温度对木薯叶片叶绿素荧光及Rubisco酶的影响

2017-02-10张振文林立铭余厚美李开绵陈松笔

江西农业学报 2017年1期

关键词：光化学木薯光合作用

张振文，林立铭，余厚美，李开绵，陈松笔

(中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所/农业部木薯种质资源保护与利用重点实验室/国家薯类加工技术研发分中心，海南儋州 571737)

温度对木薯叶片叶绿素荧光及Rubisco酶的影响

张振文，林立铭，余厚美，李开绵，陈松笔*

(中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所/农业部木薯种质资源保护与利用重点实验室/国家薯类加工技术研发分中心，海南儋州 571737)

木薯；叶片；叶绿素荧光；温度；Rubisco

光合生理是淀粉积累和产量形成的生物学基础，其生理生态过程一直是植物应用基础研究的一个重要领域。随着新型的叶绿素荧光动力学技术的发展和应用，这种快速、无损伤、能较好地反映植物叶片光合功能的技术，已经成为研究植物叶片光合生理过程的重要技术手段，在植物叶片光合生理和抗逆性研究中得到广泛的应用[1-4]。植物叶绿色荧光绝大部分是由光合系统Ⅱ天线叶绿素a发出的，与光合作用过程的各个步骤密切偶联，任何一步的变化都会影响到光合系统Ⅱ(PSⅡ)，从而引起荧光变化，进而反映了光合作用过程的变化，是光合作用的有效探针[5]。研究表明，荧光参数与温度关系密切，在低温胁迫下木薯叶片叶绿素含量和荧光参数出现不同程度的差异[6-8]，且不同品种间存在显著性差异[9]，同时诱导叶绿素荧光还可以有效地降低叶片花叶病发病程度[10]。同样，作为木薯叶光合作用中关键酶之一的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)，其活性和表达量也受温度的影响，与净光合速率基本保持一致[11]，但在高温胁迫下不同品种间的叶片叶绿素荧光参数和光合系统中所需Rubisco的表达情况如何，尚不清楚。

为此，本文以木薯盆栽苗为研究对象，探讨了叶片叶绿素荧光在不同温度条件下的变化，分析不同品种在不同温度下其光合生理和Rubisco酶表达情况，有利于了解木薯苗期叶片对温度的耐受能力，为木薯高产栽培技术提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料来源于中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所木薯种质资源圃保存的3个品种，分别是华南5(ManihotesculentaCrantz. cv. M. South China 205，SC205)、华南8号(ManihotesculentaCrantz. cv. M. South China 8，SC8)和从泰国引进的KU50，以及从国际热带农业中心(CIAT)引进的野生木薯(ManihotglazioviiMueller von Argau，Wild)。

1.2 实验方法

Fv=Fm-F0

1.2.2 蛋白质印迹块根总蛋白提取参考庄盈婷[12]的丙酮沉淀法，抗体使用试剂盒(Agrisera公司生产)。

1.3 统计与分析

采用Sigmaplot 11.0软件制作图表，利用Gel-Pro Analyzer 4.0分析蛋白质印迹，并利用SAS 8.1软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 光化学量子效率

图1 不同木薯品种最大光量子产量比较

然而，从实际光化学量子效率PhiPS2(ΦPSⅡ)来看，KU50和Wild在不同温度条件下，其PhiPS2均显著高于栽培中的SC205和SC8(图2)，且达到极显著差异(表1)，可见国内主要栽培品种SC205和SC8的实际光能利用率不高，远低于KU50和Wild。此外，在25 ℃条件下，SC205和SC8叶片的PhiPS2极显著高于其他温度条件，说明25 ℃是该品种木薯苗期叶片光合作用较为适应的温度，适应我国木薯种植地的气温条件。

表1 不同品种木薯苗期叶片荧光参数方差分析

表2 不同温度木薯苗期叶片荧光参数方差分析

图2 不同木薯品种实际光量子产量比较

2.2 光化学淬灭系数

光化学淬灭(qP)反映PSⅡ天线色素分子吸收光能后，用于光化学电子传递的份额，因此也反映了色素天线吸收的光能用于光合电子传递的变化，由光合作用引起的荧光淬灭，反映了光合活性的高低[14]；同时，qP也反映PhiPS2初级电子受体(QA)氧化还原状态的变化。要保持高的光化学淬灭，就要使PSⅡ反应中心处于开放状态。本研究发现，qP在KU50和Wild的叶片中极显著高于SC205和SC8(图3-A)，与PhiPS2的变化基本一致，且不同温度条件下qP差异不显著，说明KU50和Wild对环境适应性较强。SC205和SC8这2个品种却在25 ℃时才表现出较高的光化学活性，并在45 ℃时达到最低水平(图3-A)，说明高温对这2个品种苗期叶片光合十分不利，处于光抑制状态。

在非光化学猝灭(NPQ)系数中，NPQ反映了由于内囊体膜内基质酸化而引起的内囊体膜能化的能量耗散，能量耗散主要发生在天线色素上，跨类囊体膜质子梯度的形成是引起NPQ变化的必要条件，反映了植物过剩光能。本研究发现，25 ℃下，叶片剩余的光能较多，而45 ℃时相对较少，说明叶片吸收后的光能未能被充分利用，其中KU50和Wild叶片的NPQ在不同温度条件下均极显著高于SC205和SC8(图3-B，表1)，说明这2个品种的光补偿点低于常规栽培品种SC205和SC8。

图3 光化学和非光化学淬灭系数

2.3 Rubisco差异表达分析

一直以来，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是探讨作物光合机理的重要限速酶，存在于叶绿体基质中，是C3植物光合作用的关键羧化酶，催化CO2固定和参与光呼吸。研究表明：增强Rubisco酶活力是提高光合作用的重要途径，而环境温度是影响其活化状态的主要原因[15]。木薯是一种高光效的热带作物，含有一定的量Rubisco酶。本研究表明，随着温度的升高4个品种对温度的响应存在差异。在45 ℃高温下，KU50和野生品种叶片中Rubisco酶具有较高的表达，且野生品种(Wild)在45 ℃条件下，其表达量极显著高于25 ℃，但栽培种SC8和SC205在45 ℃时Rubisco表达量最低；在15 ℃低温下，SC205的Rubisco表达量最高，并呈现随着温度升高而降低的趋势(图4)。

3 结论与讨论

3.1 温度对荧光参数的影响

图4 不同温度下木薯叶片Rubisco差异表达分析

3.2 温度对Rubsico酶活性的影响

Rubisco酶是光合碳同化作用的关键酶，是调节光合和光呼吸，从而决定净光合的一个关键酶，具有热不稳定性，其羧化、加氧活性受环境温度影响十分明显[20]。多数研究表明，影响植物光合作用的各种生态因子都通过Rubisco而起作用[21]。本研究表明，随着温度的升高，野生品种叶片中Rubisco表达的量增加，说明野生种适应高温条件，这与野生种高温条件叶片的高荧光效率相一致。对于栽培种，一般认为光合最适温度为25 ℃，但3个栽培品种仅有SC8的Rubisco表达量在25 ℃时达最高，而KU50甚至出现最低，这很可能是不同品种Rubisco活化酶(RCA)对温度的响应并不一致[21]。

由此可知，木薯叶片叶绿素荧光效率与温度和品种密切相关，而叶片叶绿素荧光效率可以间接地反映RCA含量的变化情况，也间接反映出Rubisco酶的活性。然而，木薯叶片中还存在另一个碳同化的途径，不同温度条件下，这2个碳同化途径是如何协同调节木薯叶片的光合作用有待进一步研究。

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(责任编辑：曾小军)

Effects of Temperature on Chlorophyll Fluorescence Parameters and Rubisco Activity in Cassava Leaves

ZHANG Zhen-wen, LIN Li-ming, YU Hou-mei, LI Kai-mian, CHEN Song-bi

(Institute of Tropical Crop Genetic Resources, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of Conservation and Utilization of Cassava Genetic Resources, Ministry of Agriculture / National Center of Potato Processing Technique Research and Development, Danzhou 571737, China)