磷、铝交替作用下荞麦的叶绿素荧光特性变化

磷、铝交替作用下荞麦的叶绿素荧光特性变化 磷、铝交替作用下荞麦的叶绿素荧光特性变 化 Vo1.26No.3 Mav2010 科技通报 BULLETIN0FSCIENCEANDrECHN0L0GY 第26卷第3期 2010年5月 磷,铝交替作用下荞麦的叶绿素荧光特性变化 朱美红,饶米德,吴韶辉,李方,张淑娜,蔡妙珍 (浙江师范大学化学与生命科学学院,浙江金华321004) 摘要:采用水培法,以不同耐铝品种江西荞麦(耐性)和内蒙荞麦(敏感)为材料.研究磷,铝交替处理 下荞麦叶面积,叶绿素含量和叶绿素荧光参数的变化.结果表明,200wmol?L铝胁迫下.两品种荞麦 的叶面积减小,叶绿素a(Chla),总叶绿素(ChlT)含量降低,最大荧光(Fm)和电子传递速率(ETR)下 降,内蒙养麦叶片初始荧光(Fo)显着升高,PSII(Photosystem?)最大光化学效率(Fv,Fm)降低,江西荞 麦F0和Fv/Fm变化均不显着.磷,铝交替处理下,两品种荞麦的Chla和ChlT含量较单铝处理组显着 ,其中内蒙荞麦F0下降显着,两品种荞麦叶片的升高,Fv/Fm值略上升,Fo值降低 Fm和ETR值有不 同程度上升.说明磷处理能部分削弱铝毒对光合作用的光抑制和对光合机构的损伤.有利于植株光合 作用的进行. 关键词:荞麦:磷;铝胁迫;叶绿素荧光 中图分类号:S517;X503.231文献标识码:A文章编号:1001—7119(2010)03—0380 —05 ResponseofChlorophyllFluorescenceinBuckwheatLeavesto PhosphorusandAluminumAlternatively ZHUMeihong,RA0Mide,Shaohui,LIFang,ZHANGShuNa,CAIMiaozhen (CollegeofChemistryandLifeScience,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China) Abstract:TwodifferentA1genotypeofbuckwheatnamedJiangxibuckwheat(A1一 tolerance)andNeimengbuckwheat (A1一 sensitive)wereselectedasmaterialinthispaper.Theresponsesofleafarea,chlorophyllcontentandchlorophyllflu? orescencetophosphorus(P)andMuminum(A1)werecharacterizedincomparisonbetweenthesetwoA1genotypes.Re? suitsindicatedthattheleafarea,Chla,ChlTcontents,m~imumfluorescence(Fm)andelectronictransferrate(ETR) decreasedunder200}xmol?L-A1treatmentinbothtwogenotypes.Theminimalfluorescence(Fo)increasedsignificant— lyandPS11m~imumfluorescenceefficiency(Fv/Fm)decreasinginNeimengbuckwheat,buttherewasnodistinctvari. etyofFoandFv/FminJiangxibuckwheat.Comparedwith200t~mol?L, AItreatmentsolely,ChlaandChlTcontents increasedsignificantly,valueofFv/FmincreasedslightlyandFodecreasedinbothtwobuckwheatswhentreatedwithP andA1alternatively.FmandETRincreasedatdifferentlevelofPandA1treatmentsinNeimengandJiangxibuckwheat. Alltheseresultssuggestedthatphosphoruscouldamelioratetheinhibitiontoarose,preventdamnificationtophotosynthe— sisorgancausedbyA1toxicityandbenefitphotosynthesisforplants. Keywords:buckwheat;phosphorus:aluminumstress;chlorophyllfluorescence 铝毒是酸性土壤上限制作物生长的重要因 素之一.严重影响着全世界和中国大约40%和 21%耕作土壤的作物生产[.近几十年来,世界各 国针对铝的毒害,植物对铝的耐性机制和土壤铝 毒害的改良进行了大量的研究,并取得了较大进 展.在铝对植物光合作用的影响方面,Ohtagaki 收稿日期:2009—01—16 基金项目:国家自然科学基金项目(30800705)和浙江省自然科学基金项目(Y304185;Y307535) 作者简介:~(1983一),女,浙江嘉兴人,在读硕士研究生.研究方向为逆境植物营养 与环境修复.E-mial:ivy830703@163.eom 通讯作者:蔡妙珍(1976一),女,浙江金华人,副教授,博士,从事植物逆境营养与环境 生态方面的研究. 第3期朱美红等.磷,铝交替作用下荞麦的叶绿素荧光特性变化381 等_2]指出铝在日本雪松幼苗地上部的积累可导 致光合作用强度降低.过量的铝引起日本扁柏 (Chamaecyparisobtusa)Ca和Mg的吸收减少进 而导致气孔关闭,CO同化作用和光合作用强度 降低_3].另外,铝胁迫能降低大豆叶片的光合色 素含量,并使Fm,Fv/Fm值降低]. 磷是植物生长所需的大量元素之一.在生物 能值传递分子如三磷酸腺苷(ATP)和还原型辅 酶II(NADPH),以及新陈代谢过程(如光合和呼 吸)中起到重要作用[.Akaya等_6]研究发现,铝 浓度越高,青刚栎(QuercusglaucaThumb)叶片 磷含量越低.磷缺乏可导致叶绿素含量和蛋白质 含量下降,从而降低光合速率[. 叶绿素荧光动力学是以光合作用理论为基 础,用于研究和探测植物体内光合器官的运转状 况及植物对环境胁迫的响应机理[.与传统 的"表观性"的气体交换指标相比.叶绿素荧光参 数更能反映植物光合的"内在性"特点.可以用它 快速,灵敏和非破坏性地分析逆境因子对光合作 用的影响机理[.虽然国内外对于作物铝毒害方 面做了大量的研究工作.但将磷作为缓解植物铝 胁迫的研究,国内外相关报道较少.本文将铝胁 迫下的磷营养与叶绿素荧光动力学参数联系起 来,并结合不同铝耐性基因型荞麦,通过水培实 验,研究磷,铝交替处理对荞麦叶绿素荧光特性 的影响,更好的了解磷处理条件下荞麦光合系统 和体内耐铝机制对铝胁迫的感应.探究磷对植物 耐铝毒的影响. 1材料与 1.1实验材料 供试荞麦为江西荞麦和内蒙荞麦两个品种. 其中江西荞麦为耐铝品种,内蒙荞麦为铝敏感品 种[. 1.2试验 采用水培法.养麦种子用自来水洗净.于恒 温培养箱黑暗25?萌发至种子露白.将露白种子 在沙中培养,待长出2片子叶后将幼苗移人钻有 直径为2cm孔的塑料泡沫板中.并将其覆盖于 外壳涂有黑漆的塑料方盆(30cm×25cmX15 cm)上,每块塑料泡沫板钻24个(6×4)孔,每孔 植3株荞麦,每盆共72株.养麦在自然光下培 养.每天上午下午各通气2h,7d换一次营养液. 为防止磷,铝共处理产生沉淀,本实验采用 磷,铝交替处理的方法,磷浓度处理设0,0.5,1.0 mmol?L三个水平,在缺磷Hoagland营养液基 础上配制,KHzPO形态供应.14d后将荞麦根系 用双蒸水清洗干净,全部改用铝处理,Al.浓度设 0,200p~mol?L.两个水平,双蒸水配制,A1C1? 6HzO形态供应,含0.5mmol?LCa(防止单盐 毒害),pH4.5.1d后停止对荞麦的铝供应(铝胁 迫6h即已对荞麦生长产生抑制?],结合文献和 荞麦生长情况,并进行预实验.最终确定铝胁迫 时间为1d),采样测定各指标.实验共6个处理, 每个处理重复3次. 1.3实验方法 用便携式叶面积分析仪EPSONSTD12OOP 进行叶面积扫描,以cm表示,每个处理重复10 次.叶绿素含量的测定参照张志良CI2J的方法,单 位mg?g,;叶绿素荧光参数的测定采用德国生产 的便携式脉冲调制叶绿素荧光仪(PAM一210, Walz),每组处理重复测定3次.测定参照RalphEn] 的方法,具体步骤为:将叶片暗适应30min后, 找开测量光并打开光化光,适应20S后打开饱 和脉冲,升高光化光强度,适应20S后再打开饱 和脉冲,PAR强度保持在1254photonst~mol? (m?S)-1o所有指标测定均取上数第1对成熟叶 (顶部下数).每处理3株,取平均值. 1.4数据分析 数据采用面?s,Duncan检验使用SPSS15.0 软件处理,P=-O.05,制图采用Excel2003软件. 2结果分析 2.1磷,铝交替作用下荞麦叶面积的变化 由图1可知,无铝条件下,升高磷浓度对内 蒙荞麦叶面积的影响不大,江西荞麦叶面积略有 增加.200ixmol?L铝胁迫下.两荞麦品种的叶 面积都略有降低.磷,铝交替处理组,内蒙和江西 荞麦叶面积有一定幅度增加,其中江西荞麦叶面 积的增加趋势较内蒙荞麦明显.两品种间.各处 理江西荞麦的叶面积均大于内蒙养麦.这可能与 品种问的基因型差异有关. 2.2磷,铝交替作用下荞麦叶片光合色素含量 的变化 382科技通报第26卷 12口0 mrno1?L-P囤0.5mrnol?L—I田1.0mmol?L-'P 10aa 8目ab abT a ab b由萋:6一1_[a王T.;糍#值庞a , .占4 士l黼 2:"莲: 鞲 0紧 内蒙荞麦荞l 2 江西荞麦Jl.江西0荞麦2..J铝浓度/m0卜L 图1磷,铝交替作用下荞麦的叶面积 Fig.1LeafareaofbuckwheataffectedbyPandA1alternately I拼,铂X曹'lF川I,开瓦14l门21S_口巴目H蔓 Table1ChlorophyllcontentsofbuckwheatleavesaffectedbyPandAIahernately 处理内蒙荞麦江西荞麦 P/A1/叶绿素含量/mg?g'叶绿素含量/mg?g一 mmol?L一txmol?L-ChlaChlbChlTChla/bChlaChlbChlTChla/b 008.69+0.25ab3.96+01.06a12.65?1.14abc2.33+0.52a10.71? 0.02a3.74+0.0lc14.45_+0.03a2.86_+0a 0.58.65_+0.17ab4.32+0.09a12.97_+0.09ab2.01?0.08a9.58_+0.02b3.34?0.04d12.9l?0.06e2.87+0.03a 1.08.28+0.05ab4.64+0.12a12.92+0.17ab1.79+0.04a9.10+0.03c3.10+0.04d12.20+0.06 d2.93+0.03a 02007.66+0.73b3.68+1.20a11.34_+0.94c2.44? 1.14a8.89_+0.06d4.07_+0.02b12.96+0.05e2.18+0.02b 0.58.98+0.09a5.07-+0.13a14.06_+0.21a1.77_+0.03a9.10+0.06C4.67+0.01a13.76+_0. 05b1.95+_0.02e 1.08.13+0.40ab4.16+0.85a12.29+0.58bc2.05_+0.46a9.07_+0.O6C4.62+0.01a13.69+_ 0.35b1.97~0.12c 同一品种同一列内,不同字母所标数值在0.05水平上差异显着. 200t.~mol?L铝处理后,内蒙荞麦Chla,Chl b和ChlT含量略有降低,Chla/b值无变化.江 西荞麦Chla,ChlT含量和Chla/b值均显着降 低,分别为对照组的83.0%,89.7%和76.6%.铝 胁迫前加0.5mmol?L磷的处理,内蒙荞麦的 Chla和ChlT含量显着升高.分别为单铝处理组 的17.2%和24.0%.Chlb含量和Chla/b值无差 别,江西荞麦的Chla,Chlb和ChlT含量显着升 高.分别比单铝胁迫组增加了2.4%,l4.7%和 6.2%,Chla/b值显着降低,但供磷水平对光合色 素的影响差异不显着.说明铝胁迫减少了荞麦叶 片Chla和总光合色素的合成,磷处理能显着缓 解铝对荞麦叶片光合色素合成的抑制,但Chla/ b比值降低.表明磷处理组荞麦在铝胁迫后捕获 和传递给PS?反应中心的光能减少. 2.3磷,铝交替作用下荞麦叶绿素荧光特性的 变化 2.3.1初始荧光与最大光化学效率 单铝胁迫下,内蒙荞麦叶片Fo无明显变化, Fv/Fm略降低,江西荞麦F0和Fv/Fm均无明显 变化.磷,铝交替处理下内蒙荞麦的F0值相比单 铝处理组显着降低,Fv/Fm值略上升,江西荞麦 的F0和Fv/Fm变化均不明显.说明内蒙荞麦在 铝胁迫下PS?反应中心易受破坏,导致Fo值上 升,Fv/Fm值降低,而铝胁迫对江西荞麦PS?反 应中心的影响较小.磷处理能防止铝对叶片光合 机构的损伤,有利于光合作用的进行. 2.3.2最大荧光产量与电子传递速率 无铝条件下,磷处理均使两品种荞麦的Fm 值降低,1.0mmol?L磷浓度处理组的ETR值增 加.单铝胁迫降低两品种养麦的Fm和ETR值, 电子传递受阻.经磷处理的铝胁迫组两品种荞麦 第3期朱美红等.磷,铝交替作用下荞麦的叶绿素荧光特性变化383 表2磷,铝交替作用下荞麦叶片叶绿索荧光特性的变化 Table2ChlorophyllfluorescenceofbuckwheatleavesaffectedbyPandA1alternately 0O O.5 1.0 0200 0.5 1.0 0.149+0.O09b0.352__.0.039a0.232__.0.02826.80~5.200.145~0.O05a0.174~0.0900.1 77~0.01332.70~5.O0 0.133~0.O08bc0.223~0.047ab0.171? 0.00124.35~1.250.125~0.005a0.230~0.0870.165~0.02526.60~1.40 0.170~Oa0.227? 0.022b0.180~0.03431.95~4.450.110~0.020a0.176~0.0870.138~0.03940.50~0 0.145~0.O05b0.258~0.O04ab0.149~0.00126.20~l1.00.142~0.009a0.179~0.0330.137 ~0.Ol723.50~1.60 0.1lO~Od0.282~0.094ab0.206~0.03434.65~3.650.120~0a0.245~0.0450.160~0.01034 .00~2.70 0.120~0cd0.299~0.005ab0.171? 0.00122.40~0_300.118~0.003a0.186~0.0070.145~0.00533.85~9.65 同一品种同一列内,不同字母所标数值在O.O5水平上差异显着,无字母标注数值 差异不显着. 的Fm和ETR均表现出上升趋势.0.5mmo|?L一 磷浓度下Fm和ETR值最高,表明此浓度下,电 子传递速率最佳. 3讨论 光合色素的含量将影响叶绿素对光能的吸 收与传递,PS?和PSI之间的分配,以及转换合 成ATP与NADPH的量n,从而影响光合作用. Chla是光合反应中心复合体的主要组成成分, 其中处于特殊状态的反应中心Chla分子是执行 能量转化的光合色素,而Chlb是捕光色素蛋白 复合体的重要组成部分,主要作用是捕获和传递 光能ll5].本实验中,铝毒减少荞麦的叶面积,降低 江西荞麦叶片Chla,ChlT,Chla/b比值含量,表 明铝胁迫下PSII反应中心一定程度上的关闭使 反应中心的电子传递受阻,PSII对光能的利用 能力明显下降.磷,铝交替处理下,两品种荞麦叶 片的叶面积在铝胁迫下随磷浓度的升高而上升, Chla和ChlT含量显着升高,但Chla/b比值均 有不同程度降低,表明铝胁迫对荞麦叶片光合机 构产生了不可逆的破坏. 叶绿素荧光动力学特征被称为测定叶片光 合性能快速,无损伤的探针口,比光合速率更能 反映光合作用的真实行为[17].其中Fo是PS?反 应中心全部开放时的荧光产量,与激发光强度和 Chla含量有关.它的增加表明逆境对作物叶片 PSU反应中心不易逆转的破坏或可逆失活.Fv/ Fm是PS?最大光化学量子产量.其大小反映了 PS?反应中心内原初光能的转换效率,即最大 PS?的光能转换效率_l7].本实验中单铝胁迫导致 内蒙荞麦叶片PS?反应中心受损,Fo显着升高, 最大PS?光能转换效率略降低.磷,铝交替处理 下.内蒙荞麦叶片的F0值显着降低,Fv/Fm值略 上升,是荞麦抗胁迫能力提高的表现,表明磷处 理能有效防止短期铝胁迫(1d)对内蒙荞麦叶片 光合机构的破坏.而耐铝性较强的江西荞麦由于 自身能激活多种机制抗铝.在单铝胁迫下的Fo 和Fv/Fm变化均不显着,对通过外部环境耐铝的 依赖较小.磷处理组的Fo略下降,Fv/Fm值略上 升.Fm是PS?反应中心全部关闭时的荧光,即 为黑暗中的最大荧光,可反映通过PS?的电子 传递情况["].ETR代表的是表观光合量子传递速 率[16].单铝胁迫下两品种荞麦叶片的Fm和ETR 都有略微的下降,ETR的降低与Chla/b的下降 有关.加磷胁迫组的Fm和ETR值有不同程度上 升.表明磷处理能部分削弱铝毒引起的对光合作 用的光抑制[183和对光合机构的损伤H引.原因可能 在于加磷组养麦体内有效磷的增加促使叶片叶 绿素和某些特性功能蛋白质的合成.同时,磷螯 合进入根系和地上部的铝离子,植株所受铝毒害 减少,有利于植株的正常生长和生命活动.实验 中,铝胁迫对铝敏感性品种荧光参数变化的影响 大于耐铝性品种,磷对铝敏感性荞麦叶片荧光参 数的影响较大. 参考文献: [1]李朝苏,刘鹏,徐根娣,等.铝浸种对荞麦种子萌发和 幼苗生理的影响[J].生态,2006,26(6):2041— 2047. 384科技通报第26卷 [2]OhtagakiT,MiwaM,IzutaT,et01.Photosyntheticre. sponseofJapanesecedarseedlingsgrowninbrownfor- estsoilacidifiedbyaddingH2SO4solution[J].Journalof JapaneseSocietyAtmosphereEnvironment,1996,31: 11-19(InJapanese,withEnglishabstract). 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