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摘 要： 摘 要: 自然條件下晴天銀杏葉片光系統Ⅱ 光化學效率 ( Fv /Fm)表現明顯日變化。 上午 Fv / Fm隨光照的增強而降低 ,至 14: 00左右達最低值。其后隨著光強的減弱 Fv / Fm緩慢恢復。一天中葉黃素循環關鍵組分玉米黃質 ( Z)含量與 Fv / Fm呈負相關。用二硫蘇糖醇 ( DTT)阻
摘 要: 自然條件下晴天銀杏葉片光系統Ⅱ 光化學效率 ( Fv /Fm)表現明顯日變化。 上午 Fv / Fm隨光照的增強而降低 ,至 14: 00左右達最低值。其后隨著光強的減弱 Fv / Fm緩慢恢復。一天中葉黃素循環關鍵組分玉米黃質 ( Z)含量與 Fv / Fm呈負相關。用二硫蘇糖醇 ( DTT)阻斷 Z 的形成后 ,光抑制程度大大加深。 結果表明與葉黃素循環有關的非輻射能量耗散的增加是產生光抑制的原因之一。強光處理前飼喂 D1蛋白合成抑制劑林可霉素 ( LM) , Fv /Fm下降幅度增加 ,而且在暗中與弱光下的恢復出現差異 ,但強光處理后再引入 LM,則對 Fv /Fm 兩種恢復無明顯影響。 這表明強光可引起銀杏葉片 D1蛋白的快速周轉而植物體內這種 D1蛋白鈍化、復活之間的動態平衡可能是避免強光損傷的保護性反應。 自然條件下強光脅迫并不能導致銀杏葉片 D1蛋白的凈損失。
關鍵詞: 光抑制; PSⅡ 光化學效率;葉黃素循環 ; D1蛋白;銀杏
強光脅迫下植物光合作用的光抑制受到越來越多研究者的關注。 尤其是近年來隨著天然色素非輻射能量耗散過程的發現 ,人們對光抑制機理的認識已發生了很大的改變 (許大全 1992, Long& Humphries 1994)。 我們曾觀測到晴天中午銀杏葉片有嚴重光合午休現象 ,并推測與光抑制有關 (孟慶偉 1995) ,但一天中 Fv /Fm下降程度和葉黃素循環各組分含量的關系 ,特別是和玉米黃質 ( Z)的關系目前還不清楚。關于 D1蛋白周轉 ( turnov er) 與光抑制的關系一直眾說紛紜。 Ohad( 1984)認為光系統Ⅱ 反應中心的鈍化與 D1蛋白有關。 D1蛋白周轉發生在光抑制過程的早期階段 ,而 Clela nd( 1990)則認為光系統Ⅱ 失活發生在 D1蛋白凈損失之前 , D1蛋白降解是為了阻止光系統Ⅱ反應中心失活程度的進一步加深。郭連旺 ( 1994, 1996)對自然條件下珊瑚樹及田間小麥的觀測并未發現 D1蛋白的凈損失。本文將研究銀杏葉片光合作用光抑制的機制 ,著重探討葉黃素循環及 D1蛋白的周轉與光抑制的關系。
1 材料與方法
1. 1 材料栽培
兩年生銀杏苗自然條件下室外盆栽。盆內徑 45 cm,盆高 60 cm,裝干土 16. 5 kg ,常規管理。
1. 2 葉綠素熒光參數的測定
采用便攜式植物效率分析儀 (英國 Ha nsa tech公司制造 )測定初始熒光 ( Fo) ,最大熒光 ( Fm)和光系統Ⅱ光化學效率 ( Fv /Fm)。 測前預暗 5 min,閃光時間 2 s。
1. 3 葉黃素循環各組分分析
用直徑 1 cm 的打孔器取葉圓片 8～ 10片 ,放入研缽 ,加少許石英砂與 CaCO3 ,用 100% 丙酮研成勻漿。 1000 r /min離心 5 min。 葉黃素循環各組分的高壓液相色譜分析參照趙世杰 ( 1995)方法。 葉綠素 a( chl a)和葉綠素 b( chl b)含量用 UV -120分光光度計測定。
1. 4 葉片氣體交換參數的測定
光合速率 ( Pn)及光量子通量密度 ( PFD)由便攜式光合氣體分析系統 (英國 ADC公司制造 )獲得。 圖中所列數據為 8～ 10片葉的平均值。
1. 5 抑制劑的引入
將選好葉片的葉柄于水下再剪一段 ,迅速轉移至 30 mmo l /L的二硫蘇糖醇 ( DT T)或 3 mmo l /L的林可霉素 ( LM)溶液中 ,分別在弱光 (約 30μmol· m - 2· s - 1 )條件下放置 10 或 3 h。 對照葉片浸于蒸餾水中。
2 結 果
2. 1 銀杏葉片光合速率及葉綠素熒光參數日變化
從圖 1可以看出 ,銀杏葉片光合速率 ( Pn)日變化曲線為雙峰型。 Pn第一次高峰出現在上午 10: 00左右。此時光強 ( PFD)約為 1200μmo l· m - 2 · s - 1 。下午 14: 00前后 , Pn達最低值 (光強約 1600μmo l· m - 2· s - 1 )。此后 Pn略有回升 ,至 16: 00達第二次高峰 ,然后隨著光強的減弱而降低。
光系統Ⅱ 光化學效率 ( Fv /Fm)則隨光照的增強而降低。低谷出現在 14: 00左右 ,與早晨 ( 6: 00)相比 ,下降 21. 8%。至下午 18: 00恢復 90%以上。最大熒光 Fm也表現相似的變化趨勢。與此相反 , Fo先升高 ,后降低 ,但變化幅度不大 (圖 2)。 Fv /Fm的下降主要由 Fm 降低引起。
2. 2 葉黃素循環各組分含量日變化
圖 3表示葉黃素循環三組分紫黃質 ( V)、環氧玉米黃質 ( A)和玉米黃質 ( Z)含量日變化。上午隨著 PFD升高 ,光抑制加重 (圖 2)。紫黃質 ( V )的脫環化作用也隨之加強 , Z的含量增高。下午 Fv /Fm降至最低時 , Z的含量也達最高值。 其后隨著光強減弱 , Z的含量下降。以上結果表明 ,與葉黃素循環有關的非輻射能量耗散的增加可能是光系統Ⅱ光化學效率下降的原因之一
2. 3 葉黃素循環抑制劑 D TT對銀杏葉片光抑制的影響
二硫蘇糖醇 ( DT T)引入葉片后 ,與對照葉片同時放在強光 ( 1600 μmol· m - 2· s - 1 ) 下處理 2 h ,再測定葉片的熒光參數及恢復過程 ,結果如圖 4。與對照相比 , DTT處理的葉片 Fv /Fm下降幅度增加了 29% 。 表明抑制玉米黃質的形成后光抑制程度加重。 并且 DTT 處理的葉片 ,黑暗及弱光下恢復 ( 50 μmo l· m - 2· s - 1 )程度不同。 銀杏葉片在暗處的不完全恢復 (恢復約 67% )表明抑制葉黃素循環后 ,可能引起 D1蛋白凈降解。
2. 4 D1蛋白合成抑制劑 LM 對葉片光抑制及其恢復的影響
圖 4 DTT處理對銀杏葉片光抑制程度及恢復的影響 Fig . 4 Pho toinhibitio n a nd its r eco ve ries under DTT trea tment 為進一步探討強光對銀杏葉片 D1蛋白的影響 ,我們觀察了 D1蛋白合成抑制劑林可霉素 ( LM )對葉片光抑制及其恢復過程的影響。 發現飼喂 LM 的葉片遭受 2 h 強光 ( 1600 μmo l· m - 2· s - 1 )照射后 , Fv /Fm的下降程度比對照增加了 39. 7% ,而且暗中放置 16 h 后 ,只恢復了 25% (圖 5)。 表明此時強光造成了 D1蛋白的破壞。 但在恢復階段引入 LM 暗恢復及弱恢復均可達 95%以上。 說明 2 h強光處理后并未發生 D1蛋白的凈損失。
3 討 論
自 50年代 Hag er發現強光照射的綠色植物葉片存在葉黃素含量的變化以來 ,葉黃素循環對光合器官的保護作用已得到多數研究者的認同 ,不僅紫黃質的脫環氧化能耗散過剩激發能 ,清除活性氧 ( Demmig-Adamas 1990, 1992) , Z本身也參與葉綠體色素復合物的能量耗散。 Z的含量與非光化學猝滅呈線性相關 ( Lo ng a nd Humphries)即是一有力證據。本實驗觀察到銀杏葉片光合日進程中玉米黃質含量與 Fv /Fm下降幅度密切相關 (圖 3) , 飼喂 DT T后 Fv /Fm下降程度增大 (圖 4) ,光抑制加重 ,并導致 D1蛋白的損失 ,表明依賴葉黃素循環的非輻射能量耗散的增加是銀杏葉片產生光抑制的原因之一。
D1蛋白周轉一直是光抑制機理研究中心較活躍的領域 ,但因材料、方法及環境條件的不同 ,至今人們仍未達成共識。 我們通過比較強光處理前后引入 D1蛋白合成抑制 ( LM )光抑制恢復過程的差異 ,發現強光處理前引入 LM能造成 D1蛋白損失 (暗恢復不完全 ) ,而強光處理后引入 LM,暗恢復及弱光恢復無明顯差異 (圖 5) ,表明單純的強光脅迫未引起 D1蛋白的凈損失。 由此可知 ,強光脅迫下存在 D1蛋白的周轉 ,但自然條件下 D1蛋白的鈍化、復活達到動態平衡并不表明 D1蛋白的凈降解。 根據以上分析 ,我們推測自然條件下銀杏葉片葉黃素循環引起的非輻射能量耗散和 D1蛋白的可逆失活是導致光系統Ⅱ光化學效率下降的兩個主要因素。——論文作者：張 寧 ,孟慶偉 ,趙世杰 ,許長城 ,鄒 琦
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