王 潔,陳柯伊,金 海,李朝娜,成敏敏,楊海蕓
(浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 311300)
植物常因具有獨(dú)特的葉片斑紋而觀賞價(jià)值倍增。引種于日本的矢竹Pseudosasa japonica是園林綠化中的重要材料[1],變型有花葉矢竹P. japonicaf.akebonosuji和曙筋矢竹P. japonicaf.akebono。前者有3種葉色,白葉、白綠相間條紋葉和白色漸漸復(fù)綠的復(fù)綠葉[2],后者葉色多為放射狀暗條紋的淡綠葉。3種矢竹葉色豐富、稈型挺拔,是研究葉色變異的理想材料。不同葉色會(huì)影響植物光合能力,主要由葉片中色素種類和含量決定。王振興等[3]對(duì)狗棗獼猴桃Actinidia kolomikta彩葉和綠葉研究發(fā)現(xiàn),色素含量是影響葉色的重要因素;吳雪霞等[4]揭示了遮光使得光化學(xué)反應(yīng)的能量在茄子Solanum melongena葉片所吸收的光能中占比逐漸增加,天線色素耗散的能量逐漸減少;銀絲竹Bambusa multiplex‘Silverstripe’不同葉色間的光合色素含量存在顯著差異,隨綠色葉片面積的下降而下降[5]。葉色是各種色素含量的綜合表現(xiàn),通常表現(xiàn)為綠色是因?yàn)槿~綠素含量較高,而其他的色素含量比較低[6]。研究發(fā)現(xiàn):隨著色素累積水平的改變,植物葉色也發(fā)生相應(yīng)變化[7],這種葉色變異與色素類物質(zhì)合成降解、葉綠體發(fā)育等因素密切相關(guān)。張向娜等[8]發(fā)現(xiàn):葉色中葉綠素和類胡蘿卜素對(duì)茶樹(shù)Camellia sinensis光合作用、抗逆性、鮮葉適制性等有重要影響。在可見(jiàn)光波段,水稻Oryza sativa不同葉色的冠層光譜反射率隨著植株生長(zhǎng)而不斷變化,葉綠素含量與一階微分光譜的相關(guān)系數(shù)呈極顯著正相關(guān)[9]。色素也反映了植物的光合能力和生理狀態(tài),光合色素在光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用,能驅(qū)動(dòng)光合作用把光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能[10],載體為光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)。有研究發(fā)現(xiàn):光脅迫下的雜種楊無(wú)性系光化學(xué)能量?jī)?chǔ)存分配到PSⅡ的份額要比分配到PSⅠ的多[11]。本研究以3種矢竹不同葉色葉片為對(duì)象,解析不同葉色葉片反射光譜特性、PSⅡ和PSⅠ特性之間的差異,探索不同葉色竹種光合能力差異,為進(jìn)一步探究葉色變異機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
于2019年6月下旬,在浙江省杭州市浙江農(nóng)林大學(xué)翠竹園進(jìn)行采樣測(cè)定。測(cè)量和取樣位點(diǎn)均為中部。取竹高、葉位及長(zhǎng)勢(shì)一致,生長(zhǎng)健壯的當(dāng)年成竹,枝位第2檔第2片完全展開(kāi)葉。取樣葉包括矢竹的深綠色葉片(green leaf,GL),花葉矢竹正在復(fù)綠葉片(alobino leaf,AL,相對(duì)矢竹復(fù)綠30%,SPAD值為12.5),花葉矢竹條紋葉片(trip leaf,SL。包括白色部分albino sector in leaf with strips,SA;綠色部分green sector in leaf with strips,SG),曙筋矢竹淡綠色葉片(virescent leaf,VL)。
1.2.1 光合色素測(cè)定與計(jì)算 取植株新鮮成熟功能葉片,去葉脈后剪碎混合均勻,稱0.5 g,用體積分?jǐn)?shù)為80%的丙酮溶液25 mL提取葉片葉綠素,靜置48 h,重復(fù)3次。具體操作方法和步驟參照參考文獻(xiàn)[12]。用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-255)對(duì)350~1 000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收值進(jìn)行全光譜掃描。根據(jù)ARNON法[13]修正公式計(jì)算葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)和類胡蘿卜素(Car)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
1.2.2 葉片反射光譜測(cè)定 觀測(cè)儀器為光譜分析儀(UniSpec-SC,美國(guó)),波段為310~1 150 nm,采樣間隔1 nm。每個(gè)處理選取10個(gè)樣株,每個(gè)樣株選取3片葉片,取平均值作為該樣品的光譜反射率。測(cè)量過(guò)程中用白板對(duì)其進(jìn)行校正。用Multispec 5.1讀取反射光譜原始數(shù)據(jù),對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行微分變換一階求導(dǎo),增強(qiáng)葉片反射光譜特征,減少背景噪聲的影響和提高生化參數(shù)的監(jiān)測(cè)效果。Dλi=Rλi+1-Rλi-1/(λi+1-λi-1),其中:Dλi為反射率光譜的一階導(dǎo)數(shù)光譜;Rλi為波長(zhǎng)λi處的光譜反射率值[14-15]。為了進(jìn)一步研究不同葉色矢竹反射光譜與色素、光系統(tǒng)之間的關(guān)系,根據(jù)已有研究,選擇與葉片色素關(guān)系密切的2個(gè)植被指數(shù),即葉綠素歸一化指數(shù)(ChlNDI)[16]和光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)[17]。IChlND=(R750-R705)/(R750+R705);IPR=(R531-R570)/(R531+R570)。其中:IChlND為葉綠素歸一化指數(shù),IPR為光化學(xué)植被指數(shù),Rλ為波長(zhǎng)λ處的光譜反射率。
1.2.3 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力曲線測(cè)定 采用非調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x(Yaxin-1 611)測(cè)定葉片快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù),方法參照STRASSER等[18]。測(cè)量前,葉片暗適應(yīng)15 min,以二極管(465 nm,譜線半寬20 nm)為光源發(fā)出強(qiáng)度為3 000 μmol·m-2·s-1的飽和脈沖光照射葉片,以10 μs (2 ms之前)和1 ms(2 ms之后)的間隔記錄熒光信號(hào),并檢測(cè)激發(fā)的葉綠素?zé)晒?。測(cè)定5 次·株-1,計(jì)算平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤。將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)Vt=(Ft-F0)/(FM-F0) 標(biāo)準(zhǔn)化之后得到快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線[19],快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)得到的參數(shù)反應(yīng)了PSⅡ供體側(cè)、受體側(cè)、反應(yīng)中心等光合機(jī)構(gòu)的特性。
1.2.4 820 nm光吸收值測(cè)定 以4種不同葉色矢竹葉片為材料,測(cè)量和取樣位點(diǎn)均為中部。將葉片經(jīng)過(guò)暗適應(yīng)20 min后利用M-PEA植物效率儀(Hansatech,英國(guó))測(cè)定820 nm的光吸收值,以820 nm相對(duì)吸收值(ΔI/I0)作為衡量PSⅠ最大氧化還原能力的指標(biāo)[20]。計(jì)算公式參照SCHANSKER等[21]。4種矢竹不同葉色葉片重復(fù)測(cè)定5次,計(jì)算平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤。
采用Excel 2019整理、計(jì)算數(shù)據(jù),用SPSS 22.0和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較,用Origin 9.0、SigmaPlot及Photoshop CS5作圖。
對(duì)同一發(fā)展期的葉片調(diào)查發(fā)現(xiàn):不同種矢竹葉片顏色差異較大(圖1)?;ㄈ~矢竹的葉色會(huì)出現(xiàn)白葉(AL)和具綠色條紋的花葉(SL),其中白葉能逐漸復(fù)綠,但是綠度小且泛黃;曙筋矢竹葉片(VL)為淡綠色;矢竹葉片(GL)呈深綠色。
圖1 不同葉色矢竹葉片F(xiàn)igure 1 Leaf color observation
由表1可知:AL中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低,與其他葉片差異極顯著(P<0.05)。GL的葉綠素a 、葉綠素b 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最高,葉綠素a較VL高29.8%,較SL高8.8%;葉綠素b較VL高25.1%,較SL高7.6%;類胡蘿卜素較VL高20.1%,較SL低11.4%;而SG與VL的差異不顯著(P>0.05)。AL的Chl a/b、Car/Chl均為最高,顯著高于其他3種葉片;其中SA為葉片白色部分,未測(cè)出光合色素。
表1 不同葉色矢竹光合色素差異Table 1 Difference of photosynthetic pigment content in different colors’ leaves of P. japonica
2.2.1 反射光譜及其一階導(dǎo)數(shù) 除AL外,其他的反射光譜曲線均具有典型的綠色植被反射光譜特征,在500與670 nm左右的位置有2個(gè)低反射區(qū)。不同葉片反射光譜的反射率在藍(lán)光區(qū)(430~470 nm)、綠光區(qū)(500~560 nm)不同,SA在綠光區(qū)明顯高于SG、VL、GL,在556 nm 處達(dá)最高值,為0.385,比VL、SG和GL分別高8.0%、46.7%和51.2%;GL在近紅外區(qū)(780~1 000 nm)最高,達(dá)0.600,其他葉片趨于一致(圖2A)。由一階導(dǎo)數(shù)(圖2B)可以看出,除AL外,其他葉片在綠光區(qū)(550~560 nm)和紅光區(qū)(650~760 nm)均出現(xiàn)最大峰值,黃光區(qū)(560~600 nm)出現(xiàn)最小峰值。
圖2 葉片反射光譜曲線(A)和一階導(dǎo)數(shù)曲線(B)Figure 2 Leaf reflectance curve (A) and first derivative curve (B)
2.2.2 植被指數(shù) 圖3所示:不同葉色矢竹葉片的葉綠素歸一化指數(shù)、光化學(xué)植被指數(shù)變化趨勢(shì)一致,從大到小依次為GL、SG、VL、SA、AL。GL(0.420)與SG(0.350)葉綠素歸一化指數(shù)無(wú)顯著差異,但顯著(P<0.05)高于其他葉片,AL的2種植被指數(shù)值均為最低,分別為0.180和0.165。
圖3 植被指數(shù)Figure 3 Spectral reflectance indices
2.3.1 最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和葉片性能指數(shù)(PIABS)的變化 由圖4可以看出:GL的Fv/Fm為0.80,SG和VL的Fv/Fm降低為0.72和0.75,說(shuō)明它們反應(yīng)中心的活性有所下降。而AL顯著(P<0.05)低于其他葉片,僅為0.32。GL的Fv/Fm顯著(P<0.05)高于AL和SG,VL的Fv/Fm占GL的94%。說(shuō)明反應(yīng)中心活性從大到小依次為GL、VL、SG、AL。葉片光化學(xué)性能指數(shù)PIABS可以更為準(zhǔn)確地反映植物光合機(jī)構(gòu)的狀態(tài)[22]。其中:ψP0為暗適應(yīng)后的最大光化學(xué)效率,ψ0為反應(yīng)中心捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中QA-下游電子受體的概率。SG與VL的PIABS差異不顯著(P>0.05),但都與GL差異顯著(P<0.05),分別為GL的46.2%與42.1%。AL的PIABS最低,為0.32。VL與GL的Fv/Fm無(wú)顯著差異(P>0.05),PIABS存在顯著差異(P<0.05),GL較VL高56.3%。
圖4 Fv/Fm和PIABS的比較Figure 4 Concentration on the Fv/Fm and PIABS
2.3.2 葉綠素?zé)晒夤拯c(diǎn)的變化及誘導(dǎo)曲線 如圖5A所示:AL的初始熒光(F0)最大,SG的F0最小,說(shuō)明AL的反應(yīng)中心發(fā)生可逆性失活,SG的反應(yīng)中心活性或類囊體的完整性均大于其他葉片。2 ms時(shí)的熒光強(qiáng)度(FJ)和30 ms時(shí)的熒光強(qiáng)度(FI)、最大熒光產(chǎn)量(FP=Fm)均表現(xiàn)為AL大于其他葉片,SG均小于其他葉片。SA為花葉矢竹條紋葉(SL)中的白色部分,未檢測(cè)出相關(guān)數(shù)據(jù)。GL和VL的熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(OJIP曲線)差異不大,在O、J、I點(diǎn)近乎相同,大于SG且小于AL。將OJIP曲線雙重歸一化后得到快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(圖5B),3個(gè)竹種的不同葉色葉片均存在O、J、I、P點(diǎn),說(shuō)明光合電子鏈仍然能夠有效運(yùn)轉(zhuǎn)。J點(diǎn)和I點(diǎn)主要反映PSⅡ受體側(cè)活性。VL的曲線與GL沒(méi)有重合,在J點(diǎn)處明顯分開(kāi)。J點(diǎn)出現(xiàn)是由于電子傳遞時(shí)間差而還原態(tài)質(zhì)體醌A(QA-)大量累積導(dǎo)致的熒光迅速上升,說(shuō)明VL累積的QA-最多。I點(diǎn)與P點(diǎn)一致,從大到小依次為VL、AL和SG、GL,當(dāng)達(dá)到P點(diǎn)時(shí),說(shuō)明PSⅡ完全關(guān)閉,熒光產(chǎn)量最高。
圖5 不同葉色葉片的OJIP熒光曲線(A)與相對(duì)可變熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化(B)Figure 5 Changes of OJIP fluorescence curves (A) and relative variable fluorescence intensity (B) of different colors’ leaves
2.3.3 不同葉色矢竹PSⅠ性能差異 由圖6可以看出:各葉片在t時(shí)的820 nm相對(duì)吸收值(It)呈“V”型變化,且SG、VL、GL變化趨勢(shì)相同。在16 ms時(shí),各葉片的820 nm相對(duì)光吸收值達(dá)到最低點(diǎn),1~16 ms,各葉片的820 nm相對(duì)吸收值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且下降速度從大到小依次為SG、VL、GL、AL、SA。180 ms時(shí),820 nm相對(duì)光吸收值達(dá)到最大值,從大到小依次為SG、VL、GL、SA、AL。16~180 ms,各葉片的820 nm相對(duì)吸收值整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。由圖7可以看出:GL的ΔI/I0最大,且與其他葉片差異顯著(P<0.05),SA的ΔI/I0最低,AL與SA的ΔI/I0差異不顯著(P>0.05),與其他葉片差異顯著(P<0.05)。PSⅠ最大氧化還原能力從大到小依次為GL、VL、SG、AL、SA?;ㄈ~矢竹條紋葉白色部分(SA)復(fù)綠之后(AL)ΔI/I0上升,說(shuō)明PSⅠ活性上升。
圖6 不同葉色葉片820 nm相對(duì)吸收值變化Figure 6 Changes in relative absorption values of PSI 820 nm of different color leaves
圖7 不同葉色葉片PSⅠ最大氧化還原能力ΔI/I0的差異Figure 7 PSI maximum ability of oxido-reduction △I/I0 of different color leaves
2.3.4 不同葉色矢竹能量傳遞效率及單位反應(yīng)中心性能變化 如圖8所示:在能量傳遞效率方面,捕獲的光量子進(jìn)入電子傳遞的效率(Ψ0)和吸收的光能進(jìn)入電子傳遞的效率(φE0)的趨勢(shì)一致,均從大到小依次為AL、SG、VL、SG,且AL與其他葉片差異顯著(P<0.05)。在單位反應(yīng)中心的性能方面,不同葉片的反應(yīng)中心吸收光能(ABS/RC)、PSⅡ的最大捕獲量(TRO/RC)、用于電子傳遞的能量(ETO/RC)、單位反應(yīng)中心的熱耗散(DIO/RC)這4個(gè)代表單位反應(yīng)中心的性能的參數(shù)趨勢(shì)較為一致。ABS/RC從大到小依次為AL(8.13)、SG(2.97)、VL(2.38)、GL(1.96)。AL吸收的光能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他葉片,還原QA的能量及用于電子傳遞的能量最高。但是GL的單位面積反應(yīng)中心(RC/CSO)的數(shù)量最多,SG的RC/CSO數(shù)量為最少。
圖8 快速熒光特征參數(shù)Figure 8 Characteristics of fluorescence transient
相關(guān)分析表明(表2):矢竹類葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與葉綠素歸一化指數(shù)(ChlNDI)、光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)都顯著正相關(guān)(P<0.05)。且葉綠素a、葉綠素b與ChlNDI、PRI呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。ChlNDI和吸收的光能進(jìn)入電子傳遞的效率(φEo)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與Fv/Fm、PIABS顯著正相關(guān)(P<0.05);但PRI與PIABS相關(guān)性不顯著(P>0.05),PRI與Fv/Fm、φEo為顯著(P<0.05)相關(guān)。
表2 葉片 ChlNDI和 PRI與色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Fv/Fm、PIABS、φE0 的相關(guān)性Table 2 Correlation between reflectance spectrum parameters and pigment contents
不同葉色變異現(xiàn)象與光合色素含量的差異有關(guān)。在高等植物中, 決定葉片顏色的色素主要有葉綠素、類胡蘿卜素和花青素等[23]。季鵬章等[24]研究發(fā)現(xiàn):茶樹(shù)紫色變異品種‘紫娟’Camellia sinensisvar.assamica葉綠素含量隨著葉片的成熟度增加呈上升趨勢(shì)。WANG等[25]發(fā)現(xiàn):黃色變異茶樹(shù)‘中黃2號(hào)’C. sinensis‘Zhonghuang 2’的葉綠素和類胡蘿卜素含量顯著低于正常綠色品種‘龍井43’C.sinensis‘Longjing 43’。本研究中,不同葉色矢竹葉片的光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異,導(dǎo)致葉色變異。3種矢竹不同葉色葉片的光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不同,矢竹葉片GL葉綠素和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他葉片;AL的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不到0.5 mg·g-1,顯著低于其他葉片,所以葉色主要呈白色。
植物色素是植物體內(nèi)主要吸收光能的物質(zhì),且植物葉片色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與光譜參數(shù)也有著緊密的聯(lián)系[26]。葉綠素參與吸收和傳遞光能、光化學(xué)反應(yīng),在光合作用中起著非常重要的作用。且葉綠素a是構(gòu)成反應(yīng)中心的重要組分,葉綠素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響反應(yīng)中心的數(shù)量[27-29]。反射光譜特征能反映光合能力。本研究中,色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異導(dǎo)致矢竹不同葉色葉片光譜曲線也存在較大差異。不同綠度葉片的反射光譜曲線整體變化趨勢(shì)一致,且相同波長(zhǎng)下反射率差異較大,而花葉矢竹白葉(AL)反射光譜無(wú)典型的綠色植被光譜曲線特征,表明白葉復(fù)綠過(guò)程中光能吸收存在異常。矢竹葉片的葉綠素及類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與葉綠素歸一化指數(shù)(ChlNDI)、光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)都存在顯著相關(guān)性,說(shuō)明光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響反應(yīng)中心數(shù)量,進(jìn)而影響葉綠素歸一化指數(shù)和光化學(xué)反射指數(shù)特征參數(shù)。
不同葉色葉片PSⅠ、PSⅡ之間的活性存在差異且相互作用,葉綠素缺乏會(huì)影響PSⅡ活性反應(yīng)中心和PSⅡ天線的合成[30]。當(dāng)吸收、轉(zhuǎn)化的光能在PSⅠ和PSⅡ間達(dá)到平衡時(shí),植物的光化學(xué)效率和光化學(xué)活性才能達(dá)到最大;光合作用電子傳遞是由PSⅠ和PSⅡ協(xié)調(diào)作用共同完成的,PSⅠ或PSⅡ受到傷害,都會(huì)導(dǎo)致光合能力下降[31]。不同葉色矢竹葉片均具有葉綠素?zé)晒馇€動(dòng)力學(xué)活性。但PSⅡ反應(yīng)中心開(kāi)放降低程度差異顯著(P<0.05),花葉矢竹的復(fù)綠葉和淡綠葉顯著(P<0.05)低于矢竹,且能量用于電子傳遞份額變?。沪/I0是作為衡量PSⅠ最大氧化還原能力的指標(biāo),ΔI/I0越高說(shuō)明其最大氧化還原能力越強(qiáng)[20]。不同葉片間參數(shù)ΔI/I0的變化,表明了PSⅠ的氧化還原能力存在顯著差異,PSⅠ 抑制會(huì)限制PSⅡ向受體側(cè)的電子傳遞,導(dǎo)致PSⅡ的受體側(cè)電子傳遞鏈?zhǔn)軗p,PSⅡ反應(yīng)中心發(fā)生可逆性失活。葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的AL葉片最大光化學(xué)效率Fv/Fm和葉片性能指數(shù)PIABS均為最低,PSⅡ反應(yīng)中心活性最低,植物光合機(jī)構(gòu)狀態(tài)未恢復(fù),充分表明PSⅡ活性最弱。這些結(jié)果表明:矢竹葉片隨著相對(duì)葉綠素的減少會(huì)降低光能的吸收,而花葉矢竹白葉色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低可能與葉色變異有關(guān)?;ㄈ~矢竹條紋葉片反應(yīng)中心較少,但仍具有較好的PSⅡ活性和葉綠素水平,這可能與葉色變異有密切關(guān)系。
綜上所述,不同葉色矢竹葉片均具有典型的反射光譜特征,但是不同葉色葉片間光譜特征與光系統(tǒng)特性存在差異,這與葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化有直接的關(guān)系。葉綠素減少會(huì)大大降低光能的吸收,而光抑制會(huì)限制PSⅡ向受體側(cè)的電子傳遞,電子傳遞鏈?zhǔn)軗p,反應(yīng)中心失活。花葉矢竹條紋葉片反應(yīng)中心數(shù)量較少,但仍具有較好的PSⅡ活性和葉綠素水平,維持較好的光合能力。