低温胁迫对两种水生植物叶绿素荧光特性的影响

2016-09-19宋玉芝彭擎刘洋张岚岚温银晓

地球 2016年2期

关键词：凤眼莲铜钱富营养化

■宋玉芝彭擎刘洋张岚岚温银晓

（南京信息工程大学应用气象学院江苏南京210044）

低温胁迫对两种水生植物叶绿素荧光特性的影响

■宋玉芝彭擎刘洋张岚岚温银晓

（南京信息工程大学应用气象学院江苏南京210044）

实验以水生浮叶植物凤眼莲和铜钱草为研究对象,分别在8℃、4℃、0℃3低温下分别处理2h、4h、6h后以及去除低温后在自然条件下恢复1d,3d,5d,7d两种植物的最大光化学量子产量（Fv/Fm）和快速光曲线。结果表明：相同温度梯度下随着处理时间的增长以及不同梯度处理温度的降低，凤眼莲和铜钱草的最大光化学量子产量（Fv/Fm）均显著降低(P<0.05)，最大电子传递速率、半饱和光强也均显著降低（P<0.05),恢复性培养的过程中经8℃处理的植物最快恢复，0℃恢复最慢，总体来说，铜钱草的恢复速度快于凤眼莲。

环境学低温胁迫凤眼莲铜钱草最大光化学量子产量快速光曲线恢复培养

近年来城市环境污染加剧，一些湖泊水体水质恶化，大部分城市湖泊水体已出现富营养化。国内外对控制湖泊水体富营养化问题已进行了较多的研究和报道[1～3]，且试图用不同的方法进行控制。水生高等植物和藻类在光能和营养物质上是竞争者。适当恢复水生高等植物，不仅可抑制浮游植物的生长，对改善水质有利的，而且水生高等植物易于收获和利用，因此是防止湖泊富营养化的有效措施。实验证明，水生植物修复对去除氮、磷具有明显的效果[4～5]，可用于控制湖泊富营养化。目前已有报道利用铜钱草对污水及总磷总氮进行净化的研究，并发现铜钱草对水的净化具有良好的效果[6]。凤眼莲则是公认的去除氮磷效果最佳的植物[7]。但另一方面水体营养化也会造成了水生植物的疯长，若是在冬季，疯长的植物因受低温影响，植物受损腐败的残体反而对水体有严重污染，因此研究低温胁迫对水生植物的影响对选择治理富营养化水体植物，以及处理水生植物疯长具有重要意义。

叶绿素荧光技术具有测量快速、简便、准确和无损伤等特点,已被视为植物光合作用与环境关系的内在探针，为植物光合生理研究提供了方便[8]。目前,荧光技术已广泛地应用于陆生高等植物，以及大型的海草和珊瑚的生理生态研究，而在淡水水体中水生高等植物的生理生态研究方面运用较少[9-11]。本文以淡水水生植物凤眼莲，铜钱草作为研究对象，进行不同温度和时间的处理，对所获得的叶绿素荧光参数进行比较，得出低温胁迫与参数之间的关系，以期了解叶绿素荧光技术在筛选处理富营养化水体水生植物的可行性。

1　材料与方法

1.1供试材料

选取长势相似、植株健硕的凤眼莲和铜钱草，种植于塑料集装箱中在(25+1)℃、3 000lx，16h/8h(光/暗)光照周期条件下进行适应性培养。培养液用Hoagland's营养液配方，培养两周后进行处理取长势一致的凤眼莲和铜钱草每组各5株，共4组置于光照培养箱中进行低温胁迫处理，分别设置0℃，4℃，8℃3个不同温度处理，以25℃处理为对照，在处理凤眼莲和铜钱草每个温度下分别处理2h,4h,6h后进行测定，低温处理后在(25+1)℃、3 000lx，16 h/8 h(光/暗)光照周期条件下进行恢复性培养。

1.2测定方法

利用DIVING-PAM水下脉冲调制叶绿素荧光仪（德国WALZ公司）对处理的植物叶绿素参数进行测定。暗处理后测定初始荧光(F0)、最大荧光(Fm)根据F0和Fm计算出PSⅡ最大量子产量(Fv/Fm, Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm),以反映PSⅡ反应中心内禀光能转换效率或潜在的光能转化效率.然后开启光强度分别为:0、93、153、227、 311、457、617、920、1243μmol.m-2.s-1的光化光，在任一光合有效辐射(photosynthetically active radiation PAR)强度下，打开饱和脉冲前的荧光为F,打开饱和脉冲得到的最大荧光为Fm',可变荧光△F=Fm'-F,由此得出光适应条件下水生植物PSII的有效量子产量(Y);

Y=△F/Fm'=(Fm'-F)/Fm'

根据Y和PAR计算出相对电子传递速率 (relative electron transport rate,rETR)[12]

rETR=Y*PAR*0.5*0.84

1.3快速光曲线拟合

采用Statistica软件进行快速光曲线拟合.曲线拟合采用最小二乘法，快速光曲线的拟合采用Platt等提出的方程.其方程形式如下:

rETR=rETRm(1-exp(-α*PAR/rETRm))*exp(-β*PAR/rETRm)

式中:rETRm为无光抑制时的最大潜在相对电子传递速率;为α 为rETR-RAR曲线的初始斜率，反映了植物对光能的利用能力;β为光抑制参数.由此可以得出半饱和光强:Ek(Ek=rETRm/α)。

1.4数据处理

采用EXCEL 2003和SPASS 23.0软件对所有数据进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)比较不同数据组间的差异。

2　结果与分析

2.1不同温度和处理时间下两种植物的Fv/Fm的比较

由图1可以看出，在自然生长状态下，凤眼莲和铜钱草Fv/Fm值分别为0.814和0.828，说明正常情况下铜钱草的光能转化效率要比凤眼莲高。经过8℃低温处理的的植物，凤眼莲和铜钱草的Fv/Fm值随着处理时间的增长而逐渐下降，说明低温对植物的最大光化学量子产量造成了影响，植物的生存受到了威胁。经过4℃低温2h,4h,6h处理后凤眼莲与铜钱草的Fv/Fm值下降的百分比较8℃要明显；植物的最大光化学量子产量下降明显（P<0.05)，且铜钱草的Fv/Fm值下降更为显著(P<0.05)，说明了4℃低温对植物正常生长有较严重影响。经过0℃低温2h,4h,6h处理后眼莲与铜钱草的Fv/Fm值下降的百分比更为显著，说明了两种植物处于0℃条件时受到的损伤更为严重。

图1　不同条件下植物的Fv/Fm变化图

2.2不同温度和处理时间下两种植物快速光曲线分析

不同植物在不同温度、不同时间处理下的快速光曲线具有巨大差异。表观光合电子传递速率（ETR）是反映实际光强下的表观电子传递，同时也是表示植物光合能力大小的有效参数[13]。在低温胁迫处理期间，两种植物的ETR在相同PAR下呈下降趋势，说明低温胁迫降低了两种水生植物对光能的利用能力。凤眼莲的ETR下降趋势较之铜钱草更明显，说明低温对凤眼莲的胁迫作用比对铜钱草的强。

图3　不同条件下植物的最大电子传递速率（rETRm)和半饱和光强(Ek)

同一种植物的rETRm和Ek值在正常条件下都显著高于低温处理条件下（p<0.05），其中在温度最低、处理时间最长条件下达到极显著水平（p<0.01）（图3）。对于两种植物在相同处理条件下，铜钱草的rETRm和Ek的下降趋势较凤眼莲明显。可知铜钱草应更能适应低温环境。

图4　植物的恢复Fv/Fm变化曲线

2.3两种植物恢复处理后Fv/Fm的比较

由图4可以看出，8℃处理过的凤眼莲和铜钱草经过1d，3d，5d，7d的恢复培养后，其Fv/Fm值的下降百分比逐渐回升，基本恢复到正常值，4℃处理过的凤眼莲和铜钱草经过1d，3d，5d，7d的恢复培养后，其Fv/Fm值的下降百分比也逐渐回升；0℃处理过的凤眼莲和铜钱草，经过1d，3d，5d，7d的恢复培养后，Fv/Fm值下降百分比回升速度较4℃处理更慢；由图4可以看出随着恢复培养时间的增长，凤眼莲和铜钱草的Fv/Fm值逐渐趋向正常值，恢复7d时8℃处理过的凤眼莲和铜钱草基本完全恢复到正常，4℃与0℃处理过的凤眼莲和铜钱草的Fv/Fm值虽仍未回到正常值水平但恢复趋势十分明显（P<0.05),且4℃处理的凤眼莲和铜钱草恢复速度显著高于0℃处理过的凤眼莲和铜钱草。另一方面，同时结合处理时凤眼莲和铜钱草的Fv/Fm值下降的百分比可以看出，铜钱草的恢复速度显著快于凤眼莲。