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叶绿素含量对C3、C4植物叶绿素荧光参数的影响

2021-04-12张雨斯

草原与草业 2021年1期
关键词:苜蓿光合作用叶绿素

张雨斯

(内蒙古师范大学地理科学学院,呼和浩特 010022)

1 引言

在叶绿体内进行的光合作用是地球上最大的化学反应。由于植物拥有不同的光合途径,所以使其各自具有独特的生理特性和外在表现。根据光合作用中同化CO2的最初产物不同,植物可大体分为C3植物、C4植物和景天酸CAM植物。陆地植物中绝大多数是C3植物,C3植物在光合细胞中通过核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶直接固定大气中的CO2。C4植物的光合作用过程是在叶肉细胞和维管束鞘细胞中分开进行的。C3植物与C4植物在地理分布上的差异,增加了资源利用效率和物种的共存概率[1]。因此,对于C3、C4植物的生理生态学研究是非常必要的。叶绿素荧光(Chlorophyll fluorescence, ChF)动力学现象是由学者Kautsky和Hirsch在1931年第一次用肉眼发现的,自此之后直到20世纪80年代才将叶绿素荧光动力学作为一种技术运用在光合作用研究中。光合作用中叶绿素吸收的光能主要有光化学反应、热耗散和以荧光形式发射三种可能去向,这三种方式的量子产量总和为1,这就导致3个过程之间不是单独存在而是具有一定的竞争力。这3个过程由于仅前两个过程可受调节,所以荧光的强度取决于光合作用速率和热量耗散速率。因此,测量ChF可以提供量化光合系统效率和热量耗散的宝贵信息[2]。ChF与植被光合作用活力和生物产量密切相连,被认为是植被光合速度的早期指示剂。有关叶片光合作用最早是通过探测“表观性”的叶片气体交换的方式,利用气体分析系统测定光合速率和表观光合量子需要量。与气体交换参数相比,ChF技术可以反应“内在性”的光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等特点[3]。如果将气体交换参数相当于在叶片表面进行研究,那么叶绿素荧光参数就相当于深入叶片内部的细胞中对内部能量进行探究,是一种天然的探针。

叶绿素含量(Chl)是农业及植物学等相关领域经常需要监测的生理性指标。叶绿素含量与叶片光合作用能力密切相关。近年来,随着测量仪器和理论的不断发展,Chl和ChF测量技术也在不断改进。CCM-300叶绿素含量仪不需破碎细胞,不伤害生物体,利用遥感原理可直接获得叶片Chl。便携式OS5P+采用独特的调制-饱和-脉冲技术,可选择性的原位测量ChF,以此来检测植物光合作用的变化。OS5P+的调制测量光足够低,可以只激发色素的本底荧光,而不引起植物任何的光合作用,这保证了基础荧光Fo的准确性。高灵敏度和选择性,使其在野外或实验室内很高的外部光强下也可准确测定叶绿素荧光参数。牧草叶片细小,与传统气体交换测定相比,叶绿素荧光监测接触面积较小,对叶室密封没有要求,使得叶片形状和大小对于测定影响小,因此叶绿素荧光监测更适用于牧草的研究,是一种简便、快捷、可靠的方法[4~6]。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

试验地选在内蒙古农牧科学院四子王旗基地,地处41°47′15″N、111°53′42″E,海拔高度为1450m(图1)。基地位于内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗中南部格根塔拉草原,该地区属于典型的中温带大陆性气候,历年降水量在110~350 mm之间,其中5~9月(植被生长季)降水量约占年降水总量的80%以上;年平均温度3.4℃,6~8月平均气温最高。格根塔拉草原属于荒漠草原,植被低矮、稀疏,平均高度为8cm,覆盖率仅为12%~25%,主要由20多种植物组成。

图1 研究区概况

2.2 试验材料

农科1号木地肤[Kochiaprostrata(L.) Schrad .cv. Nongke No.1]为荒漠地区牲畜的优良饲草,抗旱、耐寒,适应范围广,各类牲畜均喜食。因其春季返青较早、冬季残株保存完好,所以对家畜春季恢复体膘有较大意义。黎科地肤属为多年生半灌木,高20~80cm,花期5~6月,果期7~8月,来源于内蒙古农牧业科学院,生长情况如图2-A所示。苜蓿(Medicagosativa)以“牧草之王”著称,产量高、草质优良,含有丰富的粗蛋白质和多种微量营养素,不仅可用于家畜饲养,也是人类最古老的食物之一。豆科苜蓿属为多年生草本植物,高30~100cm,花期5~7月,果期6~8月,广泛分布于西北、华北、东北等地,生长情况如图2-B所示。为保证供试植物生长环境条件的一致性,在试验基地选取生长于相同立地条件的2株木地肤和2株苜蓿,木地肤选取57片叶片,苜蓿选择53片叶片,分别进行标记后用于试验。

图2 木地肤、苜蓿现场照片

2.3 测定指标及方法

2.3.1叶绿素荧光参数

测定的叶绿素荧光(ChF)参数主要有光合有效辐射(PAR)、光合系统Ⅱ光量子产额Y(Ⅱ)、电子传递速率(ETR)等。在晴天无风的6月中下旬,使用美国OPTI-SCIENCES公司生产的OS5P+叶绿素荧光仪器,将叶片放置在固定激光探头的光合有效辐射(PAR)叶片夹上,对木地肤57片叶片和苜蓿53片叶片的相同位置进行ChF参数的测定。要确保叶片处于完全展开、稳定状态,在测量叶片过程中操作保持稳定,以使测量结果具有适当背景环境。Opti-Sciences为光适应Y(II)测量提供了“多重闪光协议”,使用8点0.25毫秒的滚动平均值来确定正确的FM′和异常值消除。

Y(Ⅱ)作为PSⅡ光量子产额,是快速光适应稳定状态的光适应测量,提供PSⅡ光化学中使用的光量子与PSⅡ相关的叶绿体吸收的光量子的比例;也可以看作是在当前具有淬灭机制的光合稳定状态环境下光系统Ⅱ的效益。选择Y(Ⅱ)测量模式进行测定,可以获得叶绿素荧光瞬时值(F’)、叶绿素荧光瞬时最大值(Fm’)、Y(Ⅱ)、ETR、PAR、温度(Temp)等荧光参数,每个参数重复10次,取均值,仪器自动保存数据。

2.3.2叶绿素含量(Chl)

在ChF测量结束后,采用美国OPTI-SCIENCES公司生产的CCM-300手持式叶绿素仪测量该叶片Chl。美国Optic公司根据Gitelson等的研究结果研制了CCM-300便携式叶绿素含量仪,利用荧光比值F735/F700进行计算。用仪器自带的叶片夹,夹在样本上、中、下部5个不同点,取平均值作为该样本最终Chl值,测量时尽量避开叶脉的影响。

2.3.3数据处理

试验数据均采用“平均值”的形式,剔除掉异常数据后运用Excel 2019进行统计分析及作图。

3 结果与分析

3.1 PAR与Y(Ⅱ)、ETR

试验在稳态的天气条件下进行,有关测量条件、样品数量、叶绿素含量(Chl)范围、叶片垂直叶面的温度、PAR值见表1。

表1 木地肤、苜蓿测量条件及叶绿素荧光参数间相关性(R2)

Y(Ⅱ)反映PSⅡ反应中心在有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率, 叶片不经过暗适应在光下直接测得。光合有效辐射(PAR)是指太阳辐射中能被绿色植物用来进行光合作用的那部分能量。Y(Ⅱ) 和ETR是2个广泛使用的ChF参数,用于测量植物的光化学和整体光合作用能力[7]。在野外测量中Y(Ⅱ)值是一个很有用的参数,利用叶片和光系统对光的吸收率来估计电子通过PSII的传输速率。Y(Ⅱ)值很容易受到周围环境光的影响,即使光合有效辐射(PAR)的变化很小,也可能发生很大变化。Y(Ⅱ) 值能够反应植物叶片光合电子传递速度(ETR)的快慢,ETR能够反映表观电子传递速度的快慢。因此,在自然环境中进行测量时,应结合使用在叶片表面准确测量PAR的设备来解释数据。PAR与Y(Ⅱ)之间,随着光合有效辐射值(PAR)的逐渐增大,Y(Ⅱ)值逐渐变小,说明两种植物在太阳光强辐射照射下PSⅡ光化学中实际使用的吸收光的比例逐渐变小,反映了非光化学淬灭系数(NPQ)的增加,这与植物会出现午休现象是相符合的[8]。图3表明,木地肤的PAR与Y(Ⅱ)对数拟合度R2=0.71,苜蓿的PAR与Y(Ⅱ)对数拟合度R2=0.81,都呈现出PAR值在500μmolm-2s-1附近Y(Ⅱ)值达到较高水平。

由于仪器直接测量PSⅡ电子传输的量子产率,因此可以使用吸收的PAR值以及PSⅡ和PSI截获的光份额直接计算电子传输速率。ETR高,说明植物叶片的PSⅡ反应中心的开放程度较高,具有较高的电子传递活性和光能转换效率。随着PAR值的不断增加,两种植物的ETR也在逐渐增大。由图4可以看出,木地肤的PAR与ETR对数拟合度R2=0.79,苜蓿的PAR与ETR对数拟合度R2=0.71,都呈现出PAR值在3000μmolm-2s-1附近ETR值达到较高水平,说明随着PAR值的增加电子传输速率以对数形式增加。随着PAR值的不断增加,C4植物木地肤的ETR与PAR之间的对数关系要优于C3植物苜蓿,C4植物木地肤相较于C3植物苜蓿具有较高的电子传递活性和光能转换效率,印证了C4植物一般比C3植物具有更高的光合作用效率、光合产量和生长速率的结论[9~10]。

图3 木地肤、苜蓿光合有效辐射(PAR)与光合系统[Y(II)]光量子产额之间的关系

图4 木地肤、苜蓿光合有效辐射(PAR)与电子传递速率(ETR)之间的关系

3.2 Chl/PAR与Y(II)、ETR

在考虑叶绿素含量的基础上,通过对比供试C4植物木地肤和C3植物苜蓿Chl/PAR与Y(II)、Chl/PAR与ETR之间的关系(图5、图6)发现,聚集在原本图3、图4中PAR值500μmolm-2s-1附近的点分散在了趋势线的两侧,其中苜蓿的Chl/PAR与Y(II)的对数关系R2=0.83,明显优于木地肤;苜蓿的Chl/PAR与ETR的对数关系R2=0.68,也优于木地肤。由此说明,在考虑叶绿素含量后C3植物苜蓿Y(II)、ETR与Chl/PAR之间的关系优于C4植物木地肤。叶绿素含量对叶绿素荧光参数起到了一定的修饰作用,使原本呈现的随着光合有效辐射(PAR)逐渐增大Y(Ⅱ)值逐渐变小的趋势,转变为随着Chl/PAR越大Y(Ⅱ)值逐渐变大的趋势;原本随着PAR值的不断增加两种植物的ETR逐渐增大的趋势,转变为随着Chl/PAR越大ETR逐渐变小的趋势。Chl/PAR是在考虑PAR值基础上又加入叶绿素含量的影响,叶绿素含量在PAR中占比足以改变原有的关系形态,使Y(Ⅱ)这个敏感参数更加精准的反应植物的生理状态。

图5 木地肤、苜蓿 Chl/PAR与Y(Ⅱ)之间的关系

图6 木地肤、苜蓿 Chl/PAR与ETR之间的关系

4 讨论

大量研究表明,C4植物一般比C3植物具有更高的光合作用效率、光合产量和生长速率,这与本研究测量得到的结果相同。木地肤的PAR与ETR对数拟合度R2=0.79,大于苜蓿R2=0.71。叶片是植物进行光合作用的主要器官,而叶绿素是植物体内进行光合作用的重要色素,叶绿素可以将光能转变成化学能,进而形成有机物储存在植物体内,因此叶绿素含量的高低决定了植物光合作用的强弱及干物质的积累情况。通过考虑叶绿素含量,使得积聚于PAR值500μmolm-2s-1附近的Y(II)、ETR值均匀分散在趋势线两侧,使得叶绿素荧光参数在考虑叶绿素含量的情况下更加清晰明了。供试C3植物苜蓿的Chl/PAR与Y(II)、ETR的对数关系分别为R2=0.83、R2=0.68,明显优于C4植物木地肤。因为叶片是连接叶绿素荧光和光合作用并同时进行测量的最小空间尺度,所以本研究的注意力主要集中在叶片水平上,试图通过叶片水平的数据与经验值推广到更大的空间尺度,为遥感监测大尺度的叶绿素荧光数据提供研究思路和方法。未来可以考虑将叶绿素荧光参数与光合作用测定系统参数、光谱分析进行结合,以期对C3、C4植物生理进行深一步的探究。

5 结论

5.1供试C4植物木地肤较C3植物苜蓿具有较高的电子传递活性和光能转换效率。

5.2在考虑叶绿素含量影响之后,C3植物苜蓿Y(II)、ETR与Chl/PAR之间的关系优于C4植物木地肤。

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