（生态学专业论文）盐胁迫下高粱新生叶片结构和光合特性的系统调控研究.pdf

0 ， p s i ：p h o t o s y s t e mi ，光系统i p s i i ：p h o t o s y s t e mi i 光系统i i q a ：t h ep r i m a r yq u i n o n ea c c e p t o ro fp si ia c c e p t o r - s i d ei nt h ee l e c t r o n t r a n s p o r tc h a i n ，电子传递链中光系统i i 受体侧原初醌受体 q b ：t h es e c o n d a r yq u i n o n ea c c e p t o ro fp si ia c c e p t o v s i d ei nt h e e l e c t r o n t r a n s p o r tc h a i n ，电子传递链中光系统受体侧次级醌受体 q p ：p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g ，光化学淬灭 r o s ：r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ，活性氧 r u b i s c o ：r i b u l o s e s 一1 ，5 一d i p h o s p h a t ec a r b o x y l a s e o x y g e n a s ，二磷酸核酮糖羧 化加氧酶 s o d ：s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ，超氧化物歧化酶 p s i i ：a c t u a lq u a n t u my i e l do f p s i i ，光系统i i 实际光化学效率 l ，- 目录 摘要1 a b s t r a c t 3 l 引言6 1 1 植物对光环境的响应6 1 2 盐胁迫对植物光合作用的影响。7 1 2 1 盐胁迫对植物光合作用气体交换的影响7 1 2 2 盐胁迫对光合系统及电子传递的影响8 1 2 3 盐胁迫对光合碳同化的影响1 0 1 2 4 盐胁迫条件下植物的保护机制l o 1 3 盐与强光的交互作用1 2 1 4 高粱1 3 1 5 本研究的目的和意义1 4 2 材料与方法1 5 2 1 非盐胁迫下实验材料与方法1 5 2 1 1 材料种植15 2 1 2 实验设计一l5 2 1 3 叶片水势的测定。l6 2 1 4 气体交换参数的测定1 6 2 1 5 叶绿素荧光参数的测定1 6 2 1 6 气孔密度的测定1 7 2 1 7 叶片解剖结构的观察及相关数据统计1 7 2 1 8 叶绿体超微结构的观察及相关数据统计1 7 2 1 9 可溶性糖含量的测定1 7 2 1 1o 数据分析18 2 2 盐胁迫下实验材料与方法1 8 2 2 1 材料种植与实验设计18 2 2 2 数据测定及统计分析1 9 3 结果与分析2 0 3 1 非盐胁迫下实验结果与分析2 0 3 1 1 遮荫处理对叶片水势的影响2 0 3 1 2 遮荫处理对新生叶片气孔密度的影响2 0 3 1 3 不同遮荫处理新生叶片解剖结构的变化2 l 3 1 4 不同遮荫处理新生叶片叶绿体超微结构的变化2 2 3 1 5 不同遮荫处理对成熟叶和新生叶气体交换参数的影响2 4 3 1 6 不同遮荫处理对成熟叶和新生叶光抑制敏感性的影响2 6 3 1 7 不同遮荫处理对叶片可溶性糖含量的影响2 8 3 2 盐胁迫下实验结果与分析2 8 3 2 1 盐胁迫下光强对叶片水势的影响2 8 3 2 2 盐胁迫下光强对新生叶片气孔密度的影响2 9 3 2 3 盐胁迫下光强对新生叶片解剖结构的影响3 l 3 2 4 盐胁迫下光强对叶绿体超微结构的影响3 2 3 2 5 盐胁迫下光强对叶片气体交换的影响3 3 3 2 6 盐胁迫下光强对叶片光抑制敏感性的影响3 5 5 3 2 7 盐胁迫下光强对叶片可溶性糖含量的影响3 8 4 讨论3 9 4 1 光强对高粱叶片发育及光合特性系统调控的影响3 9 4 2 盐胁迫下光强对高粱新生叶片结构和功能的系统调控4 3 5 结论4 6 参考文献4 7 致谢5 9 攻读学位期间发表论文情况6 1 山东农业大学硕士学位论文 摘要 本文以c 4 植物高粱为试验材料，通过对叶片气体交换、叶绿素荧光、 叶片解剖结构、超微结构、可溶性糖等分析，探讨了高粱叶片发育及光合 特性的系统调控及可能机制。结果表明： 1 与全日照处理( a ) 相比，幼叶遮荫处理( y s ) 植株的新生叶片上下 表面气孔密度、碳同化能力、气孔导度和强光下光抑制程度没有明显 变化。不过，植株成熟叶遮荫( m s ) 和整体遮荫( s ) 条件下新生叶 片上下表面气孔密度均变小，近轴侧叶肉细胞厚度减小，维管束鞘细 胞表面积减小。同时，碳同化能力和气孔导度下降，强光下更易发生 光抑制。 2 幼叶在自然光下生长和植株成熟叶遮荫处理，其叶绿体结构呈现阳生 结构，类囊体垛叠少且薄；而幼叶在弱光环境中生长的幼叶遮荫处理 和整体遮荫处理，幼叶发育成熟后，叶绿体呈现阴生结构，类囊体垛 叠多且厚。 3 进一步的分析证明，成熟叶片光合速率与新生叶片近轴侧叶肉细胞厚 度和维管束鞘细胞表面积之间相关性较好；成熟叶气孔导度与新生叶 片上表面气孔密度之间有较好的相关性。 4 高粱不同光合机构之间存在系统信号，该信号可以调节高粱新生叶片 的结构；系统信号主要通过调节高粱叶片上表面气孔密度、近轴侧叶 肉厚度以及维管束鞘细胞表面积从而调节其气孔导度、碳同化能力和 强光敏感性。同时，叶绿体结构的发育并未受到成熟叶所处光强的系 统调控，而是由其自身所处光环境决定。 5 盐胁迫导致成熟叶和新生叶水势、光合速率、气孔导度明显下降，光 抑制程度略有增强；并且盐胁迫下新生叶片厚度降低，上下表面气孔 密度均有增加。同时，盐胁迫下成熟叶光强改变诱导的新生叶结构和 光合功能变化与非盐胁迫条件下相似。 王鑫盐胁迫下高粱新生叶片结构与光合特性的系统调控研究 6 双因素方差分析显示，盐胁迫下成熟叶弱光环境能明显加剧高粱成熟 叶和新生叶两者光合能力的下降并增强它们对强光的敏感性。因此， 我们认为不管是盐胁迫还是非盐胁迫下，高粱新生叶片的结构和光合 功能均受到系统信号调控；盐胁迫下，提高高粱成熟叶所处环境光强 对其改善新生叶叶片发育、维持碳同化能力和缓解光抑制具有重要作 用。 关键词：盐胁迫；光强；系统调节；光合性能；光抑制；解剖结构；高粱 2 p l a n t sw i t hy o u n gl e a v e ss h a d e d ( y s ) u n d e rs t r o n gl i g h t i nc o n t r a s t ， s i g n i f i c a n td e c r e a s e si ns t o m o t a ld e n s i t y , a d a x i a lm e s o p h y l lt h i c k n e s sa n d s u r f a c ea r e ao fb u n d l es h e a t hc e l lw e r eo b s e r v e di nt h en e w l yd e v e l o p e d l e a v e so np l a n t sw i t hm a t u r el e a v e ss h a d e d ( m s ) o rw i t hw h o l ep l a n t s h a d e d ( s ) ，a n di n c r e a s e ds u s c e p t i b i l i t yo fp h o t o s y s t e mi it oh i g hl i g h t r e s u l t e df r o md e p r e s s e ds t o m a t a lc o n d u c t a n c ea n dc a r b o na s s i m i l a t i o nw a s a l s oo b s e r v e di nt h en e w l yd e v e l o p e dl e a v e so nt h ep l a n t st r e a t e d 、 ，i t l lm s a n ds 2 n e w l yd e v e l o p e dl e a v e so np l a n t s 谢t 1 1t r e a t m e n t so faa n dm se x h i b i t e d s u nc h l o r o p l a s t s 州t lt h i nt h y l a k o i d ，w h i l en e w l yd e v e l o p e dl e a v e so n p l a n t sw i t l lt r e a t m e n t so fy sa n dse x h i b i t e ds h a d ec h l o r o p l a s t sw i t ht h i c k t h y l a k o i d 3 p o s i t i v ec o r r e l a t i o n sw e r eo b s e r v e db e t w e e n 肌g si nm a t u r el e a v e sa n d a d a x i a l m e s o p h y l lt h i c k n e s s ，a d a x i a ls t o m a t a ld e n s i t yi nt h en e w l y 3 王鑫盐胁迫下高粱新生叶片结构与光合特性的系统调控研究 d e v e l o p e dl e a v e s ，r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，p o s i t i v ec o r r e l a t i o n = o 8 6 ) w a sa l s oo b s e r v e db e t w e e ns u r f a c ea r e ao f b u n d l es h e a t h ( s b ) c e l li nt h e n e w l yd e v e l o p e dl e a v e sa n dp h o t o s y n t h e t i cr a t ei nm a t u r el e a v e s 4 i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e r ew e r es y s t e m i cs i g n a l sf r o mm a t u r el e a v e st o a f f e c ta n a t o m i c a ls t r u c t u r eo fn e w l yd e v e l o p e dl e a v e s ；t h ed e c r e a s e d s t o m a t a ld e n s i t yo na d a x i a ls u r f a c e ，a d a x i a lm e s o p h y l lt h i c k n e s sa n d s u r f a c ea r e ao f b u n d l es h e a t hc e l lm i g h tb er e s p o n s i b l ef o rt h ed e p r e s s e d c a r b o na s s i m i l a t i o nc a p a b i l i t ya n ds t o m a t a lc o n d u c t a n c e i nl e a v e so f s o r g h u ms e e d l i n g s w i t hd i f f e r e n t s h a d i n gt r e a t m e n t s h o w e v e r ，t h e d e v e l o p m e n to fc h l o r o p l a s t si nn e w l yd e v e l o p e dl e a v e sw a si n d e p e n d e n t o ft l l e s y s t e m i cr e g u l a t i o no fm a t u r el e a v e s ，i t w a st h el o c a ll i g h t e n v i r o n m e n t st h a td e t e r m i n e dc h l o r o p l a s t st od e v e l o pi n t os u no rs h a d e t y p e 5 s a l ts t r e s ss i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e dw a t e rp o t e n t i a l ，n e tp h o t o s y n t h e t i cr a t e ， s t o m a t a lc o n d u c t a n c ea n ds l i g h t l yi n c r e a s e de x t e n to fp h o t o i n h i b i t i o nb o t h i nm a t u r ea n dn e w l yd e v e l o p e dl e a v e s i nn e w l yd e v e l o p e dl e a v e s ，l e a f t h i c k n e s sd e c l i n e dw h i l et h es t o m a t a ld e n s i t yo nb o t ha d a x i a la n da b a x i a l s u r f a c e si n c r e a s e d u n d e rs a l t s t r e s s e dc o n d i t i o n ，c h a n g e si nl e a fs t r u c t u r e a n dp h o t o s y n t h e t i cp e r f o r m a n c es h o w e das i m i l a rt e n d e n c ya st h a tu n d e r n o n s a l ts t r e s sc o n d i t i o nb u taf u r t h e r d e c l i n ei n p h o t o s y n t h e t i c p e r f o r m a n c e 6 u n d e rs a l ts t r e s s ，t r e a t m e n tw i t hm ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e dd e c r e a s ei n p h o t o s y n t h e t i ca b i l i t ya n dp h o t o i n h i b i t i o n a c c o r d i n g l y , w ec o n c l u d e d t h a t t h e r ei sas y s t e m i cr e g u l a t i o no nb o t hs t r u c t u r ea n df u n c t i o no fn e w l y d e v e l o p e dl e a v e su n d e rb o t hs a l ts t r e s sc o n d i t i o na n dn o n s t r e s sc o n d i t i o n t h ee n h a n c e m e n to ft h el i g h ti n t e n s i t yo fm a t u r el e a v e si si m p o r t a n tt o i m p r o v ep h o t o s y n t h e t i cc a p a c i t ya n dt oa l l e v i a t ep h o t o i n h i b i t i o ni nn e w l y d e v e l o p e dr e a v e su n d e rs a l ts t r e s s k e yw o r d s ：s a l ts t r e s s ；l i g h ti n t e n s i t y ；s y s t e m i cr e g u l a t i o n ；p h o t o s y n t h e t i c 4 山东农业大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c s ；p h o t o i n h i b i t i o n ；a n a t o m i c a ls t r u c t u r e ；s o r g h u m 5 王鑫盐胁迫下高粱新生叶片结构与光合特性的系统调控研究 1 引言 1 1 植物对光环境的响应 光是影响植物生长的重要环境因子之一，光照强度直接影响植物的光 合机构及光合特性( b o a r d m a n ，1 9 7 7 ；j a c k s o n , 1 9 8 0 ) 。不同光强环境下， 植物叶片的形态、结构和功能也不尽相同。生长在弱光环境中的植物形成 阴生的叶片结构，与全光照下生长的植物相比，在叶片形态与解剖结构上 表现为叶面积增大、叶片变薄( l i c h t e n t h a l e re ta l ，1 9 8 1 ；d i m o s t h e n i se ta l 。 2 0 0 2 ；o g u c h ie ta l ，2 0 0 5 ) 、栅栏组织与海绵组织发育不完善、气孔密度降 低( g a ya n dh u r d ，1 9 7 5 ；w i l da n dw o l f , 1 9 8 0 ；f u r u k a w a , 1 9 9 7 ) ，在叶片 功能上表现为光合能力和气孔导度较低，对过剩光能的耗散能力差( 许大 全等，1 9 9 2 ；d e m m i g a d a m se ta l ，1 9 9 2 ；吴正锋等，2 0 0 9 ；刘悦秋等， 2 0 0 7 ) 。这些特征决定了当弱光下生长的叶片暴露于强光下时，其光抑制 程度不可避免的比强光下生长的叶片严重，甚至还会发生光破坏( 杨兴洪 等，2 0 0 5 ；b o n g i ，1 9 8 7 ) 。除了叶片的解剖结构，植物在不同光强下，叶绿 体结构尤其是类囊体垛叠也随着光强的变化而变化，阴生植物叶片的叶绿 体中类囊体或基粒垛叠较厚，而阳生叶绿体中类囊体或基粒垛叠相对较少 ( a n d e r s o n ，19 8 6 ；a n d e r s o n ，19 8 7 ；t e r a s h i m aa n dh i k o s a k a , 19 9 5 ) 。 事实上，在自然界中，相邻植物之间往往由于种群或者群落密度大而 导致相互遮荫。不过，多数情况下栽培植物种群密度增大更多的是加剧相 邻植株中下部成熟叶片之间相互遮荫，从而使这些叶片处于弱光环境，而 作为新生叶片则依旧暴露在强光下。迄今为止，关于弱光对植物影响的研 究主要集中于植株整体遮荫后叶片结构和功能的变化，而忽视了植株部分 遮荫条件下遮荫叶片与未遮荫叶片之间的可能联系，以及这种联系对光合 机构和功能的影响。1 9 9 9 年，k a r p i n s k i 等( k a r p i n s k ie ta l ，1 9 9 9 ) 首次报 道生长在弱光下的植物部分叶片突然暴露在强光下时整个植株的光合机 构都会对过剩激发能做出适应性反应，即未暴露于强光下的叶片也遭受光 氧化胁迫。随后，l a k e 等( l a k ee ta l ，2 0 0 1 ) 、t h o m a s 等( t h o m a se ta l ，2 0 0 4 ) 和y a n o 等( y a n oa n dt e r a s h i m a , 2 0 0 1 ) 也证明了在成熟叶和未成熟叶片 之间确实存在长距离的信号传递；植物新生叶片的气孔密度、大小、解剖 6 山东农业大学硕士学位论文 结构尤其是栅栏组织的分化和层数是由成熟叶而非其自身所处光环境决 定。如果成熟叶片处于强光环境中，那么新生叶片栅栏组织表现出增厚和 细胞层数增加等阳生特征；反之，则呈现阴生特点( y a n oa n dt e r a s h i m a , 2 0 0 1 ) 。这种成熟叶片远距离调控新生叶片发育的信号被称为系统信号 ( l a k ee ta l ，2 0 0 1 ) 。但是，至今关于系统信号的研究多集中于烟草、拟南 芥和藜等c 3 植物，关于c 4 植物鲜见报道。与c 3 植物不同，c 4 植物多数 为等面叶，即叶片上下两侧形态和结构相似。基于此，我们希望了解该条 件下系统信号是否及如何影响c 4 植物叶片的结构? 与c 4 植物叶片的结构 变化相适应其光合功能及对强光的敏感性如何变化? 1 2 盐胁迫对植物光合作用的影响 当今全球大约有5 7 亿亩土地存在不同程度的盐渍化，约占可耕地面积 的1 0 ，不合理的灌溉也使农业越来越受到盐害的威胁。随着耕地面积的 锐减，利用盐碱地种植作物以及植物对盐胁迫的生理生态响应已成为目前 的研究热点。然而，大多数植物对盐胁迫是敏感的( m a a sa n dh o f f r n a n 19 7 7 ；o s m o n da n dp o p p ，19 8 3 ；d o w n t o ne ta l ，19 8 5 ；s e e m a n na n dc r i t c h l e y ， 1 9 8 5 ；y e oe ta l ，1 9 8 5 ；d e m e t r i o ue ta l ，2 0 0 7 ) ，盐胁迫可以引起许多生理生 化反应，如降低叶片水势，打破植物体内离子平衡，降低净光合速率等( z h u ， 2 0 0 1 ；a s i s ha n da n a t h ，2 0 0 5 ) 。盐胁迫是限制作物生长和产量的主要环境 因子。光合作用为植物的生长发育提供物质和能量，是植物生长发育的基 础。因此，研究盐害对光合作用的影响可以为提高作物耐盐性、改良植物 品种、促进粮食生产提供理论依据。 1 2 1 盐胁迫对植物光合作用气体交换的影响 盐胁迫通过抑制光合作用影响植物的生长，长时间高浓度盐胁迫会抑 制气孔开度、光合电子传递、碳同化关键酶活性等，并使得一些相关过程 发生不可逆伤害( b o n g ia n dl o r e t o ，1 9 8 9 ；m i s h r ae ta l ，1 9 9 1 ；s h a r m aa n d h a l l ，19 91 ；b e l k h o d j ae ta l ，19 9 4 ) 。但对于盐胁迫下植物净光合速率降低 的原因至今尚未形成统一的认识。有学者认为主要是气孔限制( b m g n o l i a n dl a u t e r i ，1 9 9 1 ) ，也有的认为是非气孔限制( s e e m a n na n ds h a r k e y ，1 9 8 6 ； m e y e ra n dk o u c h k o v s k y ，1 9 9 3 ) ，还有人提出短期盐胁迫下以气孔限制为 7 王鑫盐胁迫下高粱新生叶片结构与光合特性的系统调控研究 主，之后才发生非气孔限制( 郭书奎等，2 0 0 1 ；王丽燕，2 0 0 4 ) 。已有实验 证实，盐胁迫下气孔发生非均匀关闭( s e e m a n na n dc r i t c h l e y ，1 9 8 5 ；y e oe t a l ，19 8 5 ；l l o y de ta l ，19 8 7 ；m a t t e w sa n db o y e r ，19 8 4 ；b e t h k ea n dm a l c o l m ， 1 9 9 2 ) ，植物体内a b a 含量的增加可能是盐胁迫下引起气孔非均匀关闭的 重要因素( 许大全，1 9 9 5 ) 。j a m e s 等( j a m e se ta l ，2 0 0 2 ) 的研究表明，气 孔导度是小麦和高粱盐胁迫下敏感的参数之一。由于盐胁迫条件下植物气 孔密度会增大，因此气孔形态和开度的变化可能是决定植物气孔导度的关 键因素。 1 2 2 盐胁迫对光合系统及电子传递的影响 植物的光合作用系统包括光系统i ( p s i ) 和光系统i i ( p s i i ) 。其中， 位于类囊体膜上的p s i i 反应中心至少由2 5 个亚单位构成，包括各种与原初 电荷分离和电子传递有关的辅助因子( o r ta n dy o c u m ，1 9 9 6 ) ，因此对环 境胁迫非常敏感。有研究表明盐胁迫诱导的p s i i 活性下降与p s i i 氧化侧的 损伤有关( 惠红霞等，2 0 0 4 ；朱新广，1 9 9 9 ) 。但是，也有部分研究认为单 纯盐胁迫不会伤害光系统i i 的最大光化学效率( l ue ta l ，2 0 0 2 ；l ue ta l ， 2 0 0 3 ) 。因此，盐胁迫是否影响光系统i i 的活性尚需进一步研究。 现在对于盐胁迫对光合电子传递速率的影响并没有达成共识。鉴于盐 胁迫下氧气的释放没有太大的改变，f r y 等( f r ye ta l ，1 9 8 6 ) 认为盐胁迫 并不影响光合电子传递。同时也有研究认为，盐胁迫引起的生长减缓与光 合能力的降低有关，比如电子传递( a l l a k h v e r d i e ve ta l ，2 0 0 0 ；k a z u h i k oe ta l ， 1 9 8 3 ；m i s r ae ta l ，2 0 0 1 ；a l l a k h v e r d i e ve ta l ，2 0 0 0 ) 。在盐胁迫下，多数植物 尤其是对盐敏感的植物随着盐浓度的提高，p s i i 的电子传递速率明显下 降。究其原因，可能与盐胁迫损害了p s i i 供体侧的放氧复合物的功能， 使它向p s i i 反应中心提供的电子数量减少，阻断p s i i 受体侧从q a 向q b 的电子传递，使p s i i 的电子传递链的成分减少，这几方面都能导致p s i i 电子传递速率降低。由于线式电子传递受阻，积累的电子就要通过其他方 式继续传递，从而维持从p s i i 到p s i 的光合电子传递。 环式电子传递是指p s i i 中电子由f d 、经p q 、c y t b 6 f , p c 等传递体 返回到p s i 而构成的循环电子传递途径。具体传递路径为：p s i f d p q c y t b 6 f p c p s i 。环式电子传递不发生h 2 0 的氧化，也不形成 8 传递速率) 、q p 等参数( 朱新广，2 0 0 2 ) ；盐胁迫导致了c y a n o b a c t e f i u m s p i r u l i n ap l a t e n s i s 放氧复合体( o e c ) 的损伤，在盐胁迫初期f v f m 、 f v f m 、q p 、p s i i 出现下降，但是随着时间的延长几乎可以恢复到初始 水平，这是因为在盐胁迫初期，胞内n a + 含量迅速上升导致p s i i 的光化学 活性被抑制，随后的上升可能是n a * i - i * 反向转运载体将细胞内的n a + 排出 的结果( l ua n dz h a n g ，2 0 0 0 ) ；同样，s u l e y m a n 在s y n e c h o c o c c u ss p 6 8 0 3 中观察到的结果也说明0 5m 的n a c l 溶液具有的离子效应引起放氧复合 体活性降低，后期的渗透效应导致p s i i 发生不可逆失活，并提出一个机 制来解释n a c i 引起的光合机构的失活：p s i i 与放氧有关的组分定位于类 囊体膜内侧，在正常情况下，这些组分通过3 3 k d 蛋白、细胞色素c 5 5 0 、 p s b u 等蛋白得以稳定，细胞色素c 5 5 0 和p s b u 松散的结合在p s i i 复合体 的供体侧。但是当外界n a + 通过质膜上的n a + 通道进入细胞内并使胞内的 水外流时导致类囊体内n a + 浓度上升，这些蛋白便从p s i i 复合体上脱落， 放氧机制因此被抑制( a l l a k h v e r d i e v ，2 0 0 0 ) 。现在对于下p s i i 是否是盐 胁迫条件下的敏感部位仍存在不统一的说法，这可能是由于实验材料和处 9 王鑫盐胁迫下高粱新生叶片结构与光合特性的系统调控研究 理条件的差异造成的。 1 2 3 盐胁迫对光合碳同化的影响 光合作用的碳同化h p c a l v i n 循环，是植物细胞利用光反应过程所形成 的a t p 和n a d p h ，经一系列酶促反应，最终把c 0 2 固定并还原成碳水化合 物的反应。在这个过程中，l ，5 一二磷酸核酮糖羧化酶( r u b i s c o ) 是一 种关键酶，因为r u b i s c o 酶是光合碳同化循环途径的入口钥匙，因此该酶 的活化状态和含量决定了植物对c 0 2 固定能力的大小。r u b i s c o 催化c 0 2 与 1 ，5 一二磷酸核酮糖( r l l b p ) 结合，形成碳同化的最初产物3 一磷酸甘油 酸( p g a ) ，然后进入c 3 循环，再经一系列反应形成碳水化合物。已有研 究表明，盐胁迫会使r u b i s c o 的活性和含量降低，结果酶的羧化效率下降， 导致植物固定c 0 2 的能力减弱。与此同时，盐胁迫还限制r u b p 和无机磷 ( p i ) 的再生，而这两种物质再生能力的大小对卡尔文循环是至关重要的。 z i s k a 等( z i s k a e ta l ，1 9 9 0 ) 的研究表明，盐胁迫可以大幅度地降低r u b p 羧化酶的羧化效率，但并不对其活性产生影响。此外，盐胁迫还会降低磷 酸甘油酸和磷酸三糖和磷酸甘油醛的含量。这些物质均是c a l v i n 循环重要 的的中间产物，其含量减少不利于碳同化的正常运转。在盐胁迫下，植物 调节两个光系统之间激发能分配的能力降低，不利于激发能在p s i i 和p s i 之间的平衡分配，而这种平衡分配又是植物实现并维持高光合速率和避免 或减轻光抑制的必要条件。因此，盐胁迫造成上述调节能力的下降，也同 样不利于植物的碳同化( 张其德，2 0 0 0 ) 。 1 2 4 盐胁迫条件下植物的保护机制 当植物面临较高浓度的盐胁迫时，就会启动一些保护机制来降低盐胁 迫对光合机构造成的伤害。 ( 1 ) 合成渗透调节物质：在盐胁迫下，由于外界渗透势较低，植物细胞 会发生水分亏缺现象，即渗透胁迫。植物为避免这种伤害，在逆境情况下 必须产生一种适应机制，即在盐胁迫下，植物细胞内会主动积累一些可溶 性物质来降低胞内渗透势，以保证逆境条件下水分的正常供应。渗透调节 机制分为两种：无机渗透调节和有机渗透调节。盐生植物碱蓬( 张海燕等， 1 9 9 8 ) 、星星草( 赵可夫等，1 9 9 9 ) 体内以无机离子n a + 、c i 一、k + 作为 1 0 山东农业大学硕士学位论文 主要渗透调节物质，而非盐生植物芦苇( 赵可夫，1 9 9 3 ) 、高梁( c l a u d i v a n e ta l ，2 0 0 5 ；c l a u d i v a ne ta l ，2 0 0 3 ；g o d f r e ye ta l ，2 0 0 4 ；t a i i c h i r oe ta l ，2 0 0 7 ) 则主要以c 和有机渗透调节物质为主。近几年的研究结果指出，甜菜碱 可能是某些植物的主要渗透调节物质之一。其依据是渗透胁迫条件下，植 物体内的甜菜碱醛脱氢酶活性升高，并在细胞质中积累甜菜碱( l i a n ga n d l u o ，1 9 9 6 ；l i ua n dy i ，1 9 9 4 ) ，从而提高植物对干旱盐胁迫的适应性。 大量研究表明盐胁迫条件下植物会在体内合成渗透调节物质来增强植 物的渗透调节能力，维持膨压。甜菜碱( g b ) 是一种小分子有机代谢产 物，且在高浓度时无毒害作用。n o r i k a z u 等的研究表明，在c y a n o b a c t e r i u m s y n e c h o c o c c u ss p p c c7 9 4 2 中，转入编码c h o l i n e 氧化酶( 可以利用外源 c h o l i n e 合成甜菜碱) 的c o d a 基因，可以抵消盐胁迫对d l 蛋白降解和合成 的抑制作用，促进d 1 蛋白的重新合成，从而加速了光破坏的p s i i 的修复 ( o h n i s h ia n dm u r a t a , 2 0 0 6 ) 。有学者推测g b 可能是在翻译水平上抵消 了n a c l 的抑制作用( c h e na n dm u r a t a , 2 0 0 8 ) 。试验中观察到g b 可以在 离体条件下保护p s i i 的d 1 d 2 c y t b 5 5 9 复合体的光化学活性，使其免受 强光引起的光破坏( a l l a k h v e r d i e ve ta l ，2 0 0 3 ) ，而且对盐胁迫下o e c 的 脱落具有保护作用( o h n i s h ia n dm u r a t a , 2 0 0 6 ) 。关于g b 可能的作用机 理，有学者认为由于g b 并不能直接清除r o s ，而是通过减轻氧化胁迫的 伤害起作用，比如激活或稳定r o s 清除酶或通过某种方式抑制r o s 的产 生( c h e na n dm u r a t a , 2 0 0 8 ) 。 ( 2 ) 水水循环( w a t e r - w a t e rc y c l e ) ：指光解h 2 0 产生的电子经p s i i 和p s i 两个光系统，0 2 在p s i 上被光还原为0 2 。( m e h l e r 反应) ，随后被s o d 歧 化为h 2 0 2 ，h 2 0 2 在a p x 的作用下最终形成水的系统。水水循环可以保护 光合机构使其不与r o s 发生直接作用( k o z i ，2 0 0 6 ；c h e n ，2 0 0 4 ) ，尤其是 在盐胁迫条件下，水水循环作为电子传递途径并有效清除活性氧的作用显 得尤为重要。盐胁迫下，经由水水循环的电子传递的增加也可以说明这一 点( c h e n 。2 0 0 4 ) 。 ( 3 ) 叶黄素循环：强光下依赖叶黄素循环的热耗散也是一种重要的光破 坏防御机制，也是n p q 的主要组分，它能够将过剩激发能以热的形式耗散 掉( g i l m o r e ，1 9 9 7 ；b i l g e ra n da j r k m a n ，19 9 4 ；h a v a u xa n dn i y o g i ，19 9 9 ； 王鑫盐胁迫下高粱新生叶片结构与光合特性的系统调控研究 p a t r i c i ae ta l ，2 0 0 0 ) ，从而减轻光系统i i 反应中心的激发能压力，缓解光 抑制。叶黄素循环包含3 种成分：紫黄质( v ) 、环氧玉米黄质( a ) 和玉 米黄质( z ) 。在光下v 脱环化经a 形成z ，a 和z 的含量与能量耗散成 正相关。h a v a u x 等( h a v a u xa n dn i y o g i ，1 9 9 9 ；h a v a u xe ta l ，2 0 0 0 ) 认为玉 米黄质( z ) 除了参与激发能耗散外，还能够作为活性氧清除剂清除活性 氧，保护类囊体膜和光系统i i 反应中心。e o n s e o n 等( e o n s e o ne ta l ，2 0 0 3 ) 的研究表明z 还是p s i i 修复过程中的重要组分，光破坏发生时，z 与失 活的p s i i 反应中心结合在一起直到p s i i 修复后允许其组分重新回到恢复 功能的p s i i 上。从这个角度来看，盐胁迫下叶黄素循环的增加可能会部 分抵消由于盐胁迫导致的p s i i 修复受抑。因此，z 的形成可能通过两种机 制对p s i i 进行保护，一方面可以耗散过剩激发能，另一方面参与了失活 的p s i i 的修复。 我们对甜高粱盐胁迫的实验表明，低盐浓度下，p s i i 的潜在热耗散能 力较强，上升的n p q 可以在较高的光强下有效地避免或减轻因p s i i 吸收 过多光能而引起的光抑制和光氧化，从而起到保护p s i i 使之免受或减轻 光抑制和光破坏的作用( 葛江丽等，2 0 0 7 ) ，这可能与甜高梁本身具有的 耐盐性有关。 ( 4 ) 光呼吸：有实验证明在c 0 2 同化限制条件下，光呼吸能够维持一定 的线性电子传递和光能利用率，对光合器官起保护作用( k o z a ka n d t a k e b a , 1 9 9 6 ) 。盐胁迫下p i s u ms a t i v u m 气孔关闭导致了光呼吸速率的上 升( a s t r i de ta l ，2 0 0 0 ) ，菠菜叶片中的光呼吸在中度盐胁迫条件下也呈上 升趋势( m a r t i n oe ta l ，1 9 9 9 ) ，光呼吸的增加有助于耗散过剩激发能，避 免活性氧生成破坏光合机构。 1 3 盐与强光的交互作用 光合机构叶绿体及其类囊体膜上的p s i i 是植物对环境变化最敏感的 部位，但是现在对于盐胁迫是否影响p s i i 存在不同的看法，有研究认为 盐胁迫抑制p s i i 的光化学活性( m i s h r ae ta l ，1 9 9 1 ；朱新广等，2 0 0 2 ) ：然 而也有一些研究表明盐胁迫对p s i i 的光化学活性没有影响( l ue ta l ，2 0 0 2 ； 陈华新等，2 0 0 4 ；a b a d i ae ta l ，1 9 9 9 ) 。但是当盐胁迫与强光胁迫同时作用 时，p s i i 便会迅速失活，这是由于盐胁迫加剧了p s i i 的光破坏( l ue ta l ， 1 2 山东农业大学硕士学位论文 1 9 9 9 ；s h a r m aa n dh a l l ，1 9 9 1 ；h e r t w i ge ta l ，1 9 9 2 ) ，但是其中的机制尚不清 楚。由于光抑制的发生是p s i i 光破坏速率与修复速率之间相互平衡的结 果，上述研究对于盐胁迫是直接加剧了光抑制还是抑制了受到光破坏的 p s i 的修复没有加以阐明。其研究结果是类囊体膜或p s i i 复合体在离体 的条件下得出的，这种条件下，受到光破坏的p s i i 不能进行修复，因此 得出的结论不能准确反映盐胁迫对光破坏发生作用的部位。在活的光合细 胞内，p s i i 受到光破坏的同时也在进行修复。基于以上问题，m u r a m 等 将盐胁迫条件下光破坏和修复作为两个相互独立的过程加