毛竹苗期NPQ和ETR特征初步研究

郑波 高志民

(国际竹藤网络中心 国家林业局竹藤科学与技术重点开放实验室 100102 北京)

竹子是重要的森林资源，目前已经成为木材资源的有益补充，在发展区域经济和生态保护中都发挥着重要作用。竹子主要分布在低纬度的热带或亚热带季风气候区，种植区在春、夏、秋季常持续出现高温高光天气，会直接影响竹子的生长，因此,研究光照对竹子光合作用的影响对于提高其对光能的利用效率具有重要意义。

在光合作用过程中，绿色植物利用光能将水和空气中的二氧化碳合成碳水化合物并释放氧气,光合作用是植物光合器官利用光能驱动合成有机化合物的复杂的物理和化学过程。然而，过量的光能会抑制光合作用，降低光合效率，即光抑制，严重时还会造成光合机构的光氧化破坏[1]。为适应复杂多变的光胁迫环境，竹子形成了多种保护机制，其中非光化学猝灭(NPQ)是最为重要的自我保护机制之一，即光合机构通过热耗散将吸收的过剩光能以热的形式耗散掉，从而缓解环境对光合作用的不良影响，对光合结构起一定的保护作用。由于热耗散不是把能量用于光化学反应，所以也被称为非光化学猝灭(NPQ)，NPQ反映了植物耗散过剩光能为热的能力和光保护能力。

研究表明，植物对光强的反应与它在光下通过非光化学猝灭增加耗散过剩光能的能力有密切关联[2]。表观光合电子传递速率（ETR）反映光照条件下的表观电子传递效率, 与植物净光合速率呈显著正相关[3]。ETR还与光合作用中的循环式光合电子传递和抗坏血酸的电子传递过程有关[4]。研究竹子NPQ与ETR的变化规律，对于揭示竹子的光防御机制和光能利用效率具有重要意义。

因此，本研究利用叶绿素荧光仪对毛竹苗期的叶绿素荧光参数NPQ和ETR进行了测定，目的在于揭示竹子光合机构在不同光照强度条件下NPQ和ETR的变化规律,为寻求合理的种苗培育条件提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

通过购买毛竹种子，在本实验室播种于直径为10cm的塑料盆中，以蛭石为培养介质，用1/3 B5培养液培养，培养温度为25℃，光周期为光/暗=16h/8h。6个月的实生苗用于试验。

1.2 实验方法

采用Imaging-PAM(WALZ，德国)测定毛竹实生苗的叶片非光化学猝灭(NPQ)和表观光合电子传递速率（ETR）。将叶片经过黑暗适应12 h后，采用不同的光照强度（0、5、100、200、300 … 1800 μmol.m-2s-1）处理，分别获取叶绿素荧光参数的变化，每个光照强度处理时间为1min。另外，将叶片经过黑暗适应12h后，用低强度的光（200μmol.m-2s-1），进行叶绿素荧光参数变化的测定时（每隔20s测定一次），所有指标测定均重复3次，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 不同光照强度下NPQ和ETR的特征

有研究表明植物体可以通过LHCⅡb的可逆磷酸化过程迁移在光系统Ⅰ与光系统Ⅱ之间，动态分配两个光系统的激发能，当从优先激发光系统Ⅱ转向优先激发光系统Ⅰ时，一个激酶系统活化并磷酸化一部分LHCⅡb，并与光系统Ⅰ结合[5,6]。毛竹叶片经过12h暗适应后，测量其在不同的光照强度下的NPQ，结果表明：随着光照强度的逐渐增加，NPQ也随之呈现上升的趋势（图1）。表明随着光照强度的增加，激发能由光系统Ⅱ向光系统Ⅰ分配比例增加，光系统Ⅱ的荧光逐渐降低，相对NPQ不断增加。

图1 NPQ随光照强度的变化

图2 ETR随光照强度的变化

图3 NPQ随时间的变化

图4 ETR随时间的变化

ETR则呈现先上升，约在600μmol.m-2s-1时达到最大值，即到达光饱和；之后平稳下降，至1100μmol.m-2s-1后迅速下降，当光照强度达到1700μmol.m-2s-1时降至为零，说明电子传递终止（图2），明显抑制毛竹叶片光化学反应启动速率，降低毛竹叶片光能利用率。在低光条件下（＜600μmol.m-2s-1），ETR基本随着光照强度的增大而呈线性增加，但在较强的光照下这种增加变缓并且电子传递能力逐渐达到饱和（600μmol.m-2s-1），光照再增加，ETR开始逐渐下降，从1100μmol.m-2s-1之后迅速下降，至1700μmol.m-2s-1将为零。

2.2 较低光照强度下NPQ和ETR的特征

用低强度的光（200μmol.m-2s-1）处理后，毛竹叶片叶绿素荧光参数的测定结果表明，在弱光下光化学反应能量相对份额下降最小，使得NPQ份额相对增大，但弱光下NPQ和ETR较强光（600μmol.m-2s-1）下均有所下降，其中NPQ则呈现先上升，在20～80s内迅速达到最大值，之后逐渐下降，至380s时趋于平稳（图3）。表明暗适应后，在几十秒内低强度的光尚未用于光化学反应即通过非光化学淬灭而释放，随着时间的延长，光化学反应能量相对份额逐渐增加，NPQ份额逐渐下降并趋于平稳。

ETR则呈现先迅速上升，在20～40s时略有下降，40s之后又逐渐上升，至380s时趋于平稳（图4）。弱光下生长的毛竹叶片的电子传递速率的光饱和点低于强光照下的叶片，相应的饱和电子传递速率也较低，光能利用能力也较低，其非光化学猝灭系数NPQ也明显降低，而其光能吸收能力增强，但较低的光能利用能力和过剩光能耗散能力导致其容易发生光抑制甚至光破坏。

3 小结与讨论

光合作用过程的各个步骤密切偶联，因此任何一步的变化都会影响到光系统II从而引起荧光变化，也就是说通过叶绿素荧光几乎可以探测所有光合作用过程的变化，因此，叶绿素荧光是光合作用的有效探针[7,8]，是研究胁迫条件下毛竹光合作用的有效工具。

研究表明，活体叶绿素荧光主要来源于光系统Ⅱ（不是光系统Ⅰ），荧光产量与其他两种激发途径（光化学和热耗散）密切相关，光合能力转换和热耗散都能降低荧光产量。在自然环境中，各种环境因子更为复杂，竹子对环境的适应是一个复杂的系统。光适应可以导致光合器官发生显著的变化，这可以明显促进光合活性（电子从光系统Ⅱ向后传递的速率增加）。饱和脉冲可以暂时关闭光系统Ⅱ，此时荧光猝灭只由热耗散引起。在饱和脉冲的帮助下，光系统Ⅱ的量子产量可以在1秒内得出。暗适应状态下得到的光系统II的量子产量最大，此时所有光系统Ⅱ处于开放状态，并且热耗散最小。暗适应的叶片照光后，荧光产量先迅速上升随后缓慢下降（Kautsky效应），而光系统Ⅱ的量子产量首先迅速下降随后缓慢上升。在较低的光照强度下，电子传递速率和光照强度基本呈线性关系，但在较强的光照强度下此线性关系不复存在，并且电子传递速率会达到饱和。由此表明，引起毛竹光抑制的原因除了NPQ之外，分配给光系统Ⅱ能量增加后进一步促进光系统Ⅱ可逆失活是非常重要的因素。

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