高溫脅迫對(duì)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(duì)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(zhǎng)的趨勢(shì)引起了人們的關(guān)注。近年來(lái)，中國(guó)和世界其他地區(qū)的氣溫也在升高。預(yù)計(jì)2020至2030年我國(guó)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(zhǎng)。一般植物在氣溫30℃時(shí)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(zhǎng)的溫度。當(dāng)溫度超過(guò)最適溫度則引起光合作用抑制和生長(zhǎng)降低。高溫對(duì)植物的影響是多方面的,從抑制植物細(xì)胞器和細(xì)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(zhǎng)和降低產(chǎn)量。Lobell和Asner曾估計(jì)在北美生長(zhǎng)季平均氣溫增高1℃,作物產(chǎn)量降低17%,溫度升高對(duì)植物生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量都有顯著的影響。高光強(qiáng)和高溫對(duì)光合作用的抑制尤為顯著,且短期內(nèi)難以恢復(fù)。高溫降低Rubisco酶的活性被認(rèn)為是葉片光合作用降低的主要因素。因?yàn)镃O2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(xué)過(guò)程下調(diào)和吸收光能的重新分配,吸收的過(guò)剩激發(fā)能以熱或其它方式耗散,以免過(guò)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(hù)的機(jī)制,在高溫下光呼吸增高和Mehler途經(jīng)增強(qiáng)亦能分流過(guò)剩光合電子的能量。亦有報(bào)道證明高溫脅迫能直接增強(qiáng)囊體膜的耐高溫能力和對(duì)熱的馴化。根據(jù)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(jīng)常面臨高溫脅迫。雖然并不經(jīng)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(dǎo)環(huán)式電子傳遞,使得過(guò)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(rèn)為適度高溫的熱脅迫對(duì)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(duì)光合作用動(dòng)力學(xué)過(guò)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(duì)當(dāng)?shù)刂参锕夂献饔迷斐擅黠@的抑制和損害。但亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林種類繁多,不同植物種類生長(zhǎng)在不同的光條件下。一些先鋒陽(yáng)生樹(shù)種具有低的耐陰性,其幼樹(shù)只能在開(kāi)闊地或林窗空地上生長(zhǎng),足夠的光強(qiáng)是其生長(zhǎng)的必要條件;而一些耐陰樹(shù)種如黃果殼桂(Cryptocaryaconcinna)則能生長(zhǎng)在較遮陰的林下,它們具有不同的個(gè)體或種群的生態(tài)學(xué)特性。適度高溫結(jié)合不同的光輻射對(duì)其影響如何?不同亞熱帶林建群種對(duì)適度高溫和光輻射的響應(yīng)有何不同?它們?nèi)绾芜m應(yīng)適度高溫環(huán)境?這對(duì)于它們的生長(zhǎng)和生存極為重要。但這方面工作尚少見(jiàn)報(bào)道。研究適度高溫對(duì)不同植物光合作用的影響將有助于為進(jìn)一步闡明大氣氣溫升高對(duì)亞熱帶林植物生長(zhǎng)的影響提供廣泛的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1材料和方法1.1田間生長(zhǎng)與對(duì)生長(zhǎng)的影響荷木(Schimasuperba)、紅錐(Castanopsishystrix)和黃果厚殼桂(Cryptocaryaconcinna),幼樹(shù)高30cm。植物生長(zhǎng)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(yàn)開(kāi)始時(shí),一組對(duì)照植物生長(zhǎng)在全日光照的透明生長(zhǎng)箱,調(diào)節(jié)晝夜溫度30℃/25℃,日平均光強(qiáng)800～1000μmolphotonm-2s-1,空氣CO2濃度364μmolCO2mol-1,空氣相對(duì)濕度70%～85%(對(duì)照I)。另一組對(duì)照植物株生長(zhǎng)在利用黑色塑料網(wǎng)遮光的生長(zhǎng)箱,日光強(qiáng)為日平均全日光強(qiáng)20%,調(diào)節(jié)晝夜溫度與對(duì)照I相同。處理植物分別生長(zhǎng)在全日光(處理I)和20%全日光強(qiáng)(處理II),晝夜溫度均調(diào)節(jié)至42℃/35℃。兩個(gè)對(duì)照組和兩個(gè)處理組的幼樹(shù)共36株,分別3次重復(fù),每一重復(fù)3株。植株在對(duì)照和處理下生長(zhǎng)4d。1.2葉片光合速率測(cè)定利用Licor-6400光合測(cè)定儀及葉室熒光儀(Licor-6400LCF,LicorLincoln,NE)同時(shí)測(cè)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(yīng)30min,在低光下測(cè)定光系統(tǒng)II(PSII)反應(yīng)中心開(kāi)啟時(shí)的最小熒光產(chǎn)率(F0),利用0.8s的6000μmolphotonm-2s-1閃光誘導(dǎo)PSII反應(yīng)中心暫時(shí)關(guān)閉,記錄此時(shí)最大熒光產(chǎn)率(Fm),并得出PSII原初光化反應(yīng)最大量子產(chǎn)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(guān)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(chǎn)率(F0’)。測(cè)定葉片光合速率時(shí)葉片先經(jīng)光活化,首先從光強(qiáng)2000μmolphotonm-2s-1開(kāi)始測(cè)定,然后逐步降低光強(qiáng)至零,測(cè)定不同光強(qiáng)下葉片光合速率。每次變換光強(qiáng)須待光合速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)才開(kāi)始記錄。葉室CO2濃度425μmolCO2mol-1,溫度25℃,并測(cè)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(jù)測(cè)定的F0和Fm得出在暗下開(kāi)啟的PSII反應(yīng)中心量子產(chǎn)率Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm。根據(jù)Genty等計(jì)算光系統(tǒng)II電子傳遞量子產(chǎn)率,ΦPSII=(Fm′-Fs)/Fm′。ΦCO2表示在正?？諝獾墓夂粑鼱顩r下(21%O2+425μmolCO2mol-1)同化CO2的表觀量子產(chǎn)率。通過(guò)吸收光輻射PFD除以CO2同化量則得同化CO2的表觀量子產(chǎn)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(dá)到PSII反應(yīng)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(jù)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(duì)量子需要量。假定光合作用同化1個(gè)CO2分子需要利用4個(gè)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(jù)6～8個(gè)重復(fù)測(cè)定的平均值。利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件(SPSSInc.Chicago,IL,USA)進(jìn)行變量(ANOVA)分析,所有數(shù)據(jù)通過(guò)最小顯著性檢驗(yàn)(LSD),最低顯著性水準(zhǔn)0.05。2對(duì)不同適度高溫脅迫下荷木葉片光合速率和耐高光通過(guò)能力的影響,分為文、中、小生長(zhǎng)在全日光和遮陰下植物光合速率對(duì)適度高溫脅迫的響應(yīng)從圖1可見(jiàn),生長(zhǎng)在全日光和30℃溫度下的荷木,其光合速率(Pn)隨光強(qiáng)增高而增高。在較高光強(qiáng)(>1400μmolphotonm-2s-1)Pn則見(jiàn)降低,表現(xiàn)高光強(qiáng)對(duì)Pn的抑制。而經(jīng)過(guò)適度高溫42℃脅迫的荷木葉片,在較低光強(qiáng)(<600μmolphotonm-2s-1)Pn則較30℃下對(duì)照葉片略低,但在較高光強(qiáng)(>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(qiáng)下的光合速率和耐高光強(qiáng)的能力。生長(zhǎng)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(qiáng)的光抑制能力(圖1d)。生長(zhǎng)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(yīng)(圖1b和e)。雖然在全日光下生長(zhǎng)的適度高溫脅迫黃果厚殼桂葉片的光合速率與對(duì)照葉片相近似(P>0.05),但生長(zhǎng)在遮陰下的葉片經(jīng)受適度高溫脅迫后亦表現(xiàn)增高光合速率和耐強(qiáng)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(zhǎng)特性適度高溫脅迫引起生長(zhǎng)在全日光下荷木葉片初始葉綠素a熒光產(chǎn)率F0增高,F0較30℃下的對(duì)照葉片高,則Fv/Fm較對(duì)照葉片降低5.5%,表現(xiàn)適度高溫脅迫對(duì)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(zhǎng)在遮陰下的荷木,適度高度脅迫葉片的Fv/Fm亦較相應(yīng)的對(duì)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(zhǎng)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(shù)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(biāo)。適度高溫脅迫引起葉片部分光抑制,適度高溫脅迫對(duì)生長(zhǎng)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(yáng)生植物荷木大(圖2)。2.3光照對(duì)光系統(tǒng)iii電子傳遞量子產(chǎn)率的影響從圖3可見(jiàn),在全日光下生長(zhǎng)的荷木對(duì)照葉片,除在高光強(qiáng)(2000μmolphotonm-2s-1)下有高的光系統(tǒng)II電子傳遞量子產(chǎn)率(ΦPSII)外,在正常光強(qiáng)(<1500μmolphotonm-2s-1)下ΦPSII相對(duì)穩(wěn)定在約0.5值,適度高溫脅迫的全日光下生長(zhǎng)的葉片,在>300μmolphotonm-2s-1光強(qiáng)下ΦPSII明顯降低,反映隨著光強(qiáng)增高光系統(tǒng)II電子傳遞量子產(chǎn)率受抑制。通常在正常的對(duì)照葉片,大部分光量子能量通過(guò)光化反應(yīng)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(dòng)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(guò)剩激發(fā)能。無(wú)論生長(zhǎng)在30℃下的對(duì)照或適度高溫脅迫的遮陰荷木葉片,在光強(qiáng)>500μmolphotonm-2s-1下ΦPSII明顯較低,適度高溫脅迫沒(méi)有進(jìn)一步引起遮陰荷木葉片ΦPSII更明顯的抑制。生長(zhǎng)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(zhǎng)在遮陰下的紅錐葉片和生長(zhǎng)在全日光或遮陰下的黃果殼桂葉片在較高光強(qiáng)(>500μmolphotonm-2s-1)下有很低的光系統(tǒng)II電子傳遞量子產(chǎn)率。適度高溫脅迫亦沒(méi)有引起ΦPSII的繼續(xù)降低。結(jié)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(chǎn)率降低。光系統(tǒng)II吸收的激發(fā)能可能通過(guò)捕光葉綠素耗散或關(guān)閉PSII反應(yīng)中心從而限制電荷分離,也可能啟動(dòng)其它光化反應(yīng)耗散PSII能量,從而降低光系統(tǒng)II電子傳遞量子產(chǎn)率。2.4光量子水分流失從圖4可見(jiàn),除在高光強(qiáng)(1000～1500μmolphotonm-2s-1)下ΦPSII/ΦCO2較高外,在全日光和30℃下生長(zhǎng)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(qiáng)<500μmolphotonm-2s-1下ΦPSII/ΦCO2較高,但在光強(qiáng)>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(jié)果反映在自然光呼吸狀況(21%O2)下亞熱帶建群樹(shù)種荷木葉片通過(guò)光呼吸耗散部分高PSII能量。適度高溫脅迫下葉片較對(duì)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(méi)有明顯降低生長(zhǎng)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(zhǎng)在全日光下生長(zhǎng)的紅錐葉片的ΦPSII/ΦCO2。結(jié)果表明適度高溫脅迫能降低生長(zhǎng)在全日光下的陽(yáng)生樹(shù)種荷木和中生性樹(shù)種紅錐葉片的CO2同化相對(duì)量子需要量,但這種效應(yīng)并不反映陰生樹(shù)種黃果殼桂生長(zhǎng)在全日光下和遮陰下的葉片上。2.5陽(yáng)生樹(shù)種和中陰性樹(shù)種紅錐葉片光呼吸能量耗散率比較從圖5可見(jiàn),無(wú)論生長(zhǎng)在全日光或遮陰下的3種供試植株對(duì)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(yáng)生樹(shù)種荷木和中生性樹(shù)種紅錐葉片的光呼吸能量耗散率較陰生樹(shù)種黃果厚殼桂高;而適度高溫脅迫引起陽(yáng)生樹(shù)種荷木和中生性樹(shù)種紅錐葉片的光呼吸能量耗散率較陰生樹(shù)種黃果厚殼桂大。表明適度高溫脅迫下陽(yáng)生樹(shù)種荷木通過(guò)光呼吸耗散過(guò)剩激發(fā)能,以避免過(guò)多過(guò)剩能量積累引起PSII損傷,表現(xiàn)一種有效的防護(hù)機(jī)制。而陰生樹(shù)種黃果厚殼桂或生長(zhǎng)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(duì)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(yáng)輻射下葉溫可較氣溫高幾攝氏度,但因植物種類而異。當(dāng)葉溫明顯高于光合作用最適溫度時(shí)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(chǎn)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(jié)果表明42℃適度高溫能誘致陽(yáng)生樹(shù)種荷木和中生性樹(shù)種紅錐及其生長(zhǎng)在遮陰下葉片光合速率增高。生長(zhǎng)在遮陰下的耐陰植物黃果厚殼桂亦具同樣的效應(yīng)。適度高溫能促進(jìn)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(dǎo)度,這都可能有利于葉片光合速率。Haldimann和Feller曾證明橡樹(shù)(Quercuspubescens)葉片在40℃或45℃高溫脅迫下Rubisco活化酶(Rubiscoactivase)的兩條酶帶并沒(méi)有明顯變化,且在脅迫后則見(jiàn)其活性恢復(fù),表明適度高溫并不引起酶結(jié)構(gòu)上的變化,在適度高溫脅迫后其活性狀態(tài)會(huì)很快得到復(fù)原。適度高溫脅迫能增高葉片耐高光輻射抑制的能力。生長(zhǎng)在全日光下的陽(yáng)生樹(shù)種荷木或中生性樹(shù)種紅錐葉片較陰生樹(shù)種黃果厚殼桂顯著,陰生樹(shù)種黃果厚殼桂在全日光下生長(zhǎng)的葉片可能表現(xiàn)明顯高的輻射能負(fù)荷,故其對(duì)適度高溫脅迫響應(yīng)則不甚敏感。結(jié)果表明熱帶植物對(duì)適度高溫脅迫的響應(yīng)與植物種類和葉片生長(zhǎng)光狀況有密切關(guān)系。適