吳含玉 肖 飛 張亞黎 姜闖道 張旺鋒,*

?

強(qiáng)閃光抑制棉花葉片光系統(tǒng)II活性和熱耗散

吳含玉1,3肖 飛1張亞黎2姜闖道3,*張旺鋒2,*

1石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 新疆石河子 832003;2石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆石河子 832003;3中國科學(xué)院植物研究所/ 北方資源植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100093

除持續(xù)強(qiáng)光導(dǎo)致光合作用效率降低外, 強(qiáng)閃光也能夠影響光合功能, 但規(guī)律和機(jī)制尚不清楚。為研究強(qiáng)閃光對(duì)喜光植物棉花葉片光合功能的影響, 選用陸地棉(L.)品種新陸早45號(hào)為材料, 于強(qiáng)閃光處理(20,000 μmol m–2s–1, 300 ms, 間隔10 s, 處理時(shí)間持續(xù)30 min)前后分別測(cè)定葉綠素?zé)晒?、P700和氣體交換。結(jié)果表明, 強(qiáng)閃光處理后不僅有活性的PSI (光系統(tǒng)I)反應(yīng)中心含量下降, 同時(shí)PSII (光系統(tǒng)II)電子傳遞活性也受到限制。與對(duì)照相比, 強(qiáng)閃光處理后PSI的ND(PSI供體側(cè)限制引起的非光化學(xué)量子產(chǎn)量)下降,NA(PSI受體側(cè)限制引起的非光化學(xué)量子產(chǎn)量)增加, 暗示強(qiáng)閃光能夠抑制PSI受體側(cè)電子傳遞活性。強(qiáng)閃光處理不僅使PSII的實(shí)際量子產(chǎn)量明顯下降, 而且非光化學(xué)猝滅和NPQ(PSII調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量)也降低; 但是,NO(PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量)明顯增加, 表明強(qiáng)閃光導(dǎo)致熱耗散降低和PSII失活。此外, 強(qiáng)閃光處理后光合速率和氣孔導(dǎo)度均降低, 但細(xì)胞間隙CO2濃度增加, 證明強(qiáng)閃光處理后同化能力的降低不是氣孔限制導(dǎo)致的。因此, 本研究認(rèn)為強(qiáng)閃光處理不僅抑制PSI活性, 而且導(dǎo)致PSII失活和可調(diào)節(jié)性熱耗散下降; 光合電子傳遞活性的下降可能是強(qiáng)閃光下光合速率降低的重要原因。

棉花; 強(qiáng)閃光; 光抑制; 光合作用; 電子傳遞

光是植物光合作用的能量來源, 較高的光合速率是作物加快生長、提高生物量和產(chǎn)量的基礎(chǔ)。但是, 光照強(qiáng)度超過植物光合作用所能利用的范圍時(shí)會(huì)導(dǎo)致光合效率下降, 即產(chǎn)生光抑制[1]。這時(shí)PSII的電子傳遞活性降低幅度遠(yuǎn)大于PSI[2], 因此強(qiáng)光下PSII容易發(fā)生光抑制, 而PSI光抑制較少[3]。一方面, PSII的光損傷可能與放氧復(fù)合體猛簇的破壞有關(guān); 另一方面, 強(qiáng)光下活性氧(ROS)也會(huì)通過抑制PSII反應(yīng)中心的修復(fù)進(jìn)而導(dǎo)致PSII失活[4-5]。

在高等植物中PSII對(duì)強(qiáng)光等逆境環(huán)境更敏感, 但也有研究認(rèn)為PSI有時(shí)會(huì)取代PSII成為主要的光抑制位點(diǎn)[6-10]。冷敏感植物黃瓜、甜椒等葉片在低溫脅迫條件下PSI優(yōu)先發(fā)生光抑制, 而PSII的光抑制程度則很輕[6,11-12]。這些實(shí)驗(yàn)是在弱光和低溫交互作用下開展的, 所以PSI的光抑制也是發(fā)生在弱光下, 而非強(qiáng)光傷害。近期研究表明, 使用強(qiáng)閃光處理向日葵葉片很容易誘導(dǎo)PSI失活, 其中PSI以O(shè)2依賴的方式受到傷害, 而對(duì)PSII影響很小[13]。也有研究認(rèn)為一系列閃光處理時(shí)PSI和PSII光化學(xué)活性均降低, 只是對(duì)PSII活性的影響相對(duì)較小[14]。很顯然, 強(qiáng)閃光能夠傷害PSI, 但是否以及多大程度上傷害PSII還存在爭議。

前人對(duì)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)光以及光斑條件下光合作用的光抑制研究較多, 很多結(jié)論也是在此基礎(chǔ)上得出的。田間條件下由于風(fēng)的作用作物葉片經(jīng)常發(fā)生高頻擺動(dòng), 導(dǎo)致作物葉片經(jīng)常遭受強(qiáng)閃光環(huán)境。葉片高頻擺動(dòng)導(dǎo)致的強(qiáng)閃光是葉片同一位置反復(fù)遭受強(qiáng)光, 而光斑是隨著陽光入射角的變化而移動(dòng)的光點(diǎn), 它的位置更可能發(fā)生在同一葉片的不同部位。因此, 強(qiáng)閃光這種光環(huán)境既不同于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)光, 也不同于光斑。PSII具有相對(duì)完善的光破壞防御機(jī)制, 尤其是非光化學(xué)猝滅中的高能態(tài)猝滅組分可以迅速啟動(dòng), 從而有效保護(hù)PSII免遭強(qiáng)光傷害。可是, 高頻強(qiáng)閃光下, 如果PSI受到嚴(yán)重傷害, 會(huì)導(dǎo)致光合電子傳遞受阻及跨類囊體膜pH梯度下降, 進(jìn)而限制非光化學(xué)猝滅以至傷害PSII。本研究的目的是解釋強(qiáng)閃光傷害PSI的同時(shí)是否也會(huì)傷害PSII, 其機(jī)制是什么。

棉花起源于熱帶, 喜溫好光, 是全球最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。目前新疆是我國最重要的棉花生產(chǎn)基地。新疆不僅光照強(qiáng)度高, 而且多風(fēng)。田間棉花葉片往往由于高頻擺動(dòng)而暴露在強(qiáng)閃光條件下。因此, 本研究以棉花為材料探討強(qiáng)閃光(20,000 μmol m–2s–1, 300 ms, 間隔10 s)對(duì)棉花葉片光合速率以及PSI和PSII活性的影響, 從而探討棉花光合作用規(guī)律, 為棉花生產(chǎn)提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用新疆棉花主栽品種新陸早45號(hào)。于2016年4月, 取飽滿種子播于25 cm × 20 cm的花盆中, 培養(yǎng)基質(zhì)為蛭石、珍珠巖、優(yōu)良土壤, 三者按1∶1∶1混合。將花盆置室外, 待棉花出苗后每盆留一株, 常規(guī)水肥供應(yīng), 并注意適時(shí)防蟲除草, 確保棉株生長良好、株高均勻一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

待棉花進(jìn)入開花結(jié)鈴期, 挑選長勢(shì)一致的健康棉株9盆, 采用Sejima等[13]的方法, 在人工氣候室以黑暗中(不存在光化光(AL)的狀態(tài)下)連續(xù)間隔10 s的短飽和閃光(20,000 μmol m–2s–1, 時(shí)間300 ms)照射30 min, 對(duì)棉花進(jìn)行處理(用Inactivited表示), 對(duì)照(CK)不做任何處理。

1.3 氣體交換光響應(yīng)曲線測(cè)定

用Li-6400便攜式光合儀(Li-Cor公司, 美國)測(cè)定棉花主莖倒四功能葉的凈光合速率(n)、氣孔導(dǎo)度(s)、胞間CO2濃度(i)。光照強(qiáng)度依次為2000、1600、1200、800、500、300、200、100、80、50、20、0 μmol m–2s–1。二氧化碳濃度控制在400 μmol mol–1, 由儀器CO2注入系統(tǒng)提供, 葉溫控制在25℃。

1.4 葉綠素?zé)晒忖鐒?dòng)力學(xué)和P700測(cè)定

選取棉花主莖倒四功能葉, 采用Dual PAM-100熒光儀(Walz, Germany)同步測(cè)定PSII和PSI。參考Suzuki等[15]方法并略有改動(dòng), 測(cè)定前將棉花進(jìn)行充足的暗適應(yīng)(1 h), 測(cè)定中避免其他光源的干擾, 首先打開測(cè)量光測(cè)定最小熒光產(chǎn)量(o), 然后施加飽和脈沖光得到最大熒光產(chǎn)量(m)和最大P700信號(hào)(m), 隨后打開光化光(Al), 強(qiáng)度為1030 μmol photons m–2s–1, 待熒光信號(hào)穩(wěn)定后(4~5 min), 打開飽和脈沖光(SP), 強(qiáng)度為20,000 μmol photons m–2s–1, 時(shí)間為300 ms, 測(cè)定任意時(shí)間的實(shí)際熒光產(chǎn)量(s), 過30 s關(guān)掉作用光(AL), 測(cè)定光適應(yīng)狀態(tài)下的最大熒光產(chǎn)量(m′)和光下最大P700信號(hào)(m′)。

按Dual-PAM-100使用說明并參考Kramer等[16]文獻(xiàn), 分析PSII和PSI量子產(chǎn)量, 相關(guān)參數(shù)包括PSII實(shí)際光化學(xué)效率(PSII)[17]、PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量(NO)、PSII調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量(NPQ)[16]、PSI受體側(cè)限制引起的非光化學(xué)量子產(chǎn)量(NA)、PSI供體側(cè)限制引起的非光化學(xué)量子產(chǎn)量(ND)、PSI光化學(xué)量子產(chǎn)量(PSI)等[5,18]。

PSII= (m￠–s)/m￠

NPQ=s/m￠?s/m,NO= 1?PSII?NPQ

NA= (m–m￠)/m,ND= 1?P700red,PSI= 1?ND?NA。

1.5 葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線及P700光吸收的測(cè)定

根據(jù)Schreiber等[19-20]用Dual-PAM-100 (Walz, Germany)進(jìn)行快速葉綠素?zé)晒夂蚉700光吸收曲線的測(cè)定并計(jì)算各參數(shù)。

v/m= (m–o)/m,J= (J–o)/(P–o),K= (K–o)/(J–o)

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)閃光對(duì)PSI氧化還原和PSII快速誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的影響

在對(duì)照和強(qiáng)閃光處理中, P700起初是緩慢地上升, 在數(shù)十秒后達(dá)到峰值, 然后快速下降(圖1-A)。與CK相比, 在強(qiáng)閃光照射后P700的光吸收曲線峰值有明顯的下降。m是P700最大氧化狀態(tài), 可反映有活性PSI反應(yīng)中心含量, 其下降能夠衡量PSI光抑制的程度。與CK相比, 強(qiáng)閃光后m下降了18.6% (圖1-B), 說明強(qiáng)閃光導(dǎo)致PSI失活。

從圖2-A可看出, 強(qiáng)閃光后熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線發(fā)生明顯改變, 其中O-J (從開始到虛線)熒光上升速率加快。根據(jù)該曲線可以計(jì)算有關(guān)PSII的功能參數(shù)。與CK相比, PSII的最大量子效率(v/m)降低的幅度很小, 僅下降3.3% (圖2-B)。與對(duì)照相比強(qiáng)閃光后J增加了58%, 而K增加了65% (圖2-C, D)。J和K的大幅提高表明強(qiáng)閃光使PSII電子傳遞活性下降。

圖1 強(qiáng)閃光處理對(duì)棉花葉片P700氧化還原曲線(A)和P700最大氧化狀態(tài)(Pm)(B)的影響

圖2 強(qiáng)閃光處理對(duì)棉花葉片PSII葉綠素快速誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(A)、PSII的最大量子產(chǎn)量Fv/Fm (B)、VJ (C)和WK的影響

2.2 強(qiáng)閃光對(duì)光下PSI氧化還原狀態(tài)和激發(fā)能分配的影響

與CK相比, 強(qiáng)閃光處理后有更低的PSI, 且隨著光強(qiáng)的增加兩處理間PSI的差異略有減小。同時(shí), 與對(duì)照相比, 強(qiáng)閃光處理后ND較低; 相反, 強(qiáng)閃光處理后較CK有較高的NA(圖3)。這些結(jié)果說明強(qiáng)閃光主要使PSI受體側(cè)受到傷害。

2.3 強(qiáng)閃光對(duì)PSII光化學(xué)效率和激發(fā)能分配的影響

PSII是PSII實(shí)際光化學(xué)效率。隨著光強(qiáng)的增加, 強(qiáng)閃光處理前后PSII都呈下降趨勢(shì)。與CK相比, 強(qiáng)閃光后PSII量子產(chǎn)量明顯較低, 不過隨著光強(qiáng)增加這種差異略有減小(圖4-A)。此外, 在強(qiáng)閃光處理前和處理后, NPQ隨光強(qiáng)增加都呈上升趨勢(shì)(圖4-B)。強(qiáng)閃光處理后, 盡管棉花NPQ也隨著光強(qiáng)的提高而增加, 但與CK相比明顯較低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),NPQ隨著光強(qiáng)增加呈上升趨勢(shì), 強(qiáng)閃光處理導(dǎo)致該值明顯降低(圖4-C)。但是,NO在強(qiáng)閃光處理后較對(duì)照明顯增加(圖4-D)。這些結(jié)果說明強(qiáng)閃光造成PSII光抑制和可調(diào)節(jié)的熱耗散下降。

圖3 強(qiáng)閃光處理對(duì)棉花葉片PSI氧化還原狀態(tài)的影響

A: 光下PSI量子產(chǎn)量(PSI); B: 光下PSI被氧化的比例(ND), 是PSI由于供體側(cè)限制引起的PSI非光化學(xué)量子產(chǎn)量; C: 光下PSI未發(fā)生氧化的比例(NA), 是由于受體側(cè)限制引起的PSI非光化學(xué)量子產(chǎn)量。

A: effective photochemical quantum yield of PSI (PSI); B: fraction of overall P700 that is oxidized in a given state (ND), i.e. the quantum yield of non-photochemical energy dissipation due to donor side limitation; C: fraction of overall P700 that cannot be oxidized in a given state due to reduced PSI electron acceptors (NA), i.e. the quantum yield of non-photochemical energy dissipation due to acceptor side limitation.

2.4 強(qiáng)閃光對(duì)氣體交換的影響

強(qiáng)閃光處理前后光合速率均隨著光強(qiáng)增加而逐漸上升; 與CK相比, 強(qiáng)閃光處理后光合速率較低(圖5-A)。從圖5-B可以看出, 隨光強(qiáng)增加, 強(qiáng)閃光處理前后氣孔導(dǎo)度均有所增加; 不過, 氣孔導(dǎo)度在強(qiáng)閃光處理后比處理前略低。同時(shí), 本研究還觀察到胞間CO2濃度與光合速率和氣孔導(dǎo)度的變化趨勢(shì)相反。盡管隨光強(qiáng)增加, 強(qiáng)閃光處理前后i呈降低的趨勢(shì), 但強(qiáng)閃光處理后i比處理前高(圖5-C)。這說明強(qiáng)閃光造成碳同化能力降低主要是葉肉限制, 而非氣孔限制。

3 討論

3.1 強(qiáng)閃光處理抑制PSI活性

P700最大氧化狀態(tài)可反映有活性的PSI反應(yīng)中心含量, 其下降能夠指示PSI光抑制的程度, 也是衡量PSI是否受環(huán)境損傷的重要指標(biāo)[7-8,21]。本研究結(jié)果表明, 強(qiáng)閃光處理后m下降, 與CK相比降低了18.6% (圖1-B)。因此, 強(qiáng)閃光處理導(dǎo)致了PSI失活。研究表明, PSI的失活僅發(fā)生在高氧含量下, 在低氧下很少發(fā)生[13,22]; 而且, 加入PSII的抑制劑DCMU, 在完整葉片或離體類囊體中均能夠抑制PSI傷害[23]。這些證據(jù)說明PSI受體側(cè)的光失活與線性電子傳遞和活性氧生成有關(guān)。本研究結(jié)果還表明NA增加幅度較ND更明顯(圖3), 證明強(qiáng)閃光使PSI受體側(cè)光損傷更嚴(yán)重。很可能強(qiáng)閃光條件下線性電子傳遞受阻和活性氧生成導(dǎo)致PSI受體側(cè)傷害。

本研究證明強(qiáng)閃光處理30 min時(shí)PSI的傷害程度已經(jīng)比較高; Takagi等[24]研究中30 min的強(qiáng)閃光處理對(duì)PSI的傷害程度因物種的不同而存在差異。與Sejima等[13]、Zivcak等[14]、Takagi[24]的研究相比, 對(duì)葉片施加的強(qiáng)閃光強(qiáng)度不同PSI失活的程度也不同。所以, 強(qiáng)閃光都可能對(duì)PSI造成傷害, 只是強(qiáng)閃光強(qiáng)度相對(duì)較弱時(shí)需要更長時(shí)間的處理才能導(dǎo)致明顯的PSI失活。另外, 還有報(bào)道認(rèn)為強(qiáng)閃光處理的間隔時(shí)間越長對(duì)PSI的傷害越小[12]。因此, 強(qiáng)閃光對(duì)PSI的傷害程度與光強(qiáng)和間隔時(shí)間均有關(guān)。

3.2 強(qiáng)閃光處理抑制PSII活性

在以前的研究中, 對(duì)于強(qiáng)閃光處理是否傷害PSII存在著爭議[13-14]。很長時(shí)間以來,v/m是各種環(huán)境脅迫下衡量PSII活性的重要參數(shù)[13]。本試驗(yàn)中, 強(qiáng)閃光處理前后v/m發(fā)生的變化很小, 強(qiáng)閃光僅導(dǎo)致v/m降低3%左右。因此, 如果僅僅依據(jù)光系統(tǒng)II最大光化學(xué)效率來判斷強(qiáng)閃光對(duì)PSII活性的影響似乎很小。但是, 我們注意到, 在對(duì)棉花施加強(qiáng)閃光處理后OJIP曲線中J點(diǎn)(2 ms)的相對(duì)熒光產(chǎn)量有明顯增加, 說明在J點(diǎn)造成QA–的大量積累, 即PSII受體側(cè)電子傳遞受阻。此外, 我們還觀察到強(qiáng)閃光處理之后K點(diǎn)的相對(duì)熒光產(chǎn)量也呈顯著增加趨勢(shì), 證明強(qiáng)閃光處理后放氧復(fù)合物(OEC)失活(圖2)。因此, 本研究認(rèn)為強(qiáng)閃光不僅傷害了PSI而且明顯抑制了PSII的電子傳遞活性, 對(duì)PSII的傷害同時(shí)涉及其供體側(cè)和受體側(cè)。

圖4 強(qiáng)閃光對(duì)棉花葉片熒光猝滅動(dòng)力學(xué)的影響

A: PSII實(shí)際光化學(xué)效率(PSII); B: 非光化學(xué)淬滅(NPQ); C: PSII調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量(NPQ); D: PSII非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量(NO)。

A: the actual photochemical efficiency of PSII (PSII); B: non-photochemical quenching (NPQ); C: the quantum yield of regulated energy dissipation (NPQ); D: the quantum yield of non-regulated energy dissipation (NO).

圖5 強(qiáng)閃光處理對(duì)棉花葉片光合作用光響應(yīng)曲線的影響

A: 光合速率(n); B: 氣孔導(dǎo)度(s); C: 細(xì)胞間隙二氧化碳濃度(i)。

A: photosynthetic rate (n); B: stomatal conductance(s); C: intercellular CO2concentration (i).

植物在進(jìn)化中形成了很多光破壞防御機(jī)制[5]。一般來說, 植物在強(qiáng)光下NPQ會(huì)迅速增加, 這是保護(hù)PSII免受強(qiáng)光傷害的重要方面之一[5]。在本試驗(yàn)中, 強(qiáng)閃光處理后NPQ增加較處理前低, 表明強(qiáng)閃光處理抑制了熱耗散。所以, 強(qiáng)閃光處理后棉花難以完全通過熱耗散途徑將過剩激發(fā)能無損傷地耗散掉。很可能強(qiáng)閃光導(dǎo)致光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II嚴(yán)重失活限制了光合電子傳遞, 進(jìn)而抑制了跨膜梯度, 使非光化學(xué)猝滅下降。此外, 本研究結(jié)果表明強(qiáng)閃光引起NO顯著上升(圖4),NO反映了既不能用于光化學(xué)反應(yīng), 也不能通過天線耗散過剩激發(fā)能[25], 所以推測(cè)可能強(qiáng)閃光導(dǎo)致棉花葉片失活的PSII反應(yīng)中心耗散了更多的能量。因此, 強(qiáng)閃光處理后棉花葉片可調(diào)節(jié)的熱耗散未能大幅增加可能是其誘導(dǎo)PSII活性下降的重要原因。

我們也注意到前人的研究中, 不僅黑暗條件下的強(qiáng)閃光, 而且強(qiáng)光和弱光的交互作用(波動(dòng)光)都可以誘導(dǎo)PSI活性下降[21]。不過, 兩者相比, 黑暗條件下的強(qiáng)閃光處理更容易導(dǎo)致PSI的傷害[13]。相反, 光下PSII的光破壞防御機(jī)制的迅速啟動(dòng)或維持可以很大程度上減輕強(qiáng)閃光對(duì)PSII的傷害[13-15,26]。這可能是很多研究沒有觀察到PSII受傷害的重要原因。

3.3 強(qiáng)閃光導(dǎo)致碳同化能力下降的原因

本研究觀察到伴隨光合速率的降低氣孔導(dǎo)度下降, 但胞間CO2濃度上升, 這說明強(qiáng)閃光處理后棉花葉片光合作用主要是非氣孔限制。同時(shí), 強(qiáng)閃光處理后PSI和PSII的電子傳遞活性均下降(圖5)。光合速率的變化與2個(gè)光合系統(tǒng)活性電子傳遞的變化趨勢(shì)是一致的。所以, 我們推測(cè)強(qiáng)閃光導(dǎo)致的光合電子傳遞活性降低是光合速率下降的重要原因。很可能, 強(qiáng)閃光條件下光合電子傳遞速率降低導(dǎo)致跨膜梯度和同化力生產(chǎn)受阻, 并進(jìn)而限制了光飽和光合速率。

[1] Murata N, Takahashi S, Nishiyama Y, Allakhverdiev S I. Photoinhibition of photosystem II under environmental stress., 2007, 1767: 414–421.

[2] David J K, Zalik S. Photosystem II activity, plastoquinone A levels, andfluorescence characterization of a virescens mutant of barley., 1982, 70: 1026–1031.

[3] Takahashi S, Murata N. Interruption of the Calvin cycle inhibits the repair of photosystem II from photodamage., 2005, 1780: 352–361.

[4] Nishiyama Y, Allakhverdiev S, Murata N. Inhibition of the repair of photosystem II by oxidative stress in cyanobacteria., 2005, 84: 1–7.

[5] Huang W, Yang S J, Zhang S B, Zhang J L, Cao K F. Cyclic electron flow plays an important role in photoprotection for the resurrection plant Paraboea rufescens under drought stress., 2012, 235: 819–828.

[6] Terashima L, Funayama S, Sonoike K. The site of photoinhibition in leaves ofL.at low temperatures is photosystem I, not photosystem II., 1994, 193: 300–306.

[7] Zhang S P, Scheller H V. Photoinhibition of photosystem I at chilling temperature and subsequent recovery in, 2004, 45: 1595–1602.

[8] Huang W, Zhang S B, Cao K F. The different effects of chilling stress under moderate light intensity on photosystem II compared with photosystem I and subsequent recovery in tropical tree species., 2010, 103: 175–182.

[9] Tikkanen M, Mekala N R, Aro E M. Photosystem II photoinhibition-repair cycle protects photosystem I from irreversible damage., 2014, 1837: 210–215.

[10] Tikkanen M, Grebe S. Switching off photoprotection of photosystem I: a novel tool for gradual PSI photoinhibition., 2018, 162: 156–161.

[11] Li X G, Wang X M, Meng Q W, Zou Q. Factors limiting photosynthetic recovery in sweet pepper leaves after short-term chilling stress under low irradiance., 2004, 42: 257–262.

[12] Zhang Z S, Jia Y J, Gao H Y, Zhang H T, Li H D, Meng Q W. Characterization of PSI recovery after chilling-induced photoinhibition in cucumber (L.) leaves., 2011, 234: 883–889.

[13] Sejima T, Takagi D, Fukayama H, Makino A, Miyake C. Repetitive short-pulse light mainly inactivates photosystem I in sunflower leaves., 2014, 55: 1184–1193.

[14] Zivcak M, Brestic M, Kunderlikova K, Sytar O, Allakhverdiev S I. Repetitive light pulse-induced photoinhibition of photosystem I severely affects CO2assimilation and photoprotection in wheat leaves., 2015, 126: 449–463.

[15] Suzuki K, Ohmori Y, Ratel E. High root temperature blocks both linear and cyclic electron transport in the dark during chilling of the leaves of rice seedlings., 2011, 52: 1697–1707.

[16] Kramer D M, Johnson G, Kiirats O, Edwards G E. New fluorescence parameters for the determination of QA redox state and excitation energy fluxes.2004,79: 209–218.

[17] Genty B, Briantais J M, Bake N R. The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence., 1989, 1: 87–92.

[18] Pfündel E, Klughammer C, Schreiber U. Monitoring the effects of reduced PSII antenna size on quantum yields of photosystems I and II using the Dual-PAM-100 measuring system., 2008, 1: 21–24.

[19] Schreiber U, Klughammer C. New accessory for the DUAL- PAM-100: the P515/535 module and examples of its application., 2008, 1: 1–10.

[20] Klughammer C, Schreiber U. Complementary PSII quantum yields calculated from simple fluorescence parameters measured by PAM fluorometry and the saturation pulse method., 2008, 1: 27–35.

[21] Suorsa M, J?rvi S, Grieco M, Nurmi M, Pietrzykowska M, Rantala M, Kangasj?rvi S, Paakkarinen V, Tikkanen M, Jansson S, Aro E M. PROTON GRADIENT REGULATION5 is essential for proper acclimation ofphotosystem I to naturally and artificially fluctuating light conditions., 2012, 24: 2934–2948.

[22] Sonoike K, Terashima I. Mechanism of photosystem I photoinhibition in leaves ofL, 1994, 194: 287–293.

[23] Sonoike K. Photoinhibition of photosystem I: its physiological significance in the chilling sensitivity of plants., 1996, 37: 239–247.

[24] Takagi D, Ishizaki K, Hanawa H, Mabuchi T, Shimakawa G, Yamamoto H, Miyake C. Diversity of strategies for escaping reactive oxygen species production within photosystem I among land plants: P700 oxidation system is prerequisite for alleviating photoinhibition in photosystem I., 2017, 161: 56–74.

[25] Liu Y F, Qi M F, Li T L. Photosynthesis, photoinhibition, and antioxidant system in tomato leaves stressed by low night temperature and their subsequent recovery., 2012, 196: 8–17.

[26] Sato R, Kono M, Harada K, Ohta H, Takaichi S, Masuda S. FLUCTUATING-LIGHT-ACCLIMATION PROTEIN1, conserved in oxygenic phototrophs, regulates H+homeostasis and non-photochemical quenching in chloroplasts., 2017, 58: 1622–1630.

Repetitive intense flashes inhibit photosystem II activity and thermal dissipation in cotton leaves

WU Han-Yu1,3, XIAO Fei1, ZHANG Ya-Li2, JIANG Chuang-Dao3,*, and ZHANG Wang-Feng2,*

1College of Life Science, Shihezi University, Shihezi 832003, Xinjiang, China;2College of Agriculture, Shihezi University / Key Laboratory of Oasis Ecology Agriculture of Xinjiang Production and Construction Corps, Shihezi 832003, Xinjiang, China;3Key Laboratory of Plant Resources, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China

Not only continuous high light results in the decrease of photosynthetic efficiency, but also intense flashes may affect the photosynthetic function. In this study, cotton (L) cultivar Xinluzao 45 was used to investigate the effects of repetitive intense flash treatment (leaves exposed to 20,000 μmol m–2s–1for 300 ms, with interval time of 10 s, and the whole treatment duration was 30 min) on two photosystems and photosynthetic function of cotton leaves. Chlorophyll fluorescence, P700 and gas exchange were measured before and after repetitive intense flash treatment, respectively. The content of active PSI (photosystem I) reaction center and the electron transfer activity of PSII (photosystem II) all decreased after repetitive intense flash treatment which reflected by the significant increase in J and K phases of the fluorescence induction kinetics curves after repetitive intense flash treatment.ND(the quantum yield of non-photochemical energy dissipation due to donor side limitation) of PSI decreased whileNA(the quantum yield of non-photochemical energy dissipation due to acceptor side limitation) increased, indicating that acceptor side of PSI was primarily inhibited by repetitive intense flashes. Repetitive intense flash treatment induced a distinct decrease in the quantum yield of PSII in cotton leaves under actinic light. Moreover,NPQ(the quantum yield of regulated energy dissipation) of PSII decreased significantly after repetitive intense flash treatment. However,NO(the quantum yield of non-regulated energy dissipation) increased considerably, demonstrating that the repetitive intense flashes caused PSII photoinhibition. The photosynthetic rate and the stomatal conductance decreased while the intercellular CO2concentration increased after repetitive intense flash treatment, indicating that the reduction of carbon assimilation induced by repetitive intense flash treatment is not limited by stomata. Therefore, we believe that the repetitive intense flash treatment not only induces inactivation of PSI, but also leads to PSII photoinhibition and the decrease of thermal dissipation. The suppression of photosynthetic electron transport activity may play important role in the decrease of photosynthetic rate after repetitive intense flash treatment.

cotton; repetitive intense flashs; photoinhibition; photosynthesis; electron transport

2018-07-28;

2018-12-24;

2019-02-15.

10.3724/SP.J.1006.2019.84104

張旺鋒, E-mail: wfzhang65@163.com; 姜闖道, E-mail: jcdao@ibcas.ac.cn

E-mail: 1793936056@qq.com

本研究由國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1803234)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (U1803234).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190214.1110.002.html