低溫脅迫對油菜葉片光能吸收轉換利用的影響

范思靜 王亞男

摘要 冬油菜是我國主要的油料來源，其在生長過程中常常遭受連續零下低溫的脅迫。通過模擬連續低溫脅迫處理，探討低溫脅迫對油菜光能吸收轉換的影響。結果表明，低溫處理0～8 h，對油菜葉片的光能吸收轉換利用效率影響不大，低溫處理8 h后，葉片的光能吸收轉換利用效率明顯降低，初始熒光參數Fo、Fm、Fv/Fm均明顯下降，光化學猝滅系數Y（Ⅱ）、qP、qL與非光化學猝滅系數Y（NPQ）、NPQ和qN也均明顯降低，而實時熒光參數Fo′、非光化學猝滅系數Y（NO）明顯上升。經連續低溫處理8 h以后，光合系統 Ⅱ 已經受到破壞，不能進行正常的光能吸收轉換利用。

關鍵詞 冬油菜;低溫脅迫;光能吸收轉換;葉綠素熒光

中圖分類號 S634.3? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）24-0053-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.012

Effects of Low Temperature on Light Absorption，Conversion and Usage for Rape Leaves

FAN Si-jing，WANG Ya-nan （Anhui Jinpeiying Technology Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230088）

Abstract Winter rape is the main source of oil in China.It often suffers continuous low temperature stress during the growth process.In the experiment，the effects of low temperature stress on the light energy absorption，transformation and usage of rape by simulating continuous low temperature stress.As a result，the low temperature had weak effects on the changes of light energy absorption，transformation and usage at 0-8 h low temperature treatment.Nevertheless，after 8 h of low temperature treatment，the efficiency of light energy absorption conversion was significantly down-regulated，the initial fluorescence parameters Fo，Fm and Fv/Fm were significantly decreased.Similarly，the photochemical quenching coefficients （Y（Ⅱ），qP and qL） and the non-photochemical quenching coefficients （Y（NPQ），NPQ and qN） were significantly decreased too.Otherwise，the real-time fluorescence parameters Fo′ and the non-photochemical quenching coefficient Y（NO） were increased significantly.These results indicated that after 8 hours of continuous low temperature treatment，the photosynthetic system Ⅱ was damaged and could not conduct normal light energy absorption and conversion.

Key words Winter rape;Low temperature stress;Light energy absorption and conversion;Chlorophyll fluorescence

作者簡介 范思靜（1991—），女，安徽宣城人，碩士，農藝師，從事品種選育與管理工作。

收稿日期 2021-04-14

油菜是我國主要的油料作物之一，種植歷史悠久，我國的油菜種植區域分為冬油菜區域和春油菜區域，其中冬油菜種植主要集中于長江流域，春油菜種植主要集中于東北和西北地區[1]。但就面積和產量而言，冬油菜面積與產量均占全國油菜種植90%以上。由于冬油菜種植集中于長江流域的上、中、下游3個區，相對于長江上游地區，中、下游地區冬季溫度較低，特別隨著近年來極端天氣的頻發，中、下游地區連續零下低溫的天氣時有持續發生，嚴重影響了油菜的生長發育[2]。

光合作用是一個復雜的生理生化過程，分為原初反應、同化力形成和碳同化3個過程，包括了光物理、光化學以及生物化學轉變的復雜過程[3]。而在原初反應過程中，葉片吸收光能進行轉換的過程中，一部分能量被吸收利用轉換為化學能，另一部分光能無法吸收，轉換為波長較長的熒光進行釋放[4]。尤其在逆境條件下，當植物暴露于強光照條件下，熒光的能量耗散方式對植物的光合系統起到了重要的保護作用[5]。葉綠素熒光技術也是在此基礎上發展形成的一種應用光合作用研究的技術，熒光參數變化的檢測分析顯示，對葉片對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等進行評估，可有效評價植物的光合生理狀態，尤其是對逆境條件的響應狀況[6]。該技術已被廣泛應用于不同環境條件下植物光能吸收轉換效率變化的研究。為了進一步分析光 Ⅱ 的光能利用效率，前人根據植物光能耗散的3種途徑，即光保護性的熱耗散、光化學作用能量吸收與葉綠素熒光耗散發展了“lake model”和“puddle model”2種參數模式，在“lake model”中光合系統 Ⅱ 反應中心的天線系統是緊密關聯的整體，天線系統通過相互協調進行能量分配，而“puddle model”則以天線系統單體為模式[7]。在2種模式下從初始的葉綠素熒光參數Fo、Fm、Fv/Fm等衍生了一系列的熒光參數，如光化學猝滅系數Y（Ⅱ）、非光學猝滅系數Y（NO）、非光學猝滅系數Y（NPQ）等[7]。目前，大量的研究表明，2種參數的有效結合使用更能反映植物光系統 Ⅱ 反應中心在光能吸收、利用上的狀態[7]。鑒于此，筆者以創雜8號油菜幼苗為試驗材料，通過模擬零下連續低溫處理，研究低溫脅迫對油菜葉片光能吸收轉換的影響。

1 材料與方法

1.1 材料 試驗以安徽金培因公司選育的油菜品種創雜8號為試驗材料。

1.2 方法 將育苗基質分裝至育苗盤，播種后澆水至育苗基質完全濕潤，而后將育苗盤放置于人工氣候培養箱，溫度20 ℃、濕度70%，光照強度設置在500 μmol/（m2·s），光照時間10 h，暗培養14 h，連續培養至幼苗長至3葉期，剔除小苗和畸形苗，選擇大小一致的小苗重新移栽，連續培養至第4片葉完全伸展時，將整盤苗移至人工低溫氣候室，溫度-4 ℃，濕度70%，光照強度為200 μmol/（m2·s），分別測定處理前、處理后4、8、12和24 h油菜葉片葉綠素熒光參數和光合作用參數。

1.3 葉綠素熒光慢誘導參數的測定

選取健康完整、完全伸展開的倒三葉，在09：00開始測量。先用暗適應葉夾夾住葉片進行暗適應，在暗適應20 min以后，采用德國WALZ公司PAM-2500葉綠素熒光儀按照慢誘導熒光參數測定模式，開始慢誘導熒光參數的測定，先打開測量光，然后飽和脈沖光，打開作用光，連續間斷飽和脈沖并記錄數據。其中，飽和脈沖光強設置為3 000 μmol/（m2·s），脈沖頻率25 s，測量光強為150 μmol/（m2·s），作用光強為200 μmol/（m2·s），監測時長250 s。初始最小熒光參數（Fo，Original minimum fluorescence parameter）、最大熒光參數（Fm，Original maximum fluorescence parameter）在慢誘導的啟動初始，暗適應后打開測量光和飽和脈沖光時測定;光下的最小熒光參數Fo′、最大熒光參數Fm′、實時熒光參數Fs等在打開作用光和飽和脈沖光時進行測量。

葉綠素熒光參數：光化學猝滅系數Y（Ⅱ）、光化學猝滅系數qP、光化學猝滅系數qL、非光化學猝滅系數Y（NPQ）、非光化學猝滅系數NPQ、非光化學猝滅系數qN分別按照“lake model”和“puddle model”2種參數模式計算：Y（Ⅱ）=（Fm′-Fs）/Fm′，qP=（Fm′-F）/（Fm′-Fo′），NPQ=Fm/Fm′-1，ETR=0.5×Yield×PAR×0.84，qL=[（Fm′-Fs）（Fm′-Fo′）]×（Fo′/Fs），Y（NPQ）=1-Y（Ⅱ）-1/[NPQ+1+qL（Fm/Fo-1）]，Y（NO）=1-Y（Ⅱ）-Y（NPQ）。

1.4 數據處理

初始最小熒光參數Fo、初始最大熒光參數Fm、光合系統 Ⅱ 潛在光合學效率Fv/Fm等參數的測定均按照3次重復進行，采用軟件DPS 2000統計分析軟件，按turkey多重比較方法進行試驗結果差異顯著性分析[8]。

2 結果與分析

2.1 低溫處理對葉綠素熒光初始參數的影響

初始熒光參數Fo是暗適應后光合系統 Ⅱ 反應中心全部開放時的熒光強度，而初始最大熒光參數Fm則是在暗適應后強光刺激下光合系統 Ⅱ 反應中心全部關閉的熒光強度。從圖1可以看出，經連續低溫處理后，葉綠素熒光初始參數均發生了明顯的變化。連續低溫處理8 h后，暗適應后葉片的葉綠素初始最小熒光Fo、初始最大熒光Fm以及光系統 Ⅱ 潛在光化學效率Fv/Fm均明顯下降，而作用光照射后產生的實時熒光參數Fo′逐步升高。

2.2 低溫處理對葉綠素熒光光化學猝滅參數的影響

光化學猝滅系數Y（Ⅱ）是光化學系統 Ⅱ 的實際光化學量子效率，其值反映了光下光合系統 Ⅱ 反應中心部分關閉時的光化學效率，是光化學吸收利用的能量占吸收的光能的比率。從圖2可以看出，經低溫處理后，光化學猝滅系數Y（Ⅱ）逐步降低，處理24 h達到最低值。光化學猝滅系數qP表示光系統 Ⅱ反應中心所占的比例，而光化學猝滅系數qL表示光合系統 Ⅱ 開放的程度。經低溫處理后，qP與qL均呈逐步降低趨勢。以上結果表明，隨著低溫處理時間的延長，開放的光合系統 Ⅱ 反應中心逐步減少。

2.3 低溫處理對葉綠素熒光非光化學猝滅參數的影響

非光化學猝滅系數Y（NPQ）、NPQ和qN是植物光能過剩的情況下，植物通過調節能量轉換來進行自身保護的一種重要標志。從圖3可以看出，低溫處理0～8 h，非光化學猝滅系數略有升高;而在處理8 h以后，非光化學猝滅系數顯著下降，在處理的12 h達到最低水平。而非光化學猝滅系數Y（NO）是植物光能過剩的情況下，光合系統 Ⅱ 不可調節性能量耗散的標志，其值的變化反映了光合系統 Ⅱ 反應中心能量轉換狀態。由圖3可知，經低溫處理后，低溫處理0～8 h，非光化學猝滅系數Y（NO）緩慢上升，但在處理8 h以后，Y（NO）值快速升高，到處理24 h達到最大值，表明連續低溫處理對光合系統 Ⅱ 已經產生了一定的傷害。

3 結論與討論

光是植物生長的能量來源，植物對光能的吸收、轉換和利用是個復雜的生理生化過程。葉綠素熒光技術作為光合作用能量吸收轉換研究的探針，已被廣泛用于植物光合特性的研究[9]。例如，在干旱脅迫下，隨著干旱脅迫程度的加深，歐李葉片的最大熒光產量、光合系統 Ⅱ 潛在最大光化學效率、光化學淬滅系數等均呈下降趨勢[10]。而在低溫條件下，2個草莓品種最大光化學效率顯著降低，反應中心吸收、捕獲的能量隨脅迫時間延長大致呈增加趨勢[11]。研究人員以不同濃度梯度的PbCl2處理闊葉樹種木荷和欒樹，研究PbCl2對樹葉光合系統 Ⅱ 反應中心運轉情況的影響，結果表明隨著作用光強的增加，相對電子傳遞速率ETR、可調節性能量耗散非光化學猝滅系數呈上升趨勢，非調節性能量耗散非光化學猝滅系數Y（NO）、光系統 Ⅱ 實際光化學效率（Y Ⅱ）以及光化學猝滅系數qL呈下降趨勢，PbCl2處理在一定程度上抑制了木荷和欒樹光合系統 Ⅱ 反應中心的活性，但并沒有對光合系統 Ⅱ 反應中心產生破壞作用[12]。而在該試驗中，低溫處理0～8 h，葉片的光能吸收轉換利用效率變化不大，但在低溫處理8 h后，葉片的光能吸收轉換利用效率明顯降低，初始熒光參數Fo、Fm、Fv/Fm均明顯下降，光化學猝滅系數Y（Ⅱ）、qP、qL與非光化學猝滅系數Y（NPQ）、NPQ和qN也均明顯降低，實時熒光參數Fo′、非光化學猝滅系數Y（NO）則明顯上升，表明光合系統 Ⅱ 活性顯著降低，已不能進行正常的光能吸收轉換利用。

參考文獻

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