光強對黑麥草萌發生長、葉片葉綠素含量及光系統II的影響

張 輝，王 荷，張蓓蓓，武悅萱，王苗苗

(陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，寶雞文理學院，陜西 寶雞 721013)

光照條件是植物正常生長發育中最重要的環境因子之一，光合作用過程中吸收光能的是葉綠體色素(葉綠素a和葉綠素b)和類胡蘿卜素，其中葉綠素是主要的光能吸收物質，直接影響植物光合過程中光能的利用，研究表明葉綠體色素含量與其光合能力有較好的相關性[1]。植物的光合作用對環境因子變化非常敏感，光強因子就是其中之一[2]，當光能過剩并高于植物光飽和點后PSII部位會發生光抑制的現象[3]，而弱光環境又會影響植物的光合效率。葉綠素熒光可以迅速、準確、無損傷地檢測到光脅迫下植物光合作用的狀態，通過分析熒光參數的變化可以直接觀測脅迫對植株的影響[4]。植物經過暗適應后暴露在可見光下，熒光值會隨時間有所變化，形成的曲線就是葉綠素熒光誘導曲線(OJIP)。這條曲線能夠反映PSII的初始光化學反應及光合機構的結構和狀態等變化[5-7]。

黑麥草是一種禾木科草本植物，由于其營養價值高，生長較快，種植范圍廣，所以它不僅是一種優質的牧草，同時也有很大的商業用途。黑麥草經常會被當做草坪用在高爾夫球道和城市綠地。黑麥草作為草坪用草時不僅受到太陽光照的影響也會受到人工光源的影響。目前有關黑麥草的研究較多，主要集中在黑麥草的重金屬吸附能力及各脅迫對黑麥草生長生理的影響方面[8-10]，但黑麥草作為綠地景觀植物，受到光照影響的研究報道較少。其中，李雪琴[11]通過對比4種草坪用草葉綠素熒光特性，發現黑麥草耐光抑制能力較弱。因此，本研究選取不同光照強度對黑麥草進行水培試驗，結合萌發生長狀況、葉片葉綠素含量及葉綠素熒光特性，分析光照對黑麥草生長及生理的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與處理方法

丹麥紳士多年生黑麥草(寶雞市林業局提供)，選取顆粒飽滿種子，用0.1% HgCl2浸泡消毒10 min，消毒后用純水沖洗3遍。在干凈的培養皿里鋪上濾紙，將種子用鑷子擺放在濾紙上，每個培養皿中整齊擺放100粒種子，并且保持培養皿濕潤。將培養皿放入Fytosys人工氣候箱中，晝夜時間為14 h/10 h，溫度為25℃/15℃。設計6組不同光強處理L1、L2、L3、L4、L5和L6，分別為100、200、300、400、500 μmol·m-2·s-1和600 μmol·m-2·s-1，每個光強6次重復。觀察種子萌發，以胚芽長度超過種子長度二分之一視為發芽，第三天開始記錄發芽數。

1.2 測定方法

1.2.1 種子生長指標的測定 芽長為胚軸與芽之間的過渡點開始到芽末端的長度；根長為胚軸與根之間的過渡點開始到根末端的長度[12]。

發芽率[13](%)=7 d發芽種子數/供試種子數×100%。

發芽勢[14](%)=3 d發芽種子數/供試種子數×100%。

發芽指數[13]

GI=∑(Gt/Dt)

其中，Gi為發芽指數；Gt為第t天的發芽數；Dt為相應的發芽天數。

活力指數[15]VI=發芽指數(GI)×芽長度(cm)。

1.2.2 葉綠素含量測定 將水培第7天的黑麥草葉片剪下稱取0.2 g，用25 ml 95%乙醇提取葉片葉綠素，并利用分光光度計分別在波長665、649、470 nm下測定吸光度，計算葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和葉綠素a/b的值[16]。

建設生態文明是關系人民福祉、關乎民族未來的長遠大計。2013年，長江委積極落實最嚴格水資源管理制度，嚴守“三條紅線”，扎實推進水資源管理，不斷加強水資源、水生態環境保護，努力讓一江清水造福兩岸億萬人民。

1.2.3 快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的測定 在水培黑麥草第7天上午9∶00，隨機選取黑麥草葉片，經過20 min暗適應，利用德國Walz公司生產Mini-Imaging-PAM熒光儀進行快速葉綠素熒光誘導曲線測定，得出OJIP曲線。同時，得到的參數分別為：暗適應后最小熒光強度(Fo)；暗適應后最大熒光(Fm)；PSII最大光化學效率(Fv/Fm)；捕獲光能與熱耗散能量的比例(Fv/Fo)；OJIP熒光誘導曲線初始斜率(Mo)；單位反應中心吸收的能量(ABS/RC)；單位反應中心捕獲的用于還原QA的能量(TRo/RC)；單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量(ETo/RC)；單位反應中心熱耗散的能量(DIo/RC)；PSII捕獲能量從QA傳遞到QB的效率(ψo)；用于電子傳遞的量子比率(φEo)；用于熱耗散的量子比率(φDo)；以吸收光能為基礎的性能指數(PIabs)。

1.3 數據處理

利用Excel 2010進行基礎數據整理；SPSS 19.0進行one way-ANOVA分析[17]，用LSD法進行顯著性檢驗和多重比較；采用Origin 8.0作圖[18]。

2 結果與分析

2.1 不同光強對水培黑麥草種子萌發和根芽生長的影響

種子的萌發能力可以通過發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數表現出來。由表1可看出隨著光照強度從L1升至L6后水培黑麥草發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數都有一個先上升再下降的趨勢。不同光照處理間發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數均達顯著差異(表1)。在L3光照處理下黑麥草種子發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數均達到最大值。L3處理下黑麥草發芽率顯著高于其他處理(P<0.05)。發芽勢和發芽指數在L3處理下與其他5組光照有顯著差異(P<0.05)，說明在L3處理下黑麥草的種子發芽整齊且迅速?；盍χ笖凳欠N子發芽速率和生長量的綜合反映，從表1可以看出在L3處理下黑麥草活力指數最大，顯著高于其他5組光強處理且有差異顯著(P<0.05)。

從表1可以看出L3和L4處理下，水培黑麥草生長最好。根長、芽長均達到最大值，但兩組之間差異不顯著(P>0.05)。L1和L2處理下及L5、L6根芽長度沒有明顯差異(P>0.05)。但L3和L4與其他4組處理有顯著差異(P<0.05)。

表1 不同光照處理對水培黑麥草種子萌發和根芽生長的影響Table 1 Effects on seed germination and root growth of ryegrass under different light intensities in hydroponic

注：表中數據為平均值±標準差；不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。*P<0.05，**P<0.01。下同。

Note: The values presented were the mean±standard errors； different letters means different significance atP<0.05 level. *P<0.05, **P<0.01. The same below.

2.2 不同光強處理下水培黑麥草葉綠素含量比較

葉綠素是葉片光合功能的重要性狀之一， 其含量高低反應了葉片生理功能的強弱，將直接影響葉片的光合能力[19]。從表2可以看出，葉綠素a和葉綠素a/b隨著光照強度的增加有一個先升高后降低的趨勢，且不同光照處理下黑麥草葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素及葉綠素a/b有顯著差異。光強為L3時，總葉綠素含量最高，葉片葉綠體可以吸收更多的光能，光合效能較強。L3處理下葉綠素a含量分別高出L1、L4、L5、L6處理7.04%、21.13%、22.54%和30.99%(P<0.05)。L3處理下葉綠素b含量比L1、L2、L5和L6處理分別高出4.7%、33.33%、3.7%和25.93%(P<0.05)。葉綠素a/b反映捕光色素復合體Ⅱ在總葉綠素的結構中所占的比例，能夠說明捕光能力的強弱，從表2可以看出在L2處理下水培黑麥草捕光能力是最強。

2.3 不同光強對水培黑麥草葉片葉綠素熒光特性的影響

2.3.1 對水培黑麥草葉片Fo和Fm的影響 從圖1中可以看出，光照處理從L1到L6，初始熒光(Fo)呈下降趨勢，最高值出現在L2處理，最小值出現在L6處理，L2顯著高于L4、L5、L6(P<0.05)，但與L1、L3處理差異不顯著(P>0.05)，L2處理下Fo比L4、L5和L6處理下分別高出22.68%、31%和35.13%。最大熒光(Fm)隨著光強的增強先上升再下降，最大值出現在L3處理下，顯著高于其他5組處理(P<0.05)，且分別比L1、L2、L4、L5和L6處理高出10.62%、5.34%、23.51%、39.48%和40.26%。

表2 不同光強處理對水培黑麥草葉片葉綠素含量的影響Table 2 Effects on chlorophyll content of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

2.3.2 對水培黑麥草葉片Fv/Fm和PIabs的影響 最大光化學效率(Fv/Fm)是指PSII反應中心內原初光能轉化效率，通過葉片發生光抑制來衡量它受脅迫的程度，Fv/Fm值越低說明植物受到的光抑制越高[20-21]。由圖2可以看出，隨著光強的變大，Fv/Fm都在0.78左右，L3處理最高，且與L1、L5和L6處理存在顯著差異(P<0.05)，分別高出3.04%、4.08%和2.53%。

光化學性能指數(PIabs)是一個能夠反映植物光合綜合性能的參數[22]，對逆境和脅迫反應靈敏[23]。從圖2可以看出PIabs的趨勢跟Fv/Fm一致，先升高再降低，L3處理下值最大，且顯著高于L1、L4、L5和L6處理，分別高出12.23%、6.38%、14.89%和15.96%。

圖1 不同光強處理對水培黑麥草葉片初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)的影響Fig. 1 Effects on the initial fluorescence (Fo) and maximum fluorescence (Fm) of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

圖2 不同光強處理對水培黑麥草葉片Fv/Fm及PIabs的影響Fig. 2 Effects on Fv/Fm and PIabs of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

2.4 不同光強對水培黑麥草葉片葉綠素熒光誘導曲線的影響

利用相對可變熒光(Vt)進行標準化后繪制的OJIP曲線能夠克服葉片表面附屬物、照光面積、色素含量、材料厚度、儀器電壓等各種因素影響，而使OJIP曲線更加準確，Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)(Ft指實時熒光數值)[25]。圖3(B)是用Vt標準化后的OJIP曲線，從圖中可以看出6種光強處理下的OJIP曲線形態較相似，不同光強處理下的水培黑麥草OJIP曲線差異不明顯，說明電子傳遞速率與過程差異較小。

圖3 不同光強處理下水培黑麥草快速葉綠素熒光誘導曲線及相對可變熒光誘導曲線Fig. 3 The dynamic curves of chlorophyll fluorescence induction and relative chlorophyll fluorescence under different light intensities treatments

當PSII供體側放氧復合體OEC受到傷害時，在J點前葉綠素熒光強度會上升出現K點，Fk一般指OJIP曲線在300 μm左右時的葉綠素熒光值[26]，對O-J部分進行標準化可以得到參數Wk，用來反映K點的變化：Wk=(Fk-Fo)/(Fj-Fo)[27]。從圖4可以看出，水培黑麥草葉片相對可變熒光參數Wk在光強變化下并沒有顯著變化(P>0.05),Vj(J點的相對可變熒光)隨著光強增加有所增加，但差異也不顯著。

圖4 不同光強條件對水培黑麥草葉片Vj、Wk的影響Fig. 4 Effects on Vj and Wk of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

2.5 不同光強對水培黑麥草葉片PSII供體側、反應中心、受體側的影響

從圖3可以看出，在不同光強處理下水培黑麥草OJIP曲線中并未出現K點，圖4中6組光強處理下Vj、Wk值之間并無顯著差異，表明SPII供體側并沒有受到光強變化的影響，因此進而分析其他參數對葉片PSII的影響。

PSII反應中心吸收、捕獲、電子傳遞及熱耗散能量可以通過參數ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和DIo/RC來表示。隨著光強從L1升至L6，ABS/RC、TRo/RC和DIo/RC都隨光強增大而增大，單位熱耗散 ETo/RC隨光強增加而減小。

由F值可以看出，Mo和ψo處理間沒有差異，TRo/RC和ETo/RC有顯著差異，Sm、ΦEo、ABS/RC和DIo/RC有極顯著差異，以ABS/RC差異最大。

表3不同光強處理對水培黑麥草葉片Mo、Sm、ΦEo 、ψo 、ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC及DIo/RC的影響

Table 3 Effects on Mo,Sm,ΦEo, ψO, ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC and DIo/RC of ryegrass leaves under different light intensities in hydroponic

光照強度LightintensityMoSmΦEoψoABS/RCTRo/RCETo/RCDIo/RCL10．92±0．14a322．71±3．45b0．40±0．01b0．54±0．01a2．52±0．05c1．88±0．06c1．13±0．04a0．60±0．02cL20．93±0．06a332．89±9．63ab0．44±0．01a0．57±0．02a2．56±0．07c2．00±0．07bc1．10±0．01ab0．60±0．05cL30．95±0．09a345．96±5．90a0．45±0．01a0．57±0．01a2．61±0．02c2．01±0．10bc1．10±0．01ab0．62±0．00cL40．96±0．07a333．62±11．93ab0．43±0．01a0．56±0．01a2．75±0．05b2．13±0．13ab1．09±0．02bc0．65±0．02cL51．05±0．25a321．79±0．95b0．40±0．01b0．52±0．01a2．81±0．11b2．16±0．03a1．08±0．01bc0．75±0．05bL60．88±0．02a261．21±12．38c0．39±0．01b0．51±0．01a3．15±0．13a2．16±0．21a1．05±0．01c0．86±0．02aF0．5937．09??16．71??0．9837．18??6．21?5．25?36．67??

3 結論與討論

由不同光強處理下種子萌發和生長狀況可以看出(表3)，L3光強強度是最適宜黑麥草種子生長的光照條件。這與前人研究相同，說明黑麥草為弱光性植物[11]。

葉綠素含量能夠反映出植物的光合能力，其中干旱、鹽分及光強都是影響植物葉綠素含量的重要環境因子[28-30]。從水培黑麥草研究過程中可以看出它在L3光強處理下葉綠素含量高于其他光強處理，而且通過葉綠素a/b的值變化可以看出光強增大的過程并不利于葉綠素a的形成，葉綠素a含量的降低既影響了光能的吸收也影響光能轉化(表2)。

水培黑麥草的Fo和Fm都隨著光強的增大先升高再減小。由Fo的變化可以看出色素吸收光能的變化是植物在自然狀態下光合作用強弱的表現，一般來講，Fo值越低說明光能利用越高[31]，而Fo的變化也可以用來推測反應中心可能發生的保護機制的狀況和天線色素被激發后的電子密度[32-33]。在L1和L2處理下初始熒光值最大，此時水培黑麥草PSII反應中心遭到了破壞，光能利用較低。當光強升至L3時，初始熒光較大幅度降低，光能利用達到最大。隨著光強的不斷增大Fm變化趨勢也是先顯著降低再緩慢升高。說明在弱光環境下水培黑麥草的電子反應程度最大，對弱光的適應性也是最強的，Fm下降也就是說明水培黑麥草葉片的電子反應程度低，電子不活躍。Fv/Fm只會在受到脅迫時值才會下降，隨著光強增大使得水培黑麥草出現了光抑制，L3處理下受到的光抑制最弱。而Fv/Fm的下降是由于Fo的升高和Fm的減小共同影響。PIabs可以準確反映植物光合機構的整體狀態[34]，在L3處理下PIabs最高，綜合Fv/Fm來看，L3處理下水培黑麥草的光合性能最強。L3處理下Fv/Fm和PIabs相比PIabs對外界環境的變化更為敏感，能更好地反應植物光合性能。

從PSII供體側、反應中心和受體側參數變化可以具體了解到水培黑麥草的光合過程。供體側參數Wk并無差異說明光強變化對PSII供體側沒有影響。隨著光強變大ABS/RC增加，TRo/RC和ERo/RC也增加，但DIo/RC減小，即反應中心吸收能量增加，捕獲光能的能力和傳遞電子能力增加，但熱耗散減小。

綜上可以看出，隨著光照強度增加，水培黑麥草種子的萌發，生長情況、葉綠素含量、葉綠素熒光參數以及葉綠素熒光動力學曲線都有相對統一的先升高再降低的趨勢。L3光強處理下黑麥草種子萌發、生長、葉片葉綠素含量及葉綠素熒光特性最佳，因此可以推斷在該試驗中L3可能是水培黑麥草的最適光照強度。但由于試驗條件，設備及儀器等的限制，沒有進行較多的光強設置，在以后的試驗中，還將繼續補充較多的光強處理，分析最佳的光照強度。