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干旱脱水对狗牙根叶片光合机构的影响

更新时间:2016-07-05

狗牙根(Cynodon dactylon L.)为禾本科多年生草本,是暖季型草坪草中应用最广的草种之一,因其具有生长速度快、再生能力强、成坪快、耐热、耐践踏、色泽好等优点,被国内外广泛应用于运动场、游憩场及固土护坡[1]。近些年来,随着全球变暖和环境恶化,干旱问题日益严重。狗牙根由于其生境特点,常常遭受干旱胁迫,生长和发育受到限制。

光合作用是植物生长发育所需能量的主要来源,干旱胁迫下,植物水分大量散失,导致植物组织脱水。叶片遭受轻度脱水后气孔关闭,光合作用受限;叶片重度脱水会导致植物组织结构受损、代谢受抑加重植物光合作用的非气孔限制,从而使植物光合作用严重下降[2-3]。干旱脱水常常伴随着其他胁迫如高温[4]、强光[5]、盐胁迫[6]等的发生,多重胁迫下,光合作用受抑,会导致脱水叶片光抑制加重,活性氧大量积累从而对光合机构产生不可逆的伤害。但目前对于脱水胁迫直接伤害叶片光合机构的了解较少。

2.2 萃取实验条件优化 目标元素从水相溶液转移到有机相的过程通过上述几种萃取方式完成,实现了目标元素的浓缩富集,提高了仪器测定该类元素的分析灵敏度。作为重要的实验步骤,详细考察了影响RS-CPE、UA-CPE、ILME、SDME、SA-DLLME、UA-DLLME萃取效率的各实验条件以获取最佳的分析性能,包括萃取剂的种类与用量、络合剂浓度、表面活性剂的应用、UA-DLLME中采用的超声萃取时间、RS-CPE中浊点诱导剂的用量以及各个体系的pH等条件。

光合机构由光系统1(PSⅠ)和光系统2(PSⅡ)共同组成,二者相互作用。当PSI和PSII之间的电子传递被抑制,会导致PSII受体测电子传递受阻,同时导致PSI受体侧电子供应不足。PSⅠ活性下降时,PSII流向PSI的电子被阻断,在光下会导致PSII产生大量活性氧,加重PSⅡ光抑制。由于PSⅠ研究手段的限制,此前关于光合机构对于干旱脱水的响应多集中于PSⅡ[7-8]。脱水胁迫是否会伤害PSⅠ活性,以及脱水是否会影响PSⅠ和PSⅡ之间的相互作用,这些问题有待解决。

植物对820 nm光的吸收反映了PSⅠ的氧化还原能力,因此利用植物对820 nm光的吸收技术可以分析PSⅠ光化学活性的变化[9-10]。快速叶绿素荧光测定和分析技术(JIP-test)可以快速分析PSⅡ光化学活性的变化。本实验利用这两种技术,研究了脱水胁迫对狗牙根叶片PSⅠ和PSⅡ及其两者之间相互作用的影响,为狗牙根的抗旱育种及新品种推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 植物材料

供试叶片取自新疆农业大学试验场建成草坪,清晨日出之前选取生长健康、长势一致的叶片用于实验处理。

第四,树立矿业新型发展观,培育绿色发展意识。重塑矿山企业文化,增强社会责任意识和行业道德行为,使企业既重视矿产资源等有形资产,又重视发展理念、企业文化等无形资产,彻底改变其“重资源开发,轻环境保护”的传统观念[26]。

1.2 叶片脱水处理

为了排除光合电子传递链介导的活性氧的伤害,本实验在黑暗室温下进行。黑暗条件下,将10片新农1号狗牙根(Cynodon dactylon L. ‘Xin nong No.1’)叶片悬挂在均匀流动的空气中进行脱水处理,在28℃下脱水25小时直到叶片相对含水量下降到约25%左右。对照组用湿纱布包裹,相同条件下处理相同的时间。

1.3 快速叶绿素荧光诱导动力学曲线

参考Strasser等[10]的方法,叶片先暗适应20 min,然后利用M-PEA(Hansatech, 英国)测定叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(O-J-I-P曲线)。O-J-I-P荧光诱导曲线用JIP-test进行分析,计算以下参数:

PSII的最大光化学效率Fv/Fm=φPo =1-( Fo/Fm);J点标准化后的相对可变荧光 Vj=(Fj-Fo)/(Fm-Fo);PSII反应中心捕获的光能中进入电子传递链的概率ψO = ETo/TRo=1-Vj;单位面积吸收的光能ABS/CSm=Fm;光合性能指数PIABS=(RC/ABS)·[φPo/(1-φPo)]·[ψO/(1-ψO)]。

1.4 P700活性的测定

PSII供体侧受到伤害即放氧复合体(OEC)伤害时,OJIP曲线的300 μs处出现的K点会上升。为了观察K点,我们将OJIP曲线进行O-J点标准化(图4),发现脱水处理后叶片的OJIP曲线K点均呈上升趋势,脱水到25 h后,K点显著上升。

1.5 叶片相对含水量的测定

采用Microsoft Excel 2003 软件统计分析数据,用Sigma plot作图。所有数据均为10次重复测定的平均值。

计算公式:RWC(%)=(鲜重-干重)/(饱和重-干重)

近些年来,我国经济快速发展带来的环境恶化问题突出。土壤和地下水环境的恶化对我国人民身体健康有着直接影响,我国对土壤以及地下水的污染治理也越来越重视。治理污染土壤以及被污染的地下水,首先要勘查污染区域,界定污染范围,探明污染物所在地层的地质条件,了解污染物在土壤中存在状态。根据调查结果制定治理方案,利用物理化学和生物的方法进行污染土壤的修复。在土壤修复过程中以及修复工程结束后对土壤中的污染物进行跟踪监测,了解污染治理工程的进度,检验治理的效果。因此,整个土壤污染治理的工艺流程都需要对污染土壤进行取样调查。

试验叶片离体后及脱水处理不同时间后测定鲜重,脱水处理结束后将叶片放入鼓风烘箱中在 80℃烘干48小时,测定干重,以脱水处理前叶片的相对含水量为83%计算不同脱水时间叶片的相对含水量。

粤菜用料精而细,配料多而巧,装饰美而艳,注重质和味。其口味讲究清、鲜、嫩、滑、爽、香,秉承清中鲜、淡中美、清而不淡、鲜而不俗、嫩而不生、油而不腻等特点。其菜系风味有“五滋”(香、松、软、肥、浓)及“六味”(酸、甜、苦、辣、咸、鲜)之说,其符合现代营养学的要求,是一种科学的饮食文化。

1.6 叶片叶绿素含量的测定

叶绿素a(Chl a /μg·g-1)=(12.7*A663—2.69*A645)/100*DW

取狗牙根叶片,剪碎,称取2 g左右,放入刻度试管中,加10 ml乙醇:丙酮(1:1)混合液于黑暗条件下浸提24小时。用CS-190分光光度计测定吸光值,以丙酮为空白,在波长为665 nm、649 nm和470 nm进行比色,按照如下公式进行计算:

叶绿素b(Chl b /μg·g-1)=( 22.9*A645—4.68*A663)/100*DW

类胡萝卜素(Caretenoid /μg·g-1)=[4.7*A440—0.27*(Chl a-Chl b)]/100*DW

1.7 数据分析

叶片离体后立刻测定鲜重,水中浸没12小时后测定饱和鲜重,然后在鼓风烘箱中在 80℃烘干48小时,测定干重,用如下公式计算得出处理前叶片的相对含水量(relative water conter,RWC)约为83%。

总体而言,胡宏的哲学属于宋明理学范围,但与其他道学家相比较,他之于本体论的构建贡献了赋有个人特色的理论——性为本体,继而开拓了儒学发展新的思潮,进而使得探究宋代儒学有了三个方向:理本论、性本论、气本论,儒学至此之后迈入了发展的新时期。宋明理学集大成者朱熹受到他的影响,甚至宋朝的官方哲学即为朱氏理学。胡宏心性论也影响了陆氏心学,使其在宋明理学宅术思想中占有一席之地。总而言之,胡宏开辟了新的风向,他的学术思想别具一格,影响极大,是儒学发展史上最为重要的一笔。

2 结果与分析

2.1 脱水对狗牙根叶片相对含水量的影响

叶片光合机构是一个高度密集的多亚单位色素蛋白复合体。从图2 观察到,脱水胁迫导致狗牙根叶片叶绿体色素a、b和类胡萝卜素含量显著下降,其中叶绿素a下降程度最大。这表明,脱水胁迫会导致叶绿素降解,从而导致叶片光合机构的数量减少。

语文在我国基础教育体系中是一门重要的基础学科,语文具有工具性和人文性的特征,新课程改革更加关注学生的人文性,突出了语文作为交际工具的这个特性。新课改的实施显得原有的高中语文教学方法落后,难以提高学生的语文学习水平。因此,教师要创新语文教学方法,灵活运用语文教学方法,调动学生学习的积极性,从而提高课堂教学效率。

图1 黑暗脱水处理不同时间后叶片相对含水量随处理时间的变化。每个数据均为10次重复的平均值 Fig.1 The RWC in Cynodon dactylon L. leaves dehydrated at 28℃ in the dark for different times. Each value is the mean±SE(n=10)

2.2 脱水对狗牙根叶片色素含量的影响

在室温黑暗下,随着脱水的进行,叶片RWC呈线性逐渐下降,最终下降到25%左右;对照组经过相同时间处理,相对含水量无显著下降(图1)。

图2 黑暗脱水处理对叶片叶绿素a(Chl a)、叶绿素b (Chl b)和类胡萝卜素(Car)含量的影响。每个数据均为10次重复的平均值 Fig.2 Effects of dehydration treatments on content of Chl a, Chl b, Car in Cynodon dactylonL. leaves. Each value is the mean±SE(n=10)

2.3 脱水对狗牙根叶片PS光化学活性的影响

快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP曲线)被广泛应用于PSII活性研究中[9-11]。在进行O-P点标准化的曲线中(图3),脱水处理前叶片呈现出了典型的OJIO曲线,而随着不同脱水时间的处理,叶片的OJIP曲线出现显著差异。脱水处理后的叶片OJIP曲线上的J点(2 ms)和I点(30 ms)荧光都有上升。随着脱水处理时间的延长,J点和I点上升程度增加。

图3 脱水处理不同时间对离体叶片OJIP曲线的影响.OJIP曲线按照Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)进行标准化(A),B图为脱水不同时间与处理前的曲线的差值ΔVt=Δ(Vt-Vt0h) Fig.3 Effects of dehydration treatment on OJIP curve of isolated leaves at different time. The OJIP curve is normalized according to Vt = (Ft-Fo)/(Fm-Fo) (A). B is the difference ΔVt=Δ(Vt-Vt0h) between the dehydration time and the curve before treatment

P700活性根据Schansker等[9]的方法使用PEA Senior(Hansatech,英国)进行测定,用△I/Io反映PSI活性。

图4 脱水处理不同时间对离体叶片OJIP曲线的影响OJIP曲线按照Wt=(Ft-Fo)/(Fj-Fo)进行标准化(A),B图为脱水不同时间与处理前的曲线的差值ΔWt=Δ(Wt-Wt0h) Fig.4 Effects of dehydration treatments on theOJIP curve of isolated leaves at different time. The OJIP curve was normalized according to:Wt=(Ft-Fo)/(FJ-Fo)(A), and B is the differences of ΔWt=Δ(Wt-Wt0h) between the dehydration time and the curve before treatment

叶片最大光化学效率Fv/Fm反映PSII天线吸收的光能被反应中心捕获的概率,图5A表明,随着脱水的进行,叶片最大光化学效率都逐渐下降,但当叶片RWC降至25%时,Fv/Fm仅下降到对照组的10%左右。电子传递到QA以下的效率(Ψo,图5A)反映被PSII反应中心捕获的能量进入电子传递链的概率,随着脱水时间的增加,处理叶片的Ψo均有下降,并且在脱水处理10 h后,Ψo大幅下降。单位面积吸收的光能(ABS/CSm,图5A)反映PSII 天线吸收光能的能力,随着脱水处理,叶片ABS/CSm逐渐下降,与Ψo相似,在脱水10 h后大幅减小。随着脱水进行,光合性能指数(PIABS,图5A)逐渐下降,与Fv/Fm相比,下降程度更大,对脱水胁迫更敏感。

为进一步阐明PSII光化学活性与叶片脱水状态之间的关系,我们研究了PSII活性相关参数随叶片RWC的变化。随着叶片RWC逐渐下降,叶片Fv/Fm、Ψo、ABS/CSm和PIABS都逐渐下降,其中,叶片RWC对叶片Fv/Fm的影响最小,叶片光合性能指数PIABS对于叶片RWC最敏感。由图5B可知,叶片RWC下降到60%之前,对Fv/Fm、Ψo、ABS/CSm影响较小,当叶片RWC下降到60%之后,Fv/Fm、Ψo、ABS/CSm开始大幅下降。

若各注水站管压达到设计压力16.00 MPa,通过软件计算可得,深度注水管网在选取的典型注水井处压力[3]如表3中所示。由于典型注水井注入压力要求高于其他注水井,因此杏B、杏C、杏D注水站出站压力即管压达到16.00 MPa,即可满足注入压力需求[4]。

图5 脱水处理后叶片Fv/Fm,Ψo, ABS/CSm和PIABS随处理时间(A)和叶片相对含水量(B)的变化。处理前Fv/Fm和Ψo的值被作为100%,处理后的Fv/Fm和Ψo换算为处理前值的百分比。每个数据均为10次重复的平均值 Fig.5 The changes of Fv/Fm, Ψo, ABS/CSm and PIABS after treatment with time (A) and RWC (B) of the leaves.The values of Fv/Fm and Ψo before treatment were taken as 100%, and the Fv/Fm and Ψo after treatment were converted into percentages of the value of before treatment. Means ± SE of 10 replicates are presented

2.4 脱水对狗牙根叶片PS活性的影响

叶片820 nm光吸收技术广泛应用于叶片PSI的活性研究中[9,12]。图6A表明,在脱水初期即处理时间小于10 h时,PSI光化学活性维持在较高水平,随后叶片PSI活性大幅下降,图6B表明,从叶片RWC下降到60%之前, ΔI/Io几乎不随叶片RWC下降而变化,但叶片RWC小于60%时,PSI活性急剧下降。

为了阐明叶片脱水过程中两个光系统之间的相互作用和光合电子传递链的变化,利用同时测定的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线和820 nm光吸收曲线,分析了在相同脱水状态下,PSI和PSII光化学活性的相对变化。从图6可以得出,在脱水过程中,PSII最大光化学效率Fv/Fm以及被PSII反应中心捕获的能量进入电子传递链的概率Ψo逐渐下降,但是下降程度较小,当PSII光化学活性仍处于较高水平时,叶片PSI活性大幅下降。这说明,脱水胁迫对于狗牙根叶片光合机构PSI的破坏早于对PSII的破坏。

图6 脱水处理不同时间后叶片ΔI/Io随处理时间(A)、叶片相对含水量(B)的变化、Fv/Fm(C)和Ψo(D)的变化。处理前Fv/Fm,Ψo和ΔI/Io的值被作为100%,处理后的Fv/Fm,Ψo和ΔI/Io换算为处理前值的百分比。每个数据均为10次重复的平均值 Fig.6 The activity of the PSI complex (ΔI/Io) in leaves under dehydration treatment for different time (A) and different RWC (B). The activity of the PSI complex (ΔI/Io) (C) and maximum quantum yield of PSII (Fv/Fm, A) (D). ΔI/Io and exciton efficiency of electron transport beyond B) in leaves under dehydration treatment. The initial value of ΔI/Io, Fv/Fm and ΨObefore treatment were taken as 100%, and those after treatment were calculated as percentages of the initial value. Means ± SE of 10 replicates are presented

3 讨论

黑暗脱水导致狗牙根叶片色素降解,光合机构数量下降,同时直接伤害了狗牙根叶片PSI活性,导致PSII受体侧的大量积累,加剧脱水对于PSII活性的伤害,最终导致叶片光合机构光合性能大幅下降。

脱水对于叶片Fv/Fm影响较小,但会引起PSI活性大幅下降,这表明狗牙根叶片PSI对于脱水胁迫更敏感,而脱水胁迫对于PSII最大光化学效率(Fv/Fm)影响较小,Georgieva等研究表明叶片PSII光化学活性对于脱水有一定的抗性[13]。Fv/Fm只表示PSII反映中心对吸收光能的捕获效率,而并不能全面的反映整条电子传递链对于胁迫的响应。ABS/CSm反映了光合机构对于光能的吸收,脱水降低了叶片的ABS/CSm,这表明脱水改变了天线色素的结构或使天线降解。光合性能指数(PIABS=(RC/ABS)·[φPo/(1-φPo)]·[ψO/(1-ψO)])反映了整条光合电子传递链对光能的捕获以及电子传递整个过程,更准确的反映了植物光合电子传递链的状态[14]。在脱水初期,ABS/CSm,Ψo以及Fv/Fm 均无显著下降,但PIABS却显著下降,随着脱水程度的加重,ABS/CSm和Ψo下降程度都小于PIABS的下降程度。这表明脱水直接影响了狗牙根叶片光合机构的光合性能。

光电开关采用M12 NPN型对射型光电开关,当发射端与接收端中间有物体遮挡时,接收端有信号输出,一般为低电平;反之输出高电平。由于输出的是模拟信号,需要通过AD转换器转换为数字信号以供读取。友善mini2440内置开发板,通过GPIO口引出了AD转换接口,故将光电开关的输出端接到开发板的AD转换口即可。

OJIP曲线中蕴含着PSII原初光化学反应的丰富信息,其中J点和I点主要反映PSII受体侧活性,I点荧光增加表明电子从PQ向下游传递受阻,J点荧光的增加表明电子传递受阻。K点荧光的增加反映了OEC被伤害,即PSII供体侧受抑。研究表明,随着狗牙根叶片脱水程度的加重,叶绿素荧光快速诱导动力学曲线中的J点相对可变荧光逐渐上升,表明光合电子传递链中的积累增加,QA向QB电子传递受阻,PSII相对电子传递能力下降。PSII相对电子传递能力同时受到PSII供体侧供电子能力和受体侧接受电子能力两方面的影响。脱水初期,叶片OJIP曲线上K点增加不显著,当叶片相对含水量降低至40%时才显著上升,这表明室温黑暗轻度脱水对于叶片放氧复合体的影响较小,只有当叶片相对含水量降至25%时,K点有较小程度上升,但与J点上升程度相比,脱水对于OEC的影响不足以造成PSII受体侧的大量积累。那么可能由于PSII受体侧电子传递体的活性下降或是由PSI活性下降被动造成了PSII受体侧的大量积累。叶片对820 nm的光吸收反映了PSI反应中心P700的最大氧化还原能力[9],在脱水过程中,PSI活性大幅下降,并且PSI活性下降先于PSII活性的下降,导致PSII向PSI电子传递受阻,使PSII受体侧的大量积累,进一步加重对PSII活性的伤害。本研究表明,脱水会导致狗牙根叶片光合机构天线色素降解,此外脱水首先伤害PSI活性,导致PSII向PSI传递电子受阻进而加重PSII失活,最终导致光合机构光合性能大幅下降。

4 结论

干旱脱水胁迫导致狗牙根叶片光合机构数量以及活性下降,限制了叶片的光合作用,最终影响狗牙根的生长和发育。在狗牙根实际栽培生产过程以及抗旱品种的选育过程中,光合性能指数(PIABS)可以作为一种筛选指标,快速有效的反映干旱胁迫对于狗牙根叶片的影响。

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刘美君,隋晓青,安沙舟
《草地学报》 2018年第2期
《草地学报》2018年第2期文献

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