哈密瓜葉色黃綠突變體Cmygl-1快速葉綠素熒光誘導動力學特性

劉會芳，韓宏偉，王 強，莊紅梅，王 浩

(新疆農業科學院園藝作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】哈密瓜(Cucumismelovar. saccharinus)是新疆的特色優勢作物。哈密瓜是喜光、溫作物，設施栽培的哈密瓜，因光照時間縮短、光照強度減弱，光合效率降低，導致果實中糖分積累減少，造成品質下降[1]。研究哈密瓜光合作用調控機制，培育高光效、耐弱光品種是提高設施哈密瓜品質的關鍵。植物葉片顏色突變通常是葉綠體發育異常或葉綠素代謝途徑發生基因突變引起的。葉色突變體不僅可以作為形態學標記，簡化良種繁育過程中雜交種子純度鑒定工作[2]，還是開展植物光合作用機制、光形態建成、葉綠體結構與功能等基礎研究的理想材料，對植物基因功能鑒定、互作機制、表達調控等研究也具有重要的科學價值。【前人研究進展】近年來，有利用水稻[3-4]、玉米[5]、甘藍型油菜[6-7]、薄皮甜瓜[8]等多種作物的葉色突變體材料開展了突變的農藝性狀、生理及分子機制的研究。【本研究切入點】針對快速葉綠素熒光誘導動力學特性研究，瓜類中黃瓜有過研究，但哈密瓜未見報道。哈密瓜突變體的相關研究也未見報道。研究哈密瓜葉色黃綠突變體Cmygl-1快速葉綠素熒光誘導動力學特性。【擬解決的關鍵問題】以1個哈密瓜葉片顏色黃化自然突變體Cmygl-1為材料，前期試驗中對其光合氣體交換參數測定發現，在弱光與低濃度CO2環境中，突變體有較高的凈光合速率。研究哈密瓜葉色黃化突變的光合機理，為設施哈密瓜高光效品種改良提供支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

以從新疆哈密瓜地方品種炮臺紅的高代自交系中獲得的葉色黃綠自然突變體(Cmygl-1)(MT)及其葉色正常的野生型近等基因系(WT)為材料。均由新疆農業科學院園藝作物研究所蔬菜栽培課題組提供。

1.2 方 法

分別播種突變體(Cmygl-1)(MT)及其葉色正常的野生型(WT)各30株，相同管理，待其生長至兩葉一心，選擇完好的功能葉片測定快速葉綠素熒光誘導動力學曲線，每個品種重復5株。

快速葉綠素 a 熒光誘導曲線測量采用便攜式植物效率分析儀 M-PEA(Hansatech，英國)。所有葉片測定前均暗適應20 min。根據 Strasser 等(2000)[9]的方法計算以下熒光參數：Mo、Sm、ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、φPo、ψo、φEo、φRo、φDo、RC/CSo 、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo、PI(abs)、VJ。數據處理采用Microsoft Excel 2003，作圖采用Origin75和Microsoft Excel 2003。

2 結果與分析

2.1 突變體快速葉綠素熒光誘導動力學曲線

研究表明，突變體葉片的O-J-I-P曲線形狀發生了變化，Fm大幅降低且到達所需時間較短，曲線整體較為平緩，拐點不明顯。且突變體葉片熒光產額整體低于野生型，初始熒光Fo和最大熒光Fm均顯著小于野生型植株，產額分別相差1 751.6、19 664。突變體的光合機構已經破壞。圖1～3

研究表明，突變體及野生型植株葉片的O-P標準化曲線，標準化公式是相對熒光值F=(Ft-Fmin)/(Fmax-Fmin)。標準化后的突變體O-P曲線整體抬高，J點和I點均高于野生型，O點和P點重合。

ΔVt是將突變體相對可變熒光VJ，野生型相減所得，反映ΔK-(300 μs)、ΔJ-(2 ms)和ΔI-( 30 ms)band 的值。ΔK-band、ΔJ-band、ΔI-band均大于0，突變體的放氧復合體(OEC)有一定程度的破壞，失去活性導致QA-有大量積累，同時ΔI-band > 0，QB2-合成減少，分析得出QA 與QB 之間的電子傳遞受到嚴重抑制，PSII受體側已經破壞。WK是將突變體快速熒光曲線標準化后所得到的曲線，標準化公式是WK=(Ft-Fo)/(FJ-Fo)，ΔWK=WK，突變體-WK，野生型，反映ΔL-(130 μs)band的值。ΔL-band略大于0，且K點不太明顯，PSII復合物之間連接緊密度降低，導致能量傳遞的暢通性降低。圖4

2.2 突變體葉片JIP-test參數

研究表明，突變體葉片的Ψo、φpo、φEo、φRo、PI(abs)均小于野生型，φDo相反。單位面積內的能量傳遞和變化情況顯示，突變體葉片的ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、RC/CSo均小于野生型，DIo/CSo相反。突變體葉片的ETo/RC小于野生型，TRo/RC與野生型相等，ABS/RC、DIo/RC均大于野生型。突變體反應中心能夠吸收較多光能，但電子傳遞能力不夠，最終只能通過增加熱耗散的能量份額，降低過多能量對反應中心的損害。圖5

3 討 論

正常條件下，有活性的PSII捕獲光能，通過電子傳遞和耦聯的光合磷酸化形成同化力，推動碳同化反應[10]。試驗中的野生型哈密瓜葉片O-J-I-P曲線，曲線有典型的 O、J、I、P 4個拐點，但突變體對應曲線J- I- P三相間的曲線已經趨于水平，拐點不明顯，標準化后的曲線相對野生型 J、I 2點抬高，O、P點重合，且出現了陽性的K- band和L- band。有研究表明，J點的抬高意味著 QA處電子傳遞效率下降[11-12]，且J-I相的升高可能是由于 PSII活性反應中心數量減少，也可能是由于活性 PQ分子的相對數量減少[13]。Strasser[14-15]等的研究顯示，K- band可以反映線性電子傳遞鏈供體側OEC的受損程度和 PSII供體側的電子傳遞能力；而L-band可以反映PSII各組分的連通性。對相對可變熒光ΔVt曲線和ΔWk曲線分析可知，突變體 K- band(0.311 4)、L- band(0.116 9)均大于0，且初始熒光和最大熒光均顯著小于野生型，說明突變體的供體側放氧復合體和受體側均有一定程度的損壞，PSII復合物之間連接不夠緊密，電子傳遞能力減弱，導致QA-大量積累。

Ψo、φEo、φRo、φDo等參數是表示植物能量分配的熒光參數。試驗突變體材料中，Ψo、φRo、φEo均大幅減少，為了消耗過多的激活的激子，熱耗散的比率(φDo)增加。 ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo在一定程度下反映了在 QA 可還原的狀態時單位 PSII的活性。分析可知，突變體材料中 PSII的活性降低，單位面積吸收、捕獲和用于電子傳遞鏈中的光能(ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo)均降低，熱耗散(DIo/CSo)增加。其中RC/CSo數值的降低會導致反應中心循環次數增加。 ETo/ RC、 TRo/ RC、 ABS/ RC、 DIo/ RC反映了單位反應中心能量分配比率，突變體材料單位PSII吸收的能量2倍于野生型，但捕獲的能量于野生型相等， 用于電子傳遞的能量比率約占野生型30，而熱耗散的比率則6倍于野生型。在這里引入2個概念，捕獲的光能占吸收光能的比率( TRo/ ABS)和 QA-處的電子轉運效率( ETo/ TRo)， 突變體與野生型分別是0.381、0.784和0.133、0.486，突變體對應值的降低，說明 PSII的光能利用率以及電子經過 QA的速率降低， 最終導致φ Ro、 PI( abs)均下降。

4 結 論

突變體材料的ABS/RC增加而ABS/CSo降低，PSII反應中心數量減少。TRo/RC與野生型相同而ETo/RC降低，反應活性也大幅降低，相對可變熒光ΔVt曲線和ΔWk曲線也證實了這一點。結合ΔL-band略大于0，且K點不太明顯，得出電子傳遞效率低的主要原因應是反應中心數量的劇烈減少。反應中心雖能吸收較多能量，但能夠捕獲的很少，能夠傳遞到電子傳遞鏈中的更少，其余均通過熱耗散形式散失了。最終導致PSII最大光化學效率φRo和綜合性能指數PI(abs)降低。光合作用從類囊體膜上的葉綠素吸收光能開始，捕光色素蛋白質復合物將捕獲光能，并將電子迅速傳遞給PSII反應中心。