胡文海 閆小紅 李曉紅 曹灶桂

（1. 井岡山大學生命科學學院，吉安 343009；2. 江西省生物多樣性與生態(tài)工程重點實驗室，吉安 343009）

干旱是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中影響最大的氣候災害，嚴重影響作物的生長發(fā)育［1］。植物光合作用極易受到環(huán)境脅迫的影響，干旱引起氣孔關閉和Calvin循環(huán)中關鍵酶活性的降低，從而限制了光合碳同化的進行，導致光合電子傳遞鏈的過度還原和過剩激發(fā)能的產(chǎn)生，造成植物光抑制甚至光合機構的破壞［2～3］。

快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP 曲線）反映了PSⅡ的原初光化學反應及光合機構的結構和狀態(tài)等變化［4～5］?？焖偃~綠素熒光誘導動力學分析（JIP-test）是以生物膜能量流動為基礎建立的分析方法，通過JIP-test 分析能夠獲得環(huán)境條件對光合機構主要是PSⅡ供體側、受體側和PSⅡ反應中心的影響［5］。研究表明，干旱脅迫導致小麥葉片OJIP 曲線發(fā)生變化，造成PSⅡ反應中心失活，PSⅡ受體側QA傳遞電子的能力和質體醌（PQ）庫接受電子的能力下降；同時反應中心熱耗散能力得到促進，對電子傳遞鏈起到一定的保護作用［6］。干旱脅迫也導致沙棗和孩兒拳頭PSⅡ反應中心［7］，白榆放氧復合體［8］受到一定程度的破壞。

油菜素內(nèi)酯（Brassinosteroids，BRs）可以提高作物對各種生物和非生物脅迫的抗性，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應用［9］。已有的研究表明，BRs能夠改善干旱脅迫下辣椒葉片的光合碳同化和PSⅡ光化學反應，并促進PSⅡ天線色素熱耗散能力的增強以緩解干旱光抑制對光合機構的傷害［10］。但是利用快速葉綠素熒光誘導動力學技術，探究BRs 對PSⅡ反應中心以及光合電子傳遞鏈的影響仍較少。本研究以辣椒為材料，研究外源BRs對干旱脅迫下辣椒葉片快速葉綠素熒光誘導動力學特性的影響，探討B(tài)Rs提高作物耐旱性的光合生理機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和處理

供試辣椒材料為超辣9 號（Capsicum annuum L.cv Chaola No.9）。將辣椒種子播種于裝有草碳土的30 cm×30 cm 塑料花盆中，置于連棟大棚中培養(yǎng)，澆灌園試營養(yǎng)液進行水肥管理。植株長至20～25 葉時，選取長勢基本一致的植株移入含500 mL園試營養(yǎng)液的培養(yǎng)容器中培養(yǎng)，適應7 d 后進行處理。實驗期間溫度范圍為18～28℃，最大光照強度約600 μmol·m-2·s-1。

采用0.1 μmol·L-1的24-表油菜素內(nèi)酯（EBR，Sigma 公司）對植株葉片上下均勻噴施進行BRs 處理，采用15%的PEG6000 模擬干旱脅迫。試驗共設4 處理：①對照處理（CK）：葉片噴施清水，培養(yǎng)在園試營養(yǎng)液中；②EBR 處理（EBR）：葉片噴施0.1 μmol·L-1的EBR，培養(yǎng)在園試營養(yǎng)液中；③模擬干旱處理（D）：葉片噴施清水，培養(yǎng)在PEG6000 濃度為15%的園試營養(yǎng)液中；④模擬干旱和EBR 協(xié)同處理（D+EBR）：葉片噴施0.1 μmol·L-1的EBR，培養(yǎng)在PEG6000濃度為15%的園試營養(yǎng)液中。處理第4天選擇成熟葉進行OJIP曲線測定。

1.2 測定項目和方法

1.2.1葉片相對含水量測定

植株葉片相對含水量（LRWC）的測定：先稱取葉片鮮重（Mf），然后將葉片完全浸泡在蒸餾水中并置于黑暗中12 h 后稱取飽和鮮量（Mt），再將葉片置于烘箱中110℃殺青1 h 后再80℃下48 h 烘干至恒重，稱取其干重（Md），并計算葉片相對含水量：

1.2.2 OJIP曲線測定與JIP-test參數(shù)計算

采用便攜式植物效率儀Handy-PEA（Hansat?ech，英國）測定葉片OJIP 曲線。葉片充分暗適應30 min后測定，OJIP曲線由1 500 μmol·m-2·s-1紅光誘導，測定時間為1 s。JIP-test 參數(shù)的計算方法參見李鵬民等［5］和van Heerden 等［11］文獻，相關參數(shù)及其含義見表1。參照蘇曉瓊等［12］的方法計算相對可變熒光（ΔVt）：

式中：ΔK-、ΔJ-和ΔI-band 分別為在300 μs、2 ms和30 ms處測定的ΔVt。

表1 JIP測定分析所用的參數(shù)和公式Table 1 Parameters and formulae used in JIP-test anal?ysis

1.2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

利用SPSS11.5 數(shù)據(jù)分析軟件進行實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計檢驗。采用one-way ANVOA 最小顯著性差異（LSD）檢驗，在P<0.05 水平上進行分析。數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤差，圖表中不同字母表示在5%水平上處理間具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 對葉片相對含水量和光合性能的影響

干旱處理4d 導致葉片相對含水量大幅下降，施用EBR 對不同處理下葉片相對含水量沒有影響；相比對照而言，干旱處理顯著降低了辣椒葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo和PIABS，EBR 處理則有效緩解了干旱脅迫所引起的這些參數(shù)的下降，而正常水分條件下噴施EBR 對辣椒葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo和PIABS差異不顯著（P>0.05）（見表2）。

表2 EBR對干旱脅迫下辣椒葉片相對含水量和光合性能的影響Table 2 Effect of EBR on LRWC and photosynthetic per?formance in leaves of pepper under drought stress

2.2 對葉片OJIP曲線的影響

與對照相比較，干旱處理導致OJIP 曲線發(fā)生變形，Ⅰ相（30 ms）和P 相（最大熒光）大幅下降；EBR處理可使干旱脅迫下OJIP曲線部分恢復到對照線型，而正常水分條件下噴施EBR 對OJIP 曲線影響不明顯（見圖1A）。將OJIP 曲線標準化后，可以看出EBR 明顯緩解了干旱脅迫下ΔK-band 和ΔJ-band的增高，而正常水分條件下EBR 處理則對ΔK-band、ΔJ-band 和ΔI-band 沒有明顯影響（見圖1B）。干旱脅迫下，EBR 處理并未減輕Fo增加，但緩解了Fm的下降；正常水分下EBR 處理則對Fo和Fm未產(chǎn)生影響（見圖2）。

2.3 對PSⅡ受體側的影響

與對照相比，干旱導致Mo和VJ增加，降低了Sm、ψo、φEo和φRo，對VI雖有促進但未產(chǎn)生顯著影響；EBR 處理緩解了干旱脅迫下ψo的降低，對其他參數(shù)雖有改善但與干旱處理間差異不顯著（P>0.05）。而正常水分處理下EBR 處理未引起這些參數(shù)的明顯變化（見表3）。

2.4 對比活性參數(shù)的影響

由表4 可知，與對照相比較，干旱處理降低了RC/CS、ABS/CS、TRo/CS 和ETo/RC，增加了DIo/CS；EBR 處理則緩解了干旱脅迫下RC/CS、ABS/CS、TRo/CS 和ETo/CS 的降低，但DIo/CS 仍保持與干旱處理相同的程度。然而，干旱促進了ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC 的增加，分別比對照增加了22.1%、10.3%和62.7%，但并未影響ETo/RC；EBR 處理對干旱脅迫下TRo/RC 的增加略有緩解外，其他參數(shù)均與干旱處理無顯著差異。正常水分處理下EBR處理未引起這些參數(shù)的明顯變化。

表3 EBR對干旱脅迫下辣椒葉片Mo、VJ、VI、Sm、ψo、φEo和φRo的影響Table 3 Effect of BR on Mo，VJ，VI，Sm，ψo，φEoand φRo in leaves of pepper under drought stress

表4 EBR對干旱脅迫下辣椒葉片比活性參數(shù)的影響Table 4 Effect of EBR on specific energy fluxes in leaves of pepper under drought stress

3 討論

光合作用是對逆境最為敏感的生理過程之一。逆境脅迫下當光合機構吸收的光能超過其所能利用的數(shù)量時，過剩光能引起光合活性降低，導致光抑制發(fā)生，通常植物光抑制程度用Fv/Fm表示［13］。利用快速葉綠素熒光誘導動力學技術獲得的光合性能指數(shù)（PIABS）對某些脅迫的敏感性高于Fv/Fm，能更好地反映脅迫對光合機構的影響［5，11］。我們的實驗結果表明，干旱處理導致了辣椒葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo和PIABS的下降，而EBR 處理則有效緩解了這些參數(shù)的下降，這說明干旱脅迫降低了辣椒葉片的光化學效率和光合性能，EBR 處理對干旱脅迫下辣椒葉片光合機構和光合性能具有保護作用，減輕了干旱光抑制程度。

快速葉綠素熒光誘導動力學曲線包含了大量關于PSⅡ反應中心原初光化學反應信息，通過對曲線的分析可以深入了解環(huán)境條件對光合機構，主要是PS Ⅱ供體側、受體側和反應中心的影響［4～5，14］。OJIP 曲線中J 相反映了QA-的第一次瞬間最大積累，J 相熒光上升意味著PSⅡ受體側QA到QB間的電子傳遞受阻［15～16］。如果在OJIP 曲線上升至J相前出現(xiàn)K點，則反映了PSⅡ供體側放氧復合體（OEC）受到損傷［17］。本實驗結果表明，EBR 處理可有效緩解干旱脅迫下辣椒葉片ΔK-band 和ΔJ-band 的上升，這說明干旱脅迫既損傷了辣椒葉片PSⅡ供體側OEC，同時也抑制了受體側的電子傳遞，而EBR 處理對PSⅡ供體側和受體側均起到了保護作用［12，18］。

我們的實驗結果還表明，F(xiàn)v/Fm的下降主要是由于干旱脅迫導致Fo的增加和Fm的下降所致，這表明干旱脅迫對辣椒葉片PSⅡ反應中心和受體側均造成傷害，電子傳遞能力明顯下降［12，19］。有研究表明干旱脅迫導致抗旱性弱的小麥品種PSⅡ反應中心失活，使得天線色素吸收的光能向PSⅡ的傳遞減少［6］。VJ和VI反映了在J 點和I 點關閉的反應中心數(shù)量，即QA-的積累量［6］。其中VJ增高是PSⅡ受體側QA向次級醌受體QB電子傳遞受阻的特異性標志，VI增高則表明PQ 庫接受電子的能力下降［4，20］。干旱脅迫導致小麥PSⅡ受體側QA向次級醌受體QB 電子傳遞受阻，同時也降低了質體醌PQ 庫接受電子的能力［6］。我們的結果則表現(xiàn)為干旱處理導致VJ的增加，說明PSⅡ受體側QA向QB電子傳遞受阻；然而干旱處理并未對VI造成影響，說明干旱并未影響到質體醌PQ 庫接受電子的能力。這一結果與原佳樂等［6］在小麥干旱中的研究結果不一致，這可能與干旱處理程度和作物種類有關。進一步分析顯示，干旱處理降低了ψo、Sm、φEo和φRo，但促進了Mo的上升，這表明干旱脅迫導致有活性的PSⅡ反應中心開放程度和PQ庫容量下降，PSⅡ受體側QA傳遞電子的能力下降。EBR處理促進了干旱脅迫下ψo的恢復，說明EBR 處理改善了干旱脅迫下葉片PSⅡ受體側的電子傳遞。雖然干旱和EBR 協(xié)同處理下辣椒葉片Mo、VJ、φEo和φRo值與干旱脅迫下葉片的值之間沒有顯著差異，但這些參數(shù)比干旱處理植株更接近對照，這表明EBR可能從整體上對干旱脅迫下辣椒葉片PSⅡ受體側的電子傳遞具有改善作用。

正常條件下，PSⅡ反應中心捕獲的光能轉化為激發(fā)能，其中大部分激發(fā)能轉化為化學能推動碳同化，其余部分則以熱的形式耗散掉；然而在逆境脅迫下，PSⅡ反應中心發(fā)生可逆失活，失活的PSⅡ反應中心能夠吸收光能但并不傳遞給電子傳遞鏈［5，16］。王振山等［21］研究表明，干旱脅迫通過干擾山葡萄葉片PSⅡ電子供體側、受體側以及電子傳遞鏈的功能，嚴重傷害了葉片光合機構的正常功能。我們的實驗結果也表明，干旱導致葉片單位葉面積有活性的PSⅡ反應中心數(shù)目（RC/CS）顯著減少，單位葉面積吸收的光能（ABS/CS）明顯降低，這意味著干旱脅迫導致了反應中心的降解或失活，并減少了天線色素對光能的捕獲［22～23］。單位葉面積有活性反應中心數(shù)目的減少近而使得單位葉面積捕獲的光能（TRo/CS）和進行電子傳遞的能量（ETo/CS）下降，同時誘導了熱耗散（DIo/CS）的增加。這說明辣椒遭受干旱脅迫后啟動了相應的防御機制，一方面通過PSⅡ的可逆失活和減少光能吸收以防御光能的過度積累，另一方面通過促進熱耗散途徑減少過剩激發(fā)能的積累［5］。然而，干旱脅迫促進了單位反應中心吸收光能（ABS/RC）、捕獲光能（TRo/RC）和熱耗散（DIo/RC）的增加，這可能是由于干旱使得單位葉面積有活性反應中心數(shù)目下降后的補償反應，剩余的有活性的反應中心效率的提高有利于更好地消耗電子傳遞鏈中的能量［5］。研究表明BRs具有促進植物光合作用，并可緩解逆境脅迫對光合作用的傷害［9，24］。干旱脅迫下EBR 處理緩解了辣椒葉片RC/CS 的減少，以及ABS/CS、TRo/CS和ETo/CS的下降，并且維持較高的DIo/CS。雖然干旱脅迫下EBR 處理減輕了RC/CS的下降，但仍保持了相對較高ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC。這表明EBR 處理對干旱脅迫下PSⅡ反應中心具有保護作用，其原因可能是EBR 促進了光合作用和熱耗散的進行，防止了光合電子傳遞鏈的過度還原，從而對光合電子傳遞鏈和反應中心起到保護作用［10，25］。