identification and characterization inusing high resolution chlorophyll fluorescence imaging., 2001, 52: 1689-1696.

[6] Chen C P, Frank T D, Long S P. Is a short, sharp shock equivalent to long-term punishment? Contrasting the spatial pattern of acute and chronic ozone damage to soybean leaves via chlorophyll fluorescence imaging., 2009, 32: 327-335.

[7] 孫永江, 王金歡, 耿慶偉, 邢浩, 翟衡, 杜遠(yuǎn)鵬. 不同濃度臭氧處理對(duì)‘赤霞珠’葡萄葉片光系統(tǒng)Ⅱ功能的影響. 植物生理學(xué)報(bào), 2015, 51(11): 1947-1954.

Sun Y J, Wang J H, Geng Q W, Xing H, Zhai H, Du Y P. Effects of different concentrations of ozone stress on photosynthetic system II incv. ‘Cabernet Sauvignon’., 2015, 51(11): 1947-1954. (in Chinese)

[8] 鄭有飛, 趙澤, 吳榮軍,胡程達(dá), 劉宏舉. 臭氧脅迫對(duì)冬小麥葉綠素?zé)晒饧皻怏w交換的影響. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(2): 472-479.

Zheng Y F, Zhao Z, Wu R J, Hu C D, Liu H J. Effects of long-term ozone exposure on chlorophylla fluorescence and gas exchange of winter-wheat leaves.2010, 31(2): 472-479. (in Chinese)

[9] 寇太記, 常會(huì)慶, 張聯(lián)合, 徐曉峰，郭大勇, 周文利, 朱建國(guó), 苗艷芳. 近地層O3污染對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2009, 18(2): 704-710.

Kou T J, Chang H Q, Zhang L H, Xu X F, Guo D Y, Zhou W L, Zhu J G, Miao Y F. Effect of near-surface O3pollution on terrestrial ecosystems., 2009, 18(2): 704-710. (in Chinese)

[10] Foyer C H, Noctor G. Oxidant and antioxidant signaling in plants: A re-evaluation of the concept of oxidative stress in a physiological context., 28: 1056-1071.

[11] Pospí?il P.Production of reactive oxygen species by photosystem II., 2009, 1787(10): 1151-1160.

[12] Tyystjarvi E. Photoinhibition of photosystem II.2013, 300: 243-303.

[13] 羅海波, 馬苓, 段偉, 李紹華, 王利軍. 高溫脅迫對(duì)‘赤霞珠’葡萄光合作用的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué). 2010, 43(13): 2744-2750.

LUO H B, MA L, DUAN W, LI S H, WANG L J. Influence of heat stress on photosynthesis inL. cv. Cabernet Sauvignon., 2010, 43(13): 2744-2750. (in Chinese)

[14] 孫永江, 付艷東, 杜遠(yuǎn)鵬, 翟衡. 不同溫度/光照組合對(duì)‘赤霞珠’葡萄葉片光系統(tǒng)II功能的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46(6): 1191-1200.

SUN Y J, FU Y D, DU Y P, ZHAI H. Effects of different temperature and light treatments on photosynthetic system II inL. cv. Cabernet Sauvignon., 2013, 46(6): 1191-1200. (in Chinese)

[15] Sun Y j, Geng Q w, Du Y p, Yang X h, Zhai H. Induction of cyclic electron flow around photosystem I during heat stress in grape leaves., 2017, 256: 65-71.

[16] SUN Y J, GAO Y L, WANG H, YANG X H, ZHAI H, DU Y P. Stimulation of cyclic electron flow around PSI as a response to the combined stress of high light and high temperature in grape leaves., 2018, 45(10): 1038-1045.

[17] 孫永江, 王金歡, 耿慶偉, 邢浩, 翟衡, 杜遠(yuǎn)鵬. 不同濃度臭氧處理對(duì)‘赤霞珠’葡萄葉片光系統(tǒng)Ⅱ功能的影響. 植物生理學(xué)報(bào), 2015, 51(11): 1947-1954.

SUN Y J, WANG J H, GENG Q W, XING H, ZHAI H, DU Y P. Effects of different concentrations of ozone stress on photosynthetic system II incv. ‘Cabernet Sauvignon’., 2015, 51(11): 1947-1954. (in Chinese)

[18] Braun G, Malkin S. Regulation of the imbalance in light excitation between photosystem II and photosystem I by cations and by the energized state of the thylakoid membrane., 1990, 1017(1): 79-90.

[19] Demmig-Adams B, Adams W W. The role of xanthophyll cycle carotenoids in the protection of photosynthesis., 1996, 1(1): 21-26.

[20] 李鵬民, 高輝遠(yuǎn), Strasser Reto J. 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)分析在光合作用研究中的應(yīng)用. 植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 31 (6): 559-566.

LI P M, GAO H Y, STRASSER R J. Application of the fast chlorophyll fluorescence induction dynamics analysis in photosynthesis study., 2005, 31(6): 559-566. (in Chinese)

[21] Osmond C B. What is photoinhibition? some insights from comparisons of shade and sun plants., 1994.

[22] 莫偉平, 周琳耀, 張靜逸, 黃俊波, 貝學(xué)文, 付欣雨, 王惠聰, 黃旭明. 遮蔭和環(huán)剝對(duì)荔枝枝梢生長(zhǎng)和光合生理的影響. 園藝學(xué)報(bào), 2013, 40(1): 117-124.

Mo W P, Zhou L Y, Zhang J Y, Huang J B, Bei X W, Fu X Y, Wang H C, Huang X M. Effects of shading and girdling on shoot growth and photosynthesis in litchi., 2013, 40(1): 117-124. (in Chinese)

[23] 李亮, 董春娟, 尚慶茂. 內(nèi)源水楊酸參與黃瓜葉片光合系統(tǒng)對(duì)低溫脅迫的響應(yīng). 園藝學(xué)報(bào), 2013, 40(3): 487-497.

Li L, Dong C J, Shang Q M. Role of endogenous salicylic acid in responding of cucumber leaf photosynthetic systems to low temperature stress., 2013, 40(3): 487-497. (in Chinese)

[24] Munekage Y, Hashimoto M, Miyake C, Tomizawa K I, Endo T, Tasaka M, Shikanai T. Cyclic electron flow around photosystem I is essential for photosynthesis., 2004, 429: 579-582.

[25] Mohanty P, Allakhverdiev S I, Murata N. Application of low temperatures during photoinhibition allows characterization of individual steps in photodamage and the repair of photosystem II., 2007, 94(2/3): 217-224.

[26] Schrader S M, Wise R R, Wacholtz W F, ORT D R, Sharkey T D. Thylakoid membrane responses to moderately high leaf temperature in Pima cotton., 2004, 27(6): 725-735.

[27] Mittler R. Abiotic stress, the field environment and stress combination., 2006, 11(1): 15-19.

[28] Meyer U, Kollner B, Willenbrink J, Ghm K. Effects of different ozone exposure regimes on photosynthesis, assimilates and thousand grain weight in spring wheat., 2000, 78(1): 49-55.

[29] Guidi L, Tonini M, Soldatini G F. Effects of high light and ozone fumigation on photosynthesis in., 2000, 38(9): 717-725.

[30] Geng Q W, Xing h, Sun Y J, HAO G M, ZHAI H, DU Y P. Analysis of the interaction effects of light and O3on fluorescence properties of ‘Cabernet Sauvignon’ grapes based on response surface methodology., 2018, 227: 255-260.

[31] Wise R R, Olson A J, Schrader S M, Sharkey T D. Electron transport is the functional limitation of photosynthesis in field-grown Pima cotton plants at high temperature., 2004, 27(6): 717-724.

[32] Chaitanya K V, Sundar D, Reddy A R. Mulberry leaf metabolism under high temperature stress., 2001, 44(3): 379-384.

[33] Hosono M, Katsura Y. Temperature response of photosynthesis in transgenic rice transformed with ‘sense’ or ‘a(chǎn)ntisense’ rbcS., 2007, 48(10): 1472-1483.

[34] 成果, 陳立業(yè), 王軍, 陳武, 張振文. 2種整形方式對(duì)‘赤霞珠’葡萄光合特性及果實(shí)品質(zhì)的影響. 果樹(shù)學(xué)報(bào), 2015, 32(2): 215-224.

Cheng G, Chen L Y, Wang J, Chen W, Zhang Z W. Effect of training system on photosynthesis and fruit characteristics of Cabernet Sauvignon.2015, 32(2): 215-224. (in Chinese)

Effects of Different Light Intensity and Temperature on PSII Photochemical Activity in ‘Cabernet Sauvignon’ Grape Leaves Under Ozone Stress

Geng QingWei1,2, Xing Hao1, Zhai Heng1, Jiang EnShun3, DU YuanPeng1

(1College of Horticulture Science and Engineering, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong;2Town government of Wucun, Qufu 273100, Shandong;3Shandong Institute of Pomology, Tai’an 271018, Shandong)

【Objective】Ozone stress, high light and high temperature usually exist simultaneously in nature, but little is known about the effect of the combination of three stress factors on plants. So the combined effects of different temperature (26, 40℃), light (800, 1 600 μmol?m-2?s-1) and ozone treatments on the operation of photosynthetic apparatus were investigated to reveal the mechanism of inhibition of photosynthesis, which provided a theoretical basis for reducing ozone injury by regulating the light and temperature. 【Method】Potted Cabernet Sauvignon grapes were used as materials to be treated with different temperatures (26, 40℃), two kinds of light intensities (800, 1 600 μmol?m-2?s-1) combined with (120±20) nL?L-1ozone. Chlorophyll a fluorescence parameters were analyzed to investigate the effects of different treatments on the PSII function. 【Result】40℃and 1 600 μmol·m-2·s-1both significantly decreased the maximal photochemical efficiency (Fv/Fm), linear electron transport rate (ETR), the unit area number of reactive centers (RC/CSm) and photochemical quenching coefficient (qP) of leaf under ozone stress. At the same time, the decreased excitation energy partition coefficient (α) of PSI and increased excitation energy partition coefficient (β) of PSII induced a serious imbalance of excitation energy distribution between the two photosystems and caused the damage of photosystem II, and the influence of strong light intensity (1 600 μmol·m-2·s-1) was more significant. The maximal photochemical efficiency (Fv/Fm) under T2 and T3 treatment decreased 10.3% and 38.8% than that under T1 treatment, Fv/Fmunder T4 treatment decreased most for 54.8%. PSII quantum efficiency Fv/Founder T2, T3 and T4 treatment decreased 30.4%, 69.6% and 80.3% than that of T1 treatment, respectively. The number of reaction centers per unit area (RC/CSm) under T2, T3 and T4 treatment decreased 30.4%, 69.6% and 80.3% than that of T1 treatment, respectively, and the probability of that a trapped exciton the moves an electron further than QAby trapped exciton (Ψo) under T2, T3 and T4 treatment decreased 11.2%, 21.6% and 40.8% than that of T1 treatment, respectively. The effective photochemical efficiency Fv'/Fm' under T2, T3 and T4 treatment decreased 7.9%, 22.1% and 42.3% than that under T1 treatment, respectively. Linear electron transport rate (ETR) of T4 decreased most (decreased 62.5% than that under T1 treatment), and ETR under T2 and T3 treatment decreased 17.6% and 37.5% than that of T1 treatment, respectively. The photochemical quenching coefficient (qP) under T2, T3 and T4 treatment decreased 10.7%, 19.8% and 39.5%than that of T1 treatment, respectively. The photochemical reactions share under T2, T3 and T4 treatment decreased 18.8%, 38.8% and 62.0% than that of T1 treatment, respectively. While the antennal heat dissipation share under T2, T3 and T4 treatment increased 15.9%, 36.2% and 60.5% than that of T1 treatment, respectively, and the excess light energy share of T2, T3 and T4 treatment increased 12.5%, 19.1% and 25.2% than that of T1 treatment, respectively, the excitation energy partition coefficient (α) of PSI under T2, T3 and T4 treatment decreased 6.6%, 12.8% and 25.1% than that under T1 treatment, respectively, and the excitation energy partition coefficient (β) of PSII under T2, T3 and T4 treatment increased 4.5%, 8.7% and 17.1% than that under T1 treatment, respectively, and the change trend of imbalance of partitioning of excitation energy between PSⅠand PSⅡ(β/α-1) wasconsistentwiththechangeofthe excitation energy partition coefficient, β/α-1 under T2, T3 and T4 increased 37.7%, 78.3% and 187.8% than that under T1 treatment.【Conclusion】Temperature and light stress increased the sensitivity of PSII activity to ozone stress, and the influence of light stress was more significant, while high temperature and high light stress causedto

grape; ozone; light; temperature; chlorophyll fluorescence parameters

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.07.006

2018-07-09；

2019-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金（31572084）、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-29）、長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（IRT15R42）

耿慶偉，E-mail：841295333@qq.com。通信作者蔣恩順，E-mail：enshunjiang@163.com。通信作者杜遠(yuǎn)鵬，E-mail：duyuanpeng 001@163.com

（責(zé)任編輯 趙伶俐）