干旱条件下叶黄素循环抑制剂对欧李光合指标的影响

干旱条件下叶黄素循环抑制剂对欧李光合指标的影响

高文蕊，胡银松，王瑞芳，宋兴舜*

(东北林业大学 生命科学学院，哈尔滨 150040)

摘要：研究在干旱胁迫下外施两种抑制剂对欧李光合作用，叶绿素荧光以及叶绿素含量的影响。结果表明：外施二硫苏糖醇(DTT)和葡糖胺(Gla)使叶黄素循环受阻，光合作用下降，气孔导度降低，不能正常耗散光能，光合器官受损伤，且Gla的抑制程度高于DTT。随着处理时间的延长，植株正常的热耗散不能顺利进行，非光化学淬灭系数NPQ降低。最大光化学效率Fv/Fm降低，过剩的光能对植物体形成光抑制作用，且DTT的抑制作用高于Gla。外施抑制剂促进叶绿素的增加。本文利用抑制剂策略，为进一步探究逆境胁迫下欧李叶黄素循环的响应提供基础理论。

关键词：欧李；叶黄素循环；抑制剂；光合作用；叶绿素荧光；叶绿素含量

中图分类号：S 662.3

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2015)02-0071-04

Abstract：The impacts of two xanthophyll cycle inhibitors on Cerasus humilis photosynthesis，chlorophyll fluorescence parameters，and chlorophyll content under drought stress were studied.The results showed that：applying dithiothreitol(DTT)and glucosamine(Gla)to Cerasus humilis made xanthophyll cycle frustrated，photosynthesis and stomatal conductance reduced，energy dissipation abnormal and eventually led to the damage of photosynthetic organ.In terms of photosynthesis，Gla’s inhibitory effect was higher than DTT’s.With the increase of processing time，plant normal heat dissipation cannot go smoothly and the non-photochemical quenching coefficient(NPQ)decreased.The maximum photochemical efficiency Fv/Fm reduced，and the excess light energy cannot be dissipated，leading to the photoinhibition on the plant.In the aspect of chloroplast fluorescence，DTT’s inhibitory effect was higher than Gla’s.Applying inhibitors could promote the increase of chlorophyll.The inhibitors strategy used in this paper can provide basic theory for further exploration of the xanthophyll cycle’s response under adversity stress in Cerasus humilis.

Keywords：Cerasus humilis；xanthophyll cycle；inhibitors；photosynthesis；chlorophyll fluorescence parameters；chlorophyll content

收稿日期：2014-10-19

基金项目：国家自然科学基金项目(31170569)

作者简介：第一高文蕊，硕士研究生。研究方向：植物逆境生理与分子生物学。

通讯作者：*宋兴舜，博士，副教授。研究方向：林木抗性生理与分子生物学。E-mail： sfandi@163.com

Impact of Xanthophyll Cycle Inhibitors onCerasushumilisPhotosynthesis Indices under Drought Stress

Gao Wenrui，Hu Yinsong，Wang Ruifang，Song Xingshun*

(College of Life Science，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

引文格式：高文蕊，胡银松，王瑞芳，等.干旱条件下叶黄素循环抑制剂对欧李光合指标的影响[J].森林工程，2015，31(2)：71-74.

欧李(Cerasushumilis)是我国特有的一个蔷薇科樱桃属灌木树种，具有极高的经济价值且用途非常广泛。果肉可食，仁可入药，茎可作饲料和编织材料，其开发利用前景非常广阔。欧李由于其根系庞大，基生枝和根蘖发达所以具有极强的抗逆性，适合干旱地区种植。

逆境胁迫下，植物体自身形成了多种可以抵御外界胁迫的保护机制，这其中依赖于叶黄素循环的非光化学淬灭(NPQ)就是一种极其有效的保护机制[1]。过剩光能下，紫黄质(violaxanthin，V)在紫黄质脱环氧化酶(VDE)的催化作用下发生脱环氧化作用形成单脱环玉米黄质(antheraxanthin，A)，A再次经过脱环氧化作用形成玉米黄质(zeaxanthin，Z)；当植物面临的过剩光能减少时，Z通过玉米黄质环氧化酶(ZEP)的环氧化作用首先形成A，进而由A又进一步环氧化形成V，正是这一循环使得过剩光能得以耗散[2]。VDE和ZEP作为两种关键酶，在维持逆境下植株叶黄循环的运转中起着重要作用。VDE和ZEP的靶向抑制剂分别是二硫苏糖醇(DTT)[3]以及葡糖胺(Gla)[4]，抑制剂的角度为进一步探讨VDE和ZEP的作用提供了新的思路，基于此本研究通过外施DTT及Gla，测定干旱下欧李光合和荧光指标的变化，以期为欧李植株的耐旱机制提供一定的理论指导。

1材料与方法

1.1　试验材料和处理

本试验选择的欧李幼苗取材自黑龙江省南部尚志市的帽儿山，于2014年4月扦插到直径37 cm，高25 cm的花盆中，每盆一株。试验共设置5种处理：①对照处理，每天正常浇清水至饱和；②干旱处理，干旱处理15天，期间均不给植株浇水，第16天开始复水解除胁迫；③外施DTT处理，在干旱处理的基础上分别在第2、5、8、14天给幼苗外施一次DTT，每株幼苗每次叶片喷施DTT为200 mL(5 mmol/L)，第16天时停止外施DTT并且正常浇水。④外施Gla处理，在干旱处理的基础上分别在第2、5、8、14天给幼苗外施一次Gla，每株幼苗每次叶片喷施Gla为200 mL(0.5%)，第16天时停止外施Gla并且正常浇水。⑤同时外施DTT和Gla处理，在干旱处理的基础上分别在第2、5、8、14天给幼苗外施一次DTT和Gla，每株幼苗每次叶片喷施DTT为200 mL(5 mmol/L)，待叶片基本吸收完全后再叶片喷施Gla 200 mL(0.5%)，第16天时停止外施DTT和Gla并且正常浇水。处理24 h后进行取材和理化指标的测定。每个处理4棵植株，至少3次重复。

1.2　试验方法

1.2.1光合及荧光指标的测定

本试验采用光合—荧光测定系统(Li-6400XTR，美国)，在幼苗处理的各个阶段，选取上午9：00-11：00进行光合指标的测定。所测量的光合指标包括：叶片净光合速率(Pn)，气孔导度(Gs)，胞间CO2浓度(Ci)。荧光指标为PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)，非光化学淬灭(NPQ)。每个处理选取3~5片生长位置与生长状态一致的有代表性的功能叶片进行测定，测定结果取平均值。

1.2.2叶绿素含量的测定

试验采用便携式叶绿素计测量欧李叶片的叶绿素含量。取样时间和部位同上。

2结果与分析

2.1　不同处理条件下欧李光合指标的变化

图1　不同处理条件下欧李光合指标的变化 Fig.1 Response of photosynthesis indicators in C.humilis to different treatments

图A、B、C分别为净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度。如图A所示随着处理时间的延长各处理组的欧李幼苗均表现为净光合速率下降的趋势，外施抑制剂的三组欧李幼苗的净光合速率低于干旱和对照组，其中外施Gla以及同时外施DTT和Gla的欧李幼苗下降幅度更为显著，处理持续15 d以后复水，各处理组的净光合速率均表现上升的趋势，但未达到对照水平。如图B所示不同处理组之间气孔导度的变化呈现与净光合速率同样的趋势。如图C所示随着时间的延长各处理之间胞间CO2浓度无显著差别。植物在遭受干旱，盐渍，高低温等逆境胁迫时，光合器官通过叶黄素循环可增强处理过剩光能的能力，这说明叶黄素循环在广泛的自然条件下都具有保护光合作用免受逆境影响的功能[5-7]。

2.2　不同处理条件下欧李荧光参数的变化

图2　不同处理条件下欧李荧光参数的变化 Fig.2 Response of fluorescence parameters in C.humilis to different treatments

如图2所示，与对照组相比随着处理时间的延长各处理组植株的PSⅡ最大光化学效率逐渐降低，外施DTT以及同时外施DTT和Gla的植株最大光化学效率基本呈现直线下降，其中同时外施两种抑制剂的欧李植株下降幅度最大。干旱处理和外施Gla的两组变化趋势相似，下降福度比较小。在干旱胁迫下，植物受到伤害的首要部位与光系统Ⅱ(PSⅡ)密切相关[8]，叶绿素荧光参数被认为是评价植物光和器官是否受损伤的重要依据[9]。因此干旱处理的欧李植株Fv/Fm值下降，复水后上升。外施抑制剂，阻碍叶黄素循环的顺利进行，削弱植株对自身光合器官的保护作用，所以PSⅡ最大光化学效率低于单纯的干旱处理。

非光化学淬灭反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能中不能用于光合电子传递而以热能的形式耗散掉的那一部分光能，其热耗散的能力可以用非光化学淬灭系数(NPQ)表示[10]。由图可知，干旱处理的欧李植株随处理时间的延长NPQ值逐渐增加，复水后下降至对照水平。外施Gla的欧李，在干旱处理的初期(前9天)NPQ值稳定，与对照无显著差别，第9天之后NPQ值急剧降低，下降约18.75%。外施DTT以及外施两种抑制剂的两组欧李植株，从处理开始就表现下降的趋势，到第15天下降到最低点。外施抑制剂的三个处理组在复水后NPQ的值均表现上升的趋势，但未达到对照水平。欧李是一种耐旱能力较强的植物，在漫长的进化过程中形成了一套依赖于叶黄素循环的非光化学淬灭(NPQ)的保护机制，在干旱逆境中通过增加NPQ来保护自身免受伤害[11]。植物体内玉米黄质(Z)的量与NPQ之间存在着非常重要的因果关系[12-13]。外施抑制剂DTT，直接抑制了Z的形成，导致NPQ值下降；而外施Gla在初期并没有使Z的含量降低，所以在处理的前9天NPQ值较平稳，但持续的逆境胁迫以及抑制剂的作用使得叶黄素循环的整个过程受到了影响，在处理后期NPQ表现下降趋势。

2.3　不同处理条件下欧李叶绿素含量的变化

图3　不同处理条件下欧李叶片叶绿素含量的变化 Fig.3 The changes of chlorophyll content in C.humilis to different treatments

对照组的叶绿素含量基本保持不变，而实验组的叶绿素含量随着处理时间的延长呈现先上升后下降的趋势，在处理的第9天达到最大值，其中同时外施DTT和Gla的欧李幼苗叶绿素含量增加最大。复水后，叶绿素含量下降，但同时外施DTT和Gla 的组叶绿素含量未能达到对照水平(如图3所示)。

许多研究显示，植物在受到干旱胁迫时体内叶绿素含量会发生改变[14]。这一指标可以指示植物对水分胁迫的敏感性。一些研究认为，干旱会使植物叶片的叶绿素含量增加[15-16]，还有一些研究认为，干旱会使植物叶片的叶绿素含量会随着干旱程度的加深而逐渐减少[17]。欧李具有较强的抗旱能力，它通过增加叶绿素的合成进而提高植物的光合能力来抵抗逆境[18]。外施抑制剂，使得欧李植株的叶黄素循环受阻，减弱植株在逆境下的自我保护的能力，造成光合器官受损，最终造成叶片中的叶绿素含量降低。

3结论与讨论

叶黄素循环在自然界存在非常普遍，广泛存在于高等植物、蕨类、苔藓和一些藻类植物中。1987年Demmig等[19]发现玉米黄质可能与过剩光能的耗散有关，使得叶黄素循环成为人们研究的热点。迄今人们对叶黄素循环组分的生化特性，其在光破坏防御中的作用进行了深入研究，取得了进展。但是关于两个关键酶VDE和ZEP的作用方面的研究还不是很多，本文采用抑制剂的方法对叶黄素循环在逆境胁迫下的作用做了全面的分析。DTT作为VDE的专一抑制剂，它的作用已经被证实。与颉敏华等[20]研究结果相似，DTT处理下植株的PSⅡ最大光化学效率降低；另一方面陈新斌等[21]研究DTT对海水胁迫诱导下菠菜叶绿素荧光特性的影响，结果表明，海水胁迫下外施DTT使得菠菜叶绿素含量、最大光化学效率(Fv/Fm)显著降低，而非光化学猝灭系数(NPQ)显著上升，而本实验干旱胁迫下外施抑制剂DTT使得欧李叶绿素含量升高，NPQ值下降。这可能是由于欧李属于抗旱性较强的植物，对于干旱的耐受性强于菠菜，增加叶绿素含量以确保光合作用进行；NPQ的差异可能是由于处理方式及胁迫持续时间的差异造成的。有关玉ZEP的抑制剂Gla的研究比较少。由于不同品种的欧李之间存在一定差异，导致对胁迫的耐受性不同，VDE及ZEP对于抑制剂的敏感性也不尽相同。

从叶黄素循环两个关键酶的抑制剂的角度入手，探究欧李的光合抗性机制。结果表明干旱条件下外施DTT和Gla，使光合作用指标包括NPQ值均低于的对照，凸显了叶黄素循环在抵御干旱胁迫中的作用，这也为更深一步在分子生物学等层面研究欧李的抗旱机制提供了一定的参考依据。

【参考文献】

[1]Demmig-Adams B，Adams Ⅲ W W.Photoprotection and other responses of plants to high light stress[J].Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol，1992，43：599-626.

[2]董高峰.陈贻竹，蒋跃明.植物叶黄素循环与非辐射能量耗散[J].植物生理学通讯，1999，35(2)：141-144.

[3]Guo Y P，Guo D P，Zhou H F，et al.Photoinhibition and xanthophyll cycle activity in bayberry(Myricarubra)leaves induced by high irradiance[J].Photosynthetica，2006，44(3)：439-446.

[5]Pfundel E，Bilger W.Regulation and possible function of the vioxanthin cycle[J].Photosynth Res，1994，42：89-109.

[6]Demmig-Adams B，Winter K，Kruger A，et al.Zeaxanthin synthesis，energy dissipation，and phototection of photosystem Ⅱ at chilling temporation[J].Plant Physiol，1989，90：894-898.

[7]Demmig B，Winter K.Zeaxanthin and the heat dissipation of excess light energy inNeriumoleanderexposed to a combination of hight and water stress[J].Plant Physiol，1988，87：17-24.

[8]代微然，任健，毕玉芬.干旱对假俭草光响应曲线的影响[J].草业学报，2010(6)：251-254.

[9]陈丽，艾军，王振兴，等.干旱胁迫对山葡萄光合作用及光响应特性的影响[J].北方园艺，2011(6)：5-8.

[10]Havaux M，Tardy F.Temperature-dependent adjustment of the thermal stability of photosystem II in vivo：possible involvement of xanthophyll-cycle pigments[J].Planta，1996，198：324-333.

[11]商志伟，尹赜鹏，孙梦超，等.叶黄素循环的启动：外源ASA对欧李幼苗干旱胁迫的缓解[J].经济林研究，2012，30(1)：29-33.

[12]Demmig B.Carotenoids and photoprotection in plants：A role for the xanthophylls zeaxanthin[J].Biochim Biophys Acta，1990，1020(1)：1-24.

[13]Demmig B，William W，Winter K.Inhibition of zeaxanthin formation and rapid changes in radiationless energy dissipation by DTT in spinach leaves and chloroplasts[J].Plant Physiol，1990，92：293-301.

[14]Wallin G，Karlsson PE，Sellden G，et al.Impact of four years exposure to different levels of ozone，phosphorus and drought on chlorophyll，mineral nutrients and stem volum of Noway spruce Picea abies[J].Physiol Plant，2002，114(2)：192-206.

[15]陈坤荣，王永义.加勒比松耐旱性生理特征研究[J].西南林学院学报，1997，17(4)：9-15.

[16]喻晓丽，蔡体久，宋丽萍，等.火炬树对水分肋迫的生理系列化反应[J].东北林业大学学报，2007，35(6)：10-12.

[17]樊卫国，刘国琴，何嵩涛，等.刺梨对土壤干旱肋迫的生理响应[J].中国农业科学，2002，5(10)：1243-1248.

[18]周丽娟.干旱胁迫下欧李幼苗的生理与差异蛋白表达分析[D].哈尔滨：东北林业大学，2014.

[19]Demmig B，Winter K，Czyger F，et al.Photoinhibition and zeaxanthin formation in intact leaves[J].Plant Physiol，1987，84：218-224.

[20]颉敏华，张继澍，郁继华，等.D1蛋白周转和叶黄素循环在青花菜叶片强光破坏防御中的作用[J].中国农业科学，2009，42(5)：1582-1589.

[21]陈新斌，孙锦，郭世荣，等.二硫苏糖醇对海水胁迫下菠菜活性氧代谢及叶绿素荧光特性的影响[J].园艺学报，2012，39(12)：2457-2467.

[责任编辑：董希斌]