玉米、小麥、油菜對不同光照強度處理的響應

蔡 欣，李曉旭，王 青，張 鑫，馮金鈺，李 靜

（1.四川水利職業技術學院，四川成都 611130；2.四川大學生命科學學院，四川成都 611230）

光是植物生存和生長發育最重要的環境因子之一，隨著光照強度的變化，植物能夠在形態及生理方面產生一系列反應，以適應光環境的變化，不同的植物有著不同的適應能力[1]。葉綠素屬于一種光合色素，其主要功能是吸收和傳遞光量子，葉綠素的含量可以用于判斷植物光能的利用水平，同時，葉綠素可以捕捉光能并將光能進行轉化和重新導向，這一點對于光合生物至關重要[2-3]，它影響著植物的生長和農作物的產量和質量，并參與了地球碳-氧循環。研究表明，光照強度調控著植物的葉綠素合成[4]，光照不足時，光合同化力受到嚴重影響，光合碳同化受到限制[5]，同時，光合作用中關鍵酶的活化受到影響，最終影響到植物中葉綠素的合成，然而，光照過強，植物會受到光抑制，同樣也影響植物中葉綠素的合成[6]。植物的生長發育也會受到光照時間的調節，如光照時間會影響黃瓜中葉綠素的含量[7]。適當延長光照時間有利于提高煙草中葉綠素含量[8]。光照強度和光照時間對植物光合作用的影響的研究已有很多，但同時關注光強和光照時間對不同植物類型葉綠素含量的影響的相關研究較少。

光合作用生理過程方面，C3 植物和C4 植物強光響應上存在一定的差別，C4作物在強光、高溫脅迫條件下，光合效率要遠高于C3 作物，同為C3 植物的單子葉植物小麥和雙子葉植物油菜在光合響應和葉綠素熒光參數上存在差異。最大量子產量（Fv/Fm）主要表現為植物的最大光合活性，有研究表明，光照強度過高，導致植物缺磷從而使原初光能轉化效率（Fv/Fm）顯著降低[9-10]；實際量子產量（nYII）主要反映為植物的實際光合效率，其值大小反映了PSII 過程中實際光化學反應過程中利用的光能和過剩光能的多少；非光化學淬滅系數（CNPQ）反映了植物耗散過剩光能為熱能的能力，是植物光保護能力的重要指標之一。那么，葉綠素的含量及葉綠素熒光參數在植物種類，光強處理及處理時間上的不同，是否存在差異，值得進一步研究。

我們從單子葉和雙子葉作物，C3 和C4 作物的角度考慮，選擇了油菜、小麥、玉米為實驗對象，觀察其在不同光強條件下和不同光強處理時間上的葉綠素含量及葉綠素熒光特性變化與差異，以期為進一步研究光強對植物的葉綠素影響提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選用玉米（Zea maysL.，CD418），小麥（Triticum aestivumL.，綿陽11 號），甘藍型油菜（Brassica napusL.，蓉油16 號）作為供試材料。玉米為單子葉C4 植物，小麥為單子葉C3 植物，油菜為雙子葉C3植物。

1.2 實驗設計

將3種作物中種粒飽滿的種子播種在10 cm×10 cm大小的盆栽中，每種材料18盆，共54盆，每盆播種3顆種子，待發芽后每盆留下1 株，且植株之間長勢相同的幼苗進行后續實驗，每盆植株間保持一定距離，避免相互遮陰；在同一平臺上生長20 d。20 d 后放置到同一鐵架上，以離光源的遠近設計光照強度梯度，設置3 種光照強度梯度，光強從大到小分別達到700、320 和200 μmol·(m-2·s-1)，分別代表高（H）、中（M）、低（L）三種光強，分別于不同光強下處理1 周和2 周后，測定3 種作物的生物量、總碳、葉綠素含量、花青素含量和葉綠素熒光特性。

1.3 測定方法

1）生物量。各處理組中隨機挑選3 株植物幼苗，用清水將地下部分清洗干凈，將地上部和地下部分別用冰錫箔袋裝入后放入105°C 烘箱中殺青30 min，將烘箱調制80°C烘干至恒重。單位為g·株-1。

2）葉綠素含量。將新鮮植物葉片0.2 g，放入試管中，加入乙醇（95%）20 mL，置于暗室中直至葉片綠色全部褪盡，在665 nm和649 nm下測定上清液的吸光度，計算出葉綠素a(Chl a)和葉綠素b(Chl b)的值，計算公式：Chla=12.7OD663-2.69OD645；Chlb=22.9OD645-4.86OD663。計算結果單位為mg·g-1。

3）葉綠素熒光參數。采用葉綠素熒光成像系統(Image-PAM)進行測定，對植株進行預處理，置于暗室30 min 后打開測量光測量植物的初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)，關閉光源后再打開光源測量穩態下的熒光(Fs)和光下最大熒光(Fm′)，再計算出光化學猝滅系數(qp)，非光化學猝滅系數(qN)。

4）花青素含量。花青素含量測定選用鹽酸甲醇浸提，稱取剪碎均勻葉片100 mg，液氮研磨組織至粉末狀，用300 μL 鹽酸甲醇（1%的濃鹽酸）4 °C 黑暗浸泡過夜。浸提液加200μL ddH2O，再加入500μL氯仿分離出花青素。通過測定吸光度OD530、OD657得到花青素的相對含量，計算公式：(A530-A657)/mg(FW)×1 000。計算結果單位為μmol·g-1。

5）有機碳含量。有機碳含量使用TOC總有機碳測定儀測定，單位為%。將植物干樣的地上部和地下部分別過100 目（0.149 mm），再將樣品混合均勻，稱取植物樣品10 mg，放入小石英杯中，加入0.5 mL 濃度為0.8%的鹽酸，30 min 后放入烘箱烘干，取出樣品，按照TOC分析儀的操作流程放入反應器內進行測定[4]。

1.4 數據分析

統計分析在SPSS 19.0 中進行，圖表制作采用Origin 8.0。

2 結果與分析

2.1 不同光照條件下植物的生物量積累

由圖1 可知，光強處理1 周后，玉米與小麥的地上部、地下部都表現出相似的趨勢，中等光強和高光強條件下，地上部和地下部的干重都顯著高于低光照條件下，但是這兩種處理之間并沒有明顯區別；而油菜則有不同的趨勢，具體表現為地上部與地下部的干重會隨著光照強度的增強而增加，但相鄰處理之間，并沒有達到顯著差異。

圖1 三種作物在不同光照條件下的生物量

不同光強處理2 周后，玉米與小麥干重變化趨勢仍然類似，這兩種植物的地上部干重均在中等光強條件下表現為最高，低光強條件下最低，玉米和小麥的地下部干重趨勢一致，高等光強和中等光強并不影響它們地下部的干重，但都顯著高于低光強條件的干重。油菜在兩個處理時間周期的變化是一致的，植物的干重與光照強度呈現正相關關系，各個處理間均達到了顯著水平。

2.2 不同光照條件下植物的有機碳含量

由圖2可以看出，1周后，高光強下玉米的地上部總碳含量低于其他處理，玉米的地下部總碳含量與光照強度變化呈正相關關系。2 周后，高光強和中等光強處理之間，地下部總碳含量沒有區別，都顯著高于低等光強處理。小麥的地上部總碳含量在高光強處理第1 周，低于其他處理，而小麥在其他不同光強下的總碳含量并沒有顯著差異。1周后，油菜的地上部總碳含量在高光強處理下，表現為最高，其他兩種處理之間沒有顯著差異，光強處理2 周后，油菜的地上部含量在高光強和中等光強之間沒有區別，都顯著高于低光強條件下，而油菜地下部的變化趨勢與玉米一致。

圖2 三種作物在不同光照條件下的總碳積累

2.3 不同光照條件下植物的花青素含量

由圖3 可以看出，各個光強處理下，玉米的花青素含量在2周后出現差異，在高光強條件下表現為最高；小麥的花青素變化與玉米相反，光強處理1周后，小麥的花青素含量與光照強度呈正相關關系，2周后則無顯著差異；油菜的花青素含量，在光強處理的兩個時間，均在高光強處理下表現為最高，光強處理1周后，中等光強和低光強之間無差異，2周后，花青素含量隨著光強的減弱而減少，這也符合高光強條件使得植物合成更多的花青素，以免植株受到高光強的傷害的原理[11-12]。

圖3 三種作物在不同光照條件下的花青素含量

2.4 不同光照條件植物的葉綠素含量及葉綠素熒光特性

玉米和小麥在不同光強處理下，其葉綠素含量無明顯差異，此外，不同光強處理1 周和2 周，小麥的葉綠素含量無明顯變化，而不同光強處理2 周后的玉米葉綠素含量較處理1 周有顯著增加。對油菜來說，高光強和中等光強處理1 周的葉綠素含量無顯著差異，都顯著高于低光強處理下的葉綠素含量，但處理2 周后，低光強條件下油菜的葉綠素含量增加明顯，由顯著低于其他兩種光強處理變為高于其他兩種光強處理（見圖4）。

圖4 三種作物在不同光照條件下的葉綠素含量

光強對玉米葉綠素熒光參數的影響如圖5 所示，兩個處理時期，中等光強和低光強下的Fv/Fm，都顯著高于高光強條件下；不同光強處理1 周后，三種光強下的nYII無明顯差異，CNPQ在高光強處理下表現為最低，中等光強條件下最大；2 周后，相鄰處理間的nYII無顯著差異，高光強下的nYII顯著降低，且顯著低于低光強處理，高光強和中等光強下的CNPQ都顯著增加，低光強下的CNPQ顯著降低，且彼此之間差異顯著，這表明中等光強下玉米吸收光能大部分通過熱量的形式耗散來保護PSII免受過剩光能的破壞。

圖5 不同光照條件下的玉米苗期葉綠素熒光特征

由圖6 可知，光照處理1 周后，小麥的Fv/Fm在高光強條件下表現為最小，中等光強和低光強之間沒有差異；各處理之間nYII有明顯的差異，低光強處理表現為最大，中等光強處理為最小；中等光強下的CNPQ最大，低光強時最小。2 周后，高光強條件下的Fv/Fm顯著增加，低光強下Fv/Fm顯著下降；各處理之間nYII無顯著性差異，高光強和中等光強處理之間的CNPQ沒有明顯差異，但都顯著大于低光強條件。

圖6 不同光照條件下的小麥苗期葉綠素熒光特征

油菜苗期的葉綠素熒光參數如圖7 所示，不同光強處理1 周和2 周后，油菜的Fv/Fm均在中等光強下表現為最高，低光強下最低；nYII與Fv/Fm類似，在中等光強下表現為最高，不同的是，光強處理1 周，高光強與低光強處理之間沒有明顯差異，但是2 周后，低光強處理下的nYII顯著高于高光強處理條件下。光強處理1周后，油菜的CNPQ在高光強處理下表現為最大，2周后，CNPQ隨著光強的減弱而減小。

圖7 不同光照條件下的油菜苗期葉綠素熒光特征

3 討論與結論

3.1 討論

光是作物進行光合生產的主要能量來源，光照條件的改變可明顯地改變作物的生長環境，影響植物的光合作用，進而影響植物體內物質的重新分配[13]。研究表明，光照強度的變化，會影響植物碳水化合物的積累[14]，植物的碳水化合物隨著光照強度的降低而減弱，很少關注到植物之間的差異，在本研究中，光強變化對玉米的地上部、小麥的地上部和地下部影響較小，而油菜隨著光強的減弱，植物中的總碳含量減少較明顯。

許多研究表明，光照強度的變化會影響植物碳水化合物的積累[13]，這與本研究結果有不同之處，可能是不同的植物有著不同的光合作用特性，所以對光強有不同的響應。中等光強條件下，玉米幼苗的最大光化學量子產量（Fv/Fm）和非光化學淬滅系數CNPQ同時表現為最佳，這說明，玉米在中等光強處理2 周后，在促進植物生長的同時，不會因為光強的變化，影響自身葉綠素的積累，反而使得玉米有較強的最大光合活性，將過剩光能轉化為熱能的能力[15-16]；高光強下，玉米的（Fv/Fm）表現為最低，可能是在高光強條件下，玉米的自身調節機制未達平衡狀態或有所損傷，導致其最大量子產量明顯低于其他兩種條件。

小麥和玉米同為單子葉植物，兩種植物的生物量變化相似，在光照強度增加到700 μmol·(m-2·s-1)和320 μmol·(m-2·s-1)時，生物量都要顯著高于200μmol·(m-2·s-1)條件下，葉綠素含量均沒有因為光強的變化而變化。但是，C3植物的小麥的葉綠素熒光特性與C4 植物玉米不同，C3 植物小麥幼苗的最大光化學量子產量（Fv/Fm）在光強處理第1 周，光強為320μmol·(m-2·s-1)時表現為最佳，當光強進一步增加，達到700μmol·(m-2·s-1)，小麥幼苗的最大光化學量子產量（Fv/Fm）卻顯著降低，可能是高光強下小麥幼苗出現了一定程度的光抑制，而C4植物玉米的最大光化學量子產量（Fv/Fm）在兩個處理周期變化一致，均在320 μmol·(m-2·s-1)和700 μmol·(m-2·s-1)時，變現為最佳，且之間沒有差異。

油菜與小麥同為C3 植物，雙子葉植物油菜幼苗的生物量在光強處理第1 周和第2 周時，均隨光強的減弱而減少，其地上部和地下部的總碳含量均在200μmol (m-2·s-1)條件下表現為最低，其花青素含量在700 μmol·(m-2·s-1)光強處理第1 周時積累最多，這可能是因為高光強條件下，花青素可以保護植物免受紫外線及光抑制的傷害[9-10]，葉綠素含量卻在320μmol·(m-2·s-1)光強處理下積累最多，這都與單子葉植物小麥有著不同的趨勢，也說明在光強達到700 μmol·(m-2·s-1)時，油菜幼苗會感應植株可能會受到傷害，從而合成較多的花青素，保護植物免受紫外線傷害，但是當光強為320μmol·(m-2·s-1)時，油菜幼苗不僅不會受到傷害，反而增加了生物量和葉綠素的積累；持續光強處理后，低光強下的葉綠素含量從第1 周處理時的最小變成了第2 周處理時的最大，這說明，增大光照強度會短暫增加油菜葉綠素含量的積累，長期增加光強會減少油菜中葉綠素含量的積累，同時，使得花青素含量增加。油菜的最大光化學量子產量（Fv/Fm）、非光化學淬滅系數CNPQ與玉米相似，均在兩個處理時間的中等光強條件下，表現出較強的最大光合活性，和將過剩光能轉化為熱能的能力。

玉米和小麥同為單子葉植物，在應對光強變化時，其生物量與葉綠素變化有著相似的趨勢，但是C3植物小麥和C4植物玉米的葉綠素熒光參數卻有些許不同，這種差別可能與C4植物中存在中環式與假環式磷酸化轉運情況有關[17]。小麥與油菜同為C3植物，但是這兩種植物的葉綠素及葉綠素熒光特性卻有著不同的變化趨勢，這可能與小麥是單子葉植物，而油菜是雙子葉植物有關[18-20]。

3.2 結論

葉綠素的減少和光化學耗散造成了光合機制的破壞[21]，花青素積累是保護植物免受紫外線及光抑制的傷害的典型特征。在本研究條件下，三種植物的葉綠素含量與花青素含量大致呈現相反的趨勢，植物的最大光合活性會隨著光強的增強而增加，但是這種增加有一定的界限[22]，值得注意的是，玉米、小麥、油菜有不同的界限，同為雙子葉植物的玉米和小麥，C4植物玉米對光強的敏感度小于C3 植物小麥；同為C3 植物的小麥與油菜，單子葉植物小麥對光強的敏感度小于雙子葉植物油菜。葉綠素熒光是植物光合作用能量轉換效率的重要參數，也有研究表明，光強會影響植物磷素的吸收[23-24]，磷作為必需營養元素，對植物生長發育起著至關重要的作用，不同植物對缺磷的敏感度不同，油菜是典型的缺磷植物，這可能解釋了油菜對于光的敏感性與玉米和小麥大有不同的原因，但光強是否通過影響植物磷素吸收，下一步，我們將從植物分子學角度探討光照是否通過影響磷吸收從而對植物的生理產生影響。