构树叶片叶绿素荧光诱导动力学特征的季节变化生物学专业

1、摘 要为了探明季节变化对构树生长发育的影响，本实验利用Junior- PAM（Walz, Germany）测量并比较了野生构树在春夏秋 3季的叶绿素荧光参数的差异。研究结果表明：1) 在190 mol (photons) m-2s-1下最大量子产量Fv/Fm在春季（0.82）与夏季（0.78）间差异不显著，秋季（0.55）时显著降低，这与625 mol (photons) m-2s-1以及1,500 mol (photons) m-2s-1下的显著性差异情况相同；2）190 mol (photons) m-2s-1下，光化学猝灭系数 qP在春（0.60）夏（0.70）秋（0.78）均存在显著差

2、异且不断升高，非光化学猝灭系数 NPQ在春（0.82）夏（0.52）秋（0.46）均存在显著差异且不断降低，625 mol (photons) m-2s-1以及1,500 mol (photons) m-2s-1下的显著性差异情况与前者相同，表明植物积累光损伤后耗散过剩光能为热能的能力不断下降；3）在625 mol (photons) m-2s-1下调节性能量耗散的量子产量NPQ 在春（0.47）夏（0.39）秋（0.36）不断下降，表明光保护能力不断下降，非调节性能量耗散的量子产量NO 在秋季（0.44）显著升高，表明光损伤不断升高，其他两个光化光强度下显著性结果相似；4）最小饱和光强 Ek

3、在三个季节间均存在显著差异，其中夏季（694.86）最低，春季（898.45）大于秋季（1047.11）；5）光响应曲线的初始斜率 在三个季节间均存在显著差异，其中夏季（0.14）最高，春季（0.11）大于秋季（0.82）。本研究为华中、华东地区的构树种植提供了理论依据。关键词：叶绿素荧光参数；构树；季节变化；生态适应AbstractIn order to ascertain the influence of seasonal changes on the growth and development of Broussonetia papyrifera, the differences in

4、 the chlorophyll fluorescence parameters of the wild Broussonetia papyrifera during the spring, summer, and autumn seasons were measured and compared using Junior-PAM (Walz, Germany). The results show that: 1) The maximum quantum yield Fv/Fm at 190 mol (photons) m-2s-1 is not significantly different

5、 between spring (0.82) and summer (0.78),but is significantly lower at autumn (0.55). Significant difference was found between mol (photons) m-2s-1 and 1,500 mol (photons) m-2s-1; 2) Photochemical quenching coefficient qP at 190 mol (photons) m-2s-1 in spring (0.60), autumn (0.70) and autumn (0.78)

6、all showed significant differences and increased continuously. The non-photochemical quenching coefficient NPQ had a significant difference in the spring (0.82), summer (0.52) ,autumn (0.46) and decreased continuously, 625 mol (photons) m-2s-1 and 1,500 mol (photons) m-2s-1 is significant difference

7、 in the same as former, indicating that the ability of plants to dissipate excess light energy as light energy after photodamage decreases continuously; 3) At 625 mol (photons) m-2s-1 ,the quantum yield of NPQ dissipated by decreases continuously during the spring (0.47), summer (0.39) and autumn (0

8、.36), indicating that the photoprotection capability is continuously degraded and the quantum yield of non-adjusted energy dissipation is decreased. NO increased significantly in autumn (0.44), indicating that light damage is continuously rising, the other two significant results under the actinic l

9、ight intensity were similar; 4) The minimum saturated light intensity Ek was significantly different among the three seasons, with the lowest in summer (694.86), and greater in autumn (1047.11); 5)The initial slope in the light response curve had a significant difference among the three seasons, wit

10、h summer (0.14) being the highest and autumn (0.82)being the lowest. This study provides a theoretical basis for the tree planting in central and eastern China.Keywords：Chlorophyll fluorescence parameters; Broussonetia papyrifera; Seasonal changes; Ecological adaptation 1. 引 言构树（Broussonetia papyrif

11、era）为桑科（Moraceae）构属（Broussonetia）木本植物，是一种生态型经济树种，在我国除东北及西北北部寒冷区域外，其他地区均有分布，在我国黄河流域以南，特别是贵州、广西、云南等地分布较为集中, 其喜生长在阴湿肥沃的环境中，尤其是河流岸边及土壤肥力强区域，它可以抗御短期的季节性干旱及洪涝灾害，伴生的植物主要是生命周期短的植物。目前大多数构树处在野生或半野生状态，但其体内含有丰富的蛋白质以及可利用的营养元素，是木本饲料主要的选择树种；同时，构树适应性强，耐旱、耐瘠，常野生或栽于村庄附近的荒地、田园及沟旁，具有一般植物难以比拟的旺盛生命力，是困难地造林的先锋树种。此外，构树还可用作

12、高档纸张和织物、药材和食品等的原料。近年来，构树因其在生物学特性、生态学特性、饲用特性以及市场利用空间等方面的潜在价值而受到越来越多的关注，加大这一宝贵绿色资源的开发利用力度。对于寻求可再生生物原料新途径有着重要的价值。因此，开展构树生理习性与生物活性物质含量特征研究，进而加强构树资源的开发利用、深入挖掘经济型植物构树的利用价值具有重要意义。叶绿素分子吸收可见光光子后发生电子跃迁到能量较高的激发态。通常情况下处于激发态的电子不稳定，要放出能量回到基态。而电子回到基态时放出的能量用于：1)发射出红色荧光；2) 放出热；3) 用于光化学反应。三种途径彼此竞争，因此热耗散、光化学反应以及入射光强的变

13、化都会引起荧光产量的变化。叶绿素荧光动力学技术在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”特点1。几乎所有的光合作用过程的变化均可通过叶绿素荧光反映出来，而叶绿素荧光动力学测定技术不需破碎细胞，不会伤害到生物体，因此通过对叶绿素荧光的研究以间接研究植物光合作用的变化，是一种简便、快捷、可靠的方法2。利用叶绿素荧光分析技术不仅能够从另一角度反映植物的光合作用情况，也能够直观地反映植物受到的胁迫伤害，过对荧光数据的分析，可以推断不同季节间构树的区域适应性、光合潜能等。其应用于构树育种工作，将有利

14、于丰富育种材料筛选的手段，缩短品种选育时间，有效发展构树产业。高温在植物生长乃至生存上存在胁迫作用。Lobell等3调查表明，在植物的生长季中，若平均温度上升1 ，作物的产量约下降17 %。通常认为细胞生理过程在高温下受到抑制，也就是说光合作用对于热胁迫是极其敏感的。在高光强高温胁迫下，叶片细胞叶绿体的内囊体膜，尤其是光系统(PS)的结构和功能受到损害，导致光合速率下降。由于高温环境下不同植物光合作用受影响的程度不尽相同4，且光合作用在植物生理中占据重要地位，研究植物在高温胁迫下光合作用的变化，有助于了解植物对高温胁迫的生理适应机制，同时能为筛选耐高温品种提供一定依据。研究发现，由于天线色素与

15、光系统II (PSII)反应中心并非一一对应，每个PSII均从天线色素系统中获得电子5。叶绿素荧光参数可用于描述额定光化光强度下光系统中能量平衡及分配状况(PSII + NPQ + NO = 1),其中可调节性能量耗散NPQ 和非调节性能量耗散NO 可以衡量非光化学猝灭途径的激发光能的分配特性6。叶绿素荧光特性响日变化规律以及对于高温胁迫的响应在多种作物上得到较为充分的研究7-9，其中最大光能利用效率Fv/Fm、基于Puddle模型的光化学猝灭qP和 PSII均随着胁迫的加剧而逐渐降低, 并且与品种抗性呈显著正相关关系。但对于叶绿素荧光动力学参数的季节性变化研究中，特别是针对构树的基础研究鲜有

16、报道10-13。2. 材料和方法2.1 实验地气候背景 所选实验地为安徽省合肥大蜀山森林公园，其位于安徽省合肥市西部，地处中纬度地带。年平均气温在1516之间，年平均降水量在9001,000 mm之间，为亚热带湿润季风气候。气温变化的特点是气候温和、雨量适中、春温多变、秋高气爽、梅雨显著、夏雨集中。地理位置为经度117.18oE纬度31.84oN，日照2,100多个小时，平均年蒸发量1,538 mm，年均相对湿度74%78%、全年无霜期230 d，适宜各种树木寄居生长。2.2 实验材料选取安徽省合肥大蜀山森林公园广泛分布的野生成年构树为实验对象。2.3 实验设计2.3.1 材料选取 实验分春、

17、夏、秋 3 季，于每月中旬天气晴朗的夜晚，日落1 h进行充分暗适应后实施。在实验地随机选取5株成年构树，每株选择3枝远枝端轴面中部向光部位的枝条，每枝从顶芽起选择第4，5，6枚无病虫害树叶，共计45枚叶片进行实验。2.3.2 光响应曲线的测定使用Junior-PAM(Walz, Germany)便携式调制叶绿素荧光仪，每隔 10 s 照射 1 次饱和脉冲光，连续照射8个强度不断升高的光化光(125，190，285，420，625，820，1,150，1,500 mol (photons) m-2 s-1)，此时的光响应曲线被称为快速光曲线(RLCs)。通过对快速光曲线进行拟合(拟合方程：ETR

18、=ETRmtanh(PAR/ETRm)，可以得到以下几个主要参数所得数据使用：，单位：clectrons photons，快速光曲线的初始斜率，反映了对光能的利用效率。ETRm,单位：mol m-2 s-1，最大电子传递速率。Ek，单位：mol m-2 s-1，最小饱和光强，反映了叶片对强光的耐受能力。2.3.3 荧光诱导曲线的测定使用Junior-PAM (Walz, Germany) 便携式调制叶绿素荧光仪测定各项叶绿素荧光参数，测出荧光诱导过程中的荧光参数，其中设置的三个光化光梯度分别为190 mol (photons) m-2s-1、625 mol (photons) m-2 s-1、

19、1,500 mol (photons) m-2 s-1，重复测试设为15组。开始预先编制的程序，照射检测光0.1 mol (photons) m-2 s-1，测定初始荧光Fo，然后加饱和脉冲光10,000 mol (photons) m-2 s-1，测定最大荧光Fm。然后在自然光下实时荧光Ft稳定后，给一次饱和脉冲光测定Fm。延迟40 s后打开测量光和光化光，每隔20 s照射 1次饱和脉冲光，由仪器直接读取PSII最大光化学效率Fv/Fm、光化学猝灭系数qP、非光化学猝灭系数NPQ、非调节性能量耗散的量子产量 NO、调节性能量耗散的量子产量 NPQ等参数。操作过程中，为避免外界环境对荧光数据造

20、成影响，本实验采取多组测量取稳定后的平均值来减少其中的影响误差。2.4 数据处理分析 测得数据用 Microsoft Excel 2016 进行整理，用 SPSS Statistics 23.0对整理后数据进行系统的统计分析和处理。采取单因素方差分析（one-way ANOVA）对照三个季节构树叶绿素荧光参数的差异显著性，利用Duncan法对数据进行多重比较，通过上述方式系统查验在差别季节的各数据指标的差异性，显著水平设定为 = 0.05。最后使用Origin 8.5作图。3. 结果和分析3.1 构树叶片PS最大量子产量 (Fv/Fm)的季节性差异分析Fo是植物叶片没有进行光合作用时的最小荧光

21、，也就是PS反应中心都处于开放状态。Fm为植物叶片没有进行光合作用时的最大荧光，也就是PS反应中心都处于闭合状态。Fm与Fo之间的差值 Fv反映了植物PS反应中心进行光化学反应的能力范围。Fv/Fm反映了植物的潜在最大光合能力。正常生长的植物Fv/Fm相对稳定，不受物种和生长条件的影响，大约为0.8左右，当环境变化对植物造成生理胁迫或伤害后该参数明显下降，如光抑制和热胁迫。从图3-1可以看出，Fv/Fm在同一季节不同稳态光条件间差异不显著；在190 mol (photons) m-2s-1下最大量子产量 Fv/Fm在春季（0.82）与夏季（0.78）间差异不显著，秋季（0.55）时显著降低，这

22、与625 mol (photons) m-2s-1以及1,500 mol (photons) m-2s-1下的显著性差异情况相同。图3-1 构树叶片PS 最大量子产量(Fv/Fm)的季节变化（平均值标准误差，n=15）。差异小写字母表示三个季节的量子产量差异显著。3.2叶绿素荧光猝灭的季节性差异分析叶片吸收的光能用于光化学反应和非光化学反应的两部分可以通过荧光产量的比值参数来进行区分。光化学猝灭系数 qP是由于植物的光合作用而引起的荧光猝灭，反映了植物光合活性的高低。非光化学猝灭系数NPQ是由于热耗散引起的荧光猝灭，反映了植物耗散过剩光能为热能的能力，也就是光保护能力。如图3-2(A)所示，在

23、190 mol (photons) m-2s-1下光化学猝灭系数qP在春夏秋三个季节间均存在显著差异 (p0.05)，其中春季（0.60）夏季（0.70） 冬季（0.78），这与 Fv/Fm的变化相反，625 mol (photons) m-2s-1以及1,500 mol (photons) m-2s-1下的显著性差异情况与前者相同；图3-2(B)反映了在同一季节间，随着稳态光强度的增强，qP值不断降低；还可以看到：在190 mol (photons) m-2s-1下，同一稳态光不同季节间 NPQ均存在显著差异(p夏季（0.52）（0.46）秋季，625 mol (photons) m-2s-

24、1以及1,500 mol (photons) m-2s-1下的显著性差异情况与前者相同，同一季节不同稳态光条件下随着稳态光强度的提高NPQ值也升高。图3-2 叶片的PSII反应中心光化学猝灭系数（qP）(A)和非光化学猝灭系数（NPQ）(B)的季节变化（平均值标准误差，n=15）。差异小写字母表示三个季节及三种稳态光作用条件下构树叶片qP和NPQ差异显著。3.3能量耗散量子产量的季节性差异分析调节性能量耗散的量子产量NPQ 是PS 吸收的光能中不用于光合电子传递而以热形式耗散掉的部分，若NPQ较高，一方面表明植物接受的光强过剩，另一方面则说明植物仍可以通过调节来保护自身，为光保护的重要指标。非

25、调节性能量耗散的量子产量NO 是植物通过其他形式减少的进入光化学途径的能量占总吸收能量的比例，若NO较高，则表明光化学能量转换和保护性的调节机制不足以将植物吸收的光能完全消耗掉，这是植物可能已经收到损伤，为光损伤的重要指标。如图3-3(A)所示，在625 mol (photons) m-2s-1非调节性能量耗散的量子产量NO 在秋季（0.44）显著升高，春季（0.29）秋季（0.32）差异不显著，表明光损伤不断升高，625 mol (photons) m-2s-1以及1,500 mol (photons) m-2s-1下的显著性差异情况相同；在同一季节不同稳态光处理间差异不显著。如图3-3(B

26、)所示，NPQ在190 mol (photons) m-2s-1稳态光条件下，春季（0.47）显著高于夏季（0.39）和秋季（0.36），这与625 mol (photons) m-2s-1稳态光条件下结果一致；在1500 mol (photons) m-2s-1条件下三个季节均存在显著差异，其中春季（0.59）夏季（0.53）秋季（0.45）。在同一季节下，随着稳态光强度的增强，NPQ 也不断升高。在三个季节间构树叶片NPQ 值均大于NO 值，且随稳态荧光强度的升高，NPQ、NO的变化趋势近乎相反。图3-3 构树叶片在三个季节间非调节性能量耗散量子产量（NO）（A）和调节性能量耗散量子产量（

27、NPQ）(B)的变化（平均值标准误差，n=15）。差异小写字母分别表明三个季节及三种稳态光作用条件下叶片的NPQ和NO差异显著。3.4最小饱和光强(Ek)的季节性差异分析最小饱和光强 Ek，反映了植物对强光的耐受能力，和植物的光饱和点及自身的耐受性有关。如图3-4所示，最小饱和光强 lk在不同季节间均存在显著差异 (p0.05)，其中夏季（694.86）最低，春季（898.45）大于秋季（1047.11）。图3-4 最小饱和光强 Ek的季节变化（平均值标准误差，n=15）。差异小写字母表示三个季节的 Ek差异显著。3.5快速光曲线的初始斜率的季节性差异分析光响应曲线的初始斜率 相当于最大光合效

28、率，可用来表示光化学反应的启动速率，季节变化对初始斜率的影响如图3-5所示。结果表明：不同季节间 存在显著差异，其中夏季（0.14）最高，春季（0.11）大于秋季（0.82）。 图3-5 快速光曲线的初始斜率 的季节变化（平均值标准误差，n=15）。差异小写字母表示三个季节的 值差异显著。4. 讨论4.1构树叶绿素荧光参数的季节变化植物光合速率是植物生产力的重要表征指标，在全球气候变化下，因温度和降水的变异将导致植物生物力发生显著变化。近年来，全球气温不断升高，亚热带部分地区夏季高温和临时性干旱现象日益显著，高温与干旱严重威胁着植物的生存与生长。光能是植物进行光合作用的能量基础，但是，当光能超

29、过光合机构所利用的量时，植物的光合能力将下降，从而产生光抑制14。对光合系统II( PS) 的伤害是光抑制的一种表现形式，其中Fv/Fm是植物发生光抑制的敏感指标15。当光强达到光饱和点时，Fv/Fm降低，且降低幅度随着光强的增加而增加，比值的降低可以迅速恢复时，主要是由于光保护反应起作用所致，这种光保护可通过减少光吸收、增加光能的耗散来实现16。植物固有的生活特性决定了不可避免地受到环境因子变化的影响。叶片展露于空气中接收太阳光能进行光合作用的同时，也不得不遭受季节变化引起的低温和光胁迫。低温条件下，强光容易引起光合器官的光抑制，严重的光抑制导致反应中心的不可逆破坏17。植物在长期的进化和适

30、应过程中形成了多种抵御和减轻低温与强光胁迫的防御机制，保证物种的延续18-19。本试验利用叶绿素荧光技术在室外自然条件下，测定并比较了构树在春夏秋3 季的叶绿素荧光参数的差异。结果显示，夏季高温干旱复合胁迫下,构树叶片Fv/Fm呈现下降趋势但是与春季相比较不存在显著差异，且稳态光的增强对其影响不明显，这说明高温干旱复合胁迫对构树叶片反应中心的影响较小，这可能由于构树是强阳性树种，对光强的需求强烈。秋季时的Fv/Fm显著下降，可能是由于到了生长期后期，内在调节机制降低了光合能力。植物对复合胁迫响应的机理复杂，分析植物的叶绿素荧光参数，有利于了解植物对复合胁迫响应表现的状态,但还需从抗氧化性、活性

31、氧和水力结构等方面进一步开展研究。荧光猝灭方面，光化学猝灭系数 qP不断升高，非光化学猝灭系数 NPQ不断降低，也就是植物耗散过剩光能为热能的能力不断下降，调节性能量耗散的量子产量NPQ 不断下降，非调节性能量耗散的量子产量NO 在秋季显著升高，光损伤不断升高，综合原因可能是夏季的干旱破坏了它的光合器官，也可能是因为它的生长季较短，在生长后期对强光的适应能力降低，光保护能力下降。当季节变化时，构树能通过自身调节机制改变能量耗散 NPQ 和 NO的比例，以适应夏季伏旱天气的影响，构树在夏季表现出较高的光能利用率，具有高光效潜能，对高光高热具有强较强的耐受能力，适应性相对较强。建议在构树的规模培养

32、中注意叶片的强光累计胁迫作用，选取日照强的地域种植。4.2 快速光响应曲线的季节变化相对电子传递速 rETR随PAR的变化图即为光响应曲线，即使光化光的持续时间短至 10s，也可得出典型的光响应曲线。通过分析可以看出，夏季是最小饱和光强 Ek显著降低和快速光曲线初始斜率显著升高的季节，说明此时受高温高光强双胁迫影响光和能力下降，但光化学启动速率变快；秋季时Ek有所回升，表明可能未涉及叶片光合机构的永久失活，即PSII反应中心捕获天线光能吸收效率的降低是可逆的，与植物自我调节性有关。春季时构树叶片有着较高的光化学反应启动速率和最小饱和光强，可看出春季较适宜构树的生长发育。参考文献1 张守仁. 叶

33、绿素荧光动力学参数的意义及讨论J. 植物学报, 1999, 16(4): 444-448.2 尤鑫, 龚吉蕊. 叶绿素荧光动力学参数的意义及实例辨析J. 西部林业科学, 2012, 41(5):90-94.3 Lobell D B, Asner G P. Climate and management contributions to recent trends in US agricultural yieldsJ. Science, 2003, 300(5625):1505.4 刘东焕, 赵世伟. 植物光合作用对高温的响应J. 植物研究, 2002, 22(2):205-212.5 武海, 张

34、树源, 许大全,等. 珊瑚树叶片叶绿素荧光非光化学猝灭的日变化和季节变化J. 植物生理学报, 1997, 23(2):145-150.6 Chen Y, Wang Z, Shen Z, et al. Effects of Oxytetracycline on Growth and Chlorophyll Fluorescence in Rape (Brassica campestris L.)J. Polish Journal of Environmental Studies, 2017, 26(3): 995-1001.7叶波, 吴永波, 邵维, 等. 高温干旱复合胁迫及复水对构树(Broussonetia papyrifera)幼苗光合特性和叶绿素荧光参数的影响J. 生态学杂志, 2014, 33(9): 2343-2349.8张荣佳, 任菲, 白艳波, 等. 基于快速叶绿素荧光诱导动力学分析逆境对PS影响的研究进展J. 安徽农业科学, 2012, (7): 3858-3859.9李旭新, 刘炳响, 郭智涛,