干旱對桑樹葉片光系統Ⅱ活性的影響

滕志遠，張會慧，代 欣，胡舉偉，張秀麗，孫廣玉

(1. 東北林業大學 生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.東北農業大學 資源與環境學院， 黑龍江 哈爾濱 150030)

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干旱對桑樹葉片光系統Ⅱ活性的影響

滕志遠，張會慧，代 欣，胡舉偉，張秀麗，孫廣玉

(1. 東北林業大學 生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.東北農業大學 資源與環境學院， 黑龍江 哈爾濱 150030)

桑樹；干旱脅迫；光系統Ⅱ；熒光動力學曲線

桑樹是桑科(Moraceae)桑屬(MorusL.)植物，用途廣泛。桑葉除了作為家蠶的主要飼料外，還可以作為畜禽優質飼料源，桑葚可開發為功能性食品和保健品，而桑根、皮等含有多種活性物質，可入藥。桑樹的抗逆性和適應性較強，在鹽堿地、荒山、沙漠及荒漠等地區均可種植，具有重要的生態價值[1]。隨著國家“東桑西移，南蠶北移”工程的實施，栽桑業從內陸濕潤區域向內陸干旱和半干旱地區轉移[2]。干旱是內陸干旱地區常見的環境脅迫因子之一，嚴重影響農林業植物的生長和發育，限制農林業的發展。

植物的光合作用對干旱脅迫反應較為敏感，可以通過檢測干旱脅迫條件下植物的光合參數變化情況來鑒別植物的抗旱能力[3-4]，植物凈光合速率的大小取決于1，5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)的活性和電子傳遞速率[5]。桑樹葉片的光合氣體交換參數對土壤水分含量的變化具有明顯的閾值響應，有利于桑樹光合作用和維持高水分利用效率的適宜土壤相對含水量為45%～78%[6]。而植物葉片光系統Ⅱ(PSⅡ)活性的降低被認為是植物發生光抑制的重要原因之一，PSⅡ也是植物發生光抑制時的重要破壞位點，PSⅡ作為植物類囊體膜上電子傳遞鏈的主要組成部分，其活性與功能直接影響到NADPH和ATP的合成，還會間接導致活性氧(ROS)的大量產生，進一步導致光合能力的降低[7]。大量的研究表明，在逆境條件下許多植物因其PSⅡ功能降低或PSⅡ結構損傷而使同化物積累減慢、產量降低[8-9]。胡楊在干旱脅迫下，當葉片的PSⅡ尚未發生不可逆的光損傷時，用于光合作用的光能所占的份額就明顯下降，耐受高光強的能力減弱，捕獲的光能過剩程度加劇，即由此帶來的光系統損傷的潛在危險增加，進而發生光抑制[10]。閆海霞等[11]研究發現，干旱脅迫使條墩桑葉片PSⅡ潛在活性中心受損，使其原初光能轉換效率明顯下降，同時色素吸收的光能用于光合作用的比例顯著下降，而通過熱和熒光形式散失的比例明顯增加。有研究發現在干旱條件下，印度桑樹品種(Morusindicacv.V1)葉片PSⅡ的結構和功能仍然保持完整，而PSⅡ電子傳遞受阻，熱耗散增強[12]。

目前，有關干旱脅迫對于桑樹葉片光合作用影響的生理機制鮮見報道。葉綠素熒光誘導動力學曲線(OJIP)可以快捷無損傷地分析逆境對光合作用某一過程的具體影響[13-14]。為此，本研究采用快速OJIP技術，研究重度干旱對桑樹葉片的PSⅡ光化學活性、電子傳遞、放氧復合體(OEC)活性的影響機制，其結果可為內陸干旱地區的桑樹栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試桑樹品種為一年生秋雨桑(MorusalbaL.cv Qiuyu)的實生苗，由黑龍江省蠶業研究所提供。試驗于2014年5月在東北林業大學植物營養實驗室進行。為確保試驗材料的相對一致性，在移栽之前將幼苗主根和主莖各保留5 cm，然后將幼苗移栽到直徑16 cm、高20 cm的培養缽中，每缽定植3株，總計90株。

1.2 干旱處理

為排除培養土差異影響和便于干旱處理，將培養苗木的草炭土均勻混合后，再與蛭石按1∶1混合裝盆，待幼苗培養至30 d，長出6～7片葉時，選擇長勢一致的桑樹幼苗進行試驗。因為桑樹極其耐旱，預試驗結果顯示中度脅迫與對照沒有差異，因此本研究選擇土壤相對含水量小于閾值的重度干旱(40%±5%)作為處理。處理前使各盆的土壤相對含水量基本達到飽和，停止澆水，自然干旱，通過稱盆質量監測處理失水情況，每天早晚用電子秤(精度5 g)稱重，并澆水至土壤相對含水量分別達到80%(對照組，CK)和40%±5%(處理組，重度干旱)[15]。持續干旱脅迫10 d后，對桑樹幼苗進行快速葉綠素熒光動力學曲線的測定。

1.3 測定項目

OJIP的檢測：于2014年6月18日上午9∶00～11∶00，此時段天氣晴朗，分別選擇對照組和處理組中長勢相對一致的5株幼苗(5次重復)，將桑樹幼苗從上往下數第4片完全展開葉進行40 min的暗適應后，利用Mini調制式掌上葉綠素熒光儀(FluorPen FP 100 max，捷克)測定葉片的OJIP。在測定中，誘導光強設為3 000 μmol·m-2·s-1的脈沖紅光，從10 μs開始記錄相對熒光強度(Fv)共記錄1 s，OJIP曲線上O，J，I和P點對應的時刻分別為20，2 000，30 000和1 000 000 μs，利用5次重復的平均值繪制OJIP曲線。

O，L，K，J，I和P點的相對熒光強度分別以Fo，FL，FK，FJ，FI和FP表示，而L，K，J和I點的相對可變熒光分別以VL，VK，VJ和VI表示，其中K點和L點分別為OJIP曲線上0.3 ms和0.15 ms對應的時刻。OJIP曲線是按照Strasser等[16]的方法利用JIP-test進行分析，特異分析J點和I點可變熒光的變化，將O-P曲線標準化，即將O點的相對熒光強度(Fo)設為0，而P點相對熒光強度(Fp)設為1，按公式(Ft-Fo)/(Fm-Fo)求得各時間點的相對可變熒光，其中Ft表示各時間點的相對熒光強度。為研究干旱脅迫對桑樹葉片放氧復合體OEC活性的影響，即K點和L點的相對可變熒光VL和VK變化，分別將O-J和O-K曲線進行標準化，其計算公式分別為：(Ft-Fo)/(FJ-Fo)和(Ft-Fo)/(FK-Fo)，計算干旱脅迫處理組桑葉標準化O-J和O-K曲線與對照組之間的差值，分別以△VO-J，△VO-K表示。

葉片相對含水量的測定：采新鮮葉片測定鮮重后，將葉片浸入蒸餾水飽和吸水24 h，稱取飽和重，然后烘干測定干重，相對含水量=(鮮重-干重)/(飽和重-干重)[17]。葉綠素含量的測定參照王晶英[18]的方法。

1.4 數據處理和統計方法

運用DPS軟件對試驗數據進行統計分析，利用Excel軟件繪制圖表，圖中數據為5次重復的平均值±標準差(SD)，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 桑樹葉片的相對含水量和葉綠素含量

供試桑樹葉片情況見圖1，對照組桑樹葉片平展上舉、顏色鮮綠(圖1-A)，干旱處理組桑樹幼苗葉片萎蔫下垂、顏色淺綠(圖1-B)。

由圖2可以看出，處理組葉片的相對含水量在70%左右，極顯著低于對照(80%左右)(P<0.01)。干旱處理10 d后，與對照組相比，處理組葉片的總葉綠素Chl (a+b)、葉綠素a(Chl a)和葉綠素b(Chl b)含量均明顯降低，分別降低了35.93%，30.87%和45.12%(P<0.01)，其中Chl b下降的程度較Chl a大，干旱處理的Chl a/Chl b較對照組高25.27%(P<0.01)。

2.2 桑樹葉片PSⅡ光化學活性的變化

由圖3可以看出，在干旱脅迫下，代表反應中心PSⅡ潛在活性的熒光參數Fv/Fo比對照組低7.9%，差異極顯著(P<0.01)；最大光化學效率Fv/Fm較對照組略低，但差異不顯著(P>0.05)，而以光吸收為基礎的光合性能指數(PIABS)較對照組低35%，差異極顯著(P<0.01)。

A： 對照組； B： 干旱脅迫處理組。圖1 測定前桑樹幼苗葉片狀態Fig.1 Growth condition of mulberry leaves before measuring

圖中不同大小寫字母分別表示處理間差異極顯著(P<0.01)和顯著(P>0.05)。圖3—6同。圖2 干旱對桑樹葉片相對含水量和葉綠素含量的影響Fig.2 Effects of drought stress on relative water content and chlorophyll content in mulberry leaves

圖3 干旱對桑樹葉片光化學效率Fv/Fo，Fv/Fm和PIABS的影響Fig.3 Effects of drought stress on Fv/Fo， Fv/Fm and PIABS in mulberry leaves

2.3 干旱對桑樹葉片OJIP曲線的影響

由圖4可以看出，干旱脅迫明顯改變了桑樹葉片的OJIP曲線形態，其中O點、J點、I點和P點的相對熒光強度(Fo，FJ，FI和FP)明顯升高。定量分析干旱脅迫對OJIP曲線各點相對熒光強度的影響，結果表明，干旱脅迫下桑樹葉片的Fo較對照高13.94%，差異極顯著(P<0.01)，而FP較對照上升了6.61%，差異不顯著(P>0.05)。同時，干旱處理使桑樹葉片的FJ和FI分別較對照升高了16.93%和8.64%，處理之間差異極顯著(P<0.01)。

2.4 干旱對桑樹葉片標準化OJ和OK曲線的影響

由圖5可以看出，干旱脅迫增加了OJIP曲線上L點和K點的相對熒光強度(FL和FK)，FL和FK分別較對照組升高18.39%(P<0.01)和19.64%(P<0.01)，差異極顯著。分別將O-K和O-J曲線標準化后可以發現，干旱脅迫處理的桑樹葉片標準化O-K曲線上0.15 ms時即L點的相對可變熒光(VL)和標準化O-J曲線上0.3 ms時即K點的相對可變熒光(VK)均與對照組之間有明顯差異，分別將標準化O-K和O-J曲線與對照組曲線作差值分析，可以看出L點和K點的相對可變熒光與對照組之間差異最大。定量分析結果表明，干旱脅迫下桑樹葉片的VL和VK分別較對照組升高了16.07%和23.62%，差異均極顯著。

圖4 干旱脅迫對桑樹葉片OJIP曲線的影響Fig.4 Effects of drought stress on OJIP transient in mulberry leaves

圖5 干旱脅迫對桑樹葉片標準化OJ和OK曲線的影響Fig.5 Effects of drought stress on normalized OJ and OK transient in leaves of mulberry

圖6 干旱對桑樹葉片標準化OJIP曲線的影響Fig.6 The effects of drought on normalized OJIP transient in leaves of mulberry

2.5 干旱對桑樹葉片標準化OJIP曲線的影響

圖6可以看出，將OJIP曲線按O-P標準化后可以發現，干旱脅迫增加了桑樹葉片J點和I點的相對可變熒光(VJ和VI)。將干旱脅迫桑樹葉片標準化O-P曲線與對照做差值可以發現，干旱脅迫使VJ的增加幅度大于VI。定量分析結果表明，干旱脅迫下桑樹葉片VJ和VI分別增加了34.15%(P<0.01)和20.47%(P<0.01)。

3 結論與討論

光合作用是植物獲得物質和能量的重要代謝過程之一[19-20]，其經常受到外界條件變化的影響。光合作用可作為植物長勢和抵抗逆境能力的參考指標[21]，植物水分供應情況直接影響其光合作用能力，水分虧缺導致光合能力下降，是干旱條件下農林業植物減產的主要原因之一[22]。葉綠素熒光被稱為光合作用的探針，葉綠素熒光誘導動力學曲線可以反映環境因子對光合作用過程的影響[23]，目前已證明活體葉綠素熒光主要與PSⅡ有關。

本研究表明，在導致桑樹葉片持續萎蔫的重度干旱脅迫下，桑樹葉片中Chl (a+b)，Chl a和Chl b含量以及PIABS，Fv/Fo均明顯低于對照組(P<0.01)，而Fv/Fm雖然較對照組低，但差異不顯著(P>0.05)。Fv/Fm通常被作為逆境下PSⅡ光化學反應狀況的葉綠素熒光參數，大多數植物葉片在非光抑制條件下的Fv/Fm約在0.8左右，物種之間差異較小。Christen等[24]、Oukarroum等[25]和Guha等[12]發現，桑樹的Fv/Fm對干旱脅迫不敏感，原因在于該參數值的大小取決于Fo和Fm，如果這兩者發生相同趨勢的變化，其比值變化就不明顯。在本試驗中，干旱脅迫下Fo和Fm均表現出上升的趨勢，所以Fv/Fm變化不明顯。

綜上所述，水分極度虧缺時，桑樹幼苗葉片的PSⅡ反應中心活性顯著下降，光抑制程度明顯。其具體的阻遏原因在于干旱減弱了PSⅡ受體側的電子傳遞能力，特別是抑制了QB接受電子的能力；降低了PSⅡ供體側放氧復合體OEC的活性，加快了類囊體的解離速度，進而破壞PSⅡ的正常生理功能。

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(責任編輯 侯春曉)

Effects of drought stress on PSⅡ photochemical activity in leaves of Morus alba

TENG Zhi-yuan1， ZHANG Hui-hui2， DAI Xin1， HU Ju-wei1， ZHANG Xiu-li1，*， SUN Guang-yu1

(1.CollegeofLifeScience，NortheastForestUniversity，Harbin150040，China； 2.CollegeofResource&Environment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

mulberry; drought stress; photosystemⅡ; chlorophyll fluorescence kinetics

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.01.01

2015-05-27

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12543013)

滕志遠(1992—)，男，山東招遠人，碩士研究生，研究方向為植物生物科學。E-mail: 1005066076@qq.com

*通信作者，張秀麗，E-mail: xlz619@yeah.net

S888.2

A

1004-1524(2016)01-0001-08

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2016，28(1):1-8

滕志遠， 張會慧， 代欣， 等. 干旱對桑樹葉片光系統Ⅱ活性的影響[J]. 浙江農業學報， 2016， 28(1): 1-8.