风箱果和紫叶风箱果叶片光系统Ⅱ功能对秋季低温的响应1)

曲丽娜 许楠 张会慧

(大庆师范学院，黑龙江省·大庆市，163712) (黑龙江省科学院自然与生态研究所) (东北农业大学)

我国北方地区纬度高，季节性温度变化幅度较大，秋季低温胁迫是影响我国北方地区园林植物观赏效果的重要因素之一，秋季的突然降温会明显缩短观赏植物的观赏期，降低观赏效果；另外，秋季低温时期，光合产物的积累量也是植物能够正常越冬及春季快速返青的关键。因此，延长我国北方高寒地区秋季低温胁迫下树木的观赏期，提高观赏植物叶片抗低温能力尤为重要。植物的光合作用是对低温胁迫比较敏感的过程之一，低温胁迫会引起植物叶绿素合成受阻，甚至导致其结构遭到破坏[1-3]，气孔导度降低[4-5]、光合作用过程中酶的活性降低，CO2的同化受阻[6-7]。低温胁迫时，植物光合能力受限制，常受气孔因素和非气孔因素的共同限制[8-9]。而植物的光合作用非气孔因素限制中，光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心活性的降低，被认为是对低温胁迫最为敏感的部位之一[10-11]，主要表现为电子传递速率降低、放氧复合体(OEC)的锰簇脱落，导致PSⅡ反应中心电子供体侧水的不完全裂解，电子供应能力降低，PSⅡ反应中心电子受体侧电子传递受阻，特别是D1蛋白的降解导致电子由初级电子受体(QA)向次级电子受体(QB)的传递受阻[12]，这些原因均是导致植物叶片光系统中活性氧(ROS)爆发的关键[13-14]。因此，保证低温胁迫时植物叶片的PSⅡ反应中心功能，是提高植物叶片抗低温胁迫的前提。

风箱果(PhysocarpusamurensisMaxim)具有观花观叶的双重效果，并且风箱果已经被我国列入濒危保护植物[15]。紫叶风箱果(Physocarpusopulifolius“Diabolo”)是风箱果属的一种彩叶观赏植物，目前已经培育出较多的栽培品种[16]；近年我国从北美引入了紫叶风箱果以观赏性花灌木作为庭院观赏、路篱、镶嵌材料等，在我国园林绿化中发挥重要的作用。目前，关于风箱果属植物逆境方面的研究，主要集中在干旱[17]、淹水[18-19]、遮阴弱光[20]等方面，对于不同品种风箱果属光合能力抗寒性方面的研究较少。为此，本试验研究了风箱果和紫叶风箱果叶片的光合PSⅡ反应中心功能和活性氧含量对秋季低温胁迫的响应，旨在为风箱果属植物的合理栽培及在高寒地区的引种推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

试验于2016年在东北农业大学进行，试验材料为黑龙江省森林植物园提供的风箱果和紫叶风箱扦插苗。其中，风箱果的母树来源于黑龙江省尚志市帽儿山，紫叶风箱果的母树来源于加拿大。扦插成活的幼苗移植于开口直径28 cm、底直径15 cm、高20 cm的塑料花盆中，每盆定植1株，培养基质为草碳土，室外自然环境培养，定期浇水除草，保持土壤相对含水率约为土壤田间持水量的60%～80%。

秋季低温胁迫试验于2016年9月26日—10月6日进行。此时黑龙江省处于秋季温度变化剧烈时期，试验材料于室外自然温度下处理，处理过程中大气最低气温和最高气温变化见表1。

表1 秋季处理过程中大气最低气温和最高气温的变化

1.2 测定项目和方法

快速叶绿素荧光诱导动力学(OJIP)曲线的测定：分别于8月1日(常温对照)和9月26日—10月6日每天上午10:00左右，选择不同处理的风箱果和紫叶风箱果当年新生枝条顶部第2片完全展开叶，利用暗适应夹对待测叶片进行30 min暗适应；然后，利用Handy-PEA叶绿素荧光仪测定叶片的OJIP曲线；每个测定均5次重复。OJIP曲线由3 mmol·m-2·s-1的脉冲红光诱导，相对荧光强度的记录从10 μs开始至1 s结束，利用5次重复的平均值绘制OJIP曲线。OJIP曲线上O、J、I、P点，分别为0.01、2、30、1 000 ms对应的时间。为分析不同温度处理对风箱果和紫叶风箱果叶片PSⅡ电子受体侧电子传递情况的影响，按公式VO-P=(Ft-Fo)/(FP-Fo)将O-P曲线标准化(式中：VO-P为OJIP曲线上各点的相对可变荧光强度，Ft为OJIP曲线上各点的相对荧光强度，Fo为OJIP曲线上O点的相对荧光强度，FP为OJIP曲线上P点的相对荧光强度)，即将O点的相对荧光强度定义为0，P点相对荧光强度定义为1，绘制标准化O-P曲线，并求得J点(2 ms)相对可变荧光强度(VJ)。为分析不同温度处理的2种风箱果叶片放氧复合体(OEC)活性和类囊体解离状态的影响，按公式VO-J=(Ft-Fo)/(FJ-Fo)将O-J曲线标准化(式中：VO-J为O-J曲线上各点的相对可变荧光强度，Ft为O-J曲线上各点的相对荧光强度，Fo为OJIP曲线上O点的相对荧光强度，FJ为OJIP曲线上J点的相对荧光强度)，按公式VO-K=(Ft-Fo)/(FK-Fo) 将O-K曲线标准化(式中：VO-K为O-K曲线上各点的相对可变荧光强度，Ft为O-K曲线上各点的相对荧光强度，Fo为OJIP曲线上O点的相对荧光强度，FK为OJIP曲线上K点的相对荧光强度)，并绘制标准化O-J曲线、O-K曲线，求得K点(0.3 ms)、L点(0.15 ms)的相对可变荧光强度(VK和VL)[21]。对OJIP曲线分析求得PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和以吸收光能为基础的PSⅡ性能指数(PIABS)。

1.3 数据处理方法

运用Excel(2003)和SPSS(22.0)软件进行数据统计分析，采用单因素方差分析和最小显著差异法比较不同数据组间的差异。

2 结果与分析

2.1 常温时两种植物叶片的OJIP曲线及相关叶绿素荧光参数

由图1可见：常温(8月1日)时，风箱果和紫叶风箱果叶片的OJIP曲线形态相似，并且各点相对荧光强度均无明显差异。由表2可见：风箱果和紫叶风箱果在常温时，各叶绿素荧光参数Fv/Fm、PIABS、VJ、VK、VL差异均不显著。

2.2 秋季低温胁迫时两种植物表型及观赏效果

由图2可见：紫叶风箱果叶片呈深紫色，可以作为优良的彩叶观赏树种。秋季低温胁迫时，风箱果叶片明显变黄，并且出现黑班，表现出明显的冻害特征；秋季低温胁迫时，紫叶风箱果叶片表型与常温时比较，没有发生明显的变化，没有表现出明显的冻害，仍具有较好的观赏效果。

图1 常温时风箱果和紫叶风箱果叶片的OJIP曲线

表2 常温时风箱果和紫叶风箱果叶片的叶绿素荧光参数

注：表中数据为“平均值±标准差”。

图2 风箱果和紫叶风箱果在常温(8月1日)和低温(10月6日)时的表型

2.3 秋季低温胁迫时两种植物叶片的OJIP曲线变化

由图3可见：与常温(8月1日)时相比，秋季低温胁迫时风箱果和紫叶风箱果叶片的OJIP曲线形态均发生了明显的变化，O点相对荧光强度变化较小，而P点的相对荧光强度则整体表现为降低趋势；即低温胁迫时，风箱果和紫叶风箱果叶片的OJIP曲线变得相对更为平缓。但是，风箱果和紫叶风箱果叶片的OJIP曲线变化幅度明显不同，风箱果叶片的OJIP曲线变化幅度明显大于紫叶风箱果。

图3 风箱果和紫叶风箱果叶片的OJIP曲线

2.4 秋季低温胁迫时两种植物叶片的PSII光化学效率变化

由图4A可见：9月30日前，风箱果和紫叶风箱果叶片的Fv/Fm没有随着气温的变化而变化；从10月1日开始，虽然大气最高气温无明显变化，但此时最低气温开始大幅降低，此时风箱果叶片的Fv/Fm开始降低；10月3日后，不但大气最低气温进一步降低，而最高气温也开始剧烈下降，此时风箱果叶片的Fv/Fm开始急剧降低，并且10月6日时风箱果叶片的Fv/Fm降低到了0.55。在整个处理过程中，紫叶风箱果叶片的Fv/Fm没有发生大幅度的变化，并且在处理结束时仍未降低到0.8以下。由图4B可见：与Fv/Fm变化不同，在整个低温处理过程，风箱果和紫叶风箱果叶片的PIABS变化幅度较大。虽然在常温时(见表2)风箱果和紫叶风箱果叶片的PIABS无显著差异；但风箱果PIABS对低温极为敏感，秋季低温胁迫时，风箱果叶片的PIABS显著低于紫叶风箱果，并且随着大气温度的降低，风箱果叶片的PIABS进一步降低。

图4 秋季低温胁迫时风箱果和紫叶风箱果叶片的Fv/Fm和PIABS

2.5 秋季低温胁迫时两种植物叶片的标准化OJIP曲线和J点相对可变荧光强度变化

由图5A、B可见：将不同处理OJIP曲线标准化后，与常温(8月1日)时相比，秋季低温胁迫时风箱果叶片的标准化OJIP曲线的相对可变荧光曲线变化幅度均明显大于紫叶风箱果，并且秋季低温胁迫时标准化OJIP曲线主要表现为2 ms处J点相对可变荧光强度(VJ)的增加，但风箱果和紫叶风箱果的差异却明显不同。定量分析J点相对可变荧光强度变化(见图C)：秋季低温胁迫时，风箱果叶片的VJ明显高于紫叶风箱果；但在低温胁迫前期(10月1日前)，风箱果和紫叶风箱果叶片VJ的变化幅度相似，在10月1日后，风箱果叶片VJ开始迅速增加，紫叶风箱果仍保持小幅度的变化。

图5 风箱果和紫叶风箱果叶片的标准化OJIP曲线和J点相对可变荧光强度变化

2.6 秋季低温胁迫时两种植物叶片的标准化O-J曲线和K点相对可变荧光强度变化

由图6A、B可见：秋季低温胁迫时，风箱果叶片的标准化O-J曲线的差异程度明显大于紫叶风箱果，特别是标准化O-J曲线上0.3 ms处，即K点的相对可变荧光强度变化幅度明显大于紫叶风箱果。定量分析VK的变化(见图6C)：秋季低温胁迫时，风箱果叶片的VK明显高于紫叶风箱果，紫叶风箱果叶片的VK在整个处理过程中变化幅度较小；风箱果叶片VK在低温胁迫后期开始逐渐增加，并且随着低温时间的延长，风箱果和紫叶风箱果叶片VK差异程度增加。

2.7 秋季低温胁迫时两种植物叶片的标准化O-K曲线和L点相对可变荧光强度变化

由图7A、B可见：秋季低温胁迫时，风箱果和紫叶风箱果叶片标准化O-K曲线上0.15 ms处，即L点的相对可变荧光强度(VL)出现明显的差异，并且风箱果叶片的VL差异程度明显大于紫叶风箱果。定量分析结果(见图7C)表明：在整个处理过程中，紫叶风箱果叶片VL的变化幅度较小，仅在10月1日处有小幅增加，并且均明显低于风箱果。在10月3日后温度持续降低过程中，风箱果叶片的VL呈明显的增加趋势，而紫叶风箱果仍没有发生明显变化。

图6 风箱果和紫叶风箱果叶片的标准化O-J曲线和K点相对可变荧光强度变化

图7 风箱果和紫叶风箱果叶片的标准化O-K曲线和L点相对可变荧光强度变化

2.8 秋季低温胁迫时两种植物叶片的产生速率和H2O2质量摩尔浓度

表3 秋季低温胁迫时风箱果和紫叶风箱果叶片的产生速率和H2O2质量摩尔浓度

注：表中数据为“平均值±标准差”；数据后，同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3 讨论

本试验中，常温(8月1日)时，风箱果和紫叶风箱果叶片的OJIP曲线形态及各叶绿素荧光参数均无显著差异，即常温时风箱果和紫叶风箱果叶片的PSⅡ功能无显著差异。但是秋季低温胁迫时，随着温度的变化，风箱果和紫叶风箱果叶片的OJIP曲线及各叶绿素荧光参数变化幅度差异较大，主要表现为：风箱果叶片P点相对荧光强度的降低幅度明显大于紫叶风箱果，但O点相对荧光强度的影响较小，从而导致风箱果叶片的Fv/Fm在秋季温度降低时的下降幅度明显大于紫叶风箱果。除此之外，风箱果叶片的PIABS在秋季低温初期明显低于紫叶风箱果，并且其值在整个低温胁迫期间的降低幅度也明显大于紫叶风箱果。Fv/Fm和PIABS均是表示植物叶片PSⅡ光化学活性的重要指标，因此，本试验结果说明，秋季低温胁迫对风箱果叶片的PSⅡ光化学活性影响明显大于紫叶风箱果，特别是PIABS对低温的响应更为敏感，即在研究逆境下植物叶片PSⅡ活性，利用PIABS更具有代表性，这与文献[24]的研究结果一致。

4 结论

秋季低温胁迫时，紫叶风箱果叶片的PSII光抑制程度明显小于风箱果，其原因主要是紫叶风箱果叶片PSII供体侧OEC的活性及受体侧电子传递能力受低温胁迫的影响程度明显小于风箱果。秋季低温胁迫时，风箱果叶片光合作用介导的ROS爆发会进一步反馈抑制其PSII活性，而紫叶风箱果在秋季低温胁迫时ROS含量明显低于风箱果。引种紫叶风箱果，不但具有彩叶观赏效果，而且在我国北方地区秋季低温胁迫时不易发生冻害，能保持相对较长时间的观赏期，可以考虑在我国北方地区引种栽培。