高溫脅迫對4種葉類植物葉片光合特性和葉綠素a熒光的影響

高溫脅迫對4種葉類植物葉片光合特性和葉綠素a熒光的影響

全球氣候變化引起全球平均氣溫持續(xù)增長的趨勢引起了人們的關注。近年來，中國和世界其他地區(qū)的氣溫也在升高。預計2020至2030年我國平均氣溫將較現(xiàn)在上升1.7℃,至2050年則增高2.2℃。通常溫度升高有利于增高葉片光合速率和增加植物生長。一般植物在氣溫30℃時具有最高的光合速率,但因不同植物種類而異。光合作用的最適溫度依賴于前期植物生長的溫度。當溫度超過最適溫度則引起光合作用抑制和生長降低。高溫對植物的影響是多方面的,從抑制植物細胞器和細胞的功能,如降低光合器的光能利用、降低光系統(tǒng)II和CO2羧化酶活性到抑制植物生長和降低產量。Lobell和Asner曾估計在北美生長季平均氣溫增高1℃,作物產量降低17%,溫度升高對植物生態(tài)環(huán)境和農業(yè)產量都有顯著的影響。高光強和高溫對光合作用的抑制尤為顯著,且短期內難以恢復。高溫降低Rubisco酶的活性被認為是葉片光合作用降低的主要因素。因為CO2羧化作用是光合作用的下游,CO2羧化作用的降低引起上游的光化學過程下調和吸收光能的重新分配,吸收的過剩激發(fā)能以熱或其它方式耗散,以免過剩能量的積累引起光系統(tǒng)II受損。光合作用的降低表現(xiàn)一種防護的機制,在高溫下光呼吸增高和Mehler途經增強亦能分流過剩光合電子的能量。亦有報道證明高溫脅迫能直接增強囊體膜的耐高溫能力和對熱的馴化。根據全球氣候變化模型判斷全球氣溫將持續(xù)升高,溫帶和亞熱帶植物將經常面臨高溫脅迫。雖然并不經常出現(xiàn)45℃高溫和使PSII造成有害影響。但Bukhov等曾證明,適度高溫(T=35～45℃)的確引起類囊體膜明顯的泄漏和誘導環(huán)式電子傳遞,使得過多能量消耗于循環(huán)式磷酸化作用,而引起光合速率的降低。Wise認為適度高溫的熱脅迫對葉片光合功能的影響主要表現(xiàn)在降低二磷酸核酮糖(RuBP)的再生和電子傳遞速率上,但適度高溫脅迫對光合作用動力學過程的影響仍有待更多的研究工作。在華南地區(qū),夏季持續(xù)高溫和高光輻射足以對當?shù)刂参锕夂献饔迷斐擅黠@的抑制和損害。但亞熱帶季風常綠闊葉林種類繁多,不同植物種類生長在不同的光條件下。一些先鋒陽生樹種具有低的耐陰性,其幼樹只能在開闊地或林窗空地上生長,足夠的光強是其生長的必要條件;而一些耐陰樹種如黃果殼桂(Cryptocaryaconcinna)則能生長在較遮陰的林下,它們具有不同的個體或種群的生態(tài)學特性。適度高溫結合不同的光輻射對其影響如何?不同亞熱帶林建群種對適度高溫和光輻射的響應有何不同?它們如何適應適度高溫環(huán)境?這對于它們的生長和生存極為重要。但這方面工作尚少見報道。研究適度高溫對不同植物光合作用的影響將有助于為進一步闡明大氣氣溫升高對亞熱帶林植物生長的影響提供廣泛的實驗依據。1材料和方法1.1田間生長與對生長的影響荷木(Schimasuperba)、紅錐(Castanopsishystrix)和黃果厚殼桂(Cryptocaryaconcinna),幼樹高30cm。植物生長在盛有田土的塑料盆中,一般田間管理。隔天澆水至田間持水量,并隔周澆灌1/2Hongland溶液。試驗開始時,一組對照植物生長在全日光照的透明生長箱,調節(jié)晝夜溫度30℃/25℃,日平均光強800～1000μmolphotonm-2s-1,空氣CO2濃度364μmolCO2mol-1,空氣相對濕度70%～85%(對照I)。另一組對照植物株生長在利用黑色塑料網遮光的生長箱,日光強為日平均全日光強20%,調節(jié)晝夜溫度與對照I相同。處理植物分別生長在全日光(處理I)和20%全日光強(處理II),晝夜溫度均調節(jié)至42℃/35℃。兩個對照組和兩個處理組的幼樹共36株,分別3次重復,每一重復3株。植株在對照和處理下生長4d。1.2葉片光合速率測定利用Licor-6400光合測定儀及葉室熒光儀(Licor-6400LCF,LicorLincoln,NE)同時測定葉片光合速率和葉綠素a熒光參數(shù)。4～5片成熟葉片在黑暗下適應30min,在低光下測定光系統(tǒng)II(PSII)反應中心開啟時的最小熒光產率(F0),利用0.8s的6000μmolphotonm-2s-1閃光誘導PSII反應中心暫時關閉,記錄此時最大熒光產率(Fm),并得出PSII原初光化反應最大量子產率(Fv/Fm)。以5000μmolphotonm-2s-1光化光照射葉片,記錄穩(wěn)態(tài)熒光(Fs),在關閉光化光后利用紅外光(6～7μmolphotonm-2s-1)照射葉片,記錄最小熒光產率(F0’)。測定葉片光合速率時葉片先經光活化,首先從光強2000μmolphotonm-2s-1開始測定,然后逐步降低光強至零,測定不同光強下葉片光合速率。每次變換光強須待光合速率達到相對穩(wěn)定時才開始記錄。葉室CO2濃度425μmolCO2mol-1,溫度25℃,并測定在暗下的CO2釋放速率(Rn)。1.3加入psi/作為初始原料的co根據測定的F0和Fm得出在暗下開啟的PSII反應中心量子產率Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm。根據Genty等計算光系統(tǒng)II電子傳遞量子產率,ΦPSII=(Fm′-Fs)/Fm′。ΦCO2表示在正常空氣的光呼吸狀況下(21%O2+425μmolCO2mol-1)同化CO2的表觀量子產率。通過吸收光輻射PFD除以CO2同化量則得同化CO2的表觀量子產率。ΦCO2=(Pn+Rd)/吸收PFD。Pn為凈光合速率,Rd為光下線粒體呼吸速率,假定PSI和PSII吸收相等光量子能量,則達到PSII反應中心的能量為吸收能量的0.5,PSII吸收的能量效率為0.85,則吸收的PFD=PFD×0.5×0.85。根據Atkin等在光下光抑制線粒體呼吸速率的平均抑制率為60%,即光下線粒體呼吸速率Rd=0.4Rn。Rn為暗呼吸速率,ΦPSII/ΦCO2為(傳遞電子e-數(shù)/PSII吸收量子數(shù))/(CO2固定量/葉片吸收量子數(shù)),即同化CO2的相對量子需要量。假定光合作用同化1個CO2分子需要利用4個電子,則植物吸收的激發(fā)能利用于光呼吸的能量耗散率(Pdiss)=[ETR-4×(Pn+Rd)]/ETR。式中ETR為PSII表觀電子傳遞速率。1.4anoa分析文中數(shù)據6～8個重復測定的平均值。利用SPSS統(tǒng)計軟件(SPSSInc.Chicago,IL,USA)進行變量(ANOVA)分析,所有數(shù)據通過最小顯著性檢驗(LSD),最低顯著性水準0.05。2對不同適度高溫脅迫下荷木葉片光合速率和耐高光通過能力的影響,分為文、中、小生長在全日光和遮陰下植物光合速率對適度高溫脅迫的響應從圖1可見,生長在全日光和30℃溫度下的荷木,其光合速率(Pn)隨光強增高而增高。在較高光強(>1400μmolphotonm-2s-1)Pn則見降低,表現(xiàn)高光強對Pn的抑制。而經過適度高溫42℃脅迫的荷木葉片,在較低光強(<600μmolphotonm-2s-1)Pn則較30℃下對照葉片略低,但在較高光強(>1000μmolphotonm-2s-1)則較30℃下葉片高13.6%至18.5%(圖1a)。適度高溫脅迫能增高在較高光強下的光合速率和耐高光強的能力。生長在遮陰下的荷木葉片有較低光合速率,但適度高溫脅迫下葉片仍表現(xiàn)光合速率增高和耐高光強的光抑制能力(圖1d)。生長在全日光和遮陰下的紅錐葉片,適度高溫脅迫引起相近似的效應(圖1b和e)。雖然在全日光下生長的適度高溫脅迫黃果厚殼桂葉片的光合速率與對照葉片相近似(P>0.05),但生長在遮陰下的葉片經受適度高溫脅迫后亦表現(xiàn)增高光合速率和耐強光抑制的能力(圖1c和f)。2.2不同高溫脅迫下葉片fv/fm的生長特性適度高溫脅迫引起生長在全日光下荷木葉片初始葉綠素a熒光產率F0增高,F0較30℃下的對照葉片高,則Fv/Fm較對照葉片降低5.5%,表現(xiàn)適度高溫脅迫對光系統(tǒng)II最大初始光化量子效率的有限的抑制。同樣生長在遮陰下的荷木,適度高度脅迫葉片的Fv/Fm亦較相應的對照葉片低3.4%;而適度高溫脅迫的紅錐和黃果厚殼桂的全日光下生長葉片均表現(xiàn)F0升高和Fm明顯降低,其Fv/Fm分別降低6.9%和5.6%,表明適度高溫脅迫亦引起陰生樹種黃果厚殼桂或中生性植物紅錐葉片F(xiàn)v/Fm的降低。Fv/Fm通常作為光抑制的指標。適度高溫脅迫引起葉片部分光抑制,適度高溫脅迫對生長在全日光下陰生黃果厚殼桂或中生性植物紅錐葉片光系統(tǒng)II最大初始光化效率的抑制較陽生植物荷木大(圖2)。2.3光照對光系統(tǒng)iii電子傳遞量子產率的影響從圖3可見,在全日光下生長的荷木對照葉片,除在高光強(2000μmolphotonm-2s-1)下有高的光系統(tǒng)II電子傳遞量子產率(ΦPSII)外,在正常光強(<1500μmolphotonm-2s-1)下ΦPSII相對穩(wěn)定在約0.5值,適度高溫脅迫的全日光下生長的葉片,在>300μmolphotonm-2s-1光強下ΦPSII明顯降低,反映隨著光強增高光系統(tǒng)II電子傳遞量子產率受抑制。通常在正常的對照葉片,大部分光量子能量通過光化反應被利用,而少部分以熱的形式耗散或以熒光形式發(fā)射。高溫脅迫引起ΦPSII降低,反映吸收的激發(fā)能以不同形式耗散或啟動交替電子傳遞鏈,以保持光合電子流,如光呼吸和Mehler途徑耗散過剩激發(fā)能。無論生長在30℃下的對照或適度高溫脅迫的遮陰荷木葉片,在光強>500μmolphotonm-2s-1下ΦPSII明顯較低,適度高溫脅迫沒有進一步引起遮陰荷木葉片ΦPSII更明顯的抑制。生長在全日光和30℃下的紅錐葉片,ΦPSII仍維持在約0.5值,但適度高溫脅迫引起ΦPSII明顯降低。生長在遮陰下的紅錐葉片和生長在全日光或遮陰下的黃果殼桂葉片在較高光強(>500μmolphotonm-2s-1)下有很低的光系統(tǒng)II電子傳遞量子產率。適度高溫脅迫亦沒有引起ΦPSII的繼續(xù)降低。結果表明,遮陰或適度高溫脅迫都能引起光系統(tǒng)II電子傳遞量子產率降低。光系統(tǒng)II吸收的激發(fā)能可能通過捕光葉綠素耗散或關閉PSII反應中心從而限制電荷分離,也可能啟動其它光化反應耗散PSII能量,從而降低光系統(tǒng)II電子傳遞量子產率。2.4光量子水分流失從圖4可見,除在高光強(1000～1500μmolphotonm-2s-1)下ΦPSII/ΦCO2較高外,在全日光和30℃下生長的荷木葉片,其同化CO2的量子需要量ΦPSII/ΦCO2平均值為20.2±4.5光量子。適度高溫脅迫的遮陰荷木葉片在光強<500μmolphotonm-2s-1下ΦPSII/ΦCO2較高,但在光強>500μmolphotonm-2s-1中ΦPSII/ΦCO2平均值保持在(14.5±1.2)光量子,較在低O2(2%)狀況下30℃的C3植物CO2固定量子需要量13.6光量子高。結果反映在自然光呼吸狀況(21%O2)下亞熱帶建群樹種荷木葉片通過光呼吸耗散部分高PSII能量。適度高溫脅迫下葉片較對照葉片有較低的CO2同化量子需要量(P<0.05)。雖然適度高溫沒有明顯降低生長在全日光和遮陰下的黃果厚殼桂和紅錐的遮陰葉片的CO2同化量子需要量,而適度高溫脅迫則能降低生長在全日光下生長的紅錐葉片的ΦPSII/ΦCO2。結果表明適度高溫脅迫能降低生長在全日光下的陽生樹種荷木和中生性樹種紅錐葉片的CO2同化相對量子需要量,但這種效應并不反映陰生樹種黃果殼桂生長在全日光下和遮陰下的葉片上。2.5陽生樹種和中陰性樹種紅錐葉片光呼吸能量耗散率比較從圖5可見,無論生長在全日光或遮陰下的3種供試植株對照葉片,其光呼吸能量耗散率(Pdiss)較適度高溫脅迫的葉片高(P<0.05),且陽生樹種荷木和中生性樹種紅錐葉片的光呼吸能量耗散率較陰生樹種黃果厚殼桂高;而適度高溫脅迫引起陽生樹種荷木和中生性樹種紅錐葉片的光呼吸能量耗散率較陰生樹種黃果厚殼桂大。表明適度高溫脅迫下陽生樹種荷木通過光呼吸耗散過剩激發(fā)能,以避免過多過剩能量積累引起PSII損傷,表現(xiàn)一種有效的防護機制。而陰生樹種黃果厚殼桂或生長在遮陰下葉片有較低光呼吸水平,適度高溫脅迫引起光呼吸能量耗散亦較低。3適度高溫脅迫對熱帶植物光合速率的影響通常氣溫增高引起葉溫增高,特別在高太陽輻射下葉溫可較氣溫高幾攝氏度,但因植物種類而異。當葉溫明顯高于光合作用最適溫度時則引起光合作用抑制。適度高溫脅迫引起Fv/Fm有限地降低。Haldimann和Feller曾指出這種光系統(tǒng)II最大光化量子產率有限地降低甚少影響葉片光合速率,也很少影響總碳同化量。結果表明42℃適度高溫能誘致陽生樹種荷木和中生性樹種紅錐及其生長在遮陰下葉片光合速率增高。生長在遮陰下的耐陰植物黃果厚殼桂亦具同樣的效應。適度高溫能促進類囊體膜一些功能,包括加速電子傳遞速率和增高CO2的傳導度,這都可能有利于葉片光合速率。Haldimann和Feller曾證明橡樹(Quercuspubescens)葉片在40℃或45℃高溫脅迫下Rubisco活化酶(Rubiscoactivase)的兩條酶帶并沒有明顯變化,且在脅迫后則見其活性恢復,表明適度高溫并不引起酶結構上的變化,在適度高溫脅迫后其活性狀態(tài)會很快得到復原。適度高溫脅迫能增高葉片耐高光輻射抑制的能力。生長在全日光下的陽生樹種荷木或中生性樹種紅錐葉片較陰生樹種黃果厚殼桂顯著,陰生樹種黃果厚殼桂在全日光下生長的葉片可能表現(xiàn)明顯高的輻射能負荷,故其對適度高溫脅迫響應則不甚敏感。結果表明熱帶植物對適度高溫脅迫的響應與植物種類和葉片生長光狀況有密切關系。適