劉婉迪　袁媛　王威　謝倩　陳清西

摘要：以耐熱杜鵑（Rhododendron L.）品種天章和不耐熱品種霞紅的4年生扦插苗為試驗材料，研究不同高溫脅迫（35、45、50 ℃）對杜鵑離體葉片光系統(tǒng)Ⅱ活性的影響，以揭示高溫脅迫對杜鵑葉片光合機構(gòu)的行為特征。結(jié)果表明，2個品種的杜鵑葉片經(jīng)過3個溫度的熱脅迫后，PSⅡ的最大量子效率（Fv/Fm）、光化學淬滅系數(shù)（qP）、PSⅡ有效量子產(chǎn)量[Y（Ⅱ）]均降低，其中霞紅葉片的Fv/Fm經(jīng)過45、50 ℃脅迫后下降顯著，qP、Y（Ⅱ）在3個溫度脅迫后均顯著降低，天章葉片的Fv/Fm、qP在50 ℃脅迫后顯著下降，Y（Ⅱ）在45、50 ℃脅迫后也顯著下降;2個杜鵑品種的葉片NPQ在3種熱脅迫處理后均上升;天章葉片的調(diào)節(jié)性能量耗散[Y（NPQ）]在45、50 ℃處理后相比對照顯著增加，霞紅葉片的 Y（NPQ） 則在35、45 ℃處理后顯著增加，50 ℃處理后顯著減小;天章葉片的非調(diào)節(jié)性能量耗散[Y（NO）]在50 ℃處理后顯著增加，霞紅葉片的Y（NO）在45、50 ℃脅迫處理后顯著增加。天章、霞紅葉片經(jīng)50 ℃處理后，激發(fā)能分配不平衡偏離系數(shù)（β/α-1）相比對照顯著上升。由此可以看出，天章葉片的葉綠素熒光特性受熱脅迫的影響小于霞紅，耐熱杜鵑天章葉片的PSⅡ熱穩(wěn)定性高于不耐熱杜鵑霞紅;此外，對熱脅迫傷害的協(xié)調(diào)保護機制，一方面表現(xiàn)在過剩的激發(fā)能量會從以Y（NPQ）為主轉(zhuǎn)向以Y（NO）為主，另一方面也可能表現(xiàn)在通過調(diào)節(jié)PSⅡ與PSⅠ之間激發(fā)能分配平衡性的天線系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換上。

關(guān)鍵詞：杜鵑;葉綠素熒光參數(shù);熱脅迫;光系統(tǒng)Ⅱ

中圖分類號： S685.210.1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0144-04

杜鵑（Rhododendron simsii Planch）是杜鵑花科（Ericaceae）杜鵑屬常綠灌木，其品種繁多，花色豐富，是我國傳統(tǒng)的十大名花之一，具有很高的觀賞及經(jīng)濟價值[1]，其生長適宜的溫度為12～25 ℃。目前，杜鵑花的多數(shù)品種由于耐熱性差，使得夏季的高溫成為制約其生長發(fā)育的主要環(huán)境因子，嚴重影響了杜鵑在夏季園林綠化造景中的應用。

高溫會引起植物生長和發(fā)育的不可逆損傷，直接導致蛋白質(zhì)變性和膜脂流動性增加，間接導致葉綠體中酶的失活，抑制蛋白質(zhì)的合成，加速蛋白質(zhì)降解并使膜的完整性喪失[2];此外，高溫還通過影響PSⅡ的電子傳遞過程，進一步改變光合反應速率[3]。PSⅡ?qū)崦舾?，其活性會受到高溫的嚴重抑制[4]，如疏葉駱駝刺葉片處于短時間的高溫環(huán)境中時，PSⅡ是主要的熱敏感位點，在重度熱脅迫下，PSⅡ會發(fā)生永久性損傷[5];在高溫脅迫下，柑橘葉片的PSⅡ光化學效率顯著降低，且光合速率顯著下降[6]。目前，國內(nèi)外對杜鵑的研究主要集中于其種質(zhì)資源的調(diào)查[7]以及干旱、低溫脅迫等對杜鵑生理的影響等方面[8-9]，對杜鵑耐熱生理的研究主要集中于分析傳統(tǒng)生理指標[10]，關(guān)于杜鵑在熱脅迫下光合系統(tǒng)的研究，尤其是葉綠素熒光系統(tǒng)對高溫的響應及其耐熱機制研究非常有限。

本研究以2個具有不同耐熱性的杜鵑品種為材料，從葉綠素熒光動力學特征入手，探討不同熱激脅迫對杜鵑葉綠素熒光特性的影響，旨在揭示熱脅迫與葉綠素熒光特性及相關(guān)指標之間的關(guān)系，以期為耐熱杜鵑新品種的選育提供理論依據(jù)和參考指標。

1材料與方法

1.1材料

供試杜鵑品種為耐熱品種天章和不耐熱品種霞紅，由永根杜鵑花培育有限公司提供。試驗于2016年3月在福建農(nóng)林大學園藝設(shè)施溫室內(nèi)進行。挑選4年生扦插苗，栽植于塑料花盆中（長×寬×高=20 cm×20 cm×30 cm），于溫室中適應3個月后，選取長勢一致、無病蟲害的植株進行試驗。

1.2試驗設(shè)計

將杜鵑植株于黑暗條件下處理30 min后，從上到下選取第5～6張大小一致、無病蟲害的葉片，完全浸于不同溫度的水浴鍋中，溫度分別設(shè)為25（對照）、35、45、50 ℃，10 min，進行葉綠素熒光參數(shù)的測定。試驗全程均在黑暗條件下進行，重復3次。

1.3葉綠素熒光參數(shù)的測定

試驗儀器為調(diào)制式IMAGING-PAM（德國WALZ公司生產(chǎn)）。測定的葉綠素熒光參數(shù)包括初始熒光（F0）、最大熒光（Fm）、PSⅡ的最大量子效率（Fv/Fm）、光化學淬滅系數(shù)（qP）、非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）、PSⅡ有效量子產(chǎn)量[Y（[QX（Y15]Ⅱ[QX）]）]、調(diào)節(jié)性能量耗散[Y（NPQ）]、非調(diào)節(jié)性能量耗散[Y（NO）]、光下最大熒光（Fm′）、熒光（F）、“湖泊模型”中處于開放態(tài)PSⅡ反應中心的分數(shù)（qL）。相關(guān)計算公式如下：

qP=（Fm′-F）/（Fm′-F0′）;

NPQ=（Fm-Fm′）/Fm′;

Y（Ⅱ）=（Fm′-F）/Fm′;

Y（NPQ）=1-Y（Ⅱ）-1/[NPQ+1+qL（Fm/F0-1）];

Y（NO）=1/[NPQ+1+qL（Fm/F0-1）];

F0′=F0/（Fv/Fm+F0/Fm′）。

式中：F0′為光下最小熒光。

參考Braun等的公式[11]計算光系統(tǒng)間的激發(fā)能分配不平衡偏離系數(shù)（β/α-1），其中PSⅡ激發(fā)能分配系數(shù)的計算公式為β=1/（1+f），PSⅠ激發(fā)能分配系數(shù)的計算公式為α=f/（1+f），f=（Fm-F）/（Fm-F0′）。其中：α為PSⅠ激發(fā)能分配系數(shù);β為PSⅡ的激發(fā)能分配系數(shù);f為常數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)分析

用SPSS 13.0和Graphpad Prism 7.0軟件進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，數(shù)值均以平均值±標準差表示。統(tǒng)計方法采用Duncans新復極差檢驗法（α=0.05）和One-Way方差分析（ANOVA）。

2結(jié)果與分析

2.1熱脅迫對天章和霞紅葉片F(xiàn)v/Fm的影響

由圖1可見，經(jīng)35 ℃熱脅迫后，天章、霞紅葉片的Fv/Fm圖像與對照相比變化不明顯;經(jīng)45 ℃熱脅迫后，霞紅葉片的Fv/Fm圖像與對照相比出現(xiàn)明顯變化，而天章葉片的Fv/Fm圖像仍處于藍色區(qū)域;經(jīng)50 ℃熱脅迫后，天章、霞紅葉片的Fv/Fm圖像變化都較明顯，并且霞紅的圖像變化更明顯。

由圖2可以看出，與25 ℃（對照）溫度處理相比，不同溫度的熱脅迫使得天章、霞紅葉片的Fv/Fm均下降，其中天章在經(jīng)50 ℃熱脅迫后，葉片的Fv/Fm顯著下降。而霞紅在經(jīng)45、50 ℃熱脅迫后，葉片的Fv/Fm均顯著減小。天章葉片的Fv/Fm在25 ℃時為0.79，在經(jīng)35、45、50 ℃熱脅迫后分別下降了1.3%、5.1%、32.9%;霞紅葉片的Fv/Fm在25 ℃時為0.8，在經(jīng)35、45、50 ℃熱脅迫后分別下降了2.5%、11.25%、38.8%;在經(jīng)45、50 ℃熱脅迫后，霞紅葉片的Fv/Fm相比對照下降的幅度較天章更大。

2.2熱脅迫對天章和霞紅葉片qP和Y（Ⅱ）的影響

由圖3可以看出，35、45、50 ℃的熱脅迫導致霞紅葉片的qP顯著降低，與對照相比分別下降了17.9%、23.9%，40.3%。

而天章葉片在50 ℃熱脅迫下，qP顯著下降，與對照相比下降了27.9%，經(jīng)其他溫度處理后qP有所下降但與對照相比變化不顯著。

由圖4可以看出，經(jīng)35、45、50 ℃熱脅迫后，霞紅葉片的Y（Ⅱ）的下降幅度均明顯高于天章。經(jīng)35、45、50 ℃熱脅迫后，霞紅葉片的Y（Ⅱ）均顯著減小，與對照相比分別下降了24.5%、23.3%、40.3%。而天章在經(jīng)過35 ℃熱脅迫后，葉片的Y（Ⅱ）變化不顯著，經(jīng)45、50 ℃熱脅迫后Y（Ⅱ）顯著減小，分別比對照減少了23.2%、63.2%。

2.3熱脅迫對天章和霞紅葉片NPQ、Y（NPQ）和Y（NO）的影響

由圖5可以看出，2個品種的杜鵑在經(jīng)過3種熱脅迫后，葉片的NPQ均提高，其中天章在經(jīng)45、50 ℃熱脅迫后，葉片的NPQ相比對照顯著提高，分別是對照的2.5、1.4倍。霞紅葉片的NPQ在經(jīng)35、45 ℃熱脅迫后，相比對照顯著提高，分別是對照的1.9、1.4倍。天章葉片的NPQ在經(jīng)45 ℃熱脅迫處理后，提高幅度明顯高于另2個溫度處理下的提高幅度，而霞紅葉片的NPQ則在35 ℃熱脅迫后的提高幅度明顯高于另外2個脅迫處理。

由圖6可以看出，天章葉片在經(jīng)45、50 ℃熱脅迫后，Y（NPQ） 顯著增加，分別比對照增加了1.3、1.6倍，經(jīng)過 35 ℃ 熱脅迫后沒有明顯變化。霞紅葉片在35、45 ℃熱脅迫后，Y（NPQ）顯著增加，分別比對照增加了17.1%、37.1%，而經(jīng) 50 ℃ 熱脅迫后又顯著減小，相比對照下降了25.7%。

由圖7可以看出，天章葉片的Y（NO）在經(jīng)35、45 ℃熱脅迫后沒有顯著變化，經(jīng)50 ℃熱脅迫后顯著增加，為對照的1.8倍;霞紅葉片在經(jīng)45、50 ℃熱脅迫后，Y（NO）顯著增加，分別為對照的1.3、2.2倍。

2.4熱激脅迫處理對天章和霞紅葉片表面PSⅡ與PSⅠ激發(fā)能分配的影響

在3個溫度熱脅迫處理后，分配給PSⅠ的激發(fā)能α下降，分配給PSⅡ的激發(fā)能β上升。由圖8可見，天章、霞紅葉片在經(jīng)35、45 ℃熱脅迫后，PSⅡ和PSⅠ間的激發(fā)能分配不平衡偏離系數(shù)β/α-1相比于對照上升，但是上升幅度不大，在經(jīng) 50 ℃ 熱脅迫后，β/α-1顯著提高，分別為對照的 4.4、1.9倍。

3討論

在較短的時間內(nèi)，葉片溫度高出其生長適宜溫度10～15 ℃ 時往往會造成熱脅迫，導致植物生理代謝紊亂[12]。PSⅡ 對環(huán)境脅迫非常敏感，其功能和結(jié)構(gòu)在高溫脅迫下會發(fā)生一系列變化[13]，F(xiàn)v/Fm表示PSⅡ的潛在量子產(chǎn)量，是植物光合表現(xiàn)的一個敏感指標[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，不耐熱品種霞紅在經(jīng)45、50 ℃處理后的Fv/Fm均顯著減小，而耐熱品種天章在經(jīng)50 ℃處理后的Fv/Fm顯著減小，與梁雪等對耐熱和不耐熱大蔥Fv/Fm對熱脅迫響應的結(jié)果[15]一致。表明耐熱品種在較高溫度脅迫下，可降低熱脅迫對PSⅡ反應中心的損傷，有利于維持PSⅡ較高的光化學活性[16]。而熱脅迫導致不耐熱品種的PSⅡ反應中心受損或失活，抑制了光合作用的原初反應[17]。

光化學反應和熱耗散的變化會引起葉綠素熒光淬滅（包括光化學淬滅和非光化學淬滅）過程的相應變化，光化學淬滅與PSⅡ電子傳遞和初始電子受體QA的氧化還原有關(guān)[18]。趙麗麗等對金蕎麥在高溫下的葉綠素熒光特性研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下金蕎麥各種質(zhì)的qP、Y（Ⅱ）降低[19]。陳梅等在高溫脅迫對莧菜葉綠素熒光的影響研究中發(fā)現(xiàn)，在40 ℃以上高溫脅迫下，上述指標均有所下降[20]。在本試驗中不同溫度脅迫下，2個品種的qP、Y（Ⅱ）整體上均顯著降低，與趙麗麗等的研究結(jié)果[19]一致，這進一步證實高溫使這2個品種的天線色素光能轉(zhuǎn)換效率和PSⅡ反應中心開放部分的比例明顯下降[21]，過量的激發(fā)能在PSⅡ反應中心積累[22]，PSⅡ的QA電子受體的氧化性增強[23]，電子傳遞受到抑制[24]。此外，在qP下降的同時，Y（Ⅱ）也隨著下降，這個結(jié)果與這2個參數(shù)在PSⅡ反應中心相對應的關(guān)系一致。天章的qP、Y（Ⅱ）下降幅度較小，說明耐熱品種在熱激脅迫下的光能捕獲與轉(zhuǎn)化能力仍然較強，能夠保持較高的光能利用效率，是其對高溫具有抗性的光合生理原因[24]。非光化學淬滅是植物體內(nèi)光合量子效率調(diào)節(jié)的一個重要方面，反映了植物體可以將過剩的光能以熱的形式耗散的部分[25]。在本研究中，霞紅葉片在經(jīng) 35 ℃ 熱脅迫后，天章葉片在經(jīng)45 ℃熱脅迫后的NPQ急劇提高。該結(jié)果表明，霞紅葉片在35 ℃時，天章葉片在45 ℃時的NPQ積極響應，通過調(diào)節(jié)自身大小而使qP保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，保證CO2固定和電子的傳遞速率達到一致，將PSⅡ反應中心接受的多余激發(fā)能以熱形式耗散[26]。此外，本研究結(jié)果還表明，35 ℃這個不足以使天章NPQ顯著響應的溫度已經(jīng)對霞紅產(chǎn)生了顯著影響，其NPQ需要立即響應以使qP維持穩(wěn)定。

當脅迫溫度達到50 ℃時，2個杜鵑品種的葉片調(diào)節(jié)性能量耗散Y（NPQ）減小，而非調(diào)節(jié)性能量耗散Y（NO）顯著增加，與任子蓓等對熱脅迫對連翹離體葉圓片光系統(tǒng)Ⅱ活性影響的研究結(jié)果一致，說明50 ℃時熱耗散不足以將植物吸收的光能完全消耗掉，過剩的光能導致光系統(tǒng)發(fā)生光抑制，甚至損壞，反映了熱耗散機制從調(diào)節(jié)性能量耗散為主向非調(diào)節(jié)性能量耗散為主轉(zhuǎn)換[27]。PSⅡ通常被認為是光抑制的主要位點，且PSⅡ較PSⅠ對熱更加敏感[28]。王俊玲等在對番茄果實表面光系統(tǒng)活性的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫溫度的升高，β/α-1提高，熱脅迫使2個光系統(tǒng)間的激發(fā)能分配出現(xiàn)不平衡，PSⅠ和PSⅡ間的協(xié)調(diào)性降低[29]。任子蓓等研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱脅迫溫度增加，連翹離體葉圓片的β/α-1先驟然增大而后又驟然降低[27]。本試驗發(fā)現(xiàn)，2個杜鵑品種葉片在不同溫度脅迫下β/α-1均提高，β/α-1在經(jīng)50 ℃脅迫后的提高幅度顯著高于其他2個溫度脅迫后的結(jié)果。這個結(jié)果與王俊玲等的研究結(jié)果[29]一致，與任子蓓等的結(jié)果[27]有所差異，可能由于在50 ℃下，對PSⅡ已構(gòu)成損傷，而這種激發(fā)能分配從傾向于PSⅡ而后轉(zhuǎn)向于PSⅠ的現(xiàn)象可能與光合機構(gòu)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換[30]有關(guān)，其具體機制尚待進一步研究。

綜上所述，在相同脅迫程度下，不耐熱杜鵑品種的葉綠素熒光動力學參數(shù)變化幅度明顯高于耐熱品種，即霞紅在45 ℃熱脅迫下，其PSⅡ就已經(jīng)出現(xiàn)明顯的光抑制，而天章則是在50 ℃時才出現(xiàn)明顯的光抑制。說明在高溫下，與霞紅相比，耐熱品種天章的PSⅡ光能轉(zhuǎn)換效率更高，光合機構(gòu)的過剩激發(fā)能更少，產(chǎn)生活性氧的概率更低，PSⅡ反應中心的開放程度更大，對光合電子傳遞速率的影響較小，有效地保護了光合機構(gòu)。

參考文獻：

[1]張春英. 杜鵑花的育種發(fā)展及現(xiàn)代育種[J]. 山東林業(yè)科技，2005（3）：77-79.

[2]Zhang H，Liu K，Wang Z Q，et al. Abscisic acid，ethylene and antioxidative systems in rice grains in relation with grain filling subjected to postanthesis soil-drying[J]. Plant Growth Regulation，2015，76（2）：135-146.

[3]Gorbe E，Calatayud A. Applications of chlorophyll fluorescence imaging technique in horticultural research：a review[J]. Scientia Horticulturae，2012，138（2）：24-35.

[4]Baker N R. A possible role for photosystem Ⅱ in environmental perturbations of photosynthesis[J]. Physiologia Plantarum，1991，81（4）：563-570.

[5]薛偉，李向義，林麗莎，等. 短時間熱脅迫對疏葉駱駝刺光系統(tǒng)Ⅱ、Rubisco活性和活性氧化劑的影響[J]. 植物生態(tài)學報，2011，35（4）：441-451.

[6]Guo Y P，Zhou H F，Zhang L C. Photosynthetic characteristics and protective mechanisms against photooxidation during high temperature stress in two citrus species[J]. Scientia Horticulturae，2006，108（3）：260-267.

[7]趙冰，張果，司國臣，等. 秦嶺野生杜鵑花屬植物種質(zhì)資源調(diào)查研究[J]. 西北林學院學報，2013，28（1）：104-109.

[8]張長芹，羅吉風，蘇玉芬. 六種杜鵑花的耐旱適應性研究[J]. 廣西植物，2002，22（2）：174-176.

[9]余麗玲. 西洋杜鵑四個品種抗寒性對比研究[D]. 福州：福建農(nóng)林大學，2014.

[10]張樂華，孫寶騰，周廣，等. 高溫脅迫下五種杜鵑花屬植物的生理變化及其耐熱性比較[J]. 廣西植物，2011，31（5）：651-658.

[11]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[J]. Biochimica et Biophysica Acta-Bioenergetics，1990，1017（1）：79-90.

[12]Wahid A，Gelani S，Ashraf M，et al. Heat tolerance in plants：an overview[J]. Environmental and Experimental Botany，2007，61（3）：199-223.

[13]陳大印，劉春英，袁野，等. 不同光強與溫度處理對‘肉芙蓉牡丹葉片PSⅡ光化學活性的影響[J]. 園藝學報，2011，38（10）：1939-1946.

[14]Maxwell K，Johnson G N. Chlorophyll fluorescence—a practical guide[J]. Journal of Experimental Botany，2000，51（345）：659-668.

[15]梁雪，顏坤，梁燕，等. 高溫對耐熱大蔥品種PSⅡ和抗氧化酶活性的影響[J]. 園藝學報，2012，39（1）：175-181.

[16]吳玉香，魏建康，沈少炎，等. 遮光對西洋杜鵑花期、光合參數(shù)、葉綠素熒光參數(shù)的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2017，45（8）：113-116.

[17]Sun Y J，Geng Q W，Du Y P，et al. Induction of cyclic electron flow around photosystem Ⅰ during heat stress in grape leaves[J]. Plant Science，2017，256：65-71.

[18]楊志曉，丁燕芳，張小全，等. 赤星病脅迫對不同抗性煙草品種光合作用和葉綠素熒光特性的影響[J]. 生態(tài)學報，2015，35（12）：4146-4154.

[19]趙麗麗，鄧蓉，向清華，等. 高溫對金蕎麥光合氣體交換和葉綠素熒光特性的影響[J]. 草業(yè)科學，2015，32（4）：560-569.

[20]陳梅，唐運來. 高溫脅迫下莧菜的葉綠素熒光特性[J]. 生態(tài)學雜志，2013，32（7）：1813-1818.

[21]Murata N，Takahashi S，Nishiyama Y A. Photoinhibition of photosystem Ⅱ under environmental stress[J]. Biochimica et Biophysica Acta-Bioenergetics，2007，1767（6）：414-421.

[22]Schreiber U，Neubauer C. O2-dependent electron flow，membrane energization and the mechanism of non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence[J]. Photosynthesis Research，1990，25（3）：279.

[23]Maxwell D P，F(xiàn)alk S，Trick C G，et al. Growth at low temperature mimics high-light acclimation in Chlorella vulgaris[J]. Plant Physiology，1994，105（2）：535.

[24]Hou W，Sun A H，Chen H L，et al. Effects of chilling and high temperatures on photosynthesis and chlorophyll fluorescence in leaves of watermelon seedlings[J]. Biologia Plantarum，2016，60（1）：148-154.

[25]Hideg E，Kós P，Schreiber U. Imaging of NPQ and ROS formation in tobacco leaves：heat inactivation of the water-water cycle prevents down-regulation of PSⅡ[J]. Plant Cell Physiol，2008，49（12）：1879-1886.

[26]Baker N R. Chlorophyll fluorescence：a probe of photosynthesis in vivo[J]. Annual Review of Plant Biology，2008，59（1）：89-113.

[27]任子蓓，王俊玲，史寶勝. 熱脅迫對連翹離體葉圓片光系統(tǒng)Ⅱ活性的影響[J]. 林業(yè)科學，2015，51（4）：44-51.

[28]Anderson J M，Park Y I，Soon W S. Unifying model for the photoinactivation of photosystem Ⅱ in vivo under steady-state photosynthesis[J]. Photosynthesis Research，1998，56（1）：1-13.

[29]王俊玲，高志奎，趙飛. 熱激脅迫對番茄果實表面光系統(tǒng)活性的影響[J]. 園藝學報，2011，38（4）：675-682.

[30]許大全. 光合作用效率[M]. 上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2002：23-25.