叶绿素荧光分析技术在林木研究中的应用

2015-12-17李正华李海霞黑龙江省林业科学研究所速生林木培育重点实验室黑龙江哈尔滨150081

安徽农业科学 2015年23期

李正华，李海霞，李静，白卉(黑龙江省林业科学研究所速生林木培育重点实验室，黑龙江哈尔滨150081)

光合作用是所有生命进行物质代谢和能量代谢的基础，它涉及光物理、光化学和生物化学转变等过程。光合作用中植物吸收光能将其传递、转换为电能，这一过程被称作原初反应阶段，在这一阶段有一部分光能损耗以较长的荧光方式发射出去［1］。发射荧光是植物被暴露在过强的光照或逆境下，自我保护的一种方式，可避免叶绿体吸收超过自身光合能力需要的能量，将强光灼伤或逆境伤害降低到最小。此外，研究表明植物叶片叶绿素荧光发射量和光合速率是负相关，也就是说光合速率高，发射的荧光减弱;当光合速率下降时，发射的荧光会增强。

自发现叶绿素荧光现象以来，人们开始利用叶绿素荧光的变化来研究植物的光合作用。现有研究表明，植物叶片初始荧光(Fo)、可变荧光(Fv)、最大荧光(Fm)、最大光能转换效率(Fv/Fm)及潜在活性(Fv/Fo)等叶绿素荧光参数，在一定程度上均能够反映植物的光合能力或生长环境的变化。

1 叶绿素荧光分析技术的应用

1．1 逆境胁迫鉴于叶绿素荧光参数能够反映植物的光合能力或生长环境的变化，以及叶绿素荧光分析技术所具备的快速、灵敏、无损伤优势，因此该技术可以作为测定植物生理变化的工具，无论何种逆境对光合作用一系列过程的影响都将由叶绿素荧光诱导动力学反映出来［2－3］。

1．1．1 光胁迫。植物光合作用过程中，当光能大于光合系统所必需的量时，光合速率将降低，发生光抑制现象。表现为当光的能量进一步增大时，可诱导产生有害物质，损伤光合器官，引起Fo的增加。在以往的研究中，学者认为光抑制是PSⅡ伤害的同义词，然而现已证明这一现象不仅是PSⅡ伤害的一种表现形式，而且还是一种光保护过程［4－5］。冯志立等［6］在测定植物叶绿素荧光参数日变化时发现随着光照强度的不断增加，Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo都下降，表明光抑制逐渐加剧;之后随着光强减弱这些叶绿素荧光参数升高，光抑制得到缓解。在澳洲坚果［7］、棉花［8］、玉米［9］和水稻［10］等植物的研究中，研究人员均得到类似“V”字型的叶绿素参数日变化趋势，这表明植物在中午强光和较高温度下产生光胁迫现象，光合活性受到短暂抑制，但光合器官并没有受到损伤，随着光强和温度的下降这些植物的光合器官功能又完全恢复。

1．1．2 盐胁迫。植物由盐胁迫带来的危害在内部生理机制上表现为降低叶绿素和类胡萝卜素的含量(单位鲜重计)、叶绿体对光能的吸收能力和荧光猝灭速率等。马翠兰等［11］研究了盐胁迫下柚的生理反应及适应性变化，试验结果表明随盐浓度的增加和胁迫时间的延长，柚叶片Fv/Fo，Fv/Fm及△Fv/Fm比值均下降。梁海永等［12］对欧洲黑杨的研究中，认为盐胁迫对黑杨的影响是降低了叶片PSII光化学效率(Fv/Fm)和光化学猝灭系数(qP)，增加了非光化学猝灭系数(qN)。彭建云［13］对抽穗期小麦进行盐处理时，发现15～20 d后DK961的Fo及Fv/Fm均没有显著变化，而LM15的Fo极显著增加和Fv/Fm显著下降，说明此时LM15的PSⅡ受到破坏或者发生可逆失活。而盐胁迫对DK961的Fo和Fv/Fm并没有产生显著影响，这可能暗示了该植株对盐胁迫具有较大的抗性，但不论怎样，Fv/Fm的变化程度至少可以反映盐胁迫下植物的光合系统运转状况及其对盐的抗性。

1．1．3 温度胁迫。植物生长需要在一定的温度范围内，当环境温度超出植物适应的范围时，将对植物产生胁迫。按照温度的高低，可以将温度胁迫划分为低温胁迫和高温胁迫(也称热胁迫)。

1．1．3．1 低温胁迫。低温会直接导致光合机构的损伤，同时也会影响诸多酶系统发挥作用。在低温胁迫下，由于植物对光抑制的敏感性增强，即使中、低光强也会使植物发生光抑制。相关研究表明:低温诱导下，植物Fo上升，光合电子传递速率(ETR)、Fv/Fo和Fv/Fm的比值明显降低，叶绿素二氯酚靛酚(DCPIP)光还原活性同时降低［14］。在对我国华山松5个种源的研究表明:华山松抗低温能力的变化与其种源地理变异趋势是一致的，同时，得出结论为保证华山松在不利环境中对光能的吸收与利用，维持高水平的非光化学猝灭能力，可以有效避免强光对光系统的损伤［15］。郭延平等［16－17］研究低温胁迫下温州蜜柑叶片光合作用与叶绿素荧光变化相关性时发现，温度下降至3℃，Fv/Fm下降，Fo上升，T1/2降低，表明PSⅡ的光化学效率受到影响;在8℃处理18 h条件下，叶片叶绿素荧光变化不大;在2℃低温处理15 h条件下，叶片叶绿素荧光参数Fo及Fv/Fm变化无显著差异;然而自然低温处理2、7 d，Fv/Fm显著降低，Fo明显上升;放置室内20℃下，Fv/Fm和Fo恢复较快。

目前，许多学者将叶绿素荧光参数Fv/Fm作为植物抗寒性的主要敏感指标，用于玉米、花旗松、长豇豆等多种植物的抗寒性鉴定中［18－20］。此外另一参数Fv/Fo则被认为是鉴定番茄抗冷性一个快速、灵敏和可靠的指标［21］。叶绿素荧光技术已被广泛用于抗冻性植物的筛选，它不但可以快速获得植物不同部位的抗冻性，而且还可以推测出它适合种植的地区范围，为植物引种驯化及新品种的推广提供方便。

1．1．3．2 高温胁迫。对于高温胁迫，许多学者认为它主要是破坏了植物的光系统，表现在光系统量子产率Fv/Fm下降，Fo升高。喻方圆等［22］在3个周期水分和热胁迫处理下对杉木、马尾松和北美乔柏等苗木的叶绿素荧光变化进行了研究，发现热胁迫下3个树种的Fv/Fm值变化显著;就3个水分和热胁迫周期处理来说，每个处理周期结束时杉木和马尾松的Fv/Fm值变化不显著;但随着处理时间的增长，北美乔柏的Fv/Fm值显著下降。张黎萍等［23］对小麦的研究表明，高温胁迫处理可损伤小麦叶片光合膜特别是PSⅡ的结构和功能，降低了PSⅡ光能转换效率，小麦旗叶Fv/Fm和ΦPSII值均降低。

高温胁迫处理下，研究人员研究早熟的花椰菜、温州蜜柑和脐橙叶片的叶绿素荧光时，均发现Fv/Fm下降，而且在番茄幼苗和黄瓜幼苗的研究中也得到同一结果，因而表明Fv/Fm 也是植物耐高温胁迫的一个主要参数［4，24－25］。

1．1．4 水分胁迫。水分是植物生长发育的必要条件，它是决定植物系统生产率的首要因素。土壤中水分过少，满足不了植物的生长需要，发生水分亏缺现象，即干旱胁迫;而水分过多，会造成植株根际缺氧，产生涝害，植物生长不好或烂根死苗。

1．1．4．1 干旱胁迫。干旱胁迫是植物逆境的一种形式，它影响植物的生长和发育。植物生长在一定的条件下，当蒸腾消耗的水分超过吸收时，体内水分将亏缺，这一现象称为干旱胁迫。干旱胁迫会导致植物光合器官受到伤害，光合能力受到抑制。贾利强等［26］在模拟干旱条件下，研究了黄连木和清香木幼苗的叶片相对含水量(RWC)、光合色素含量和叶绿素荧光参数的变化，并统计了处理后幼苗的生存率。试验结果表明:在干旱处理前期，2树种幼苗叶片RWC、Fv/Fm相对值和Fo相对值变化平缓;当到干旱处理后期时，2个树种幼苗叶片的RWC、Fv/Fm相对值快速下降，Fo相对值快速上升。罗俊等［27］研究干旱对甘蔗苗期的影响时，发现Fv/Fm、Fv/Fo、Yield、Rfd随干旱胁迫强度的增强而下降，变化幅度与甘蔗抗旱性的强弱相关，并建议用丙二醛(MDA)含量、Fv/Fm、Yield、Rfd这4个指标的变化来鉴定甘蔗抗旱性。

1．1．4．2 水涝胁迫。水涝胁迫也称涝害，是土壤含水量过大，导致氧气不足而使植物受到损害，它是植物遭遇的最主要逆境之一。现有研究表明，水涝胁迫损伤或破坏叶绿体光合机构、损伤PS放氧复合物和导致叶片qN上升等变化。在水涝胁迫处理杉木、马尾松和北美乔柏的研究中，发现3种树木Fv/Fm变化不同:经处理后北美乔柏的Fv/Fm值明显降低，杉木的Fv/Fm值稍微下降，而马尾松的Fv/Fm值变化不显著［22］。李娟娟等［28］在研究淹水胁迫对丁香的影响时，发现随着胁迫时间的延长，叶片的Fo和qN明显上升，Fm、Fv/Fm、Fv/Fo均呈显著降低趋势，3种丁香中小叶丁香变化幅度最小，对淹水的抗性最大。

1．1．5 营养胁迫。N、P和K以及微量元素等营养物质的失衡都会限制植物生长，植物的这些变化与光合作用密切相关。郭盛磊等［29］探讨了N、P营养缺乏对落叶松幼苗光合的影响，在N素供应小于1 mmol/L时，叶片全N、叶绿素含量和净光合速率显著降低，分别下降37%、31%和59%，Fv/Fm和Fv/Fo分别下降了22%和57%;而P素供应小于0．125 mmol/L时，叶片全N和全P含量、可溶性蛋白含量和Fv/Fm与对照比差别不显著，Fv/Fo下降13%。聂磊等［30］对不同环境下的沙田柚叶绿素荧光参数展开研究，发现营养富足的果园Fv/Fm和ΦPSII较高，Fv/Fm与叶片中N、K、Mn含量有极显著正相关，与Mg、Cu含量也有显著正相关，Fv/Fm可以作为衡量营养水平的指标。

吴晓艳等［31］研究6种山崎营养液浓度(1/12 s、1/10 s、1/8 s、1/4 s、1/2 s和1 s)对鸭儿芹幼苗生长及叶绿素荧光参数的影响，结果表明在1/8 s浓度下各生长因子均达到最大，Fo值最小，Fm、Fv/Fm、Fv/Fo值最大。这说明营养液浓度对鸭儿芹幼苗有双重作用，低浓度下随着营养液浓度的升高，有利于幼苗生长;超过最适浓度后浓度升高，对植株营养胁迫逐渐增强，抑制幼苗生长。范燕萍等［32］研究N素对匙叶天南星生长及光合特性的影响时，在0～16 mmol/L N素范围内，随着浓度的升高，ΦPSII的活性也随之升高;当超过16 mmol/L后，ΦPSII的活性下降。Fv/Fm和qP也表现出同样的变化。

因此，可以利用叶绿素荧光技术快速地测定植株光合作用的变化，从而找到植物生长发育最适宜的营养环境，指导实践生产。

1．1．6 其他胁迫。张放等［33］在 400 μmol/mol 和 700 μmol/mol CO2下，研究水分胁迫2年生“大红袍”枇杷叶绿素荧光等生理变化，结果表明高浓度的CO2对水分胁迫下的枇杷叶片Pn均有明显的促进作用，Fv/Fm，Fv/Fo和ΦPSII值明显提高。研究汽车尾气对4种树的影响时，马树华等［34］测试了五角槭、山荆子、山梨和茶条槭叶绿素荧光参数，发现随着熏气时间的增长和熏气浓度的变大，它们的荧光参数Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII、qP均慢慢下降，qN则逐步上升，其中茶条槭的变化幅度最小，抗污染胁迫能力最强。研究病害胁迫对植物的影响，人们发现感染炭疽病的枇杷和生条锈病的冬小麦叶片的Fv/Fm等参数明显下降，这表明植物对病原菌的抗性与叶片叶绿素荧光的某些参数有关［5］。

2．2 优良品种选育光合作用是植物生产的基础，植物干物质的90%以上来自光合作用，因此选择光能利用效率高的品种对植物育种有着现实意义。植物叶片吸收光能，以热、荧光和光合作用3种途径相互竞争，利用叶绿素荧光测定技术可直接或间接了解光合作用过程。徐崇志等［35］研究了新疆5个核桃品种的叶绿素荧光参数日变化规律，发现不同品种间荧光参数对光强和温度的响应存在着明显差异。通过对坚果外观品质和荧光参数的综合分析，结果表明温138和新翠丰2个品种有较好的胁迫耐受性，是现有主栽品种的优良后备种质。唐礼俊等［15］研究不同地区华山松的叶绿素荧光参数时，发现Fv/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo有明显的地理变异，并与华山松的生长量呈正相关。这一结果表明较高的生长速率是与较高的光能转化效率和较高的PSⅡ潜在活力紧密相关，与徐德聪等［36］对美国山核桃叶绿素荧光特性的研究结果相一致。李潮海等［9］在研究不同产量的玉米杂交种生育后期的光合效率时，认为玉米杂交种的产量差异不仅与叶面积的发展动态有关，还与叶片自身的光合特性有关。杂交种产量高，就有较高的Fv/Fm和ΦPSII及较低的NPQ［9］。这些研究结果均表明叶绿素荧光可以灵敏地反映植物体的生长发育状况，从而可以成为预测植株生长重要指标。

3 展望

植物叶绿素荧光分析技术是近年发展起来的用于光合作用机理研究和光合生理状况检测的一种新技术，它具有反映“内在性”的特点，因而被视为研究植物光合作用与环境关系的内在指针。它几乎可以反映所有环境因子对植物(包括浮游植物)的影响以及植物生理功能在不同水平上的变化，因此这一技术必将被更广泛地应用于植物光合机制、植物病理学、环境胁迫以及林木遗传改良等研究领域。

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