戰(zhàn)莘曄，呂曉，金丹丹，殷紅

（1.鞍山市氣象局，遼寧 鞍山 114004；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽 110866；3.錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，遼寧 錦州121000；4.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，沈陽110161）

大氣平流層當(dāng)中臭氧（O3）衰減引起的地表UVB 輻射增強(qiáng)是全球氣候變化問題之一。太陽紫外輻射到達(dá)地面需通過平流層中的O3層進(jìn)行過濾，O3衰減乃至空洞的出現(xiàn)，致使到達(dá)地面的太陽紫外輻射增強(qiáng)。據(jù)北京監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，我國大氣平流層的O3衰減情況也很嚴(yán)重，平流層O3總量呈降低趨勢(shì)，我國各地平均降低5.1%[1-2]。研究表明，大氣平流層O3每減少1%，到達(dá)地面的太陽紫外輻射增加2%[3-4]。UV-B輻射（280～320 nm）是可見光的天然成分，對(duì)植物具有重要的生物學(xué)作用[5-6]。Dehariya 等[7]認(rèn)為，增強(qiáng)的UV-B 輻射可以改變植物的光合作用、水分的代謝以及碳從生長池分配到二級(jí)代謝的途徑，且外觀形態(tài)上與在UV-B 環(huán)境下生長的植物相比，在沒有紫外輻射下的葉片生長速度更快、葉片更大。

有研究者認(rèn)為當(dāng)發(fā)生常規(guī)光合作用時(shí)，激發(fā)態(tài)的光子傳遞到光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）后使光反應(yīng)中心P680發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生光合電子流，且光合電子流越大，表明其光合能力越強(qiáng)[8-10]，但當(dāng)受到外界UV-B 脅迫的時(shí)間和強(qiáng)度增加時(shí)，光合反應(yīng)中心的開放程度以及光合效率則會(huì)降低[11]。在研究水稻等C3植物過程中，曾由Farquhar 等[12-13]提出的FvCB 模型因能描述穩(wěn)態(tài)的C 同化過程且具有明確的生物學(xué)意義而被廣泛應(yīng)用于光合作用研究[14]。用該模型可描述植物光合作用中如最大羧化速率、最大電子傳遞速率等幾個(gè)重要參數(shù)[15-16]，但葉子飄等[17]在估算植物葉片電子最大傳遞速率以及計(jì)算具體的C 同化和光呼吸所分配的光合電子流時(shí),估算值高于FvCB 生化模型的測(cè)算值，因此本文采用葉子飄等[17]的研究方法進(jìn)行估算。

近些年，研究者們常通過研究葉綠素a 快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化進(jìn)而研究外界脅迫對(duì)植物光合作用的影響[18]。葉子飄等[19]利用快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)UV-B 輻射增加使綠豆幼苗的光合作用效率降低，捕光復(fù)合體和電子傳遞系統(tǒng)被損壞，電子傳遞速率下降。王偉等[20]在實(shí)驗(yàn)中增設(shè)UV-B 輻射后，紫花苜蓿的各項(xiàng)熒光參數(shù)均降低，表明：一是紫花苜蓿葉片的光合器官活性受UV-B 脅迫后降低，進(jìn)而對(duì)C 的同化和固定減少，導(dǎo)致光能過剩；二是植物葉片光系統(tǒng)PSⅡ?yàn)榫S持自身運(yùn)轉(zhuǎn)，通過減少光合電子傳遞方式來調(diào)節(jié)對(duì)C 的代謝力，這與王錦旗等[21]的研究結(jié)果相一致，且有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)PSⅡ反應(yīng)中心開放程度變大時(shí)，光化猝滅也會(huì)增大[22]。而韓文等[23]研究表明，短時(shí)間的UV-B 輻射對(duì)擬南芥葉綠素?zé)晒馓匦杂杏绊懀豕饽苻D(zhuǎn)化效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)等指標(biāo)降低，NPQ 值則呈上升趨勢(shì)。研究認(rèn)為，只有經(jīng)過長時(shí)間的UV-B輻射PSⅡ反應(yīng)中心才會(huì)受創(chuàng)，從而影響光合電子傳遞，而短時(shí)間輻射對(duì)PSⅡ反應(yīng)中心影響較小。

已有研究表明，作物對(duì)UV-B 輻射增強(qiáng)表現(xiàn)敏感，株高、葉面積、干物質(zhì)量等均有降低表現(xiàn)[24]，水稻產(chǎn)量與品質(zhì)以及有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率顯著下降，葉綠素含量與光合速率也有所降低[25-27]。但針對(duì)UV-B 輻射對(duì)北方粳稻光合特性的研究還相對(duì)較少，尤其是針對(duì)營養(yǎng)生長時(shí)期，因此本文以東北粳稻為受試材料，探究了營養(yǎng)生長時(shí)期UV-B 輻射增強(qiáng)對(duì)粳稻光化學(xué)活性和光合電子流傳遞分配等方面的影響機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與方法

以粳稻品種‘沈農(nóng)265’為試驗(yàn)材料，于2014 年5—10 月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)布局如圖1 所示。采用盆栽方式種植，并選用南地大田水稻土作為生長土壤，土壤有機(jī)質(zhì)含量33.8 g·kg-1，速效鉀含量155.7 mg·kg-1、速效磷含量138.2 mg·kg-1、速效氮含量187.8 mg·kg-1。設(shè)置對(duì)照組CK（自然光照射）、處理組T1（自然光照射+UV-B 輻射1.05 W·m-2）和T2（自然光照射+UV-B 輻射2.1 W·m-2）。夏季自然光照實(shí)際日均UV-B 輻射為21 W·m-2數(shù)據(jù)來源于沈陽氣象局，即T1 和T2 處理分別增加了實(shí)際輻射的5%和10%，各組均種植42 盆，每日8：00起連續(xù)照射8 h。移栽后每隔20 d對(duì)葉片進(jìn)行一次活體測(cè)量和取樣，每處理重復(fù)3次。

圖1 試驗(yàn)布局圖Figure 1 Experimental design layout

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

選取水稻所培育的三葉期幼苗移栽于無孔試驗(yàn)盆中，試驗(yàn)盆上直徑0.33 m、下直徑0.20 m、盆深0.29 m，插秧時(shí)3 穴·桶-1，1 株·穴-1，對(duì)照組CK 和處理組T1、T2 各42 桶，并進(jìn)行常規(guī)水肥管理。架設(shè)北京電光源研究所生產(chǎn)的紫外燈管于幼苗上方，每個(gè)燈架配有防雨燈罩，且呈東西方向擺放，以減少遮陰效果，燈架高度可調(diào)整，始終與植株保持0.3～0.4 m 高度，以保證植株受到相同劑量的UV-B輻射，每日8：00-16：00開啟紫外燈照（陰雨天除外）。

在營養(yǎng)生長3 個(gè)測(cè)定日期即移栽后第20、40、60 d（孕穗期前），在CK和處理組中各隨機(jī)選出6株植株做標(biāo)記。選擇晴朗午前進(jìn)行活體測(cè)量，利用暗適應(yīng)夾進(jìn)行30 min暗適應(yīng)后，測(cè)定熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線及其參數(shù)；用Li-6400 型光合測(cè)定儀測(cè)定凈光合速率（Pn）和暗呼吸速率（Rd），選擇人工紅藍(lán)光源，光強(qiáng)設(shè)定為1 000 μmol·m-2·s-1；利用FMS Ⅱ型便攜式熒光測(cè)定系統(tǒng)（Hansatech，UK）測(cè)定同期熒光參數(shù)，暗反應(yīng)參數(shù)則需葉片暗適應(yīng)30 min后測(cè)定，測(cè)量時(shí)設(shè)定光照強(qiáng)度為1 000 μmol·m-2·s-1。每處理重復(fù)3次。

1.3 模型應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理

1.3.1 模型簡介

計(jì)算分配到碳同化和光呼吸光合電子流的模型[28]。

（1）光合電子傳遞活性：通過PSⅡ的非環(huán)式光合總電子傳遞速率：JF=ΦPSⅡ×I×a×f=rETR；

參與光呼吸的電子流：Jo=2/3[JF-4（Pn+Rd）]；參與碳還原的電子流：Jc=1/3[JF+8（Pn+Rd）]；PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率：ΦPSⅡ=（Fm′-Fs）/Fm′。

（2）Rubisco 的氧化速率（Vo）和羧化速率（Vc）：JF=4Vc+6Vo，Vc=Pn+Rd+0.5Vo。

其中ΦPSⅡ?yàn)閷?shí)際光化學(xué)量子效率；I 為入射葉面光強(qiáng)；a 為葉片的光吸收系數(shù)；f 為光能在光系統(tǒng)Ⅱ中所占比；rETR 為光電子傳遞相對(duì)速率；Pn為凈光合速率；Rd為暗呼吸速率；Fm′為光下最大熒光；Fs為光下穩(wěn)態(tài)熒光。

1.3.2 熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算

熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及計(jì)算方法見表1。

表1 葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 Parameters of fluorescence transient

1.3.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0 進(jìn)行方差分析，采用LSD 法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，顯著性檢驗(yàn)在0.05的水平下進(jìn)行，并運(yùn)用Office 2003制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)光合電子傳遞活性的影響

在營養(yǎng)生長期，參與光呼吸的非環(huán)式電子流傳遞速率Jo 在UV-B 處理下，T2 對(duì)Jo 的抑制雖然大于T1，但降低趨勢(shì)不顯著。參與碳還原的非環(huán)式電子流傳遞速率Jc，在T1 處理下只有移栽后60 d 表現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)，較CK下降了9.44%，但在T2處理下移栽后20 d 降低13.64%，移栽后40 d 下降了10.54%，60 d 時(shí)降低了18.3%，整個(gè)營養(yǎng)生長期都呈現(xiàn)出高劑量UV-B輻射下的Jc明顯小于CK的趨勢(shì)，說明UV-B增強(qiáng)抑制了光合電子向光化學(xué)方向的傳遞。參與光呼吸的電子流比例Jo/JF，在T1 處理下移栽后60 d 較CK增加了3.52%，在T2 處理下移栽后40 d 和60 d 較CK分別增加了3.41%和7.16%，說明營養(yǎng)生長期隨著UV-B 輻射的增強(qiáng)，總電子流參與光呼吸的比例也增大。光呼吸和碳還原方向的光合電子分配比例Jo/Jc在營養(yǎng)生長期隨UV-B輻射增強(qiáng)呈增加的趨勢(shì)，在T1處理下移栽后60 d增加了8.42%，在T2處理下均呈增加趨勢(shì)，且在移栽后60 d 增加了19.78%，增幅最大，說明UV-B 輻射增強(qiáng)隨著輻射時(shí)間增加，光合電子的光呼吸消耗增加，碳還原過程被減弱。

圖2 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)粳稻Jo、Jc、Jo/JF、Jo/Jc的影響Figure 2 Effects of enhanced UV-B radiation on Jo,Jc,Jo/JF,Jo/Jc in Japonica rice

2.2 UV-B 輻射增強(qiáng)對(duì)Rubisco 氧化速率和羧化速率的影響

Rubisco氧化速率Vo在營養(yǎng)生長期UV-B處理下變化趨勢(shì)不顯著。Rubisco羧化速率Vc，在T1處理下移栽后60 d 較CK 顯著降低了19.49%，T2 與CK 在第20、40、60 d 均達(dá)到顯著差異（P＜0.05），分別下降了10.74%、19.55%和31.17%，說明隨著UV-B 輻射的增強(qiáng)，光合電子進(jìn)入Rubisco羧化反應(yīng)受到了抑制，羧化傳遞速率顯著降低。專一因子用Vo/Vc 表示，即葉片Rubisco 氧化速率/羧化速率，在營養(yǎng)生長期，T1 處理下移栽后60 d 較CK 顯著增加了20.3%，T2 處理下移栽后40 d 和60 d 較CK 分別顯著增加了34.21%和48.02%。

2.3 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的影響

OJIP 曲線一般分為O、J、I、P 四相特征點(diǎn)位，分別表示10～50 μs、2 ms、30 ms、0.3～2 s時(shí)的熒光。由圖4可以看出：移栽后20 d（圖4A），CK 和處理組相比在整個(gè)階段均表現(xiàn)出一些差異，而在移栽后40 d（圖4B）和60 d（圖4C）影響較小；移栽20 d 后J-I 階段表現(xiàn)出明顯的CK＞T1＞T2，說明高劑量UV-B 輻射降低了快還原型PQ 庫數(shù)量，其他階段沒有表現(xiàn)出明顯特征；在I-P 段，移栽后20 d 和60 d 表現(xiàn)出明顯的CK 大于處理組，說明UV-B 輻射抑制了慢還原型PQ 庫的還原，而P點(diǎn)（0.3～2 s間的峰值）呈現(xiàn)最明顯的變化出現(xiàn)在移栽后60 d，此時(shí)CK明顯大于處理組，說明即使在短暫的UV-B 輻射下P 點(diǎn)沒有明顯變化，但是隨著時(shí)間推移，最終會(huì)降低熒光產(chǎn)量。

2.4 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

隨UV-B 輻射的增強(qiáng)，F(xiàn)v/Fm 在移栽期后的40、60 d均呈減小趨勢(shì)，且CK大于處理組，移栽后20 d變化不顯著；移栽后40 d和60 d均顯著降低（圖5A），說明UV-B 輻射的增強(qiáng)能夠降低粳稻原初光能轉(zhuǎn)換效率。隨著UV-B 輻射增強(qiáng)，qP 在T2 處理下移栽20 d后顯著降低了8.98%（圖5B），但在移栽后40 和60 d沒有顯著降低。

隨UV-B 輻射的增強(qiáng)，在T2 處理下移栽后40 d和60 d NPQ 極顯著增加了56.13%和48.8%（圖5C），說明UV-B 輻射的增強(qiáng)，抑制了粳稻光化猝滅，促進(jìn)了非光化猝滅作用。隨UV-B 輻射的增強(qiáng)，T2 處理下3 個(gè)測(cè)定時(shí)期的rETR 均顯著降低（圖5D），呈現(xiàn)出CK＞T1＞T2 的趨勢(shì)。移栽后20 d，T1、T2 分別降低了3.77%和4.53%；移栽后40 d T2處理降低了8.76%；移栽后60 d，兩處理分別降低了4.32%和9.4%，說明UV-B 輻射越強(qiáng)，光合電子傳遞的相對(duì)速率越低，T2對(duì)于rETR的抑制作用大于T1。

圖3 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)粳稻Vo、Vc、Vo/Vc的影響Figure 3 Effects of enhanced UV-B radiation on Vo,Vc,Vo/Vc in Japonica rice

3 討論

光合電子流是C 同化的動(dòng)力來源，也是光合能力的基礎(chǔ)[28]。本試驗(yàn)采用的粳稻為C3植物，在C3植物中，光呼吸是非環(huán)式光合電子流分配的主要途徑，同時(shí)也是重要的C 代謝途徑之一[29]，光合電子流分配是植物光合系統(tǒng)的重要部分[30]，提高C3植物的光合效率，減少光合產(chǎn)物消耗的主要影響因素是光呼吸活性，通過對(duì)各類環(huán)境中各種植物的光合電子流傳遞分配規(guī)律的探索有助于詮釋光合機(jī)理與傳遞模式[31]。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，通過增設(shè)UV-B 輻射，探討分析了粳稻營養(yǎng)期葉片的光合電子流分配規(guī)律。杜清潔等[32]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，番茄葉片在受干旱與亞低溫共同脅迫下PSⅡ總電子流及流向各庫的電子流均下降，包括光合碳同化的電子流占總電子流比例，此外其他部位電子流比例均上升，且分配給光呼吸的電子流比例增幅最大，表明受到脅迫時(shí)光呼吸可作為主要的電子流庫，耗散過剩光能。這與本試驗(yàn)得出的結(jié)論一致，在本試驗(yàn)中，Jc 降低，但Jo/Jc 增加，表明UV-B 抑制了營養(yǎng)時(shí)期非環(huán)式光合電子流參與碳還原的比例，而增加了光呼吸電子流占比，同時(shí)Vc降低，專一因子Vo/Vc 卻有所增長，表明對(duì)向羧化方向傳遞的光合電子有抑制作用。

葉子飄等[33]和薛嫻等[34]在植物光合原初反應(yīng)過程中發(fā)現(xiàn)，光合電子流是經(jīng)捕光色素分子采集光能后，在PSI和PSⅡ之間傳遞所產(chǎn)生的電荷形成的電子匯集而成。這些電子經(jīng)由電子受體流轉(zhuǎn)，最終被傳遞到NADPH 和ATP 中，此時(shí)在為碳同化和光呼吸提供能量的同時(shí)完成了光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。余小龍等[35]認(rèn)為細(xì)葉青岡的葉綠體PSⅡ反應(yīng)中心如果受到損傷，從PSⅡ反應(yīng)中心到QA、QB和PQ 的電子轉(zhuǎn)移會(huì)受到一定的限制，進(jìn)而影響反應(yīng)中心色素的激發(fā)能轉(zhuǎn)移。本試驗(yàn)中，在UV-B處理20 d后降低了Pheo將電子傳給QA，QA-傳遞給QB的過程，即快還原型PQ 庫的數(shù)量。李曉科等[36]認(rèn)為光合速率下降的原因可能是高強(qiáng)度的UV-B 輻射導(dǎo)致大麥幼苗葉片葉綠素遭到破壞致使含量降低，并且光合酶如PEP 羧化酶、RuBP羧化酶活性下降，光系統(tǒng)受到影響，特別是捕光色素，最終使葉綠體吸收的光能降低。

張玉紅等[37]和李雪瑩等[38]在研究中發(fā)現(xiàn)，被測(cè)作物原初光能捕獲效率及光合電子傳遞效率光化猝滅系數(shù)等受UV-B 脅迫后顯著降低，這與本試驗(yàn)中3 個(gè)測(cè)定時(shí)期Fv/Fm、rETR、qP 均與UV-B 強(qiáng)度的增大而呈負(fù)相關(guān)結(jié)論一致。祁虹等[39]在研究棉花時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著UV-B 輻射增強(qiáng)，葉片中NPQ 與之呈正相關(guān)增強(qiáng)，這與本研究結(jié)論一致，在本試驗(yàn)中3 個(gè)測(cè)定時(shí)期NPQ都隨UV-B輻射的增強(qiáng)而增少，表明PSⅡ反應(yīng)中心受損，光化學(xué)效率降低，用于光合作用的激發(fā)能比例降低，NPQ的提高反映出一種自我保護(hù)機(jī)制。

4 結(jié)論

在營養(yǎng)生長期UV-B 輻射增加總體上會(huì)增加葉片的光呼吸耗能，降低葉片對(duì)光的利用能力，進(jìn)而影響植株粳稻光合性能。

（1）在營養(yǎng)生長期UV-B 增強(qiáng)總體上對(duì)光合電子的Rubisco 氧化速率起到了推進(jìn)作用，光合電子進(jìn)入Rubisco 羧化反應(yīng)受到抑制，同時(shí)專一因子Vo/Vc 也呈上升趨勢(shì)，說明UV-B 輻射的增強(qiáng)迫使Rubisco 氧化反應(yīng)消耗更多的光電子，從而沒有更多光電子用于羧化反應(yīng)。

（2）UV-B 短期處理會(huì)影響OJIP 整個(gè)階段，隨著輻射時(shí)間增加，處理間差距縮小，最后測(cè)量階段熒光產(chǎn)量的明顯降低說明UV-B 輻射最終會(huì)影響營養(yǎng)生長時(shí)期葉片的相對(duì)熒光產(chǎn)量。

圖5 移栽后熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化Figure 5 The changes of basic parameters on fluorescence after transplanting in Japonica rice

（3）UV-B 輻射的增強(qiáng)會(huì)使移栽期后3 個(gè)測(cè)定時(shí)期的Fv/Fm、qP、rETR 減小，但NPQ 升高，說明UV-B輻射的增強(qiáng)，抑制了營養(yǎng)生長期葉片的光化猝滅速度，卻促進(jìn)了非光化猝滅速度，同時(shí)光電子傳遞速率也隨之越低。