光照强度对巴西橡胶树淡绿期叶片光合特性和活性氧代谢的影响

王立丰等

摘 要 橡胶树种苗培育过程中需要避免强光照射，但光照强度对橡胶树幼苗叶片生理活性的作用机制尚不清楚。以橡胶树品系GT1的实生苗为材料，对植株进行不同光照强度处理，测定其淡绿期叶片在不同光照强度下的光合特性和活性氧代谢情况。结果表明，随着光照强度的增加，橡胶树淡绿期叶片的光化学效率（Fv/Fm）呈现上升规律，同时过氧化物的含量也呈现上升趋势，但是由于抗氧化酶对活性氧清除的作用，1 000 μmol/m2·s的高光照强度并没有对橡胶树叶片造成伤害。说明200～400 μmol/（m2·s）的光照强度比较适合橡胶树苗淡绿期叶片的生长和发育。

关键词 巴西橡胶树；光照强度；光合特性；活性氧

中图分类号 S794.1 文献标识码 A

Effects of Different Light Intensity on Photosynthetic

Characteristics and ROS Metabolism in

Light Green Leaves of Rubber Tree

（Hevea brasiliensis Müll. Arg.）

WANG Lifeng1， LU Yanxi2， DENG Yujie2

1 Key Laboratory of Biology and Genetic Resources of Rubber Tree， Ministry of Agriculture / State Key Laboratory Incubation

Base for Cultivation and Physiology of Tropical Crops， Rubber Research Institute， CATAS， Danzhou， Hainan 571737， China

2 College of Agriculture， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract Cultivation of rubber tree seedlings should avoid strong light irradiation. However， the effect of light intensity on leaf physiology in rubber tree seedlings is still unclear. In this study， rubber tree clone GT1 seedlings were treated with different light intensity， and the photosynthetic characteristics and reactive oxygen species（ROS）metabolism were assayed in the treated light green leaves. Results showed that photosynthetic activity and ROS contents increased along with the increase of the light intensity. However， due to the role of active oxygen-scavenging system， there was no damage to the light green leaves even under the high light intensity of 1 000 μmol/m2·s. Therefore， 200-400 μmol/（m2·s）light intensity was a proper light condition for growth and development of light green leaves in rubber tree seedlings.

Key words Hevea brasiliensis； Light intensity； Photosynthetic characteristics； Reactive oxygen species

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.06.015

光是植物光合作用的能量来源，但植物也需要保护自身免受光的伤害[1]。植物可以通过调节叶绿素捕光天线来调节对光能的吸收[2-3]。吸收的光能用于热力学耗散和光化学反应。光化学反应包括CO2固定，光呼吸[4]，水裂解和经过光系统I（PSI）的电子传递[5]等过程。光对光合细胞器（光合系统）的潜在氧化伤害来自于光合作用氧形成过程中激发和产生的活性中间产物[6]。适量的活性氧在植物抗病防御机制中起重要作用，高浓度活性氧会导致蛋白质、脂膜、DNA以及其他细胞组分的损伤，超过植物耐受界限则会引起植物衰老，直至死亡。光化学反应中不可避免地要产生氧化分子[7]，此时植物自身的抗氧化系统通过一系列修复和合成反应来降低光氧化的伤害[8]。自由基清除剂可分为酶类清除剂和非酶类清除剂两大类，酶类清除剂一般为抗氧化酶，主要有超氧化物歧化酶（SOD）[9-10]，过氧化物酶（POD）[11]等。非酶类自由基清除剂是一些抗氧化剂，如维生素E、β-胡萝卜素等。

巴西橡胶树起源于南美洲亚马逊河流域，该地区具有气温较高，湿度大，降雨充沛而分布均匀以及微风的气候环境[12-13]。巴西橡胶树乳管细胞合成天然橡胶（聚异戊二烯）的原料来自叶片光合作用产生的蔗糖[14-15]。橡胶树育苗过程对提高移栽成活率起关键作用，干旱等逆境对橡胶树叶片光合作用的影响也有报道[16]。苗期培育过程中一个重要环节是保护幼苗避免高光照强度对其造成的伤害。高光照强度对多种植物幼苗的抑制作用报道较多[17-19]。但光照强度对橡胶树幼苗叶片光合特性的影响尚未有报道。巴西橡胶树新生叶片的发育分为古铜期，变色期，淡绿期和成熟期四个时期[20]。淡绿期是橡胶树叶片发育的一个特殊时期，具有颜色呈现淡绿，叶片薄而软等特点。在淡绿期向稳定期转化过程中，质体的发生、发育是叶片颜色变化的重要原因。研究光照强度对淡绿期叶片的影响为阐明橡胶树叶片发育过程中质体的发生、发育及其对光强度的适应机制具有重要意义。因此，本研究以橡胶树实生苗GT1为材料，测定不同光照强度处理下，植株淡绿期叶片光合活性、SOD和过氧化氢（H2O2）等活性氧代谢相关产物的含量变化，为阐明橡胶树叶片发育过程对光强度的适应机制奠定基础，为橡胶树种苗培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以中国热带农业科学院橡胶研究所实验基地培育的橡胶树实生苗GT1为材料，实生苗种植于草炭土与蛭石比例为3 ∶ 1的育苗袋中。待实生苗长出第二蓬叶后，对植株进行光照处理，每个光照梯度处理3株，每株取叶柄中间的一片淡绿期叶片进行分析。

1.2 方法

1.2.1 光照处理和叶绿素荧光动力学参数的测定

采用1 000 W钨灯作为照明设备，光照强度分别为100、200、400和1 000 μmol/（m2·s），灯光与实生苗样品之间有循环水隔热。100 μmol/（m2·s）为白天上午光照值，400 μmol/（m2·s）是中午最强光照值，1 000 μmol/（m2·s）是橡胶树饱和光照强度[21]。每个光照强度照射2 h后，暗适应30 min，然后采用PAM-2500便携式荧光仪（Walz Effeltrich， Germany）测定叶片的光诱导叶绿素荧光动力学参数，数据用Pamwin3（Heinz. Walz）软件进行处理。

1.2.2 生理指标测定的方法 叶片中叶绿素含量的测定参照Wang等[22]进行。超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）和过氧化物酶（POD）含量的测定参照李合生[23]的方法。H2O2的测定参照蔡甫格等[24]的方法进行。

1.3 统计分析

试验测定均为6批次重复。采用IBM-SPSS 20.0单因素方差分析对数据进行统计分析，并采用OriginPro 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 光照强度对橡胶树淡绿期叶片光合特性的影响

从图1可以看出，初始荧光Fo在100和200 μmol/（m2·s）照射下无明显变化，但在400和1 000 μmol/（m2·s）光照强度下明显下降。说明高光强降低了质醌A（QA）的完全氧化状态，改变了捕光色素蛋白复合体和反应中心蛋白复合体的结构。最大荧光产量Fm则随着光照强度的增加而持续上升。在光照强度低于400 μmol/（m2·s）时，Fv/Fm值随着光照强度的增加而逐步上升，但400 μmol/（m2·s）以后不再随着光照强度的增加而增加，而是维持在一个稳定的水平。反应通过PSII电子传递情况的参数（Fm/Fo）随着光照强度增加而逐步增高。这说明，随着叶片吸收光能的增加，橡胶树淡绿期叶片吸收和传递的光能均在增加。随着光照强度的增加，光化学淬灭系数qP、实际量子产量Y（II）及电子传递速率ETR均呈上升趋势，说明激发能有效地在光系统间传递，用于CO2同化作用。与此同时，光诱导非光化学荧光淬灭量子产量Y（NPQ）、非光化学淬灭NPQ和qN在低于400 μmol/（m2·s）光照强度下均随着光照强度的增加而上升，在400 μmol/（m2·s）达到峰值，但光照强度增加至1 000 μmol/（m2·s）时，这3个指标均下降。无光诱导的非光化学淬灭Y（NO）则呈现相反的变化趋势，即在低于400 μmol/（m2·s）光照强度下，Y（NO）随着光照强度的增加而降低，在400 μmol/（m2·s）达到最低值，在1 000 μmol/（m2·s）有小幅度上升，但远低于100 μmol/（m2·s）光照强度下的数值。假定与PSII天线有联系的光化学淬灭qL则一直呈现上升状态。表明随着光照强度的增加，橡胶树叶片的光合效率也提高，增加吸收的光能用于光化学作用和非光化学淬灭作用。高光照强度[1 000 μmol/（m2·s）]处理没有影响橡胶树淡绿期叶片的光能利用能力。

2.2 光照强度对橡胶树淡绿期叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

叶绿素作为植物进行光合作用原初反应的光能“捕获器”，其含量是植物对光照强度反映敏感性的重要指标，在光能传递与转换中起着重要作用。从图2可见，随光照强度的增加，橡胶树淡绿期叶片中叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）、总叶绿素（Chl a+b）、类胡萝卜素（β-Car）总体均表现为下降-上升-下降的趋势，200 μmol/（m2·s）光照强度下达到最低值，随后在400 μmol/（m2·s）有所上升，但在1 000 μmol/（m2·s）又下降。Chl a/b含量在400 μmol/（m2·s）显著下降，在1 000 μmol/（m2·s）上升并恢复至100 μmol/（m2·s）的水平。这说明，淡绿期叶片对高光照强度具有波动性的适应过程。在200～400 μmol/（m2·s）光照强度下，细胞中叶绿体开始增加Chl b的合成比例，导致Chl a/b显著下降。

2.3 光照强度对橡胶树淡绿期叶片活性氧代谢的影响

不同光照强度下橡胶树淡绿期叶片活性氧代谢的变化规律见表1。由表1可知，随着光照强度增加，H2O2的含量呈现上升趋势，在400 μmol/（m2·s）和1 000 μmol/（m2·s）光照强度下达显著水平。MDA是细胞内活性很高的脂类过氧化物，能交联脂类、核酸、糖类及蛋白质。MDA的含量在200 μmol/（m2·s）光照时下降，但在400 μmol/（m2·s）时，显著增加，较100 μmol/（m2·s）增幅大于80%，光照强度达到1 000 μmol/（m2·s）时，MDA含量比400 μmol/（m2·s）光照强度下显著下降。随着光照强度增加，具有活性氧清除作用的SOD和POD活性均表现为先下降再升高的变化趋势。SOD酶活性在400 μmol/（m2·s）光照强度下达到最高值，但与100 μmol/（m2·s）时的酶活性差异不显著。而POD酶活性则在400 μmol/（m2·s）时达到最小值，在1 000 μmol/（m2·s）时恢复到100 μmol/（m2·s）时的50%左右。

3 讨 论

叶绿素荧光技术作为一种快速、灵敏、无损伤技术广泛用于研究和探测各种逆境对植物光和生理的影响[25]。PSII的潜在光化学效率（Fv/Fm）是衡量植物光能利用能力的大小的指标，Fv/Fm值大，表明该植物的光能利用潜力大。在胁迫环境条件下，Fv/Fm值会明显下降，所以Fv/Fm是标明环境胁迫程度的良好指针和探针[26-27]。Fo少量增加与PSII光化学量子产量的可逆下降有关，Fo大量增加与来源于PSII捕光复合体的不可恢复的断开有关[28]。本研究发现，在光照强度低于400 μmol/（m2·s）时，Fv/Fm值随着光照强度的增加而逐步上升，但400 μmol/（m2·s）以后维持在一个稳定水平，不再随着光照强度的增加而增加。Fo则是呈现下降趋势。这些研究结果表明，高光照强度并没有引起巴西橡胶树苗木淡绿期叶片的损伤，相反，高光照强度促进了淡绿期叶片光合活性的增加。这与反应通过PSII电子传递情况的Fm/Fo，光化学淬灭系数qP和假定有关连的PSII天线光化学荧光淬灭系数qL持续增加的结果一致。另一方面，非光化学淬灭qN和NPQ在低于400 μmol/（m2·s）光照强度时呈现上升趋势，随后下降。此时，淡绿期叶片通过调整叶绿素含量来调控对光能的吸收。在对红桦幼苗的研究中发现，强光对其幼苗的光合作用具有一定的负效应[29]，这说明热带乔木和温带乔木对光照的适应性不同。热带雨林冠层树种绒毛番龙眼和中层树种滇南风吹楠幼苗在全光照射下Fv/Fm显著降低，活性氧含量和SOD等酶活性增加[30]，说明橡胶树淡绿期叶片与这两种热带作物的幼苗叶片对光响应的机制也存在差异。

通常，适量地增加光照强度可以提高叶片中色素的含量，但是，过高的光照强度会产生光抑制，使叶片中色素含量降低。叶片中的主要色素为叶绿素，正常情况下，叶绿素参与大部分的光合作用。随着光照强度的增强，叶绿素会分解，导致其含量降低，此时，作为植物中的第二光合色素-β-Car的含量会上升，以维持叶片中的光合作用，但是，其单位色素含量的光合效率不如叶绿素。巴西橡胶树新生叶片的发育分为古铜期，变色期，淡绿期和成熟期四个时期[14]。在这个发育过程中，伴随着叶片组织的逐步发育健全，光合酶尤其是Rubisco酶含量和活性的提高以及叶绿素含量逐渐增加，使得叶片光合活性不断提高，直至成熟期达到稳定。本研究中，橡胶树苗淡绿期叶片随光照强度的增加，其Chl a、Chl b、Chl a+b、β-Car总体表现为下降的趋势，200 μmol/（m2·s）光照强度下达到最低值，随后有所上升。而Chl a/b含量在400 μmol/（m2·s）光照强度下显著下降，在1 000 μmol/（m2·s）光照强度下上升并恢复到100 μmol/（m2·s）光照强度下的水平。这表明，橡胶树苗淡绿期叶片的色素含量容易受到强光照的影响，通过调整Chl a和b的比例调控对光能的吸收和利用。本结果与菊科的蒲公英研究结果相似。蒲公英在910 μmol/（m2·s）光照强度下叶绿素含量最高，其光合效率亦为最佳[31]。与之相反，研究烟草对高光照的反应时发现，高光照[630 μmol/（m2·s）]后烟草不同位置的叶片叶绿素含量呈不可逆的下降趋势[17]。说明橡胶树等大戟科植物对光照强度的响应机制和光饱和点其它种属植物显著不同，更适应热带高光照强度的环境。

光合作用过程中会产生过氧化物，过多的过氧化物积累对植物细胞造成损害。随着光照强度增加，过氧化物H2O2和MDA含量、抗氧化酶SOD和POD的酶活性均表现为先下降再升高的变化趋势。在400 μmol/（m2·s）光照强度下，SOD酶活性达到最高值，而POD酶活性则为最小值，表明抗氧化酶SOD与POD具有一定的互补作用，高光照强度增加过氧化物的含量，同时抗氧化酶的活性也增强以清除积累的过氧化物，从而保护植物免受光氧化的伤害。在高光照处理的烟草和全光照射的绒毛番龙眼中也发现了类似结果，高光照导致H2O2增加，SOD等抗氧化酶酶活性升高[17，30]。对车前、莴苣等10种植物叶片和细胞溶质研究亦发现光照强度使SOD酶活性明显提高[10]。综合本研究在不同光照强度下，橡胶树苗期叶片的光合特性和活性氧代谢的结果，认为在200～400 μmol/（m2·s）光照强度有利于橡胶树苗淡绿期叶片色素合成和叶绿体发育，使叶片的光能利用能力处于良好的状态，促进淡绿期叶片的生长发育。在种苗培育过程中，尤其在新叶生长期，应做好遮光保护，避免新生叶片受强光直射的伤害。

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责任编辑：赵军明