银杏叶片衰老过程中叶绿体光合能力的变化

摘 要：以大田栽培的十年生雌性银杏植株为实验材料，研究自然条件下叶片衰老过程中叶绿体光合能力的变化.结果表明：叶绿体的光合能力随叶片的衰老持续下降，总叶绿素含量迅速下降，类胡萝卜素含量没有明显变化，而类胡萝卜素与叶绿素比值呈上升趋势，在衰老末期较为显著;叶绿体中ATP含量、叶绿体放氧活性、电子传递活性、光合磷酸化活性、Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase的活性均下降，且Ca2+-ATPase活性明显弱于Mg2+-ATPase活性;叶绿体内SOD，POD，APX和 CAT四种抗氧化保护酶活性均呈先升后降的趋势，衰老后期活性最高，衰老末期四种抗氧化保护酶活性同时大幅下降，叶绿体在叶片衰老过程中具有较强活性氧清除的酶促能力.

关键词：银杏;叶片衰老;光合能力

[中图分类号]Q948   [文献标志码]A

Changes in Photosynthetic Abilities in the Chloroplastsof Ginkgo Leaves During Senescence

YANG Xiansong

（College of Food and Bio-engineering， Bengbu University， Bengbu 233030，China）

Abstract：Changes in photosynthetic abilities in the chloroplasts of 10-year-old female ginkgo leaves during senescence were studied in the field under natural environmental conditions. The results showed that the photosynthetic abilities gradually decreased as the leaves senesced， the content of total chlorophyll decreased rapidly while the contents of carotenoids changed little during， but the ratio of carotenoids / chlorophyll increased， particularly in the final senescence. The content of ATP， the activity of O2 evolution of chloroplasts， the electron transport activities， the activity of photo-phosphorylation and the activity of Ca2+-ATPase and Mg2+-ATPase declined as the leaf senesced， and the activity of Ca2+-ATPase was significantly lower than that of Mg2+-ATPase. The activities of the antioxidative enzymes， such as superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD）， ascorbate peroxidase （APX） and catalase （CAT） were strengthened then declined， peaked in the late senescence. Until the final senescence， activities of four kinds of enzymes were decreased significantly. The antioxidant enzyme system plays a key role in elimination of reactive oxygen species from leaf expansion to late senescence.

Key words：Ginkgo （Ginkgo biloba L.）; leaf senescence; photosynthetic abilities

银杏（Ginkgo biloba L.）是现存裸子植物银杏目中独科独属独种的孑遗植物，为我国特有的珍稀植物资源.[1]银杏在植物系统演化研究中具重要地位，被达尔文称为“活化石”.银杏作为传统中药在我国有千年以上历史，银杏叶提取物作为药剂已大量应用于心脑血管疾病的治疗.[2]本试验以银杏为试材，研究自然条件下银杏叶片衰老进程中叶绿体光合能力的变化特性，为银杏的栽培和田间管理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料采用江苏省江都林业管理站大田栽培的十年生雌性银杏植株，田间试验为每年的7月中旬-11月中旬.每隔一个月采样一次.

1.2 方法

可溶性蛋白含量测定参考Bradford[3]的方法.光合色素含量的测定、叶绿体放氧活性的测定、叶绿体光合磷酸化活性的测定、叶绿体ATP含量的测定、类囊体膜电子传递活性的测定均参考杨贤松[4]的方法.叶绿体ATP酶活性的测定、Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase的活性参考Vallejos[5]的方法.SOD，POD，APX及CAT的活性均参考杨贤松[6]的方法测定.

2 结果与分析

2.1 可溶性蛋白含量的变化

葉片衰老进程中，可溶性蛋白含量先升后降，衰老前期（8月）含量最多，末期（11月）最少（图1）.

2.2 光合色素含量的变化

叶片衰老进程中，总叶绿素含量逐渐下降，

衰老末期（11月）最少，而类胡萝卜素含量没有明显变化（图2 ）.类胡萝卜素与叶绿素比值呈先升高后趋于平稳再显著上升的趋势（图3）.

2.3 银杏叶绿体光合磷酸化活力的变化

叶片衰老进程中，银杏叶绿体光合磷酸化活性逐渐降低，衰老中后期降幅较为明显（图4）.

2.4 银杏叶绿体ATP含量的变化

叶片衰老进程中，ATP含量逐渐下降，衰老初期（7月）含量最多，末期（11月）最少（图5）.

2.5 银杏叶绿体ATPase活力的变化

叶片衰老进程中，叶绿体Mg2+和Ca2+ -ATPase活性均降低，Ca2+ -ATPase活性明显弱于Mg2+-ATPase活性（图6）.

2.6 银杏叶绿体放氧活性的变化

叶片衰老进程中，叶绿体放氧活性直线下降，衰老初期（7月）活性最高，末期（11月）最低（图7）.

2.7 类囊体膜电子传递活性的变化

叶片衰老进程中，PSII、PSI和全电子链的电子传递活性均降低，衰老初期（7月）活性最高，末期（11月）最低（图8）.

2.8  抗氧化保护酶活性的变化

叶片衰老进程中，SOD，APX，POD和 CAT四种抗氧化保护酶活性均呈先升后降的趋势，衰老后期（10月）活性最高（图9）.

3 讨论

研究结果表明，银杏叶片衰老进程中光合电子传递活性的降低导致叶绿体光合磷酸化和光合放氧活性下降，叶绿体光能吸收能力的减弱导致叶片光合功能的衰减，银杏叶片衰老进程中叶绿体的光合能力不断降低.

蛋白质降解是叶片衰老的典型特征之一[7]，且易降解的蛋白质大多为可溶性蛋白质，这些蛋白质在细胞里一般以酶的形式存在，其中跟光合作用有关的RuBP 羧化酶大约占叶片可溶性蛋白的一半左右.[8]可溶性蛋白质含量的动态改变，意味着以RuBP羧化酶为主的细胞内各种酶含量的动态改变.本研究显示，在叶片衰老进程中，银杏叶片可溶性蛋白含量呈下降态势.

叶绿素参与光合作用中光能的吸收、传递及转化，叶片叶绿素处于合成代谢和降解代谢的动态改变中，通常在叶片衰老进程中叶绿素的降解速率大于合成速率.[9-10]本研究显示，银杏叶片叶绿素含量在衰老期显著下降.

叶片衰老进程中光合电子传递活性的改变必然对光合放氧及光合磷酸化活性发挥重要影响.[11]本研究显示，在叶片衰老进程中，银杏叶片PSI、PSII及全电子链的电子传递活性都随叶片衰老而降低，叶绿体放氧活性也随叶片衰老而降低，推断放氧活性降低可能是由于电子传递活性降低所致.

光合磷酸化活性的强弱反映了叶绿体在光照条件下合成ATP的能力，也代表了叶绿体光能转化特性.[11]本研究显示，在叶片衰老进程中，银杏叶片叶绿体光合磷酸化活性逐渐降低，进而导致叶绿体ATP含量在叶片衰老进程中不断降低，说明叶绿体光能转化效率在叶片衰老进程中也逐渐下降.叶绿体ATPase跟叶绿体膜结合形成复合蛋白，在催化光合磷酸化过程中发挥着积极作用.[11]本研究显示，在叶片衰老进程中，银杏叶片叶绿体Ca2+-ATPase和Mg2+-ATPase的活性显著下降，说明ATP酶催化光合磷酸化反应的能力降低.本研究结果还显示，叶绿体电子传递活性与其光合磷酸化的活性同步降低，表明叶绿体光合电子传递的衰减跟光合磷酸化是同步的，进一步证明光合电子传递的衰减是导致光合磷酸化活性降低的重要原因.

植物具有完善的清除活性氧的防卫系统，让体内产生和清除活性氧处于动态平衡.[11]本研究显示，在叶片衰老进程中，银杏叶片叶绿体中四种抗氧化保护酶活性都先升后降（图8）.说明银杏叶绿体在叶片全展后至衰老后期均具有较高的活性氧清除酶促能力.直到衰老末期（11月）SOD，POD，APX和 CAT四种酶的活性一起大幅下降，H2O2不能被及时清除，在叶绿体内快速积累，加剧了叶绿体的衰老.类胡萝卜素作为一种强抗氧化剂，既参与光能的捕获，又参与单线态氧的猝灭.[12]本研究显示，在叶片衰老进程中，尽管类胡萝卜素含量变化很小，但类胡萝卜素与叶绿素比值却先升后平稳再显著上升.因此，在银杏叶片衰老进程中，类胡萝卜素在避免过剩激发能对光合系统的损伤上发挥重要作用.

参考文献

[1]杨贤松，谢海伟，柯春林，等. 银杏叶片衰老过程中的叶绿素荧光动力学[J]. 光谱实验室， 2012， 29（6）： 3483-3486.

[2]杨贤松. 银杏叶片生长和衰老过程中叶绿体超微结构的变化[J]. 电子显微学报， 2014， 33（4） ： 363-367.

[3]Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding[J]. Analytical Biochemistry，1976，72： 248-254.

[4]杨贤松，田长城，李亮，等. 银杏叶片生长过程中叶绿体光合能力的变化[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版， 2016， 95（2）：55-58.

[5]Vallejos R.H.， Arana J.L. and Ravizzini R.A. Changes in activity and structure of the chloroplast proton ATPase induced by illumination of spinach leaves[J]. Journal of Biological Chemistry，1983， 258： 7317-7321.

[6]杨贤松. 银杏叶片生长和衰老过程中叶绿体光合能力的变化及其叶绿素荧光动力学研究[D]. 南京：南京师范大学，2010.

[7]张静，安文和. 试述植物衰老的原因 [J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版， 1995 （2）： 49-51.

[8]Patterson T.G.， Moss D.N. and Brun W.A. Enzymatic changes during the senescence of field-grown wheat[J]. Crop Science. 1980， 20： 15-18.

[9]Thomas H. Chlorophyll： a symptom and a regulator of plastid development[J]. New Phytologist，1997，136： 163-181.

[10]魏晓东，陈国祥，徐艳丽，等. 银杏叶片衰老过程中光合生理特性及叶绿体超微结构的变化[J]. 植物研究， 2008， 28（4） ： 433-437.

[11]陈晓亚，薛红卫. 植物生理与分子生物学：第4版[M]. 北京：高等教育出版社，2012：515-516.

[12]Edge R.， McGarvey D.J. and Truscotte T.G. The carotenoids as antioxidants[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology B： Biology，1997， 41：189-200.

編辑：琳莉