銀杏葉片衰老過程中葉綠體光合能力的變化

摘?要：以大田栽培的十年生雌性銀杏植株為實驗材料，研究自然條件下葉片衰老過程中葉綠體光合能力的變化.結(jié)果表明：葉綠體的光合能力隨葉片的衰老持續(xù)下降，總?cè)~綠素含量迅速下降，類胡蘿卜素含量沒有明顯變化，而類胡蘿卜素與葉綠素比值呈上升趨勢，在衰老末期較為顯著;葉綠體中ATP含量、葉綠體放氧活性、電子傳遞活性、光合磷酸化活性、Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase的活性均下降，且Ca2+-ATPase活性明顯弱于Mg2+-ATPase活性;葉綠體內(nèi)SOD，POD，APX和 CAT四種抗氧化保護酶活性均呈先升后降的趨勢，衰老后期活性最高，衰老末期四種抗氧化保護酶活性同時大幅下降，葉綠體在葉片衰老過程中具有較強活性氧清除的酶促能力.

關鍵詞：銀杏;葉片衰老;光合能力

[中圖分類號]Q948???[文獻標志碼]A

Changes in Photosynthetic Abilities in the Chloroplastsof Ginkgo Leaves During Senescence

YANG Xiansong

（College of Food and Bio-engineering， Bengbu University， Bengbu 233030，China）

Abstract：Changes in photosynthetic abilities in the chloroplasts of 10-year-old female ginkgo leaves during senescence were studied in the field under natural environmental conditions. The results showed that the photosynthetic abilities gradually decreased as the leaves senesced， the content of total chlorophyll decreased rapidly while the contents of carotenoids changed little during， but the ratio of carotenoids / chlorophyll increased， particularly in the final senescence. The content of ATP， the activity of O2 evolution of chloroplasts， the electron transport activities， the activity of photo-phosphorylation and the activity of Ca2+-ATPase and Mg2+-ATPase declined as the leaf senesced， and the activity of Ca2+-ATPase was significantly lower than that of Mg2+-ATPase. The activities of the antioxidative enzymes， such as superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD）， ascorbate peroxidase （APX） and catalase （CAT） were strengthened then declined， peaked in the late senescence. Until the final senescence， activities of four kinds of enzymes were decreased significantly. The antioxidant enzyme system plays a key role in elimination of reactive oxygen species from leaf expansion to late senescence.

Key words：Ginkgo （Ginkgo biloba L.）; leaf senescence; photosynthetic abilities

銀杏（Ginkgo biloba L.）是現(xiàn)存裸子植物銀杏目中獨科獨屬獨種的孑遺植物，為我國特有的珍稀植物資源.[1]銀杏在植物系統(tǒng)演化研究中具重要地位，被達爾文稱為“活化石”.銀杏作為傳統(tǒng)中藥在我國有千年以上歷史，銀杏葉提取物作為藥劑已大量應用于心腦血管疾病的治療.[2]本試驗以銀杏為試材，研究自然條件下銀杏葉片衰老進程中葉綠體光合能力的變化特性，為銀杏的栽培和田間管理提供理論依據(jù).

1?材料與方法

1.1?材料

供試材料采用江蘇省江都林業(yè)管理站大田栽培的十年生雌性銀杏植株，田間試驗為每年的7月中旬-11月中旬.每隔一個月采樣一次.

1.2?方法

可溶性蛋白含量測定參考Bradford[3]的方法.光合色素含量的測定、葉綠體放氧活性的測定、葉綠體光合磷酸化活性的測定、葉綠體ATP含量的測定、類囊體膜電子傳遞活性的測定均參考楊賢松[4]的方法.葉綠體ATP酶活性的測定、Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase的活性參考Vallejos[5]的方法.SOD，POD，APX及CAT的活性均參考楊賢松[6]的方法測定.

2?結(jié)果與分析

2.1?可溶性蛋白含量的變化

葉片衰老進程中，可溶性蛋白含量先升后降，衰老前期（8月）含量最多，末期（11月）最少（圖1）.

2.2?光合色素含量的變化

葉片衰老進程中，總?cè)~綠素含量逐漸下降，

衰老末期（11月）最少，而類胡蘿卜素含量沒有明顯變化（圖2 ）.類胡蘿卜素與葉綠素比值呈先升高后趨于平穩(wěn)再顯著上升的趨勢（圖3）.

2.3?銀杏葉綠體光合磷酸化活力的變化

葉片衰老進程中，銀杏葉綠體光合磷酸化活性逐漸降低，衰老中后期降幅較為明顯（圖4）.

2.4?銀杏葉綠體ATP含量的變化

葉片衰老進程中，ATP含量逐漸下降，衰老初期（7月）含量最多，末期（11月）最少（圖5）.

2.5?銀杏葉綠體ATPase活力的變化

葉片衰老進程中，葉綠體Mg2+和Ca2+ -ATPase活性均降低，Ca2+ -ATPase活性明顯弱于Mg2+-ATPase活性（圖6）.

2.6?銀杏葉綠體放氧活性的變化

葉片衰老進程中，葉綠體放氧活性直線下降，衰老初期（7月）活性最高，末期（11月）最低（圖7）.

2.7?類囊體膜電子傳遞活性的變化

葉片衰老進程中，PSII、PSI和全電子鏈的電子傳遞活性均降低，衰老初期（7月）活性最高，末期（11月）最低（圖8）.

2.8??抗氧化保護酶活性的變化

葉片衰老進程中，SOD，APX，POD和 CAT四種抗氧化保護酶活性均呈先升后降的趨勢，衰老后期（10月）活性最高（圖9）.

3?討論

研究結(jié)果表明，銀杏葉片衰老進程中光合電子傳遞活性的降低導致葉綠體光合磷酸化和光合放氧活性下降，葉綠體光能吸收能力的減弱導致葉片光合功能的衰減，銀杏葉片衰老進程中葉綠體的光合能力不斷降低.

蛋白質(zhì)降解是葉片衰老的典型特征之一[7]，且易降解的蛋白質(zhì)大多為可溶性蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在細胞里一般以酶的形式存在，其中跟光合作用有關的RuBP 羧化酶大約占葉片可溶性蛋白的一半左右.[8]可溶性蛋白質(zhì)含量的動態(tài)改變，意味著以RuBP羧化酶為主的細胞內(nèi)各種酶含量的動態(tài)改變.本研究顯示，在葉片衰老進程中，銀杏葉片可溶性蛋白含量呈下降態(tài)勢.

葉綠素參與光合作用中光能的吸收、傳遞及轉(zhuǎn)化，葉片葉綠素處于合成代謝和降解代謝的動態(tài)改變中，通常在葉片衰老進程中葉綠素的降解速率大于合成速率.[9-10]本研究顯示，銀杏葉片葉綠素含量在衰老期顯著下降.

葉片衰老進程中光合電子傳遞活性的改變必然對光合放氧及光合磷酸化活性發(fā)揮重要影響.[11]本研究顯示，在葉片衰老進程中，銀杏葉片PSI、PSII及全電子鏈的電子傳遞活性都隨葉片衰老而降低，葉綠體放氧活性也隨葉片衰老而降低，推斷放氧活性降低可能是由于電子傳遞活性降低所致.

光合磷酸化活性的強弱反映了葉綠體在光照條件下合成ATP的能力，也代表了葉綠體光能轉(zhuǎn)化特性.[11]本研究顯示，在葉片衰老進程中，銀杏葉片葉綠體光合磷酸化活性逐漸降低，進而導致葉綠體ATP含量在葉片衰老進程中不斷降低，說明葉綠體光能轉(zhuǎn)化效率在葉片衰老進程中也逐漸下降.葉綠體ATPase跟葉綠體膜結(jié)合形成復合蛋白，在催化光合磷酸化過程中發(fā)揮著積極作用.[11]本研究顯示，在葉片衰老進程中，銀杏葉片葉綠體Ca2+-ATPase和Mg2+-ATPase的活性顯著下降，說明ATP酶催化光合磷酸化反應的能力降低.本研究結(jié)果還顯示，葉綠體電子傳遞活性與其光合磷酸化的活性同步降低，表明葉綠體光合電子傳遞的衰減跟光合磷酸化是同步的，進一步證明光合電子傳遞的衰減是導致光合磷酸化活性降低的重要原因.

植物具有完善的清除活性氧的防衛(wèi)系統(tǒng)，讓體內(nèi)產(chǎn)生和清除活性氧處于動態(tài)平衡.[11]本研究顯示，在葉片衰老進程中，銀杏葉片葉綠體中四種抗氧化保護酶活性都先升后降（圖8）.說明銀杏葉綠體在葉片全展后至衰老后期均具有較高的活性氧清除酶促能力.直到衰老末期（11月）SOD，POD，APX和 CAT四種酶的活性一起大幅下降，H2O2不能被及時清除，在葉綠體內(nèi)快速積累，加劇了葉綠體的衰老.類胡蘿卜素作為一種強抗氧化劑，既參與光能的捕獲，又參與單線態(tài)氧的猝滅.[12]本研究顯示，在葉片衰老進程中，盡管類胡蘿卜素含量變化很小，但類胡蘿卜素與葉綠素比值卻先升后平穩(wěn)再顯著上升.因此，在銀杏葉片衰老進程中，類胡蘿卜素在避免過剩激發(fā)能對光合系統(tǒng)的損傷上發(fā)揮重要作用.

參考文獻

[1]楊賢松，謝海偉，柯春林，等. 銀杏葉片衰老過程中的葉綠素熒光動力學[J]. 光譜實驗室， 2012， 29（6）： 3483-3486.

[2]楊賢松. 銀杏葉片生長和衰老過程中葉綠體超微結(jié)構(gòu)的變化[J]. 電子顯微學報， 2014， 33（4） ： 363-367.

[3]Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding[J]. Analytical Biochemistry，1976，72： 248-254.

[4]楊賢松，田長城，李亮，等. 銀杏葉片生長過程中葉綠體光合能力的變化[J]. 牡丹江師范學院學報：自然科學版， 2016， 95（2）：55-58.

[5]Vallejos R.H.， Arana J.L. and Ravizzini R.A. Changes in activity and structure of the chloroplast proton ATPase induced by illumination of spinach leaves[J]. Journal of Biological Chemistry，1983， 258： 7317-7321.

[6]楊賢松. 銀杏葉片生長和衰老過程中葉綠體光合能力的變化及其葉綠素熒光動力學研究[D]. 南京：南京師范大學，2010.

[7]張靜，安文和. 試述植物衰老的原因 [J]. 牡丹江師范學院學報：自然科學版， 1995 （2）： 49-51.

[8]Patterson T.G.， Moss D.N. and Brun W.A. Enzymatic changes during the senescence of field-grown wheat[J]. Crop Science. 1980， 20： 15-18.

[9]Thomas H. Chlorophyll： a symptom and a regulator of plastid development[J]. New Phytologist，1997，136： 163-181.

[10]魏曉東，陳國祥，徐艷麗，等. 銀杏葉片衰老過程中光合生理特性及葉綠體超微結(jié)構(gòu)的變化[J]. 植物研究， 2008， 28（4） ： 433-437.

[11]陳曉亞，薛紅衛(wèi). 植物生理與分子生物學：第4版[M]. 北京：高等教育出版社，2012：515-516.

[12]Edge R.， McGarvey D.J. and Truscotte T.G. The carotenoids as antioxidants[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology B： Biology，1997， 41：189-200.

編輯：琳莉